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Systematic Design of Wideband Single-Layer Microstrip 180° Hybrid Couplers Using a Novel Topology

Cet article présente deux coupleurs hybrides à 180° micro-rubans monocouches compacts et à large bande (4–9 GHz) utilisant une topologie novatrice qui combine des diviseurs de puissance de type Wilkinson et à cinq ports avec des réseaux de déphasage afin d'obtenir d'excellentes performances à large bande, une isolation élevée ainsi que de faibles déséquilibres d'amplitude et de phase.

Auteurs originaux : Parisa Safaei, Masoud Movahhedi

Publié 2026-07-01

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Parisa Safaei, Masoud Movahhedi

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous dirigez une cuisine très occupée où vous devez diviser un flux unique d'ingrédients en deux bols séparés. Parfois, vous voulez que les ingrédients atterrissent dans les deux bols exactement au même moment, se déplaçant en parfaite synchronisation. D'autres fois, vous voulez qu'un bol reçoive les ingrédients tandis que l'autre les reçoit exactement un pas plus tard, créant un rythme de « poussée-traction ».

Dans le monde des ondes radio et de l'électronique, ce travail est accompli par un dispositif appelé coupleur hybride à 180°. Considérez-le comme un directeur de trafic sophistiqué pour des signaux invisibles. Il prend un signal entrant et le divise en deux chemins : un chemin où les signaux marchent ensemble (en phase) et un autre où ils marchent en sens opposé (en opposition de phase).

Ce document, écrit par les chercheurs Parisa Safaei et Masoud Movahhedi, présente une nouvelle façon plus intelligente de construire ces directeurs de trafic. Voici la décomposition de leur travail en termes simples :

Le problème avec les anciens outils

Pendant longtemps, les ingénieurs ont utilisé une conception appelée « coupleur rat-race ». Imaginez une piste de course qui a la forme d'un anneau géant. Pour que les signaux arrivent au bon moment, la piste doit être très longue — spécifiquement, elle doit mesurer un quart ou trois quarts de longueur d'onde.

Le problème : Ces pistes sont énormes (elles prennent beaucoup de place sur un circuit imprimé) et ne fonctionnent bien que pour une plage étroite de fréquences radio. Si vous essayez de les utiliser pour trop de canaux différents, elles s'embrouillent et cessent de bien fonctionner.

La nouvelle solution : Une approche modulaire de type « Lego »

Les chercheurs ont proposé une nouvelle « topologie » (un mot savant pour désigner la disposition ou le plan) . Au lieu de construire un anneau géant et rigide, ils ont construit un système utilisant des blocs de construction plus petits et interchangeables.

Considérez leur conception comme un systage de plomberie modulaire :

Le diviseur : Ils utilisent un « diviseur de puissance » spécial qui agit comme un tuyau en forme de Y, divisant l'eau (le signal) en deux flux égaux.
La torsion : Ils ajoutent un « déphaseur », qui est comme une torsion dans le tuyau qui retarde un flux juste assez pour qu'il arrive en opposition de phase (180 degrés) avec l'autre.
Le mélangeur : Ils combinent ces pièces afin que, selon la porte que vous ouvrez (quel port vous utilisez), les signaux marchent ensemble ou marchent séparément.

Deux nouvelles conceptions

L'équipe a construit deux versions de ce nouveau système pour prouver son efficacité :

1. La version « Wilkinson » (Travail I)

Comment ça marche : Ils ont utilisé un type de diviseur standard et fiable (appelé diviseur de puissance Wilkinson) combiné à leurs nouvelles astuces de déphasage.
Le résultat : Cela fonctionne très bien sur une large gamme de fréquences (de 4 GHz à 9 GHz). C'est comme un véhicule tout-terrain de haute qualité qui gère très bien les routes accidentées (différentes fréquences).
Caractéristique clé : Il garde les signaux très propres et empêche qu'ils ne fuient dans les mauvais tuyaux (isolation élevée).

2. La version « Cinq ports » (Travail II)

Comment ça marche : Pour rendre le dispositif encore plus petit, ils ont remplacé les diviseurs standards par une toute nouvelle conception compacte qu'ils ont inventée, appelée « diviseur de puissance à cinq ports ». Imaginez réduire une grande machine complexe en un gadget élégant et de poche.
Le résultat : Cette version est environ 34 % plus petite que la première et fonctionne sur une gamme de fréquences encore plus large. C'est comme passer d'une berline à une voiture de sport compacte — même puissance de moteur, mais beaucoup plus serrée et rapide.

Pourquoi cela importe

Les chercheurs ont accompli trois choses majeures :

Taille : Ils ont rendu le dispositif beaucoup plus petit en plaçant tout sur une seule couche plate (comme un sandwich avec une seule tranche de pain), plutôt qu'en empilant plusieurs couches. Cela les rend plus faciles et moins coûteux à fabriquer.
Vitesse : Ils l'ont fait fonctionner sur une plage « large bande ». Au lieu de ne fonctionner que sur une seule station radio, ce dispositif peut gérer une station radio entière et ses voisines sans perdre en qualité.
Précision : Ils ont prouvé que les signaux restent parfaitement synchronisés (ou parfaitement opposés) sur toute la plage, avec très peu d'erreur.

L'essentiel

L'article affirme qu'en utilisant ce nouveau plan de type « Lego », ils ont créé deux dispositifs compacts à couche unique qui sont excellents pour diviser les signaux radio en versions « synchronisées » et « non synchronisées ». Ils ont testé ces dispositifs en laboratoire, les ont mesurés, et ont constaté que les résultats réels correspondaient parfaitement à leurs simulations informatiques.

En bref, ils ont construit un directeur de trafic pour ondes radio plus petit, plus rapide et plus polyvalent, qui est plus facile à construire et s'intègre bien mieux aux systèmes électroniques modernes que les anciennes conceptions encombrantes.

Résumé technique : Conception systématique de coupleurs hybrides à 180° microstrip à large bande utilisant une nouvelle topologie

Énoncé du problème
Les coupleurs hybrides à 180° sont des composants essentiels dans les systèmes micro-ondes et RF, utilisés dans les amplificateurs équilibrés, les réflectomètres et les réseaux de formation de faisceaux pour fournir des combinaisons de signaux en phase ( $\Sigma$ ) et en opposition de phase ( $\Delta$ ). Bien que le coupleur rat-race conventionnel soit largement utilisé, il souffre de limitations intrinsèques : une bande passante étroite due aux lignes de transmission à quart d'onde fixes et une taille physique importante. Bien que diverses alternatives aient été proposées — incluant des structures multi-sections, des géométries fractales et des implémentations multicouches — de nombreuses solutions existantes font toujours face à des compromis concernant la bande passante, la complexité de fabrication, les géométries non planaires ou la nécessité de nombreuses interconnexions par vias. Il existe un besoin pour des hybrides à 180° compacts et à large bande qui utilisent une technologie microstrip planaire à couche unique simple tout en maintenant une isolation élevée et un faible déséquilibre d'amplitude et de phase.

Méthodologie
Les auteurs proposent une nouvelle topologie systématique pour réaliser des coupleurs hybrides à 180° à large bande basés sur la combinaison de diviseurs de puissance en phase, de diviseurs de puissance en opposition de phase et de réseaux de déphasage. Le cadre théorique est établi à l'aide d'un diagramme fonctionnel généralisé comprenant un déphaseur à 180° à quatre ports et quatre diviseurs de puissance en phase. Le principe de fonctionnement repose sur l'analyse du flux de signaux où :

L'excitation au port $\Delta$ produit des signaux qui sont divisés, déphasés de 180°, et recombinés pour produire des sorties en opposition de phase aux ports 2 et 3, tandis qu'une interférence destructrice isole le port $\Sigma$ .
L'excitation au port $\Sigma$ crée un réseau de division de puissance en phase, délivrant des signaux d'amplitude et de phase égaux aux ports 2 et 3, tandis qu'une interférence destructrice isole le port $\Delta$ .

Pour valider cette topologie, deux implémentations microstrip à couche unique distinctes ont été conçues, fabriquées et testées sur un substrat Rogers RO4003C ( $\epsilon_r = 3,38$ , $h = 0,508$ mm) :

Travail I (Basé sur Wilkinson) : Cette conception intègre un diviseur de puissance en opposition de phase ultra-large bande (UWB) compact (utilisant des transitions microstrip-vers-ligne à fente), un nouveau diviseur de puissance en phase UWB compact (utilisant des patchs elliptiques et des fentes rectangulaires), et deux diviseurs de puissance Wilkinson (WPD). Cette configuration élimine le besoin de couches de substrat supplémentaires présentes dans les itérations précédentes, réalisant ainsi une structure entièrement planaire.
Travail II (Basé sur cinq ports) : Pour améliorer davantage la compacité et la bande passante, les diviseurs Wilkinson du premier design ont été remplacés par une nouvelle configuration de diviseur de puissance à cinq ports basée sur des lignes microstrip parallèles avec des stubs rectangulaires. Cette structure utilise une fente dans le plan de masse pour le couplage électromagnétique entre les ports $\Sigma$ , 2 et 3.

Les deux conceptions ont été optimisées via Ansoft HFSS, et des prototypes ont été fabriqués et mesurés pour vérifier les résultats de simulation.

Principales contributions

Topologie novatrice : Introduction d'un cadre généralisé qui combine systématiquement des diviseurs de puissance et des déphaseurs spécifiques pour créer une famille de hybrides à 180° dotés de caractéristiques de bande passante et de performance flexibles.
Implémentation à couche unique : Réalisation de coupleurs microstrip planaires entièrement à couche unique qui éliminent la complexité des structures multicouches, des substrats suspendus ou de l'utilisation intensive de vias.
Innovation de composants : Développement d'un diviseur de puissance en phase UWB compact et d'une nouvelle configuration de diviseur de puissance à cinq ports spécifiquement adaptés à l'intégration dans la topologie hybride.
Flexibilité de conception : Démonstration que la topologie peut être adaptée pour arbitrer entre la taille du circuit et la bande passante fractionnaire en sélectionnant différents blocs constitutifs (par exemple, WPD vs diviseurs à cinq ports).

Résultats
Les deux coupleurs proposés ont démontré un fonctionnement à large bande et un excellent accord entre les résultats simulés et mesurés :

Plage de fréquence : Les deux conceptions fonctionnent efficacement sur la plage 4–9 GHz. Le Travail II a étendu la bande passante fractionnaire mesurée à 87 % (3,5–9,5 GHz), une amélioration par rapport aux 73 % du Travail I.
Perte de retour : Les pertes de retour d'entrée aux ports $\Sigma$ et $\Delta$ étaient supérieures à 12 dB sur l'ensemble des bandes de fonctionnement.
Isolation : L'isolation entre les ports d'entrée ( $\Sigma$ et $\Delta$ ) dépassait 30 dB, tandis que l'isolation entre les ports de sortie restait supérieure à 15 dB sur toute la bande.
Équilibre d'amplitude et de phase : Le déséquilibre d'amplitude était faible (dans les limites de $\pm 0,5$ dB à $\pm 1$ dB). La déviation de phase par rapport aux réponses idéales de 0° (en phase) et 180° (en opposition de phase) a été maintenue à environ $\pm 5^\circ$ à $\pm 10^\circ$ .
Compacité : Le Travail II a réalisé une réduction de l'empreinte d'environ 34 % par rapport au Travail I, avec des dimensions de 37,6 mm $\times$ 37 mm, tout en maintenant une configuration à couche unique.

Signification
L'article affirme que la topologie proposée offre une combinaison favorable de large bande passante, de compacité et de simplicité de fabrication. En évitant les structures multicouches et les interconnexions complexes par vias, les conceptions sont présentées comme des candidats attractifs pour l'intégration dans les systèmes modernes de l'avant-face (front-end) micro-ondes et RF. Ce travail valide qu'une combinaison systématique de techniques spécifiques de division de puissance et de déphasage peut produire des hybrides à 180° de haute performance sans les inconvénients de taille et de complexité associés aux structures traditionnelles ou aux structures avancées précédemment rapportées. La flexibilité de la topologie est mise en avant comme un fondement pratique pour le développement de futurs coupleurs à large bande avec des exigences de performance personnalisées.

Le problème avec les anciens outils

La nouvelle solution : Une approche modulaire de type « Lego »

Deux nouvelles conceptions

Pourquoi cela importe

L'essentiel

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