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

यह शोध पत्र एक नवीन टोपोलॉजी का उपयोग करते हुए दो कॉम्पैक्ट, वाइडबैंड (4–9 GHz) सिंगल-लेयर माइक्रोस्ट्रिप 180° हाइब्रिड कपलर प्रस्तुत करता है जो उत्कृष्ट ब्रॉडबैंड प्रदर्शन, उच्च आइसोलेशन, और कम आयाम एवं चरण असंतुलन प्राप्त करने के लिए विल्किंसन-आधारित और फाइव-पोर्ट पावर डिवाइडर को फेज-शिफ्टिंग नेटवर्क के साथ जोड़ता है।

मूल लेखक: Parisa Safaei, Masoud Movahhedi

प्रकाशित 2026-07-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Parisa Safaei, Masoud Movahhedi

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक व्यस्त रसोई चला रहे हैं जहाँ आपको सामग्री की एक ही धारा को दो अलग-अलग कटोरों में विभाजित करने की आवश्यकता है। कभी-कभी, आप चाहते हैं कि सामग्री दोनों कटोरों में बिल्कुल एक ही समय पर गिरे, एकदम तालमेल में चलते हुए। अन्य समय में, आप चाहते हैं कि एक कटोरे को सामग्री मिले जबकि दूसरे को ठीक एक कदम बाद मिले, जिससे एक "पुश-पुल" लय (push-pull rhythm) बने।

रेडियो तरंगों और इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, यह काम एक उपकरण द्वारा किया जाता है जिसे 180° हाइब्रिड कपलर (Hybrid Coupler) कहा जाता है। इसे एक परिष्कृत ट्रैफिक डायरेक्टर (यातायात निर्देशक) के रूप में समझें। यह एक आने वाले सिग्नल को लेता है और उसे दो रास्तों में विभाजित करता है: एक जहाँ सिग्नल एक साथ चलते हैं (इन-फेज़/in-phase) और दूसरा जहाँ वे विपरीत दिशाओं में चलते हैं (आउट-ऑफ-फेज़/out-of-phase)।

यह शोध पत्र, जिसे परीसा सफई और मसऊद मोवाहैदी द्वारा लिखा गया है, इन ट्रैफिक डायरेक्टर्स को बनाने के एक नए, स्मार्ट तरीके का परिचय देता है। यहाँ उनके काम का सरल शब्दों में विवरण दिया गया है:

पुराने उपकरणों के साथ समस्या

लंबे समय से, इंजीनियरों ने "रैट-रेस कपलर" (rat-race coupler) नामक डिज़ाइन का उपयोग किया है। कल्पना कीजिए कि एक रेसट्रैक है जो एक विशाल रिंग के आकार का है। सिग्नलों को सही समय पर पहुँचने के लिए, ट्रैक को बहुत लंबा होना चाहिए—विशेष रूप से, इसे एक तरंग दैर्ध्य (wavelength) का एक चौथाई या तीन-चौथाई लंबा होना चाहिए।

समस्या: ये ट्रैक बहुत बड़े होते हैं (जो सर्किट बोर्ड पर बहुत अधिक जगह घेरते हैं) और केवल रेडियो आवृत्तियों (frequencies) की एक संकीर्ण सीमा के लिए अच्छी तरह से काम करते हैं। यदि आप उन्हें बहुत से विभिन्न चैनलों के लिए उपयोग करने की कोशिश करते हैं, तो वे भ्रमित हो जाते हैं और ठीक से काम करना बंद कर देते हैं।

नया समाधान: एक मॉड्यूलर "लेगो" (Lego) दृष्टिकोण

शोधकर्ताओं ने एक नई "टोपोलॉजी" (एक फैंसी शब्द जिसका अर्थ लेआउट या ब्लूप्रिंट है) का प्रस्ताव दिया। एक विशाल, कठोर रिंग बनाने के बजाय, उन्होंने छोटे, आपस में बदले जा सकने वाले निर्माण खंडों (building blocks) का उपयोग करके एक प्रणाली बनाई।

उनके डिज़ाइन को एक मॉड्यूलर प्लंबिंग सिस्टम की तरह समझें:

स्प्लिटर (Splitter): वे एक विशेष "पावर डिवाइडर" का उपयोग करते हैं जो Y-आकार के पाइप की तरह कार्य करता है, जो पानी (सिग्नल) को दो समान धाराओं में विभाजित करता है।
ट्विस्ट (Twist): वे एक "फेज शिफ्टर" (phase shifter) जोड़ते हैं, जो पाइप में एक घुमाव की तरह है जो एक धारा को इतना विलंबित करता है कि वह दूसरी धारा के साथ 180 डिग्री आउट-ऑफ-सिंक होकर पहुँचती है।
मिक्सर (Mixer): वे इन टुकड़ों को इस तरह जोड़ते हैं कि आप कौन सा दरवाजा खोलते हैं (आप कौन सा पोर्ट उपयोग करते हैं), सिग्नल या तो एक साथ चलते हैं या एक-दूसरे के विपरीत चलते हैं।

दो नए डिज़ाइन

टीम ने यह साबित करने के लिए कि यह काम करता है, इस नई प्रणाली के दो संस्करण बनाए:

1. "विल्किंसन" संस्करण (कार्य I)

यह कैसे काम करता है: उन्होंने एक मानक, विश्वसनीय प्रकार के स्प्लिटर (जिसे विल्किंसन पावर डिवाइडर कहा जाता है) को अपने नए फेज-शिफ्टिंग ट्रिक्स के साथ जोड़ा।
परिणाम: यह आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला (4 GHz से 9 GHz तक) में बहुत अच्छा काम करता है। यह एक उच्च गुणवत्ता वाले, ऑल-टेरेन वाहन की तरह है जो ऊबड़-खाबड़ सड़कों (विभिन्न आवृत्तियों) को बहुत अच्छी तरह से संभालता है।
मुख्य विशेषता: यह सिग्नल को बहुत साफ रखता है और उन्हें गलत पाइपों में वापस लीक होने से रोकता है (उच्च आइसोलेशन)।

2. "फाइव-पोर्ट" संस्करण (कार्य II)

यह कैसे काम करता है: डिवाइस को और भी छोटा बनाने के लिए, उन्होंने मानक स्प्लिटर्स को एक बिल्कुल नए, कॉम्पैक्ट डिज़ाइन से बदल दिया जिसे उन्होंने "फाइव-पोर्ट पावर डिवाइडर" नाम दिया है। कल्पना कीजिए कि एक बड़ी, जटिल मशीन को एक चिकने, पॉकेट-साइज़ गैजेट में सिकोड़ दिया गया है।
परिणाम: यह पहले वाले की तुलना में लगभग 34% छोटा है और आवृत्तियों की और भी विस्तृत श्रृंखला पर काम करता है। यह एक सेडान से कॉम्पैक्ट स्पोर्ट्स कार में अपग्रेड करने जैसा है—इंजन की शक्ति वही है, लेकिन यह बहुत अधिक सुव्यवस्थित और तेज़ है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

शोधकर्ताओं ने तीन प्रमुख चीजें हासिल कीं:

आकार: उन्होंने सब कुछ एक एकल फ्लैट लेयर (जैसे ब्रेड के केवल एक स्लाइस वाला सैंडविच) पर रखकर डिवाइस को बहुत छोटा बना दिया। इससे इसे बनाना और मैन्युफैक्चर करना आसान और सस्ता हो जाता है।
गति: उन्होंने इसे एक "वाइडबैंड" रेंज के लिए काम करने योग्य बनाया। केवल एक रेडियो स्टेशन पर काम करने के बजाय, यह डिवाइस एक पूरे रेडियो स्टेशन और उसके पड़ोसियों को बिना गुणवत्ता खोए संभाल सकता है।
सटीकता: उन्होंने साबित किया कि पूरे रेंज में सिग्नल पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ (या पूरी तरह से विपरीत) रहते हैं, जिसमें बहुत कम त्रुटि होती है।

निचोड़ (The Bottom Line)

पेपर का दावा है कि इस नए "लेगो-जैसे" ब्लूप्रिंट का उपयोग करके, उन्होंने दो कॉम्पैक्ट, सिंगल-लेयर डिवाइस बनाए हैं जो रेडियो सिग्नलों को "इन-सिंक" और "आउट-ऑफ-सिंक" संस्करणों में विभाजित करने में उत्कृष्ट हैं। उन्होंने इन उपकरणों का लैब में परीक्षण किया, उन्हें मापा, और पाया कि वास्तविक दुनिया के परिणाम उनके कंप्यूटर सिमुलेशन से पूरी तरह मेल खाते हैं।

संक्षेप में, उन्होंने रेडियो तरंगों के लिए एक छोटा, तेज़ और अधिक बहुमुखी ट्रैफिक डायरेक्टर बनाया है जो पुराने, भारी-भरकम डिज़ाइनों की तुलना में आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में बहुत बेहतर तरीके से फिट बैठता है।

तकनीकी सारांश: एक नवीन टोपोलॉजी का उपयोग करके वाइडबैंड सिंगल-लेयर माइक्रोस्ट्रिप 180° हाइब्रिड कपलर का व्यवस्थित डिज़ाइन

समस्या विवरण
180° हाइब्रिड कपलर माइक्रोवेव और RF प्रणालियों में आवश्यक घटक हैं, जिनका उपयोग संतुलित एम्पलीफायरों (balanced amplifiers), रिफ्लेक्टोमीटरों और बीमफॉर्मिंग नेटवर्क में इन-फेज़ ( $\Sigma$ ) और आउट-ऑफ-फेज़ ( $\Delta$ ) सिग्नल संयोजनों को प्रदान करने के लिए किया जाता है। जबकि पारंपरिक 'रैट-रेस' (rat-race) कपलर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, यह अपने अंतर्निहित सीमाओं से ग्रस्त है: निश्चित चतुर्थ-तरंगदैर्ध्य (quarter-wavelength) ट्रांसमिशन लाइनों के कारण संकीर्ण बैंडविड्थ और बड़ा भौतिक आकार। यद्यपि विभिन्न विकल्प प्रस्तावित किए गए हैं—जिनमें मल्टी-सेक्शन संरचनाएं, फ्रैक्टल ज्यामिति और मल्टीलेयर कार्यान्वयन शामिल हैं—कई मौजूदा समाधान अभी भी बैंडविड्थ, निर्माण जटिलता, गैर-प्लेनर ज्यामिति या व्यापक वाया इंटरकनेक्शन की आवश्यकता के संबंध में ट्रेड-ऑफ का सामना करते हैं। उच्च आइसोलेशन और कम आयाम/फेज असंतुलन बनाए रखते हुए, सरल, सिंगल-लेयर प्लेनर माइक्रोस्ट्रिप तकनीक का उपयोग करने वाले कॉम्पैक्ट, ब्रॉडबैंड 180° हाइब्रिड की आवश्यकता बनी हुई है।

कार्यप्रणाली
लेखक इन-फेज़ पावर डिवाइडर, आउट-ऑफ-फेज़ पावर डिवाइडर और फेज-शिफ्टिंग नेटवर्क के संयोजन के आधार पर वाइडबैंड 180° हाइब्रिड को साकार करने के लिए एक नवीन, व्यवस्थित टोपोलॉजी का प्रस्ताव करते हैं। सैद्धांतिक ढांचा एक सामान्यीकृत ब्लॉक आरेख का उपयोग करके स्थापित किया गया है जिसमें एक फोर-पोर्ट 180° फेज शिफ्टर और चार इन-फेज़ पावर डिवाइडर शामिल हैं। इसका संचालन सिद्धांत सिग्नल फ्लो विश्लेषण पर आधारित है जहाँ:

$\Delta$ पोर्ट पर उत्तेजना (excitation) के परिणामस्वरूप ऐसे सिग्नल उत्पन्न होते हैं जो विभाजित होते हैं, 180° फेज-शिफ्ट होते हैं, और पोर्ट 2 और 3 पर आउट-ऑफ-फेज़ आउटपुट उत्पन्न करने के लिए पुनर्संयोजित होते हैं, जबकि विनाशकारी हस्तक्षेप (destructive interference) $\Sigma$ पोर्ट को आइसोलेट करता है।
$\Sigma$ पोर्ट पर उत्तेजना एक इन-फेज़ पावर डिवीजन नेटवर्क बनाती है, जो पोर्ट 2 और 3 को समान आयाम और फेज वाले सिग्नल वितरित करती है, जबकि विनाशकारी हस्तक्षेप $\Delta$ पोर्ट को आइसोलेट करता है।

इस टोपोलॉजी को मान्य करने के लिए, दो अलग-अलग सिंगल-लेयर माइक्रोस्ट्रिप कार्यान्वयन को डिज़ाइन, फैब्रिकेट और टेस्ट किया गया है, जो Rogers RO4003C सबस्ट्रेट ( $\epsilon_r = 3.38$ , $h = 0.508$ mm) पर आधारित हैं:

कार्य I (विल्किंसन-आधारित): यह डिज़ाइन एक कॉम्पैक्ट अल्ट्रा-वाइडबैंड (UWB) आउट-ऑफ-फेज़ पावर डिवाइडर (माइक्रोस्ट्रिप-टू-स्लॉटलाइन ट्रांजिशन का उपयोग करते हुए), एक नवीन कॉम्पैक्ट UWB इन-फेज़ पावर डिवाइडर (एलिप्टिकल पैच और आयताकार स्लॉट का उपयोग करते हुए), और दो विल्किंसन पावर डिवाइडर (WPDs) को एकीकृत करता है। यह विन्यास पिछले संस्करणों में पाए जाने वाले अतिरिक्त सबस्ट्रेट परतों की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे एक पूर्णतः प्लेनर संरचना प्राप्त होती है।
कार्य II (फाइव-पोर्ट आधारित): बैंडविड्थ और कॉम्पैक्टनेस को और बढ़ाने के लिए, पहले डिज़ाइन के विल्किंसन डिवाइडर को आयताकार स्टब्स के साथ समानांतर माइक्रोस्ट्रिप लाइनों पर आधारित एक नवीन फाइव-पोर्ट पावर-डिवाइडर विन्यास से बदल दिया गया है। यह संरचना $\Sigma$ , 2, और 3 पोर्ट्स के बीच इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कपलिंग के लिए ग्राउंड-प्लेन स्लॉट का उपयोग करती है।

दोनों डिज़ाइनों को Ansoft HFSS का उपयोग करके अनुकूलित किया गया था, और सिमुलेशन परिणामों को सत्यापित करने के लिए प्रोटोटाइप का निर्माण और मापन किया गया था।

प्रमुख योगदान

नवीन टोपोलॉजी: विशिष्ट पावर डिवाइडर और फेज-शिफ्टर्स को मिलाकर 180° हाइब्रिड के एक परिवार को बनाने के लिए एक सामान्यीकृत ढांचे का परिचय, जो लचीली बैंडविड्थ और प्रदर्शन विशेषताओं वाला है।
सिंगल-लेयर कार्यान्वयन: पूरी तरह से प्लेनर, सिंगल-लेयर माइक्रोस्ट्रिप कपलर का निर्माण जो मल्टीलेयर संरचनाओं, सस्पेंडेड सबस्ट्रेट्स या व्यापक वाया उपयोग की जटिलता को समाप्त करता है।
घटक नवाचार: इस हाइब्रिड टोपोलॉजी में एकीकरण के लिए विशेष रूप से तैयार किया गया एक कॉम्पैक्ट UWB इन-फेज़ पावर डिवाइडर और एक नवीन फाइव-पोर्ट पावर-डिवाइडर विन्यास का विकास।
डिज़ाइन लचीलापन: यह प्रदर्शन दिखाना कि टोपोलॉजी को विभिन्न घटक बिल्डिंग ब्लॉक्स (जैसे, WPDs बनाम फाइव-पोर्ट डिवाइडर) का चयन करके सर्किट आकार और फ्रैक्शनल बैंडविड्थ के बीच ट्रेड-ऑफ करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

परिणाम
दोनों प्रस्तावित कपलर ने वाइडबैंड ऑपरेशन और सिम्युलेटेड एवं मापे गए परिणामों के बीच उत्कृष्ट सहमति प्रदर्शित की:

आवृत्ति सीमा (Frequency Range): दोनों डिज़ाइन 4–9 GHz की सीमा में प्रभावी ढंग से संचालित होते हैं। कार्य II ने मापी गई फ्रैक्शनल बैंडविड्थ को 73% (कार्य I) के मुकाबले 87% (3.5–9.5 GHz) तक बढ़ाया।
रिटर्न लॉस: $\Sigma$ और $\Delta$ पोर्ट्स पर इनपुट रिटर्न लॉस ऑपरेटिंग बैंड के दौरान 12 dB से बेहतर था।
आइसोलेशन: इनपुट पोर्ट्स ( $\Sigma$ और $\Delta$ ) के बीच आइसोलेशन 30 dB से अधिक था, जबकि आउटपुट पोर्ट्स के बीच आइसोलेशन पूरे बैंड में 15 dB से बेहतर बना रहा।
एम्प्लीट्यूड और फेज बैलेंस: एम्प्लीट्यूड असंतुलन कम था ( $\pm 0.5$ dB से $\pm 1$ dB के भीतर)। आदर्श 0° (इन-फेज़) और 180° (आउट-ऑफ-फेज़) प्रतिक्रिया से फेज विचलन लगभग $\pm 5^\circ$ से $\pm 10^\circ$ के भीतर बनाए रखा गया।
कॉम्पैक्टनेस: कार्य II ने कार्य I की तुलना में लगभग 34% फुटप्रिंट में कमी हासिल की, जिसका आयाम 37.6 mm $\times$ 37 mm था, जबकि सिंगल-लेयर कॉन्फ़िगरेशन को बनाए रखा।

महत्व
पेपर का दावा है कि प्रस्तावित टोपोलॉजी वाइड बैंडविड्थ, कॉम्पैक्ट आकार और निर्माण सरलता का एक अनुकूल संयोजन प्रदान करती है। मल्टीलेयर संरचनाओं और जटिल वाया इंटरकनेक्शन से बचकर, इन डिज़ाइनों को आधुनिक माइक्रोवेव और RF फ्रंट-एंड सिस्टम में एकीकरण के लिए आकर्षक उम्मीदवार के रूप में प्रस्तुत किया गया है। यह कार्य प्रमाणित करता है कि विशिष्ट पावर डिवीजन और फेज-शिफ्टिंग तकनीकों का व्यवस्थित संयोजन पारंपरिक या पहले से रिपोर्ट किए गए उन्नत संरचनाओं से जुड़ी आकार और जटिलता की समस्याओं के बिना उच्च-प्रदर्शन वाले 180° हाइब्रिड प्रदान कर सकता है। टोपोलॉजी का लचीलापन भविष्य के कस्टम प्रदर्शन आवश्यकताओं वाले वाइडबैंड कपलर विकसित करने के लिए एक व्यावहारिक आधार के रूप में रेखांकित किया गया है।

पुराने उपकरणों के साथ समस्या

नया समाधान: एक मॉड्यूलर "लेगो" (Lego) दृष्टिकोण

दो नए डिज़ाइन

यह क्यों महत्वपूर्ण है

निचोड़ (The Bottom Line)

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