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

Sintesi Tecnica: Progettazione Sistematica di Accoppiatori Ibridi a 180° a Microstriscia a Banda Larga Utilizzando una Nuova Topologia

Problematica
Gli accoppiatori ibridi a 180° sono componenti essenziali nei sistemi a microonde e RF, utilizzati in amplificatori bilanciati, riflettometri e reti di beamforming per fornire combinazioni di segnali in fase ($\Sigma$) e in opposizione di fase ($\Delta$). Sebbene l'accoppiatore rat-race convenzionale sia ampiamente utilizzato, esso soffre di limiti intrinseci: larghezza di banda limitata dovuta a linee di trasmissione a quarto d'onda fisse e grandi dimensioni fisiche. Sebbene siano state proposte varie alternative — tra cui strutture a più sezioni, geometrie frattali e implementazioni multistrato — molte soluzioni esistenti affrontano ancora compromessi riguardanti la larghezza di banda, la complessità di fabbricazione, le geometrie non planari o la necessità di estese interconnessioni tramite via. Rimane la necessità di accoppiatori ibridi a 180° compatti e a banda larga che utilizzino una tecnologia a microstriscia planare a singolo strato semplice, mantenendo al contempo un'elevata isolazione e un basso squilibrio di ampiezza e fase.

Metodologia
Gli autori propongono una nuova topologia sistematica per realizzare accoppiatori ibridi a 180° a banda larga basata sulla combinazione di divisori di potenza in fase, divisori di potenza in opposizione di fase e reti di sfasamento. Il quadro teorico è stabilito utilizzando un diagramma a blocchi generalizzato comprendente uno sfasatore a 180° a quattro porte e quattro divisori di potenza in fase. Il principio di funzionamento si basa sull'analisi del flusso del segnale dove:

• L'eccitazione alla porta $\Delta$ produce segnali che vengono suddivisi, sfasati di 180° e ricombinati per produrre uscite in opposizione di fase alle porte 2 e 3, mentre l'interferenza distruttiva isola la porta $\Sigma$.
• L'eccitazione alla porta $\Sigma$ crea una rete di divisione della potenza in fase, che distribuisce segnali con uguale ampiezza e fase alle porte 2 e 3, mentre l'interferenza distruttiva isola la porta $\Delta$.

Per validare questa topologia, sono stati progettati, fabbricati e testati due distinti implementazioni a microstriscia a singolo strato su un substrato Rogers RO4003C ($\epsilon_r = 3,38$, $h = 0,508$ mm):

1. Lavoro I (Basato su Wilkinson): Questo design integra un compatto divisore di potenza in opposizione di fase ultra-wideband (UWB) (utilizzando transizioni microstriscia-linea a fessura), un nuovo compatto divisore di potenza in fase UWB (utilizzando patch ellittiche e fessure rettangolari) e due divisori di potenza Wilkinson (WPD). Questa configurazione elimina la necessità di strati di substrato aggiuntivi presenti nelle iterazioni precedenti, ottenendo una struttura completamente planare.
2. Lavoro II (Basato su Cinque Porte): Per migliorare ulteriormente la compattezza e la larghezza di banda, i divisori Wilkinson nel primo design sono stati sostituiti con una nuova configurazione di divisore di potenza a cinque porte basata su linee a microstriscia parallele con stub rettangolari. Questa struttura utilizza una fessura nel piano di massa per l'accoppiamento elettromagnetico tra le porte $\Sigma$, 2 e 3.

Entrambi i design sono stati ottimizzati utilizzando Ansoft HFSS, e i prototipi sono stati fabbricati e misurati per verificare i risultati della simulazione.

Contributi Chiave

• Nuova Topologia: Introduzione di un framework generalizzato che combina sistematicamente specifici divisori di potenza e sfasatori per creare una famiglia di ibridi a 180° con larghezza di banda e caratteristiche di prestazione flessibili.
• Implementazione a Singolo Strato: Realizzazione di accoppiatori a microstriscia planari a singolo strato che eliminano la complessità delle strutture multistrato, dei substrati sospesi o dell'uso esteso di via.
• Innovazione dei Componenti: Sviluppo di un compatto divisore di potenza in fase UWB e di una nuova configurazione di divisore di potenza a cinque porte specificamente adattata per l'integrazione nella topologia ibrida.
• Flessibilità di Design: Dimostrazione che la topologia può essere adattata per scambiare tra dimensione del circuito e larghezza di banda frazionaria selezionando diversi blocchi costruttivi (ad esempio, WPD rispetto ai divisori a cinque porte).

Risultati
Entrambi gli accoppiatori proposti hanno dimostrato un funzionamento a banda larga e un eccellente accordo tra i risultati simulati e quelli misurati:

• Intervallo di Frequenza: Entrambi i design operano efficacemente nell'intervallo 4–9 GHz. Il Lavoro II ha esteso la larghezza di banda frazionaria misurata all'87% (3,5–9,5 GHz), un miglioramento rispetto al 73% del Lavoro I.
• Perdita di Ritorno: Le perdite di ritorno in ingresso alle porte $\Sigma$ e $\Delta$ sono state superiori a 12 dB in tutte le bande operative.
• Isolazione: L'isolazione tra le porte di ingresso ($\Sigma$ e $\Delta$) ha superato i 30 dB, mentre l'isolazione tra le porte di uscita è rimasta superiore a 15 dB in tutto il banda.
• Bilanciamento di Ampiezza e Fase: Lo squilibrio di ampiezza è stato basso (entro $\pm 0,5$ dB o $\pm 1$ dB). La deviazione di fase dalla risposta ideale di 0° (in fase) e 180° (in opposizione di fase) è stata mantenuta entro circa $\pm 5^\circ$ o $\pm 10^\circ$.
• Compattezza: Il Lavoro II ha ottenuto una riduzione dell'impronta di circa il 34% rispetto al Lavoro I, con dimensioni di 37,6 mm $\times$ 37 mm, mantenendo una configurazione a singolo strato.

Significatività
L'articolo afferma che la topologia proposta offre una combinazione favorevole di ampia larghezza di banda, dimensioni compatte e semplicità di fabbricazione. Evitando strutture multistrato e complesse interconnessioni via, i design sono presentati come candidati attraenti per l'integrazione in moderni sistemi di front-end a microonde e RF. Il lavoro valida che la combinazione sistematica di specifiche tecniche di divisione di potenza e sfasamento può produrre accoppiatori ibridi a 180° ad alte prestazioni senza i problemi di dimensioni e complessità associati alle strutture tradizionali o ad altre strutture avanzate precedentemente riportate. La flessibilità della topologia è evidenziata come una base pratica per lo sviluppo di futuri accoppiatori a banda larga con requisiti di prestazione personalizzati.