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

技術要約：新規トポロジーを用いた広帯域単層マイクロストリップ180°ハイブリッド結合器の系統的設計

問題提起
180°ハイブリッド結合器は、マイクロ波およびRFシステムにおいて、同相（$\Sigma$）および逆相（$\Delta$）信号の組み合わせを提供するために、平衡増幅器、反射計、ビームフォーミングネットワークなどで不可欠なコンポーネントである。従来のラットレース結合器が広く用いられているが、固定された1/4波長伝送線路に起因する固有の制限、すなわち狭帯域性と大きな物理的サイズという課題を抱えている。多節構造、フラクタル幾何学、あるいは多層実装を含む様々な代替案が提案されてきたが、既存のソリューションの多くは依然として、帯域幅、製造の複雑さ、非平面的な幾何学的形状、あるいは大量のビア相互接続の必要性に関するトレードオフに直面している。高隔離度、低振幅・位相不均衡を維持しつつ、単純な単層平面マイクロストリップ技術を利用した、コンパクトで広帯域な180°ハイブリッドへのニーズが存在する。

手法
著者らは、同相電力分配器、逆相電力分配器、および位相シフトネットワークの組み合わせに基づく、広帯域180°ハイブリッドを実現するための新しい系統的なトポロジーを提案する。理論的枠組みは、4ポート180°位相シフト器と4つの同相電力分配器からなる一般化されたブロック図を用いて確立される。動作原理は以下の信号流解析に基づいている：

• $\Delta$ポートへの励起は、信号を分割、180°位相シフトさせ、再結合することで、ポート2および3に逆相出力を生成し、一方で破壊的干渉によって$\Sigma$ポートを孤立させる。
• $\Sigma$ポートへの励起は、同相電力分配ネットワークを生成し、ポート2および3に対して等しい振幅と位相の信号を届け、一方で破壊的干渉によって$\Delta$ポートを孤立させる。

このトポロジーを検証するために、2つの異なる単層マイクロストリップ実装を設計、製作、およびテストした（Rogers RO4003C基板、$\epsilon_r = 3.38$、$h = 0.508$ mmを使用）：

1. Work I（ウィルキンソンベース）: この設計は、コンパクトな超広帯域（UWB）逆相電力分配器（マイクロストリップ－スロットライン遷移を利用）、新規なコンパクトUWB同相電力分配器（楕円パッチと矩形スロットを使用）、および2つのウィルキンソン電力分配器（WPD）を統合している。この構成により、従来の反復モデルに見られた追加の基板層を排除し、完全な平面構造を実現している。
2. Work II（5ポートベース）: さらなる小型化と帯域幅の向上を図るため、最初の設計のウィルキンソン分配器を、矩形スタブを備えた並列マイクロストリップ線路に基づく新規な5ポート電力分配構成に置き換えた。この構造は、$\Sigma$、2、および3ポート間の電磁結合のためにグラウンドプレーンスロットを利用している。

両設計はAnsoft HFSSを用いて最適化され、シミュレーション結果を検証するためにプロトタイプが製作・測定された。

主な貢献

• 新規トポロジー: 特定の電力分配器と位相シフト器を系統的に組み合わせることで、柔軟な帯域幅と性能特性を持つ一連の180°ハイブリッドを作成できる、一般化されたフレームワークの導入。
• 単層実装: 多層構造、懸架基板、または大量のビア使用の複雑さを排除した、完全な平面的な単層マイクロストリップ結合器の実現。
• コンポーネントの革新: ハイブリッド・トポロジーへの統合に特化した、コンパクトなUWB同相電力分配器および新規な5ポート電力分配構成の開発。
• 設計の柔軟性: 異なる構成要素（例：WPD対5ポート分配器）を選択することで、回路サイズと分数帯域幅のトレードオフが可能であることを実証。

結果
提案された両方の結合器は、広帯域動作を示し、シミュレーションと測定結果の間で優れた一致を示した：

• 周波数範囲: 両設計とも4–9 GHzの範囲で効果的に動作する。Work IIは、Work Iの73%に対し、測定された分数帯域幅を87%（3.5–9.5 GHz）まで拡張した。
• リターンロス: $\Sigma$および$\Delta$ポートにおける入力リターンロスは、動作帯域全体で12 dBを上回った。
• 隔離度: 入力ポート間（$\Sigma$および$\Delta$）の隔離度は30 dBを超え、出力ポート間の隔離度は全帯域を通じて15 dBを上回った。
• 振幅および位相バランス: 振幅不均衡は低く（$\pm 0.5$ dBから$\pm 1$ dB以内）、位相偏差は理想的な0°（同相）および180°（逆相）の応答から、約$\pm 5^\circ$から$\pm 10^\circ$以内に維持された。
• 小型化: Work IIは、単層構成を維持しながら、Work Iと比較して約34%のフットプリント削減（寸法は37.6 mm $\times$ 37 mm）を達成した。

意義
本論文は、提案されたトポロジーが、広い帯域幅、コンパクトなサイズ、および製造の簡便さという好ましい組み合わせを提供すると主張している。多層構造や複雑なビア相互接続を回避することで、これらの設計は現代のマイクロ波およびRFフロントエンドシステムへの統合において魅力的な候補として提示されている。本研究は、特定の電力分配および位相シフト技術を系統的に組み合わせることで、従来または報告されている高度な構造に伴うサイズや複雑さの欠点なしに、高性能な180°ハイブリッドを実現できることを検証している。このトポロジーの柔軟性は、カスタマイズされた性能要件を持つ将来の広帯域結合器を開発するための実用的な基礎として強調されている。