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

Technische Samenvatting: Systematisch Ontwerp van Breedbandige Single-Layer Microstrip 180° Hybride Koppelaars met een Nieuwe Topologie

Probleemstelling
180° hybride koppelaars zijn essentiële componenten in microgolf- en RF-systemen, die worden gebruikt in gebalanceerde versterkers, reflectometers en beamforming-netwerken om in-fase ($\Sigma$) en uit-fase ($\Delta$) signaalcombinaties te bieden. Hoewel de conventionele rat-race koppelaar breed wordt gebruikt, kampt deze met inherente beperkingen: een smalle bandbreedte door vaste kwart-golflengte transmissielijnen en een grote fysieke omvang. Hoewel diverse alternatieven zijn voorgesteld—waaronder multi-sectie structuren, fractale geometrieën en multilayer implementaties—staan veel bestaande oplossingen nog steeds voor trade-offs met betrekking tot bandbreedte, fabricagecomplexiteit, niet-planare geometrieën of de noodzaak van uitgebreide via-interconnecties. Er blijft behoefte aan compacte, breedbandige 180° hybriden die gebruikmaken van eenvoudige, single-layer planaire microstrip-technologie terwijl ze een hoge isolatie en lage amplitude/fase-onbalans behouden.

Methodologie
De auteurs stellen een nieuwe, systematische topologie voor voor het realiseren van breedbandige 180° hybride koppelaars op basis van de combinatie van in-fase vermogensverdelers, uit-fase vermogensverdelers en faseverschuivende netwerken. Het theoretische kader wordt vastgesteld met behulp van een gegeneraliseerd blokdiagram bestaande uit een vierpoorts 180° faseverschuiver en vier in-fase vermogensverdelers. Het werkingsprincipe berust op signaalstroomanalyse waarbij:

• Excitatie bij de $\Delta$-poort resulteert in signalen die worden gesplitst, met 180° faseverschoven en gecombineerd worden om uit-fase outputs te produceren bij poort 2 en 3, terwijl destructieve interferentie de $\Sigma$-poort isoleert.
• Excitatie bij de $\Sigma$-poort creëert een in-fase vermogensverdelingsnetwerk, dat signalen met gelijke amplitude en fase naar poort 2 en 3 levert, terwijl destructieve interferentie de $\Delta$-poort isoleert.

Om deze topologie te valideren, zijn twee verschillende single-layer microstrip implementaties ontworpen, gefabriceerd en getest op een Rogers RO4003C substraat ($\epsilon_r = 3,38$, $h = 0,508$ mm):

1. Werk I (Wilkinson-gebaseerd): Dit ontwerp integreert een compacte ultra-breedbandige (UWB) uit-fase vermogensverdeler (met gebruik van microstrip-naar-slotline transities), een nieuwe compacte UWB in-fase vermogensverdeling (met elliptische patches en rechthoekige slots) en twee Wilkinson vermogensverdelers (WPD's). Deze configuratie elimineert de noodzaak voor extra substraatlagen die in eerdere iteraties aanwezig waren, waardoor een volledig planaire structuur wordt bereikt.
2. Werk II (Vijfpoorts-gebaseerd): Om de compactheid en bandbreedte verder te verbeteren, werden de Wilkinson-verdelers uit het eerste ontwerp vervangen door een nieuwe vijfpoorts vermogensverdelingsconfiguratie gebaseerd op parallelle microstrip-lijnen met rechthoekige stubs. Deze structuur maakt gebruik van een grondvlak-slot voor elektromagnetische koppeling tussen de $\Sigma$, 2 en 3 poorten.

Beide ontwerpen werden geoptimaliseerd met Ansoft HFSS, en prototypes werden gefabriceerd en gemeten om de gesimuleerde resultaten te verifiëren.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuwe Topologie: Introductie van een gegeneraliseerd kader dat specifieke vermogensverdelers en faseverschuivers systematisch combineert om een familie van 180° hybriden te creëren met flexibele bandbreedte en prestatiekenmerken.
• Single-Layer Implementatie: De realisatie van volledig planaire, single-layer microstrip koppelaars die de complexiteit van multilayer structuren, gesuspendeerde substraten of uitgebreid via-gebruik elimineren.
• Component Innovatie: Ontwikkeling van een compacte UWB in-fase vermogensverdeling en een nieuwe vijfpoorts vermogensverdelingsconfiguratie die specifiek is afgestemd op integratie in de hybride topologie.
• Ontwerpflexibiliteit: Demonstratie dat de topologie kan worden aangepast om een trade-off te maken tussen circuitgrootte en fractionele bandbreedte door verschillende constituerende bouwstenen te selecteren (bijv. WPD's versus vijfpoorts-verdelers).

Resultaten
Beide voorgestelde koppelaars vertoonden breedbandige werking en een uitstekende overeenstemming tussen gesimuleerde en gemeten resultaten:

• Frequentiebereik: Beide ontwerpen werken effectief over het 4–9 GHz bereik. Werk II breidde de gemeten fractionele bandbreedte uit naar 87% (3,5–9,5 GHz), een verbetering ten opzichte van de 73% van Werk I.
• Return Loss: De input return losses bij de $\Sigma$ en $\Delta$ poorten waren beter dan 12 dB over de operationele banden.
• Isolatie: De isolatie tussen de input poorten ($\Sigma$ en $\Delta$) overschreed 30 dB, terwijl de isolatie tussen de output poorten gedurende de gehele band beter dan 15 dB bleef.
• Amplitude- en Fasebalans: De amplitude-onbalans was laag (binnen $\pm 0,5$ dB tot $\pm 1$ dB). De faseafwijking van de ideale 0° (in-fase) en 180° (uit-fase) respons werd binnen ongeveer $\pm 5^\circ$ tot $\pm 10^\circ$ gehouden.
• Compactheid: Werk II bereikte een reductie in footprint van ongeveer 34% vergeleken met Werk I, met afmetingen van 37,6 mm $\times$ 37 mm, terwijl de single-layer configuratie behouden bleef.

Significantie
Het artikel stelt dat de voorgestelde topologie een gunstige combinatie biedt van brede bandbreedte, compacte omvang en fabricagegemak. Door multilayer structuren en complexe via-interconnecties te vermijden, worden de ontwerpen gepresenteerd als aantrekkelijke kandidaten voor integratie in moderne microgolf- en RF-front-end systemen. Het werk valideert dat een systematische combinatie van specifieke vermogensverdeling en faseverschuivingstechnieken hoogwaardige 180° hybriden kan opleveren zonder de nadelen van grootte en complexiteit die geassocieerd worden met traditionele of eerder gerapporteerde geavanceerde structuren. De flexibiliteit van de topologie wordt benadrukt als een praktisch fundament voor het ontwikkelen van toekomstige breedbandige koppelaars met op maat gemaakte prestatie-eisen.