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

Resumo Técnico: Projeto Sistemático de Acopladores Híbridos de 180° de Microfita de Banda Larga Utilizando uma Nova Topologia

Definição do Problema
Acopladores híbridos de 180° são componentes essenciais em sistemas de micro-ondas e RF, utilizados em amplificadores balanceados, refletômetros e redes de formação de feixe para fornecer combinações de sinais em fase ($\Sigma$) e fora de fase ($\Delta$). Embora o acoplador rat-race convencional seja amplamente utilizado, ele sofre de limitações inerentes: largura de banda estreita devido a linhas de transmissão de quarto de comprimento fixas e grande tamanho físico. Embora várias alternativas tenham sido propostas — incluindo estruturas de múltiplas seções, geometrias fractais e implementações multicamadas — muitas soluções existentes ainda enfrentam compromissos entre largura de banda, complexidade de fabricação, geometrias não planas ou a necessidade de extensas interconexões de vias. Existe a necessidade de híbridos de 180° compactos e de banda larga que utilizem tecnologia de microfita planar de camada única simples, mantendo alta isolação e baixo desequilíbrio de amplitude/fase.

Metodologia
Os autores propõem uma nova topologia sistemática para a realização de acopladores híbridos de 180° de banda larga baseada na combinação de divisores de potência em fase, divisores de potência fora de fase e redes de deslocamento de fase. O arcabouço teórico é estabelecido por meio de um diagrama de blocos generalizado compreendendo um deslocador de fase de 180° de quatro portas e quatro divisores de potência em fase. O princípio de operação baseia-se na análise do fluxo de sinal onde:

• A excitação na porta $\Delta$ resulta em sinais que são divididos, deslocados de fase em 180°, recombinados para produzir saídas fora de fase nas portas 2 e 3, enquanto a interferência destrutiva isola a porta $\Sigma$.
• A excitação na porta $\Sigma$ cria uma rede de divisão de potência em fase, entregando sinais de amplitude e fase iguais às portas 2 e 3, enquanto a interferência destrutiva isola a porta $\Delta$.

Para validar esta topologia, duas implementações distintas de microfita de camada única foram projetadas, fabricadas e testadas em um substrato Rogers RO4003C ($\epsilon_r = 3,38$, $h = 0,508$ mm):

1. Trabalho I (Baseado em Wilkinson): Este projeto integra um divisor de potência fora de fase ultra-amplo (UWB) compacto (utilizando transições microstrip-para-slotline), um novo divisor de potência em fase UWB compacto (usando patches elípticos e slots retangulares) e dois Divisores de Potência Wilkinson (WPDs). Esta configuração elimina a necessidade de camadas adicionais de substrato encontradas em iterações anteriores, alcançando uma estrutura totalmente planar.
2. Trabalho II (Baseado em Cinco Portas): Para aumentar ainda mais a compacidade e a largura de banda, os divisores Wilkinson do primeiro design foram substituídos por uma nova configuração de divisor de potência de cinco portas baseada em linhas de microfita paralelas com stubs retangulares. Esta estrutura utiliza um slot no plano de terra para acoplamento eletromagnético entre as portas $\Sigma$, 2 e 3.

Ambos os designs foram otimizados usando Ansoft HFSS, e protótipos foram fabricados e medidos para verificar os resultados de simulação.

Principais Contribuições

• Topologia Inovadora: Introdução de um arcabouço generalizado que combina sistematicamente divisores de potência e deslocadores de fase específicos para criar uma família de híbridos de 180° com largura de banda e características de desempenho flexíveis.
• Implementação de Camada Única: Realização de acopladores de microfita de camada única e totalmente plana que eliminam a complexidade de estruturas multicamadas, substratos suspensos ou uso extensivo de vias.
• Inovação de Componentes: Desenvolvimento de um divisor de potência em fase UWB compacto e uma nova configuração de divisor de potência de cinco portas especificamente adaptada para integração na topologia híbrida.
• Flexibilidade de Design: Demonstração de que a topologia pode ser adaptada para alternar entre o tamanho do circuito e a largura de banda fracionária ao selecionar diferentes blocos de construção constituintes (ex: WPDs vs. divisores de cinco portas).

Resultados
Ambos os acopladores propostos demonstraram operação de banda larga e excelente concordância entre os resultados simulados e medidos:

• Faixa de Frequência: Ambos os designs operam efetivamente na faixa de 4–9 GHz. O Trabalho II estendeu a largura de banda fracionária medida para 87% (3,5–9,5 GHz), uma melhoria sobre os 73% do Trabalho I.
• Perda de Retorno: As perdas de retorno de entrada nas portas $\Sigma$ e $\Delta$ foram superiores a 12 dB em todas as bandas de operação.
• Isolação: A isolação entre as portas de entrada ($\Sigma$ e $\Delta$) excedeu 30 dB, enquanto a isolação entre as portas de saída permaneceu superior a 15 dB em toda a banda.
• Equilíbrio de Amplitude e Fase: O desequilíbrio de amplitude foi baixo (dentro de $\pm 0,5$ dB a $\pm 1$ dB). O desvio de fase em relação à resposta ideal de 0° (em fase) e 180° (fora de fase) foi mantido dentro de aproximadamente $\pm 5^\circ$ a $\pm 10^\circ$.
• Compacidade: O Trabalho II alcançou uma redução de pegada (footprint) de aproximadamente 34% em comparação com o Trabalho I, com dimensões de 37,6 mm $\times$ 37 mm, mantendo uma configuração de camada única.

Significância
O artigo afirma que a topologia proposta oferece uma combinação favorável de banda larga, tamanho compacto e simplicidade de fabricação. Ao evitar estruturas multicamadas e interconexões de vias complexas, os designs são apresentados como candidatos atraentes para integração em sistemas modernos de RF e de front-end de micro-ondas. O trabalho valida que a combinação sistemática de técnicas específicas de divisão de potência e deslocamento de fase pode gerar híbridos de 180° de alto desempenho sem os problemas de tamanho e complexidade associados a estruturas avançadas tradicionais ou relatadas anteriormente. A flexibilidade da topologia é destacada como uma base prática para o desenvolvimento de futuros acopladores de banda larga com requisitos de desempenho customizados.