微帶180°電橋小型化及寬帶技術(shù)研究

張浩為 王同洋 譚銘 陳洋 張旭春 梁建剛

摘 要：微帶180°電橋用途廣泛，是微波電路中的基本元件。其研究方向主要為小型化和展寬帶寬兩個方面。本文對小型化微帶180°電橋和寬帶微帶180°電橋研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，并用奇偶模法分析了理想倒相器情形180°環(huán)形電橋特性，基于分析結(jié)果，提出采用理想倒相器、環(huán)特性阻抗取值、增加匹配段等展寬180°環(huán)形電橋帶寬的方法。

關(guān)鍵詞：微帶180°；電橋；小型化；寬帶；倒相器

1 引言

微帶180°電橋?yàn)樗亩丝谠?，從和口差口分別輸入可在兩平分口分別得到等幅同相與等幅反相信號，性能與波導(dǎo)魔T類似，因此也稱平面魔T。最經(jīng)典的電路是環(huán)形電橋。廣泛用于各種微波電路、測試系統(tǒng)、天線及饋電系統(tǒng)中，是微波系統(tǒng)的常用元件之一。傳統(tǒng)的微帶環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)簡單，傳輸隔離等性能都很好，如表1中第1種結(jié)構(gòu)所示。其周長為1.5λg，電路直徑約等于0.5λg，當(dāng)頻率比較低時，會占用較大的電路板面積，且?guī)拑H有20%（幅度不平衡性小于0.5dB，隔離度小于24.6dB，相位不平衡性小于7°。因此對180°環(huán)形電橋的改進(jìn)研究大多集中在小型化和展寬帶寬兩個方面。隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)被不斷用于改造經(jīng)典的電路結(jié)構(gòu)，180°環(huán)形電橋的結(jié)構(gòu)及性能也在這大環(huán)境下得到了不斷的更新。

2 微帶180°電橋小型化研究

小型化技術(shù)主要有采用集總參數(shù)元件、分形技術(shù)、人工傳輸線、階梯阻抗線、復(fù)合左右手傳輸線、缺陷地結(jié)構(gòu)、螺旋微帶諧振單元等等。其中集總參數(shù)元件的電路雖然有體積小成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)頻率較高時，集總元件的分布參數(shù)及損耗的影響大大增大，另外集總元件標(biāo)稱值的不連續(xù)性也限制了電路設(shè)計的自由度。隨著小型化技術(shù)的提高，當(dāng)頻率較低時，也會采用分布參數(shù)的電路，電路一次成型，也減少了后續(xù)的加工手續(xù)。表1總結(jié)了目前文獻(xiàn)報道的各種小型化結(jié)構(gòu)及采用的技術(shù)。

從表1可看出，無論是哪種小型化技術(shù)，目的都是用最短的物理尺寸實(shí)現(xiàn)中心工作頻率90°和270°（或-90°）的相移。最新的研究成果尺寸僅為傳統(tǒng)尺寸的3.9%。其中第9種[15]（8%）和第12種[18]（3.9%）都采用微帶線，均為單面電路，無須跳線及附加集總元件，同時具有尺寸小和易實(shí)現(xiàn)兩種優(yōu)點(diǎn)。但各種結(jié)構(gòu)目的都是小型化，所以除第5種[11]和第14種[20]帶寬為40%左右之外，小型化結(jié)構(gòu)工作帶寬并沒有展寬，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似僅為百分之二十左右。

3 寬帶180°電橋研究

相比小型化方法的種類繁多，展寬帶寬的辦法相對單一，但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，多為雙面電路。表2總結(jié)了目前文獻(xiàn)報道的寬帶180°環(huán)形電橋的各種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)寬帶技術(shù)。

從表2寬帶180?環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)及技術(shù)可看出，第2種[13]、第3種[14]、第5種[16]結(jié)構(gòu)展寬帶寬的方法是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中270?傳輸線的改造上，將270?傳輸線換為機(jī)械長度與90?傳輸線相同但加載寬帶的180?倒相器，這種方式可以將帶寬展寬至50%左右，且同時具有小型化的功能，可將180?環(huán)形電橋的周長從原來1.5λg縮減為λg，面積縮小為原來的44%。第7種[18]結(jié)構(gòu)將環(huán)形電橋的環(huán)分割為六部分，通過優(yōu)化6部分的特性阻抗，另外在輸出加了兩種匹配段帶寬為40%。第8種[19]是將分支電橋展寬帶寬的級聯(lián)方法用于環(huán)形電橋，帶寬為50%，另外用分形的辦法減小尺寸，尺寸縮減為傳統(tǒng)31%。第4種[15]將寬帶180?倒相器與阻抗變換段結(jié)合起來獲得了一種帶寬較寬的結(jié)構(gòu)，帶寬達(dá)到了120%。第5種[17]結(jié)構(gòu)工作原理與傳統(tǒng)的180?環(huán)形電橋不同，通過微帶線-耦合槽線轉(zhuǎn)換、微帶線-槽線轉(zhuǎn)換等結(jié)合方式獲得和和差的運(yùn)算，帶寬很寬達(dá)到了130%。但這兩種寬帶結(jié)構(gòu)都存在工程實(shí)現(xiàn)難的問題，分別限制在太窄的槽縫和耦合槽縫寬度上，第3種[15]結(jié)構(gòu)中槽縫寬度0.038mm，第5種[17]結(jié)構(gòu)中耦合槽縫寬度0.06mm，且這兩種寬帶結(jié)構(gòu)尺寸上并沒有小型化。另外，寬帶結(jié)構(gòu)中普遍存在著兩輸入端口間隔離度降低的現(xiàn)象。如各種寬帶結(jié)構(gòu)的E-H隔離都很好，在帶寬內(nèi)能達(dá)到30dB，但兩平分口的隔離明顯降低，如文獻(xiàn)[14][17][19][20][23]中兩平分口隔離度僅分別大于18dB、12dB、15dB、20dB、15dB。究其原因，是由E、H兩通道結(jié)構(gòu)上不對稱引起，根源在于倒相器的不理想倒相性，存在插入損耗等。

4 微帶180°電橋帶寬分析

通過對現(xiàn)有微帶寬帶180°電橋分析發(fā)現(xiàn)，大部分展寬帶寬結(jié)構(gòu)都是在對180°倒相器做文章?？梢哉f，倒相器的帶寬、插入損耗、工程易實(shí)現(xiàn)性成為限制微帶180°電橋帶寬的主要因素。如圖1所示，可建立具有理想倒相器的180°電橋分析模型，對其進(jìn)行分析，可考察理想倒相器情形下180°電橋的工作帶寬。對3dB電橋，圖1（a）中，θ=90°?？捎闷媾寄５姆治龇椒ㄟM(jìn)行分析。如圖1（b）和圖1（c）所示分別為奇偶模等效電路。

由圖1（b）、（c）得偶、奇模激勵二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)矩陣為

由級聯(lián)矩陣與散射矩陣的關(guān)系可推出奇偶模激勵的散射矩陣，最后可得理想倒相器情形下180°電橋的S參數(shù)如式（3）所示。

式中， ，y1=Y1/Y0，Y1=1/Z1

由式（2）的基于理想倒相器180°電橋在不同環(huán)特性阻抗時的頻響特性如圖2所示。經(jīng)典設(shè)計中，環(huán)特性阻抗取值為 ，此時，環(huán)形電橋回波損耗大于10dB（插入損耗小于0.5dB）的帶寬為98%。但在中心頻點(diǎn)得到了理想的匹配。而當(dāng)環(huán)特性阻抗取值為 時，雖然中心頻點(diǎn)存在一定不匹配，但考察回波損耗大于10dB的帶寬，發(fā)現(xiàn)帶寬展寬為107%，相比經(jīng)典設(shè)計展寬了9%，而電路結(jié)構(gòu)及復(fù)雜性沒有任何改變。而當(dāng) 時，除了中心頻點(diǎn)不匹配外，整個工作帶寬減少，應(yīng)該避免。而由于倒相器的理想性，S13和S24均理想隔離。圖2結(jié)果亦表明若要設(shè)計帶寬超過100%的3dB 180°電橋，僅在倒相器上做文章是不夠的?？煽闯隼硐氲瓜嗥鞅ＷC了和差兩通道的幅度和相位的平衡性，唯有端口的不匹配性引起的反射損耗限制了工作帶寬。所以可通過在四個輸入輸出端口增加匹配電路進(jìn)一步展寬工作帶寬。文獻(xiàn)[15]就是將寬帶180°倒相器與阻抗變換段結(jié)合起來獲得了一種帶寬較寬的結(jié)構(gòu)，帶寬達(dá)到了120%。可以預(yù)見，倒相器的插入損耗及倒相的不理想性會破壞和差通道的幅度和相位平衡性，也會使和-差隔離及兩平分口間隔離度降低。

5 總結(jié)

人工傳輸線在微帶180°電橋小型化發(fā)揮了很大作用，也達(dá)到了比較理想的效果，最小尺寸僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的3.9%。而寬帶微帶180°電橋的各種電路還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶寬受限及平分口隔離度較低等問題。分析表明，理想倒相器3dB 180°電橋帶寬僅為97.56%，更寬帶寬還需再附加阻抗變換段來實(shí)現(xiàn)。相比阻抗變換段結(jié)構(gòu)的易實(shí)現(xiàn)性，倒相器插入損耗、倒相的理想性是解決該問題的關(guān)鍵。

[參考文獻(xiàn)]

[1]D.M.Pozar.Microwave Engineering，2nd ed.NewYork：Wiley，1998.

[2]H.Ghali，and T. A.Moselhy. Miniaturized fractal rat-race， branch-line，and coupled-line hybrids.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，2004，52（11）：2513–2520.

[3]K.W.Eccleston and S. H. M.Ong.Compact planar microstripline branch-line and rat-race coupler.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，2003，51（10）：2119–2125.

[4]Zhiyang Liu and Robert M.Weikle.A 180 Hybrid based on interdigitally coupled asymmetrical artificial transmission lines. IEEE MTT-S Int.Dig.2006：1555–1558.

[5]Giuseppina Monti，Luciano Tarricone.Reduced-size broadband CRLH-ATL Rat-Race coupler，Proceedings of the 36th European Microwave Conference，September 2006， Manchester UK，125-128.

[6]Y. J.Sung，C. S.Ahn and Y.-S.Kim.Size reduction and harmonic suppression of rat-race hybrid coupler using defected ground structure. IEEE Microwave and Wireless Components Lett， 2004，14（1）：7-9.

[7]J.Gu and X.Sun.Miniaturization and harmonic suppression of branch-line and rat-race coupler using compensated spiral compact resonant cell.IEEE MTT-S Int. Dig.，Long Beach，CA， Jun.2005：1211–1214.

[8]D.Nesic.Slow-wave EBG microstrip rat-race hybrid ring. Electronics Letters，2005，41（21）：1181-1182.

[9]J.Wang，B.-Z.Wang，Y.-X.Guo， L.C.Ong and S.Xiao.Compact slow-wave microstrip rat-race ring coupler，ELECTRONICS LETTERS 18th January 2007 Vol.43 No.2.

[10]J.-T. Kuo，J.-S.Wu，and Y.-C.Chiou.Miniaturized rat race coupler with suppression of spurious passband.IEEE Microw. Wireless Compon.Lett.，2007，17（1）：46–48.

[11]Yi-Chyun Chiou，Cheng-Hsiu Tsai，Juo-Shiuan Wu，and Jen-Tsai Kuo.Miniaturization Design for Planar Hybrid Ring Couplers.2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop：19-22.

[12]Chao-Hsiung Tseng，Hsiang-Ju Chen.Compact Rat-Race Coupler Using Shunt-Stub-Based Artificial Transmission Lines.IEEE Microwave and Wireless Components Lett，2008，18（11）：734-736.

[13]M.-H.Murgulescu，E.Moisan， P.Legaud， E.Penard，and I. Zaquine.New wideband， 0.67X， circumference 180hybrid ring coupler.Elect.Lett.，1994，vol.30，F(xiàn)eb.：299-300.

[14] L.Fang，C.-H.Ho， S.Kanamaluru，and K.Chang. Wide-band reduced-size uniplanar magic-T，hybrid-ring，and de Rondes CPW-slot couplers.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.， 1995，43（12）：2749–2758.

[15]C.-Y.Chang and C.-C.Yang.A novel broad-band Chebyshev-response rat-race ring coupler.IEEE Trans. Microw.Theory Tech.，vol.47，no.4，pp.435–462，Apr.1999.

[16]H. Okabe，C.Caloz，andT.Itoh.A compact enhanced-Bandwidth hybrid Ring using an artificial Lumped-Element Left-handed Transmission-Line section. IEEE Trans.Microwave Theory Tech.， 2004，52（3）：798-804.

[17]Masayoshi Aikawa and Hiroyo Ogawa.A New MIC Magic-T Using Coupled Slot Lines.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1980， 28（6）：523-528.

[18]D.Kim and Y.Naito.Broad-band design of improved hybrid-ring 3dB directional coupler.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1982，82（11）：2040-2046.

[19]M.Caillet，M.Clénet，A.Sharaiha，A compact wide-band rat-race hybrid using microstrip lines，IEEE Microwave and Wireless Components Lett，2009，19（4）：191-193.

[20]T.T.Mo，Q.Xue，and C.H.Chan，A broadband compact microstrip rat-race hybrid using a novel CPW inverter，IEEE Trans. Microw.Theory Tech.，2007，55（1）：161–167.

[21]Chun-Hsiang Chi1and Chi-Yang Chang，A Compact Wideband 1800 Hybrid Ring Coupler Using a Novel Interdigital CPS Inverter，Proceedings of the 37th European Microwave Conference，2007，548-551.

[22]Yi-Chyun Chiou，Cheng-Hsiu Tsai，Juo-Shiuan Wu，and Jen-Tsai Kuo.Miniaturization Design for Planar Hybrid Ring Couplers.2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop：19-22.

[23]K.U-yen， E.J.Wollack，J.Papapolymerou，and J.Laskar， A Broadband Planar Magic-T Using Microstrip–Slotline Transitions，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2008，58（1）：172–177.