微带180°电桥小型化及宽带技术研究.doc

微带180电桥小型化及宽带技术研究摘 要：微带180°电桥用途广泛，是微波电路中的基本元件其研 究方向主要为小型化和展宽带宽两个方面木文对小型化微带180°电桥 和宽带微带180°电桥研究现状进行了分析总结，并用奇偶模法分析了理 想倒相器情形180环形电桥特性，基于分析结果，提出采用理想倒相器、 环特性阻抗取值、增加匹配段等展宽180°环形电桥带宽的方法关键词：微带180电桥；小型化；宽带；倒相器1引言微带180°电桥为四端口元件，从和口差口分别输入可在两平分口分 别得到等幅同相与筹幅反相信号，性能与波导魔T类似，因此也称平面魔 To最经典的电路是环形电桥广泛用于各种微波电路、测试系统、天线 及馈电系统中，是微波系统的常用元件之一传统的微带环形电桥结构简 单，传输隔离等性能都很好，如表1中第1种结构所示其周长为1.5Xg, 电路直径约等于0.5Xg,当频率比较低时，会占用较大的电路板面积，且 带宽仅有20% （幅度不平衡性小于0. 5dB,隔离度小于24. 6dB,相位不平 衡性小于7° o因此对180°环形电桥的改进研究大多集中在小型化和展 宽带宽两个方面随着微波技术的不断发展，新技术被不断用于改造经典 的电路结构，180。

环形电桥的结构及性能也在这大环境下得到了不断的 更新2微带180°电桥小型化研究小型化技术主要有采用集总参数元件、分形技术、人工传输线、阶梯 阻抗线、复合左右手传输线、缺陷地结构、螺旋微带谐振单元等等其中 集总参数元件的电路虽然有体积小成本低等诸多优点，但当频率较高时， 集总元件的分布参数及损耗的影响人人增人，另外集总元件标称值的不连 续性也限制了电路设计的自由度随着小型化技术的提高，当频率较低时, 也会采用分布参数的电路，电路一次成型，也减少了后续的加工手续表 1总结了冃前文献报道的各种小型化结构及采用的技术从表1可看出，无论是哪种小型化技术，目的都是用最短的物理尺寸 实现中心工作频率90°和270° (或-90)的相移最新的研究成果尺 寸仅为传统尺寸的3.9%0其中第9种［15］ (8%)和第12种［18］ (3. 9%) 都采用微带线，均为单面电路，无须跳线及附加集总元件，同时具有尺寸 小和易实现两种优点但各种结构冃的都是小型化，所以除第5种［11］和 第14种［20］带宽为40%左右之外，小型化结构工作带宽并没有展宽，与传 统结构类似仅为百分之二十左右3宽带180°电桥研究相比小型化方法的种类繁多，展宽带宽的办法相对单一，但结构更为 复杂,多为双面电路。

表2总结了冃前文献报道的宽带180环形电桥的 各种结构及相应宽带技术从表2宽带180?环形电桥结构及技术可看出，第2种［⑶、第3种［14］、 第5种［16］结构展宽带宽的方法是对传统结构中270?传输线的改造上，将 270?传输线换为机械长度与90?传输线相同但加载宽带的180?倒相器，这种方式可以将带宽展宽至50%左右，且同时具有小型化的功能，可将180? 环形电桥的周长从原来1.5Xg缩减为X g,面积缩小为原来的44%第7 种［⑻结构将环形电桥的环分割为六部分，通过优化6部分的特性阻抗， 另外在输出加了两种匹配段带宽为40%第8种［19］是将分支电桥展宽带 宽的级联方法用于环形电桥，带宽为50%,另外用分形的办法减小尺寸， 尺寸缩减为传统31%第4种［15］将宽带180?倒相器与阻抗变换段结合起 来获得了一种带宽较宽的结构，带宽达到了 120%o第5种［17］结构工作原 理与传统的180?环形电桥不同，通过微带线-耦合槽线转换、微带线-槽线 转换等结合方式获得和和差的运算，带宽很宽达到了 130%o但这两种宽带 结构都存在工程实现难的问题，分别限制在太窄的槽缝和耦合槽缝宽度 上，第3种［15］结构中槽缝宽度0. 038mm,第5种［17］结构中耦合槽缝宽 度0. 06mm,且这两种宽带结构尺寸上并没有小型化。

另外，宽带结构中普 遍存在着两输入端口间隔离度降低的现象如各种宽带结构的E-H隔离都 很好，在带宽内能达到30dB,但两平分口的隔离明显降低，如文献［14］ ［17］ ［19］ ［20］ ［23］中两平分口隔离度仅分别大于18dB、12dB、15dB、 20dB、15dB究其原因，是由E、H两通道结构上不对称引起，根源在于 倒相器的不理想倒相性，存在插入损耗等4微带180°电桥带宽分析通过对现有微带宽带180°电桥分析发现，大部分展宽带宽结构都是 在对180倒相器做文章可以说，倒相器的带宽、插入损耗、工程易实 现性成为限制微带180°电桥带宽的主要因素如图1所示，可建立具有 理想倒相器的180°电桥分析模型，对其进行分析，可考察理想倒相器情 形下180°电桥的工作带宽对3dB电桥，图1 (a)中，0=90° o可用 奇偶模的分析方法进行分析如图1 (b)和图1 (c)所示分别为奇偶模 等效电路由图1 (b)、(c)得偶、奇模激励二端口网络的级联短阵为由级联矩阵与散射矩阵的关系可推出奇偶模激励的散射矩阵，最后可 得理想倒相器情形下180电桥的S参数如式(3)所示式中，,yl二Y1/Y0, Y1 二 1/Z1由式(2)的基于理想倒相器180°电桥在不同环特性阻抗时的频响特 性如图2所示。

经與设计中，环特性阻抗取值为，此时，环形电桥回波 损耗大T 10dB (插入损耗小T 0. 5dB)的带宽为98%但在中心频点得到 了理想的匹配而当环特性阻抗取值为时，虽然中心频点存在一定不匹 配，但考察冋波损耗大于10dB的带宽，发现带宽展宽为107%,相比经典 设计展宽了 9%,而电路结构及复杂性没有任何改变而当时，除了中心 频点不匹配外，整个工作带宽减少，应该避免而由于倒相器的理想性， S13和S24均理想隔离图2结果亦表明若要设计带宽超过100%的3dB 180°电桥，仅在倒相器上做文章是不够的可看出理想倒相器保证了和 差两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损耗限 制了工作带宽所以可通过在四个输入输出端口增加匹配电路进一步展宽 工作带宽文献［15］就是将宽带180倒相器与阻抗变换段结合起来获得 了一种带宽较宽的结构，带宽达到了 120%可以预见，倒相器的插入损耗 及倒相的不理想性会破坏和差通道的幅度和相位平衡性，也会使和-差隔 离及两平分口间隔离度降低 5总结人工传输线在微带180°电桥小型化发挥了很大作用，也达到了比较 理想的效果，最小尺寸仅为传统结构的3.9%。

而宽带微带180电桥的各 种电路还存在结构复杂、带宽受限及平分口隔离度较低等问题分析表明, 理想倒相器3dB 180°电桥带宽仅为97.56%,更宽带宽还需再附加阻抗变 换段来实现相比阻抗变换段结构的易实现性，倒相器插入损耗、倒相的 理想性是解决该问题的关键[参考文献][1] D.M.Pozar・Microwave Engineering, 2nd ed・NewYork： Wiley, 1998.[2] H. Ghal i, and T. A. M oselhy. Mini a tu rized frac tai rat 一 race, branch-line, and coupled-line hybrids・ IEEE Trans・Microwgve 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 Mon ti, Lucia no Tarrico ne. Reduced-size broadba nd 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 leduction and harmonicsuppression of rat-race hybrid coupler using defected ground strueture. TEEE Microwave and Wireless Components Lett, 2004, 14 (1)： 7-9.[7] J.Gu and X. Sun・Mini且turization and harmonic suppression of branch-1ine and rat-race coupler using compensated spir且1 compact resonant cel1・ 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•一T. Kuo, J・—S. Wu, and Y. -C・ Chiou. Miniaturized rat race coupler with suppressi on of spurious passb 且 nd. IEEE Mi crow. Wireless Compon. Lett. , 2007, 17 (1 )： 46?48.[11] Yi-Chyun Chiou, Cheng-Hsiu Tsai, Juo-Shiuan Wu, and Jen-Tsai Kuo.Miniatuiiz且tion Design for Planar Hybrid Ring Couplers.2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop： 19-22.[12] ChaoHIsiung Tseng, Hsiang-Ju Chen. Compact Rat-Race Coupler Using Shunt-Stub-Based Artificial Transmission Lines. TEEE Microwave and Wireless Components Lett., 2008, 18 (11 )： 734-736.[13] M.-II. Murgulescu, E. Moisan, P. Legaud, E. Penard, 且nd I.Zaquine .New wideband, 0・。