微带180°电桥小型化及宽带技术研究

张浩为 王同洋 谭铭 陈洋 张旭春 梁建刚

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。本文对小型化微带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等幅反相信号，性能与波导魔T类似，因此也称平面魔T。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1.5λg，电路直径约等于0.5λg，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°。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大大增大，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总结了目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%。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。但各种结构目的都是小型化，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总结了目前文献报道的宽带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[13]、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1.5λg缩减为λg，面积缩小为原来的44%。第7种[18]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，尺寸縮减为传统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%。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%。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，θ=90°。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矩阵为

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， ，y1=Y1/Y0，Y1=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。经典设计中，环特性阻抗取值为 ，此时，环形电桥回波损耗大于10dB（插入损耗小于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，但考察回波损耗大于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 總结

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.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，Feb.：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.