Compact directional couplers using combination of microstrip and slot lines

Abstract

EN: Context. Transition of modern electronics to higher frequencies is directly related with an extremely important problem of miniaturization of microwave integrated circuits. Conventional planar structures such as microstrip directional couplers have the feature – their linear dimensions are defined by the wavelength in the transmission lines, so the use of such structures for miniaturization of microwave integrated circuits becomes problematic. Objective. Using 3D-structures on combinations of transmission lines to study frequency properties of two possible implementations of quarter-wave directional couplers based on a combination of microstrip and slot transmission lines. Obtaining simple analytical expressions for calculating the electrophysical parameters of these directional couplers and confirm their properties by rigorous electrodynamic calculation. Methods. An even-odd mode decomposition technique and the scattering matrix theory were used to derive simple analytical formulas for calculating impedances of transmission line segments that define the topology of couplers considered. Results. Electrodynamic modeling of proposed couplers with dispersion and losses in the lines showed that the proposed constructions have better frequency characteristics in comparison with traditional three-branch microstrip directional couplers. It is also shown that the considered designs of couplers have great potential in the selection of the desired electrical characteristics of devices. Conclusions. The presented compact couplers can find a broad range of applications in mobile communication systems for decoupling of channels, division of power and frequency conversion. The method of transition from planar to three-dimensional structures used in the development of directional couplers on combinations of transmission lines permits not only to create compact devices with desired characteristics but also paves the way for significant decrease in the size and costs of the broad range of electronic equipment utilizing such couplers. UK: Актуальність. Перехід сучасної електроніки на більш високі частоти безпосередньо пов’язаний з надзвичайно важливою проблемою мініатюризації інтегральних схем НВЧ. Традиційні плоскі структури, такі як мікросмужкові спрямовані відгалужувачі, мають особливість – їх лінійні розміри визначаються довжиною хвилі в лініях передачі, тому використання таких структур для мініатюризації інтегральних схем НВЧ стає проблематичним. Мета. Використання 3D-структур на комбінаціях ліній передачі для вивчення частотних властивостей двох можливих реалізацій чвертьхвильових спрямованих відгалужувачі на комбінації мікросмужкових і щілинних ліній передачі. Отримання простих аналітичних виразів для розрахунку електрофізичних параметрів цих спрямованих відгалужувачів і підтвердження їх властивостей суворим електродинамічним розрахунком. Методи. Метод синфазного і протифазного збудження і теорія матриць розсіювання були використані для отримання простих аналітичних формул для розрахунку імпедансів сегментів ліній передачі, які визначають топологію розглянутих відгалужувачів. Результати. Електродинамічне моделювання пропонованих відгалужувачів з дисперсією і втратами в лініях показало, що пропоновані конструкції мають кращі частотні характеристики в порівнянні з традиційними трехшлейфнимі мікросмужковимі спрямованимі відгалужувачамі. Також показано, що розглянуті конструкції відгалужувачів мають великий потенціал у виборі необхідних електричних характеристик пристроїв. Висновки. Представлені компактні відгалужувачі можуть знайти широке застосування в системах мобільного зв’язку для розв’язки каналів, поділу потужності і перетворення частоти. Метод переходу від плоских до тривимірних структур, використовуваний при розробці спрямованих відгалужувачів на комбінаціях ліній передачі, дозволяє не тільки створювати компактні пристрої з заданими характеристиками, але і відкриває шлях до значного зменшення розмірів і ціни широкого спектру електронного обладнання, що використовує такі відгалужувачі.