ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · РАДИОТЕХНИКА

Поперечно-направленные ответвители на связанных линиях и СВЧ устройства на их основе. Обзор

А.Н. Сычев1, С.А. Артищев1, Н.С. Труфанова1, Н.Ю. Рудый1

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.35 УДК 621.372 EDN XLIARG

Аннотация

Представлено современное состояние исследований и разработок направленных ответвителей, построенных на связанных линиях с эффектом поперечной направленности, которым в отечественных исследованиях до настоящего времени уделялось недостаточно внимания. Использование поперечно-направленных ответвителей (ПоНО) в проектировании СВЧ устройств приводит к новой схемотехнике и оригинальным конструкторско-технологическим решениям. Рассмотренные приложения включают как СВЧ устройства, так и диаграммообразующие схемы и их компоненты. Представленная по различным критериям классификация ПоНО, отражает их особенности, и прежде всего - гальваническую развязку входного порта и пары выходных. Обзор отражает современный уровень техники и раскрывает малоисследованные направления поиска, полезные при создании новых решений направленных ответвителей на связанных линиях и создании СВЧ-устройств на их основе с уникальными характеристиками.

  • поперечно-направленный ответвитель
  • связанные линии
  • коэффициент связи
  • коэффициент трансформации
Abstract (in English)

Coupled-line transdirectional couplers and microwave circuits based on them. Review

The article presents the current state of research and development of directional couplers built on coupled lines with the transverse directivity effect, which have not received enough attention in domestic research to date. The use of transdirectional (TRD) couplers in the design of microwave circuits leads to new circuitry and original design and technological solutions. The considered applications include both microwave devices and beamforming circuits and their components. The classification of TRD couplers presented according to various criteria reflects their features, and above all, the galvanic isolation of the input port and a pair of output ports. The review reflects the current level of technology and reveals little-studied areas of research that are useful in creating new solutions for directional couplers on coupled lines and creating microwave devices based on them with unique characteristics.

Для цитирования

Сычев А.Н., Артищев С.А., Труфанова Н.С., Рудый Н.Ю. Поперечно-направленные ответвители на связанных линиях и СВЧ устройства на их основе. Обзор // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.35

Литература

  1. Справочник по элементам волноводной техники / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов. - 2-е изд. - Сов. радио. - 1967. - 652с.
  2. Останков А.В., Щетинин Н.Н. Микрополосковые направленные ответвители УВЧ и СВЧ диапазонов // Радиостроение, 2017. - №5. - С. 1-37.
  3. Vogel R.W. Analysis and design of lumped- and lumped-distributed-element directional couplers for MIC and MMIC applications // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. - 1992. - V. 40. - №. 2. - P. 253-262. https://doi.org/10.1109/22.120097
  4. Shie C.-I., Cheng J.-C., Chou S.-C. and Chiang Y.-C. Transdirectional coupled-line couplers implemented by periodical shunt capacitors // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. - 2009. - V. 57, No. 12. - P. 2981-2988, https://doi.org/10.1109/TMTT.2009.2034219
  5. Abdelnaby S., Freundorfer A., Antar Y. Lumped element model of a transdirectional coupled line coupler // 2018 18th Int. Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), Waterloo, ON, Canada, 2018. - P. 1-2, https://doi.org/10.1109/ANTEM.2018.8572858
  6. Abdelnaby S. Lumped element transdirectional and codirectional coupler / Master's thesis, Queen's University Kingston, Ontario, Canada. - May 2018. - 77p.
  7. Turalchuk P., Munina I., Vendik I., Ni J., Hong J. DC isolated directional coupler // 2014, 44-th Eur. Microwave Conf., Rome, Italy, 2014. - P. 93-95. https://doi.org/10.1109/EuMC.2014.6986377
  8. Liu H., Fang S., Wang Z., Zhou Y. Miniaturization of trans-directional coupled line couplers using series inductors // Progress in Electromagnetics Research C, Vol. 46. - P. 171-177, 2014. http://dx.doi.org/10.2528/PIERC13122201
  9. Liu H., Fang S., Wang Z., Shao T. Coupled line trans-directional coupler with improved power distribution and phase performance // 2017 IEEE Int. Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), Seoul, Korea (South), 2017. - P. 126-128. https://doi.org/10.1109/RFIT.2017.8048224
  10. Пат. № 2658093 РФ. Способ построения компактных делителей мощности СВЧ сигналов / Темнов В.М., Тереханова В.Ю., АО ФНПЦ "Нижегородский НИИ радиотехники", заявка № 2017106567, заявл.: 27.02.2017, опубл.: 19.06.2018.
  11. Liu H., Xun C., Fang S., Wang Z., Liu D. Coupled-line trans-directional coupler with arbitrary power divisions for equal complex termination impedances // IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2019. - Vol.13. - Iss.1. - P.92-98. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5432
  12. Liu H., Li X., Guo Y., Fang S., Wang Z. Design of filtering coupled-line trans-directional coupler with broadband bandpass response // Progress In Electromagnetics Research M, 2021. - Vol. 100. - P. 163-173. http://dx.doi.org/10.2528/PIERM20110405
  13. Zhang Y., Wu Y., Wang W. Miniaturized filtering trans-directional coupler with enhanced input-reflectionless feature using two types of coupled multi-line sections // Int.J. RF Microwave Computer Aided Eng., 2022, 32(12). e23427. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mmce.23427
  14. Cao Y., Gu X., Yin S., Hu X. Filtering coupler with tight coupling based on trans-directional coupler // Journal of Physics: Conf. Series, 2024/09/01 IOP Publishing https://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/2849/1/012023
  15. Zhang Y., Wu Y., Wang W., Yang Y., Ma L. Novel multifunctional dual-band coupled-line coupler with reuse of low-frequency trans-directional and high-frequency contra-directional functions // IEEE Trans. Circuits and Systems II: Express Briefs, June 2021. - Vol. 68. - No. 6. - P. 1917-1921, https://doi.org/10.1109/TCSII.2020.3042503.
  16. Пат. № 2585884 РФ. Транснаправленный ответвитель на связанных линиях с вертикальной платой / Сычев А.Н., Стручков С.М., Путилов В.Н., Рудый Н.Ю., ТУСУР, заявка №2015108565, заявл.: 11.03.2015, опубл.: 10.06.2016.
  17. Sychev A.N., Struchkov S.M., Putilov V.N, Rudyi N.Y. A novel trans-directional coupler based on vertically installed planar circuit // 2015 Eur. Microwave Conf. (EuMC), Paris, France, 2015. - P. 283-286. https://doi.org/10.1109/EuMC.2015.7345755
  18. Sychev A.N., Struchkov S.M., Rudyi N.Y. A transdirectional coupled-line coupler with a vertical insert // 25th Int. Crimean Conf. Microwave & Telecommunication Technology (CriMiCo'2015). - 2015. - P. 6-12.
  19. Сычев А.Н., Бондарь В.А., Жаров К.К., Анисимов В.В., Дагба К.Б.-Б., Степанюга А.И. Связанные линии с двойным экраном для СВЧ-мостов различного типа направленности с трансформирующими свойствами // Доклады ТУСУР. - 2020. - Т. 23, № 3. - С. 13-25. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2020-23-3-13-25
  20. Sychev A.N., Bondar V.A., Dagba K.B.-B., Stepanyuga A.I., Rudyi N.Y. Theory of doubly-shielded coupled lines for directional couplers of various directivity types with impedance transformation // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. - 2023. - Vol. 71. - No. 5 - P. 2104-2117. https://doi.org/10.1109/TMTT.2022.3227310
  21. Пат. № 2835815 РФ. Квадратурный поперечно-направленный ответвитель на связанных линиях с трансформацией импеданса / Сычев А.Н., Рудый Н.Ю., Артищев С.А., Труфанова Н.С., ТУСУР, заявка № 2024125100, заявл.: 28.08.2024, опубл.: 04.03.2025.
  22. Поперечно-направленный ответвитель на связанных линиях с накладным керамическим бруском / А.Н. Сычев, С.А. Артищев, Н.С. Труфанова, Н.Ю. Рудый // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. - 2024. - Т. 7, № 3. - С. 473-484.
  23. Импеданс-трансформирующий поперечно-направленный ответвитель на связанных линиях на подвешенной подложке / А.Н. Сычев, С.А. Артищев, Н.С. Труфанова, Н.Ю. Рудый // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. - 2025. - Т. 8, № 6. - С. 983-994.
  24. Wincza K., Staszek K., Smolarz R., Gruszczynski S. Impedance-transforming transdirectional coupled-line directional couplers with maximum achievable transformation ratio // IEEE Access, 2024. - Vol. 12. - P. 93841-93847, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3424536
  25. Сычев А.Н., Стручков С.М., Рудый Н.Ю. Трехкаскадный транснаправленный ответвитель Х-диапазона // Доклады ТУСУР. - 2015. - №. 4 (38). - С. 12-16.
  26. Li E.S., Kang C.-J. Properties of multisection transdirectional coupled-line couplers // IET Microwaves, Antennas & Propagation. - 2018. - Vol.12. - Iss.7. - P. 1166-1174. https://doi.org/10.1049/iet-map.2017.0531
  27. Oraizi H., Siahkari M.J. Optimum design of multi-section asymmetrical transdirectional couplers with port impedance matching up to S-band frequency // Hindawi Int. Journal of Antennas and Propagation, vol. 2022, Article ID 4046706, 13 p., https://doi.org/10.1155/2022/4046706
  28. Shie C.-I., Cheng J.-C., Chou S.-C., Chiang Y.-C., Design of a new type planar balun by using trans-directional couplers // IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2012. - Vol. 60. -No. 3. - P. 471-476. https://doi.org/10.1109/TMTT.2011.2176139
  29. Liu H., Fang S., Shao T., Wang Z. and Xun C. Trans-directional coupler based planar balun with improved bandwidth and output balance // 2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), Kyoto, Japan, 2018. - P. 282-284, https://doi.org/10.23919/APMC.2018.8617241
  30. Jia X., Fang S.-J., Liu H., and Wang Z. Universal compensation method for trans-directional coupled-line based planar balun with connecting segment // Progress in Electromagnetics Research Letters, 2019, Vol. 83, pp. 91-97. http://dx.doi.org/10.2528/PIERL19013003
  31. Jeannin L. et al. A versatile balun based on a power divider topology // 2024 54th Eur. Microwave Conf. (EuMC), Paris, France, 2024. - P. 3-6, https://doi.org/10.23919/EuMC61614.2024.10732152
  32. Liu H., Fang S., Wang Z. and Fu S. Novel coupled line 180o hybrid with non-interspersed input and output ports // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2014, Vol. 62. - No. 11. - P. 2641-2649, https://doi:0.1109/TMTT.2014.2356977
  33. Сычев А.Н. Кроссоверы СВЧ на связанных линиях с полной связью // Доклады ТУСУР. - 2017. - Т. 20, № 3. - С. 124-127. https://doi:10.21293/1818-0442-2017-20-3-124-127
  34. Liu H., Fang S., Wang Z. and Fu S. Design of arbitrary-phase-difference transdirectional coupler and its application to a flexible butler matrix // IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2019. - Vol. 67. - No. 10. - P. 4175-4185. https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2934440
  35. Liu H., Zhang H., Yu D., Zhao Z., Wang X. A miniaturized wideband symmetric 3x3 Nolen matrix with phase compensation technique // 2022 Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Yokohama, Japan, 2022. - P. 755-757. https://doi:10.23919/APMC55665.2022.9999792
  36. Liu H., Xun C., Fang S., Wang Z. Beamwidth-enhanced low-profile dual-band circular polarized patch antenna for CNSS applications // Hindawi Int. Journal of Antennas and Propagation. - Vol. 2019. - Article ID 7630815. - 13 p. https://doi.org/10.1155/2019/7630815
  37. Liu H., Fang S., Wang Z., Trans-directional coupler with adjustable coupling coefficients and reconfigurable responses // IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2017. - Vol. 11. - Iss. 10. - P. 1340-1346. https://doi.org/10.1049/iet-map.2016.0877
  38. Liu H., Guo Y., Wang Z., Fang S., Wang G. A class of coupled-line trans-directional coupler with independent or simultaneous tuned frequency, coupling coefficient and phase difference // AEU - Int. Journal of Electronics and Communications, 2020. - Vol. 120, https://doi.org/10.1016/j.aeue.2020.153200
  39. Sychev A.N., Rudyi N.Y., Dobush I.M., Zharov K.K. A phase shifter based on trans-directional coupler with DC isolation of RF-path and control circuit // 2018 XIV Int. Scientific-Tech. Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russia, 2018. - P. 380-383, https://doi.org/10.1109/APEIE.2018.8545727
  40. Occello O., Tiague L., Margalef-Rovira M., Vincent L., Ndagijimana F., Ferrari P. High-performance compact reflection-type phase shifter operating at 2 GHz using a transdirectional coupler // 2020 50th Eur. Microwave Conf. (EuMC), Utrecht, Netherlands, 2021. - P.550-553.
  41. Liu H., Wang X., Zhang T., Fang S.-J., Wang Z. Design of full-360° reflection-type phase shifter using trans-directional coupler with multi-resonance loads // Progress in Electromagnetics Research Letters, 2021. - Vol. 101. - P. 63-70.
  42. Zhang T., Liu H., Wang X., Wang Y., Fang S. C-Band full-360° reflection-type phase shifter implemented by trans-directional coupler using vertically installed planar technique // 2022 IEEE 9th Int. Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), Chengdu, China, 2022. - P. 1-4.
  43. Sychev A.N., Dobush I.M., Rudyi N.Y., Struchkov S.M. Analog phase shifter of X-band implemented with novel trans-directional coupled-line coupler // 2018, 48th Eur. Microwave Conf. (EuMC), Madrid, Spain, 2018. - P. 811-814. https://doi.org/10.23919/EuMC.2018.8541796
  44. Shie C.-I., Cheng J.-C., Chou S.-C., Chiang Y.-C. Design of CMOS quadrature VCO using on-chip trans-directional couplers // Progress in Electromagnetics Research, 2010. - Vol. 106. - P. 91-106. http://dx.doi.org/10.2528/PIER10053002