Projeto de acopladores híbridos em quadratura modulares e aterramento virtual para aplicações em microondas

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Design of modular quadrature hybrid couplers and virtual grounding for microwave applications

Primeiro orientador

Membros da banca

Gláucio Lopes Ramos
Marlon Jesus Lizarazo Urbina

Resumo

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, otimização e validação experimental de um acoplador híbrido em quadratura totalmente planar, elaborado sobre substrato FR-4 e projetado para operar de 2 a 4 GHz. O estudo partiu da reprodução de um modelo de referência e evoluiu por cinco etapas metodológicas: modelagem inicial em F4B-2, transposição dos comprimentos elétricos para FR-4, substituição das vias de aterramento por redes de tocos radiais que atuam como terras virtuais, otimização paramétrica visando minimizar perdas, maximizar isolamento e assegurar quadratura de fase, e por fim, fabricação e caracterização de protótipos. Os resultados demonstraram a viabilidade técnica do FR-4 para aplicações de micro-ondas quando aliado às técnicas de aterramento virtual, apresentando casamento de impedância e isolamento inferiores a -15 dB, além de desvio de fase dentro de ±5° na faixa de 2,41 GHz a 5,00 GHz. Observou-se, contudo, degradação de S12 abaixo de 2 GHz e restrições de fabricação decorrentes da miniaturização extrema das trilhas. Conclui-se que o substrato FR-4 combinado a tocos radiais constitui uma alternativa para acopladores de banda larga, recomendando-se ajustes geométricos e técnicas de manufatura de alta resolução para ampliar a robustez do dispositivo.

Abstract

This work presents the development, optimization, and experimental validation of a fullyplanar quadrature hybrid coupler, developed on FR-4 substrate and designed to operatefrom 2 to 4 GHz. The study started from the reproduction of a reference model andevolved through five methodological stages: initial modeling in F4B-2, transposition ofelectrical lengths to FR-4, substitution of grounding vias with radial stub networks actingas virtual grounds, parametric optimization aiming to minimize losses, maximize isolation,and ensure phase quadrature, and finally, prototype fabrication and characterization.The results demonstrated the technical viability of FR-4 for microwave applicationswhen combined with virtual grounding techniques, presenting impedance matching andisolation lower than -15 dB, as well as phase deviation within ±5◦ in the 2.41 GHz to 5.00GHz range. However, S12 degradation below 2 GHz and fabrication constraints due tothe extreme miniaturization of the tracks were observed. It is concluded that the FR-4substrate combined with radial stubs constitutes an alternative for broadband couplers,recommending geometric adjustments and high-resolution manufacturing techniques toimprove device robustness.

Assunto

Engenharia elétrica, Antenas (Eletrônica), Circuitos eletrônicos, Fibras de vidro

Palavras-chave

Acoplador híbrido, FR-4, Tocos radiais, Microondas, Terra virtual

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