Yönlü Bağlaştırıcı için Eşdeğer Devre Topolojisi Geliştirilmesi

Abstract

Mikroşerit yönlü kuplörlerin tasarım ve analiz süreçlerinde, tam dalga elektromanyetik benzetimler yüksek doğruluk sağlamaktadır. Ancak özellikle geniş bant optimizasyonu ve sistem seviyesindeki tasarımlarda yüksek hesaplama maliyetleri gerektirmektedir. Bu çalışmada, iletim hattı teorisindeki bölütleme (segmentation) ilkesine dayanan ve fiziksel yapıların dağıtılmış elektromanyetik davranışının hızlı ve doğru bir şekilde modellenmesine olanak tanıyan, geliştirilmiş bir yığılmış eleman eşdeğer devre topolojisi sunulmaktadır. Çalışma kapsamında, ADS ortamında tasarlanan farklı devre topolojilerinin performansları, CST Studio Suite kullanılarak elde edilen referans S-parametreleri ile karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Optimizasyon süreçlerinde, temel π modellerinin fiziksel davranışının yansıma katsayısı (S11) tarafından belirlendiği; ancak yüksek frekanslarda faz ve genlik hatalarının arttığı gözlemlenmiştir. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla, bağlantı hatlarının birden fazla LC kesitine bölünmesi ve yapısal etkilerin modellenmesiyle nihai bir topoloji geliştirilmiştir. Analiz sonuçları, temel modellerde 4,52 dB olan Ortalama Mutlak Hata (Mean Absolute Error) değerinin, önerilen nihai topolojide 0,67 dB’ye düşürüldüğünü göstermektedir. Özellikle iletim karakteristiğinde elde edilen 0,64 dB’lik düşük hata oranı, geliştirilen modelin fiziksel yapıyı geniş bir bant aralığında başarıyla temsil ettiğini kanıtlamaktadır. Sunulan yaklaşım, elektromanyetik analizlerin doğruluğunu devre benzetimlerinin hızıyla birleştirerek, karmaşık mikrodalga sistemlerinin tasarımı için etkili bir çözüm sunmaktadır.

Keywords

• Yönlü bağlaştırıcı
• Eşdeğer devre topolojisi
• İletim hattı teorisi
• Mikrodalga tasarım

Supporting Institution

Bu çalışma Süleyman Demirel Üniversitesi BAP, FDK-2024-9533 projesi tarafından desteklenmiştir.

Thanks

SDU BAP

Development of an Equivalent Circuit Topology for a Directional Coupler

Abstract

In the design and analysis processes of microstrip directional couplers, full-wave electromagnetic simulations provide high accuracy. Still, they require high computational costs, especially in broadband optimization and system-level designs. This study presents an improved lumped element equivalent circuit topology based on the segmentation principle in transmission line theory, which enables the rapid and accurate modeling of the distributed electromagnetic behavior of physical structures. Within the scope of this study, the performance of different circuit topologies designed in the ADS environment was comparatively analyzed using reference S-parameters obtained with CST Studio Suite. In optimization processes, it has been observed that the physical behavior of fundamental π models is determined by the reflection coefficient (S11), though phase and amplitude errors increase at high frequencies. To overcome this limitation, a final topology was developed by dividing the connecting lines into multiple LC sections and modeling the structural effects. Analysis results show that the Mean Absolute Error value, which was 4.52 dB in the basic models, was reduced to 0.67 dB in the proposed final topology. In particular, the low error rate of 0.64 dB obtained in the transmission characteristic proves that the developed model successfully represents the physical structure over a wide band range. The presented approach combines the accuracy of electromagnetic analysis with the speed of circuit simulation, offering an effective solution for designing complex microwave systems.

Keywords

• Directional Coupler
• Equivalent Circuit Topology
• Transmission Line Theory
• Microwave Design

Supporting Institution

This study was supported by the Scientific Research Projects Coordination Unit of Süleyman Demirel University under project code FDK-2024-9533.

Thanks

The authors would like to thank the Scientific Research Projects Coordination Unit of Süleyman Demirel University for their support

References

1. [1] W. Il Chang, M. J. Chung, and C. S. Park, “Compact high-directivity contra-directional coupler,” Electronics (Switzerland), vol. 11, no. 24, Dec. 2022, doi: 10.3390/electronics11244115.
2. [2] A. Eroglu and D. Rönnow, “Design of multilayer and multiline microstrip directional coupler with closed form relations,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 83, pp. 243–257, 2018.
3. [3] A. Pourzadi, A. R. Attari, and M. S. Majedi, “A directivity-enhanced directional coupler using epsilon negative transmission line,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 60, no. 11, pp. 3395–3402, 2012, doi: 10.1109/TMTT.2012.2216283.
4. [4] S. Lee and Y. Lee, “A design method for microstrip directional couplers loaded with shunt inductors for directivity enhancement,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 58, no. 4, pp. 994–1002, Apr. 2010, doi: 10.1109/TMTT.2010.2042544.
5. [5] T. Hu et al., “Design and simulation of microstrip directional coupler with tight structure and high directivity,” in Proceeding of PAC, Vancouver, BC, Canada, 2009,pp. 1677–1679.
6. [6] S. H. Abdelnaby, “Lumped element transdirectional and codirectional coupler,” M.S. thesis, Queen’s Univ., Kingston, ON, Canada, 2018.
7. [7] Y. Zhou and Y. Chen, “Lumped-Element Equivalent Circuit Models for Distributed Microwave Directional Couplers,” in International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, IEEE, 2008. doi: 10.1109/ICMMT.2008.4540421.
8. [8] Ö. Kasar, “Theoretical design and implementation of equal and unequal split ultra-wide band Wilkinson power divider with Chebyshev impedance transform,” Journal of Electrical Engineering, vol. 75, no. 5, pp. 383–391, Sep. 2024, doi: 10.2478/jee-2024-0046.

9. [9] B. Dökmetaş and M. Karahan, “X-bant haberleşme sistemlerine yönelik küçültülmüş GaN temelli eşit bölen wilkinson güç bölücü,” Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol. 8, no. 1, pp. 432–444, Jan. 2025, doi: 10.47495/okufbed.1499141.
10. [10] D. M. Pozar, Microwave Engineering, Fourth Edition. United States of America: John Wiley & Sons, Inc., 2012.
11. [11] Ramesh. Garg and I. J. . Bahl, Microstrip lines and slotlines. Artech House, Inc, 2024.
12. [12] A. Eroglu and J. K. Lee, “The complete design of microstrip directional couplers using the synthesis technique,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 57, no. 12, pp. 2756–2761, 2008, doi: 10.1109/TIM.2008.926391.
13. [13] I. J. . Bahl, Lumped elements for RF and microwave circuits. Artech House, 2003.
14. [14] İ. Genç, M. A. Gözel, and M. Kahriman, “Microwave sensor design with directional coupler-based CSRR structure for the characterization of the dielectric properties of solid materials,” Measurement, vol. 259, p. 119548, Feb. 2026, doi: 10.1016/j.measurement.2025.119548.
15. [15] R. E. . Collin, Foundations for microwave engineering, 2nd ed. IEEE Press, 2015.
16. [16] J.-S. Hong, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, 2nd ed. Hoboken, New Jersey.: John Wiley & Sons, Inc, 2011.
17. [17] K. C. . Gupta, Microstrip lines and slotlines. Artech House, 1996.