Modeling and Characteristics of a 3 dB Hybrid Coupler for 5G Applications

Abstract

Антенний з'єднувач з коефіцієнтом підсилення 3 дБ та зсувом фази на 90° між вихідними портами – це пасивний пристрій з чотирма портами, який дозволяє кожному виходу збирати половину вхідної потужності, але у фазовій квадратурі. Такий з'єднувач часто виготовляється мікросмуговою технікою, в якій присутні різні чвертьхвильові ділянки для забезпечення узгодження імпедансу. Для того, щоб мати можливість сконструювати дуплексер, який працює на декількох частотних діапазонах, у роботі був розроблений регульований гібридний з'єднувач. З'єднувач повинен регулюватися для роботи на діапазонах 3,3-3,6 ГГц та 4,8-5 ГГц. Запропонований з'єднувач задовольнить вимоги до пропускної здатності 5 діапазонів, що будуть розгорнуті в Китаї. Гібридний з'єднувач буде спроектовано двома методами. На першому етапі з'єднувач буде сконструйований елементами з зосередженими параметрами, а потім проектуватиметься за допомогою ліній електропередачі. З використанням інструменту ADS з'єднувач з коефіцієнтом підсилення 3 дБ та зсувом фази на 90° між вихідними портами розрахований та змодельований для роботи на центральній частоті 3,45 і 4,9 ГГц. Ці дві частоти належать до діапазонів 5G. Основною метою роботи є моделювання та аналіз запропонованого з'єднувача для частотних діапазонів 5G. Представлено та обговорено моделювання коефіцієнта відбиття, тобто параметра S11 за амплітудою та фазою. З результатів моделювання ми помітили, що запропонований з'єднувач працює за вимогами додатків 5G.

The 3 dB, 90° coupler is a passive device with four ports that allows each output to collect half the input power but in phase quadrature. The 3 dB coupler is often made in microstrip technology where different quarter-wave sections are present to ensure impedance matching. In order to be able to design a duplexer operating on several frequency bands, a tunable hybrid coupler was designed in this work. The coupler must be adjustable to operate on the bands 3.3-3.6 GHz and 4.8-5 GHz. The proposed coupler will cover the bandwidth requirements of 5 bands (3.3-3.6 GHz) and (4.8-5 GHz) to be deployed in China. The hybrid coupler will be designed by two methods. At the first stage, the coupler will be designed by lumped elements, and then it will be designed using transmission lines. Via the ADS tool, the 3 dB 90° coupler is dimensioned and simulated to work well at the center frequency of 3.45 and 4.9 GHz. These two frequencies are belonging to the 5G bands. The main purpose of this work is to simulate and analyze the proposed coupler for 5G frequency bands. The simulation of the reflection coefficient, i.e., S11 parameters in amplitude and phase are presented and discussed. From simulation results we observed that the proposed coupler works under the requirement of 5G application.