Branchline Koppler 2,4 GHz mit Microstrip Leitungen aufgebaut und vermessen

Ich habe einen Branchine (Quadratkoppler) in Microstrip Technik auf einer 0,8mm dicken FR4 Platine simuliert, aufgebaut und vermessen.

Ein Branchline Koppler hat 4 Anschlüsse ( 4 Ports ).


Ein Signal von Port1 (links oben) wird zu Port 2 und Port 3 (beide rechts) geleitet und erscheint an den beiden Ports mit jeweils der halben Leistung, also -3dB und 90 Grad Phasenverschoben.
Der Port 4 (links unten) ist dabei entkoppelt und hier kommt so gut wie keine Leistung an, wenn Port 2 & 3 mit 50 Ohm abgeschlossen werden, z.B weniger als -20dB.

Solch ein Koppler im 50 Ohm System wird vier Lambda/4 langen Leitungen aufgebaut, mit zwei etwas dickeren oben und unten (50 Ohm / 1,411 = 35,35 Ohm) und zwei Querleitungen je eine links und rechts mit 50 Ohm. Die Rückseite der Platine ist eine durchgehende Massefläche.
Dieser Koppler ist für 2,45 GHz entworfen und es wird eine Bandbreite von ca. 200 MHz erwartet.

Diese einfache Struktur lässt sich gut auf einer 2-lagigen Platine herstellen. Mit 4 SMA Stecker wird daraus ein fertiger Koppler.

Nun zu den Messungen.

Als erstes die Durchgangsdämpfung / Transmission

Gemessen wird nun die Transmission vom Port 1 nach Port 3 (S31).
Die Skalierung ist oben 0dB mit -3dB pro Teilung und unten -30dB.
Die Frequenz wird von 2 GHz bis 3 GHz dargestellt mit der Teilung alle 0,1 GHz.
Die Marker im Bild sind
M1: 2,4GHz -2,78dB
M2: 2,5GHz-3,19dB
M3: 2,45GHz -3,22dB
Das passt also gut mit der Simulation überein.

Nun die Entkopplung der Ports.

Hier wird die Entkopplung von Port 2 zu Port 3 gemessen (S32)
Die Skalierung ist geblieben wie im oberen Bild.
Die Marker zeigen
M1: 2,4GHz – 29dB
M2: 2,5Ghz -21dB
M3: 2,45Ghz -24dB
Das ist schon ganz gut, aber man sieht dass die optimale Frequenz dieses Kopplers etwas tiefer liegt als geplant.

Hier die Messung des Frequenzbereichs mit 25dB Entkopplung der Ports.

Die Marker
M1: 2,345Ghz -25,2dB
M2: 2,435GHz -24,4dB
M3: 2,38 GHz -28,3dB

Die optimale Frequenz, wenn 25dB benötigt werden, liegt mit 2,334 – 2,435, also ca. 75 Mhz tiefer als gewünscht. Das ist für einen ersten Versuch aber schon sehr dicht dran und entspricht einer Abweichung ca. 3%.
Der Koppler ist von 2,27GHz bis 2,5 Ghz gut verwendbar mit -21dB Entkopplung der entsprechenden Ports und deckt damit den gewünschten Frequenzbereich ab.

Ich habe hier noch Platinen von diesem Branchline Koppler V12.
Wenn Ihr selbst damit experimentieren möchtet, kann ich sie für 5 € pro Stück in Deutschland im Brief verschicken.

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