基于耦合線的高隔離度三頻分支線耦合器

趙宇 馮文杰　車文荃

摘要本文提出了一種應(yīng)用于無線功率傳輸系統(tǒng)中的新型三頻分支線耦合器。通過在傳統(tǒng)分支線耦合器的基礎(chǔ)上加載1/4波長短路耦合線來實現(xiàn)3個頻段的通帶。每個通帶之間均保持高的隔離度，且通過改變加載耦合線的奇偶模阻抗值，耦合器通帶的中心頻率可以在較寬頻帶范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。對一個工作在0.69/1.0/1.4 GHz的平面三頻耦合器模型進行了設(shè)計與加工，測試結(jié)果與理論期望值吻合較好。關(guān)鍵詞分支線耦合器；高隔離度；短路耦合線；三頻段工作

中圖分類號TN622

文獻標(biāo)志碼A

收稿日期20161121

資助項目國家自然科學(xué)基金青年基金項目（61401206）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項目（BK20140791）

作者簡介趙宇，女，碩士生，主要研究無源器件與電路、LTCC電路等。zhaoyu1993-njust @163.com

馮文杰（通信作者），男，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究寬帶電路與技術(shù)、基片集成波導(dǎo)技術(shù)、平面電路與系統(tǒng)等。fengwenjie1985@163.com

1南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京，210094

0 引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)直連傳輸能量的方式存在著線路老化、電擊穿等缺點。無線功率傳輸技術(shù)能較好地克服傳統(tǒng)直連電路的缺點，在近10年得到了快速的發(fā)展。微波分支耦合器作為無線功率傳輸系統(tǒng)中的基本無源器件之一[12]，在實現(xiàn)功率合成/分配的基礎(chǔ)上，能較好地實現(xiàn)輸入/端口之間的隔離，多頻段耦合器的研究成為無線功率傳輸系統(tǒng)中的熱點問題。實現(xiàn)雙頻/三頻分支線耦合器的常見方法是將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的單頻傳輸線替換為雙頻/三頻傳輸線，如采用開路短路支節(jié)[3]、左右手傳輸線[4]、階梯阻抗加載支節(jié)[5]、Pi型/T型網(wǎng)絡(luò)[67]等多頻傳輸模塊。另外，也可以采用在傳統(tǒng)耦合器端口增加阻抗變換網(wǎng)絡(luò)[89]來滿足多頻段工作的需求。但此類結(jié)構(gòu)對于不同工作頻段的隔離特性及頻率可調(diào)特性研究較少。

本文提出了一種新型三頻分支線耦合器，通過在傳統(tǒng)分支線耦合器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加載1/4波長短路耦合線來實現(xiàn)三頻應(yīng)用。相比加載分支線支節(jié)，該結(jié)構(gòu)采用等長的耦合線使得推導(dǎo)與計算更加簡便，下文給出了具體的分析及各個通帶頻率的表達式。并且，短路耦合線產(chǎn)生的傳輸零點使得各個通帶之間具有高的隔離度。上述耦合器的電路和結(jié)構(gòu)特性已用Ansoft Designer v3.0 和Ansoft HFSS v.13.0 軟件仿真，選取的參數(shù)是介電常數(shù)εr=2.65，厚度h=1.0 mm，介質(zhì)損耗tan δ=0.003的介質(zhì)板。

1 三頻耦合器的分析與設(shè)計

2 測試結(jié)果與分析

為了進一步驗證，對三頻耦合器電路進行了實際加工與測試。圖1a中三頻耦合器結(jié)構(gòu)模型各部分的參數(shù)為：l1=49.21 mm，l2=45.2 mm，l3=9.0 mm，l4=41.6 mm，l5=11.11 mm，w0=2.68 mm，w1=2.68 mm，w2=4.62 mm，w3=1.11 mm，g=0.53 mm，d=0.8 mm，電路實物尺寸為100 mm×100 mm，εr=2.65，h=1.0 mm，tan δ=0.003。圖1b所示的三頻耦合器電路的最終參數(shù)為Z0=50 Ω，Z1=50 Ω，Z2=35.36 Ω，Zoe=100 Ω，Zoo=60 Ω，θ=90°。圖4是該三頻耦合器的實物照片以及測試和仿真結(jié)果。從圖4中測試結(jié)果可以看出，本文的三頻耦合器分別工作在0.73/1.02/1.44 GHz，在3個通帶的工作頻點，直通口的插入損耗最大值分別為-3.0、-3.13和-3.06 dB，耦合口的插入損耗最大值分別為-3.62、-3.9和-3.63 dB。直通口和耦合口插入損耗之間的幅度差維持在±0.8 dB之內(nèi)，相位差維持在90°±1.5°之內(nèi)。在頻率范圍0.707～0.746 、1.01～1.04、1.43～1.47 GHz內(nèi)，回波損耗高于16 dB。在頻率范圍0.697～0.746 、1.01～1.03 、1.41～1.46 GHz內(nèi)，端口隔離高于16 dB。測試結(jié)果中頻率偏移和耦合口插入損耗略大主要是由于加工和測量誤差所引起的。

3 結(jié)論

本文提出了一種加載短路耦合線實現(xiàn)的新型高隔離度三頻耦合器。通過改變耦合線的奇偶模阻抗，各個通帶的中心頻率可以在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且由于傳輸零點的引入，各通帶之間均具有高的隔離度。該耦合器具有多頻段工作、結(jié)構(gòu)簡單和隔離度高的優(yōu)點，測試與仿真結(jié)果也吻合較好，可以適用于平面微波電路與系統(tǒng)。

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