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摘要本文提出了一种应用于无线功率传输系统中的新型三频分支线耦合器。通过在传统分支线耦合器的基础上加载1/4波长短路耦合线来实现3个频段的通带。每个通带之间均保持高的隔离度，且通过改变加载耦合线的奇偶模阻抗值，耦合器通带的中心频率可以在较宽频带范围内调节。对一个工作在0.69/1.0/1.4 GHz的平面三频耦合器模型进行了设计与加工，测试结果与理论期望值吻合较好。关键词分支线耦合器；高隔离度；短路耦合线；三频段工作
中图分类号TN622
文献标志码A
收稿日期20161121
资助项目国家自然科学基金青年基金项目（61401206）；江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20140791）
作者简介赵宇，女，硕士生，主要研究无源器件与电路、LTCC电路等。zhaoyu1993-njust @163.com
冯文杰（通信作者），男，副教授、硕士生导师，主要研究宽带电路与技术、基片集成波导技术、平面电路与系统等。fengwenjie1985@163.com
1南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京，210094
0 引言
随着通信技术的快速发展，传统直连传输能量的方式存在着线路老化、电击穿等缺点。无线功率传输技术能较好地克服传统直连电路的缺点，在近10年得到了快速的发展。微波分支耦合器作为无线功率传输系统中的基本无源器件之一[12]，在实现功率合成/分配的基础上，能较好地实现输入/端口之间的隔离，多频段耦合器的研究成为无线功率传输系统中的热点问题。实现双频/三频分支线耦合器的常见方法是将传统结构中的单频传输线替换为双频/三频传输线，如采用开路短路支节[3]、左右手传输线[4]、阶梯阻抗加载支节[5]、Pi型/T型网络[67]等多频传输模块。另外，也可以采用在传统耦合器端口增加阻抗变换网络[89]來满足多频段工作的需求。但此类结构对于不同工作频段的隔离特性及频率可调特性研究较少。
本文提出了一种新型三频分支线耦合器，通过在传统分支线耦合器结构的基础上加载1/4波长短路耦合线来实现三频应用。相比加载分支线支节，该结构采用等长的耦合线使得推导与计算更加简便，下文给出了具体的分析及各个通带频率的表达式。并且，短路耦合线产生的传输零点使得各个通带之间具有高的隔离度。上述耦合器的电路和结构特性已用Ansoft Designer v3.0 和Ansoft HFSS v.13.0 软件仿真，选取的参数是介电常数εr=2.65，厚度h=1.0 mm，介质损耗tan δ=0.003的介质板。
1 三频耦合器的分析与设计
2 测试结果与分析
为了进一步验证，对三频耦合器电路进行了实际加工与测试。图1a中三频耦合器结构模型各部分的参数为：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，电路实物尺寸为100 mm×100 mm，εr=2.65，h=1.0 mm，tan δ=0.003。图1b所示的三频耦合器电路的最终参数为Z0=50 Ω，Z1=50 Ω，Z2=35.36 Ω，Zoe=100 Ω，Zoo=60 Ω，θ=90°。图4是该三频耦合器的实物照片以及测试和仿真结果。从图4中测试结果可以看出，本文的三频耦合器分别工作在0.73/1.02/1.44 GHz，在3个通带的工作频点，直通口的插入损耗最大值分别为-3.0、-3.13和-3.06 dB，耦合口的插入损耗最大值分别为-3.62、-3.9和-3.63 dB。直通口和耦合口插入损耗之间的幅度差维持在±0.8 dB之内，相位差维持在90°±1.5°之内。在频率范围0.707～0.746 、1.01～1.04、1.43～1.47 GHz内，回波损耗高于16 dB。在频率范围0.697～0.746 、1.01～1.03 、1.41～1.46 GHz内，端口隔离高于16 dB。测试结果中频率偏移和耦合口插入损耗略大主要是由于加工和测量误差所引起的。
3 结论
本文提出了一种加载短路耦合线实现的新型高隔离度三频耦合器。通过改变耦合线的奇偶模阻抗，各个通带的中心频率可以在较宽范围内调节，且由于传输零点的引入，各通带之间均具有高的隔离度。该耦合器具有多频段工作、结构简单和隔离度高的优点，测试与仿真结果也吻合较好，可以适用于平面微波电路与系统。
参考文献
References
[1] Boaventura A J S，Collado A，Georgiadis A，et al.Spatial power combining of multisine signals for wireless power transmission applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2014，62 （4）：10221030
[2] Florian C，Mastri F，Paganelli R P，et al.Theoretical and numerical design of a wireless power transmission link with GaNbased transmitter and adaptive receiver[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2014，62（4）：931946
[3] Tang C W，Chen M G.Design of multipass band microstrip branchline couplers with open stubs[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2009，57（1）：196204 [4] Chi P L，Liu C C.Novel dualband quasi0dB coupledline coupler using the composite right/lefthanded transmission lines[J].IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology，2014，4（2）：259267
[5] Chin K S，Lin K M，Wei Y H，et al.Compact dualband branchline and ratrace couplers with stepped impedancestub lines[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2010，58（5）：12131221
[6] Wu Y，Shen J Y，Liu Y，et al.Miniaturized arbitrary phasedifference couplers for arbitrary coupling coefficients[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2013，61（6）：23172324
[7] Ren H，Shao J，Zhou M，et al.Design of triband branchline couplers using novel triband transmission lines[C]∥Wireless and Microwave Circuits and Systems，2014，DOI：10.1109/WMCaS.2014.7015884
[8] Liou C Y，Wu M S，Yeh J C，et al.A novel tripleband microstrip branchline coupler with arbitrary operating frequencies[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2009，19（11）：683685
[9] Lin F，Chu Q X，Lin Z.A novel triband branchline coupler with three controllable operating frequencies[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2010，20（12）：666668
中图分类号TN622
文献标志码A
收稿日期20161121
资助项目国家自然科学基金青年基金项目（61401206）；江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20140791）
作者简介赵宇，女，硕士生，主要研究无源器件与电路、LTCC电路等。zhaoyu1993-njust @163.com
冯文杰（通信作者），男，副教授、硕士生导师，主要研究宽带电路与技术、基片集成波导技术、平面电路与系统等。fengwenjie1985@163.com
1南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京，210094
0 引言
随着通信技术的快速发展，传统直连传输能量的方式存在着线路老化、电击穿等缺点。无线功率传输技术能较好地克服传统直连电路的缺点，在近10年得到了快速的发展。微波分支耦合器作为无线功率传输系统中的基本无源器件之一[12]，在实现功率合成/分配的基础上，能较好地实现输入/端口之间的隔离，多频段耦合器的研究成为无线功率传输系统中的热点问题。实现双频/三频分支线耦合器的常见方法是将传统结构中的单频传输线替换为双频/三频传输线，如采用开路短路支节[3]、左右手传输线[4]、阶梯阻抗加载支节[5]、Pi型/T型网络[67]等多频传输模块。另外，也可以采用在传统耦合器端口增加阻抗变换网络[89]來满足多频段工作的需求。但此类结构对于不同工作频段的隔离特性及频率可调特性研究较少。
本文提出了一种新型三频分支线耦合器，通过在传统分支线耦合器结构的基础上加载1/4波长短路耦合线来实现三频应用。相比加载分支线支节，该结构采用等长的耦合线使得推导与计算更加简便，下文给出了具体的分析及各个通带频率的表达式。并且，短路耦合线产生的传输零点使得各个通带之间具有高的隔离度。上述耦合器的电路和结构特性已用Ansoft Designer v3.0 和Ansoft HFSS v.13.0 软件仿真，选取的参数是介电常数εr=2.65，厚度h=1.0 mm，介质损耗tan δ=0.003的介质板。
1 三频耦合器的分析与设计
2 测试结果与分析
为了进一步验证，对三频耦合器电路进行了实际加工与测试。图1a中三频耦合器结构模型各部分的参数为：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，电路实物尺寸为100 mm×100 mm，εr=2.65，h=1.0 mm，tan δ=0.003。图1b所示的三频耦合器电路的最终参数为Z0=50 Ω，Z1=50 Ω，Z2=35.36 Ω，Zoe=100 Ω，Zoo=60 Ω，θ=90°。图4是该三频耦合器的实物照片以及测试和仿真结果。从图4中测试结果可以看出，本文的三频耦合器分别工作在0.73/1.02/1.44 GHz，在3个通带的工作频点，直通口的插入损耗最大值分别为-3.0、-3.13和-3.06 dB，耦合口的插入损耗最大值分别为-3.62、-3.9和-3.63 dB。直通口和耦合口插入损耗之间的幅度差维持在±0.8 dB之内，相位差维持在90°±1.5°之内。在频率范围0.707～0.746 、1.01～1.04、1.43～1.47 GHz内，回波损耗高于16 dB。在频率范围0.697～0.746 、1.01～1.03 、1.41～1.46 GHz内，端口隔离高于16 dB。测试结果中频率偏移和耦合口插入损耗略大主要是由于加工和测量误差所引起的。
3 结论
本文提出了一种加载短路耦合线实现的新型高隔离度三频耦合器。通过改变耦合线的奇偶模阻抗，各个通带的中心频率可以在较宽范围内调节，且由于传输零点的引入，各通带之间均具有高的隔离度。该耦合器具有多频段工作、结构简单和隔离度高的优点，测试与仿真结果也吻合较好，可以适用于平面微波电路与系统。
参考文献
References
[1] Boaventura A J S，Collado A，Georgiadis A，et al.Spatial power combining of multisine signals for wireless power transmission applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2014，62 （4）：10221030
[2] Florian C，Mastri F，Paganelli R P，et al.Theoretical and numerical design of a wireless power transmission link with GaNbased transmitter and adaptive receiver[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2014，62（4）：931946
[3] Tang C W，Chen M G.Design of multipass band microstrip branchline couplers with open stubs[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2009，57（1）：196204 [4] Chi P L，Liu C C.Novel dualband quasi0dB coupledline coupler using the composite right/lefthanded transmission lines[J].IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology，2014，4（2）：259267
[5] Chin K S，Lin K M，Wei Y H，et al.Compact dualband branchline and ratrace couplers with stepped impedancestub lines[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2010，58（5）：12131221
[6] Wu Y，Shen J Y，Liu Y，et al.Miniaturized arbitrary phasedifference couplers for arbitrary coupling coefficients[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2013，61（6）：23172324
[7] Ren H，Shao J，Zhou M，et al.Design of triband branchline couplers using novel triband transmission lines[C]∥Wireless and Microwave Circuits and Systems，2014，DOI：10.1109/WMCaS.2014.7015884
[8] Liou C Y，Wu M S，Yeh J C，et al.A novel tripleband microstrip branchline coupler with arbitrary operating frequencies[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2009，19（11）：683685
[9] Lin F，Chu Q X，Lin Z.A novel triband branchline coupler with three controllable operating frequencies[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2010，20（12）：666668