《电子技术应用》
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一种新型高效宽带整流电路
2019年电子技术应用第12期
蔡皓天,陈 星
四川大学 电子信息学院,四川 成都610065
摘要: 提出一种新型高效宽带整流电路。通过在整流二极管前端串联一段微带线的方式,在其呈感性的范围内调节其长度,抵消二极管在基频上产生的容抗,使阻抗匹配时可以采用1/4波长阻抗变换方式取代单枝节匹配的方式,因而该整流电路的整体结构紧凑,同时拓展了工作带宽。改进直流滤波结构中的扇形枝节,根据其影响直流电压波形的现象调节其尺寸,使得输出直流电压纹波平稳,进一步提高整流效率。设计了一只5.8 GHz整流电路,测试表明,输入功率在0~16 dBm的范围内,该电路整流效率都在55%以上,最高效率达到78.7%;在13 dBm输入功率时,达到70%以上整流效率的相对带宽有16.6%。
中图分类号: TN455
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190885
中文引用格式: 蔡皓天,陈星. 一种新型高效宽带整流电路[J].电子技术应用,2019,45(12):56-58,66.
英文引用格式: Cai Haotian,Chen Xing. A novel rectifying circuit with high efficiency and wide bandwidth[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(12):56-58,66.
A novel rectifying circuit with high efficiency and wide bandwidth
Cai Haotian,Chen Xing
College of Electronics and Information Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China
Abstract: A novel high-efficiency and wide bandwidth rectifying circuit is proposed. By connecting a microstrip line in series at the front end of the rectifying diode, and adjusting the length of the line within its inductive range, the capacitive reactance generated by the diode at the fundamental frequency can be offset, and thereby a good impedance matching is realized by using the 1/4 wavelength impedance conversion method rather than the single branch matching method. In this way, the circuit is able to achieve a compact structure and meanwhile an enhanced working bandwidth. Moreover, the design of the sector branch in the direct current(DC) filter has been improved, e.g. its length of branch is adjusted according to its effect to the DC voltage waveform, so that the output DC voltage ripple can become more stable, and hence the rectifying efficiency of the circuit can be improved. A rectifying circuit working at 5.8 GHz has been designed. Measurement results show, when the input microwave power is in a range of 0~16 dBm, the rectifying efficiency of the circuit is over 55% with a maximum value up to 78.7%; at an input microwave power of 13 dBm, the circuit realizes a bandwidth of 16.6% for the rectifying efficiency more than 70%.
Key words : microwave wireless power transmission;wide bandwidth;high efficiency;rectifying circuit

0 引言

    微波无线能量传输(Microwave Wireless Power Transmission,MWPT)是一种以微波作为能量传输媒质,实现能量远距离无线传输的技术,在空间太阳能站、无人飞行空中充电等领域有重大应用前景。整流电路是微波无线能量系统中重要组件[1-2],承担将接收到的微波能量转换为直流能量的任务。

    在整流电路中,抑制谐波和滤除交流是两大重要的部分[3-4],低通滤波器常常被用来抑制二极管产生的高次谐波[5],近些年谐波抑制滤波器逐渐取代了前者[6-8],但是,高阶谐波抑制滤波结构限制了整流效率[9]并且电路尺寸也会偏大。在低频的情况下,通常选择用一个并联的电容代替滤波部分的开路枝节,能有效地减小尺寸[10-11],但是在高频的情况下,电容滤波器的插损不可忽略,直接影响到电路的整流效率[12]

    针对上述问题,本文设计出一种新型整流结构,既能抑制高次谐波,又减小了二极管上功率的损耗,同时扩宽了工作带宽并缩减了尺寸,提高了宽功率范围内的整流效率。

1 整流电路设计

1.1 基于ADS获取二极管阻抗

    本文采用一种常用的提取二极管阻抗的方法[13]。在ADS软件中,先设置好实际加工中所用介质基板的参数及二极管的相关参数。其中,所选基板为RO4003C,厚度H=32 mil,介电常数Er=3.55,损耗角正切tanD=0.002 7;负载电阻为400 Ω;二极管选用Bat15-03W(Cj0=138.5 fF,Rs=5 Ω,Vbi=0.224 V,Vbr=6.4 V)。其获取二极管阻抗的原理图如图1所示。

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    通过Zin控件仿真得到二极管的阻抗值为35.36+j42.2 Ω。

1.2 新型整流电路匹配结构

    通过1.1节获取的阻抗可知,虚部电抗为负,呈电容抗性。通常整流电路输入端处的匹配网络有一段并联的开路微带线用来将电路匹配到50 Ω(常称为单枝节匹配)。该匹配方式频带较窄,结构较大。

    匹配电路的目的是将二极管在特定输入功率情况下的输入阻抗匹配到50 Ω以便与信号源匹配,使得反射减少,这样更多的能量馈入电路以提高整流效率。通过调节二极管前端的微带线长度,在电感抗性范围中变化,使得二极管输入端为一个实阻抗。再通过λ/4阻抗变换线将阻抗匹配到50 Ω。图2为整流电路实物图。

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1.3 扇形滤波枝节的改进

    传统低频整流电路的直流滤波器由λ/4微带线加并联电容组成,它能够很有效地抑制高次谐波,但是加入了过孔结构,出现新的寄生效应并且代价高是其缺点。

    因此本次电路的直流滤波部分选择了同样常见的两个扇形开路枝节代替电容,扇形结构紧凑,具有带阻特性。

    值得一提的是,本次设计的整流电路,从扇形开路枝节具有电容抗性的角度分析,该结构具有充放电的功能,可以使脉冲直流电改善为平滑的直流,电路能可靠地工作也进一步提高了效率。创新性地将|S21|和直流纹波的平滑度同时作为直流滤波器的设计指标,调节扇形枝节的参数,让该结构兼顾滤波与平滑纹波的功能。

    对比了改善纹波平滑度前后的电压波形和|S21|的仿真结果,如图3所示。可以看出,扇形枝节的大小直接影响输出的直流纹波的平滑度,由0.6 V的电压差优化为几乎恒定的直流电压输出。改善纹波平滑度后,并没有影响其滤波能力,从滤波角度|S21|结果来看:在5.8 GHz和11.6 GHz处,传统结构|S21|分别为-30.87 dB,-38.42 dB;改进后的|S21|分别为-32.90 dB,-21.12 dB。改进后的扇形枝节具有更大的电容抗性,充放电的能力变强,同时兼顾了滤除基波和二次谐波的特性。

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2 测试与结果分析

    首先,测试该电路在13 dBm处输入功率的|S11|,结果如图4所示,满足-10 dB以下的频率范围从5.18 GHz至7.01 GHz,相对带宽达到30.05%,带宽远大于单枝节结构匹配的整流电路。

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    其中,在5.8 GHz处的|S11|为-21.94 dB,匹配良好,接着以5.8 GHz作为信号发生器的工作频率,连接上电阻设置为400 Ω的整流电路,再将万用表连接电阻两端,读取负载的输出直流电压,整流电路的微波转直流效率(η)定义如下:

    wdz1-gs1.gif

式中:Vdc是电路输出直流电压值,Rl是负载电阻,Pin是信号发生器输入的微波功率。测试与仿真对比结果如图5所示。该电路在频率为5.8 GHz,输入功率13 dBm时效率有最大值78.7%,由于测试时输入功率每间隔1 dB测试一次电压值,因此实测的曲线没有仿真的平滑,但还是基本吻合。可以看到,输入功率在0~16 dBm的范围内,整流效率整体高于55%,有16 dB的功率动态范围。

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    根据该整流电路相对带宽有30。05%的这一特点,固定最佳效率对应的输入功率13 dBm,从5。18 GHz到7。01 GHz的驻波范围内测试其效率,观察其满足70%以上效率的带宽范围,结果如图6所示,在5。25 GHz至6。2 GHz内,电路的转换效率都能够满足,故70%效率以上的相对带宽为16。6%。

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3 结论

    本文提出了一种匹配电路,结构紧凑,直流滤波枝节兼顾稳定纹波作用的新型微波整流电路。二极管前端串联的微带线抵消二极管在交流回路中的容抗,省去了单枝节匹配的部分,拓展了带宽;扇形滤波枝节的长度调节改善了电压纹波的平滑度,在保证结构紧凑性和基波谐波抑制的前提下,进一步提高了整流效率。实验结果表明,在5.8 GHz工作频率下的最高效率达到78.7%,大于70%整流效率的功率动态范围有8 dB,大于70%整流效率的相对带宽达到16.6%。

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[13] 区俊辉,吴宙真,安德烈·安德烈尼克,等。基于ADS获取肖特基二极管阻抗的迭代方法[J]。微波学报,2017(4):74-79。



作者信息:

蔡皓天,陈  星

(四川大学 电子信息学院,四川 成都610065)

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