一种小型化的高效率微波整流电路分析与设计

高艳艳, 杨雪霞, 周建永

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

一种小型化的高效率微波整流电路分析与设计

高艳艳, 杨雪霞, 周建永

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

提出一种新颖的微带线结构微波整流电路.用ADS 2006A软件进行分析和设计,整流电路在 5.80 GHz工作频率,负载为 320Ω时,微波-直流转换效率达到 81.4%,转换效率 75%以上的频带带宽为 300 MHz.实验结果表明,负载为 298Ω时测得最高电压为 4.57 V,转换效率达到 68.5%.该整流电路具有小型化、高转换效率、易集成的特点,可应用到射频识别 (radio frequency identification,RFID)系统和无线传感器的能量供给中.

整流电路;整流天线;转换效率;射频识别

本研究提出微带线结构微波整流电路,用 ADS 2006A软件进行仿真和分析,整流电路中的输入低通滤波器采用短枝节实现,输出直通滤波器由滤波电容和λ/4波长微带线组成.与采用高低阻抗[3,8-9]和 CPS低通滤波器[4]相比,本研究设计方法简单,大大缩小了电路板体积,且易于与接收天线集成,具有小型化、高转换效率的特点.

1 整流电路的设计原理

整流电路一般包括输入低通滤波器、匹配电路、整流二极管、直通滤波器和负载.输入低通滤波器允许基频通过,反射二极管产生的高次谐波,避免了高次谐波再次辐射到空中,降低能量转化效率;直通滤波器允许直流通过,反射基频及基频以上的谐波;直流负载将电流转化为电压输出.

图 1为本研究所提出的整流电路原理图.输出直通滤波器由基频λ/4微带线和电容组成,可以滤除基频和基频以上的高次谐波.当高次谐波能量到达电容时,电容阻抗相对于基频、二次和三次谐波非常小,相当于短路,因此 AB两端输入阻抗为

式中,n=1,2,3,…分别代表基频、二次谐波、三次谐波…当偶次谐波通过输出直通滤波器,即 n=2,4,6,…时,AB端输入阻抗为零,电容允许偶次谐波通过,同时偶次谐波在负载上的平均压降为零,不造成能量损失.当奇次谐波通过输出直通滤波器,即n=1,3,5,…时,AB端输入阻抗为无穷大,奇次谐波能量全部被反射回二极管.这样,奇次谐波能量被限制在输入低通滤波器和输出直通滤波器之间,经过二极管再次整流,提高了转换效率.高次谐波能量主要集中在二次、三次谐波中,因此,采用一个短枝节代替输入低通滤波器的方法,可以有效地抑制三次谐波.

图 1 整流电路原理图Fig.1 Schematic d iagram of rectify ing c ircu it

2 整流电路仿真分析

整流电路结构如图 2所示.使用 ADS 2006A电磁仿真软件,设置最高谐波仿真次数为 7次.基于介质板的介电常数为 2.55,厚度为 0.8 mm,损耗为0.002.整流二极管为MA 4E1317肖特基封装势垒二极管,零偏置电容为 0.02 p F,导通电压为 0.7 V,最大反向电压为 7 V,寄生串联电阻为 4Ω.

图 2 整流电路结构图Fig.2 Structure of rectifying circuit

整流电路仿真的 S11参数如图 3所示.在基频为5.80 GHz时 ,S11为 -25.4 dB,二次谐波 11.60 GHz和三次谐波 17.40 GHz处的 S11分别为 -0.146和-1.529 dB,有效地抑制了二次、三次谐波.从频谱角度分析,二极管两端基频和高次谐波电压频谱如图 4(a)所示,其中奇次谐波电压较大,偶次谐波电压均在 -20 dB以下.经过输出直通滤波器后,负载处的基频和三次谐波电压降到 -20 dB以下,偶次谐波电压降到 -40 dB以下,如图 4(b)所示.

图 3 整流电路的 S11曲线Fig.3 S11curve of rectifying circuit

图 4 基频和高次谐波处的电压频谱Fig.4 Spectrum s about fundam en tal frequency and high order harm otic

电路仿真中,电容值为 47 p F,负载为 320Ω,输入功率为 110 mW时,最高效率达到 81.4%.转换效率随频率变化曲线如图 5所示,效率在 75%以上的带宽接近 300 MHz(5.70～6.00 GHz).

图 5 整流电路转换效率随频率变化Fig.5 Conver sion eff ic iency changes w ith frequency

为了优化二极管需要的最佳输入功率值,整流电路转换效率随功率变化曲线如图 6所示.效率随输入功率的增大逐渐升高,当输入功率达到 110 mW时,转换效率达到最高值,为 81.4%.当输入功率超过110 mW时,转换效率陡峭下降,此时二极管已经超过了最大反向电压值,可造成性能下降,甚至击穿二极管.

图 6 整流电路转换效率随输入功率变化Fig.6 Conver sion efficiency changes w ith input power

3 整流电路的实验结果与分析

实际加工制作的整流电路板如图 7所示,尺寸为45 mm×22 mm.图 8为整流电路测试系统框图.微波功率源为 83623L Agilent信号发生器.负载两端的电压用数字万用表测量.整流电路的转换效率计算公式为

图 7 整流电路板实物图Fig.7 Picture of rectifying circuit

图 8 整流电路测试系统框图Fig.8 Test system d iagram of rectify ing c ircu it

实验测得,当输入功率为20.1 dBm,频率为5.86 GHz时,直流电压最高为 4.57 V,根据式 (2)计算得到转换效率为 68.5%.直流电压和转换效率随频率的变化如图 9和图 10所示,在 5.70～6.00 GHz频带上电压均大于 3.5 V,电压和转换效率随频率变化曲线出现抖动.

图 9 Pin=20.1 d Bm时直流电压随频率变化Fig.9 Voltage changes w ith frequency when Pin=20.1 d Bm

图 10 Pin=20.1 d Bm时转换效率随频率变化Fig.10 Conver sion eff icency changes w ith frequency when Pin=20.1 d Bm

测量效率比仿真效率有所降低,有以下 4个主要原因:①从图 2看出,接头探针根部与微带线接触点之间距离太远,使得能量在转换接头处损耗大,经实验测得是造成频率偏移的主要原因;②二极管的焊接位置不准确会造成电路匹配不好,效率下降;③匹配电路中相邻微带线之间宽度相差太大,造成线上损耗过大;④测试系统中接头损耗大,使得效率下降.仿真中效率随频率抖动变化较小,实测中频率点之间转换效率抖动很大,这是由电容的焊接位置不准确造成的.

4 结 束 语

本研究提出一种小型化的微波整流电路,用电磁仿真软件优化设计,并加工制作了一个工作于5.80 GHz频率的整流电路,尺寸为 45 mm×22 mm.在 5.80 GHz时,仿真实验的最高转换效率为81.4%;在5.86 GHz时,测得最高电压为 4.57 V时,转换效率达到 68.5%.最后分析了仿真和实测结果产生误差的原因.此整流电路可应用到射频识别系统和无线传感器的能量供给中.

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Analysisand Design of Rectifying Circuit w ith Compact Structure and High Eff iciency

GAO Yan-yan, YANGXue-xia, ZHOU Jian-yong
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Network,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

A novel microstrip rectifying circuit isproposed in thispaper.The rectifying circuit is analyzed and designed with the software ADS 2006A.Simulation results show that the rectifying circuit obtains 81.4%conversion efficiency from microwave to DC power on a load of 320Ωat5.80 GHz.The bandw idth of conversion efficiency more than 75%is300MHz.Experiment results indicate that the highest voltage of 4.57 V ismeasured on a load of 298Ωwith conversion efficiency of 68.5%.The rectifying circuit has advantagesof compact structure,high conversion efficiency and ease of integration.It can be applied to energy supply for radio frequency identification(RFID)systems and wireless sensors.

rectifying circuit;rectenna;conversion efficiency;radio frequency identification(RFID)

TN 011

A

1007-2861(2011)01-0064-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.01.010

2009-07-19

上海市重点学科建设资助项目 (S30108)

杨雪霞 (1969～),女,教授,研究方向为微带天线、微波输能.E-mail:xxyang@staff.shu.edu.cn

(编辑:赵 宇 )

19世纪 60年代,Brown[1]最早提出了微波输能和整流天线的概念,并于 1963年成功研制了第一个整流天线.整流天线就是将微波能量接收,经过整流变成直流能量,其工作频率有 2.45[2],5.80[3-4],10.00,35.00 GHz[5]等.兼顾整流天线尺寸和无线输能的成本问题,工作在 5.80 GHz的整流天线成为近年来研究的重点.国外研究机构对共面带状线(coplanar stripline,CPS)形式的整流天线研究较多,其电路转换效率可达 80%以上[4,6-7],但CPS形式接收天线和低通滤波器尺寸较大,并且需要增加反射板,而转换效率对反射板距离敏感.

作为整流天线中的关键技术,整流天线效率由整流电路的转换效率决定.由于整流电路工作在非线性状态,给整流电路的优化造成困难.一般有两种整流电路的分析方法:①闭合公式方法,由 Yoo等[5]提出,通过理论分析得到了二极管等效电路参数与最高转换效率之间的关系,但是此方法中有些假设过于理想,只考虑到二次谐波对整流电路的影响;②使用电磁仿真软件进行分析,仿真软件 ADS和Ansoft Designer可方便地设置二极管参数和谐波次数,较闭合公式方法更符合实际整流电路工作环境,仿真数值更准确.