高效平面印刷毫米波段整流电路设计与实验

谭冠南　杨雪霞

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200072)



高效平面印刷毫米波段整流电路设计与实验

谭冠南杨雪霞

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200072)

摘要利用微带线设计了一种Ka波段毫米波整流电路．整流电路由输入阻抗匹配网络、整流二极管及输出直通滤波器构成,输入端口为50 Ω微带线,便于实验及与天线集成．利用等效电路模型理论分析了肖特基二极管在Ka波段的整流特性,设计并加工电路．实验测得,在32.5 GHz工作频率和20 dBm输入功率下,整流电路在350 Ω负载上获得57%的毫米波直流(MMW-DC)转换效率;在输入功率大于8 dBm时,整流效率均大于30%．该整流电路采用传统的印制电路板(Printed Cireuit Board, PCB)制作工艺,具有造价低和易集成等优点,且整流效率高,可应用到毫米波无线输能系统中．

关键词天线输能;整流电路;整流效率;毫米波

资助项目: 国家自然科学基金(61271062)

联系人： 杨雪霞 E-mail：xxyang@staff.shu.edu.cn

引言

微波输能(Microwave Power Transmission, MPT)技术直接通过微波波束将能量从发射端传送到接收端,由于其传输损耗低、传输效率高、微波波束强度和方向易于控制等优点,得到广泛的关注．MPT技术主要适用于不能或者不方便架设电力传输媒介的环境下,特别是复杂地形输电、高空无人机输电以及太阳能卫星等领域．近代MPT技术始于20世纪60年代,美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)的W. C. Brown教授最早提出了微波输能的原型[1],其于1964年所做的微波驱动直升飞机模型的实验[2],极大地促进了世界各国研究学者对MPT技术的研究[3-8]．在MPT系统中,发射端的微波发生器将直流功率转换成微波,发射天线将微波功率发射到自由空间中;在接收端,由接收天线和整流电路组成的整流天线将微波能量接收并将其转换成直流功率．整流电路是MPT系统的关键技术．

X波段以下的微波频率大气衰减很小,可以适用于远距离的微波输能．因此目前MPT技术所用的工作频率大部分都在X波段以下,尤其是在工业-科学-医疗)(Industry-Science-Medical, ISM)频段,如S波段(2.45 GHz)和C波段(5.8 GHz),其整流电路的整流效率可高达80%以上[9]．随着新材料、新技术的不断出现和加工工艺的提高,毫米波MPT技术得到了发展．但是由于毫米波的大气衰减较大,毫米波MPT技术主要适用于近距离输能,或者在没有大气衰减的太空远距离输能中．毫米波MPT技术具有如下优点: 1) 毫米波波束方向和强度易于控制,进行定向传输; 2) 毫米波设备器件可以做得很小,具有天然“小型化”的优点; 3) 在天线口径相同的情况下,毫米波天线增益更高,波束更窄; 4) 其谐波频率相对基频而言更高,对于系统影响较小．

由于毫米波频率高、波长短,二极管整流特性分析成为提高电路整流效率的主要障碍．Kai Chang教授于1992年首次设计了Ka波段整流电路,在120 mW的输入功率和400 Ω的负载下,整流效率为39%[10]．接收天线采用简单的偶极子天线,整流电路采用CPS传输线结构,不易于与其他形式天线集成．文献[11]从理论上,利用时域散射参数法分析了Ka波段整流天线,在150 mW净输入功率、100 Ω

负载上,仿真得到60%的整流效率,没有实验验证．文献[12]采用高串联阻抗硅基肖特基二极管设计了工作在30 GHz的整流电路,在79.4 mW输入功率和240 Ω负载下得到27.4%的整流效率．文献[12]设计了Ka波段的整流天线阵列,电路单元在10 mW输入功率和50 Ω的负载下,其整流效率为35%,但是其最优负载较小,需要大型组阵才能应用于大负载情况下．在文献[14]中,C. Hwann-Kaeo等人采用0.13-μm 互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)技术,设计了一种毫米波双频整流天线,在20 mW输入功率、35 GHz频率上,最大整流效率为57%,但是CMOS技术加工工艺较为复杂,不易实现．

基于传统的印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)加工工艺,通过对整流二极管等效电路模型分析,设计了一种微带线结构的Ka波段整流电路．在32.5 GHz频率,20 dBm的输入功率和350 Ω的负载电阻上,得到57%的微波直流转换效率．该整流电路易于与天线集成,能广泛应用于毫米波MPT技术中．

1整流电路分析设计

1.1　二极管整流特性分析

整流二极管是整流电路的核心部件,其输入阻抗决定输入阻抗匹配网络的设计,因此,如何获得准确的整流二极管输入阻抗值对整流电路设计至关重要．在普通微波波段的整流电路设计中,可以采用一些电路仿真软件,如ADS[15]、Ansoft Designer等．但是在毫米波波段,整流二极管的等效电路参数误差较大,不宜使用．本文采用文献[10]提出的基于肖特基二极管等效电路的整流原理分析和设计毫米整流电路．

由于整流二极管的非线性特性,其等效模型复杂,等效参量较多,不易进行精确分析．图1是肖特基整流二极管的小信号简化等效模型,其主要典型参量有:零偏置结电容Cj0,结电容Cj,串联欧姆电阻Rs,反向击穿电压Vbr,正向导通电压Vbi,直流负载输出电压Vo(其最大典型值为Vbr/2)．通过对图1的电路理论分析近似,文献[16]推导出二极管的输入阻抗Zd和整流效率ηd公式为

图1　二极管小信号等效模型

(1)

(2)

式中:

θon为二极管上电压的正向偏置导通角,ω为角频率．由于二极管的典型参量是在低频(1～100 MHz)以及小信号下得到的,所以，由闭合公式计算的准确性在微波波段有很大误差,尤其是在毫米波和大信号下,故在电路设计中仅具有一定的参考价值．

整流电路采用M/A-COM公司的MA4E1317砷化钾肖特基势垒二极管,其零偏置结电容Cj0为0.02 pF,串联电阻Rs为4 Ω,反向击穿电压Vbr为7 V,正向导通电压Vbi为0.7 V,最高工作频率可达80 GHz,最大射频功率输入为20 dBm．为了适用于低功率密度场合,整流电路设计在10 dBm输入功率下,工作频率为35 GHz频率．当输出直流电压达到饱和,即为反向击穿电压的一半(3.5 V),且负载为1 500 Ω时,由闭合公式(1)、(2)计算得到的整流效率为82%,二极管的输入阻抗为(215-j434) Ω．

1.2　整流电路设计仿真

设计的整流电路结构如图2所示,由输入阻抗匹配网络、整流二极管以及输出微带直通滤波器组成．介质板采用Rogers5880,介电常数为2.2,厚度为0.254 mm,损耗角正切为0.000 9．

图2　整流电路结构

输入阻抗匹配网络将二极管输入阻抗(215-j434) Ω匹配到标准的50 Ω,便于用微波信号源测试整流天线性能,也便于与天线集成,其结构采用双枝节匹配电路形式,为减少枝节之间耦合,双枝节之间间距为5λg/8,其长度分别为L1、L2,并通过渐变阻抗匹配结构将输入阻抗匹配到50 Ω．电路主要结构参数为:W0=0.78 mm,W=0.2 mm,L1=4.5 mm,L2=4 mm,L3=3.3 mm,L4=4.3 mm,L5=3.5 mm,Lf1=1.58 mm,Lf2=0.75 mm,Lf3=1.45 mm,Lf4=0.5 mm．利用ADS电磁仿真得到阻抗匹配网络的S参数,如图3所示．可以看出,匹配电路在35 GHz上反射系数为-20 dB,阻抗匹配较好．但是由于二极管输入阻抗的虚部较大,阻抗匹配网络的带宽较窄,为加工制作带来一定难度．

图3　输入阻抗匹配网络S参数的频响特性仿真

整流二极管采用并联整流形式,跨接在地与电路之间．由于二极管的非线性特性,基频通过二极管后会产生高次谐波分量,为使负载上只有直流分量,在二极管与负载中间插入直通滤波器．直通滤波器采用微带线开路枝节结构来实现,通过调节开路枝节的长短,来滤除微波能量．微带直通滤波器的仿真结果如图4所示．可以看出,反射系数在35 GHz、70 GHz以及105 GHz上分别为-0.1 dB、-1.2 dB和-1.8 dB,能够较好地滤除基波、二次和三次谐波,直流通路特性良好．

图4　输出直通滤波器S参数的频响特性仿真

2整流电路实验结果

加工制作的整流电路如图5所示．

图5　整流电路实物图

利用Agilent N5247A矢量网络分析仪对所设计的整流电路进行测试,根据反射系数获得最佳负载和频率．由于矢量网络分析仪输出功率的限制,图6仅给出了在10 dBm和6 dBm输入功率以及不同负载下,整流电路的反射系数随频率变化曲线．可以看出,在10 dBm输入功率下,当负载为1 500 Ω时,在33 GHz频率上,电路反射系数最小,相对于理论计算的35 GHz有所偏移．随着负载的变化,反射系数最小时频率点也在变化．当负载为350 Ω,频率为32.5 GHz时,反射系数约为-18 dB,此时电路匹配较好．在负载为350 Ω,输入功率减小到6 dBm时,在32.5 GHz上电路匹配变差,但是反射系数最小时的频率依然在32.5 GHz附近．

图6　整流电路反射系数随频率变化

图7是整流电路效率的测试系统．微波功率源为Agilent E8257D模拟信号发生器,通过20 dB耦合器以及功率计直接读出整流电路输入功率值,整流电路后接直流负载,利用数字万用表测量得到输出直流电压．

图7　整流电路测试系统框图

整流电路的转换效率η为

(3)

式中： Vdc为万用表测得的负载上输出的直流电压； Pin为电路输入功率．

实验测得,在负载为1 500 Ω,频率为33 GHz,输入功率为10 dBm时,整流效率为13.3%．在同样10 dBm输入功率下,当负载为350 Ω,频率为32.5 GHz时,测得的整流效率为37.1%．与图6比较可见,当反射系数较小时,即频率为32.5 GHz,负载为350 Ω,电路整流效率较高．

当负载为350 Ω,输入功率Pin分别为10、15、20 dBm时,电路的整流效率η以及输出直流电压Vdc随频率变化曲线如图8所示．可以看到,在32.5 GHz上得到最大整流效率,并且随着输入功率的增加,整流效率也在增大,在10、15、20 dBm上分别约为37.1%、49.5%和57.3%．

图8　整流效率和输出电压随频率变化

当频率为32.5 GHz,输入功率Pin分别为10、13、15 dBm时,整流效率η和输出直流电压Vdc随着负载的变化曲线如图9所示．可以看出,在频率为32.5 GHz上,最佳负载为350 Ω．在负载小于350 Ω时,随着负载变大,整流效率和输出直流电压不断增大,在350 Ω时达到最大．随着负载继续增大,整流效率减小,输出直流电压继续增大．

图9　整流效率和直流电压随负载变化

根据以上测试结果,该整流电路的中心频率32.5 GHz,最佳负载RL为350 Ω．图10给出了这些条件下整流效率η和电压随着输入功率Pin的变化曲线,可见随着输入功率的增加,整流效率和输出电压都在不断增加,在20 dBm输入功率时,整流效率达到57.3%,输出电压为4.48 V．在8 dBm输入功率以上,整流效率均大于30%．

图10　整流效率和直流电压随输入功率变化

3结论

本文设计并加工测试了一个高转换效率的Ka波段整流电路．由等效电路理论计算得到,当工作频率为35 GHz、负载为1 500 Ω,输入功率为10 dBm时,整流二极管可达最高MMW-DC转换效率,为82%．以此二极管设计整流电路,并用PCB工艺加工制作．实验测得,在32.5 GHz频率,20 dBm输入功率、350 Ω负载时,整流效率可达57.3%,输出电压约为4.48 V．在8 dBm输入功率以上,整流效率均大于30%．

整流电路设计在35 GHz,加工测试电路工作在32.5 GHz,存在一定误差．主要原因有以下三个: 1) 二极管焊接在整流电路中会产生寄生参数,寄生参数使得二极管的外部特性变化,从而引起整流电路的频移和效率的下降; 2) 电路板加工误差,由于输入阻抗匹配网路的带宽较窄,对于加工有很高的要求,故加工误差会使匹配网络产生一定的频率偏移; 3) 在毫米波、大信号输入功率情况下,通过理论公式分析计算的方法产生的误差较大,计算得到的二极管输入阻抗和整流效率不准确,这是产生误差的另一个因素．

下一步工作集中在研究减小以上三类误差的方法,以进一步提高MMW-DC整流效率．从整流电路结构图来看,其横向尺寸偏大,还需考虑整流电路的小型化的问题,以便更好地适应移动设备的发展需求．

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谭冠南 (1988-),男,江苏人,博士研究生,主要研究方向为毫米波整流天线及其阵列．

杨雪霞 (1969-),女,甘肃人,博士生导师,博士,主要从事微带天线、微波输能方向的研究．

Design and experiment of a planar printed rectifying

circuit operated in millimeter wave

TAN GuannanYANG Xuexia

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,

ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

AbstractA millimeter wave rectifying circuit operating at Ka-band using microstrip lines is presented in this paper. The rectifying circuit consists of an impedance matching circuit, rectifying diode and a DC-pass filter. The input port of the circuit is designed as a 50 Ω microstrip line so it is easy for the circuit to be tested and integrated with an antenna. The operation characteristic of the rectifying diode at Kaband is analyzed by the theory of equivalent circuit model. The rectifying circuit is designed and fabricated. The measured results show that the rectifying circuit obtains 57% millimeter wave-DC(MMW-DC)conversion efficiency on the load of 350 Ω when the operation frequency is 32.5 GHz and the input power is 20 dBm. The conversion efficiencies are all above 30% when the input power is higher than 8 dBm. The proposed rectifying circuit is fabricated by traditional PCB process, which has advantages of low cost, ease of integration. This high efficiency rectifying circuit could be applied in millimeter wireless power transmission systems.

Key wordswireless power transmission; rectifying circuit; rectifying efficiency; millimeter-wave

作者简介

收稿日期：2015-01-21

中图分类号TN455

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)06-1131-06