基于传输线的单支路电阻压缩网络*

李文杰， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

近年来， 无线能量采集及功率传输引起了广泛的关注[1-4]. 对于许多微波系统来说， 实现整流电路的阻抗匹配是提高能量采集及功率传输效率的关键. 然而， 由于二极管的非线性， 导致在输入功率变化时， 整流天线的输入阻抗也发生剧烈变化， 输入阻抗的变化会使整个整流系统难以在较宽的输入功率范围内实现阻抗匹配， 从而使阻抗失配造成的能量损耗增大， 大幅影响整流天线的RF-dc转换效率.

图 1 电阻压缩网络Fig.1 Resistance compression network

为了提高转换效率， 在较宽的输入功率范围内达到更好的阻抗匹配， 文献[5]中作者提出了一个由离散LC网络构成的匹配网络， 该网络可以将由输入功率变化引起的输入阻抗的变化范围进行压缩， 这个匹配网络被命名为电阻压缩网络(RCN)， 其结构如图1(a)所示. RCN被广泛应用于多种低频射频系统中. 在文献[6]中利用RCN设计了基于微带线的阻抗压缩网络(ICN)， 将RCN应用于高频系统. 作者将ICN应用在了一个工作于 4.6 GHz、 最大输入功率为4 W的移相放大系统中， 成功使系统的转换效率在输入功率为0.55 W时提高了37%. 文献[7]中提出了基于传输线的电阻压缩网络(TRCN)理论， TRCN的结构如图1(b)所示. 作者提出通过调整TRCN的特性阻抗Z0和电长度θ， 即可控制TRCN对输入电阻变化的压缩比例. 文献[8]将RCN应用在了一个差分整流器系统中， 同样抑制了整流器输入阻抗随输入功率的变化范围， 使整流器系统在小输入功率下的RF - dc转换效率提高了5%～13%.

本文提出了基于传输线的单支路电阻压缩网络(SRCN)， 将传统的双支路TRCN的结构简化为单个支路， 相较于传统的TRCN， 本文提出的SRCN具有更加简单的电路结构， 仅使用了一路整流器， 且相比没有使用SRCN的整流器， 在使用了SRCN结构后， 系统的转换效率最多提高了15%.

1 基于传输线的单支路电阻压缩网络(SRCN)

图 2 单支路电阻压缩网络原理图Fig.2 The schematic diagram of the single-branch resistance compression network (SRCN)

单支路电阻压缩网络(SRCN)的原理如图 2 所示. SRCN主要由两截长度不同、 特性阻抗相同的微带线TLS和TLO组成， 其中TLS为短路线，TLO为开路线.TLM为一截长度为λ0/4、 特性阻抗为50 Ω微带线， 其中λ0为整流器工作频率的波长.RL为阻值变化的电阻， 其变化的阻值代表整流器在输入功率变化时输入阻抗的变化.Zin为整流器系统的输入阻抗.TLS接地， 可以近似看作一个定值电阻， 与可变电阻RL并联， 并联后的电阻阻值小于上述两个电阻中的任意一个， 以此达到电阻压缩的目的.

研究TLO和TLS的变化对SRCN压缩能力的影响： 设TLS和TLO的长度分别为L1和L2， 它们的长度之和为Lt， 即Lt=L1+L2， 结果如图 3， 图 4 所示.

图 3 开路线的长度对SRCN压缩能力的影响Fig.3 Effect of the length of opened-stub on the compression capacity of SRCN

开路线TLO对SRCN压缩能力的影响如图 3 所示. 图 3 中L2=0 mm的曲线可知， 若去掉开路线TLO， 会使输入电阻被压缩为很小的值， 输入电阻过小会严重降低整流器系统的RF - dc转换效率. 当L2的值逐渐增大时， 输入电阻逐渐增加， 在L2=13.4 mm时， 系统的输入电阻接近50 Ω， 此时整流器系统实现更好的阻抗匹配， 在L2的值超过13.4 mm时， 系统的输入电阻又急剧下降.

TLS和TLO的长度之和接近λ0/4时， 不同L1下系统的输入电阻随负载电阻的变化情况如图 4 所示. 由图4可知： 当L1≤5.8 mm时， SRCN有较明显的压缩能力， 当L1>5.8 mm时， SRCN的压缩能力开始恶化. 经实验验证， 若要得到较好的压缩性能和更高的转换效率， 应使Lt=λ0/4， 且TLO的长度与TLS的长度之比应该在2.4～3.4之间， 即2.4≤L2/L1≤ 3.4.

2 带有SRCN结构的微带整流器设计

图 5 带有SRCN的整流器的结构图Fig.5 Configuration of the rectifier with the SRCN

为了验证SRCN对转换效率的改善作用， 我们使用SRCN设计了一个工作频率为2.45 GHz的整流器， 并对其RF-dc转换效率进行了仿真， 所设计的微带整流器的结构如图 5 所示， 该整流器由匹配网络、 二极管和扇形枝节3部分组成， 扇形枝节与二极管的输出端相连， 起到直流滤波的作用[9-10]. 对该整流器的仿真全部在ADS中进行. 所使用的介质基板的厚度为h=1.6 mm， 介电常数为ε=4.4， 损耗角正切为tanδ=0.02. 负载电阻R的阻值为300 Ω. 由于本设计中需要二极管工作在中等输入功率(0 dBm

表 1 传输线及扇形的尺寸

图 6 为从3个不同的参考面所得的整流器的输入阻抗. 由于SRCN结构主要用于对阻抗电阻分量的压缩， 而二极管的输入阻抗包含电阻和电抗两个分量， 所以在设计整流器时首先使用TL5和TL6两段微带线使二极管的输入阻抗在史密斯圆图上进行旋转， 以消除阻抗的电抗分量， 如图 6 中的Zrot所示.TL2为一段特性阻抗Z0=50 Ω， 长度为λ0/4的微带线，TL3和TL4构成SRCN结构， 其中TL3为开路线，TL4为短路线. 由图6中的ZSTRCN曲线和Zrect对比可知， 当加入SRCN结构后， 整流器的输入阻抗随输入功率的变化范围有了明显的减小.

为了验证SRCN对于整流器转换效率的改善效果， 我们还设计了一个结构相同、 不带有SRCN结构的整流器， 其匹配网络部分如图 5 中的嵌入图所示. 对两个整流器进行仿真后得到的RF-dc转换效率如图7所示. 由图7中的仿真结果可以发现， 在整流器的匹配网络中加入SRCN结构后， 整流器的转换效率在输入功率为0～20 dBm时， 提高了8%～15%. 当输入功率为16 dBm时， 转换效率的改善最明显， 提高了15%. 同时， 与不带有SRCN结构的整流器相比， 带有SRCN结构的整流器可以在更宽的输入功率范围内获得更高的转换效率.

图 6 从3个参考面所得的整流器的输入阻抗Fig.6 Simulated impedances of the rectifier at three reference planes

图 7 带有和不带有SRCN结构的整流器的转换效率仿真结果Fig.7 Simulated conversion efficiency of the rectifiers with and without the SRCN

3 结 论

本文所提出的单支路电阻压缩网络(SRCN)能够有效减小整流器的输入阻抗随输入功率的变化范围， 使整流器在更宽的输入功率范围内实现更高的RF-dc转换效率. 通过设计一个工作于2.45 GHz的整流器对SRCN的工作能力进行了验证， 仿真结果表明： 使用了SRCN结构后， 整流器的转换效率最多提高了15%， 整流器对输入功率变化的敏感性显著降低.

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