一种小型化的大功率微波整流电路①

胡 林,张巧利,赵德双*,曹卫平

(1.电子科技大学物理学院，成都 610054；2.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室，桂林 541004)

0 引言

无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)突破了只能依靠有线方式传输电能的思想，为电子设备的长时、无线缆供电提供了新思路，是一种应用前景极为广阔的输能技术。WPT思想最初由著名电磁学家Tesla提出[1]，早期主要以磁感应耦合、磁谐振耦合等近场耦合无线输能研究为主[2-3]，这类技术具有功率大、效率高、安全性好等优点，但存在输能距离短、受能线圈尺寸过大、使用不便等固有技术缺陷；为克服近场耦合类WPT的技术缺陷，有学者提出了电磁辐射式微波输能技术(Microwave Power Transfer, MPT)。上世纪50年代至今，国外的学者已经做了大量的理论研究和实验验证。特别是当Glaser在1968年提出了空间太阳能卫星计划以后，微波输能技术受到了越来越多的关注，许多国家的学者都对其进行了大量的研究[4-7]。国内开始关注微波输能技术始于1994年电子科技大学林为干教授首次介绍了微波输能技术[8]。

微波输能技术在卫星太阳能计划、物联网应用、RFID(Radio Frequency Identification)等系统中担当着重要的角色。而微波整流电路是微波无线输能系统中的关键组成部分，因为微波能量被受能端的接收天线接收以后，要经过微波整流电路整流为直流功率后才能供给负载使用，这意味着微波整流电路的性能直接决定着被负载接收的功率大小。因此，国内外研究人员均对微波整流电路展开了大量研究[9-11]。目前，人们已经在0.915 GHz、2.45 GHz和5.8 GHz等多个常用频点设计了相应的微波整流电路。但是大部分学者研制的微波整流电路的直流输出功率都在1w以下，不能满足智慧家居、远程医疗、无人工厂等应用场景中的瓦级终端的供电需求。文献[9]中研制的微波整流电路虽然能输出1w以上的直流功率，但是其电路尺寸为180mm×180mm(约为2.45GHz对应的自由空间波长的1.5倍)，这么大的尺寸使得该微波整流电路不能和受能终端(如智能手机)以及接收阵列天线(一般阵列天线单元间的距离不大于1倍波长)很好的集成在一起。

为了满足瓦级终端供电以及易集成的需求，本文设计了一款工作于2.45GHz的小型化、大功率微波整流电路。通过实验测试发现，本文设计的微波整流电路在输入功率大于34 dBm时，实测直流输出功率均大于1w,且对应的实测整流效率均大于40%；当输入功率为41.42 dBm时，整流电路的最高实测直流输出功率为5.84w，此时对应的整流效率为42.13%。该整流电路具有小型化、整流后直流输出功率大、易于集成的特点，可应用于智慧家居、远程医疗、无人工厂等场景中的瓦级终端能量供给中。

1 大功率微波整流电路原理与设计

大功率微波整流电路设计的难点在于现今成熟的整流二极管可承受的电压和电流较低，从而使得在大功率应用下单个整流二极管会被烧坏或者被反向击穿。本文基于并联分流的原理设计微波整流电路，即采用功分器将输入的微波功率进行分配，然后在功分器的每一条输出支路上利用肖特基二极管将微波功率整流为直流功率，再将所有输出支路的直流功率合并到一起输出给负载使用，从而实现大功率微波整流。

1.1 大功率微波整流电路原理

文献[9]提出了一种如图1所示的大功率微波整流电路原理框图。

图1 大功率整流的基本原理Fig.1 Principle of high-power rectification

输入微波功率由功分器进行分配，然后在每一条功分器支路上采样肖特基二极管阵列，使每一条功分器支路的微波整流电路都能安全高效的工作，从而实现大功率微波整流。但是，该方法是采用阻抗匹配1将每条功分器支路的微带线阻抗匹配到50Ω，且每个单元整流电路也需通过阻抗匹配2将二极管的输入阻抗匹配到50Ω。而这两部分阻抗匹配电路使得整流电路的整体尺寸增大。

因此，基于功分器和单元整流电路相结合设计出的大功率整流电路必然面临着尺寸较大的问题，而较大的尺寸必然会限制此类大功率微波整流电路的应用。为了减小此类整流电路的尺寸，本文提出了一种改进型大功率整流方案，其基本原理框图如图2所示。与传统大功率整流相比，本设计的改进之处在于将阻抗匹配1和阻抗匹配2去掉，只在微波输入端口与功分器输入端口之间加入阻抗匹配和可弯折的四分之一波长并联短路枝节作为输入滤波器，从而大大减小了大功率微波整流电路的尺寸。

图2 改进型大功率整流的基本原理Fig.2 Principle of the improved high-power rectification

1.2 大功率微波整流电路设计

图3(a)所示为由两个HSMS2828整流二极管和一个电容构成的单元整流电路，两个HSMS2828整流二极管串联相当于8个整流二极管相互串并联，由串联分压、并联分流原理可知，当图3中两个单元整流电路输入相同功率的微波信号的时候，图3(a)中单个整流二极管承受的电压和电流相比于图3(b)要小，从而图3(a)所示的单元整流电路可以获得更大的直流输出功率。因此，我们最终选择图3(a)所示的单元整流电路。图3中电容C1为低通滤波器，其作用是将射频能量反射回整流二极管，只将直流信号输送给负载使用。研究发现，电容容值越大，低通滤波器的通带截止频率越小，经过仿真优化后，最终我们选定电容C1的容值为1nF。

为了使微波整流电路输入端与接收天线或测试仪器匹配，本文采用50欧姆的源阻抗进行匹配设计。整流二极管是非线性器件，能将输入的基频(2.45GHz)正弦波转化为直流分量和高次谐波分量。为了使高次谐波不从微波整流电路的输入端口返回到接收天线，在微波整流电路的输入端口处加入结构简单的四分之一波长并联短路枝节作为输入滤波器，该并联短路枝节在基频时等效为开路，二倍频时等效为短路。因此，四分之一波长并联短路枝节能够无损地使基波通过，而将二次谐波全部反射回去。此外，短路枝节还可以为整流电路提供直流通路[12]。图2所示的大功率整流的基本原理框图对功分器没有特殊的要求，所以采用简单的2级T型结1分4路等比功分器。功分器的4个输出端口的阻抗为100Ω，对应微带线宽度为1.4mm，相比于50Ω微带线的宽度4.8mm而言，1.4mm的线宽与整流二极管芯片的引脚宽度0.45mm更接近，从而使得芯片引脚与微带线之间的过渡更加良好。

在ADS仿真软件中建立如图4所示的微波整流电路仿真模型。考虑到小型化的设计目标，采用Tee1、TL2、TL3组成的单枝节匹配电路来实现阻抗匹配，并通过优化TL2和TL3的长度来提高整个微波整流电路的整流效率。

图3 单元整流电路Fig.3 Unit rectifier circuit

图4 电路仿真原理图Fig.4 Schematic diagram of circuit simulation

2 测试结果及分析

在完成微波整流电路整体设计以后，采用F4BM-2聚四氟乙烯玻璃纤维双面覆铜板进行加工。基板厚度为1.6mm，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.008，覆铜板厚度为35μm，电路尺寸为40mm×80mm。电路设计版图和实物如图5所示。

图5 微波整流电路Fig.5 Microwave rectifier circuit

图6和图7分别为输入功率和输出功率测试电路框图。实验测试中采用2.45GHz固态微波信号源，但该固态微波信号源的输出功率较小，为了得到可调节功率大小的大功率微波信号，本文采用图6所示的2.45GHz信号源、两个10dB的可调衰减器、隔离器和35dB的放大器组成一个功率可调的大功率微波信号源，通过调节两个可调衰减器的衰减档位，理论上功率可调的大功率微波信号源可以实现22dBm～42dBm区间内以1dB为步进的任意功率微波信号输出。功率可调的大功率微波信号源输出的微波功率最高可达42dBm，而一般微波功率计的量程较小，如本文使用的AV87231微波功率计的最大量程仅为20dBm，因此，在微波功率计前端串联一个30dB的固定衰减器，从而实现大功率微波信号功率的测量。基于图6所示的整流电路输入功率测量电路，得到两个可调衰减器的衰减档位与功率可调的大功率微波信号源的输出功率之间的对应关系。

得到了功率可调的大功率微波信号源的输出特性后，搭建如图7所示的微波整流电路输出直流功率测量电路。通过调节可调衰减器的衰减档位来控制输入到微波整流电路的微波功率PRF大小，再通过图7中所示的万用表测量43欧姆负载两端的电压U得到整流电路输出的直流功率PDC大小。微波整流电路的整流效率为：

(1)

式中PDC为微波整流电路输出的直流功率；PRF为微波整流电路输入的微波功率；RL为整流电路的43欧姆电阻负载，U为其两端的电压。

图6 输入功率测量电路Fig.6 Test system diagram of input power

图7 输出功率测量电路Fig.7 Test system diagram of output power

图8(a)和(b)分别为当负载电阻为43Ω时，仿真和测试得到整流效率和输出直流功率随输入功率变化曲线。从图8(a)可以看出，当输入功率为39.28 dBm时，整流电路的最高实测效率为44.27%；当输入功率大于32dBm时，整流电路的实测效率均大于40%；如图8(b)所示，当输入功率大于34dBm时，实测直流输出功率均大于1w；在输入功率为41.42dBm时，实测直流输出功率达到了最高值5.84w。表1给出了本文与相关对比文献所设计的2.45GHz微波整流电路的尺寸、最大整流效率和对应的输出直流功率对比。可以看到，本文工作与文献[9]相比，尺寸减小了近10倍，但是输出直流功率只减小了约1倍；与文献[10]相比，尺寸增大了约73倍，但是输出直流功率增大了约1875倍；与文献[11]相比，尺寸增大了约5倍，而输出直流功率增大了约468倍。

表1 整流电路对比Table 1 Comparison of rectifier circuits

(a) 整流效率曲线图

(b) 输出直流功率曲线图图8 整流效率及输出直流功率随输入功率值的变化Fig.8 Rectification efficiency and output DC power changes with input power

3 结论

本文基于并联分流原理，采用功分器与单元整流电路相结合的设计方案，实现了一款工作在2.45GHz的小型化、大功率的微波整流电路。由于只在微波输入端口与功分器输入端口之间加入阻抗匹配和输入滤波器，本文的设计在实现了微波整流电路最高输出直流功率达到5.84w的同时，整个电路尺寸只有40mm×80mm。相较于常规的微波整流电路，这种小型化的大功率微波整流电路更能满足智慧家居、远程医疗、无人工厂等应用场景中的瓦级终端的供电需求。在下一步的研究中，将着重采用集总元器件实现该小型化大功率微波整流电路的阻抗匹配设计，在保证瓦级直流输出功率的同时，更进一步缩小微波整流电路的尺寸。