目前，國內外對無線輸能的研究越來越多，無線能量傳輸必定會成為未來能量傳輸的方向，特別是在布線困難的環境里。井下傳感器數量多、分布廣泛，并且環境復雜惡劣，傳感器能量補充困難。因此，研究傳感器無線充電意義重大。而作為無線充電的關鍵技術，整流電路的設計直接影響天線的整流效率。本文提出了工作頻率為5.8 GHz的微帶整流電路實現的設計方案，設計了一種尺寸小、整流效率高、適用在傳感器上的整流電路。再結合高頻仿真軟件HFSS和ADS對整流天線的實現方案進行研究，通過試驗對設計原理、步驟的正確性進行了驗證。
1 微波整流電路原理和設計
    為滿足用于無線傳感器小尺寸高效率整流電路的要求，本文采用可調節的輸出直通濾波器來實現匹配效果，而在輸入濾波器和二極管之間沒有匹配網絡，從而大大縮小整流電路尺寸，并且提高了整流效率。
    整流電路的原理圖如圖1所示。輸入濾波器采用5階切比雪夫低通濾波器，濾除諧波，截止諧波，防止諧波回流到天線[1]。整流電路采用肖特基二極管(HSMS286)，在5.8 GHz工作頻率下具有較低的正向開啟電壓和小的結電容。

1.1 輸入輸出濾波器分析
    輸入濾波器使基波無耗通過，抑制二極管產生的高次諧波，防止回流至天線而降低整流效率。采用階躍阻抗低通濾波器，由傳輸線理論分析，一段高阻抗短傳輸線可以等價為一個串聯電感，一段低阻抗傳輸線可以等價為一個并聯電容。交替使用高低阻抗微帶線構成的分布參數濾波器就是微帶線階躍阻抗濾波器[2]。由下面的公式來確定代替電容電感的電長度。

    輸出濾波器由長度為L的微帶線和并聯在負載兩端的電容組成，通過調節L的長度，使二極管端的輸入阻抗為純阻抗，發生諧振，只允許直流通過，阻止基波和各高次諧波[3]。通過仿真得到微帶線長度為5.3 mm時，二極管輸入端純阻抗為40。通過調節輸入濾波器輸入輸出阻抗，分別與接收天線和二極管達到阻抗匹配，達到縮小整流電路尺寸的目的。
1.2 整流二極管分析
　作為整流天線的關鍵技術，整流電路的設計直接影響天線的效率，而整流二極管是整流電路的核心器件。肖特基二極管作為非線性電阻應用時,其寄生參量會對電路的性能造成影響，在微波電路設計時，應充分考慮這些寄生參量的影響[4]。
    反向擊穿電壓Vbr、零偏置結電容Cj0和串聯電阻Rs這三個參數決定二極管的整流效率[5]。為了提高二極管整流效率，參考文獻[6]研究了Rs和Cj對整流效率的影響。由于Rs和Cj對非線性結電阻起到分壓和分流的作用，Rs減小，它所消耗的能量減小，整流效率提高；Cj減小,整流效率提高，因為Cj支路的輸入阻抗變大，反向電流很難通過。同時由Rs和Cj0決定的時間常數τ(τ=Rs×Cj0)便減小。根據參考文獻[5-8],通過對二極管等效電路分析，圖3給出了利用理論公式和Matlab仿真在不同?子值下，二極管整流效率與輸入功率變化的曲線。

    因此，在選擇整流二極管時要充分考慮二極管參數對整流效率的影響，盡量選擇值比較小的二極管。
    Avago是專為工作頻率為915 MHz~5.8 GHz的應用而設計和優化的HSMS-286家族，可以完美地應用在RF到DC的轉換上[9]。本文選用Avago HSMS-2860肖特基勢壘二極管，Bv=7.0 V，Cj0=0.18 pF，Rs=5 ?贅，Vj=0.7 V。二極管的輸入管腳連接微帶線輸入，其余兩個中一個通過過孔接地，另一個接微帶線輸出端。
    整流二極管的性能是決定整流效率的關鍵因素，而整流二極管工作于大信號狀態，所以必須首先分析其非線性特性，研究工作頻率、輸入功率、直流負載等參數對整流效率的影響[10]。
    HSMS-2860通常被用于大功率信號，需要利用ADS軟件中諧波平衡仿真，來研究肖特基二級管對輸入功率變化的非線性行為。根據整流電路設計理論，首先需要確定二極管的輸入阻抗，才能進行后續的設計,尤其是匹配電路的設計。二極管輸入阻抗與輸入功率關系仿真，如圖4所示，在小輸入功率下(小于-5 dBm)，輸入功率變化時，輸入阻抗基本保持不變。當輸入功率較大(大于-5 dBm)，二極管輸入阻抗隨輸入功率的變化而顯著變化。這是由于大功率時，負載產生的環形電流與二極管自身飽和電流可比，影響了二極管的S參數。
    二極管整流效率在系統阻抗失配情況下的測量原理是，用真正進入二極管的功率作為分母，否則，失配造成的反射功率將大大降低二極管的轉換效率，使測量結果不準確。如圖5所示。

    對二極管整流電路測試，在5.75 GHz~5.85 GHz，工作頻率下輸入功率為16 dBm(矢網最大輸出功率)，負載680 ?贅整流電壓達到4.4 V，整流效率為71.2%。
    測試效率比仿真效率低，分析原因主要有以下方面：(1)電路焊接不準確，焊錫覆蓋部分信號線，對信號干擾較大，造成能量損耗;(2)SMA接頭針為較粗的圓形，焊接產生的寄生電容對整流效率影響較大;(3)濾波器微帶線間線寬相差較大，造成信號反射，線上損耗變大;(4)二極管手工焊接的粗糙和轉接頭的加入，造成部分能量的損耗。
    通過提高焊接準確性，換一針兩地的SMA接頭并在接地管腳覆蓋銅紙以減小干擾，達到最精確的測量結果。
    本文提出適用于井下無線傳感器充電的微帶整流電路設計方法，該電路尺寸小、整流效率高。通過二極管和輸出濾波器匹配，去掉匹配網絡，減小尺寸，同時也提高整流效率。通過ADS軟件進行了仿真驗證。重點分析了影響整流效率的原因并進行改進。經測試，該整流電路整流效率明顯提高，可以應用于無線傳感器能量傳輸整流電路中。
參考文獻
[1] 胡浩,孔力.一種用于微波能量傳輸的圓極化接收整流天線[J].微波學報,2008,24(3):44-17.
[2] 周正,宋宇飛.微帶線階躍阻抗濾波電路的ADS 輔助設計[J].中國新通信, 2010, 12(1): 64-66.
[3] 鄧紅雷,孔力.微帶整流天線的設計與試驗[J].電波科學學報，2008,23(2):315-320.
[4] 雷正亞,李磊,謝擁軍等.微波電子線路[M].西安: 西安電子科技大學出版社，2009.3.
[5] YOO T W, Chang Kai. Theoretical and experimental deve lopment of 10 and 35 GHz Rectennas[J].IEEE Transactions  on Microwave Theory and Techniques. 1992,40(6):1259-1266.
[6] FUJIMORI K, WAGI T, TSURUTA K. Characteristic of RF-DC conversion circuit for wirless power transmission using the low resistance GaN schottky barrier diode[J]. Proceedings of ISAP 2012,Nagoya, Japan.190-193.
[7] HAYASHINO K, HARAUCHI K, ISWASAKI Y. Analysis of loss mechanism in rectenna circuit with GaN schottybarrier diode[J].IMWS-IWPT 2012 Proceedings：179-182.
[8] 薛玉杰.無線輸能系統中整流天線的分析與設計[D].上海：上海大學,2007.
[9] Avago, Data Sheet-HSMS-286x Series, Surface Mount Micowave Schotty Detector Diodes[DB/OL].http://www.avagotech. cn/pages/cn/rf_microwave/diodes/schottky/hsms-2862/.2009-8-26/2012-12-1.
[10] 周雨微.射頻接收整流天線的研究與應用[D].廣州:廣州工業大學,2011.