0 引言

    微波無線能量傳輸(Microwave Wireless Power Transmission，MWPT)是一種以微波作為能量傳輸媒質，實現能量遠距離無線傳輸的技術，在空間太陽能站、無人飛行空中充電等領域有重大應用前景。整流電路是微波無線能量系統中重要組件^[1-2]，承擔將接收到的微波能量轉換為直流能量的任務。

    在整流電路中，抑制諧波和濾除交流是兩大重要的部分^[3-4]，低通濾波器常常被用來抑制二極管產生的高次諧波^[5]，近些年諧波抑制濾波器逐漸取代了前者^[6-8]，但是，高階諧波抑制濾波結構限制了整流效率^[9]并且電路尺寸也會偏大。在低頻的情況下，通常選擇用一個并聯的電容代替濾波部分的開路枝節，能有效地減小尺寸^[10-11]，但是在高頻的情況下，電容濾波器的插損不可忽略，直接影響到電路的整流效率^[12]。

    針對上述問題，本文設計出一種新型整流結構，既能抑制高次諧波，又減小了二極管上功率的損耗，同時擴寬了工作帶寬并縮減了尺寸，提高了寬功率范圍內的整流效率。

1 整流電路設計

1.1 基于ADS獲取二極管阻抗

    本文采用一種常用的提取二極管阻抗的方法^[13]。在ADS軟件中，先設置好實際加工中所用介質基板的參數及二極管的相關參數。其中，所選基板為RO4003C，厚度H=32 mil，介電常數E_r=3.55，損耗角正切tanD=0.002 7；負載電阻為400 Ω；二極管選用Bat15-03W(C_j0=138.5 fF，R_s=5 Ω，V_bi=0.224 V，V_br=6.4 V)。其獲取二極管阻抗的原理圖如圖1所示。

    通過Zin控件仿真得到二極管的阻抗值為35.36+j42.2 Ω。

1.2 新型整流電路匹配結構

    通過1.1節獲取的阻抗可知，虛部電抗為負，呈電容抗性。通常整流電路輸入端處的匹配網絡有一段并聯的開路微帶線用來將電路匹配到50 Ω(常稱為單枝節匹配)。該匹配方式頻帶較窄，結構較大。

    匹配電路的目的是將二極管在特定輸入功率情況下的輸入阻抗匹配到50 Ω以便與信號源匹配，使得反射減少，這樣更多的能量饋入電路以提高整流效率。通過調節二極管前端的微帶線長度，在電感抗性范圍中變化，使得二極管輸入端為一個實阻抗。再通過λ/4阻抗變換線將阻抗匹配到50 Ω。圖2為整流電路實物圖。

1.3 扇形濾波枝節的改進

    傳統低頻整流電路的直流濾波器由λ/4微帶線加并聯電容組成，它能夠很有效地抑制高次諧波，但是加入了過孔結構，出現新的寄生效應并且代價高是其缺點。

    因此本次電路的直流濾波部分選擇了同樣常見的兩個扇形開路枝節代替電容，扇形結構緊湊，具有帶阻特性。

    值得一提的是，本次設計的整流電路，從扇形開路枝節具有電容抗性的角度分析，該結構具有充放電的功能，可以使脈沖直流電改善為平滑的直流，電路能可靠地工作也進一步提高了效率。創新性地將|S₂₁|和直流紋波的平滑度同時作為直流濾波器的設計指標，調節扇形枝節的參數，讓該結構兼顧濾波與平滑紋波的功能。

    對比了改善紋波平滑度前后的電壓波形和|S₂₁|的仿真結果，如圖3所示。可以看出，扇形枝節的大小直接影響輸出的直流紋波的平滑度，由0.6 V的電壓差優化為幾乎恒定的直流電壓輸出。改善紋波平滑度后，并沒有影響其濾波能力，從濾波角度|S₂₁|結果來看：在5.8 GHz和11.6 GHz處，傳統結構|S₂₁|分別為-30.87 dB，-38.42 dB；改進后的|S₂₁|分別為-32.90 dB，-21.12 dB。改進后的扇形枝節具有更大的電容抗性，充放電的能力變強，同時兼顧了濾除基波和二次諧波的特性。

2 測試與結果分析

    首先，測試該電路在13 dBm處輸入功率的|S₁₁|，結果如圖4所示，滿足-10 dB以下的頻率范圍從5.18 GHz至7.01 GHz，相對帶寬達到30.05%，帶寬遠大于單枝節結構匹配的整流電路。

    其中，在5.8 GHz處的|S₁₁|為-21.94 dB，匹配良好，接著以5.8 GHz作為信號發生器的工作頻率，連接上電阻設置為400 Ω的整流電路，再將萬用表連接電阻兩端，讀取負載的輸出直流電壓，整流電路的微波轉直流效率(η)定義如下：

式中：V_dc是電路輸出直流電壓值，R_l是負載電阻，P_in是信號發生器輸入的微波功率。測試與仿真對比結果如圖5所示。該電路在頻率為5.8 GHz，輸入功率13 dBm時效率有最大值78.7%，由于測試時輸入功率每間隔1 dB測試一次電壓值，因此實測的曲線沒有仿真的平滑，但還是基本吻合。可以看到，輸入功率在0～16 dBm的范圍內，整流效率整體高于55%，有16 dB的功率動態范圍。

    根據該整流電路相對帶寬有30.05%的這一特點，固定最佳效率對應的輸入功率13 dBm，從5.18 GHz到7.01 GHz的駐波范圍內測試其效率，觀察其滿足70%以上效率的帶寬范圍，結果如圖6所示，在5.25 GHz至6.2 GHz內，電路的轉換效率都能夠滿足，故70%效率以上的相對帶寬為16.6%。

3 結論

    本文提出了一種匹配電路，結構緊湊，直流濾波枝節兼顧穩定紋波作用的新型微波整流電路。二極管前端串聯的微帶線抵消二極管在交流回路中的容抗，省去了單枝節匹配的部分，拓展了帶寬；扇形濾波枝節的長度調節改善了電壓紋波的平滑度，在保證結構緊湊性和基波諧波抑制的前提下，進一步提高了整流效率。實驗結果表明，在5.8 GHz工作頻率下的最高效率達到78.7%，大于70%整流效率的功率動態范圍有8 dB，大于70%整流效率的相對帶寬達到16.6%。

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作者信息:

蔡皓天，陳  星

(四川大學 電子信息學院，四川 成都610065)