一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路

1.本实用新型属于整流电路技术领域，具体涉及一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路。


背景技术：

[0002]“智慧家居”和“智能城市”与任何人、任何物之间依赖大量的电子设备实现生活的智能化、信息化以及互联互通。这些电子设备受制于体型和重量的制约，无法将较大容量的电池内置于机身，由于使用容量较小的电池，电池无法提供设备长时间的使用成为了面临的一个问题。自供电系统是一种可替代的方法，借助于无线电波从射频(rf)环境中提取能量，转换为可用的直流电压，从而解决设备能量供应的关键问题。
[0003]
微波无线能量传输(microwavewireless power transmission，mwpt)技术受空间、环境限制少，具有可持续、环保、适用性广等优点，在空间太阳能电站、无线传感器网络、植入式医疗设备、智能可穿戴设备、无人机空中充电等军事和民用领域具有重大的应用前景。微波无线传能系统主要由微波源、发射天线、接收天线和整流电路四个部分组成。整流电路是微波无线能量传输中的重要组件，其基本构成如附图1所示，主要包含输入滤波器、整流二极管、直流滤波器和直流负载，整流电路将天线接收到的微波能量转换为直流能量，将转换为直流能量的能力称为整流效率或转换效率，定义为输出的直流功率与接收的微波功率之比。现有的整流电路转化率较低，为了提高射频能量收集系统的转换率，本技术提供一种具有谐波抑制功能的二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，可以实现小型化和高转化效率。
[0004]
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目的是在于提供一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，以实现小型化和高转化效率。
[0006]
为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
[0007]
一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，包括：一个具有宽阻带的低通滤波器、一个肖特基二极管、终端短路微带线和一个直流滤波匹配电路；所述低通滤波器的输入端连接信号源输出，其输出端连接1个隔直电容；所述隔直电容的输出端连接所述肖特基二极管；所述肖特基二极管型号为hsms-286c，由两个并联的hsms-2860二极管组成；其中，一个hsms-2860二极管连接直流滤波匹配电路，另一个hsms-2860二极管连接终端短路微带线；所述直流滤波匹配电路与整流输出端负载之间还设有谐波抑制网络。
[0008]
作为优选，中心频率f设置为5.8ghz。
[0009]
作为优选，信号源输入阻抗与二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载和
二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载加二极管的自身阻抗与整流输出端的负载电阻进行匹配。
[0010]
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
[0011]
(1)本实用新型的二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，采用hsms285肖特基二极管串联在微带线上，微带线在基频补偿二极管电容阻抗，形成开路阻断二次谐波，可以增强功率循环，有效提高整流效率。
[0012]
(2)本实用新型的二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，直流输出端的改进型谐波抑制网络把输入滤波器和输出滤波器中共有的高次谐波抑制部分整合到二极管输出端，从而把高次谐波抑制在二极管与谐波滤波器之间，来消除二极管非线性产生的基频和高次谐波，避免射频回流，使得整体结构更紧凑，损耗更小，从而有效提高整流效率。
附图说明
[0013]
图1是常规整流电路的具体整流结构示意图；
[0014]
图2是二极管自身阻抗随功率变化曲线图；
[0015]
图3是本实用新型的多节传输线匹配的整流电路结构框图；
[0016]
图4是本实用新型的整流电路的配置图；
[0017]
图5是不同负载对应的整流效率随输入功率变化曲线图；
[0018]
图6是整流电路的仿真曲线图；
[0019]
图7是整流天线转换效率测试系统示意图；
[0020]
图8是整流电路回波损耗仿真与实测对比图。
具体实施方式
[0021]
下面对本实用新型专利的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域所属的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0022]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。
[0023]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域所属的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0024]
参照附图，一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，包括：一个具有宽阻带的低通滤波器、一个肖特基二极管、终端短路微带线和一个直流滤波匹配电路；所述低通滤波器的输入端连接信号源输出，其输出端连接1个隔直电容；所述隔直电容的输出端连接所述肖特基二极管；所述肖特基二极管型号为hsms-286c，由两个并联的hsms-2860二极
管组成；其中，一个hsms-2860二极管连接直流滤波匹配电路，另一个hsms-2860二极管连接终端短路微带线；所述直流滤波匹配电路与整流输出端负载之间还设有谐波抑制网络。其中，中心频率f设置为5.8ghz；信号源输入阻抗与二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载和二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载加二极管的自身阻抗与整流输出端的负载电阻进行匹配。
[0025]
在本实施例中，采用hsms-286肖特基二极管串联在微带线上，微带线在基频补偿二极管电容阻抗，形成开路阻断二次谐波，增强功率循环，从而有效提高整流效率。本实施例中的微波整流电路结构紧凑，在输入功率为17dbm，直流负载为680ω时，电路仿真测试的rf-dc转换效率为60.9％；电路加工后实测在传输距离为1米处的实际输出电压为1.003v，调整通信距离输出的电压对应发生变化，最大输出电压可达到4.249v。实测结果与仿真结果较为吻合，在输入功率10-20dbm的范围内，整流效率均在50％以上。
[0026]
常规整流电路的具体整流结构如附图1所示，由交流滤波匹配网络、整流二极管、低通滤波器、负载电阻四部分组成。为了使天线和整流电路之间的功率传递达到最大，需要一个匹配的网络。
[0027]
二极管在大功率输入下呈现非线性特点，二极管的输入阻抗会随着输入功率的变化而变化。微波源为5.8ghz时输入阻抗为50ω，当输入功率(pin)为17dbm时测得二极管的自身阻抗是71.082-j4.44ω。考虑放一个二极管自身阻抗曲线图，电容电阻负载和功率的一个变化曲线图如附图2所示。
[0028]
为了实现小型化和高转换效率，设计出新型的终端短路微带线的多节传输线整流电路，如附图3所示。电路分为parta、partb、partc、partd四部分，由一个低通通滤波器、一个终端短接微带线匹配、一个直流滤波匹配电路和一个谐波抑制网络组成。
[0029]
中心频率f设置为5.8ghz。枝节一匹配：将输入与二极管匹配；枝节二匹配：输出端负载和二极管匹配，枝节a部分50ω与71.082-j4.44ω匹配，71.082-j4.44ω加二极管的自身阻抗为枝节b的输入阻抗，与整流输出端的负载电阻进行匹配。
[0030]
为了验证上述阻抗匹配过程，和精准的匹配效果，获取更高的转换效率，使用ads2021仿真软件对电路进行原理图-版图联合仿真。整流电路选用的介质板是rogers4350b材料，其介电常数为3.48，损耗角为0.017，厚度为1.524mm。
[0031]
如附图4所示，整流电路由隔直电容c1、两个并联的肖特基二极管hsms-286c、直流滤波电容c2、低通滤波器的谐波抑制网络、负载电阻组成。设计中，电容器c1为60pf，c2为22；电流输出的负载rload为680ω。肖特基二极管hsms-286c由两个并联的hsms-2860二极管组成。
[0032]
整流效率是整流电路最重要的一个指标，是将射频能量转换为直流功率的能力体现。具体的无线传能整流效率通过下面公式计算获得：
[0033][0034]
其中：p
out
为直流输出功率；p
in
为射频输入和功率；v
out
为直流输出电压；r
l
为负载电阻。
[0035]
为了进一步增强整流器在宽输入功率范围内工作的能力，附图5比较了rf-dc转换效率在不同负载下变化曲线。
[0036]
从图中可以看出，负载为200ω时，最大的rf-dc转换效率40％出现在输入功率17dbm时。负载为600ω时，最大的rf-dc转换效率60.5％出现在输入功率17dbm时。
[0037]
通过以上比较可以得到结论，输出直流功率主要取决于输出电压和输出负载，整流电路的输出负载是影响整体功率效率的关键参数之一。可以调整电路负载，以增加和提高预定义输入功率范围的电路效率。
[0038]
整流电路的仿真曲线如附图6所示，可以看出，在5.8ghz频率，s11达到-24.9db，整流电路与微波源实现了较好地匹配。s11《-15db的带宽为200mhz(5.75-5.95ghz)。
[0039]
实际加工测试时，将ads软件中的整流电路转换成.dxf文件，并导入altium designer软件中进行敷铜等操作，得到整流电路得到整流电路实物，整流器的尺寸为60mm
×
55mm。
[0040]
微波整流天线作为一个整体，需要将天线和整流电路统一起来进行测试。完整的微波整流天线测试系统主要包括：信号源、功放、发射天线、待测整流天线、直流负载和测试仪器，具体的整流电路转换效率测试结构示意图如附图7所示。
[0041]
实际测试环境中采用keysight的n5171b作为信号源，其与5.8g喇叭天线通过sma连接器相连；接收端采用同频的喇叭接收天线和带有复杂匹配网络的整流电路通过sma转换头相连，直流电压通过电压表在电阻负载(680ω)上测量。
[0042]
使用agilent n9960a手持式微波频谱分析仪对整流电路进行测试，整流电路回波损耗的测量结果与仿真结果如附图8所示，在5.8g处整流电路实测回波损耗为21.2db，测量结果与仿真结果吻合良好。
[0043]
针对射频能量收集系统在低功率情况下收集效率低等问题，本实用新型设计了一种工作在5.8ghz频段的环境射频能量收集电路。为了实现天线输入阻抗与倍压整流电路和负载相匹配，提出一种将整流电路拆分成4部分的改进型阻抗压缩匹配网络。其次，实施例中通过仿真软件对电路进行仿真，仿真结果表明，设计的整流器在输入功率为17dbm时的最大rf-dc转换效率达到60.3％，电路加工后实测在传输距离为1米处的实际输出电压为1.003v，调整通信距离输出的电压对应发生变化，最大输出电压可达到4.58v。本实用新型设计的小型化整流电路可用于小型化设备如无线传感器、射频识别卡、管道微机器人等微系统的供能。
[0044]
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，其特征在于，包括：一个具有宽阻带的低通滤波器、一个肖特基二极管、终端短路微带线和一个直流滤波匹配电路；所述低通滤波器的输入端连接信号源输出，其输出端连接1个隔直电容；所述隔直电容的输出端连接所述肖特基二极管；所述肖特基二极管型号为hsms-286c，由两个并联的hsms-2860二极管组成；其中，一个hsms-2860二极管连接直流滤波匹配电路，另一个hsms-2860二极管连接终端短路微带线；所述直流滤波匹配电路与整流输出端负载之间还设有谐波抑制网络。2.根据权利要求1所述的二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，其特征在于，中心频率f设置为5.8ghz。3.根据权利要求1所述的二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，其特征在于，信号源输入阻抗与二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载和二极管自身阻抗匹配；低通滤波器的输出端负载加二极管的自身阻抗与整流输出端的负载电阻进行匹配。

技术总结
本实用新型属于整流电路技术领域，具体涉及一种二极管串联带阻的多节阻抗变换微波整流电路，包括：一个具有宽阻带的低通滤波器、一个肖特基二极管、终端短路微带线和一个直流滤波匹配电路；所述低通滤波器的输入端连接信号源输出，其输出端连接1个隔直电容；所述隔直电容的输出端连接所述肖特基二极管；所述肖特基二极管型号为HSMS-286C，由两个并联的HSMS-2860二极管组成；其中，一个HSMS-2860二极管连接直流滤波匹配电路，另一个HSMS-2860二极管连接终端短路微带线；所述直流滤波匹配电路与整流输出端负载之间还设有谐波抑制网络。本实用新型可以实现小型化和高转化效率，具有较好的市场应用前景。的市场应用前景。的市场应用前景。


技术研发人员：黄艳虎 梁家军 何鹏 陈谦 冯林平 覃江坡 林宗晟
受保护的技术使用者：玉林师范学院
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/7/20