商 锋， 郭根武

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

2.45 GHz微波整流电路设计

商 锋， 郭根武

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

为了将2.45GHz微波能量转换为直流能量，采用二极管结合微带线结构设计出一个微波整流电路。用微波电路仿真软件ADS 2011对电路进行仿真及优化，其微波-直流转换效率仿真结果可以达到80%以上。对实物加工和测试，其实际转换效率可以达到65%以上。由于该整流电路具有小型化、高转换效率特点，可用于微波输能(MPT :Microwave Power Transmission) 系统。

微波整流；转换效率；微波输能

微波输能以微波为载体实现能量的无线传输，拓展了微波作为信息载体的功能，其系统涉及微波的多个研究领域,包括微波功率发生器、空间功率合成、波束控制、接收天线、微波整流电路、整流天线组阵技术等[1]。自W.C.Brown于1964年提出微波输能至今已经发展50年，欧美和日本等国将微波输能作为空间太阳能电站的一项关键技术，开展了大量的理论与实验研究[2]。我国的微波输能最早由林为干院士引入并进行了相关讨论，如今已有多家高校和科研院所进行研究和探索。除了太阳能电站，微波输能还可以应用于无线传感网、射频识别等领域[3]。

作为微波输能系统中的关键部分微波整流电路，用于将微波能量转化为直流能量以供后端系统直接使用。其研究主要集中在ISM(Industrial, Scientific and Medical)公用频段，如2.45 GHz和5.8 GHz，其中2.45 GHz微波整流电路能够提供更为实用的直流输出电压以及更大的功率容量。目前很多的微波整流电路的研究已经可以达到很高的转换效率，但考虑实际接收天线阵列，由于其每个单元接收的功率不同，而且由于微波整流电路的转换效率与输入功率、直流负载紧密相关[4]，因此要求电路在一定动态范围的输入功率和直流负载下均有很高的转换效率。本文所设计的电路在输入功率16～25 dBm，负载为1 000～6 000 Ω的范围内均可以达到很高的效率。

1 电路设计原理

微波整流电路结构如图1，一般包括：输入滤波器、微波整流二极管、输出滤波器、阻抗匹配电路和负载。

图1 整流电路原理

1.1 二极管的选择

在整个微波整流系统中，微波二极管是最关键的元件。二极管的参数影响着电路的尺寸和系统的总体转换效率。通过对转换效率和二极管输入阻抗的分析可以得出：减小二极管的零偏置结电容Cj0，增大二极管串联电阻Rs，可以一定程度上提高整流效率，但同时也增大了二极管的电阻损耗[5]；另外，还要尽量选择反向电压大的管子，反向电压大的管子所能允许的输入功率就越大，这样就能减少天线单元分组的数量，即减少整流电路数量，进而减少直流合成带来的功率损耗，从而降低了整个系统的复杂度，提高效率。所以在选择二极管时，主要考虑它的零偏置结电容Cj0、串联电阻Rs、反向击穿电压Vbr[6]。

目前整流电路的研究中采用的二极管有AgilentHSMS-285x、Agilent HSMS-286x、MA4E1317，或者选择功率容量大的GaAs、GaN等晶体管；本文兼顾管子的功率容量、整流效率、可靠性等因素，最终选择Avago的肖特基HSMS-282c二极管，其封装形式为SOT-323[7],主要参数

Bv=12 V,Cj0=0.7 pF,Rs=6 Ω,Ibv=0.1 mA。

结构示意图如图2。

图2 二极管结构

1.2 输入和输出滤波器的设计

输入低通滤波器在整流电路中主要实现反射二极管所产生的高次谐波的功能，在实现这一功能的同时也滤除了来自微波接收天线的除基频成份外的其它频率分量。滤波器的设计方法有很多，本文选用集成度较高的阻抗阶跃滤波器。为了与天线的输入阻抗保持一致，其输入和输出阻抗都取为50 Ω。

输出滤波器的设计两种：一种是输入滤波器只让基波无耗通过，阻止高次奇次谐波通过，同时输出滤波器不仅让直流通过，还允许高次偶次谐波无耗通过，而阻止基波和高次奇次谐波通过。这样高次奇次谐波被限制在输入、输出滤波器之间，以提高二极管的整流效率；另一种是输入滤波器只让基波无耗通过，阻止高次谐波通过，同时输出滤波器只允许直流通过，阻止基波和高次谐波通过，这样高次谐波被限制在输入、输出滤波器之间，以提高二极管的整流效率[8]。输出滤波器还有一个很重要的功能就是提高所输出直流的平稳度。

目前的输出滤波器设计多采用λ/4微带线与射频电容并联实现，这样的结构由于存在集总元件而引入寄生效应对效率产生影响，本文用等效的短节线将电容替代，并与λ/4微带线串联，从而阻止高次谐波通过，然后通过ADS调节微带线特征阻抗Z0的大小及微带线的长度l进一步优化设计。

1.3 匹配网络的设计

二极管的输入阻抗是随着频率及输入电平大小的变化而变化的，所以匹配网络也只能在一定输入功率范围内的基频上实现匹配。整流电路设计原理不同，所采用的匹配网络的方法也不同，匹配方法有枝节匹配、在波节点处接入λ/4微带线进行阻抗匹配、采用λ/4和λ/8阻抗变换线进行匹配等几种方式。但不管采用哪种方法，都是先保证从二极管端看向负载端的阻抗为纯电阻，然后再进行阻抗匹配。微波接收天线和整流电路间良好的匹配不仅能使整流电路进行最大功率传输，同时能提高整流效率。本文多采用λ/4阻抗变换线匹配。

2 电路仿真分析

用ADS2011原理图仿真步骤如下。

(1)根据设计原理分别设计输入、输出滤波器。

(2)根据输入滤波器的输出阻抗及从二极管端看向负载的输入阻抗进行匹配网络的设计。

(3)把微波接收天线用一个内阻为50 Ω的功率源代替，分别把功率源、输入滤波器、匹配网络、二极管、输出滤波器、负载依次连接，从而对整个整流电路进行仿真。

原理图仿真可通过改变微带线的长度及宽度来优化仿真结果，通过对输入功率和负载的扫描，找到使整流效率达到最高的负载及输入功率的值。由于理想的ADS仿真模型会造成工作频率偏移和阻抗失配,使得实际测试效率很低。为了使仿真结果与实际更接近，原理图仿真之后需再进行原理图-版图联合仿真(co-simulation)。又由于二极管的非线性，在大信号下会产生高次谐波，所以在对整流电路进行原理图仿真时要采用大信号S参数(LSSP)仿真和谐波平衡(HB)仿真。

本文设计的整流电路采用二极管串联的连接方式，电路基片介电常数εr为2.65、厚度h为1.0 mm、导带铜厚t为0.038 mm、损耗角正切tanδ为0.002、最高谐波仿真次数为10次。

仿真原理如图3所示。

图3 仿真原理

联合仿真原理如图4所示。

图4 联合仿真原理

经过优化当RL=3 494 Ω，输入功率Putin=23.4 dBm时，整流电路转换效率最高可以达到η=84%；当RL=3 494 Ω，输入功率Putin从16 dBm到25 dBm变化时，整流电路转换效率η随Putin的变化曲线如图5所示。

图5 效率随输入功率变化曲线

当Putin=23.4 dBm，负载RL在1 000～6 000 Ω变化时，效率η随负载Rl的变化曲线如图6。

图6 效率随负载变化曲线

由仿真结果得出：当RL=3 494 Ω，输入功率Putin从16 ～ 25 dBm变化时，转换效率η会随着输入功率Putin递增，直到达到最大值开始下降。这是因为二极管工作在非线性区域，内部会激励出很强的高次谐波，随着输入功率的不断提高，二极管两端电压的峰值也在不断增大，整流效率也将递增，直到两端电压增大到二极管的击穿电压Vbr时，二极管的整流效率将会急剧下降；当Putin=23.4 dBm，负载RL在1 000～6 000 Ω变化时，只有负载RL=3 500 Ω左右时时，转换效率η会比较高；另外对于以上两种情况，整流电路的转换效率η均在60%以上。

3 实验测试结果分析

测试方法是：输入端用罗德与施瓦茨(RS)公司的SML03信号源来代替微波接收天线，提供测试所需要的2.45 GHz的微波信号Pin；输出端利用万用表电压档测量负载RL两端的电压V，也可用万用表电流档来测流经负载的电流，经过测试比较发现测电压和测电流得到的转化效率是一致的，但选用测电压来得到输出端的直流功率操作较为简单；负载选用3 296 W可变电阻器，便于测量不同负载的电压，然后计算微波整流电路的射频-直流转换效率

(1)

HSMS-282c二极管串联整流电路实物照片如图7所示,尺寸为120 mm × 30 mm。

图7 电路实物照片

图8是当RL=3 494 Ω，输入功率在16～21 dBm之间变化时，整流效率η随输入功率Putin变化曲线，可以看出当输入功率为21 dBm时，整流效率达到最大值，约为65.3%。由于受信号源最大输出功率的限制，未能测得输入功率在21 dBm以上时整流电路的转换效率。但根据曲线的走势以及仿真结果可以得出整流效率η会随输入功率Putin的增加而继续提高，直到达到最大值开始下降。

图8 效率随输入功率变化曲线

图9是当输入功率为21 dBm时，负载在1 000～6 000 Ω之间变化时，整流效率η随负载RL的变化曲线，可以看出当RL=3 500 Ω左右时，整流效率最高约为65%，然而负载RL在1 000～6 000 Ω变化时，效率均在50%以上；由此可见，整流电路的转换效率受终端负载大小的影响，存在最佳负载。

图9 效率随负载变化曲线

4 结束语

采用二极管结合微带线设计的微波整流电路，通过ADS2011分析优化，并进行了实际加工与测试，最终得到的电路工作在2.45 GHz，一定动态范围的输入功率和直流负载下均可达到很高的转换效率，可用于微波输能系统。在实测中发现二极管存在个体差异性，又由于仿真软件ADS中使用的二极管模型是线性等效模型，因此为使仿真结果与实际测试结果更接近，接下来可以研究怎样建立整流二极管的大信号模型，进一步优化电路，提高整流效率。

[1] 张彪,刘长军,江婉,等.一种基于肖特基二极管的大功率微波整流电路[J].电子学报，2013,41(9):1054-1057.

[2] 杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展[J].电波科学学报，2009,24(4):770-779.

[3] 吕艳青,杨雪霞,周鋆.一种用于微波输能的小型化整流电路[J].应用科学学报，2011,29(5):508-511.

[4] 高艳艳,杨雪霞,周建永.一种小型化的高效率微波整流电路分析与设计[J].上海大学学报，2011,17(1):64-67.

[5] Ladan S, Ghassemi N, Ghiotto A, et al. Highly Efficient Compact Rectenna for Wireless Energy Harvesting Application[J]. IEEE Microwave Magazine，2013,14(1):117-122.

[6] Hansen J, Chang K. Diode Modeling for Rectenna Design[C]//Antennas and Propagation (APSURSI), 2011 IEEE International Symposium on. IEEE, 2011: 1077-1080.

[7] 罗俊, 何其娟, 刘长军. 一种 2.45 GHz 微波二极管整流电路[J]. 信息与电子工程, 2008, 6(1): 14-16.

[8] 邓红雷. 微波输电基本理论及接收整流天线的研究[D].北京:中国科学院研究生院,2005:58-80.

[责任编辑:孙书娜]

Design of 2.45 GHz microwave rectifying circuit

SHANG Feng, GUO Genwu

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A microwave rectifying circuit with adopted structure of combining microstrip with diode is designed in this paper to convert 2.45 GHz Microwave power into Direct Current (DC) power. The circuit is simulated and optimized with the software ADS 2011. Simulation result shows that the Microwave-DC conversion efficiency is more than 80%. The actual conversion efficiency is more than 65% when processing and testing the circuit. The rectifying circuit has advantages of compact structure, high conversion efficiency, and therefore can be applied to Microwave Power Transmission system (MPT).

microwave rectifying, conversion efficiency, microwave power transmission(MPT)

2014-08-13

商锋 (1966-)，男，硕士，教授，从事天线理论与工程的研究。E-mail:476436868@qq.com 郭根武(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为天线理论与工程。E-mail:15109247934@163.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.016

TN313+.5

A

2095-6533(2015)01-0080-04