刘一麟

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

随着微波无线能量传输技术的快速发展与广泛应用，实现微波整流电路的小型化已成为了一个必然研究方向[1-3]。与此同时，随着无线携能通信技术、平流层无人机/飞艇技术及空间太阳能卫星技术的发展，微波无线能量传输系统对整流电路小型化的要求也越来越高[3]。针对微波整流电路小型化所面临的一系列挑战，传统微带线结构的整流电路必须通过多层板工艺压缩电路尺寸，增加加工成本与难度的同时不利于电路散热，在高功率整流应用时存在安全隐患[4]。共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）结构的信号线与接地板共处一个平面，具备体积小、重量轻以及功率容量大的优势，平面结构使得其具有容易制作，容易实现无源和有源器件在微波电路中的串联与并联(不需要在基片上穿孔)，容易提高电路密度等优点，设计自由度更高，有利于实现微波整流电路的小型化设计[5,6]。

1 共面波导小型化整流电路基本结构

整流电路是将交流电能转换为直流电能的电子电路，负责将接收天线接收到的射频能量转换为直流能量，是整流天线中的关键组成部分，其射频-直流转换效率决定了整流天线的性能好坏。常见的整流电路有半波整流与全波整流，实际应用中，半波整流效率要优于全波整流，因此多数整流电路均是半波整流形式。半波整流电路的主要拓扑形式有串联整流、并联整流以及单桥整流，基础结构如图1所示，主要由低通滤波器、整流二极管、直通滤波器以及负载构成[7-10]。其中，低通滤波器与直通滤波器还负责二极管与前后端电路的匹配，其滤波性能决定了整流电路的整体效率。

图1 整流电路基本组成

2 共面波导小型化整流电路仿真设计

整流电路中的损耗主要来自匹配损耗和寄生参数损耗。其中，匹配损耗可以通过设计合理的匹配结构来降低，而寄生损耗主要由二极管和集总元件带入。在本文中，采用共面波导直通滤波器设计了串联二极管形式整流电路，减少了集总元件的使用，降低了集总元件封装以及焊接引入的寄生参数，提升了整流电路效率，同时降低了加工难度，实现了小型化设计。本文所设计的串联二极管整流电路主要由匹配电路、二极管以及CPW滤波器3个部分构成[11,12]。

本文提出的共面波导滤波器主要由3对L型狭缝构成。每对缝隙可看做如图2（a）所示的一个L型带阻滤波器，狭缝槽的间距主要产生电容效应，而被狭缝所分离的窄共面波导线则表现为电感特性。每对L型狭缝可以等效为一个并联的电容电感网络，可以实现其谐振频率上的传输零点，仿真结果如图2（b）所示。

图2 共面波导带阻滤波器

谐振零点主要取决于缝隙长度la，零点频率与la之间的关系为：

式中，c为真空中的光速；εr为介质板的介电常数。

CPW带阻滤波器可以蚀刻在共面波导导带上，也可以对称蚀刻在两边接地板上，将3个带阻滤波器结合，即可实现如图3所示的CPW直通滤波器。其中导带上蚀刻的两个带阻滤波器分别抑制5.8 GHz的基波与17.6 GHz的三次谐波，而两侧接地板上的带阻滤波器用来抑制11.6 GHz的二次谐波。为了减小滤波器尺寸，将尺寸最大的5.8 GHz带阻滤波器进行弯折处理，直通滤波器细节尺寸如图3所示，单位为mm。

图3 共面波导直通滤波器及仿真S参数与等效电路

ADS仿真结果显示，在基波、二次谐波以及三次谐波处的反射系数分别为-0.34 dB、-0.63 dB以及-0.82 dB，而直流分量可以顺利通过滤波器，滤波器性能良好。不同于微带整流电路的仿真，ADS软件中并没有集成的共面波导元件，因此需要场线联合仿真来设计电路。通过在ADS Momentum仿真器或HFSS中自建CPW元件，电磁仿真后，将仿真得到的S参数封装为元件，再在原理图中联合仿真优化的方式设计CPW整流电路，最终的联合仿真原理图与版图如图4和图5所示。

图4 整流电路ADS仿真原理图

图5 整流电路版图

为了电路整体的良好匹配，在二极管与CPW直通滤波器以及二极管与输入端口间各加入一段匹配线，通过优化两端匹配线的特性阻抗与等效电长度，即可实现整流电路的匹配。整流电路性能随频率和输入功率变化的仿真结果分别如图6和图7所示，整流电路最佳转换效率为75.26%。

图6 整流电路性能随频率变化结果

图7 整流电路性能随输入功率变化结果

整流电路的直流回路由两个并联接地的村田电感提供，以使得电路正常工作。值得注意的是，实物调试过程中可小幅调节电容容值与焊接位置，以提高整流电路效率。

3 共面波导整流电路测试与分析

图8为整流电路实物图。电路加工采用F4B-350聚四氟乙烯玻璃纤维单面覆铜板，介质板厚度为0.5 mm，介电常数为3.5，损耗角内切值为0.003 5，表面覆盖的铜箔厚度选为0.018 mm，电路板总重0.43 g，总面积为 0.43λ0×0.24λ0，其中λ0为电路工作频率 5.8 GHz所对应的自由空间波长，天线面密度为0.158 g/cm2。

图8 整流电路实物图

电路测试系统框架如图9所示，采用Agilent E8267C矢量信号源输出射频能量，通过同轴传输线传输到待测整流电路，使用FLUKE万用表测量作为负载的电阻箱两侧的直流输出电压。

图9 整流电路测试系统框架图

实际测试中，射频输入信号与直流输出间的转换效率为：

式中，PDC为整流获得的直流功率；PRF为输入的射频信号；UDC为负载两端的直流输出电压；RL为直流负载。

采用图9搭建的实验系统测试倍压整流电路的整流效率，测试结果如图10所示。信号源输入功率调节范围为17～20 dBm，变阻箱调节范围为100～1 400 Ω，图10（a）是不同输入功率下，整流转换效率随直流负载的变化情况，图10（b）是在不同输入功率下，直流输出随直流负载变化情况。从图10中可以看到，最佳整流转换效率为67.48%，此时对应的输入功率为20 dBm，直流负载为500 Ω。另外，在其他几个输入功率点也分别出现了对应曲线的最大值，输入功率越小，对于的最佳直流负载越大。

图10 整流电路测试结果随输入功率与直流负载变化关系

电路实测效率略低于ADS仿真效率，这是由于电路仿真为理想状态，对电路中的不连续性结构以及集总元件封装焊接带入的寄生参数考虑不充分。同时加工与实测中存在误差，也会影响整流电路效率。

4 结 论

本文介绍了微波整流原理，根据ADS软件仿真方法，设计了工作在5.8 GHz的共面波导小型化整流电路，实际加工并进行了测试。该整流电路最佳整流转换效率为67.48%，在输入功率17～20 dBm，负载400～700 Ω之间，电路整流转换效率大于60%。电路实测效率低于ADS仿真效率，这是由于电路仿真为理想状态，对电路中的不连续性结构考虑不充分，同时加工与实测中存在误差，也会影响整流电路效率。测试结果验证了设计方法的可靠性，为共面波导结构的整流电路设计提供了方向性指导。