915 MHz功率自適應(yīng)平面印刷整流電路設(shè)計與實驗

陸佳駿，楊雪霞，狄陸褀

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200444）

915 MHz功率自適應(yīng)平面印刷整流電路設(shè)計與實驗

陸佳駿，楊雪霞，狄陸褀

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200444）

提出了一種工作在低輸入功率環(huán)境下的具有功率自適應(yīng)功能的915 MHz整流電路.該整流電路適用于較寬的輸入功率環(huán)境,利用一個場效應(yīng)管作為自適應(yīng)開關(guān),根據(jù)輸入功率的大小切換整流電路工作模式,使其能夠在一個較寬的輸入功率范圍內(nèi)高效整流.該電路輸入端使用雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)將二極管輸入阻抗匹配至50 ?,輸出端并聯(lián)一電容作為直通濾波器,使得輸出功率平穩(wěn).仿真結(jié)果表明：在-16～4 dBm的輸入功率范圍內(nèi),整流效率高于40%,最高轉(zhuǎn)換效率為66.2%.實測最佳工作頻率有所偏移,最高轉(zhuǎn)換效率為47.5%.可見該整流電路采用簡單的平面印刷電路工藝,易集成,可用于環(huán)境電磁能量收集.

整流電路；轉(zhuǎn)換效率；自適應(yīng)；功率范圍

自20世紀(jì)60年代以來微波輸能技術(shù)得到關(guān)注，尤其是在高功率場合，如太陽能衛(wèi)星、微波驅(qū)動無人機等［1-2］.近年來，隨著無線通信的發(fā)展，周圍生活環(huán)境中充滿著不同頻率的微波能量，微波輸能技術(shù)在低功率應(yīng)用方面的研究成為熱點.整流電路是微波輸能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它將收集到的環(huán)境中的電磁能量轉(zhuǎn)換為直流，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）和射頻識別（radio frequency identification，RFID）等電子設(shè)備供能［3-4］，從而大大增加這些系統(tǒng)中電池的使用壽命.

從目前的研究成果來看，整流電路在高于17 dBm的較窄的輸入功率范圍內(nèi)可以得到70%～80%的整流效率，一旦輸入功率超出相應(yīng)的最佳工作范圍，整流效率就會急劇下降［1-2,5-6］.而通常周圍環(huán)境中的微波功率值很低，變化范圍較大，故在收集周圍能量時整流電路需要在較寬的低輸入功率工作范圍內(nèi)具有一定的MW-DC轉(zhuǎn)換效率.

為了拓寬整流電路的輸入功率工作范圍，文獻(xiàn)［7］提出了一種工作在1.8 GHz的4支路整流電路，通過選擇不同支路來適應(yīng)不同的輸入功率，在-8～30 dBm的輸入功率范圍內(nèi)得到40%以上的整流效率；文獻(xiàn)［8］采用兩個整流器的串并可重構(gòu)方案，設(shè)計了一種工作在2.4 GHz的整流電路，在2～10 dBm的輸入功率范圍內(nèi)整流效率高于40%；文獻(xiàn)［9］采用可重構(gòu)電荷泵式整流電路，其工作頻率為868 MHz，在-11～2 dBm的輸入功率范圍內(nèi)整流效率高于40%.以上3種整流電路都采用CMOS集成電路技術(shù)，實現(xiàn)了寬輸入功率范圍內(nèi)的整流，但由于整個電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，即必須加入功率檢測器、比較器、開關(guān)控制電路等附加結(jié)構(gòu)，故在設(shè)計和制造方面難度增大.

文獻(xiàn)［10］提出了一種工作在915 MHz的結(jié)構(gòu)緊湊的倍壓式整流電路，輸入功率在6～22 dBm范圍內(nèi)，整流效率高于40%，這種倍壓整流電路不適用于低功率環(huán)境.文獻(xiàn)［11］設(shè)計了一個工作在100 MHz的整流器，利用場效應(yīng)管控制并聯(lián)型整流電路的方法，在-14～21 dBm的輸入功率范圍內(nèi)整流效率高于50%，但是該整流器需由5個二極管、2個場效應(yīng)管、3個電容和1個電感組成，過多的集總元件導(dǎo)致其在微波頻段匹配效果較差.

本工作提出了一種915 MHz場效應(yīng)管控制串聯(lián)型整流電路，該整流電路在低功率環(huán)境中工作，擁有較寬輸入功率工作范圍.另外由于其結(jié)構(gòu)簡單，采用的印刷電路板（printed circuit board，PCB）工藝易于集成，故適用于環(huán)境電磁能量的收集利用.

1 整流電路設(shè)計

圖1為整流電路原理圖，其設(shè)計工作頻率為915 MHz.從輸入端至輸出端依次為雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)、整流二極管D1和D2、N溝道結(jié)型場效應(yīng)管FET和電容，其中電容是作為直通濾波器來濾除高次諧波.該電路結(jié)構(gòu)采用二極管串聯(lián)形式，因為這種結(jié)構(gòu)更適用于0 dBm以下的低功率環(huán)境.整流二極管D1型號為HSMS-2850，其導(dǎo)通電壓為0.15 V，擊穿電壓為3.8 V，適用于低功率范圍；整流二極管D2型號為HSMS-2860，其導(dǎo)通電壓為0.35 V，擊穿電壓為7 V，適合較高功率范圍.這兩種型號的二極管都可用于915 MHz的工作頻率.

圖1 整流電路原理圖Fig.1 Schematic of rectifier

型號為NE3210S01的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用作自適應(yīng)開關(guān)，與D2并聯(lián)，其夾斷電壓為-0.7 V，其絕對值大于D2的導(dǎo)通電壓，小于D1的擊穿電壓，因而能夠在兩種二極管的特定工作范圍內(nèi)實現(xiàn)電路的模式切換，使得整流電路能夠在一個較寬的功率范圍內(nèi)保持高而穩(wěn)定的MW-DC轉(zhuǎn)換效率.柵極與源極之間的反向偏壓VGS值控制場效應(yīng)管的通斷，場效應(yīng)管的源極S接直流負(fù)載，柵極G接地，漏極D接于D1與D2之間.兩種工作模式如圖2所示.

圖2 整流電路工作模式Fig.2 Working modes of rectifier

當(dāng)輸入功率較低時，直流負(fù)載上的電壓較低，VGS接近于0，場效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于D2被短路，只有D1正常工作，整流電路工作在低功率狀態(tài)，此時即為模式1；隨著輸入功率不斷升高，直流負(fù)載上的電壓值不斷增大，當(dāng)達(dá)到場效應(yīng)管的夾斷電壓后，場效應(yīng)管處于斷開狀態(tài)，電流從D2流過，整流電路工作在較高功率狀態(tài)，即模式2.該整流電路通過直流負(fù)載上的電壓控制場效應(yīng)管的通斷，可以自適應(yīng)地切換工作模式，從而拓寬整流電路的輸入功率工作范圍.

為了使整流電路在915 MHz頻率下在較寬的輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，本工作設(shè)計了一個雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)（見圖3）.雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)由兩段串聯(lián)微帶線T1、T2，并聯(lián)開路微帶線T3和并聯(lián)短路微帶線T4組成，其中T4通過過孔與地相連，T0是一段50 ?微帶線，與小型A型（sub-minature-A，SMA）射頻接頭或接收天線連接.通過合理調(diào)節(jié)各段微帶線長度，可以使輸入阻抗在較寬的輸入功率范圍內(nèi)得到較好的匹配.

圖3 雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Double-stub matching network

與單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)相比，雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)縮短了輸入端至二極管之間微帶線的長度，減小了電路尺寸，其原理如圖4所示.圖4（a）顯示單枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配過程，其中從源點S到A點完全依靠一段長微帶線進行轉(zhuǎn)換，再通過并聯(lián)短路微帶線將阻抗變換至匹配點O.圖4（b）顯示雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配過程，即阻抗先通過微帶線T1變換至B點，然后通過開路枝節(jié)T3變換至C點，再通過微帶線T2變換至D點，最后通過短路枝節(jié)T4變換至匹配點O.通過比較兩種匹配網(wǎng)絡(luò)的史密斯圓圖可以發(fā)現(xiàn)，雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)開路微帶線能有效縮短連接二極管和輸入端口的阻抗變換微帶線的長度，從而減小電路尺寸.為了進一步減小電路尺寸，對T1進行彎折和微調(diào)，也能得到較好的匹配效果.

圖4 阻抗匹配的史密斯圓圖Fig.4 Smith charts of impedance matching

2 整流電路仿真結(jié)果

整流電路采用Agilent ADS（advanced design system）2011軟件進行仿真和分析，介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65，厚度為0.8 mm，損耗角正切為0.001，作為直通濾波器的電容值為47 pF.雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)幾何參數(shù)列于表1.在負(fù)載為2 000 ?，輸入功率在-20～20 dBm范圍內(nèi)變化時，仿真得到的電路輸入阻抗Zin值如圖5（a）所示，相應(yīng)的S11隨輸入功率的變化情況如圖5（b）所示.由圖5可知，在-18～5 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，輸入阻抗實部在30～60 ?之間變化，虛部在-j20～+j20 ?之間變化，對應(yīng)的S11小于-10 dB，實現(xiàn)了較寬輸入功率范圍內(nèi)的阻抗匹配，便于與接收天線集成.

表1 匹配網(wǎng)絡(luò)幾何尺寸Table l Dimension of matching networkmm

圖5 仿真電路特性隨輸入功率的變化Fig.5 Simulated characteristics of rectifier versus input power

在ADS電路圖仿真的基礎(chǔ)上進行版圖仿真，得到的RF-DC整流效率與輸出電壓隨輸入功率的變化曲線如圖6所示.

圖6 仿真整流效率與輸出電壓隨輸入功率的變化Fig.6 Simulated conversion efficiency and output voltage versus input power

從圖6中可以看到，在輸入功率為-6和1 dBm處有兩個效率峰值，分別為66.2%和64.5%.在這兩個輸入功率值之間的-3 dBm處有一個效率谷值，在該輸入功率處的輸出電壓為0.76 V，恰好對應(yīng)場效應(yīng)管的夾斷電壓，說明此時場效應(yīng)管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)，HSMS-2860開始工作，電路切換到模式2，因此效率又開始上升.仿真結(jié)果曲線證實了自適應(yīng)整流電路設(shè)計的有效性.

仿真結(jié)果顯示，在-16～4 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，整流效率都高于40%，最高效率為66.2%，該點的輸入功率為-6 dBm.負(fù)載上的直流電壓隨著輸入功率的增大而升高.

3 整流電路實測結(jié)果與分析

實際加工制作的整流電路板如圖7所示.實測的整流效率為

式中，RL為直流負(fù)載；VL為直流負(fù)載兩端測得的電壓，用萬用表測量；Pin為輸入功率，由83623LAgilent信號發(fā)生器提供.

圖7 整流電路實物圖Fig.7 Photograph of fabricated rectifier

測試發(fā)現(xiàn)，整流電路的最佳工作頻率為885 MHz，與設(shè)計值相比有30 MHz的頻偏.對915和885 MHz這兩個頻點處的實際整流效果分別進行測試，整流效率和輸出電壓隨輸入功率變化曲線如圖8所示.由圖8可知，當(dāng)頻率為885 MHz時，整流效率存在兩個峰值：在輸入功率為-4 dBm處，輸出電壓為0.615 V，效率為47.5%；在輸入功率為5 dBm處，輸出電壓為1.7 V，效率為45.7%.輸入功率在-1 dBm處有一個效率谷值，其對應(yīng)的輸出電壓為0.798 V.在-10～6 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，整流效率高于40%.當(dāng)頻率為915 MHz時，整流效率也存在兩個峰值：①在輸入功率為-3 dBm處，輸出電壓為0.626 V，效率為39.1%；②在輸入功率為5 dBm處，輸出電壓為1.62 V，效率為41.5%.輸出電壓隨著輸入功率的增加而增大，885 MHz時測得的最大輸出電壓為3.88 V，915 MHz時測得的最大輸出電壓為3.98 V.

圖8 整流電路實測整流效率與輸出電壓Fig.8 Measured conversion efficiency and output voltage of rectifier

可見，實測最高效率與仿真結(jié)果相比有所下降，最高效率的輸入功率值發(fā)生偏移，這是因為：①ADS仿真不包括實際測量中由焊接、轉(zhuǎn)接頭引入的各種寄生電容、寄生電感及電阻效應(yīng)，從而影響實際測量結(jié)果；②經(jīng)ADS仿真對比發(fā)現(xiàn)，在基板厚度減小0.1 mm的情況下，整流效率最大降低了9%左右，最佳工作頻率減小了10 MHz，在匹配枝節(jié)長度變化0.1 mm的情況下，整流效率最大降低了1%左右，最佳工作頻率最大偏移了5 MHz，頻率偏移后整流效率均有所下降；③實測系統(tǒng)中SMA接頭會產(chǎn)生0.1 dB左右的損耗，導(dǎo)致最佳工作頻率減??；④在手工焊接條件下，二極管和場效應(yīng)管的位置不夠準(zhǔn)確.在以后的工作中，可以在設(shè)計仿真電路時加入相應(yīng)的元件來大致模擬寄生效應(yīng)和各種損耗，當(dāng)然提高設(shè)計的準(zhǔn)確度也會增加設(shè)計的復(fù)雜程度，如何取舍需視具體情況而定.

4 結(jié)束語

本工作提出了一種工作在低輸入功率環(huán)境下的915 MHz功率自適應(yīng)平面印刷整流電路.該電路利用場效應(yīng)管作為自適應(yīng)開關(guān)來拓寬輸入功率工作范圍.仿真結(jié)果顯示，在-16～4 dBm的輸入功率范圍內(nèi)，整流效率高于40%，最高整流效率為66.8%.實測結(jié)果有所偏差，且效率峰值降低，但仍在-10～6 dBm的較寬輸入功率范圍內(nèi)獲得了超過40%的整流效率.該整流電路結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易集成，可用于環(huán)境電磁能量的收集利用.

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Design and experiment of a 915 MHz printed rectifier with adaptive power

LU Jiajun，YANG Xuexia，DI Luqi
（School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

This paper proposes an adaptive power rectifier at 915 MHz operating in a wide range of low input power.A field effect transistor works as an adaptive switch for changing the working modes of the rectifier according to the input power level.As a result,the rectifier can achieve high MW-DC conversion efficiency over the entire range. A double-stub matching network matches the input impedance of the diode to 50 ?.A shunted capacitor works as a DC-pass filter to smooth the output DC power.Simulation results show that efficiency is above 40%within an input power range from-16 to 4 dBm, and the maximum efficiency is 66.2%.The measured center frequency shifts a litter and the maximum efficiency is 47.5%.The rectifier is fabricated using a simple planar printed circuit board（PCB）technique,and is easy to be integrated.It can be used to collect ambient electromagnetic energy.

rectifier；conversion efficiency；adaptive；power range

TN 011

A

1007-2861（2016）04-0381-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.019

2015-01-04

國家自然科學(xué)基金資助項目（61271062）；上海市特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室開放課題（SKLSFO2013-03）

楊雪霞（1969—），女，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向為微帶天線和微波輸能. E-mail：xxyang@staff.shu.edu.cn