一種小型化的大功率微波整流電路①

胡 林,張巧利,趙德雙*,曹衛(wèi)平

(1.電子科技大學物理學院，成都 610054；2.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室，桂林 541004)

0 引言

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)突破了只能依靠有線方式傳輸電能的思想，為電子設(shè)備的長時、無線纜供電提供了新思路，是一種應(yīng)用前景極為廣闊的輸能技術(shù)。WPT思想最初由著名電磁學家Tesla提出[1]，早期主要以磁感應(yīng)耦合、磁諧振耦合等近場耦合無線輸能研究為主[2-3]，這類技術(shù)具有功率大、效率高、安全性好等優(yōu)點，但存在輸能距離短、受能線圈尺寸過大、使用不便等固有技術(shù)缺陷；為克服近場耦合類WPT的技術(shù)缺陷，有學者提出了電磁輻射式微波輸能技術(shù)(Microwave Power Transfer, MPT)。上世紀50年代至今，國外的學者已經(jīng)做了大量的理論研究和實驗驗證。特別是當Glaser在1968年提出了空間太陽能衛(wèi)星計劃以后，微波輸能技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，許多國家的學者都對其進行了大量的研究[4-7]。國內(nèi)開始關(guān)注微波輸能技術(shù)始于1994年電子科技大學林為干教授首次介紹了微波輸能技術(shù)[8]。

微波輸能技術(shù)在衛(wèi)星太陽能計劃、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、RFID(Radio Frequency Identification)等系統(tǒng)中擔當著重要的角色。而微波整流電路是微波無線輸能系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，因為微波能量被受能端的接收天線接收以后，要經(jīng)過微波整流電路整流為直流功率后才能供給負載使用，這意味著微波整流電路的性能直接決定著被負載接收的功率大小。因此，國內(nèi)外研究人員均對微波整流電路展開了大量研究[9-11]。目前，人們已經(jīng)在0.915 GHz、2.45 GHz和5.8 GHz等多個常用頻點設(shè)計了相應(yīng)的微波整流電路。但是大部分學者研制的微波整流電路的直流輸出功率都在1w以下，不能滿足智慧家居、遠程醫(yī)療、無人工廠等應(yīng)用場景中的瓦級終端的供電需求。文獻[9]中研制的微波整流電路雖然能輸出1w以上的直流功率，但是其電路尺寸為180mm×180mm(約為2.45GHz對應(yīng)的自由空間波長的1.5倍)，這么大的尺寸使得該微波整流電路不能和受能終端(如智能手機)以及接收陣列天線(一般陣列天線單元間的距離不大于1倍波長)很好的集成在一起。

為了滿足瓦級終端供電以及易集成的需求，本文設(shè)計了一款工作于2.45GHz的小型化、大功率微波整流電路。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的微波整流電路在輸入功率大于34 dBm時，實測直流輸出功率均大于1w,且對應(yīng)的實測整流效率均大于40%；當輸入功率為41.42 dBm時，整流電路的最高實測直流輸出功率為5.84w，此時對應(yīng)的整流效率為42.13%。該整流電路具有小型化、整流后直流輸出功率大、易于集成的特點，可應(yīng)用于智慧家居、遠程醫(yī)療、無人工廠等場景中的瓦級終端能量供給中。

1 大功率微波整流電路原理與設(shè)計

大功率微波整流電路設(shè)計的難點在于現(xiàn)今成熟的整流二極管可承受的電壓和電流較低，從而使得在大功率應(yīng)用下單個整流二極管會被燒壞或者被反向擊穿。本文基于并聯(lián)分流的原理設(shè)計微波整流電路，即采用功分器將輸入的微波功率進行分配，然后在功分器的每一條輸出支路上利用肖特基二極管將微波功率整流為直流功率，再將所有輸出支路的直流功率合并到一起輸出給負載使用，從而實現(xiàn)大功率微波整流。

1.1 大功率微波整流電路原理

文獻[9]提出了一種如圖1所示的大功率微波整流電路原理框圖。

圖1 大功率整流的基本原理Fig.1 Principle of high-power rectification

輸入微波功率由功分器進行分配，然后在每一條功分器支路上采樣肖特基二極管陣列，使每一條功分器支路的微波整流電路都能安全高效的工作，從而實現(xiàn)大功率微波整流。但是，該方法是采用阻抗匹配1將每條功分器支路的微帶線阻抗匹配到50Ω，且每個單元整流電路也需通過阻抗匹配2將二極管的輸入阻抗匹配到50Ω。而這兩部分阻抗匹配電路使得整流電路的整體尺寸增大。

因此，基于功分器和單元整流電路相結(jié)合設(shè)計出的大功率整流電路必然面臨著尺寸較大的問題，而較大的尺寸必然會限制此類大功率微波整流電路的應(yīng)用。為了減小此類整流電路的尺寸，本文提出了一種改進型大功率整流方案，其基本原理框圖如圖2所示。與傳統(tǒng)大功率整流相比，本設(shè)計的改進之處在于將阻抗匹配1和阻抗匹配2去掉，只在微波輸入端口與功分器輸入端口之間加入阻抗匹配和可彎折的四分之一波長并聯(lián)短路枝節(jié)作為輸入濾波器，從而大大減小了大功率微波整流電路的尺寸。

圖2 改進型大功率整流的基本原理Fig.2 Principle of the improved high-power rectification

1.2 大功率微波整流電路設(shè)計

圖3(a)所示為由兩個HSMS2828整流二極管和一個電容構(gòu)成的單元整流電路，兩個HSMS2828整流二極管串聯(lián)相當于8個整流二極管相互串并聯(lián)，由串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流原理可知，當圖3中兩個單元整流電路輸入相同功率的微波信號的時候，圖3(a)中單個整流二極管承受的電壓和電流相比于圖3(b)要小，從而圖3(a)所示的單元整流電路可以獲得更大的直流輸出功率。因此，我們最終選擇圖3(a)所示的單元整流電路。圖3中電容C1為低通濾波器，其作用是將射頻能量反射回整流二極管，只將直流信號輸送給負載使用。研究發(fā)現(xiàn)，電容容值越大，低通濾波器的通帶截止頻率越小，經(jīng)過仿真優(yōu)化后，最終我們選定電容C1的容值為1nF。

為了使微波整流電路輸入端與接收天線或測試儀器匹配，本文采用50歐姆的源阻抗進行匹配設(shè)計。整流二極管是非線性器件，能將輸入的基頻(2.45GHz)正弦波轉(zhuǎn)化為直流分量和高次諧波分量。為了使高次諧波不從微波整流電路的輸入端口返回到接收天線，在微波整流電路的輸入端口處加入結(jié)構(gòu)簡單的四分之一波長并聯(lián)短路枝節(jié)作為輸入濾波器，該并聯(lián)短路枝節(jié)在基頻時等效為開路，二倍頻時等效為短路。因此，四分之一波長并聯(lián)短路枝節(jié)能夠無損地使基波通過，而將二次諧波全部反射回去。此外，短路枝節(jié)還可以為整流電路提供直流通路[12]。圖2所示的大功率整流的基本原理框圖對功分器沒有特殊的要求，所以采用簡單的2級T型結(jié)1分4路等比功分器。功分器的4個輸出端口的阻抗為100Ω，對應(yīng)微帶線寬度為1.4mm，相比于50Ω微帶線的寬度4.8mm而言，1.4mm的線寬與整流二極管芯片的引腳寬度0.45mm更接近，從而使得芯片引腳與微帶線之間的過渡更加良好。

在ADS仿真軟件中建立如圖4所示的微波整流電路仿真模型。考慮到小型化的設(shè)計目標，采用Tee1、TL2、TL3組成的單枝節(jié)匹配電路來實現(xiàn)阻抗匹配，并通過優(yōu)化TL2和TL3的長度來提高整個微波整流電路的整流效率。

圖3 單元整流電路Fig.3 Unit rectifier circuit

圖4 電路仿真原理圖Fig.4 Schematic diagram of circuit simulation

2 測試結(jié)果及分析

在完成微波整流電路整體設(shè)計以后，采用F4BM-2聚四氟乙烯玻璃纖維雙面覆銅板進行加工?；搴穸葹?.6mm，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切值為0.008，覆銅板厚度為35μm，電路尺寸為40mm×80mm。電路設(shè)計版圖和實物如圖5所示。

圖5 微波整流電路Fig.5 Microwave rectifier circuit

圖6和圖7分別為輸入功率和輸出功率測試電路框圖。實驗測試中采用2.45GHz固態(tài)微波信號源，但該固態(tài)微波信號源的輸出功率較小，為了得到可調(diào)節(jié)功率大小的大功率微波信號，本文采用圖6所示的2.45GHz信號源、兩個10dB的可調(diào)衰減器、隔離器和35dB的放大器組成一個功率可調(diào)的大功率微波信號源，通過調(diào)節(jié)兩個可調(diào)衰減器的衰減檔位，理論上功率可調(diào)的大功率微波信號源可以實現(xiàn)22dBm～42dBm區(qū)間內(nèi)以1dB為步進的任意功率微波信號輸出。功率可調(diào)的大功率微波信號源輸出的微波功率最高可達42dBm，而一般微波功率計的量程較小，如本文使用的AV87231微波功率計的最大量程僅為20dBm，因此，在微波功率計前端串聯(lián)一個30dB的固定衰減器，從而實現(xiàn)大功率微波信號功率的測量?；趫D6所示的整流電路輸入功率測量電路，得到兩個可調(diào)衰減器的衰減檔位與功率可調(diào)的大功率微波信號源的輸出功率之間的對應(yīng)關(guān)系。

得到了功率可調(diào)的大功率微波信號源的輸出特性后，搭建如圖7所示的微波整流電路輸出直流功率測量電路。通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器的衰減檔位來控制輸入到微波整流電路的微波功率PRF大小，再通過圖7中所示的萬用表測量43歐姆負載兩端的電壓U得到整流電路輸出的直流功率PDC大小。微波整流電路的整流效率為：

(1)

式中PDC為微波整流電路輸出的直流功率；PRF為微波整流電路輸入的微波功率；RL為整流電路的43歐姆電阻負載，U為其兩端的電壓。

圖6 輸入功率測量電路Fig.6 Test system diagram of input power

圖7 輸出功率測量電路Fig.7 Test system diagram of output power

圖8(a)和(b)分別為當負載電阻為43Ω時，仿真和測試得到整流效率和輸出直流功率隨輸入功率變化曲線。從圖8(a)可以看出，當輸入功率為39.28 dBm時，整流電路的最高實測效率為44.27%；當輸入功率大于32dBm時，整流電路的實測效率均大于40%；如圖8(b)所示，當輸入功率大于34dBm時，實測直流輸出功率均大于1w；在輸入功率為41.42dBm時，實測直流輸出功率達到了最高值5.84w。表1給出了本文與相關(guān)對比文獻所設(shè)計的2.45GHz微波整流電路的尺寸、最大整流效率和對應(yīng)的輸出直流功率對比。可以看到，本文工作與文獻[9]相比，尺寸減小了近10倍，但是輸出直流功率只減小了約1倍；與文獻[10]相比，尺寸增大了約73倍，但是輸出直流功率增大了約1875倍；與文獻[11]相比，尺寸增大了約5倍，而輸出直流功率增大了約468倍。

表1 整流電路對比Table 1 Comparison of rectifier circuits

(a) 整流效率曲線圖

(b) 輸出直流功率曲線圖圖8 整流效率及輸出直流功率隨輸入功率值的變化Fig.8 Rectification efficiency and output DC power changes with input power

3 結(jié)論

本文基于并聯(lián)分流原理，采用功分器與單元整流電路相結(jié)合的設(shè)計方案，實現(xiàn)了一款工作在2.45GHz的小型化、大功率的微波整流電路。由于只在微波輸入端口與功分器輸入端口之間加入阻抗匹配和輸入濾波器，本文的設(shè)計在實現(xiàn)了微波整流電路最高輸出直流功率達到5.84w的同時，整個電路尺寸只有40mm×80mm。相較于常規(guī)的微波整流電路，這種小型化的大功率微波整流電路更能滿足智慧家居、遠程醫(yī)療、無人工廠等應(yīng)用場景中的瓦級終端的供電需求。在下一步的研究中，將著重采用集總元器件實現(xiàn)該小型化大功率微波整流電路的阻抗匹配設(shè)計，在保證瓦級直流輸出功率的同時，更進一步縮小微波整流電路的尺寸。