CN115276264A - 一种宽频带高效率射频能量收集整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频电路领域，具体涉及一种宽频带高效率射频能量收集整流电路；该电路包括：阻抗匹配网络、低功率整流支路、高功率整流支路、直通滤波器和负载；阻抗匹配网络的输出端分别与直通滤波器的输入端、低功率整流支路和高功率整流支路连接，直通滤波器的输出端与负载连接；低功率整流支路中，第一十二分之波长微带线一端与低功率整流二极管连接，另一端与地连接；高功率整流支路中，高功率整流二极管一端与四分之波长微带线连接，另一端与第二十二分之波长微带线一端连接，第二十二分之波长微带线另一端与地连接；本发明对可减少谐波损耗，提高整流效率，既可以减小电路尺寸又可以消除由阻抗匹配结构造成的频带过窄的问题，实用性高。
Description
技术领域
本发明属于射频电路领域，具体涉及一种宽频带高效率射频能量收集整流电路。
背景技术
如今的无线通信正加速步入一个多功能、大数据、高速传输的时代，这意味着我们周围的空间充满了电磁/射频能量信号，并且以一个惊人的速度增加着。然而我们周围充斥的这些电磁能量信号在完成通信和信息能量传递的同时也会对其他不需要接收这些信号的仪器设备产生电磁干扰，形成一种电磁污染。但周围的电磁能量同时为射频能量收集提供了前提条件，如果换一个角度，合理利用这些电池能量，还能“变废为宝”，不仅解决了电磁污染问题，还提供了一种新的无污染能源。因此射频能量收集也越来越受到人们的关注。
射频能量收集***主要包括接收天线和整流电路两个部分，其中整流电路包括阻抗匹配网络、整流二极管、谐波抑制网络和负载。这项技术旨在利用接收装置采集环境空间中的射频能量，并通过能量转换装置将射频能量转换成直流能量，为仪器设备提供能量供给或者暂时储存起来。
目前，射频能量收集技术在一些特殊的场景下发挥着重要的作用，尤其是安防和军事领域，如分布有大量传感器或射频识别标签且光线不足的场景。另外在智慧交通、医疗卫生以及物联网等方面也得到越来越广泛地应用。射频能量收集技术相较于传统供电方式具有可持续、绿色无污染、无需人工更换等优势，所以对于推动无线传感网络、物联网、生物医学等领域的发展起着重要的作用。因此，射频能量收集技术拥有相当广阔的应用前景与实用价值。
高效率整流电路是射频能量收集的研究中一个核心的技术问题。整流电路是一个射频能量收集***中关键的组成部分，它的主要功能是将接收到的射频能量转换为直流电压输出，实现射频能源到直流功率的转换。现有的整流电路面临的主要问题是整流效率低、宽频带范围窄和器件尺寸偏大，不适用在一些小型化器件上等，因此提供一款高效率小尺寸而且有实用价值的整流电路具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，该电路包括：阻抗匹配网络、低功率整流支路、高功率整流支路、直通滤波器和负载；阻抗匹配网络的输出端分别与直通滤波器的输入端、低功率整流支路和高功率整流支路连接，直通滤波器的输出端与负载连接；
所述低功率整流支路包括低功率整流二极管和第一十二分之波长微带线，第一十二分之波长微带线一端与低功率整流二极管连接，另一端与地连接；所述高功率整流支路包括高功率整流二极管、四分之波长微带线和第二十二分之波长微带线，高功率整流二极管一端与四分之波长微带线连接，另一端与第二十二分之波长微带线一端连接，第二十二分之波长微带线另一端与地连接。
优选的，所述阻抗匹配网络包括第一微带线和第一电容，第一微带线与第一电容连接。
优选的，所述直通滤波器包括第二微带线和第二电容，第二电容一端与第二微带线连接，另一端与地连接。
优选的，低功率整流二极管采用HSMS 2860二极管；
优选的，高功率整流二极管由两个HSMS 2862二极管串联构成。
优选的，负载的电阻值为600欧姆。
本发明的有益效果为：与传统的并联整流电路相比，本发明选用两个并联支路，分别工作低功率区和高功率区。本发明通过改变支路阻值影响支路电流，进一步影响支路功率分配的原理，首先选择两个阻抗变化趋势二极管，其分别在低功率和高功率时有很好的整流作用。为使二极管能够工作在合适的区域，在高功率二极管前端添加四分之波长微带传输线来反转二极管阻值，使低功率二极管阻值呈现出在低功率时阻值偏低，在高功率时阻值较低功率时上升以及使高功率二极管呈现出在低功率时阻值偏高，在高功率时阻值较低功率时下降，通过二极管阻值的变化影响功率的分配，使电路更好的工作；采用在并联支路末端添加十二分之波长微带线，抵消二极管的虚部阻值，实部阻值由输入端口的一段微带进行微调，由于消除了匹配结构既可以减小电路尺寸又可以消除由阻抗匹配结构造成的频带过窄的问题，并联支路末端添加的十二分之波长微带线对高次谐波也有一定的抑制作用，可以减少谐波损耗，提高整流效率；另外本发明在第一电容前加微带线可以起到调节二极管阻值到50欧姆的作用，将二极管与连接点分开，以此实现更好的布局。
附图说明
图1为本发明中宽频带高效率射频能量收集整流电路结构示意图。
图2为本发明中宽频带高效率射频能量收集整流电路仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，如图1所示，所述电路包括：阻抗匹配网络、低功率整流支路A、高功率整流支路B、直通滤波器和负载RL；阻抗匹配网络的输出端分别与直通滤波器的输入端、低功率整流支路A和高功率整流支路B连接，直通滤波器的输出端与负载RL连接；
所述低功率整流支路A包括低功率整流二极管D1和第一十二分之波长微带线TL2，第一十二分之波长微带线TL2(第一
微带线，λ表示波长)一端与低功率整流二极管D1连接，另一端与地连接；所述高功率整流支路B包括高功率整流二极管D2、四分之波长微带线TL4和第二十二分之波长微带线TL3(第二
微带线)，高功率整流二极管B一端与四分之波长微带线TL4连接，另一端与第二十二分之波长微带线TL3一端连接，第二十二分之波长微带线TL3另一端与地连接。
在高功率二极管前端添加四分之波长微带传输线来反转二极管阻值，可使低功率二极管阻值呈现出在低功率时阻值偏低，在高功率时阻值较低功率时上升以及使高功率二极管呈现出在低功率时阻值偏高，在高功率时阻值较低功率时下降，通过二极管阻值的变化影响功率的分配，使电路更好的工作；采用在并联支路末端添加十二分之波长微带线，抵消二极管的虚部阻值，实部阻值由输入端口的一段微带进行微调，由于消除了匹配结构既可以减小电路尺寸又可以消除由阻抗匹配结构造成的频带过窄的问题，并联支路末端添加的十二分之波长微带线对高次谐波也有一定的抑制作用，可以减少谐波损耗，提高整流效率。
所述阻抗匹配网络包括第一微带线TL1和第一电容C1，第一微带线TL1与第一电容C1连接。具体的，第一微带线TL1的一端与功率源MV连接，功率源的阻抗为50欧姆，第一微带线TL1的另一端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端分别与第二微带线TL5、低功率整流二极管D1和四分之波长微带线TL4连接。通过在阻抗匹配网络调节二极管阻值使功率源与二极管在额定功率下试下良好的匹配，减小反射损耗，提高整流效率。
所述直通滤波器包括第二微带线TL5和第二电容C2，第二电容C2一端与第二微带线TL5连接，另一端与地连接。通过直通滤波器抑制高次谐波，只让直流能量流出，和阻抗匹配网络形成闭合回路，让高次谐波多次通过二极管，提高能量利用率，进而提高整流效率。
低功率整流二极管D1采用HSMS 2860二极管即hsm-2860系列表面贴装微波肖特基探测二极管；
高功率整流二极管D2由两个HSMS 2862二极管即hsm-2862系列表面贴装微波肖特基探测二极管串联构成。
负载RL一端连接在第二微带线TL5和第二电容C2之间，另一端接地；负载 RL的电阻值为600欧姆，当RL的电阻值为600欧姆时，可以保证电路在宽频带范围的基础上拥有较高的整流效率。
制作本发明的整流电路可采用的介质基板为Rogers 4003C即罗杰斯4003C 高频电路板，基板厚度为0.508mm，介电常数为3.55，电路的导体厚度为0.035mm，电路工作频率为5.8GHz。
并联整流电路是整流电路中比较常见的整流电路形式，传统的并联整流电路包括阻抗匹配网络、整流二极管、谐波抑制网络和负载几个部分，其中的整流二极管会选择一个合适的并联在阻抗匹配网络和谐波抑制网络之间，构成并联电路。本发明在传统的并联整流电路上做了改进，选用两个并联支路，分别工作低功率区和高功率区。本发明通过改变支路阻值影响支路电流，进一步影响支路功率分配的原理，首先选择两个阻抗变化趋势二极管(低功率整流二极管和高功率整流二极管)，其分别在低功率和高功率时有很好的整流作用。为使二极管能够工作在合适的区域，在高功率整流二极管前端添加四分之波长微带线来反转二极管阻值。使低功率整流二极管阻值呈现出在低功率时阻值偏低，在高功率时阻值上升趋势；使高功率整流二极管呈现出在低功率时阻值偏高，在高功率时阻值下降趋势，通过阻值的变化影响功率的分配，使电路更好的工作。
对本发明进行评价：本发明在并联整流电路基础上做了改进，简化了匹配结构，增加了一个工作支路，并在二极管支路末端添加了一段微带线，起到减小二极管虚部阻值和滤除高次谐波的作用，性能与传统的并联整流电路相比，在频率带宽、整流效率和尺寸上更优；如图2所示，图(a)为整流效率随输入功率的仿真结果图，图(b)为整流效率随频率变化仿真结果图；由图(a)可以看出整流电路的整流效率在频率为5.8GHz，输入功率为17.4dBm达到最大为 80.5％，并且在-3dBm到19.4dBm整流效率大于50％；由图(b)可以看出在输入功率为17.4dBm，频率为5.8GHz时整流效率为80.5％，并且在2.9GHz到 6.5GHz整流效率大于75％；与现有技术相比，本发明频带带宽更宽，整流效率更高，此外，本发明与现有技术相比尺寸更小。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，包括：阻抗匹配网络、低功率整流支路、高功率整流支路、直通滤波器和负载；阻抗匹配网络的输出端分别与直通滤波器的输入端、低功率整流支路和高功率整流支路连接，直通滤波器的输出端与负载连接；
所述低功率整流支路包括低功率整流二极管和第一十二分之波长微带线，第一十二分之波长微带线一端与低功率整流二极管连接，另一端与地连接；所述高功率整流支路包括高功率整流二极管、四分之波长微带线和第二十二分之波长微带线，高功率整流二极管一端与四分之波长微带线连接，另一端与第二十二分之波长微带线一端连接，第二十二分之波长微带线另一端与地连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括第一微带线和第一电容，第一微带线与第一电容连接。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，所述直通滤波器包括第二微带线和第二电容，第二电容一端与第二微带线连接，另一端与地连接。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，低功率整流二极管采用HSMS 2860二极管。
5.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，高功率整流二极管由两个HSMS 2862二极管串联构成。
6.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率射频能量收集整流电路，其特征在于，负载的电阻值为600欧姆。
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