CN105356623A

CN105356623A - 一种高效率整流电路

Info

Publication number: CN105356623A
Application number: CN201510843451.6A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 杜志侠; 李斌; 赵小兰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN105356623B

Abstract

本发明公开了一种高效率整流电路，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述底层金属地板印制在中间介质基板的下表面，其特征在于，所述上层微带结构由一个隔离端接地的两节分支线耦合器、第一子整流电路及第二子整流电路构成，所述两节分支线耦合器与第一子整流电路相连，所述两节分支线耦合器与第二子整流电路相连。本发明采用该隔离端接地的两节分支线耦合器将两个子整流电路由于阻抗失配产生的部分反射波重新注入到子整流电路中利用，提高整个电路的整流效率，并且实现整个整流电路与天线更好的匹配，降低系统能量的损耗。

Description

一种高效率整流电路

技术领域

本发明涉及一种微波整流电路，具体涉及一种高效率整流电路。

背景技术

无线能量传输是一种很有前景的技术，在传统的有线能量传输不方便或不能实现时，无线能量传输便能起到很好的作用。最近几年，包括各种无线传感器在内的使用电池供电的电子设备取得巨大的成功。但是，传统电池需要有线充电的特点使得它们在应用上受到限制，比如人体中的心脏起搏器、固定在桥梁里或遍布森林的传感器等。无限能量传输系统的出现使得这些电子设备更加有效，可靠和易用。

对于无限能量传输系统来说，整流电路是其中重要的一环。整个系统的能量传输效率很大程度上取决于整流电路的效率，因此，提高整流电路的效率有利于提高整个无线能量传输系统的性能。整流电路的实现形式有很多种类，如将二极管与输出负载串联或并联构成整流电路，桥式整流电路，或者构成倍压整流电路。然而，在文献《K.Niotaki,A.Georgiadis,A.Collado,andJ.S.Vardakas,“Dual-bandresistancecompressionnetworksforimprovedrectifierperformance,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.62,no.12,pp.3512-3521,Dec.2014.》中提到大部分整流电路都优化设计在特定的输入功率、频率和输出负载下工作，但实际上由于周围环境和无线能量传输系统应用方式的影响，比如外界电磁波的干扰，无线充电时的距离变化，或者整流电路后端接的稳压器等电路的变化，整流电路的输入功率、频率和输出负载会发生变化，从而引起整流电路输入阻抗的变化，导致电路阻抗失配，进而降低整流效率。因此，整流电路在其他输入功率、频率和输出负载下效率下降非常快。所以，在文献《T.W.Barton,J.Gordonson,andD.J.Perreault,“Transmissionlineresistancecompressionnetworksandapplicationstowirelesspowertransfer,”IEEEJ.Emerg.Sel.TopicsPowerElectron.,vol.3,no.1,pp.252-260,Mar.2015.》和《S.H.Abdelhalem,P.S.Gudem,andL.E.Larson,“AnRF-DCconverterwithwide-dynamic-rangeinputmatchingforpowerrecoveryapplications,”IEEETrans.CircuitsSyst.II,Exp.Briefs,vol.60,no.6,pp.336-340,Jun.2013.》中都介绍了能覆盖宽输入功率范围和输出负载范围的自适应整流电路来获取射频能量。但是上述相关研究方向的文章介绍的电路效率普遍较低，且频率带宽有限。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种高效率整流电路。

本发明由一个隔离端接地的两节分支线耦合器、第一子整流电路和第二子整流电路组成。当输入功率、频率和子整流电路的输出负载发生变化时，子整流电路由于阻抗失配而产生的部分反射波会被隔离端接地的两节分支线耦合器阻挡回到子整流电路中重新利用，进而提高整流效率，降低整个整流电路对输入功率、频率和输出负载变化的敏感性。不仅如此，利用该隔离端接地的两节分支线耦合器的输入端口匹配特性，能实现整个整流电路与天线更好的匹配，降低系统能量的损耗。

本发明采用如下技术方案：

一种高效率整流电路，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述底层金属地板印制在中间介质基板的下表面，其特征在于，所述上层微带结构由一个两节分支线耦合器I、第一子整流电路II及第二子整流电路III构成，所述两节分支线耦合器分别与第一子整流电路II及第二子整流电路III相连。

所述两节分支线耦合器I由依次连接的输入端口I/P、第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第七微带线7和第八微带线8构成，还包括第六微带线6，所述第六微带线6的两端分别与第一微带线1及第五微带线5垂直连接，且位于第一微带线1及第五微带线5的中点，所述第七微带线7为两节分支线耦合器的隔离端，通过金属化过孔与底层金属地板连接。

所述第一子整流电路II由输入端口匹配网络部分、整流部分、直流滤波网络部分及负载端构成；

所述第一子整流电路II的输入端口匹配网络部分由依次连接的第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12和第一电容35构成；

所述第一子整流电路II的整流部分由第一二极管36、第十三微带线13、第二二极管37和第十四微带线14构成，所述第一二极管36和第二二极管37的正极连接在第十五微带线15与第一电容35的连接端，负极分别与第十三微带线13和第十四微带线14相连；

所述第一子整流电路II的直流滤波网络部分由第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18、第十九微带线19和第二十微带线20构成，其中第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18和第十九微带线19分别加载到第十五微带线15上，第二十微带线20连接到第十九微带线19末端；

所述第一子整流电路II的负载端由连接在第十五微带线15和第二十一微带线21之间的第一电阻38构成；

第十一微带线11、第十三微带线13、第十四微带线14和第二十一微带线21末端分别通过金属化过孔连接到底层金属地板。

第二子整流电路III由输入端口匹配网络部分、整流部分、直流滤波网络部分及负载端构成；

所述第二子整流电路III的输入阻抗网络部分由第二十三微带线23、第二十四微带线24、第二十五微带线25和第二电容39依次连接构成；

所述第二子整流电路III的整流部分由第三二极管40、第二十六微带线26、第四二极管41、第二十七微带线27构成，其中第三二极管40和第四二极管41的正极连接在第二十八微带线28与第二电容39的连接端，第三二极管的负极与第四二极管的负极分别与第二十六微带线26和第二十七微带线27相连；

所述第二子整流电路III的直流滤波网络部分由第二十八微带线28、第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31、第三十二微带线32和第三十三微带线33构成，其中第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31和第三十三微带线33分别加载到第二十八微带线28上，第三十二微带线32连接到第三十一微带线31末端；

所述第二子整流电路III的负载端由连接在第二十八微带线28和第三十四微带线34之间的第二电阻42构成；

第二十四微带线24、第二十六微带线26、第二十七微带线27和第三十四微带线34末端分别通过金属化过孔连接到底层金属地板。

第一二极管36、第二二极管37、第三二极管40、第四二极管41均由两个二极管共阴极封装而成。

所述第十六微带线16、第十八微带线18垂直连接第十五微带线15的一侧，所述第十七微带线17及第十九微带线19垂直连接第十五微带线15的另一侧。

所述第二十九微带线29及第三十一微带线31垂直连接在第二十八微带线28的一侧，所述第三十微带线30及第三十三微带线33垂直连接在第二十八微带线28的另一侧。

还包括第九微带线9及第二十二微带线22，所述两节分支线耦合器通过第九微带线9与第一子整流电路II相连，所述两节分支线耦合器通过第二十二微带线22与第二子整流电路III相连。

本发明的有益效果：

1、本发明通过采用一个隔离端接地的两节分支线耦合器与两个子整流电路相连接，使整个整流电路能在很宽的输入功率范围，频率范围和输出负载范围内获得高整流效率。

2、本发明能在很宽的输入功率、频率和输出负载范围内提高输入端口的匹配性能，实现整个整流电路与前端天线更好的匹配，降低系统能量的损耗。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明实施例中不同频率和输出负载下单个子整流电路的整流效率的仿真结果。

图3是本发明实施例中不同频率和输出负载下整个整流电路的整流效率的仿真结果。

图4是本发明实施例中不同输入功率和频率下单个子整流电路的整流效率的仿真结果。

图5是本发明实施例中不同输入功率和频率下整个整流电路的整流效率的仿真结果。

图6是本发明实施例中不同输入功率和输出负载下单个子整流电路的整流效率的仿真结果。

图7是本发明实施例中不同输入功率和输出负载下整个整流电路的整流效率的仿真结果。

图8是本发明实施例中不同输入功率下子整流电路和整个整流电路的回波损耗的仿真结果。

图9是本发明实施例中不同输入功率下整个整流电路的整流效率的测试结果。

图10是本发明实施例中不同频率下整个整流电路的整流效率的测试结果。

图11是本发明实施例中不同输出负载下整个整流电路的整流效率的测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种高效率整流电路，其特征在于，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述底层金属地板印制在中间介质基板的下表面，所述上层微带结构由一个两节分支线耦合器I、第一子整流电路II及第二子整流电路III构成，所述两节分支线耦合器通过第九微带线9与第一子整流电路II相连，所述两节分支线耦合器通过第二十二微带线22与第二子整流电路III相连，两节分支线耦合器的隔离端通过金属化过孔连接到底层金属地板。当输入功率、频率和输出负载发生变化时，由于整流二极管的非线性特性，第一子整流电路和第二子整流电路的输入阻抗会发生变化，导致阻抗失配，产生发射波，造成能量损耗，而在本发明中，通过采用隔离端接地的两节分支线耦合器与两个子整流电路相连，可以将部分反射波重新阻挡回到两个子整流电路中使用，进而提高整流效率，从而使整个整流电路能在更宽的输入功率、频率和输出负载范围内保持高整流效率；由于分支线耦合器的频率带宽会影响到整流器的高效率整流带宽，采用两节结构可以实现整流器更大的频率带宽；相比传统的分支线耦合器，两节的分支线耦合器隔离端接地可以将传输到隔离端的反射波阻挡回两个子整流电路中重新利用，提高能量的利用率。

所述两节分支线耦合器I由依次连接的输入端口I/P、第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第七微带线7和第八微带线8构成，还包括第六微带线6，所述第六微带线6分别与第一微带线1及第五微带线5垂直连接，且位于第一微带线1及第五微带线5的中点，所述第七微带线7为两节分支线耦合器的隔离端，通过金属化过孔与底层金属地板连接。

所述输入端口匹配网络部分由依次连接的第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12和第一电容35构成，使输入功率能最大化地进入第一子整流电路II；

所述整流部分由第一二极管36、第十三微带线13、第二二极管37和第十四微带线14构成，所述第一二极管36和第二二极管37的正极连接在第十五微带线15与第一电容35的连接端，负极分别与第十三微带线13和第十四微带线14相连，起到将交流信号转换为直流信号的作用；

所述直流滤波网络部分由第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18、第十九微带线19和第二十微带线20构成，其中第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18和第十九微带线19分别加载到第十五微带线15上，第二十微带线20连接到第十九微带线19末端，起到抑制交流分量和通过直流分量的作用；

所述负载端由连接在第十五微带线15和第二十一微带线21之间的第一电阻38构成；

所述第二子整流电路III由输入端口匹配网络部分、整流部分、直流滤波网络部分及负载端构成；

所述第二子整流电路III的输入端口匹配网络部分由第二十三微带线23、第二十四微带线24、第二十五微带线25和第二电容39依次连接构成，使输入功率能最大化地进入第二子整流电路III。

所述第二子整流电路III的整流部分由第三二极管40、第二十六微带线26、第四二极管41、第二十七微带线27构成，其中第三二极管40和第四二极管41的正极连接在第二十八微带线28与第二电容39的连接端，第三二极管的负极与第四二极管的负极分别与第二十六微带线26和第二十七微带线27相连，起到将交流信号转换为直流信号的作用；

所述第二子整流电路III的直流滤波网络部分由第二十八微带线28、第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31、第三十二微带线32和第三十三微带线33构成，其中第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31和第三十三微带线33分别加载到第二十八微带线28上，第三十二微带线32连接到第三十一微带线31末端，起到抑制交流分量和通过直流分量的作用；

本实施例中覆盖宽输入功率、频率和输出负载范围的高效率整流电路的结构如图1所示，以下仅仅为本发明的一个实例，本实例中选择的二极管型号是安华高公司的HSMS-286F-BLKG,所用的介质基板为Arlon-AD255,其厚度为30mil，介电常数为2.55。具体电路尺寸选择如下：第一微带线的长＝23.75mm，宽＝3.5mm；第二微带线的长＝3.9mm，宽＝2.1mm；第三微带线的长＝23.8mm，宽＝0.4mm；第四微带线的长＝3.9mm，宽＝2.1mm；第五微带线的长＝23.75mm，宽＝3.5mm；第六微带线的长＝22mm，宽＝3.5mm；第七微带线的长＝2.1mm，宽＝2.1mm；第八微带线的长＝23.8mm，宽＝0.4mm；第九微带线的长＝8.2mm，宽＝2.1mm；第十微带线的长＝10mm，宽＝2.2mm；第十一微带线的长＝16.6mm，宽＝1.4mm；第十二微带线的长＝4.4mm，宽＝2.2mm；第十三微带线的长＝13.7mm，宽＝2.2mm；第十四微带线的长＝13.7mm，宽＝2.2mm；第十五微带线的长＝46.2mm，宽＝2.2mm；第十六微带线的长＝13.1mm，宽＝4.6mm；第十七微带线的长＝13.8mm，宽＝4.6mm；第十八微带线的长＝9.5mm，宽＝5mm；第十九微带线的长＝14mm，宽＝2.8mm；第二十微带线的长＝7.8mm，宽＝2.8mm；第二十一微带线的长＝2.2mm，宽＝2.2mm；第二十二微带线的长＝8.2mm，宽＝2.1mm；第二十三微带线的长＝10mm，宽＝2.2mm；第二十四微带线的长＝16.6mm，宽＝1.4mm；第二十五微带线的长＝4.4mm，宽＝2.2mm；第二十六微带线的长＝13.7mm，宽＝2.2mm；第二十七微带线的长＝13.7mm，宽＝2.2mm；第二十八微带线的长＝46.2mm，宽＝2.2mm；第二十九微带线的长＝13.8mm，宽＝4.6mm；第三十微带线的长＝13.1mm，宽＝4.6mm；第三十一微带线的长＝14mm，宽＝2.8mm；第三十二微带线的长＝7.8mm，宽＝2.8mm；第三十三微带线的长＝9.5mm，宽＝5mm；第三十四微带线的长＝2.2mm，宽＝2.2mm；第十六微带线和第十七微带线加载在第十五微带线上距第一电容21mm的位置；第十八微带线和第十九微带线加载在第十五微带线上距第一电容38mm的位置；第二十九微带线和第三十微带线加载在第二十八微带线上距第二电容21mm的位置；第三十一微带线和第三十三微带线加载在第二十八微带线上距第二电容38mm的位置；第一电容＝330pF，第二电容＝330pF；第一电阻＝360Ω，第二电阻＝360Ω。电路整体尺寸为125mm×71mm。

图2所示是输入功率为15.5dBm时不同频率和输出负载下的单个子整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。

图3所示是输入功率为15.5dBm时不同频率和输出负载下的本发明公开的整个整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。对比图2和图3可知，整个整流电路能比单个子整流电路在更宽的频率和输出负载范围内保持高整流效率。

图4所示是输出负载为360Ω时不同输入功率和频率下的单个子整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。

图5所示是输出负载为360Ω时不同输入功率和频率下的本发明公开的整个整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。对比图4和图5可知，整个整流电路能比单个子整流电路在更宽的输入功率和频率范围内保持高整流效率。

图6所示是工作频率为2.45GHz时不同输入功率和输出负载下的单个子整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。

图7所示是工作频率为2.45GHz时不同输入功率和输出负载下的本发明公开的整个整流电路的整流效率的仿真结果，图中数字表示整流效率，单位为％。对比图6和图7可知，整个整流电路能比单个子整流电路在更宽的输入功率和输出负载范围内保持高整流效率。

图8所示是不同输入功率下单个子整流电路和整个整流电路的回波损耗的仿真结果。由图可知单个子整流电路在输入功率为7.5dBm到17dBm的范围内，回拨损耗可以达到15dB以上；而整个整流电路在输入功率为2.8dBm到20dBm的范围内都可以达到15dB以上，表明整个整流电路能在更宽的输入功率范围内实现电路匹配。该结果证明了本发明公开的整个整流电路能在单个子整流电路输入端口阻抗失配时实现整体电路更好的匹配。

图9所示是工作频率为2.45GHz，输出负载为360Ω时不同输入功率下整个整流电路的整流效率的测试结果，仿真结果显示整体电路在输入功率为9.3dBm到18.7dBm范围内整流效率达到70％以上，最高效率达到83.4％；测试结果显示在输入功率为10dBm到18.6dBm范围内整流效率达到70％以上，最高效率达到80.8％。

图10所示是输入功率为15.5dBm，输出负载为360Ω时不同频率下整个整流电路的整流效率的测试结果，仿真结果显示整体电路在输入功率为2.12GHz到2.69GHz范围内整流效率达到70％以上；测试结果显示在输入功率为2.08GHz到2.58GHz范围内整流效率达到70％以上，测试结果与仿真结果相比有所频偏，属于正常情况。

图11所示是工作频率为2.45GHz，输入功率分别为15.5dBm和17.5dBm时不同输出负载下整个整流电路的整流效率的测试结果。由图可以看出，当输入功率减小时，保持高效率的输出负载范围变大。由图9-11可以看出，测试结果与仿真结果相符合，效率的稍微偏差是由电路加工误差引入的，属于可接受范围。以上测试结果证明了本发明设计理论的正确性和可行性。

综上所述，本发明提出了一种基于隔离端接地的两节分支线耦合器的高效率整流电路，该电路能在很宽的输入功率、频率和输出负载范围内保持高整流效率，同时实现与前端天线更好的匹配，适合应用于无线能量传输系统的接收端。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高效率整流电路，其特征在于，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板，所述上层微带结构印制在中间介质基板的上表面，所述底层金属地板印制在中间介质基板的下表面，其特征在于，所述上层微带结构由一个两节分支线耦合器(I)、第一子整流电路(II)及第二子整流电路(III)构成，所述两节分支线耦合器分别与第一子整流电路(II)及第二子整流电路(III)相连。

2.根据权利要求1所述的一种高效率整流电路，其特征在于，所述两节分支线耦合器(I)由依次连接的输入端口(I/P)、第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第七微带线(7)和第八微带线(8)构成，还包括第六微带线(6)，所述第六微带线(6)的两端分别与第一微带线(1)及第五微带线(5)垂直连接，且位于第一微带线(1)及第五微带线(5)的中点，所述第七微带线(7)为两节分支线耦合器的隔离端，通过金属化过孔与底层金属地板连接。

3.根据权利要求1所述的一种高效率整流电路，其特征在于，所述第一子整流电路(II)由输入端口匹配网络部分、整流部分、直流滤波网络部分及负载端构成；

所述第一子整流电路(II)的输入端口匹配网络部分由依次连接的第十微带线(10)、第十一微带线(11)、第十二微带线(12)和第一电容(35)构成；

所述第一子整流电路(II)的整流部分由第一二极管(36)、第十三微带线(13)、第二二极管(37)和第十四微带线(14)构成，所述第一二极管(36)和第二二极管(37)的正极连接在第十五微带线(15)与第一电容(35)的连接端，负极分别与第十三微带线(13)和第十四微带线(14)相连；

所述第一子整流电路(II)的直流滤波网络部分由第十五微带线(15)、第十六微带线(16)、第十七微带线(17)、第十八微带线(18)、第十九微带线(19)和第二十微带线(20)构成，其中第十六微带线(16)、第十七微带线(17)、第十八微带线(18)和第十九微带线(19)分别加载到第十五微带线(15)上，第二十微带线(20)连接到第十九微带线(19)末端；

所述第一子整流电路(II)的负载端由连接在第十五微带线(15)和第二十一微带线(21)之间的第一电阻(38)构成；

第十一微带线(11)、第十三微带线(13)、第十四微带线(14)和第二十一微带线(21)末端分别通过金属化过孔连接到底层金属地板。

4.根据权利要求1所述的一种高效率整流电路，其特征在于，第二子整流电路(III)由输入端口匹配网络部分、整流部分、直流滤波网络部分及负载端构成；

所述第二子整流电路(III)的输入阻抗网络部分由第二十三微带线(23)、第二十四微带线(24)、第二十五微带线(25)和第二电容(39)依次连接构成；

所述第二子整流电路(III)的整流部分由第三二极管(40)、第二十六微带线(26)、第四二极管(41)、第二十七微带线(27)构成，其中第三二极管(40)和第四二极管(41)的正极连接在第二十八微带线(28)与第二电容(39)的连接端，第三二极管的负极与第四二极管的负极分别与第二十六微带线(26)和第二十七微带线(27)相连；

所述第二子整流电路(III)的直流滤波网络部分由第二十八微带线(28)、第二十九微带线(29)、第三十微带线(30)、第三十一微带线(31)、第三十二微带线(32)和第三十三微带线(33)构成，其中第二十九微带线(29)、第三十微带线(30)、第三十一微带线(31)和第三十三微带线(33)分别加载到第二十八微带线(28)上，第三十二微带线(32)连接到第三十一微带线(31)末端；

所述第二子整流电路(III)的负载端由连接在第二十八微带线(28)和第三十四微带线(34)之间的第二电阻(42)构成；

第二十四微带线(24)、第二十六微带线(26)、第二十七微带线(27)和第三十四微带线(34)末端分别通过金属化过孔连接到底层金属地板。

5.根据权利要求1所述的一种高效率整流电路，其特征在于，第一二极管(36)、第二二极管(37)、第三二极管(40)、第四二极管(41)均由两个二极管共阴极封装而成。

6.根据权利要求3所述的一种高效率整流电路，其特征在于，所述第十六微带线(16)、第十八微带线(18)垂直连接第十五微带线(15)的一侧，所述第十七微带线(17)及第十九微带线(19)垂直连接第十五微带线(15)的另一侧。

7.根据权利要求4所述的一种高效率整流电路，其特征在于，所述第二十九微带线(29)及第三十一微带线(31)垂直连接在第二十八微带线(28)的一侧，所述第三十微带线(30)及第三十三微带线(33)垂直连接在第二十八微带线(28)的另一侧。

8.根据权利要求1所述的一种高效率整流电路，其特征在于，还包括第九微带线(9)及第二十二微带线(22)，所述两节分支线耦合器通过第九微带线(9)与第一子整流电路(II)相连，所述两节分支线耦合器通过第二十二微带线(22)与第二子整流电路(III)相连。