CN106899093B - 一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路 - Google Patents

一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，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反射功率回收网络分别与第一整流支路II及第二整流支路III相连构成。当输入功率发生变化导致整流电路阻抗失配时，本发明采用的反射功率回收网络有利于将两个整流支路产生的反射波收集起来,并传输回到整流支路中重新利用，进而提高整流效率，因而能拓宽整流电路的工作功率范围。

Description

一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路
技术领域
本发明涉及一种微波整流电路，具体涉及一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路。
背景技术
无线能量传输的思想自从电力被发现以来就已经存在。在19世纪后期，尼古拉·特斯拉描述了在两点之间自由地传输能量而不需要物理连接对人类无与伦比的重要性。它打破了传统的通过电缆传播电能的方式，把能量转化为电磁波的形式从发射端发射出来，在空间中将其传播到接收端，开辟了一种新的能量传播方式。一方面，无线能量传输可用于空间太阳能发电(SSP)或太阳能卫星(SPS)。另一方面，无线能量传输可用于非接触式射频识别、电动车辆和移动设备等的无线充电。此外，由于采用远程供电的无线设备能移除大电池，使设备体积更小，这种尺寸和重量的减小有利于增加一些概念设计的可行性，例如极薄的、柔性的显示器，基于隐形眼镜的增强现实(AR)技术和智能微尘等。
对于无线能量传输系统来说，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，很多研究致力于提高整流电路的效率，以此提高整个无线能量传输系统的性能。然而，在微波输能系统中，接收端的整流天线接收到的功率并不是恒定不变的，而是会受到传输路径上的损耗、多径反射等的影响，接收到的电磁波会发生变化。当整流电路的输入功率发生变化的时候，由于整流装置的非线性，其输入阻抗会发生很大的变化，引起阻抗失配并降低整流效率。传统的整流电路都是优化设计在特定的输入功率下，功率变化时整流效率易受影响。因此，整流电路在其他输入功率下效率下降非常快。
为了解决上述问题，国内外的学者们提出了几种不同的方法，其中最直接的方法是采用功率控制系统，切换电路的工作状态。在文献《V.Marian,B.Allard,C.Vollaire,andJ.Verdier,“Strategy for microwave energy harvesting from ambient field or afeeding source,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.27,no.11,pp.4481-4491,Nov.2012.》中，首先设计串联、并联和桥式三种结构的整流支路，在三个不同的功率范围分别实现高整流效率。然后通过功率检测电路连接这三个整流电路，在输入功率变化时候可以切换开关选择这三种整流状态，从而在较宽输入功率范围内实现高整流效率。然而这种方法需要加入控制电路，会引入额外的电路损耗、尺寸和设计复杂度。在文献《T.W.Barton,J.Gordonson,and D.J.Perreault,“Transmission line resistance compressionnetworks and applications to wireless power transfer,”IEEE J.Emerg.Sel.TopicsPower Electron.,vol.3,no.1,pp.252-260,Mar.2015.》和《S.H.Abdelhalem,P.S.Gudem,and L.E.Larson,“An RF-DC converter with wide-dynamic-range input matching forpower recovery applications,”IEEE Trans.Circuits Syst.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的自适应整流电路来获取射频能量，但是上述文章中设计的电路效率较低。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路。
本发明由一个反射功率回收网络连接两个整流支路构成。当输入功率发生变化时，整流支路由于整流二极管的非线性特性，会导致阻抗失配从而产生反射波。通过在输入端口接入反射功率回收网络，这部分反射波能被收集并传输回到整流支路中重新利用，进而提高整流效率，拓宽整流电路的工作功率范围。不仅如此，通过输入端的反射功率回收网络、整流支路匹配网络的开路枝节谐振器和输出端的谐波抑制网络的共同作用，射频能量被限制在反射功率回收网络和谐波抑制网络之间，有利于二极管充分整流，提高整流效率。
本发明采用如下技术方案：
一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，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反射功率回收网络I、第一整流支路II及第二整流支路III构成，所述反射功率回收网络I分别与第一整流支路II及第二整流支路III相连；
所述反射功率回收网络I由输入端口I/P和依次垂直连接的第一、第二、第三、第四微带线1、2、3、4构成；其中第一微带线1和第四微带线4的交界处连接输入端口I/P；第一微带线1和第二微带线2的交界处作为第一输出端口，所述第一输出端口与第一整流支路II相连；第二微带线2和第三微带线3的交界处作为第二输出端口，所述第二输出端口与第二整流支路III相连；第三微带线3和第四微带线4的交界处空载，用于将来自两个整流支路的反射波全反射回整流支路中回收利用以提高整流效率；
所述第一整流支路II由第一匹配网络、第一整流部分、第一谐波抑制网络及第一负载端构成；
所述第二整流支路III由第二匹配网络、第二整流部分、第二谐波抑制网络及第二负载端构成。
所述第一匹配网络由用于阻抗转换的第五、第六微带线(5、6)、抑制二次谐波的第七微带线7和隔直流通交流的第一电容8构成，所述第六微带线6和第七微带线7分别垂直连接在第五微带线5的两侧，所述第六微带线6末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第五微带线连接第一输出端口，所述第五微带线5与第一电容8的一端连接；
所述第一整流部分由第九微带线9、第一整流管10和第十一微带线11依次连接构成，所述第一整流管10正极与第十一微带线11相连，负极与第一谐波抑制网络相连，第十一微带线11通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第九微带线9与第一电容8的另一端连接；
所述第一谐波抑制网络由第十二微带线12和垂直加载在第十二微带线12一侧的第十三、第十四和第十五微带线13、14、15构成；
所述第一整流支路II的负载端由第一电阻16和第十七微带线17构成，所述第一电阻16连接在第十二微带线12与第十七微带线17之间，所述第十七微带线17通过金属化过孔连接底层金属地板。
所述第二匹配网络由用于阻抗转换的第十八、第十九微带线18、19、抑制二次谐波的第二十微带线20和隔直流通交流的第二电容21构成，所述第十九微带线19和第二十微带线20分别垂直连接在第十八微带线18的两侧，所述第十九微带线19末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第十八微带线连接第二输出端口，所述第二电容21的一端与第十八微带线连接；
所述第二整流部分由第二十二微带线22、第二整流管23和第二十四微带线24构成，所述第二整流管23正极与第二十四微带线24相连，其负极与第二谐波抑制网络相连，第二十四微带线24通过金属化过孔连接底层金属地板；所述第二十二微带线22与第二电容21的另一端连接；
所述第二谐波抑制网络由第二十五微带线25和垂直加载在第二十五微带线25一侧的第二十六、第二十七和第二十八微带线26、27、28构成；
所述第二负载端由第二电阻29和第三十微带线30构成，所述第二电阻29连接在第二十五微带线25与第三十微带线30之间，第三十微带线30通过金属化过孔连接底层金属地板。
第一整流管10由两个二极管串联封装而成,其中一个二极管的负极串联到另一个二极管的正极，所述两个二极管串联的连接处与第九微带线连接；
第二整流管23由两个二极管串联封装而成，两个二极管的串联处与第二十二微带线22连接。
所述第一谐波抑制网络中的第十三、第十四和第十五微带线13、14、15分别加载到第十二微带线12上距离其左端四分之一、四分之二及四分之三线长的位置。
所述第一谐波抑制网络中的第十三、第十四和第十五微带线13、14、15分别为工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
所述第二谐波抑制网络中的第二十六、第二十七和第二十八微带线26、27、28分别加载到第二十五微带线25上距离其左端四分之一、四分之二、四分之三线长的位置。
所述第二谐波抑制网络中的第二十六、第二十七和第二十八微带线26、27、28分别为工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
本发明的有益效果：
1、本发明通过在两个整流支路前连接一个反射功率回收网络，提高匹配性能，使整个整流电路能在很宽的输入功率范围内获得高整流效率。
2、本发明通过输入端的反射功率回收网络、整流支路匹配网络的开路枝节谐振器和输出端的谐波抑制网络的共同作用，将射频能量限制在反射功率回收网络和谐波抑制网络之间，使二极管能充分整流，提高整流效率。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明实施例的工作原理图。
图3是本发明实施例在不同输入功率下，与不带反射功率回收网络的普通整流电路的仿真和测试效率比较图。
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，一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，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，所述上层微带结构由一个反射功率回收网络I、第一整流支路II及第二整流支路III构成，所述反射功率回收网络I分别与第一整流支路II及第二整流支路III相连；
如图2所示，当输入功率发生变化时(入射波A1幅值变化，B2、B3随之变化)，由于整流二极管的非线性特性，两个整流支路的输入阻抗会发生变化，导致阻抗失配，产生反射波A2、A3，造成能量损耗。而在本发明中，通过设计一个反射功率回收网络与两个整流支路相连，这部分反射波能被反射功率回收网络收集B4并传输A4回到整流支路中重新利用B2、B3，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范围内保持高整流效率。
所述反射功率回收网络I由输入端口I/P和依次垂直连接的第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3及第四微带线4构成，其中第一微带线1和第四微带线4的交界处连接输入端口I/P；第一微带线1和第二微带线2的交界处作为第一输出端口，所述第一输出端口与第一整流支路II相连；第二微带线2和第三微带线3的交界处作为第二输出端口，所述第二输出端口与第二整流支路III相连；第三微带线3和第四微带线4的交界处空载，用于将来自两个整流支路的反射波全反射回整流支路中回收利用以提高整流效率。
所述第一整流支路II由第一匹配网络、第一整流部分、第一谐波抑制网络及第一负载端构成，其中第一匹配网络包括作为开路枝节谐振器抑制二次谐波的第七微带线7，第一谐波抑制网络包括了分别用于抑制工作频率基波、二次谐波和四次谐波的第十三微带线13、十四微带线14、十五微带线15。
第一匹配网络由用于阻抗转换的第五微带线5和第六微带线6、用于抑制二次谐波的第七微带线7和隔直流通交流的第一电容8连接构成。所述第六微带线6和第七微带线7分别垂直连接在第五微带线5的两侧，且第六微带线6末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第五微带线5连接第一输出端口，所述第五微带线5与第一电容8的一端连接。
第一整流部分由第九微带线9、第一整流管10和第十一微带线11构成倍压整流。所述第一整流管10正极与第十一微带线11相连，负极与第一谐波抑制网络相连，所述第十一微带线11通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第九微带线9与第一电容8的另一端连接；。所述第一整流管10由两个二极管串联而成，两个二极管的串联处与第九微带线9相连。
第一谐波抑制网络由第十二微带线12和垂直加载在第十二微带线12一侧的第十三微带线13、第十四微带线14和第十五微带线15构成。所述第十三微带线13、第十四微带线14和第十五微带线15分别加载到第十二微带线12上距离其左端四分之一、四分之二、四分之三线长的位置，分别是工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
第一负载端由第一电阻16和第十七微带线17构成。所述第一电阻16连接在第十二微带线12与第十七微带线17之间，且第十七微带线17通过金属化过孔连接底层金属地板。
所述第二整流支路III由第二匹配网络、第二整流部分、第二谐波抑制网络及第二负载端构成，其中第二匹配网络包括了作为开路枝节谐振器抑制二次谐波的第二十微带线20，第二谐波抑制网络包括了分别用于抑制工作频率基波、二次谐波和四次谐波的第二十六微带线26、二十七微带线27和二十八微带线28。
第二匹配网络由用于阻抗转换的第十八微带线18和第十九微带线19、抑制二次谐波的第二十微带线20和隔直流通交流的第二电容21连接构成。所述第十九微带线19和第二十微带线20分别垂直连接在第十八微带线18的两侧，且第十九微带线19末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第十八微带线18连接第二输出端口，所述第二电容21的一端与第十八微带线连接。
第二整流部分由第二十二微带线22、第二整流管23和第二十四微带线24构成倍压整流。所述第二整流管23正极与第二十四微带线24相连，负极与第二谐波抑制网络相连，第二十四微带线24通过金属化过孔连接底层金属地板。所述第二整流管23由两个二极管串联而成，两个二极管的串联处与第二十二微带线22相连。
第二谐波抑制网络由第二十五微带线25和垂直加载在第二十五微带线25一侧的第二十六微带线26、第二十七微带线27和第二十八微带线28构成。所述第二十六微带线26、第二十七微带线27和第二十八微带线28分别加载到第二十五微带线25上距离其左端四分之一、四分之二、四分之三线长的位置，分别是工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
第二负载端由第二电阻29和第三十微带线30构成。所述第二电阻29连接在第二十五微带线25与第三十微带线30之间，且第三十微带线30通过金属化过孔连接底层金属地板。
所述第一整流管10和第二整流管23均由两个二极管串联封装而成，且一个二极管的负极串联到另一个二极管的正极。
本实施例中采用反射功率回收网络的宽功率范围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。本实例设计了一个工作在2.45GHz的采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路。本实例中选择的整流管型号是安华高公司的HSMS-282C，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＝20.6mm，宽＝3.4mm；第二微带线的长＝21mm，宽＝2.1mm；第三微带线的长＝20.6mm，宽＝3.4mm；第四微带线的长＝21mm，宽＝2.1mm；第五微带线的长＝16.5mm，宽＝2.2mm；第六微带线的长＝6.4mm，宽＝2.1mm；第七微带线的长＝10.1mm，宽＝2.1mm；第九微带线的长＝2mm，宽＝1.5mm；第十一微带线的长＝0.9mm，宽＝0.8mm；第十二微带线的长＝32.2mm，宽＝2.1mm；第十三微带线的长＝20.3mm，宽＝2.1mm；第十四微带线的长＝9.8mm，宽＝2.1mm；第十五微带线的长＝5mm，宽＝2.1mm；第十七微带线的长＝1.6mm，宽＝1.6mm；第十八微带线的长＝16.5mm，宽＝2.2mm；第十九微带线的长＝6.4mm，宽＝2.1mm；第二十微带线的长＝10.1mm，宽＝2.1mm；第二十二微带线的长＝2mm，宽＝1.5mm；第二十四微带线的长＝0.9mm，宽＝0.8mm；第二十五微带线的长＝32.2mm，宽＝2.1mm；第二十六微带线的长＝20.3mm，宽＝2.1mm；第二十七微带线的长＝9.8mm，宽＝2.1mm；第二十八微带线的长＝5mm，宽＝2.1mm；第三十微带线的长＝1.6mm，宽＝1.6mm；第一电容＝47pF，第二电容＝47pF；第一电阻＝1200Ω，第二电阻＝1200Ω。电路整体尺寸为82mm×66.2mm。
图3所示是工作频率为2.45GHz，输出负载为1200Ω时，不同输入功率下整个整流电路的仿真和测试结果，图中纵坐标数字表示整流效率，单位为％。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和整流管模型精确度不够引起的，属于可接受范围。测试结果显示，本发明提出的带反射功率回收网络的整流电路在输入功率为11.5dBm到31.5dBm范围内整流效率达到50％以上，而不带反射功率回收网络的普通整流电路只能在15.5dBm到32.2dBm输入功率范围内达到50％以上的效率，提高了3.3dB的输入功率范围。同时也可以看到，在低输入功率范围内，本发明提出的带反射功率回收网络的整流电路能实现更高的效率。在输入功率高于最高效率对应的功率后，二极管被击穿，此时二极管本身损耗远大于匹配损耗，因此效率没有提升，属于正常情况。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，本发明提出了一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，该电路能提高处于阻抗失配状态下的电路的整流效率，在很宽的输入功率范围内保持高整流效率。该发明适合应用于无线能量传输系统的接收端，以减小对输入功率变化的敏感性。
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 (9)

1.一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，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反射功率回收网络（I）、第一整流支路（II）及第二整流支路（III）构成，所述反射功率回收网络（I）分别与第一整流支路（II）及第二整流支路（III）相连；
所述反射功率回收网络（I）由输入端口（I/P）和依次垂直连接的第一、第二、第三、第四微带线（1、2、3、4）构成；其中第一微带线（1）和第四微带线（4）的交界处连接输入端口（I/P）；第一微带线（1）和第二微带线（2）的交界处作为第一输出端口，所述第一输出端口与第一整流支路（II）相连；第二微带线（2）和第三微带线（3）的交界处作为第二输出端口，所述第二输出端口与第二整流支路（III）相连；第三微带线（3）和第四微带线（4）的交界处空载，用于将来自两个整流支路的反射波全反射回整流支路中回收利用以提高整流效率；
所述第一整流支路（II）由第一匹配网络、第一整流部分、第一谐波抑制网络及第一负载端构成；
所述第二整流支路（III）由第二匹配网络、第二整流部分、第二谐波抑制网络及第二负载端构成；
所述中间介质基板为Arlon-AD255，其厚度为30mil。
2.根据权利要求1所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第一匹配网络由用于阻抗转换的第五、第六微带线（5、6）、抑制二次谐波的第七微带线（7）和隔直流通交流的第一电容（8）构成，所述第六微带线（6）和第七微带线（7）分别垂直连接在第五微带线（5）的两侧，所述第六微带线（6）末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第五微带线（5）连接第一输出端口，所述第五微带线（5）与第一电容（8）的一端连接；
所述第一整流部分由第九微带线（9）、第一整流管（10）和第十一微带线（11）依次连接构成，所述第一整流管（10）正极与第十一微带线（11）相连，负极与第一谐波抑制网络相连，所述第十一微带线（11）通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第九微带线（9）与第一电容（8）的另一端连接；
所述第一谐波抑制网络由第十二微带线（12）和垂直加载在第十二微带线（12）一侧的第十三、第十四和第十五微带线（13、14、15）构成；
所述第一整流支路（II）的负载端由第一电阻（16）和第十七微带线（17）构成，所述第一电阻（16）连接在第十二微带线（12）与第十七微带线（17）之间，所述第十七微带线（17）通过金属化过孔连接底层金属地板。
3.根据权利要求1所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，
所述第二匹配网络由用于阻抗转换的第十八、第十九微带线（18、19）、抑制二次谐波的第二十微带线（20）和隔直流通交流的第二电容（21）构成，所述第十九微带线（19）和第二十微带线（20）分别垂直连接在第十八微带线（18）的两侧，所述第十九微带线（19）末端通过金属化过孔连接底层金属地板，所述第十八微带线（18）连接第二输出端口，所述第二电容（21）的一端与第十八微带线连接；
所述第二整流部分由第二十二微带线（22）、第二整流管（23）和第二十四微带线（24）构成，所述第二整流管（23）正极与第二十四微带线（24）相连，其负极与第二谐波抑制网络相连，第二十四微带线（24）通过金属化过孔连接底层金属地板，第二十二微带线（22）与第二电容（21）的另一端连接；
所述第二谐波抑制网络由第二十五微带线（25）和垂直加载在第二十五微带线（25）一侧的第二十六、第二十七和第二十八微带线（26、27、28）构成；
所述第二负载端由第二电阻（29）和第三十微带线（30）构成，所述第二电阻（29）连接在第二十五微带线（25）与第三十微带线（30）之间，第三十微带线（30）通过金属化过孔连接底层金属地板。
4.根据权利要求2所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，第一整流管（10）由两个二极管串联封装而成，其中一个二极管的负极串联到另一个二极管的正极，所述两个二极管串联的连接处与第九微带线连接。
5.根据权利要求3所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第二整流管（23）由两个二极管串联封装而成，两个二极管的串联处与第二十二微带线（22）连接。
6.根据权利要求2所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第一谐波抑制网络中的第十三、第十四和第十五微带线（13、14、15）分别加载到第十二微带线（12）上距离其左端四分之一、四分之二及四分之三线长的位置。
7.根据权利要求2所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第一谐波抑制网络中的第十三、第十四和第十五微带线（13、14、15）分别为工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
8.根据权利要求3所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第二谐波抑制网络中的第二十六、第二十七和第二十八微带线（26、27、28）分别加载到第二十五微带线（25）上距离其左端四分之一、四分之二、四分之三线长的位置。
9.根据权利要求3所述的一种采用反射功率回收网络的宽功率范围整流电路，其特征在于，所述第二谐波抑制网络中的第二十六、第二十七和第二十八微带线（26、27、28）分别为工作频率的基波、二次谐波和四次谐波的四分之一波长开路枝节线。
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