CN107332447A - 一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波整流技术领域，提供一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，该整流器主要由上层微带结构、中间介质基板及底层金属地板构成。上层微带结构包括输入端阻抗匹配网络、负载自适应性调节网络和一阶倍压整流网络。其中，输入阻抗匹配网络由50欧姆微带线输入端、三对开路短路枝节、三段阻抗变换枝节，一个匹配电感构成；负载自适应性调节网络由两段宽度锥形枝节、一个中心对称鱼骨型枝节构成；一阶倍压整流网络由储能隔直电容、储能滤波电容、整流二极管、负载电阻、金属焊盘、接地孔构成。本发明通过调整输入阻抗匹配网络和负载自适应调节网络的尺寸和大小，使整流器在宽频宽负载范围内获得良好的转换效率。

Description

一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器
技术领域
本发明涉及微波整流技术领域，具体涉及一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器。
背景技术
近年来，随着各种无线通信技术的发展，周围环境中存在着较为丰富的低功率电磁波。另一方面，在低功耗电子产品不断涌现的情况下，物联网、智慧城市、无线传感器网络等受到了极大的关注。在许多应用中，人们都希望通过微波整流来将射频能量转换成直流能。这些应用包括能量回收，DC-DC转换，无线功率传输等。而整流器的作用就是将电磁能转换成直流能，它是微波整流系统中最为关键的组件。
整流器的输出端通常连接着变阻抗的负载，如DC-DC变换器、功率管理单元和超级电容器等，它们在不同的工作条件下，阻抗会发生变化，这就意味着整流器的输入阻抗会发生相应的改变，从而导致整流器输入端匹配电路的失配，最终造成整流器的转换效率降低，性能下降的结果。面对复杂的电磁环境，单频或窄带整流器已不再满足现实的需求，而宽带整流器能在较宽频率范围内保证较好的性能，适应性较强，但宽频匹配电路的设计相对来讲有一定的难度。因此，对具有负载适应性的小信号宽带倍压整流器的研究设计具有十分现实的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题提供一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，本发明在一阶倍压整流器的基础上，通过引入三段等长的开路和短路并联枝节，以及引入三段阻抗变换串联枝节和一个匹配电感，构成输入阻抗匹配网络，在此基础上，进一步引入两段宽度锥形枝节和一个中心对称鱼骨型枝节，构成负载自适应性调节网络，两者共同作用下，可维持在宽频宽负载范围内整流器的转换效率基本稳定。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，由从下往上依次层叠的底层金属地板、中间介质基板及上层微带结构构成，其特征在于，所述上层微带结构包括整流器输入端阻抗匹配网络、负载自适应性调节网络及一阶倍压整流网络；其中，
整流器输入端阻抗匹配网络由依次连接的微带线输入端(1)、第一开路短路枝节对(2、3)、第一阻抗变换枝节(4)、第二开路短路枝节对(5、6)、第二阻抗变换枝节(7)、第三开路短路枝节对(8、9)、第三阻抗变换枝节(10)与匹配电感(14)构成；
负载自适应性调节网络由第一宽度锥形枝节(11)、第二宽度锥形枝节(13)与中心对称鱼骨型枝节(12)构成，其中，第一宽度锥形枝节(11)与第二宽度锥形枝节(13)位于中心对称鱼骨型枝节(12)的中心位置且左右对称；第三阻抗变换枝节(10)连接第一宽度锥形枝节(11)；
一阶倍压整流网络由储能隔直电容(16)、第一整流二极管(18)、第二整流二极管(19)、储能滤波电容(21)与负载电阻(22)构成，其中，储能隔直电容(16)跨接在第一金属焊盘(15)与第二金属焊盘(17)之间，第一整流二极管(18)跨接在第二金属焊盘(17)和金属地(23)之间，第二整流二极管(19)跨接在第二金属焊盘(17)和第三金属焊盘(20)之间，储能滤波电容(21)跨接在第三金属焊盘(20)和金属地(23)之间，负载电阻(22)跨接在第三金属焊盘(20)和金属地(23)之间；第一金属焊盘(15)与第二宽度锥形枝节(13)之间跨接匹配电感(14)。
进一步的，所述第一开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第一开路枝节(2)和第一短路枝节(3)构成，所述第二开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第二开路枝节(5)和第二短路枝节(6)构成，所述第三开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第三开路枝节(8)和第三短路枝节(9)构成，其中，第一短路枝节(3)、第二短路枝节(6)及第三短路枝节(9)末端均通过金属化接地孔连接到底层金属地板。
进一步的，所述微带线输入端(1)、第一阻抗变换枝节(4)、第二阻抗变换枝节(7)及第三阻抗变换枝节(10)的宽度和长度由多级阻抗匹配网络理论确定。
进一步的，中心对称鱼骨型枝节(12)两侧的骨齿从中心依次向上下两方向交叉排列，骨齿的长度依次递增，骨齿的间距同样依次递增。
本发明中，匹配电感(14)选用的是适用于高频的电感器，储能隔直电容(16)和储能滤波电容(21)选用的是适用于高频的电容器，第一整流二极管(18)和第二整流二极管(19)选用的是正向导通电压较低的肖特基二极管，特别适用于小信号整流。
本发明的有益效果在于：
本发明的输入阻抗匹配网络多采用微带传输线枝节，在微波频段，相比于集总参数元件匹配网络，传输线枝节网络具有寄生效应小，高频损耗小的优点。
输入阻抗匹配网络采用多级等长的开路短路并联枝节，可使输入阻抗的电抗部分尽可能的抵消，有利于宽频匹配网络的实现。采用多段阻抗变换枝节，确保整流器输入阻抗匹配到50欧姆。
本发明通过引入两个宽度锥形枝节和一个中心对称鱼骨型枝节，从而构成负载自适应调节网络，在与输入阻抗匹配网络的共同作用下，确保在宽频宽负载范围内整流器的转换效率基本不变。
本发明通过引入两个宽度锥形枝节和一个中心对称鱼骨型枝节，通过调整中心对称鱼骨型枝节各骨齿长度、间距的大小以及中间部分宽度的大小，可有效降低由于负载的变化而引起的整流效率的变化。
中心对称鱼骨型枝节上不同长度的骨齿，可等效为一系列的电容、电感，在工作频率范围内很容易构成一系列的LC谐振回路，所以在这种拓扑结构下，当负载变化很大时，整流器的输入阻抗变化很小，从而降低了整流器转换效率变化的灵敏度。
本发明采用一阶倍压整流电路拓扑结构，损耗较小，同时提高了直流输出电压。
本发明选用正向导通电压较低的肖特基二极管，特别适用于小信号整流。选用适用于高频的电感器和电容器，最大程度的减小了高频损耗。
附图说明
图1为本发明的上层微带结构图
图2为输入功率为-5dBm，负载为6.5K时，本发明实例在不同频率下的S11的仿真结果。
图3为输入功率为-5dBm时，本发明实例四个不同负载3.5K、6.5K、9.5K、12.5K条件下对应不同频率下的转换效率。
图4为输入功率为-5dBm，负载为6.5K时，本发明实例在不同频率下的直流输出电压。
具体实施方式
下面结合实施实例及附图,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。
本实施例提供一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，其结构如图1所示；本实例中所用的中间介质基板为RF4,其厚度为1mm，损耗角正切为0.02，微带线厚度为35um。匹配电感(14)为7.5nH，储能隔直电容(16)和储能滤波电容(21)均为100nF,第一整流二极管(18)和第二整流二极管(19)型号均为SMS7630，负载电阻(22)范围为1K到17K。
图2所示是输入功率为-5dBm，负载为6.5K时，本发明实例在不同频率下的S11的仿真结果，图中纵坐标数字表示反射系数,单位为dB。由图可知，本发明提出的具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器工作在1780MHz到2450MHz，绝对带宽为670MHz。
图3所示是输入功率为-5dBm时，本发明实例四个不同负载3.5K、6.5K、9.5K、12.5K条件下对应不同频率下的转换效率仿真结果。图中纵坐标数字表示整流器转换效率。由图可知，本发明在1780MHz到2450MHz频带内，负载从3.5K到12.5K情况下，整流器的转换效率变化并不十分明显。该实例下的整流器基本实现了在宽负载范围内整流器的转换效率相对稳定。
图4所示是输入功率为-5dBm，负载我6.5K时，本发明实例不同频率下的直流输出电压仿真结果。图中纵坐标数字表示整流器输出直流电压，单位为V。由图可知，本发明在1780MHz到2450MHz频带内，输入功率为-5dBm时，输出电压基本均大于0.8V。该实例下的整流器基本实现了在小信号输入情况下，输出电压较大的效果。
综上所述，本发明提出了一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，通过引入三段等长的开路和短路并联枝节，以及引入三段阻抗变换串联枝节和一个匹配电感，构成输入阻抗匹配网络，在此基础上，进一步引入两段宽度锥形枝节和一个中心对称鱼骨型枝节，可维持在宽频宽负载范围内整流器的转换效率基本稳定。通过选用低导通电压的肖特基整流二极管，以及在低输入功率条件下进行优化匹配，可满足整流器在小信号输入情况下，具有良好的转换效率。通过使用一阶倍压整流电路拓扑结构，可有效提高整流器输出电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，用于帮助技术人员理解本发明的原理，本发明的保护范围不局限在这样的特殊实例，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，由从下往上依次层叠的底层金属地板、中间介质基板及上层微带结构构成，其特征在于，所述上层微带结构包括整流器输入端阻抗匹配网络、负载自适应性调节网络及一阶倍压整流网络；其中，
整流器输入端阻抗匹配网络由匹配电感(14)以及依次连接的微带线输入端(1)、第一开路短路枝节对(2、3)、第一阻抗变换枝节(4)、第二开路短路枝节对(5、6)、第二阻抗变换枝节(7)、第三开路短路枝节对(8、9)第三阻抗变换枝节(10)构成；
负载自适应性调节网络由第一宽度锥形枝节(11)、第二宽度锥形枝节(13)与中心对称鱼骨型枝节(12)构成，其中，第一宽度锥形枝节(11)与第二宽度锥形枝节(13)位于中心对称鱼骨型枝节(12)的中心位置且左右对称；第三阻抗变换枝节(10)连接第一宽度锥形枝节(11)；
一阶倍压整流网络由储能隔直电容(16)、第一整流二极管(18)、第二整流二极管(19)、储能滤波电容(21)与负载电阻(22)构成，其中，储能隔直电容(16)跨接在第一金属焊盘(15)与第二金属焊盘(17)之间，第一整流二极管(18)跨接在第二金属焊盘(17)和金属地(23)之间，第二整流二极管(19)跨接在第二金属焊盘(17)和第三金属焊盘(20)之间，储能滤波电容(21)跨接在第三金属焊盘(20)和金属地(23)之间，负载电阻(22)跨接在第三金属焊盘(20)和金属地(23)之间；第一金属焊盘(15)与第二宽度锥形枝节(13)之间跨接匹配电感(14)。
2.按权利要求1所述具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，其特征在于，所述第一开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第一开路枝节(2)和第一短路枝节(3)构成，所述第二开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第二开路枝节(5)和第二短路枝节(6)构成，所述第三开路短路枝节对由长度、宽度均相等的第三开路枝节(8)和第三短路枝节(9)构成，其中，第一短路枝节(3)、第二短路枝节(6)及第三短路枝节(9)末端均通过金属化接地孔连接到底层金属地板。
3.按权利要求1所述具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，其特征在于，所述微带线输入端(1)、第一阻抗变换枝节(4)、第二阻抗变换枝节(7)及第三阻抗变换枝节(10)的宽度和长度由多级阻抗匹配网络理论确定。
4.按权利要求1所述具有负载自适应性的小信号宽带倍压整流器，其特征在于，中心对称鱼骨型枝节(12)两侧的骨齿从中心依次向上下两方向交叉排列，骨齿的长度依次递增，骨齿的间距同样依次递增。
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