CN109525129B - 一种基于协同网络的整流电路及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于协同网络的整流电路及设计方法，所述的整流电路包括高功率整流电路，低功率整流电路以及信号导向网络，所述的高功率整流电路与低功率整流电路通过信号导向网络连接，该整流电路通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压的二极管工作，高功率输入状态下低导通二极管和高导通二极管一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络和扇形开路支节组成的信号导向网络，使得工作在不同输入功率下的二极管能够协同工作起来，该整流电路具有结构简单、设计简单和可重复性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及整流电路领域，更具体的，涉及一种基于协同网络的整流电路及设计方法。
背景技术
当代的能量传输的方式多用电缆进行传播，但是这种输送方式在空间不足、环境恶劣和地形复杂不方便布线的情况下，使用电缆会有很大的挑战。随着物联网设备的并发式增长，原有的能量传输方式已经不能满足相应的需求，采取无线能量传输的方式能够很好地解决这个问题。然而在无线能量传输系统中，整流电路的设计对整个系统的效率有很大的影响；原因在于二极管的非线性作用和接收天线在不同位置接收到的能量会有很大的变化，现阶段的多数整流电路只能够在某一输入功率下才有较好的整流效率，但是这是不符合现实工程的需要的，因此一种具有宽输入功率范围的高效整流电路变得尤为重要。
整流电路是一种能够将特定频率的电磁波信号转换成直流能量的器件，整流电路的效率主要受到输入功率的大小、二极管的非线性作用和负载阻抗的影响，该器件是无线传输系统中的重要组件，一个能够在宽输入功率条件下实现高效整流的整流电路对于整个无线能量传输系统的设计有很大的影响。
为了解决整流电路输入功率范围较窄的问题，先前的研究人员提出了以下几种方法：采取阻抗压缩网络来实现压缩不同输入功率下二极管非线性阻抗变化范围、采取外置控制电路结构来检测输入功率并转换整流电路支路的方法、使用不等功分的并行双路结构和基于分支线耦合器的整流电路。但是以往的宽输入功率范围存在着输入功率范围不够宽和外置控制电路的使用增加复杂度和额外功率开销的问题，不能够适应无线能量传输发展的趋势。
发明内容
为了解决现有技术中整流电路输入功率范围较窄的问题，本发明提供了一种基于协同网络的整流电路及设计方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于协同网络的整流电路，包括高功率整流电路，低功率整流电路以及信号导向网络，所述的高功率整流电路与低功率整流电路通过信号导向网络连接。
优选的，所述的高功率整流电路包括电容C1、第一匹配网络、高导通电压肖基特二极管D1以及第一负载电阻RLoad2，所述的电容C1的一端作为输入端与射频源相连接，另一端与第一匹配网络的输入端相连接，所述第一匹配网络的输出端与高导通电压肖基特二极管D1的阳极相连接，所述高导通电压肖基特二极管D1的阴极与信号导向网络的第一端口相连接，所述信号导向网络的第二端口与第一电阻RLoad2的一端相连接，第一电阻RLoad2的另一端接地。
优选的，所述的低功率整流电路包括电容C2、第二匹配网络、低导通电压肖基特二极管D2、谐波滤波器以及第二负载电阻RLoad1,所述的电容C2的一端作为输入端与信号导向网络的第三端口相连接，另一端与第二匹配网络的输入端相连接，所述的第二匹配网络的输出端与低导通电压肖基特二极管D2的阳极相连接，低导通电压肖基特二极管D2的阴极与谐波滤波器的输入端相连接，谐波滤波器的输出端与第二负载电阻RLoad1的一端相连接，所述的第二负载电阻RLoad1的另一端接地。
优选的，所述的信号导向网络包括由T型阻抗匹配网络和带有扇形开路支节的谐波滤波结构构成三端口网络，T型阻抗匹配网络分别连接高导通电压肖基特二极管D1的阴极、低功率整流电路的电容C2和带有扇形开路支节的谐波滤波结构的输入端相连接，带有扇形开路支节的谐波滤波结构的输出端与第一负载阻抗RLoad2相连接。
所述信号导向网络可以给高功率整流电路提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通肖基特二极管未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路中进行整流。所述带有扇形开路支节的谐波滤波结构能够对工作频率的基波、一次谐波和二次谐波的能量进行抑制，开路支节的尺寸为各频率的四分之一波长。
优选的，所述的T型阻抗匹配网络由三段微带传输线构成，其阻抗与电长度的确定可以通过先得到在不同输入功率下端口的输入阻抗后计算得到。
优选的，所述的采取高导通电压肖基特二极管D1采用HSMS 2820。
优选的，所述的采取低导通电压肖基特二极管D2采用HSMS 286b。
优选的，所述电路结构均采用微带工艺固定在介质基板上，其中，介质基板采取厚度为0.813mm的Rogers 4003C材料，其介电常数为3.38。
优选的，所述的基于协同网络的整流电路主要工作原理为：通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压肖基特二极管D2工作，高功率输入状态下低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络和扇形开路支节组成的信号导向网络，给高功率整流电路提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通电压肖基特二极管D1未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路中进行整流，低功率范围和高功率范围的效率分别由低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1分别控制，电路根据输入功率的大小自动选择工作的模式，不需要额外的控制电路。
一种基于协同网络的整流电路的设计方法，所述方法基于上述所述的系统，具体包括以下步骤：
步骤S1：确定整个整流电路的工作频率以及输入功率的范围；
步骤S2：根据工作频率以及输入功率的范围确定高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2的信号，使得两个二极管的输入功率范围能够组合起来覆盖所需的整体功率范围；
步骤S3：对高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2设计不同的输入匹配网络和滤波结构；
步骤S4：设计能够对低功率整流电路和高功率整流电路实现较好阻抗的信号导向网络；
步骤S5：微调电路的部分参数得到更好的阻抗匹配和宽输入功率范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压肖基特二极管工作，高功率输入状态下低导通电压肖基特二极管和高导通电压肖基特二极管一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络和扇形开路支节组成的信号导向网络，使得工作在不同输入功率下的肖基特二极管能够协同工作起来，低功率范围和高功率范围的效率分别由低导通电压肖基特和高导通电压肖基特二极管分别控制；同时，通过设计工作在不同频率的低功率和高功率部分的整流电路可以改变整体电路的工作频率，电路根据输入功率的大小自动选择工作的模式，不需要额外的控制电路，本发明具有结构简单、设计简单和可重复性的特点。
附图说明
图1为本发明实施整体结构示意图。
图2为本发明实施信号导向网络结构示意图。
图3为本发明实施例整体结构版图的示意图。
图4为本发明实施例单一二极管的整流电路和采取协同网络的整流电路的效率与输入功率的仿真比较图。
图5为本发明实施例整流电路在不同输入功率下测量得到的频率响应图。
图6为本发明实施例整流电路的效率和输出电压随输入功率变化的响应图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、图2所示，一种基于协同网络的整流电路，包括高功率整流电路101，低功率整流电路102以及信号导向网络103，所述的高功率整流电路101与低功率整流电路102通过信号导向网络103连接。
优选的，所述的高功率整流电路101包括电容C1、第一匹配网络、高导通电压肖基特二极管D1以及第一负载电阻RLoad2，所述的电容C1的一端作为输入端与射频源相连接，另一端与第一匹配网络的输入端相连接，所述第一匹配网络的输出端与高导通电压肖基特二极管D1的阳极相连接，所述高导通电压肖基特二极管D1的阴极与信号导向网络103的第一端口相连接，所述信号导向网络103的第二端口与第一电阻RLoad2的一端相连接，第一电阻RLoad2的另一端接地。
优选的，所述的低功率整流电路102包括电容C2、第二匹配网络、低导通电压肖基特二极管D2、谐波滤波器以及第二负载电阻RLoad1,所述的电容C2的一端作为输入端与信号导向网络103的第三端口相连接，另一端与第二匹配网络的输入端相连接，所述的第二匹配网络的输出端与低导通电压肖基特二极管D2的阳极相连接，低导通电压肖基特二极管D2的阴极与谐波滤波器的输入端相连接，谐波滤波器的输出端与第二负载电阻RLoad1的一端相连接，所述的第二负载电阻RLoad1的另一端接地。
优选的，所述的信号导向网络103包括由T型阻抗匹配网络202和带有扇形开路支节的谐波滤波结构203构成三端口网络201，T型阻抗匹配网络202分别连接高导通电压肖基特二极管D1的阴极、低功率整流电路102的电容C2和带有扇形开路支节的谐波滤波结构203的输入端相连接，带有扇形开路支节的谐波滤波结构203的输出端与第一负载阻抗RLoad2相连接。
所述信号导向网络103可以给高功率整流电路101提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通肖基特二极管未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路102中进行整流。所述带有扇形开路支节的谐波滤波结构203能够对工作频率的基波、一次谐波和二次谐波的能量进行抑制，开路支节的尺寸为各频率的四分之一波长。
优选的，所述的T型阻抗匹配网络202由三段微带传输线构成，其阻抗与电长度的确定可以通过先得到在不同输入功率下端口的输入阻抗后计算得到。
优选的，所述的采取高导通电压肖基特二极管D1采用HSMS 2820。
优选的，所述的采取低导通电压肖基特二极管D2采用HSMS 286b。
优选的，所述电路结构均采用微带工艺固定在介质基板上，其中，介质基板采取厚度为0.813mm的Rogers 4003C材料，其介电常数为3.38。
优选的，所述的基于协同网络的整流电路主要工作原理为：通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压肖基特二极管D2工作，高功率输入状态下低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络202和带有扇形开路支节的谐波滤波结构203，给高功率整流电路101提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通电压肖基特二极管D1未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路102中进行整流，低功率范围和高功率范围的效率分别由低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1分别控制，电路根据输入功率的大小自动选择工作的模式，不需要额外的控制电路。
实施例2
一种基于协同网络的整流电路的设计方法，所述方法基于上述所述的系统，具体包括以下步骤：
步骤S1：确定整个整流电路的工作频率以及输入功率的范围；
步骤S2：根据工作频率以及输入功率的范围确定高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2的信号，使得两个二极管的输入功率范围能够组合起来覆盖所需的整体功率范围；
步骤S3：对高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2设计不同的输入匹配网络和滤波结构；
步骤S4：设计能够对低功率整流电路102和高功率整流电路101实现较好阻抗的信号导向网络103；
步骤S5：微调电路的部分参数得到更好的阻抗匹配和宽输入功率范围。
实施例3
本实施例中，整个整流电路的工作频率为2.4GHz和输入功率范围为-3.5dBm–26dBm。
如图4所示，通过单一二极管的整流电路和采取协同网络的整流电路的效率与输入功率的仿真比较图可以看出，采取协同网络的整流电路的输入功率范围被拓宽了。
如图5所示，本发明实施例在不同的输入功率下仍有较好的频率响应，中心频点保持在2.4GHz附近，实现了较好的阻抗匹配。
如图6所示，本发明整流电路的效率和输出电压随输入功率变化的响应图，本发明实施例实现了宽功率输入范围下的高效率整流，实测结果中，在输入频率为2.4GHz时，整流电路效率大于50％的输入功率范围为-3.5dBm–26dBm，整流电路效率大于60％的输入功率范围为3.5dBm–25.2dBm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，包括高功率整流电路(101)，低功率整流电路(102)以及信号导向网络(103)，所述的高功率整流电路(101)与低功率整流电路(102)通过信号导向网络(103)连接；
所述的高功率整流电路(101)包括电容C1、第一匹配网络、高导通电压肖基特二极管D1以及第一负载电阻RLoad2，所述的电容C1的一端作为输入端与射频源相连接，另一端与第一匹配网络的输入端相连接，所述第一匹配网络的输出端与高导通电压肖基特二极管D1的阳极相连接，所述高导通电压肖基特二极管D1的阴极与信号导向网络(103)的第一端口相连接，所述信号导向网络(103)的第二端口与第一电阻RLoad2的一端相连接，第一电阻RLoad2的另一端接地；
所述的低功率整流电路(102)包括电容C2、第二匹配网络、低导通电压肖基特二极管D2、谐波滤波器以及第二负载电阻RLoad1,所述的电容C2的一端作为输入端与信号导向网络(103)的第三端口相连接，另一端与第二匹配网络的输入端相连接，所述的第二匹配网络的输出端与低导通电压肖基特二极管D2的阳极相连接，低导通电压肖基特二极管D2的阴极与谐波滤波器的输入端相连接，谐波滤波器的输出端与第二负载电阻RLoad1的一端相连接，所述的第二负载电阻RLoad1的另一端接地；
所述的信号导向网络(103)包括由T型阻抗匹配网络(202)和带有扇形开路支节的谐波滤波结构(203)构成三端口网络(201)，T型阻抗匹配网络分别(202)连接高导通电压肖基特二极管D1的阴极、低功率整流电路(102)的电容C2和带有扇形开路支节的谐波滤波结构(203)的输入端相连接，带有扇形开路支节的谐波滤波结构(203)的输出端与第一负载阻抗RLoad2相连接；
所述的基于协同网络的整流电路主要工作原理为：通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压肖基特二极管D2工作，高功率输入状态下低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络(202)和带有扇形开路支节的谐波滤波结构(203)组成的信号导向网络(103)，给高功率整流电路(101)提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通电压肖基特二极管D1未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路(102)中进行整流，低功率范围和高功率范围的效率分别由低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1分别控制，电路根据输入功率的大小自动选择工作的模式，不需要额外的控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，所述的T型阻抗匹配网络(202)由三段微带传输线构成，所述三段微带传输线的阻抗与电长度的确定通过先得到在不同输入功率下端口的输入阻抗后计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，所述的高导通电压肖基特二极管D1采用HSMS 2820。
4.根据权利要求1所述的一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，所述的低导通电压肖基特二极管D2采用HSMS 286b。
5.根据权利要求1所述的一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，所述电路结构均采用微带工艺固定在介质基板上，其中，介质基板采取厚度为0.813mm的Rogers 4003C材料，其介电常数为3.38。
6.一种基于协同网络的整流电路的设计方法，所述的方法基于上述权利要求1所述的一种基于协同网络的整流电路，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：确定整个整流电路的工作频率以及输入功率的范围；
步骤S2：根据工作频率以及输入功率的范围确定高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2的信号，使得两个二极管的输入功率范围能够组合起来覆盖所需的整体功率范围；
步骤S3：对高导通电压肖基特二极管D1和低导通电压肖基特二极管D2设计不同的输入匹配网络和滤波结构；
步骤S4：设计能够对低功率整流电路和高功率整流电路实现较好阻抗的信号导向网络；
步骤S5：微调电路的部分参数得到更好的阻抗匹配和宽输入功率范围；
具体实现原理为：通过在不同输入功率下导通电压不一样的二极管的开启状态不同，实现了在低功率输入状态下只有低导通电压肖基特二极管D2工作，高功率输入状态下低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1一起工作的机制，并且通过由T型阻抗匹配网络(202)和带有扇形开路支节的谐波滤波结构(203)组成的信号导向网络(103)，给高功率整流电路(101)提供直流回路，并且能够在输入功率较低并且高导通电压肖基特二极管D1未工作时将输入的高频信号导向低功率整流电路(102)中进行整流，低功率范围和高功率范围的效率分别由低导通电压肖基特二极管D2和高导通电压肖基特二极管D1分别控制，电路根据输入功率的大小自动选择工作的模式，不需要额外的控制电路。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| OL01 | Intention to license declared |