CN110034692A - 基于局域谐振的低功率微波整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于局域谐振的低功率微波整流电路，包括上层的金属微带电路、中间层的介质基板、下层的接地金属层；金属微带电路包括局域谐振网络、直通滤波电路、微带阻抗变换网络，微带阻抗变换网络通过微带传输线和天线输出端相连；局域谐振网络包括整流二极管、电感、电容，局域谐振网络与微带阻抗变换网络的输出端相连；直通滤波电路包括微带传输线和电容，直通滤波电路的输出端与直流负载相连。本发明具有结构简单、体积小、造价低的优点，适用于低功率输入场合，整流效率高。

Description

基于局域谐振的低功率微波整流电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及能量转换技术领域中的一种基于局域谐振的低功率微波整流电路。本发明可用于将天线接收的微波信号的交流电压转换为直流电压。
背景技术
随着人们对新能源的需求以及无线技术的迅速发展，微波输能的应用领域日益广泛。利用环境中的微波能量给低功率电子设备供电的想法已经获得了大量的普及。因此对于微波的能量收集技术成为了现阶段研究的热点问题。其中，整流电路是微波能量收集系统中的关键部分，能将收集到的微波交流电压信号转换为直流信号，给射频识别系统，生物医学设备等电子设备供能，从而取代传统的电池供电，极大的提升了工作效率。但是环境中的微波能量密度一般较低，因此需要整流电路能够工作在较低功率的情况下。整流电路一般包括输入滤波器，阻抗匹配网络，整流二极管，输出直通滤波器和直流负载。整流二极管是影响整流电路效率的关键部分，常用的整流二极管为肖特基二极管，这种二极管适用于中、小功率整流。将整流电路与前端接收天线连接，便可实现微波能量的收集利用。
四川大学在其申请的专利文献“一种新型的微波互调整流电路”(申请号201110215427.X，申请日2011.07.29，公布号CN 102255527B,公布日2013.03.13)中提出了微波互调整流电路。该整流电路的微带整流电路印刷在单层双面印刷电路板上，在经过二极管整流微带电路部分后，其输出端分为两个支路，一路经低通滤波电路输出至直流负载，另一路经带通滤波电路进入回收整流支路，最后输出至直流负载，解决了因互调等因素引起的低频能量损失的问题，但是，该方法仍然存在的不足之处是，1)该微波互调整流电路为了回收由二极管引起的互调差频分量，增加一个带通滤波器和回收整流支路，引入了多个电容、电感等集总元件，增加了电路的复杂程度，2)该微波互调整流电路有两个整流部分，有多个肖特基二极管，其为非线性元件，易受频率和输入功率的影响，不利于实现源端输入阻抗与阻抗变换网络输出端所接电路的输入阻抗相匹配。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在其申请的专利文献“一种低剖面小型微波输能整流器”(申请号201711335594.1，申请日2017.12.14，公布号CN 107947392 A,公布日2018.04.20)中提出了一种低剖面小型微波输能整流器。该整流器有多个整流组件呈阵列式拼接而成，每个整流组件包括由前至后依次设置的频率选择表面层、金属地板层和整流电路层；该发明相比于传统的整流器，体积较小，但是，该方法仍然存在的不足之处是，该整流器有多个整流组件呈阵列式拼接，整体结构复杂，设计成本较高，效率不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于局域谐振的低功率微波整流电路。将天线接收的微波信号的交流电压转换为直流电压，用于给直流负载供电。
实现本发明的目的的思路是，通过提升整流二极管输出端的输出阻抗以提高电路的整流效率，同时为了抵消整流二极管内部的结电容对整个电路的影响，故提出一种基于局域谐振的的整流电路，通过一个电感与整流二极管内部结电容形成并联谐振，增加了整流二极管输出端的输出阻抗，有效的降低了整流二极管内部结电容对整个电路的影响，提升了电路的整流效率。
本发明的整流电路包括由金属微带电路、介质基板和接地金属层构成的两层金属层和一层介质层结构；所述的金属微带电路采用单二极管串联整流结构，包括局域谐振网络、直通滤波电路、微带阻抗变换网络，所述的局域谐振网络包括电感、电容整流二极管及其内部的结电容；所述的整流二极管与电感并联，电感和地之间串联一个电容，所述的整流二极管和微带传输线相串联；所述的直通滤波电路包括微带传输线和电容，所述的微带传输线与电容并联；所述的微带阻抗变换网络包括电感和四分之一波长微带传输线，微带传输线的输入端与微带传输线相连。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于本发明的整流电路中引入局域谐振网络，局域谐振网络由整流二极管内部的结电容和一个电感串联而成，有效的利用了整流二极管内部的结电容，增加了负载的输出电压，克服了现有技术中的难以实现源端输入阻抗与微带阻抗变换网络输出端所接电路的输入阻抗相匹配的问题，简化了电路的复杂程度，使得本发明具有易于实现、电路尺寸较小、阻抗变换网络易实现的优点。
第二，由于本发明的整流电路中采用单二极管串联整流结构，在很大程度上抵消了整流二极管的结电容，降低了结电容对电路整体结构的影响，克服了现有技术由于多个二极管所引起的损耗对整流效率的影响，提高了整流电路的效率，使得本发明具有设计成本低、整流效率高的优点，满足无线能量传输系统中将射频能量转化为直流能量的实际需求。
第三，由于本发明的整流电路中引入直通滤波电路，由四分之一波长微带传输线和一个电容并联而成，克服了现有技术中低功率传输效率不高的缺点，使得本发明能够有效地抑制谐波，可以在低于-5dBm输入功率下，达到很高的整流效率，可以为一些低功率用电设备提供稳定电压。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为本发明的仿真结果图。
具体实现方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，对本发明的具体电路做进一步的详细描述。
本发明包括金属微带电路1、介质基板2、接地金属层3，金属微带电路1和接地金属层3印刷在介质基板2两侧，构成两层金属层和一层介质层结构，两层金属层和一层介质层结构设置为，第一层是金属微带电路1、第二层是介质基板2、第三层是接地金属层3。
金属微带电路1包括微带阻抗变换网络14、局域谐振网络15、直通滤波电路16，微带阻抗变换网络14，天线通过微带传输线4和微带阻抗变换网络14相连。微带阻抗变换网络14的输出端口与电感并联接地，局域谐振网络15的输入端与微带阻抗变换网络14的输出端口串联。局域谐振网络15的输出端口与微带传输线10相连接，微带传输线10的输出端与电容11并联，电容11的输出端接地，负载12的输入端与微带传输线10的输出端相连接，负载12的输出端接地。
整流二极管7内部可等效为一个电阻和电容13串联，通过调节电感10的参数，使电感10和电容13在一个特定频率下构成一个并联的局域谐振网络。
下面结合仿真实验对本发明效果做进一步描述：
本发明的仿真实验首先设计电路如下：
选取相对介电常数为2.65、厚度为0.8mm的介质基板作为整流电路的基板。
整流电路中的微带传输线4的特性阻抗为50欧姆，电角度为10度，微带传输线4与整流二极管7的输入端之间的微带传输线5的特性阻抗为70欧姆，电角度为90度，整流二极管7的输出端与直流负载之间的微带传输线10的特性阻抗为50欧姆，电角度为90度。所述的微带传输线4、微带传输线5、微带传输线10的工作频率均为2.45GHz。
整流电路中微带传输线5的输出端与地之间的电感6为40nH，整流二极管7的输出端与电容9之间的电感8为42nH，电感8的输出端与地之间的电容9为20nF，微带传输线10与地之间的电容11为4.7nF，选取的整流二极管7的型号为MA4E1317。
为了验证本发明的仿真效果，采用ADS软件进行仿真，选取发射频率为2.45GHz内阻为50欧姆的信号源代替天线所接收到的微波交流信号作为整个整流电路的输入，建立用于微波能量收集的整流电路的仿真模型，最后对本发明的整流效率随输入功率大小的变化进行仿真，仿真的结果如图2所示。
图2中的横轴表示输入功率(dBm)，纵轴表示整流效率。图2中的曲线表示整流效率随入射功率大小的变化情况，从图2可以看出，在输入功率为-12dBm到-3dBm之间，可以有高与50％的转换效率。在输入功率为-5dBm时，电路的转换效率为68.9％，由此可知，在局域谐振网络工作时，它的特性阻抗等效为无穷大，提高了负载的输出电压，进而提高了整流电路的整流效率。
说明本发明在低输入功率下有较好的整流效果。

Claims (6)

1.一种基于局域谐振的低功率微波整流电路，包括由金属微带电路(1)、介质基板(2)和接地金属层(3)构成的两层金属层和一层介质层结构；其特征在于，所述的金属微带电路(1)采用单二极管串联整流结构，包括局域谐振网络(15)、直通滤波电路(16)、微带阻抗变换网络(14)，所述的局域谐振网络(15)包括电感(8)、电容(9)整流二极管(7)及其内部的结电容(13)；所述的整流二极管(7)与电感(8)并联，电感(8)和地之间串联一个电容(9)，所述的整流二极管(7)和微带传输线(10)相串联；所述的直通滤波电路(16)包括微带传输线(10)和电容(11)，所述的微带传输线(10)与电容(11)并联；所述的微带阻抗变换网络(14)包括电感(6)和四分之一波长微带传输线(5)，微带传输线(5)的输入端与微带传输线(4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于局域谐振的低功率微波整流电路，其特征在于，所述的两层金属层和一层介质层结构的依次设置如下，第一层为金属微带电路(1)、第二层为介质基板(2)、第三层为接地金属层(3)，所述金属微带电路(1)和介质基板(2)对称的印制在介质基板(2)两侧。
3.根据权利要求1所述的基于局域谐振的低功率微波整流电路，其特征在于，所述的直通滤波电路(16)由四分之一波长微带传输线(10)与整流二极管(7)输出端串联；所述微带传输线(10)和电容(11)、负载(12)并联。
4.根据权利要求1所述的基于局域谐振的低功率微波整流电路，其特征在于，所述的微带阻抗变换网络(14)采用单枝节四分之一波长微带传输线(5)作为阻抗变换器结构，微带传输线(5)一端与微带传输线(4)相连，另一端与电感(6)相连，用于实现整流二极管(7)输入端口和天线输出端口的阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的基于局域谐振的低功率微波整流电路，其特征在于，所述的局域谐振网络(15)包括整流二极管(7)、电感(8)、电容(9)，采用单二极管串联整流结构，所述的整流二极管(7)与电感(8)并联，电感(8)和地之间串联一个电容(9)，用于实现整流二极管(7)内部的结电容(13)与电感(8)实现局域谐振。
6.根据权利要求1所述的基于局域谐振的低功率微波整流电路，其特征在于，所述的金属微带电路(1)采用单二极管串联整流结构是指，整流二极管(7)的输入端与四分之一波长微带传输线(5)的输出端相连，整流二极管(7)的输出端与四分之一波长微带传输线(10)的输入端串联。
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