CN110994965A - 一种谐波抑制负载结构及倍压整流电路 - Google Patents

一种谐波抑制负载结构及倍压整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种谐波抑制负载结构及倍压整流电路,所述的谐波抑制负载结构为微带四次谐波抑制负载,用于抑制谐波,倍压整流电路包括依次连接的阻抗匹配模块和倍压整流模块,倍压整流模块包括谐波抑制负载结构;所述的阻抗匹配模块用于将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配;所述的倍压整流模块通过所述的谐波抑制负载结构,对谐波干扰进行抑制,提高所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转化效率。在倍压整流电路的高频应用时,引入连续多阶微带谐波抑制结构,结构简单,提高其转化效率,可拓展性强,成本极低。使得电路转化效率得到提高,输出波形更加平滑波纹更小。

Description

一种谐波抑制负载结构及倍压整流电路
技术领域
本发明属于射频电路领域,涉及一种带有谐波抑制负载的倍压整流电路及构建方法,具体涉及一种带有谐波抑制负载的一阶倍压整流模块及构建方法。
背景技术
倍压整流模块实质上就是电荷泵,广泛应用于需要高电压小电流的场景,其特点是成本低结构简单。最初由于核技术发展需要更高的电压来模拟人工核反应,于是在1932年由Coccroft和Walton提出了高压倍压电路,通常称为C-W倍压整流模块。在电力系统和射频领域都广泛使用了倍压整流模块,在未来5G时代的低功耗物联网节点更会得到广泛的应用。科研人员也一直在致力于研究倍压整流模块,但是传统一阶倍压整流模块可视作B类结构,一般认为B类整流器的效率不会超过70%。一般来说,普通的倍压整流模块在频率过高时,其性能也会进一步下降,无法在5G频带内有效的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐波抑制负载结构及倍压整流电路,,解决普通的倍压整流电路在频率过高时(例如,5G频带内),性能下降的技术问题。
本发明所采用的技术方案是:
一种谐波抑制负载结构,所述的谐波抑制负载结构为微带四次谐波抑制负载,所述的微带四次谐波抑制负载用于抑制谐波干扰,改变前级电路中的非线性器件的工作电压和工作电流的波形,使得非线性器件的功耗减小,包括微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6,
所述的微带线TL1和微带线TL2串联,所述的微带线TL3和微带线TL4并联在微带线TL1和微带线TL2的连接处且与微带线TL1和微带线TL2垂直,所述的微带线TL5和微带线TL6并联在微带线TL2的末端且与微带线TL2垂直;
所述的微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3均为基频的λ/4微带线,所述的微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6分别为二次谐波的λ/4微带线、三次谐波的λ/4微带线和四次谐波的λ/4微带线,所述的微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6均为终端开路微带线。
一种带有谐波抑制负载的倍压整流电路,包括依次连接的阻抗匹配模块和倍压整流模块,所述的倍压整流模块包括本发明所述的谐波抑制负载结构;
所述的阻抗匹配模块用于将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配;
所述的倍压整流模块通过所述的谐波抑制负载结构,对谐波干扰进行抑制,将输入信号进行整流,提高所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转化效率。
进一步地,所述的倍压整流模块还包括二极管D1、二极管D2、电容C1、微带线4、微带线5、微带线6和微带线7,所述的电容C1一端与所述的阻抗匹配模块连接,另一端经微带线4和微带线6与二极管D2连接,所述的二极管D1并联在微带线4和微带线6的连接处,二极管D1的正极通过微带线5接地,所述的微带四次谐波抑制负载电路通过微带线7与二极管D2的负极串联,其中,所述的微带线4、微带线6和微带线7均为基波λ/4微带线。
进一步地,所述的倍压整流模块在输入信号进入负半周时,二极管D1导通,二极管D2截止,电容C1充电;
在输入信号进入正半周时,二极管D1截止,二极管D2导通,电容C1上的电压和输入信号串联,共同通过二极管D2对所述的谐波抑制负载结构的微带线充电。
进一步地,所述的阻抗匹配模块包括连接的微带线1、微带线2和微带线3,所述的微带线2为终端开路微带线,将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配,所述的微带线3与所述的倍压整流模块连接。
进一步地,所述的微带线5的长度L的取值范围为基波的0~λ/4的微带线长度,所述微带线5的长度L的确定方法包括以下步骤:
步骤1:获得所述的倍压整流模块输入阻抗,调整微带线1、微带线2和微带线3,使所述的输入阻抗与信号源的输出阻抗处于阻抗匹配状态,得到处于阻抗匹配状态的电路;
步骤2:对步骤1所述的处于阻抗匹配状态的电路进行谐波平衡仿真,将微带线5的长度L从0增大到λ/4,获得对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,选择使带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率最高的长度L即为微带线5的长度。
进一步地,所述的转换效率的获取方法为:对处于阻抗匹配状态的电路外接可变负载阻抗,获得可变外接负载阻抗变化时对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,所述的负载阻抗的变化范围在0~2000Ω。
优选地,所述的微带线5的长度为4~5mm。
进一步地,所述的转换效率为60%~75%。
本发明的有益效果是:
在倍压整流电路的高频应用时,为提高其转化效率,在负载结构中引入连续多阶微带谐波抑制结构,结构非常简单,可拓展性强,成本极低。使得电路转化效率得到提高,输出波形更加平滑波纹更小。
附图说明
图1是倍压整流模块图;
图2是在射频电路开发软件中搭建完的倍压整流模块图;
图3是实施例1中对微带线长度进行微调以优化其对基波和各次谐波的优化抑制效果对比图;
图4是带有谐波抑制负载的倍压整流电路图;
图5是在射频电路开发软件中搭建完的带有谐波抑制负载的倍压整流电路图;
图6是谐波抑制负载对二极管D1的谐波抑制效果对比图;
图7是谐波抑制负载对二极管D2的谐波抑制效果对比图;
图8是输出电压波形仿真结果图;
图9是转换效率仿真结果图;
图10是本发明的电路板(a)与参考电路板(b);
图11是实测电路板的转换效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
以下对本发明的术语进行统一解释:
VR(Voltage-multiplying Rectifier倍压整流模块):也叫电荷泵整流器(chargepump rectifier),是一种可以将较低电压的交流信号转换为较高的直流信号。常用于需要较高电压较小电流的低功耗负载。
HS(Harmonic Suppression谐波抑制):谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波产生的原因主要有:由于正弦电压加压于非线性负载,基波电流发生畸变产生谐波。谐波的产生会增加整流器功耗使得输出波形畸变。
EH(energy harvesting能量收集):能量收集是指将微弱的能量转化为电能,供给后端传感器使用。通常可利用的能量有光能、动能、热能、射频能等。能量收集技术应用于无线传感器网络理论上能够一劳永逸的解决传感器节点难以更换电池导致寿命有限的缺陷。
AC-DC(Alternating Current to Direct Current交流转化直流):将交流信号转化为直流信号。
射频电路开发软件包括ADS、HFSS等。
传输线原理具体是指:四分之一波长开路传输线相当于一个串联谐振电路。是指对于包含电容和电感及电阻元件的无源一端口网络,其端口可能呈现容性、感性及电阻性,当电路端口的电压U和电流I,出现同相位,电路呈电阻性时。
微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线。适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比,其体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等。
电长度是指微带传输线的物理长度与所传输电磁波波长之比。
阻抗匹配模块主要用于传输线上,以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的,而且几乎不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。
根据工作频率以及成本限制选择满足需要的二极管、电容和板材,本实施例选择的频率为中国移动5G的高频频段中心频率4.85Ghz,选用HSMS2860肖特基二极管、村田GRM155C81系列电容、介电常数为2.55的F4B板材,安捷伦的ADS开发平台进行仿真设计。微带线5的长度为4~5mm。转换效率为60%~75%。
实施例1:
本实施例1提供一种谐波抑制负载结构,谐波抑制负载结构为微带四次谐波抑制负载,用于抑制谐波干扰,改变前级电路中的非线性器件的工作电压和工作电流的波形,使得非线性器件的功耗减小,包括微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6。
微带线TL1和微带线TL2串联,微带线TL3和微带线TL4并联在微带线TL1和微带线TL2的连接处且与微带线TL1和微带线TL2垂直,微带线TL5和微带线TL6并联在微带线TL2的末端且与微带线TL2垂直;
微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3均为基频的λ/4微带线,微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6分别为二次谐波的λ/4微带线、三次谐波的λ/4微带线和四次谐波的λ/4微带线,微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6均为终端开路微带线。
本实施例还给出一种带有谐波抑制负载的倍压整流电路,包括依次连接的阻抗匹配模块和倍压整流模块,倍压整流模块包括本发明所述的谐波抑制负载结构;
阻抗匹配模块用于将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配;倍压整流模块通过所述的谐波抑制负载结构,对谐波干扰进行抑制,将输入信号进行整流,提高带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转化效率。
本实施例中,微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6的特性阻抗为50Ω,根据实际情况还可选用75Ω等。微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4和微带线TL6电长度为90°。
在射频电路开发软件中搭建上述电路,如图2所示,根据谐波平衡仿真的结果对微带线TL3、微带线TL4、微带线TL6的长度进行微调以优化其对基波和各次谐波的抑制能力。如图3所示为本示例的优化结果,其分别显示了有谐波抑制负载和没有谐波抑制负载的各次谐波分量与直流分量的比值,可以看出本电路结构对各次谐波有明显的抑制效果。
本实施例中,基频的λ/4微带线的长×宽为10.61mm×2.20mm;二次谐波的λ/4微带线的长×宽为5.27mm×2.22mm;三次谐波的λ/4微带线的长×宽为3.49mm×2.26mm;四次谐波的λ/4微带线的长×宽为2.60mm×2.32mm。
阻抗匹配模块包括连接的微带线1、微带线2和微带线3,微带线2为终端开路微带线,将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配,微带线3与倍压整流模块连接。微带线1、2、3的长度要根据设计时前后级的阻抗进行调整。
倍压整流模块在输入信号进入负半周时,二极管D1导通,二极管D2截止,电容C1充电,充电至Ui;在输入信号进入正半周时,二极管D1截止,二极管D2导通,电容C1上的电压和输入信号串联(等于Ui+Ui,即输出约等于2Ui),基于微带线的电容效应,共同通过二极管D2对所述的谐波抑制负载结构的微带线充电。
倍压整流模块还包括二极管D1、二极管D2、电容C1、微带线4、微带线5、微带线6、和微带线7,电容C1与微带线3连接,另一端经微带线4和微带线6与二极管D2连接,二极管D1并联在微带线4和微带线6的连接处,二极管D1的正极通过微带线5接地,微带四次谐波抑制负载电路通过微带线7与二极管D2的负极串联,其中,所述的微带线4、微带线6和微带线7均为特性阻抗为50Ω的基波λ/4微带线。此外,微带线5可以通过金属过孔via接地。
从图6~7可看出,四次谐波抑制负载,可以减弱二极管在工作时电压电流的非线性,使其工作在相对线性度更高的状态下,降低其功耗,从而提高电路的转化效率。
微带线5的长度可调,用于在匹配状态下调节二极管D1和二极管D2的工作状态,进一步降低二极管的功耗,提高电路的转化效率,最终选择转化效率最高时对应的长度即为微带线5的长度。
微带线5的长度L的取值范围为基波的0~λ/4的微带线长度,本实施例中微带线5的长度L的确定方法包括以下步骤:
步骤1:获得倍压整流模块的输入阻抗,调整微带线1、微带线2和微带线3,使所述的输入阻抗与信号源的输出阻抗处于阻抗匹配状态,得到处于阻抗匹配状态的电路;
步骤2:对步骤1的处于阻抗匹配状态的电路进行谐波平衡仿真,将微带线5的长度L从0增大到λ/4,获得对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,选择使带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率最高的长度L即为微带线5的长度。
本实施例给出具体微带线5的长度L计算实例:
基波的λ/4长度为10.6mm,微带线5在设计中选择从0.1mm开始步进0.5mm一直到10.6mm,共计21等分。测量倍压整流模块的输入阻抗(在电容C1的左边处测量包括C1之后的输入阻抗),调整微带线1、2、3使电路处于阻抗匹配状态。
对处于阻抗匹配状态的电路外接可变负载阻抗,获得可变外接负载阻抗变化时对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,即将输入信号转化为直流信号输出的效率。负载阻抗的变化范围在0~2000Ω。
效果验证:
本发明的具体实施例采用基于AD公司的通信系统仿真验证平台AD-FMCOMMS3-EBZ作为射频前端,设置中心频率为4.85GHz。在安捷伦的ADS开发平台进行仿真设计,使用旺灵板材,介电常数2.55,板厚0.8mm。
确定电路各项仿真参数,与同样结构同样优化方法设计的传统结构的电路输出电压波形对比如图8所示,转化效率对比如图9所示,在本示例中,优选微带线5长度为4~5mm,λ/8左右,最优的微带线5长度为4.6mm,其在30mw的输入条件下,转化效率达到72.463%。而采用同样设计方法设计的没有带谐波抑制负载的传统结构其最大转化效率只到59.19%。
确定完各项参数后,将上述电路转化为电路板设计图,按照设计参数生产出电路板,并进行焊接。示例的电路板如图10(a)和参照电路如图10(b)所示。实测电路板的转换效率对比图如图11所示,输入功率为30mw实测的结果中示例的实测转化率在750Ω最高,达到61.17%;参照电路的实测转化效率在400Ω达到最高,达到44.08%。
综上,本发明设计出面向于超高频(大于3Ghz)带有四次谐波负载结构的较传统结构更高效的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,有效的提高了电路转化效率,并使得输出的直流电压更加平稳,提升了电路的性能。

Claims (9)

1.一种谐波抑制负载结构,其特征在于,所述的谐波抑制负载结构为微带四次谐波抑制负载,所述的微带四次谐波抑制负载用于抑制谐波,包括微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6,
所述的微带线TL1和微带线TL2串联,所述的微带线TL3和微带线TL4并联在微带线TL1和微带线TL2的连接处且与微带线TL1和微带线TL2垂直,所述的微带线TL5和微带线TL6并联在微带线TL2的末端且与微带线TL2垂直;
所述的微带线TL1、微带线TL2、微带线TL3均为基频的λ/4微带线,所述的微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6分别为二次谐波的λ/4微带线、三次谐波的λ/4微带线和四次谐波的λ/4微带线,所述的微带线TL3、微带线TL4、微带线TL5和微带线TL6均为终端开路微带线。
2.一种带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,包括依次连接的阻抗匹配模块和倍压整流模块,所述的倍压整流模块包括权利要求1所述的谐波抑制负载结构;
所述的阻抗匹配模块用于将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配;
所述的倍压整流模块通过所述的谐波抑制负载结构,对谐波干扰进行抑制,将输入信号进行整流,提高所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转化效率。
3.根据权利要求2所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的倍压整流模块还包括二极管D1、二极管D2、电容C1、微带线4、微带线5、微带线6和微带线7,所述的电容C1一端与所述的阻抗匹配模块连接,另一端经微带线4和微带线6与二极管D2连接,所述的二极管D1并联在微带线4和微带线6的连接处,二极管D1的正极通过微带线5接地,所述的微带四次谐波抑制负载电路通过微带线7与二极管D2的负极串联,其中,所述的微带线4、微带线6和微带线7均为基波λ/4微带线。
4.根据权利要求3所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的倍压整流模块在输入信号进入负半周时,二极管D1导通,二极管D2截止,电容C1充电;
在输入信号进入正半周时,二极管D1截止,二极管D2导通,电容C1上的电压和输入信号串联,共同通过二极管D2对所述的谐波抑制负载结构的微带线充电。
5.根据权利要求2所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的阻抗匹配模块包括连接的微带线1、微带线2和微带线3,所述的微带线2为终端开路微带线,将倍压整流模块的阻抗与信号源的阻抗进行匹配,所述的微带线3与所述的倍压整流模块连接。
6.根据权利要求3所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的微带线5的长度L的取值范围为基波的0~λ/4的微带线长度,所述微带线5的长度L的确定方法包括以下步骤:
步骤1:获得所述的倍压整流模块输入阻抗,调整微带线1、微带线2和微带线3,使所述的输入阻抗与信号源的输出阻抗处于阻抗匹配状态,得到处于阻抗匹配状态的电路;
步骤2:对步骤1所述的处于阻抗匹配状态的电路进行谐波平衡仿真,将微带线5的长度L从0增大到λ/4,获得对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,选择使带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率最高的长度L即为微带线5的长度。
7.根据权利要求6所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的转换效率的获取方法为:对处于阻抗匹配状态的电路外接可变负载阻抗,获得可变外接负载阻抗变化时对应的带有谐波抑制负载的倍压整流电路的转换效率,所述的负载阻抗的变化范围在0~2000Ω。
8.根据权利要求3所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的微带线5的长度为4~5mm。
9.根据权利要求7所述的带有谐波抑制负载的倍压整流电路,其特征在于,所述的转换效率为60%~75%。
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