CN111181415B - 一种阻抗压缩网络的倍压整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，包括微带结构、介质基板和金属地板，所述微带结构由阻抗匹配网络、阻抗压缩网络、倍压整流电路结构、谐波抑制结构和负载端组成，所述阻抗压缩网络由第二微带线、第三微带线、第四微带线和金属化过孔组成；所述第一微带线的一端与输入端相连，且另一端与第二微带线相连；所述第三微带线位于二微带线的上方，该第三微带线的一端垂直于第二微带线，且另一端与金属化过孔相连，所述第四微带线位于第二微带线的下方，该第四微带线的一端垂直于第二微带线，且另一端保持开路。本发明的阻抗压缩网络能有效降低功率对整流二极管的非线性影响，提高整流效率。

Description

一种阻抗压缩网络的倍压整流电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及能量转化技术领域中的一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，可用于将天线接收到的微波信号转化为直流信号的整流电路。

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，微波传能已经引起了人们的广泛注意，通过收集微波能量给电子设备供电的方式已经越来越多，因此对于微波能量收集技术中极为重要的整流电路成为了当下比较重要的研究方向。整流电路一般由输入滤波器、阻抗匹配网络、整流二极管、输出直通滤波器和负载构成，它的主要作用是将收集到的射频能量转化为可直接给电子设备供电的直流能量，从而取代传统的供电方式。但是因为整流二极管自身存在的非线性影响，只适用于输入功率不变的情况下，能够实现较好的匹配，但是在输入功率不同时，输入阻抗也会发生变化，引起阻抗失配，最终影响整流效率。

例如，2018年，Zhi-Xia Du等人在IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALELECTRONICS期刊中，发表了《High-Efficiency Single-and Dual-Band RectifiersUsing a Complex Impedance Compression Network for Wireless Power Transfer》中，该论文公开了一种单频的带有阻抗压缩网络的整流电路，该电路有两个相同的整流支路，可以用来降低整流电路的输入阻抗随输入功率变化的敏感程度，而且能够减小整流电路输入阻抗随负载变化的波动范围，提升电路的匹配性能，从而可以在更宽的功率范围和负载电阻内实现较高的转换效率。但是，该电路仍存在的不足之处是，1)该电路引入了四个整流二极管，导致结构较为复杂，且成本较高；2)该电路只是在0dBm～20dBm输入功率范围内,对输入阻抗有较好的阻抗压缩效果，但不适用于更低的输入功率变化；3)该电路虽然对负载电阻变化也有一定的阻抗压缩效果，但是负载电阻的变化范围较小。

例如，华南理工大学在其申请的名称为“一种基于复阻抗压缩技术的高效率整流电路”(申请号201710153863.6，公布号CN 106992696 A)专利文献中，提出了一种基于复阻抗压缩技术的高效率整流电路。该整流电路由复阻抗压缩及匹配网络、倍压整流电路结构、谐波抑制网络和负载端构成，能使该整流电路在更宽的输入功率范围内实现高整流效率，但是，该整流电路仍存在的不足之处是，1)电路结构较为复杂，2)对于能实现阻抗压缩的输入功率范围较窄，3)该电路并没有考虑阻抗压缩网络对于负载电阻变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种阻抗压缩网络的倍压整流电路。使该整流电路能有效降低功率对整流二极管的非线性影响，有利于提高整流效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下

一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，包括微带结构、介质基板和金属地板，所述微带结构印制在介质基板的上表面，所述金属地板印制在介质基板的下表面，所述微带结构由阻抗匹配网络、阻抗压缩网络、倍压整流电路结构、谐波抑制结构和负载端组成，所述阻抗匹配网络由电感、第一微带线和金属化过孔组成；所述的倍压整流电路结构由电容、第五微带线、第一二极管、第二二极管和金属化过孔组成；所述的谐波抑制结构由第六微带线、第七微带线、第八微带线和第九微带线组成；该第九微带线的输出端与负载端相连接；其特征在于：

所述阻抗压缩网络由第二微带线、第三微带线、第四微带线和金属化过孔组成；所述第一微带线的一端与输入端相连，且另一端与第二微带线相连；所述第三微带线位于第二微带线的上方，该第三微带线的一端垂直于第二微带线，且另一端与金属化过孔相连，所述第四微带线位于第二微带线的下方，该第四微带线的一端垂直于第二微带线，且另一端保持开路，实现了宽输入功率范围，能够有效提高整流效率。

上述权利要求中，所述第二微带线和第三微带线的电长度表示为θ₁和θ₂，其中，θ₁+θ₂＝180°。

上述权利要求中，所述第七微带线的电长度表示为θ₃，其中，θ₃＝f₁/4，f₁表示为基频；所述第八微带线的电长度表示为θ₄，其中，θ₄＝f₂/4，其中，f₂表示二倍频。

上述权利要求中，所述第三微带线和第四微带线沿Z轴的轴线方向相互对称分布；所述第七微带线和第八微带线沿X轴的轴线方向相互对称分布。

上述权利要求中，所述的输入端特性阻抗为50Ω。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明采用的阻抗压缩网络由第二微带线、第三微带线、第四微带线和金属化过孔组成，有效降低了整流二极管的非线性影响，在输入功率范围为-10dBm～20dBm时，有效抑制整流二极管的阻抗变化，进而提升了整流效率。

第二、本发明采用的阻抗压缩网络由第二微带线、第三微带线、第四微带线和金属化过孔组成，能够有效降低因负载电阻变化而引起的输入阻抗的变化，降低输入阻抗的波动性，简化了阻抗匹配网络，使该电路负载电阻在800Ω～4300Ω范围内的整流效率都高于50％。

第三，本发明倍压整流电路的整体结构简单，在输入功率为10dBm情况下，整流效率可以达到82％，实现了一种小型化、高效率的整流电路设计，能够为低功率用电设备提供稳定电压。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的电路结构俯视图。

图3为本发明的阻抗随输入功率变化的曲线图。

图4为本发明的效率随输入功率变化的曲线图。

图5为本发明的效率随负载电路变化的曲线图。

具体实施方式

以下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

实施例1

参照图1和图2

一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，包括微带结构1、介质基板2和金属地板3，所述微带结构1印制在介质基板2的上表面，所述金属地板3印制在介质基板2的下表面，所述微带结构1由阻抗匹配网络11、阻抗压缩网络12、倍压整流电路结构13、谐波抑制结构14和负载端15组成，所述阻抗匹配网络11由电感111、第一微带线112和金属化过孔113组成；所述的倍压整流电路结构13由电容131、第五微带线132、第一二极管133、第二二极管134和金属化过孔135组成；所述的谐波抑制结构14由第六微带线141、第七微带线142、第八微带线143和第九微带线144组成；该第九微带线144的输出端与负载端15相连接；

所述阻抗压缩网络12由第二微带线121、第三微带线122、第四微带线123和金属化过孔124组成；所述第一微带线112的一端与输入端110相连，且另一端与第二微带线121相连；所述第三微带线122位于二微带线121的上方，该第三微带线122的一端垂直于第二微带线121，且另一端与金属化过孔124相连，所述第四微带线123位于二微带线121的下方，该第四微带线123的一端垂直于第二微带线121，且另一端保持开路，实现了宽输入功率范围，能够有效提高整流效率。

本发明根据传输线理论，按下式分别计算出阻抗匹配网络两个枝节的输入阻抗，，假设上面枝节的输入阻抗为Z_L1,下面枝节的输入阻抗为Z_L2，其计算公式如下：

其中，Z_L为负载阻抗，Z_ICN是阻抗匹配网络微带线的特性阻抗，θ_ICN是阻抗匹配网络微带线的电长度。

由此，可以计算整个阻抗匹配网络的输入阻抗Z_in，其计算公式为：

Z_L＝R_L+jX_L

其中，R_L为Z_L的实部，X_L为Z_L的虚部。

从这个公式的结果得出，阻抗匹配网络的输入阻抗Z_in比负载阻抗Z_L的变化更小，当Z_L变化时实现了复阻抗压缩效果。

所述第二微带线121和第三微带线122的电长度表示为θ₁和θ₂，其中，θ₁+θ₂＝180°。

所述第七微带线142的电长度表示为θ₃，其中，θ₃＝f₁/4，f₁表示为基频；所述第八微带线143的电长度表示为θ₄，其中，θ₄＝f₂/4，其中，f₂表示二倍频。

所述第三微带线122和第四微带线123沿Z轴的轴线方向相互对称分布；所述第七微带线142和第八微带线143沿Z轴的轴线方向相互对称分布。

所述的输入端110特性阻抗为50Ω。

以下结合仿真实验对本发明效果做进一步描述：

参照图3、图4和图5

1、仿真条件

采用ADS软件进行仿真，选取发射频率为900MHz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；

2、仿真内容

建立用于微波能量收集的整流电路的仿真模型，最后对本发明的输入阻抗随输入功率大小的变化进行仿真，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。

图3为输入阻抗随输入功率变化的曲线图，横轴表示输入功率(dBm)，纵轴表示输入阻抗的实部虚部(Ω)。从图3可以看出，当输入功率为-10dBm～20dBm之间，输入阻抗的实部在0～4Ω之间，输入阻抗的虚部在-13～16Ω之间，输入阻抗曲线的波动性很小。

图4为效率随输入功率变化的曲线图，横轴表示输入功率(dBm)，纵轴表示效率。从图4可以看出，当负载电阻为2300Ω，输入功率为11dBm时，效率最高为82％，输入功率在(-5dBm～15dBm)之间都能够获得高于50％的效率。

图5为效率随负载电阻变化的曲线图，横轴表示负载电阻，纵轴表示效率。从图5可以看出，当输入功率为11dBm，负载电阻为2300Ω时，效率最高为82％，负载电阻在(800Ω～4300Ω)之间都能够获得高于50％的效率。

在整流电路中，当输入端口110的微带传输线的特性阻抗为50欧姆，电角度为45度，电感111为1.31nH，与输入端口110相连的第一微带线112的特性阻抗为50Ω，电角度为8度，第二微带线122特性阻抗为50Ω，电角度为120度，第三微带线121特性阻抗为50Ω，电角度为60度，第四微带线123特性阻抗为50Ω，电角度为45度，电容131为100pF，第五微带线132特性阻抗为50Ω，电角度为45度；选取的整流二极管133和整流二极管134的型号为HSMS286C,第六微带线141特性阻抗为50Ω，电角度为60度，第七微带线142特性阻抗为50Ω，电角度为90度，第八微带线143特性阻抗为50Ω，电角度为45度，第九微带线144特性阻抗为50Ω，电角度为60度。

为了验证本发明的仿真效果，对本发明的输入阻抗随输入功率大小的变化进行仿真，仿真的结果如图(3)所示，对效率随输入功率和负载电阻大小的变化进行仿真，仿真的结果如图(4)和(5)，从仿真效果可知，该倍压整流电路对输入阻抗有良好的阻抗压缩效果，提升了整流效率。

Claims (5)

1.一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，包括微带结构(1)、介质基板(2)和金属地板(3)，所述微带结构(1)印制在介质基板(2)的上表面，所述金属地板(3)印制在介质基板(2)的下表面，所述微带结构(1)由阻抗匹配网络(11)、阻抗压缩网络(12)、倍压整流电路结构(13)、谐波抑制结构(14)和负载端(15)组成，所述阻抗匹配网络(11)由电感(111)、第一微带线(112)和金属化过孔(113)组成；所述的倍压整流电路结构(13)由电容(131)、第五微带线(132)、第一二极管(133)、第二二极管(134)和金属化过孔(135)组成；所述的谐波抑制结构(14)由第六微带线(141)、第七微带线(142)、第八微带线(143)和第九微带线(144)组成；该第九微带线(144)的输出端与负载端(15)相连接；其特征在于：

所述阻抗压缩网络(12)由第二微带线(121)、第三微带线(122)、第四微带线(123)和金属化过孔(124)组成；所述第一微带线(112)的一端与输入端(110)相连，且另一端与第二微带线(121)相连；所述第三微带线(122)位于第二微带线(121)的上方，该第三微带线(122)的一端垂直于第二微带线(121)，且另一端与金属化过孔(124)相连，所述第四微带线(123)位于第二微带线(121)的下方，该第四微带线(123)的一端垂直于第二微带线(121)，且另一端保持开路，实现了宽输入功率范围，能够有效提高整流效率；

所述七微带线(142)位于第九微带线(144)上方；第八微带线(143)位于第九微带线(144)下方，并垂直于第九微带线(144)；第七微带线(142)和第八微带线(143)关于第九微带线(144)上下对称分布；第六微带线(141)输入端连接倍压整流电路结构(13)输出端，输出端连接第九微带线(144)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，其特征在于，所述第二微带线(121)和第三微带线(122)的电长度表示为θ₁和θ₂，其中，θ₁+θ₂＝180°。

3.根据权利要求1所述的一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，其特征在于，所述第七微带线(142)的电长度表示为θ₃，其中，θ₃＝f₁/4，f₁表示为基频；所述第八微带线(143)的电长度表示为θ₄，其中，θ₄＝f₂/4，其中，f₂表示二倍频。

4.根据权利要求1所述的一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，其特征在于，所述第三微带线(122)和第四微带线(123)沿Z轴的轴线方向相互对称分布；所述第七微带线(142)和第八微带线(143)沿Z轴的轴线方向相互对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种阻抗压缩网络的倍压整流电路，其特征在于，所述的输入端(110)特性阻抗为50Ω。

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