CN111596190A - 一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法 - Google Patents

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黄卡玛
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Abstract

本发明公开了一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，包括：步骤1、确定整流电路的参数。步骤2、计算二极管的结电压VD和整流电路的输出电压Vout。步骤3、计算输入电流Iin。步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout。步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率。本发明所述计算方法可以根据设计需求预估微波频段下肖特基二极管的整流效率。

Description

一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法
技术领域
本发明属于微波射频器件技术领域，尤其涉及微波射频器件技术领域中的一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法。
背景技术
微波能量传输系统是将电磁波作为能量的载体，实现远距离能量传输的一种装置。其原理是利用微波功率源将直流电或交流电转换为微波能量，由天线发射出去，微波能量通过自由空间到达接收天线，然后经过整流电路转换为直流电，为装置供电。微波能量传输系统具有作用距离远，功率容量大等特点，可为物联网、无人机等进行远距离供电，也可实现空间太阳能电站的远程输电，具有广阔的应用前景。
微波整流电路是微波能量传输系统接收端的重要组成部分，其作用是利用肖特基二极管的非线性将微波能量转化为直流能量，整流电路的效率主要由肖特基二极管的性能来决定。在整流电路设计的初始，需要根据应用场合与系统要求来选择合适的肖特基二极管，因此有必要提出一种可以利用二极管参数来计算二极管的整流效率的方法。文献《Theoretical and experimental development of 10and 35GHz rectennas》(IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.40,no.6,1992)及《Theoretical analysis of RF-DC conversion efficiency for class-F rectifiers》(IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.62,no.4,2014)均提出通过计算输出电压来得到输出直流功率，计算二极管的串联电阻以及结上的损耗来计算损耗的功率，最终得到肖特基二极管整流效率的方法。然而，这些方法采用的二极管I-V特性过于理想，都假设二极管未导通和未击穿时通过二极管的电流为零，反之，电流则为无穷大。因此，这些方法计算出来的肖特基二极管整流效率存在较大误差。
发明内容
本发明的目的是提出一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，克服现有计算方法计算结果误差较大的缺点。
本发明的技术方案之一是：一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，包括以下步骤
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、滤波电容CL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于串联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure BDA0002513319170000021
Figure BDA0002513319170000022
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure BDA0002513319170000023
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD和整流电路的输出电压Vout；
步骤3、将输出电压Vout代入下式
Figure BDA0002513319170000024
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure BDA0002513319170000025
Figure BDA0002513319170000026
Figure BDA0002513319170000031
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin。
本发明的技术方案之二是：一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，包括以下步骤
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、隔直电容Cb、滤波电感LL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于并联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure BDA0002513319170000032
Figure BDA0002513319170000033
Figure BDA0002513319170000034
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure BDA0002513319170000035
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD，整流电路的输出电压Vout及隔直电容两端电压VCb；
步骤3、将隔直电容两端电压VCb代入下式
Figure BDA0002513319170000036
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure BDA0002513319170000041
Figure BDA0002513319170000042
Figure BDA0002513319170000043
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.以往的计算方法都是采用I-V特性曲线过于理想，均假设二极管未导通和未击穿时通过二极管的电流为零，反之，电流则为无穷大，而本发明采用的I-V特性是根据肖克利方程得出，更接近实际，因此，本发明的计算结果更准确。
2.以往的方法忽略了高次谐波的影响，本发明在整流电路的输出端引入了高频滤波电容CL或滤波电感LL，对高次谐波有抑制作用，输出电压更接近直流，计算结果更准确。
附图说明
图1是本发明所对应的串联二极管整流电路模型
图2是本发明所对应的并联二极管整流电路模型
图3是本发明的流程图
图4是本发明计算的串联二极管时整流效率随输入功率变化的曲线
图5是本发明计算的并联二极管时整流效率随输入功率变化的曲线
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，包括以下步骤
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、滤波电容CL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于串联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure BDA0002513319170000051
Figure BDA0002513319170000052
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure BDA0002513319170000053
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD和整流电路的输出电压Vout；
步骤3、将输出电压Vout代入下式
Figure BDA0002513319170000054
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure BDA0002513319170000055
Figure BDA0002513319170000056
Figure BDA0002513319170000057
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin；
为进一步说明上述技术方案的可靠性，下面给出一个具体计算实例，整流电路为串联二极管拓扑模型，如图1所示。输入端正弦电压信号的幅值Vm＝0.5–4.5V，步进为0.2V，工作频率f＝5.8GHz、负载电阻RL＝400Ω、滤波电容CL＝100pF，整流二极管为HSMS-286x，内建电势Vbi＝0.65V、击穿电压Vbr＝7V、零偏置结电容Cj0＝0.18pF、串联电阻RS＝6Ω、反向饱和电流IS＝5×10-8A、结区梯度系数m＝0.5、发射系数n＝1.08。计算的流程如图3所示，计算所得的整流效率随输入功率变化的曲线如图4所示。
实施例2：一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，包括以下步骤
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、隔直电容Cb、滤波电感LL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于并联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure BDA0002513319170000061
Figure BDA0002513319170000062
Figure BDA0002513319170000063
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure BDA0002513319170000064
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD，整流电路的输出电压Vout及隔直电容两端电压VCb；
步骤3、将隔直电容两端电压VCb代入下式
Figure BDA0002513319170000071
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure BDA0002513319170000072
Figure BDA0002513319170000073
Figure BDA0002513319170000074
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin。
为进一步说明上述技术方案的可靠性，下面给出一个具体计算实例，整流电路为并联二极管拓扑模型，如图2所示。输入端正弦电压信号的幅值Vm＝0.5–4.5V，步进为0.2V，工作频率f＝5.8GHz、负载电阻RL＝400Ω、隔直电容CL＝100pF、滤波电感LL＝1000nH，整流二极管为HSMS-286x，内建电势Vbi＝0.65V、击穿电压Vbr＝7V、零偏置结电容Cj0＝0.18pF、串联电阻RS＝6Ω、反向饱和电流IS＝5×10-8A、结区梯度系数m＝0.5、发射系数n＝1.08。计算的流程如图3所示，计算所得的整流效率随输入功率变化的曲线如图5所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、滤波电容CL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于串联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure FDA0002513319160000011
Figure FDA0002513319160000012
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure FDA0002513319160000013
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD和整流电路的输出电压Vout；
步骤3、将输出电压Vout代入下式
Figure FDA0002513319160000014
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure FDA0002513319160000015
Figure FDA0002513319160000016
Figure FDA0002513319160000017
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin。
2.一种微波肖特基二极管整流效率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定整流电路的参数，包括整流电路输入端正弦电压信号的幅值Vm，工作频率f、负载电阻RL、隔直电容Cb、滤波电感LL，及整流二极管的参数，包括内建电势Vbi、击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0、串联电阻RS、反向饱和电流IS、结区梯度系数m、发射系数n；
步骤2、根据基尔霍夫定律，对于并联拓扑结构的整流电路，建立以下方程组
Figure FDA0002513319160000021
Figure FDA0002513319160000022
Figure FDA0002513319160000023
其中，VT是热电势，在室温300K下VT＝kT/q的近似值为0.026V，ω为角频率，ω＝2πf，结电容Cj为
Figure FDA0002513319160000024
通过欧拉法或预测-校正法求解上述微分方程组，得到二极管的结电压VD，整流电路的输出电压Vout及隔直电容两端电压VCb；
步骤3、将隔直电容两端电压VCb代入下式
Figure FDA0002513319160000025
求得整流电路的输入电流Iin；
步骤4、计算输入功率Pin及输出功率Pout
Figure FDA0002513319160000031
Figure FDA0002513319160000032
Figure FDA0002513319160000033
其中，T为输入信号的周期，T＝1/f，Vout,DC为直流输出电压，取输出电压Vout的均值。
步骤5、计算微波肖特基二极管的整流效率ηD＝Pout/Pin。
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