CN112737363B - 一种紧凑型大功率微波整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型大功率微波整流电路，属于发电、变电或配电的技术领域。该电路包括：微波输入部分、微波整流部分和直流输出部分。微波输入部分通过隔直电容滤除微波能量中的直流分量，确保只有交流分量进入整流电路且整流后的直流分量不能回馈到输入端；采用整流器件为GaN肖特基二极管且加入微带线枝节的微波整流部分滤除微波能量交流分量的高次谐波，同时抵消二极管寄生电容，使得效率最大化；直流输出部分的微带线枝节滤除整流后的能量带有的基波，使得到达直流端的全为直流能量。本发明实现了大功率微波输入整流，减小了体积和复杂性，降低了成本，设计简单、紧凑，保证微波整流电路在大功率输入时也能达到较高效率。

Description

一种紧凑型大功率微波整流电路
技术领域
本发明公开了一种紧凑型大功率微波整流电路，涉及无线电能传输技术，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
微波能量传输(MPT,Microwave Power Transmission)是一种通过电磁波在自由空间内传输电能的技术，是空间太阳能电站开展研究的关键，同时在给平流层飞艇、无人机等高空飞行器和微小型机器人的供电上也有应用前景。由于微波电能是在自由空间内无线传输，传输损耗较小，对传输效率有所影响的只有大气等自然损耗，因此微波技术目前是国内外的研究热点之一，在军事、航空航天等方面有着广阔的发展前景。
微波能量传输系统主要由微波发射端、自由空间以及微波接收端三部分组成。接收端的通用结构如图1所示，包括：接收天线、匹配电路、整流电路、谐波抑制电路和直流负载。微波整流电路是MPT系统的重要组成部分，用于实现微波到直流电能的转换，为负载端供电。对于微波整流电路来说，核心器件就是整流器件，整流器件决定着整流后直流电能的质量以及系统的整流效率。目前的研究大多数使用普通高频肖特基二极管。普通高频肖特基二极管具有低导通电压、低结电容和低导通电阻的优点，具有很好的整流性能，但是它的击穿电压比较小，只适用于小功率微波整流，不能作为大功率输入情况下的整流管。为了能够实现大功率整流，通常会在电路中加入功分器先对功率进行分流，再对每个支路进行肖特基二极管的小功率整流，但是分流器件的加入往往使得电路结构庞大。同时，也有采用有源器件进行大功率整流的研究，不过由于设计复杂并没有在微波段广泛应用。不管是功分器分流研究还是大功率有源整流，都避免不了结构复杂的缺点，有些设计甚至在图1通用结构的基础上继续增加其它功能模块，这些复杂的电路不能适应微波整流电路的小型化、模块化发展需求。采用并联形式的微波整流电路虽然能够提高整流效率，但用于整流支路的高频肖特基二极管因击穿电压低存在整流功率范围受限的缺陷。
本申请旨在提出一种紧凑型大功率微波整流电路，通过接在二极管阳极和阴极上的微带线枝节实现高效的无源滤波。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出了一种紧凑型大功率微波整流电路，该电路根据谐波抑制原理，对非线性二极管器件整流产生的各次谐波进行滤除，同时抵消二极管自身的寄生电容，提高了整流效率，解决了现有微波能量传输系统接收端的整流电路在大功率输入场合下结构复杂的技术问题。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种紧凑型大功率微波整流电路，包括如下3个部分：
(1)微波输入部分：在微波能量进入整流电路之前，先通过隔直电容滤除直流分量，确保只有交流分量进入整流电路且整流后的直流分量不能回馈到输入端；
(2)微波整流部分：整流器件为GaN肖特基二极管，且加入微带线枝节滤除高次谐波，同时抵消二极管寄生电容，使得效率最大化；
(3)直流输出部分：整流后的能量还带有少量的基波分量，经过微带线枝节滤除基波，使得到达直流端的全为直流能量。
进一步地，微波整流部分包括：接在微波输入部分输出端和直流输输出部分输入端之间的主传输线、二极管、二倍频四分之一波长微带线、三倍频四分之一波长微带线、四倍频四分之一波长微带线，所述二极管的阴极、三倍频四分之一波长微带线的一端、四倍频四分之一波长微带线的一端均连接主传输线，二极管的阳极与二倍频四分之一波长微带线的一端连接，三倍频四分之一波长微带线的另一端、四倍频四分之一波长微带线的另一端均开路，二倍频四分之一波长微带线的另一端短路。二倍频四分之一波长微带线的负载值抵消二极管寄生结电容，二极管选用GaN肖特基二极管。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)成本优势：相对于功分器、二极管阵列和有源整流等其它大功率整流方法，本发明在大功率微波整流时采用GaN肖特基二极管进行无源整流，结构的尺寸和复杂性都大大降低，从而降低了成本开销。
(2)性能优势：相对于传统微波整流方法复杂的阻抗匹配电路和谐波抑制电路，本发明仅利用谐波抑制原理进行高次谐波的滤除，同时利用微带线抵消了二极管自身寄生电容，使得整流效率提高，结构紧凑，设计简单。
附图说明
图1是微波无线传能接收端系统的通用结构图。
图2是本发明提出的紧凑型大功率整流电路的整体框图。
图3是微波能量在整流电路中转换的示意图。
图4是整流器件支路的示意图。
具体实施方式
本发明提出的紧凑型大功率微波整流电路，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，以及参照附图对本发明进一步详细说明。
针对现有微波能量传输系统接收端的整流电路设计复杂、成本高昂的现状，本申请提出了一种如图2所示的紧凑型大功率微波整流电路，该电路包括微波输入模块、微波整流模块和直流输出模块。下面对电路各部分展开描述。
1.微波输入模块
如图2所示，在微波信号进入整流电路前需加入隔直电容C。天线接收到的微波能量信号可分解为直流分量、基波以及各次谐波，为了防止直流分量进入整流以及整流结束得到的直流能量回馈到输入端而影响整流效率，一般都会对直流量进行滤除。目前使用的滤波器和隔直电容都能达到滤除直流的效果，而隔直电容相较于设计复杂的滤波器具有体积小、成本低的优点，为了使结构紧凑，本发明采用隔直电容滤除直流分量。如图3所示，在通过隔直电容后，微波能量变为基波及各次谐波。
2.微波整流模块
经过对几种整流电路的仿真分析，发现采用并联形式的微波整流电路效率最高。对于微波整流电路，目前主要使用的整流器件有普通高频肖特基二极管和高电子迁移率晶体管。二极管是一种非线性器件，存在结电容、串联电阻等寄生参数。通常来说，结电容越大，二极管的击穿电压越大，能够处理的功率也越大，但是在微波高频频段，结电容越大，容抗越小，导通能力越强，微波能量就会在结电容中完全短路，这样破坏了二极管自身的导通特性。因此具有小的结电容的二极管一般更适合用于微波高频场合，而普通高频肖特基二极管正是因为具有低导通电压、低结电容和低导通电阻的优点，在现今的微波整流研究中广泛使用，但是它的弱点是击穿电压低，因此其整流功率范围被限制在20dBm以内；高电子迁移率晶体管多为GaN、GaAs等新型器件，这些新型制作材料的器件击穿电压高、电子迁移率高，已经在放大器设计中作为开关管实现了功率放大作用，故有研究将功放设计原理逆推得到整流电路来实现微波大功率整流，但是这类电路都需要加辅助电源控制开关管，有源整流设计困难、结构复杂。本申请综合考虑，采用了一款GaN材料的肖特基二极管器件，兼有肖特基二极管低导通电压、低导通电阻和GaN材料高击穿电压的优点，保证微波整流电路在无源环境中就能拥有较好的整流表现。
由图3可知，经过隔直电容C的处理，进入整流二极管部分的微波能量剩下了基波和各次谐波，其中，基波能量最大并且是整流所需要的频点，各次谐波的存在会使得二极管内部寄生参数产生额外的能量消耗，降低微波整流的效率，因此需要对各次谐波进行滤除，使得整流之后的能量为绝大部分的直流能量以及少量的基波能量。在微波领域使用的滤波方法，最常见最便捷的便是利用四分之一波长的微带线滤除相对应的谐波。图4为并联整流电路示意图，在二极管的阳极、阴极加入了三段微带线枝节，分别是串联在阳极与地线间的TL1、并联在阴极的TL2和TL3，下面介绍这几段微带线枝节各自的作用。TL1串联在二极管阳极和地线之间，是二倍频四分之一波长对应的短路微带线，短路线将二倍频开路，滤除二倍频谐波。除此之外，TL1感应出感性负载，负载值Z1＝jZ0tan(π/4)，其中，Z0为TL1微带线的特性阻抗值；而二极管的寄生电容值ZC＝(jω0Cj)-1，其中，ω0为基波频率，Cj为二极管寄生结电容值。若Z1、ZC二者相加为零，即：
Figure BDA0002864607750000041
则二极管的寄生电容将被抵消，整流性能将会被优化，效率大大提高。推导上式得出TL1微带线的特性阻抗Z0为：
Figure BDA0002864607750000042
特性阻抗和工作频率已知，即可在仿真软件ADS中用LineCalc工具计算出TL1的长度和宽度。
TL2、TL3并联在二极管阴极，分别是三倍频、四倍频的四分之一波长对应的开路微带线，开路线将三倍频、四倍频短路，滤除三次谐波和四次谐波。同时，可以调节TL2、TL3微带线的宽度，将输入阻抗匹配到特性阻抗。
3.直流输出模块
在整流环节结束后，由于器件的非线性，整流后并非全部是直流分量，还需通过微带线滤除少量的基波，以确保整流器电路达到最大效率并改善直流输出电能质量。如图2所示，直接将基波的四分之一波长开路微带线TL4接在电路之中，开路线将基波短路，达到抑制基波的效果。如此，到达直流负载端的能量将全部为直流分量。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种紧凑型大功率微波整流电路，其特征在于，包括：
微波输入部分，对接收的微波能量信号进行隔直处理，输出滤除直流分量的微波信号，
微波整流部分，接微波输入部分的输出端，通过开路二倍频、短路三倍频、短路四倍频的方式滤除所接收微波信号中的二次谐波、三次谐波、四次谐波，输出含有少量基波的直流能量，
直流输出部分，接滤波整流部分的输出端，滤除基波后输出直流能量；
其中，所述微波整流部分包括：接在微波输入部分输出端和直流输出部分输入端之间的主传输线、二极管、二倍频四分之一波长微带线、三倍频四分之一波长微带线、四倍频四分之一波长微带线，所述二极管的阴极、三倍频四分之一波长微带线的一端、四倍频四分之一波长微带线的一端均连接主传输线，二极管的阳极与二倍频四分之一波长微带线的一端连接，三倍频四分之一波长微带线的另一端、四倍频四分之一波长微带线的另一端均开路，二倍频四分之一波长微带线的另一端短路，所述二倍频四分之一波长微带线的特征阻抗依据其负载值抵消二极管寄生结电容值的条件确定，所述二倍频四分之一波长微带线的特征阻抗为
Figure FDA0003756010790000011
其中，Z0为二倍频四分之一波长微带线特征阻抗，ω0为基波频率，Cj为二极管寄生结电容值；
所述直流输出部分包括：基波四分之一波长微带线和负载，所述负载的一端与微波整流部分的输出端、基波四分之一波长微带线的一端相连接，基波四分之一波长微带线的另一端开路，负载的另一端接地。
2.根据权利要求1所述一种紧凑型大功率微波整流电路，其特征在于，所述二极管为GaN肖特基二极管。
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