CN113659853A - 一种单支路多频段射频整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单支路多频段射频整流电路，包括至少一条支路，该支路处理至少四种频段的射频信号；该支路至少包括依次串联的阻抗匹配网络、倍压整流网络和直通滤波器；所述的阻抗匹配网络对输入的阻抗进行匹配；所述的倍压整流网络对射频信号进行升压和整流，所述的直通滤波器对倍压整流网络输出的射频信号进行直流滤波；阻抗匹配网络的结构和直通滤波器的结构相同。电路尺寸小、结构简单、支路少且成本低；阻抗匹配网络结构和直通滤波器结构相同，均为扇形枝节和微带线相并联的形式，整个射频整流电路可以收集至少四个频段射频信号的能量。

Description

一种单支路多频段射频整流电路
技术领域
本发明属于射频电路领域，特别是一种单支路多频段射频整流电路。
背景技术
随着物联网设备的大量应用，这些设备的长期供电问题亟需解决，传统上一般使用电池供电，但定期的更换电池增加了一定的成本，同时，也影响了设备的正常运行，因此，通过收集环境中的射频能量，将其转化为直流电压信号，为物联网设备供电成为了一种可能，从而可以减少对电池的依赖程度，增加设备的工作寿命。
环境中存在着各种频段的信号，同时，整流电路自身的效率也要提高，因此，有必要设计一种适用于多个频段的射频整流电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单支路多频段射频整流电路，该电路尺寸小、结构简单、支路少且低成本的多射频整流电路，可以收集至少四个频段的能量，所有传输线均使用微带线连接。
针对上述要求，本发明所采用的技术方案是：
一种单支路多频段射频整流电路，包括至少一条支路，该支路处理至少四种频段的射频信号；该支路至少包括依次串联的阻抗匹配网络、倍压整流网络和直通滤波器；所述的阻抗匹配网络对输入的阻抗进行匹配；所述的倍压整流网络对射频信号进行升压和整流，所述的直通滤波器对倍压整流网络输出的射频信号进行直流滤波；阻抗匹配网络的结构和直通滤波器的结构相同。
可选的，所述的阻抗匹配网络为扇形枝节与微带线并联形成的结构。
可选的，阻抗匹配网络中扇形枝节的数量为两个，微带线的数量为五个，通过两个微带节实现并联。
可选的，阻抗匹配网络的输入端设置第一微带线；与第一微带线串联设置第一微带节，第一微带节的剩余端口分别串联第一扇形枝节、第二微带线和第四微带线，与第四微带线串联第一电容和第一微带接地孔；与第二微带线串联设置第二微带节，第二微带节的剩余端口分别串联第二扇形枝节、第三微带线和第五微带线；第五微带线串联设置第二电容和第二微带接地孔；第三微带线串联倍压整流网络。
可选的，第一微带线的长度和宽度分别为4.28mm和1.51mm；第一微带节的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；第四微带线的长度和宽度分别为12.5mm和0.84mm；第一扇形枝节的半径和宽度分别为0.1mm和0.45mm，弧度为140.85°；第二微带线的长度和宽度分别为1.39mm和25.19mm；第二微带节的四个宽度参数分别为0.43mm、0.91mm、0.47mm和1.30mm；第五微带线的长度和宽度分别为20.51mm和0.31mm；第二扇形枝节的半径和宽度分别为2mm和0.375mm，弧度为40°；第三微带线的长度和宽度分别为26.35mm和0.81mm。
可选的，所述的倍压整流网络采用Dickson结构，设置的第一整流二极管和第二整流二极管均为低偏置的肖特基二极管。
可选的，所述的直通滤波器包括与倍压整流网络3的输出端串联的第六微带线；与第六微带线串联设置第三微带节，第三微带节的剩余端口分别串联第三扇形枝节、第七微带线和第九微带线，与第九微带线串联第八电容和第四微带接地孔；与第七微带线串联设置第四微带节，第四微带节的剩余端口分别串联第四扇形枝节、第八微带线和第十微带线；第十微带线串联设置第六电容和第四微带接地孔；第八微带线串联输出端。
可选的，第二整流二极管的输出相连接的第六微带线的长度和宽度分别为24mm和4.00mm；第三微带节的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；第九微带线的长度和宽度分别为23.17mm和8.38mm；第三扇形枝节的半径和宽度分别为16.67mm和0.43mm，弧度为35°；第七微带线的长度和宽度分别为12.27mm和0.3mm；第四微带节的四个宽度参数分别为0.17mm、1.28mm、0.33mm和0.93mm；第十微带线的长度和宽度分别为31.68mm和0.3mm；第四扇形枝节的半径和宽度分别为19.19mm和6.23mm，弧度为66.95°；第八微带线的长度和宽度分别为25.15mm和0.61mm。
可选的，还包括接收射频信号的射频接收端，射频接收端通过隔直器将射频信号输出给阻抗匹配网络。
可选的，还包括输出负载，输出负载与直通滤波器串联；输出负载串联设置接地功率测量探针和负载电阻，直通滤波器的输出端与接地功率测量探针串联；与所述的负载电阻并联设置第七电容。
本发明的有益效果：
本发明的单支路多频段射频整流电路，只有一条支路，设置有一个阻抗匹配网络、一个二阶倍压整流结构和一个直通滤波器，阻抗匹配网络结构和直通滤波器结构相同，均为扇形枝节和微带线相并联的形式，阻抗匹配中扇形枝节的直径以及微带线长度宽度均不相同；直通滤波器中扇形枝节的直径以及微带线长度宽度也均不相同。在至少四个频段内均能达到较好的整流效果，可以实现收集至少四个频段的能量，其中1.5GHZ频率下能达到65％，在3.1GHZ和3.8GHZ下为45％左右，4.6GHZ频率下也能达到10％以上。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本发明的单支路多频段射频整流电路的电路图；
图2是本发明的单支路多频段射频整流电路的反射系数曲线图；
图3是1.5GHZ下，单支路多频段射频整流电路的整流效率与输入功率关系图；
图4是3.1GHZ下，单支路多频段射频整流电路的整流效率与输入功率关系图；
图5是3.8GHZ下，单支路多频段射频整流电路的整流效率与输入功率关系图；
图6是4.6GHZ下，单支路多频段射频整流电路的整流效率与输入功率关系图；
图1中的标号表示为：
1-射频接收端、11-功率源；
2-阻抗匹配网络、21-第一微带线、22-第一微带节、23-第二微带线、24-第二微带节、25-第三微带线、26-第四微带线、27-第五微带线、28-第一扇形枝节、29-第二扇形枝节、C1-第一电容、C2-第二电容、V1-第一微带接地孔、V2-第二微带接地孔；
3-倍压整流网络、C3-第三电容、C4-第四电容、D1-第一整流二极管、D2-第二整流二极管、C5-第五电容；
4-直通滤波器、41-第六微带线、42-第三微带节、43-第七微带线、44-第四微带节、45-第八微带线、46-第九微带线、47-第十微带线、48-第三扇形枝节、49-第四扇形枝节、C6-第六电容、C8-第八电容、V3-第三微带接地孔、V4-第四微带接地孔；
5-输出负载、51-接地功率测量探针、52-负载电阻、C7-第七电容；
6-隔直器。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
结合图1，本发明的多频段射频整流电路，包括：至少一条支路，处理至少四种频段的射频信号；阻抗匹配网络2，用于对输入阻抗进行匹配；倍压整流网络3，用于对射频信号进行升压和整流。直通滤波器4，用于对倍压整流网络3输出的信号进行直流滤波；阻抗匹配网络2结构和直通滤波器4结构相同，即设置的微带线的数量和种类相同，均为扇形枝节和微带线相并联的形式，但是具体的微带线的参数不同，比如阻抗匹配2中扇形枝节的直径以及微带线长度宽度均不相同；直通滤波器4中扇形枝节的直径以及微带线长度宽度也均不相同。
在本公开的实施例中，阻抗匹配网络2为扇形枝节与微带线并联形成的结构。扇形枝节、微带线和微带节不同的参数设置，实现了对多个频段的阻抗匹配。
在本公开的实施例中，阻抗匹配网络2中扇形枝节的数量为两个，微带线的数量为五个，通过两个微带节实现并联。
在本公开的实施例中，阻抗匹配网络2的输入端设置第一微带线21；与第一微带线21串联设置第一微带节22，第一微带节22的剩余端口分别串联第一扇形枝节28、第二微带线23和第四微带线26，与第四微带线26串联第一电容C1和第一微带接地孔V1；与第二微带线22串联设置第二微带节24，第二微带节24的剩余端口分别串联第二扇形枝节29、第三微带线25和第五微带线27；第五微带线27串联设置第二电容C2和第二微带接地孔V2；第三微带线25串联倍压整流网络3。
在本公开的实施例中，第一微带线21的长度和宽度分别为4.28mm和1.51mm；第一微带节22的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；第四微带线26的长度和宽度分别为12.5mm和0.84mm；第一扇形枝节28的半径和宽度分别为0.1mm和0.45mm，弧度为140.85°；第二微带线23的长度和宽度分别为1.39mm和25.19mm；第二微带节24的四个宽度参数分别为0.43mm、0.91mm、0.47mm和1.30mm；第五微带线27的长度和宽度分别为20.51mm和0.31mm；第二扇形枝节29的半径和宽度分别为2mm和0.375mm，弧度为40°；第三微带线25的长度和宽度分别为26.35mm和0.81mm。扇形枝节、微带线和微带节不同的参数设置，实现了对多个频段的直通滤波
在本公开的实施例中，倍压整流网络3采用Dickson结构，二阶倍压，设置的第一整流二极管D1和第二整流二极管D2均为低偏置的肖特基二极管。
在本公开的实施例中，直通滤波器4包括与倍压整流网络3的输出端串联的第六微带线41；与第六微带线41串联设置第三微带节42，第三微带节42的剩余端口分别串联第三扇形枝节48、第七微带线43和第九微带线46，与第九微带线46串联第八电容C8和第四微带接地孔V4；与第七微带线43串联设置第四微带节44，第四微带节44的剩余端口分别串联第四扇形枝节49、第八微带线45和第十微带线47；第十微带线47串联设置第六电容C6和第四微带接地孔V4；第八微带线45串联输出端。
在本公开的实施例中，第六微带线41的长度和宽度分别为24mm和4.00mm；第三微带节42的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；第九微带线46的长度和宽度分别为23.17mm和8.38mm；第三扇形枝节48的半径和宽度分别为16.67mm和0.43mm，弧度为35°；第七微带线43的长度和宽度分别为12.27mm和0.3mm；第四微带节44的四个宽度参数分别为0.17mm、1.28mm、0.33mm和0.93mm；第十微带线47的长度和宽度分别为31.68mm和0.3mm；第四扇形枝节(49)的半径和宽度分别为19.19mm和6.23mm，弧度为66.95°；第八微带线45的长度和宽度分别为25.15mm和0.61mm。扇形枝节、微带线和微带节不同的参数设置，实现了对多个频段的直通滤波
在本公开的实施例中，还包括接收射频信号的射频接收端1，射频接收端1通过隔直器6将射频信号输出给阻抗匹配网络2，射频接收端1中设置功率源11。
在本公开的实施例中，还包括输出负载5，输出负载5与直通滤波器4串联；输出负载5串联设置接地功率测量探针51和负载电阻52，直通滤波器4的输出端与接地功率测量探针51串联；与负载电阻52并联设置第七电容C7。
实施例一：
参照图1所示的单支路多频段射频整流电路，包括依次串联的射频接收端1，一个阻抗匹配网络2、一个倍压整流网络3、一个直通滤波器4和输出负载5。
而直通滤波器4的直流输出到负载，负载电阻52阻值为3.1KΩ，封装为0805的贴片电阻。
具体地，阻抗匹配网络2的目的是将整个支路匹配到50Ω，使其与信号源匹配，以减少信号的反射，使更多的能量进入电路，以及滤除反射回射频接收端1的高次谐波，可以类似为低通滤波器。
具体地，阻抗匹配网络2中的传输线均采用微带线连接，与输入端相连接的第一微带线21的长度和宽度分别为4.28mm和1.51mm，第一微带节22的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm，第四微带线26的长度和宽度分别为12.5mm、0.84mm，第一扇形枝节28的半径和宽度分别为0.1mm、0.45mm，弧度为140.85°；第二微带线23的长度和宽度分别为1.39mm和25.19mm，第二微带节24的四个宽度参数分别为0.43mm、0.91mm、0.47mm和1.30mm，第五微带线27的长度和宽度分别为20.51mm、0.31mm，第二扇形枝节29的半径和宽度分别为2mm、0.375mm，弧度为40°，第三微带线25的长度和宽度分别为26.35mm和0.81mm，扇形枝节、微带线和微带节不同的参数设置，实现了对多个频段的阻抗匹配。
经过对各种型号的阈值电压、反向击穿电压等参数进行综合分析，倍压整流网络3，采用的是二阶Dickson结构，所用的第一整流二极管D1和第二整流二极管D2为低偏置的肖特基二极管，第一整流二极管D1中的d1负极接第三电容C3和阻抗匹配网络2，d1的正极接地，d2的正极接第三电容C3和阻抗匹配网络2，d2的负极接第五电容C5接地，第二整流二极管D2的d1负极接第四电容C4和阻抗匹配网络2，d1的正极接第五电容C5接地，d2的正极接第四电容C4和阻抗匹配网络2，d2的负极接直通滤波器4。
本实施例的整流二极管采用的具体型号为HSMS2852。
直通滤波器4主要将输出信号中的基频和高次谐波进行滤除，也就是为了得到稳定的直流信号。
具体地，直通滤波器4中的传输线同样均采用微带线连接，与第二整流二极管D2的输出相连接的第六微带线41的长度和宽度分别为24mm和4.00mm，第三微带节42的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm，第九微带线46的长度和宽度分别为23.17mm、8.38mm，第三扇形枝节48的半径和宽度分别为16.67mm、0.43mm，弧度为35°；第七微带线43的长度和宽度分别为12.27mm和0.3mm，第四微带节44的四个宽度参数分别为0.17mm、1.28mm、0.33mm和0.93mm，第十微带线47的长度和宽度分别为31.68mm、0.3mm，第四扇形枝节49的半径和宽度分别为19.19mm、6.23mm，弧度为66.95°，第八微带线45的长度和宽度分别为25.15mm和0.61mm，扇形枝节、微带线和微带节不同的参数设置，实现了对多个频段的直通滤波。
具体地，在阻抗匹配网络2中的第一电容C1为0.3pf，第二电容C2为1.0pf，在倍压整流网络3中的第三电容C3为100pf，第四电容C4为100pf，第五电容C5为41pf，在直通滤波器4中的第八电容C8为300pf，第六电容C6为0.9pf，在输出端的第七电容C7为1.3pf。
具体地，在实际应用中射频接收端1通过SMA接头连接天线，而整个整流电路的介质基片具体参数为：厚度为0.8mm，介电系数为4.4，损耗角正切为0.02,。
参照图2所示的曲线，为四频单支路射频整流电路的S11图，从图上可以看出在1.5GHZ、3.1GHZ、3.8GHZ、4.6GHZ的S11值都比较低，因此说明阻抗匹配网络在对应的工作频率上实现较好的匹配。
图3所示为射频接收端1的信号频率为1.5GHZ，四频单支路射频整流电路在不同输入功率下的整流效率图，最高效率接近65％。
图4所示为射频接收端1的信号频率为3.1GHZ，四频单支路射频整流电路在不同输入功率下的整流效率图，最高效率在40％以上。
图5所示为射频接收端1的信号频率为3.8GHZ，四频单支路射频整流电路在不同输入功率下的整流效率图，最高效率接近45％。
图6所示为射频接收端1的信号频率为4.6GHZ，四频单支路射频整流电路在不同输入功率下的整流效率图，最高效率也在10％以上。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种单支路多频段射频整流电路，其特征在于，包括至少一条支路，该支路处理至少四种频段的射频信号；
该支路至少包括依次串联的阻抗匹配网络(2)、倍压整流网络(3)和直通滤波器(4)；
所述的阻抗匹配网络(2)对输入的阻抗进行匹配；所述的倍压整流网络(3)对射频信号进行升压和整流，所述的直通滤波器(4)对倍压整流网络3输出的射频信号进行直流滤波；
阻抗匹配网络(2)的结构和直通滤波器(4)的结构相同。
2.根据权利要求1所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，所述的阻抗匹配网络(2)为扇形枝节与微带线并联形成的结构。
3.根据权利要求2所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，阻抗匹配网络(2)中扇形枝节的数量为两个，微带线的数量为五个，通过两个微带节实现并联。
4.根据权利要求1、2或3所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，阻抗匹配网络(2)的输入端设置第一微带线(21)；
与第一微带线(21)串联设置第一微带节(22)，第一微带节(22)的剩余端口分别串联第一扇形枝节(28)、第二微带线(23)和第四微带线(26)，与第四微带线(26)串联第一电容(C1)和第一微带接地孔(V1)；
与第二微带线(22)串联设置第二微带节(24)，第二微带节(24)的剩余端口分别串联第二扇形枝节(29)、第三微带线(25)和第五微带线(27)；
第三微带线(25)串联倍压整流网络(3)。
5.根据权利要求4所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，第一微带线(21)的长度和宽度分别为4.28mm和1.51mm；
第一微带节(22)的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；
第四微带线(26)的长度和宽度分别为12.5mm和0.84mm；
第一扇形枝节(28)的半径和宽度分别为0.1mm和0.45mm，弧度为140.85°；
第二微带线(23)的长度和宽度分别为1.39mm和25.19mm；
第二微带节(24)的四个宽度参数分别为0.43mm、0.91mm、0.47mm和1.30mm；
第五微带线(27)的长度和宽度分别为20.51mm和0.31mm；
第二扇形枝节(29)的半径和宽度分别为2mm和0.375mm，弧度为40°；
第三微带线(25)的长度和宽度分别为26.35mm和0.81mm。
6.根据权利要求1、2或3所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，所述的倍压整流网络(3)采用Dickson结构，设置的第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)均为低偏置的肖特基二极管。
7.根据权利要求1、2或3所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，所述的直通滤波器(4)包括与倍压整流网络(3)的输出端串联的第六微带线(41)；
与第六微带线(41)串联设置第三微带节(42)，第三微带节(42)的剩余端口分别串联第三扇形枝节(48)、第七微带线(43)和第九微带线(46)，与第九微带线(46)串联第八电容(C8)和第四微带接地孔(V4)；
与第七微带线(43)串联设置第四微带节(44)，第四微带节(44)的剩余端口分别串联第四扇形枝节(49)、第八微带线(45)和第十微带线(47)；
第八微带线(45)串联输出端。
8.根据权利要求7所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，第六微带线(41)的长度和宽度分别为24mm和4.00mm；
第三微带节(42)的四个宽度参数分别为0.18mm、0.57mm、3.07mm和4.64mm；
第九微带线(46)的长度和宽度分别为23.17mm和8.38mm；
第三扇形枝节(48)的半径和宽度分别为16.67mm和0.43mm，弧度为35°；
第七微带线(43)的长度和宽度分别为12.27mm和0.3mm；
第四微带节(44)的四个宽度参数分别为0.17mm、1.28mm、0.33mm和0.93mm；
第十微带线(47)的长度和宽度分别为31.68mm和0.3mm；
第四扇形枝节(49)的半径和宽度分别为19.19mm和6.23mm，弧度为66.95°；
第八微带线(45)的长度和宽度分别为25.15mm和0.61mm。
9.根据权利要求1、2或3所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，还包括接收射频信号的射频接收端(1)，射频接收端(1)通过隔直器(6)将射频信号输出给阻抗匹配网络(2)。
10.根据权利要求1、2或3所述的单支路多频段射频整流电路，其特征在于，还包括输出负载(5)，输出负载(5)与直通滤波器(4)串联；
输出负载(5)串联设置接地功率测量探针(51)和负载电阻(52)，直通滤波器(4)的输出端与接地功率测量探针(51)串联；
与所述的负载电阻(52)并联设置第七电容(C7)。
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