CN115313692B - 基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路 - Google Patents

基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，属于无线能量传输领域中的微波整流电路。包含介质基板、设置于介质基板上表面的电路结构、设置于介质基板下表面的金属地板。本发明利用集总参数匹配替代分布式微带枝节匹配，实现了整流电路的小型化设计；同时，为了解决集总元件因其寄生参数影响而在微波频段表现不佳的问题，本发明利用村田电容电感模型在微波频段的寄生效应，实现了电路的高阶谐波抑制功能，不仅减小了寄生效应所带来的负面影响，还改善了整流二极管的电压、电流时域波形，提升了电路的整流效率。

Description

基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路
技术领域
本发明属于无线能量传输领域中的微波整流电路，具体涉及一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路。
背景技术
无线输能(Wireless Power Transfer，WPT)指的是能量从源端非接触地传输至负载端的技术，相较于有线电能传输可显著提升输能的便捷性和安全性。无线能量传输有三种方式，电磁感应式、磁共振式和微波输能(MPT，Microwave Power Transmission)。其中微波输能是利用微波作为能量的载体，将电能从发电装置端无线传输到接收端并加以转化的能量传输方式，是一种新兴的能量传输技术。
相比较于目前已经相对成熟的电磁感应式与磁共振式无线输能技术，微波无线能量传输技术可实现远距离的无线能量传输，更适用于可移动的小型设备的无线输能，是一种低成本、可靠性高的远距离的能量输送解决方案。而作为微波无线输能系统的核心部分之一，微波整流电路的效率高低直接影响着整个无线输能系统的性能。
随着物联网技术的兴起，各类移动电子设备的对微波无线输能的需求日趋旺盛。为了在电子设备集成微波无线输能接收端的同时保证其便携性，需要对微波整流电路进行小型化设计。而如何在缩小整流电路的尺寸的同时保持较高的RF-DC转化效率，是目前对微波整流电路研究的关键问题之一。
传统的微波整流电路通常为采用分布式匹配方案的微带电路，其尺寸较大，不利于进行小型化设计，例如专利号CN108321514A的发明专利，利用弯曲设计的低通输入椭圆滤波器减小了2.45GHz整流电路的长度，进而缩小了面积，但其尺寸依旧难以满足小型移动电子设备的需要。又例如申请号为CN202010410977.6的发明专利，公开了一种基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路，利用分支线耦合器的紧凑设计对电路实现了小型化处理，但该结构在5.8GHz下的设计尺寸为25.6mm×56.6mm，根据频率越低波长越长的原理，在2.45GHz下该设计的尺寸还会进一步增大，因而不能充分满足例如智能眼镜、智能手表等小型移动电子设备的要求。
而基于集总参数匹配的整流电路，虽具有良好的小型化潜力，却往往难以解决电容、电感元件在微波频段下不可忽略的寄生效应带来的影响，因此其一般仅适用于较低波段。例如申请号为202110702731.0的发明专利，利用集总参数匹配的方法实现了900MHz整流电路的小型化，但受限于寄生效应的影响其并不适用于更高的频段，这就导致该设计需要的接收天线尺寸较大，900MHz相较于2.45GHz，其天线尺寸理论上需要增大三倍，未能实现真正的小型化。
因此，通过减少较高微波频段下寄生效应对电路匹配的影响，进而设计一种能应用于较高微波频段下的小型化、高效率的集总参数匹配整流电路是极其有必要的。
发明内容
为了克服现有技术在较高微波频段存在整流电路尺寸过大、效率不足的问题，本发明结合集总参数匹配、微波频段寄生效应研究、谐波回收利用、谐波抑制等原理，提出了一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路。
本发明采用的具体技术方案是：
一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，其特征在于，包含介质基板、设置于介质基板上表面的电路结构、设置于介质基板下表面的金属地板。
所述电路结构，包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、电容C2、整流二极管、电阻R1、接地过孔、金属贴片。
其中，所述第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线从左至右依次设置。
所述电感L1、电感L2的一端连接第一微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。所述电感L1、电感L2、第一微带传输线共同构成输入滤波结构，使从第一微带传输线输入的基波导向整流二极管，同时阻止整流二极管产生并反射回来的高次谐波进入到输入端，以减少谐波回流导致能量损失，同时构成电路结构的直流通路。
所述电感L3、电感L4并联设置，一端连接第一微带传输线，另一端连接第二微带传输线；所述电容C1的一端连接第二微带传输线，另一端连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。所述电感L3、电感L4和电容C1共同构成的L形阻抗匹配结构，以实现输入端与整流二极管输入阻抗的匹配，避免阻抗失配，减少回波损耗，提高了整流效率；同时，还作为谐波抑制结构，利用电感L3、电感L4、以及电容C1的寄生效应，对波形进行调制，抑制偶次谐波，导通奇次谐波，从而调节二极管两端的电压电流，使得电流电压波形相互正交，提高了整流二极管的工作效率，进而提高了电路的整流效率。
所述整流二极管的一端连接第二微带传输线，另一端连接第三微带传输线。
所述电容C2、电阻R1的一端连接第三微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。并联设置的电容C2仅使直流导通向负载电阻R1，而将使交流限制在回路中，被整流二极管反复利用，进而提高整流效率。
进一步地，所述整流二极管为肖特基二极管。
进一步地，所述电感L1、电感L2、电感L3、电感L4为村田电感；所述电容C1、电容C2为村田电容。
进一步地，所述电感L1、电感L2分别设置于第一微带传输线的上下两侧；所述电容C2、电阻R1分别设置于第三微带传输线的上下两侧。
本发明选用村田电容、电感进行整流电路设计，利用集总参数匹配替代分布式微带枝节匹配，实现了整流电路的小型化设计。同时，为了解决集总元件因其寄生参数影响而在微波频段表现不佳的问题，本发明利用村田电容电感模型在微波频段的寄生效应，实现了电路的高阶谐波抑制功能，不仅减小了寄生效应所带来的负面影响，还改善了整流二极管的电压、电流时域波形，提升了电路的整流效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、采用集总元件组成整流电路，实现了微波整流电路的小型化。传统微带整流电路在2.45GHz的设计尺寸一般大于30cm2，而本发明的面积仅为0.4cm2左右，面积缩减了近75倍，不到30cm2的1.4％，不仅显著缩减了微波整流电路的尺寸，还大幅减少了高频PCB板材的使用。
2、利用集总元件和其实际模型的寄生效应，实现了谐波抑制效果，不仅减小了寄生效应所带来的负面影响，还改善了整流二极管的电压电流波形，提升了电路的整流效率。
附图说明
图1为实施例整流电路的整体结构示意图。
图2为本发明整流电路的电路原理图。
图3为实施例整流电路中二极管两端的电压和流经的电流波形。
图4为实施例整流电路在不同功率下的回波损耗。
图5为实施例整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图来对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，工作的中心频率为2.45GHz，包含介质基板、设置于介质基板上表面的电路结构、设置于介质基板下表面的金属地板。所述介质基板型号为RO4003C，厚度为0.813mm，尺寸为0.79cm×0.5cmm。
图1是实施例整流电路的整体结构示意图，包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、电容C2、整流二极管、电阻R1、接地过孔、金属贴片。
其中，所述第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线从左至右依次设置；微带传输线及金属贴片仅作为焊盘使用，并不参与整流电路的阻抗匹配和谐波抑制。
所述电感L1、电感L2对称设置于第一微带传输线的上下两侧，一端连接第一微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。
所述电感L3、电感L4并联设置，一端连接第一微带传输线，另一端连接第二微带传输线；所述电容C1的一端连接第二微带传输线，另一端连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。
所述整流二极管的一端连接第二微带传输线，另一端连接第三微带传输线。
所述电容C2、电阻R1对称设置于第三微带传输线的上下两侧，一端连接第三微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。
本实施例中，电容、电感选用村田高Q值0402贴片射频元件，所述负载电阻R1阻值为620Ω，所述整流二极管选用肖特基二极管HSMS-2822。
电容C1＝0.1pF，电容C2＝7.5pF，电感L1＝4.1nH，电感L2＝6.8nH，电感L3＝47nH，电感L4＝2.8nH。
图2是本发明整流电路的电路原理图，本发明整流电路的工作方式为：当射频能量从输入端口流入时，本发明采用并联的电感L1和L2避免二极管产生并反射回来的高次谐波进入到输入端，使输入基波导向整流二极管，以避免谐波回流导致能量损失，同时构成电路的直流通路。由串联电感L3、L4和并联电容C1构成的L形匹配结构则将整流二极管在基波下的输入阻抗匹配至50欧姆与输入源相匹配。而串联的整流二极管HSMS-2822构成整流拓扑结构，用于将射频能量转换为直流能量。最后并联电容C2将整流出来的电流进行输出滤波，将直流导向负载R1，而将射频能量限制在输入输出滤波器之间反复利用。利用L3、L4的寄生电容与C1的共同配合，实现对整流二极管漏端的阻抗变换。通过对偶次谐波短路和对奇次谐波开路，使二极管两端的电压波形接近于方波，使流经二极管的电流接近半正弦波，实现电流电压波形相互正交，减少电流电压波形的交叠，进而提高整流二极管的工作效率。
图3是所述整流电路中谐波抑制结构对二极管两端电压和流经二极管电流波形的抑制结果，本电路中利用参与阻抗匹配的集总元件及其寄生参数共同实现了谐波抑制效果。在本电路中占据主要成分的谐波为二次谐波和三次谐波，更高次的谐波对本电路的影响可以忽略不计，因此本电路通过L3、L4的寄生电容与C1对整流二极管漏极的阻抗进行变换，将对二次谐波的阻抗变换为12.7+18j的低阻抗，而将对三次谐波的阻抗变换为25.2+81.2j的高阻抗，从而实现了对电路的谐波抑制效果。从图4可以看出，电压的波腹点与电流的波节点相对应，电压的波节点则对应着电流的波腹点，二极管两端的电压波形与电流波形近乎正交，说明该电路具有较好的谐波抑制效果。
图4是所述整流电路在工作频率为2.45GHz时，回波损耗(S11)随功率变化的仿真结果。可以看到所述整流电路在22.4dBm处的S11<-18dB，回波损耗<2％。
图5是所述整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。可以看到仿真和实测的峰值效率分别达到71％(Pin＝22dBm)和69％(Pin＝23dBm)以上，实际输出直流功率达到140mw。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，其特征在于，包含介质基板、设置于介质基板上表面的电路结构、设置于介质基板下表面的金属地板；
所述电路结构，包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、电容C2、整流二极管、电阻R1、接地过孔、金属贴片；
其中，所述第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线从左至右依次设置；
所述电感L1、电感L2的一端连接第一微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板；
所述电感L3、电感L4并联设置，一端连接第一微带传输线，另一端连接第二微带传输线；所述电容C1的一端连接第二微带传输线，另一端连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板；
所述整流二极管的一端连接第二微带传输线，另一端连接第三微带传输线；
所述电容C2、电阻R1的一端连接第三微带传输线，另一端分别连接一金属贴片，金属贴片通过金属过孔连接金属地板。
2.如权利要求1所述的一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，其特征在于，所述整流二极管为肖特基二极管。
3.如权利要求1或2所述的一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，其特征在于，所述电感L1、电感L2、电感L3、电感L4为村田电感；所述电容C1、电容C2为村田电容。
4.如权利要求3所述的一种基于集总元件及其寄生效应实现的小型化微波整流电路，其特征在于，所述电感L1、电感L2分别设置于第一微带传输线的上下两侧；所述电容C2、电阻R1分别设置于第三微带传输线的上下两侧。
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