0 引言

    近年來，隨著無線通信設(shè)備的迅猛發(fā)展，無線能量傳輸系統(tǒng)已經(jīng)成為能量傳輸領(lǐng)域的熱門話題^[1-3]。無線能量傳輸(WPT)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如在RFID和遙感勘測方面，或是以傳感器的形式應(yīng)用于一些危險或難以到達的地方^[4-7]。本文將關(guān)注點放在2.400～2.484 GHz(IEEE 802.11 b/g)這個未授權(quán)的ISM中心頻段上。

    無線能量傳輸系統(tǒng)中最重要的組成部分是整流天線。如圖1所示，它主要包括一個能收集微波入射功率的接收天線和一個能將微波功率轉(zhuǎn)換為有用的直流功率的整流電路。整流電路在這個系統(tǒng)中起到了十分重要的作用。通常，一個整流器是由耦合電容、匹配電路、數(shù)個肖特基二極管和直通濾波器構(gòu)成。直通濾波器通常用于減小直流功率的紋波和抑制由二極管產(chǎn)生的諧波分量，匹配電路則用于實現(xiàn)天線和整流電路之間的阻抗匹配。

    針對低功耗的整流電路，Takhedmit^[8]等人設(shè)計出一種采用雙肖特基二極管的整流電路，該整流電路可以應(yīng)用于無線傳感器設(shè)備，因為它不需要輸入低通濾波器和通孔的連接，結(jié)構(gòu)更加簡單，該整流天線可以實現(xiàn)當功率密度為0.22 mW/cm²和負載為1 050 Ω時，獲得超過80%的整流效率和2.6 V的直流輸出電壓。Franciscatto^[9-10]等人提出了一種在2.45 GHz頻段能對低輸入功率能量進行高效收集的優(yōu)化方法，基于對電磁諧振現(xiàn)象的分析優(yōu)化出一個對低輸入功率具備高整流效率的整流電路，該整流電路能實現(xiàn)當輸入功率為0 dBm時，整流效率可以達到70.4%。陳彬^[11]提出了一種具有諧波抑制功能的低輸入功率整流天線，他采用HSMS-285C肖特基二極管設(shè)計出使用于低輸入功率條件下的倍壓整流電路，它能夠?qū)崿F(xiàn)在輸入功率為7 dBm時，整流效率達到70.3%，且在輸入功率為0 dBm時，直流輸出電壓可達1 V。

    在特定的輸入功率下，整流器的效率高低主要取決于對由二極管產(chǎn)生的諧波分量的抑制能力。此外，負載的大小也是不可忽視的重要因素。在本文中，將用扇形短截線和線型開路短截線的組合來抑制輸出功率的基頻、二次諧波分量和三次諧波分量，從而提高整流效率。該整流電路在一FR4基板上進行設(shè)計和印刷，其參數(shù)如下：介電常數(shù)為2.55，正切損耗角為0.001 5，基板厚度為0.8 mm，導(dǎo)帶銅厚為0.035 mm。

1 整流電路設(shè)計

    在本文中，所采用的整流電路由單枝節(jié)匹配電路、倍壓肖特基二極管、直通濾波器和負載組成。該整流電路的原理圖如圖2所示，使用ADS2009仿真軟件對其進行原理圖-版圖聯(lián)合仿真，以便得到更精確的仿真結(jié)果。

    二極管放置于匹配電路和直通濾波器之間，其選取對整流效率有很重要的影響。對整流電路來講，整流二極管大多選用肖特基二極管，肖特基二極管的結(jié)電容、串聯(lián)電阻及寄生參數(shù)越小越好。本文選用的是由Infineon科技公司生產(chǎn)的BAT15-04W型號的肖特基二極管，其基本參數(shù)為：結(jié)電容C_j0為138.5 fF，寄生串聯(lián)電阻R_s為5 Ω，導(dǎo)通電壓V_j為0.224 V，反向擊穿電壓B_v為4.2 V，所以它是一個能夠?qū)⒌洼斎胛⒉üβ兽D(zhuǎn)換為高直流功率的低功耗貼片肖特基二極管。包含塑料封裝的寄生參數(shù)的BAT15-04W二極管的模型如圖3所示。

    由于二極管非線性的特性，電路中會產(chǎn)生一些高次諧波。為了抑制這些諧波和提高整流電路的效率，通常會在二極管和負載間接入一個直通濾波器。在本文中，采用兩個扇形枝節(jié)用以分別抑制基頻分量和三次諧波分量，同時采用一個線型開路枝節(jié)用以抑制二次諧波分量，由于其他更高次的諧波分量非常小，所以在這里不予考慮。上述直通濾波器的電路圖和諧波抑制效果圖如圖4所示。可以看到，基頻分量、二次諧波分量和三次諧波分量都得到了顯著的抑制(<-60 dB)。

    實測效率最高時的輸入功率為5 dBm，在此輸入功率下電路S11參數(shù)的實測與仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，無論是仿真還是實測，在2.45 GHz處都能獲得較好的阻抗匹配。在2.45 GHz處，實測的S11參數(shù)為-37 dB且在2.37 GHz～2.51 GHz的頻率范圍內(nèi)S11參數(shù)均小于-10 dB。

2 仿真和實測結(jié)果分析

    所提出的整流電路的整體實測圖片如圖6所示，它包括了匹配電路、倍壓肖特基二極管、直通濾波器和一個負載電阻。該整流電路通過一個信號發(fā)射器和一個傳統(tǒng)的電壓表來進行測試，信號發(fā)生器用于提供2.45 GHz的射頻能量，而傳統(tǒng)的電壓表則用于測量負載兩端的電壓值。整流電路的RF-DC整流效率(η)定義如下：

式中：P_inc為射頻發(fā)射功率；P_DC為直流輸出功率；V_L為直流輸出電壓；R_Load為負載電阻。

    當優(yōu)化選擇后的負載R_Load為5 kΩ，輸入能量頻點為2.45 GHz時，實測與仿真的輸出直流電壓隨輸入功率的變化曲線圖如圖7所示。顯然，當輸入功率為5 dBm時，實測整流電路可獲得3.45 V的直流輸出電壓。在同等條件下，實測與仿真的整流效率隨輸入功率的變化曲線圖如圖8所示。可以觀察到，理論和實驗結(jié)果實現(xiàn)了較好的吻合，當輸入功率為5 dBm時，實測效率到達了峰值75.3%，當輸入功率處于-2.5 dBm～6.5 dBm的范圍內(nèi)時，整流電路的效率都保持在60%以上。

    實測效率與仿真效率相比有所降低，其主要原因如下：(1)二極管在實際使用的情況下，由于工作溫度、周圍電磁環(huán)境、基板的趨膚效應(yīng)等影響下，工作性能會有一些不同；(2)實測電路中的SMA接頭存在損耗；(3)耦合電容、二極管及SMA接頭的焊接會引入寄生電容、寄生電感及電阻效應(yīng)，而ADS建模仿真時不會考慮這些寄生參量，從而會影響結(jié)果的準確性。

3 結(jié)論

    本文提出了一種基于低功耗貼片肖特基二極管BAT15-04W的整流電路，實測表明它能夠高效地吸收低輸入射頻功率。實驗結(jié)果顯示，在輸入功率為5 dBm的情況下，整流電路具有75.3%的整流效率，并對實測與仿真結(jié)果存在的偏差進行了具體的分析。在未來的工作中，為了構(gòu)建一個完整的微波整流天線，我們的關(guān)注點將是在發(fā)射天線和整流電路間加入一個高增益和指向性較強的端射天線作為接收天線，而為了能在更小的輸入功率和更大的傳輸距離下獲得高效率整流，我們還將關(guān)注天線陣列的設(shè)計。

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