《电子技术应用》
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一种高效2.45 GHz低输入功率微带整流电路
2015年电子技术应用第5期
张全琪1,2,邓华超1,2,谭洪舟1,2
1.中山大学 信息科学与技术学院,广东 广州510006; 2.广东顺德中山大学-卡内基梅隆大学国际联合研究院,广东 顺德528300
摘要: 提出了一种高效的2.45 GHz低输入功率微带整流电路,它可以有效地吸收低输入射频能量。该整流电路主要由一个倍压二极管BAT15-04W、开路枝节匹配电路和谐波抑制电路组成。所用的倍压二极管BAT15-04W是一个适用于低输入功率能量收集的低功耗肖特基贴片二极管。
中图分类号: TN455
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2015)05-0060-03
Design of a high-efficiency 2.45 GHz rectifier for low-input-power energy harvesting
Zhang Quanqi1,2,Deng Huachao1,2,Tan Hongzhou1,2
1.School of Information Science and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006,China; 2.SYSU-CMU Shunde International Joint Research Institute,Shunde 528300,China
Abstract: This paper presents a high-efficiency 2.45 GHz rectifying circuit with microstrip line for harvesting low input RF power effectively. The rectifying circuit which mainly composed of voltage double diode BAT15-04W, open stub matching circuit and harmonic suppression circuit. The voltage double diode BAT15-04W is a low-cost surface mounted Schottky diode which is suitable for low power harvesting. The open stub matching circuit is used to match the rectifier to 50. The harmonic suppression circuit is designed for conversion efficiency optimization. The measured results of rectifying circuit found that the RF-to-DC conversion efficiency can reach 75.3% and the DC power is higher than 3.45 V for 5 dBm input power at 5 k DC load.
Key words : rectifier;low input RF power;high efficiency;harmonic suppression

    

0 引言

    近年来,随着无线通信设备的迅猛发展,无线能量传输系统已经成为能量传输领域的热门话题[1-3]。无线能量传输(WPT)已经在众多领域得到应用,例如在RFID和遥感勘测方面,或是以传感器的形式应用于一些危险或难以到达的地方[4-7]。本文将关注点放在2.400~2.484 GHz(IEEE 802.11 b/g)这个未授权的ISM中心频段上。

    无线能量传输系统中最重要的组成部分是整流天线。如图1所示,它主要包括一个能收集微波入射功率的接收天线和一个能将微波功率转换为有用的直流功率的整流电路。整流电路在这个系统中起到了十分重要的作用。通常,一个整流器是由耦合电容、匹配电路、数个肖特基二极管和直通滤波器构成。直通滤波器通常用于减小直流功率的纹波和抑制由二极管产生的谐波分量,匹配电路则用于实现天线和整流电路之间的阻抗匹配。

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    针对低功耗的整流电路,Takhedmit[8]等人设计出一种采用双肖特基二极管的整流电路,该整流电路可以应用于无线传感器设备,因为它不需要输入低通滤波器和通孔的连接,结构更加简单,该整流天线可以实现当功率密度为0.22 mW/cm2和负载为1 050 Ω时,获得超过80%的整流效率和2.6 V的直流输出电压。Franciscatto[9-10]等人提出了一种在2.45 GHz频段能对低输入功率能量进行高效收集的优化方法,基于对电磁谐振现象的分析优化出一个对低输入功率具备高整流效率的整流电路,该整流电路能实现当输入功率为0 dBm时,整流效率可以达到70.4%。陈彬[11]提出了一种具有谐波抑制功能的低输入功率整流天线,他采用HSMS-285C肖特基二极管设计出使用于低输入功率条件下的倍压整流电路,它能够实现在输入功率为7 dBm时,整流效率达到70.3%,且在输入功率为0 dBm时,直流输出电压可达1 V。

    在特定的输入功率下,整流器的效率高低主要取决于对由二极管产生的谐波分量的抑制能力。此外,负载的大小也是不可忽视的重要因素。在本文中,将用扇形短截线和线型开路短截线的组合来抑制输出功率的基频、二次谐波分量和三次谐波分量,从而提高整流效率。该整流电路在一FR4基板上进行设计和印刷,其参数如下:介电常数为2.55,正切损耗角为0.001 5,基板厚度为0.8 mm,导带铜厚为0.035 mm。

1 整流电路设计

    在本文中,所采用的整流电路由单枝节匹配电路、倍压肖特基二极管、直通滤波器和负载组成。该整流电路的原理图如图2所示,使用ADS2009仿真软件对其进行原理图-版图联合仿真,以便得到更精确的仿真结果。

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    二极管放置于匹配电路和直通滤波器之间,其选取对整流效率有很重要的影响。对整流电路来讲,整流二极管大多选用肖特基二极管,肖特基二极管的结电容、串联电阻及寄生参数越小越好。本文选用的是由Infineon科技公司生产的BAT15-04W型号的肖特基二极管,其基本参数为:结电容Cj0为138.5 fF,寄生串联电阻Rs为5 Ω,导通电压Vj为0.224 V,反向击穿电压Bv为4.2 V,所以它是一个能够将低输入微波功率转换为高直流功率的低功耗贴片肖特基二极管。包含塑料封装的寄生参数的BAT15-04W二极管的模型如图3所示。

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    由于二极管非线性的特性,电路中会产生一些高次谐波。为了抑制这些谐波和提高整流电路的效率,通常会在二极管和负载间接入一个直通滤波器。在本文中,采用两个扇形枝节用以分别抑制基频分量和三次谐波分量,同时采用一个线型开路枝节用以抑制二次谐波分量,由于其他更高次的谐波分量非常小,所以在这里不予考虑。上述直通滤波器的电路图和谐波抑制效果图如图4所示。可以看到,基频分量、二次谐波分量和三次谐波分量都得到了显著的抑制(<-60 dB)。

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    实测效率最高时的输入功率为5 dBm,在此输入功率下电路S11参数的实测与仿真结果如图5所示。由图可知,无论是仿真还是实测,在2.45 GHz处都能获得较好的阻抗匹配。在2.45 GHz处,实测的S11参数为-37 dB且在2.37 GHz~2.51 GHz的频率范围内S11参数均小于-10 dB。

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2 仿真和实测结果分析

    所提出的整流电路的整体实测图片如图6所示,它包括了匹配电路、倍压肖特基二极管、直通滤波器和一个负载电阻。该整流电路通过一个信号发射器和一个传统的电压表来进行测试,信号发生器用于提供2.45 GHz的射频能量,而传统的电压表则用于测量负载两端的电压值。整流电路的RF-DC整流效率(η)定义如下:

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式中:Pinc为射频发射功率;PDC为直流输出功率;VL为直流输出电压;RLoad为负载电阻。

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    当优化选择后的负载RLoad为5 kΩ,输入能量频点为2.45 GHz时,实测与仿真的输出直流电压随输入功率的变化曲线图如图7所示。显然,当输入功率为5 dBm时,实测整流电路可获得3.45 V的直流输出电压。在同等条件下,实测与仿真的整流效率随输入功率的变化曲线图如图8所示。可以观察到,理论和实验结果实现了较好的吻合,当输入功率为5 dBm时,实测效率到达了峰值75.3%,当输入功率处于-2.5 dBm~6.5 dBm的范围内时,整流电路的效率都保持在60%以上。

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    实测效率与仿真效率相比有所降低,其主要原因如下:(1)二极管在实际使用的情况下,由于工作温度、周围电磁环境、基板的趋肤效应等影响下,工作性能会有一些不同;(2)实测电路中的SMA接头存在损耗;(3)耦合电容、二极管及SMA接头的焊接会引入寄生电容、寄生电感及电阻效应,而ADS建模仿真时不会考虑这些寄生参量,从而会影响结果的准确性。

3 结论

    本文提出了一种基于低功耗贴片肖特基二极管BAT15-04W的整流电路,实测表明它能够高效地吸收低输入射频功率。实验结果显示,在输入功率为5 dBm的情况下,整流电路具有75.3%的整流效率,并对实测与仿真结果存在的偏差进行了具体的分析。在未来的工作中,为了构建一个完整的微波整流天线,我们的关注点将是在发射天线和整流电路间加入一个高增益和指向性较强的端射天线作为接收天线,而为了能在更小的输入功率和更大的传输距离下获得高效率整流,我们还将关注天线阵列的设计。

参考文献

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[11] 陈彬.具有谐波抑制功能的低输入功率整流天线设计[J].信息化研究,2014,40(1):55-58.