本實(shí)用新型涉及一種微波整流電路，具體涉及一種高效率的雙頻整流電路。

背景技術(shù)：

當(dāng)代的能量輸送多數(shù)以電纜的方式進(jìn)行傳播，這些輸送方法不僅耗費(fèi)大量的人力和物力，而且在空間不足、環(huán)境惡劣和地形復(fù)雜等環(huán)境中，電纜的使用會(huì)受到很大的限制。微波輸能(Microwave Power Transmission)是把能量轉(zhuǎn)化為微波的形式從發(fā)射端發(fā)射出來(lái)，在自由空間中將其傳播到接收端的能量傳輸方式，它打破了傳統(tǒng)的通過(guò)電纜傳播電能的方式，開(kāi)辟了一種新的能量傳播方式。

微波輸能技術(shù)通過(guò)微波發(fā)生器將直流電轉(zhuǎn)換成微波能量，經(jīng)過(guò)發(fā)射天線的聚焦之后進(jìn)行高效地發(fā)射，微波能量在自由空間中傳播，繼而到達(dá)接收天線，接收天線是整流天線，負(fù)責(zé)將微波能量接收并且轉(zhuǎn)換為可供直流能量，經(jīng)過(guò)升降壓電路輸出給用戶使用。在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中，微波輸能系統(tǒng)總的傳輸效率取決于直流能量轉(zhuǎn)換為微波能量的發(fā)射效率，電磁波在空間中的傳輸效率以及微波能量轉(zhuǎn)換為直流的接收效率。當(dāng)今技術(shù)水平下，發(fā)射效率可以做到高達(dá)95％以上；傳輸效率主要是受到環(huán)境條件的影響，屬于不可控因素；因此微波輸能技術(shù)的關(guān)鍵是提高接收轉(zhuǎn)換效率，即微波能量轉(zhuǎn)換直流能量的整流效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種高效率的雙頻整流電路。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一個(gè)可應(yīng)用于整流器的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使整流器在兩個(gè)頻率上都實(shí)現(xiàn)阻抗匹配及較高的整流效率。該雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)公式，可根據(jù)提出的公式很便捷地設(shè)計(jì)出需要的雙頻整流器。該整流電路采用倍壓整流結(jié)構(gòu)，有利于提高輸出電壓。該整流器的輸出端口采用諧波抑制技術(shù)，有利于提高整流器的整流效率。

一種高效率的雙頻整流電路，包括上層微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和底層金屬地板，所述上層微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述底層金屬地板印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述上層微帶結(jié)構(gòu)由依次連接的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I、倍壓整流電路結(jié)構(gòu)II、諧波抑制網(wǎng)絡(luò)III和負(fù)載端構(gòu)成；

所述雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I包括用于隔直流通交流的電容、用于將電路在兩個(gè)工作頻率下的阻抗轉(zhuǎn)化為共軛阻抗的第四微帶線及第五微帶線，和用于將共軛阻抗匹配到信號(hào)源阻抗的第一、第二及第三微帶線；所述第一微帶線的一端與輸入端口連接，另一端與第五微帶線的一端連接；所述第二微帶線與第三微帶線分別與第一微帶線垂直連接，且在第一微帶線的兩端，處于同一側(cè)；所述第四微帶線垂直連接在第五微帶線的一端，且位于第一微帶線的另一側(cè)；所述第四微帶線末端通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板；所述電容的一端與第五微帶線的另一端連接。

所述倍壓整流電路結(jié)構(gòu)II由第七微帶線、第一二極管、第九微帶線和第二二極管構(gòu)成，所述第九微帶線通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板；所述第七微帶線與電容的另一端連接；所述第一二極管正極連接在第九微帶線，其負(fù)極連接在第七微帶線末端；所述第二二極管正極連接在第七微帶線末端，其負(fù)極連接在第十一微帶線。該倍壓整流結(jié)構(gòu)有利于提高整流器電路的輸出電壓。

所述諧波抑制網(wǎng)絡(luò)III包括第十一微帶線、用于分別抑制第一工作頻率基波和二次諧波的第十二、十三微帶線，和用于分別抑制第二工作頻率基波和二次諧波的第十四、十五微帶線；所述第十二微帶線和第十三微帶線垂直在第十一微帶線的一側(cè)，所述第十四微帶線和第十五微帶線垂直連接在第十一微帶線的另一側(cè)；所述第十二微帶線和第十四微帶線分別加載到第十一微帶線上距離其左端三分之一第十一微帶線線長(zhǎng)的位置；第十三微帶線和第十五微帶線分別加

載到第十一微帶線上距離其左端三分之二第十一微帶線線長(zhǎng)的位置。該諧波抑制網(wǎng)絡(luò)有利于提高整流電路的工作效率。

所述第四微帶線(4)的電長(zhǎng)度應(yīng)滿足

其中k＝f₂/f₁，f₁及f₂是第一及第二工作頻率。

所述負(fù)載端由電阻及第十七微帶線構(gòu)成，所述電阻連接在第十五微帶線與第十七微帶線中間，第十七微帶線通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板。

所述第十二微帶線和第十三微帶線分別為第一個(gè)工作頻率的基波和二次諧波的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線；所述第十四微帶線和第十五微帶線分別為第二個(gè)工作頻率的基波和二次諧波的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線。

所述輸入端口為特性阻抗50歐姆的微帶線。

所述兩個(gè)工作頻率分別為第一工作頻率f₁＝915MHz及第二工作頻率f₂＝2.45GHz。

所述第二及第三微帶線結(jié)構(gòu)及尺寸完全相同。

本實(shí)用新型的有益效果：

(1)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的雙頻整流電路能同時(shí)在兩個(gè)不同的頻率上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配及較高的整流效率；

(2)本實(shí)用新型中應(yīng)用于整流電路設(shè)計(jì)的雙頻匹配網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)格的參數(shù)設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)步驟明確；

(3)本實(shí)用新型采用的倍壓整流結(jié)構(gòu)有利于提高輸出電壓；

(4)本實(shí)用新型在輸出端口采用的諧波抑制網(wǎng)絡(luò)有利于提高整流效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

圖3是呈現(xiàn)本實(shí)用新型實(shí)施例在雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)作用下的輸入阻抗變化的歸一化史密斯阻抗圓圖。

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例在輸入功率為14.6dBm時(shí)，不同頻率下的回波損耗的仿真結(jié)果。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例在輸入功率為14.6dBm時(shí)，不同頻率下的整流效率的仿真與測(cè)量結(jié)果。

圖6和圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例在不同輸入功率下，在兩個(gè)工作頻率的仿真與測(cè)量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1所示，一種高效率的雙頻整流電路，包括上層微帶結(jié)構(gòu)、中間介質(zhì)基板和底層金屬地板，所述上層微帶結(jié)構(gòu)印制在中間介質(zhì)基板的上表面，所述底層金屬地板印制在中間介質(zhì)基板的下表面，所述上層微帶結(jié)構(gòu)由依次連接的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I、倍壓整流電路結(jié)構(gòu)II、諧波抑制網(wǎng)絡(luò)III和負(fù)載端構(gòu)成。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)步驟為先分別設(shè)計(jì)倍壓整流電路結(jié)構(gòu)II、諧波抑制網(wǎng)絡(luò)III和負(fù)載端，最后設(shè)計(jì)雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I。本實(shí)施例中的兩個(gè)工作頻率分別是第一工作頻率f₁＝915MHz，第二工作頻率f₂＝2.45GHz，信號(hào)源端口阻抗為50Ω。

所述倍壓整流電路結(jié)構(gòu)II由第七微帶線7、第一二極管8、第九微帶線9和第二二極管10連接構(gòu)成。其中第九微帶線9通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板；第七微帶線7與電容6連接；第一二極管8正極連接在第九微帶線9，負(fù)極連接在第七微帶線7末端；第二二極管10正極連接在第七微帶線7末端，負(fù)極連接在第十一微帶線11，該倍壓整流結(jié)構(gòu)有利于提高整流器電路的輸出電壓。

所述諧波抑制網(wǎng)絡(luò)III由第十一微帶線11、第十二微帶線12、第十三微帶線13、第十四微帶線14和第十五微帶線15構(gòu)成。所述第十二微帶線12和第十三微帶線13分別為工作頻率f₁的基波和二次諧波的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線，用于抑制頻率f₁的基波和二次諧波；所述第十四微帶線14和第十五微帶線15分別為工作頻率f₂的基波和二次諧波的四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路線，用于抑制頻率f₂的基波和二次諧波。所述第十二微帶線12和第十三微帶線13垂直連接在第十一微帶線11的一側(cè)；所述第十四微帶線14和第十五微帶線15垂直連接在第十一微帶線11的另一側(cè)；所述第十二微帶線12和第十四微帶線14分別加載到第十一微帶線11上距離其左端三分之一第十一微帶線11線長(zhǎng)的位置；第十三微帶線13和第十五微帶線15分別加載到第十一微帶線11上距離其左端三分之二第十一微帶線11線長(zhǎng)的位置。該諧波抑制網(wǎng)絡(luò)有利于提高整流電路的工作效率。

所述雙頻整流電路的負(fù)載端由電阻16及第十七微帶線17構(gòu)成，所述電阻16的兩端分別與第十五微帶線15及第十七微帶線17連接，其中第十七微帶線17通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板。所述電阻16的選擇會(huì)影響到整流電路在兩個(gè)不同的工作頻率下的整流效率，本實(shí)施例采用源阻抗?fàn)恳抡娴姆椒?，確定負(fù)載為1000Ω，保證整流電路在兩個(gè)工作頻率下都有較高的整流效率。

如圖2和圖3所示，所述的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I由兩個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)組成，具體第一網(wǎng)絡(luò)及第二網(wǎng)絡(luò)。Z_L是整流電路從電容6往負(fù)載端看過(guò)去的等效阻抗。第一網(wǎng)絡(luò)用于將兩個(gè)工作頻率下的阻抗Z_L(f₁)和Z_L(f₂)轉(zhuǎn)換成一對(duì)在歸一化阻抗圓圖中處于或區(qū)域內(nèi)的共軛阻抗Z_in2(f₁)和Z_in2(f₂)，第二網(wǎng)絡(luò)用于等效成一對(duì)特性阻抗相等，電長(zhǎng)度互補(bǔ)的微帶線，將這對(duì)共軛阻抗匹Z_in2(f₁)和Z_in2(f₂)配到50Ω。第一網(wǎng)絡(luò)由第四微帶線4、第五微帶線5和電容6依次連接構(gòu)成，所述第四微帶線4一端垂直連接到第五微帶線5，另一端通過(guò)金屬化過(guò)孔連接底層金屬地板。其中電容6的作用是隔直流通交流；第五微帶線5用于將整流電路在兩個(gè)頻率上的阻抗Z_L(f₁)和Z_L(f₂)轉(zhuǎn)換成共軛阻抗Z_in1(f₁)和Z_in1(f₂)；第四微帶線4用于將這對(duì)共軛阻抗調(diào)整到歸一化阻抗圓圖中處于或的區(qū)域。第五微帶線5的設(shè)計(jì)公式為

其中n是任意整數(shù)，Z₁是第五微帶線5的特性阻抗,θ_a1是第五微帶線5在頻率f₁時(shí)對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度，R_a1+jX_a1和R_a2+jX_a2分別是Z_L在兩個(gè)頻率f₁和f₂上對(duì)應(yīng)的阻抗。在本實(shí)施例中，R_a1+jX_a1＝(159.9-j78.7)Ω,R_a2+jX_a2＝(71.2-j74.1)Ω，因此可求得Z₁＝80.3Ω,θ_a1＝48.7°，繼而可求得電路工作在915MHz時(shí)Z_in1＝R_in1+jX_in1＝(32.3-j46.3)Ω，工作在2.45GHz時(shí)Z_in1＝R_in1-jX_in1＝(32.3+j46.3)Ω。如圖3所示，該阻抗不在或的區(qū)域內(nèi)，因此需要采用第四微帶線4調(diào)整阻抗。值得注意的是，如果經(jīng)過(guò)第五微帶線5后兩個(gè)工作頻率對(duì)應(yīng)的共軛阻抗已經(jīng)在或區(qū)域內(nèi)，則第四微帶線4可除去。為了保持在兩個(gè)工作頻率下阻抗共軛，第四微帶線4的電長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下公式

其中k＝f₂/f₁(假設(shè)f₂>f₁)。第四微帶線4特性阻抗的取值具有一定的自由性。在本實(shí)施例中，滿足條件35.5Ω<Z₂<192.6Ω即可將共軛阻抗調(diào)整到歸一化阻抗圓圖中區(qū)域。計(jì)算可得第四微帶線4的電長(zhǎng)度θ₂為48.94°，取特性阻抗Z₂為60Ω，，則電路工作在915MHz時(shí)Z_in2＝(87.3+j10.8)Ω，工作在2.45GHz時(shí)Z_in2＝(87.3-j10.8)Ω。

所述的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)I的第二網(wǎng)絡(luò)由輸入端口I/P、第一微帶線1、第二微帶線2和第三微帶線3構(gòu)成。所述第二微帶線2與第三微帶線3完全相同，且垂直連接在第一微帶線1一側(cè)。如圖2所示，在工作頻率為f₁時(shí)，第二網(wǎng)絡(luò)等效為一段特性阻抗為Z_T，電長(zhǎng)度為θ_T的微帶線，將Z_in2(f₁)匹配到信號(hào)源端口阻抗Z₀,即50Ω；在工作頻率為f₂時(shí)，第二網(wǎng)絡(luò)等效為一段特性阻抗為Z_T，電長(zhǎng)度為(180°-θ_T)的微帶線，將Z_in2(f₂)匹配到信號(hào)源端口阻抗Z₀。第一微帶線1、第二微帶線2和第三微帶線3的電尺寸應(yīng)滿足下列公式：

θ_p1+θ_p2＝lπ,l＝1,3,...

θ_q1+θ_q2＝rπ,r＝1,2,3...

其中m是任意整數(shù)，為了減小電路尺寸，應(yīng)取能滿足0<θ_T1<π的m值；θ_p1和θ_p2分別是第一微帶線1在頻率f₁和頻率f₂時(shí)對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度，Z_p是第一微帶線1的特性阻抗；θ_q1和θ_q2分別是第二微帶線2在頻率f₁和頻率f₂時(shí)對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度，Z_q是第二微帶線2的特性阻抗，第三微帶線3與第二微帶線2完全相同。在本實(shí)施例中，θ_p1＝θ_q1＝48.94°,θ_p2＝θ_q2＝131.06°,Z_p＝87.1Ω,和Z_q＝73.7Ω。

本實(shí)施例中一種高效率的雙頻整流電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，以下僅僅為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例，本實(shí)例中選擇的二極管型號(hào)是安華高公司的HSMS-2862,所用的介質(zhì)基板為Arlon-AD255,其厚度為30mil，介電常數(shù)為2.55。具體電路尺寸選擇如下：第一微帶線的長(zhǎng)＝32.1mm，寬＝0.9mm；第二微帶線的長(zhǎng)＝33.2mm，寬＝1.1mm；第三微帶線的長(zhǎng)＝33.2mm，寬＝1.1mm；第四微帶線的長(zhǎng)＝30mm，寬＝2.1mm；第五微帶線的長(zhǎng)＝25.4mm，寬＝1.5mm；第七微帶線的長(zhǎng)＝3mm，寬＝2.1mm；第九微帶線的長(zhǎng)＝4mm，寬＝2.1mm；第十一微帶線的長(zhǎng)＝11.2mm，寬＝2.1mm；第十二微帶線的長(zhǎng)＝56.5mm，寬＝2.1mm；第十三微帶線的長(zhǎng)＝28.4mm，寬＝2.1mm；第十四微帶線的長(zhǎng)＝21.2mm，寬＝2.1mm；第十五微帶線的長(zhǎng)＝10.5mm，寬＝2.1mm；第十七微帶線的長(zhǎng)＝4mm，寬＝2.1mm；第十二微帶線和第十四微帶線分別加載在第十一微帶線上距離其左端3mm的位置；第十三微帶線和第十五微帶線分別加載在第十一微帶線上距離其左端7.1mm的位置；電容＝56pF；負(fù)載電阻＝1000Ω。電路整體尺寸為83.7mm×89.3mm。

圖4所示是在輸入功率為14.6dBm時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例在不同頻率下的回波損耗的仿真結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)數(shù)字表示回波損耗，單位為dB。從圖中可以看到雙頻整流電路在兩個(gè)工作頻率上回波損耗極小，實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)工作頻率上的阻抗匹配。

圖5所示是輸入功率為14.6dBm時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例在不同頻率下的整流效率的仿真與測(cè)量結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)數(shù)字表示整流效率，單位為％。由圖可知，雙頻整流電路在785MHz到1010MHz和2285MHz到2435MHz兩個(gè)頻段內(nèi)的測(cè)量效率高于60％，最高效率分別為77.2％和73.5％；圖中測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，出現(xiàn)的20MHz到35MHz的頻偏是由電路加工誤差引入的，屬于可接受范圍。

圖6和圖7所示是本實(shí)用新型實(shí)施例在工作頻率分別為895MHz和2415MHz時(shí)不同輸入功率下的仿真與測(cè)量結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)數(shù)字分別表示整流效率和輸出電壓，單位分別為％和V。由圖中可以看出，電路工作在895MHz時(shí)，整流效率在2到19dBm的輸入功率范圍內(nèi)大于50％；電路工作在2415MHz時(shí)，整流效率在2.5到18dBm的輸入功率范圍內(nèi)大于50％；以上測(cè)試結(jié)果證明了本實(shí)用新型設(shè)計(jì)理論的正確性和可行性。

綜上所述，本實(shí)用新型提出了一種高效率的雙頻整流電路，該電路通過(guò)諧波抑制網(wǎng)絡(luò)提高整流效率，采用倍壓整流結(jié)構(gòu)提高輸出電壓，最后通過(guò)對(duì)輸入阻抗的調(diào)控，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有嚴(yán)格的公式指導(dǎo)的雙頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，從而使公開(kāi)的整流電路能在兩個(gè)頻率上實(shí)現(xiàn)高整流效率。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。