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。开路枝节匹配电路用于将整流电路匹配到50 Ω。谐波抑制电路则是用于转换效率的优化设计。实测结果显示在直流负载为5 kΩ、输入功率为5 dBm的情况下，该整流电路的RF-DC整流效率可达75.3%，所得到的直流电压超过3.45 V。

关键词： 整流电路；低输入射频能量；高效率；谐波抑制

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。

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。

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。

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)。大电流电感

 1/3    1 2 3 下一页 尾页