李文杰， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

近年來， 無線能量采集及功率傳輸引起了廣泛的關(guān)注[1-4]. 對于許多微波系統(tǒng)來說， 實現(xiàn)整流電路的阻抗匹配是提高能量采集及功率傳輸效率的關(guān)鍵. 然而， 由于二極管的非線性， 導致在輸入功率變化時， 整流天線的輸入阻抗也發(fā)生劇烈變化， 輸入阻抗的變化會使整個整流系統(tǒng)難以在較寬的輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配， 從而使阻抗失配造成的能量損耗增大， 大幅影響整流天線的RF-dc轉(zhuǎn)換效率.

圖 1 電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Resistance compression network

為了提高轉(zhuǎn)換效率， 在較寬的輸入功率范圍內(nèi)達到更好的阻抗匹配， 文獻[5]中作者提出了一個由離散LC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)可以將由輸入功率變化引起的輸入阻抗的變化范圍進行壓縮， 這個匹配網(wǎng)絡(luò)被命名為電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(RCN)， 其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示. RCN被廣泛應用于多種低頻射頻系統(tǒng)中. 在文獻[6]中利用RCN設(shè)計了基于微帶線的阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)(ICN)， 將RCN應用于高頻系統(tǒng). 作者將ICN應用在了一個工作于 4.6 GHz、 最大輸入功率為4 W的移相放大系統(tǒng)中， 成功使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率在輸入功率為0.55 W時提高了37%. 文獻[7]中提出了基于傳輸線的電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(TRCN)理論， TRCN的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示. 作者提出通過調(diào)整TRCN的特性阻抗Z0和電長度θ， 即可控制TRCN對輸入電阻變化的壓縮比例. 文獻[8]將RCN應用在了一個差分整流器系統(tǒng)中， 同樣抑制了整流器輸入阻抗隨輸入功率的變化范圍， 使整流器系統(tǒng)在小輸入功率下的RF - dc轉(zhuǎn)換效率提高了5%～13%.

本文提出了基于傳輸線的單支路電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(SRCN)， 將傳統(tǒng)的雙支路TRCN的結(jié)構(gòu)簡化為單個支路， 相較于傳統(tǒng)的TRCN， 本文提出的SRCN具有更加簡單的電路結(jié)構(gòu)， 僅使用了一路整流器， 且相比沒有使用SRCN的整流器， 在使用了SRCN結(jié)構(gòu)后， 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最多提高了15%.

1 基于傳輸線的單支路電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(SRCN)

圖 2 單支路電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.2 The schematic diagram of the single-branch resistance compression network (SRCN)

單支路電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(SRCN)的原理如圖 2 所示. SRCN主要由兩截長度不同、 特性阻抗相同的微帶線TLS和TLO組成， 其中TLS為短路線，TLO為開路線.TLM為一截長度為λ0/4、 特性阻抗為50 Ω微帶線， 其中λ0為整流器工作頻率的波長.RL為阻值變化的電阻， 其變化的阻值代表整流器在輸入功率變化時輸入阻抗的變化.Zin為整流器系統(tǒng)的輸入阻抗.TLS接地， 可以近似看作一個定值電阻， 與可變電阻RL并聯(lián)， 并聯(lián)后的電阻阻值小于上述兩個電阻中的任意一個， 以此達到電阻壓縮的目的.

研究TLO和TLS的變化對SRCN壓縮能力的影響： 設(shè)TLS和TLO的長度分別為L1和L2， 它們的長度之和為Lt， 即Lt=L1+L2， 結(jié)果如圖 3， 圖 4 所示.

圖 3 開路線的長度對SRCN壓縮能力的影響Fig.3 Effect of the length of opened-stub on the compression capacity of SRCN

開路線TLO對SRCN壓縮能力的影響如圖 3 所示. 圖 3 中L2=0 mm的曲線可知， 若去掉開路線TLO， 會使輸入電阻被壓縮為很小的值， 輸入電阻過小會嚴重降低整流器系統(tǒng)的RF - dc轉(zhuǎn)換效率. 當L2的值逐漸增大時， 輸入電阻逐漸增加， 在L2=13.4 mm時， 系統(tǒng)的輸入電阻接近50 Ω， 此時整流器系統(tǒng)實現(xiàn)更好的阻抗匹配， 在L2的值超過13.4 mm時， 系統(tǒng)的輸入電阻又急劇下降.

TLS和TLO的長度之和接近λ0/4時， 不同L1下系統(tǒng)的輸入電阻隨負載電阻的變化情況如圖 4 所示. 由圖4可知： 當L1≤5.8 mm時， SRCN有較明顯的壓縮能力， 當L1>5.8 mm時， SRCN的壓縮能力開始惡化. 經(jīng)實驗驗證， 若要得到較好的壓縮性能和更高的轉(zhuǎn)換效率， 應使Lt=λ0/4， 且TLO的長度與TLS的長度之比應該在2.4～3.4之間， 即2.4≤L2/L1≤ 3.4.

2 帶有SRCN結(jié)構(gòu)的微帶整流器設(shè)計

圖 5 帶有SRCN的整流器的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Configuration of the rectifier with the SRCN

為了驗證SRCN對轉(zhuǎn)換效率的改善作用， 我們使用SRCN設(shè)計了一個工作頻率為2.45 GHz的整流器， 并對其RF-dc轉(zhuǎn)換效率進行了仿真， 所設(shè)計的微帶整流器的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示， 該整流器由匹配網(wǎng)絡(luò)、 二極管和扇形枝節(jié)3部分組成， 扇形枝節(jié)與二極管的輸出端相連， 起到直流濾波的作用[9-10]. 對該整流器的仿真全部在ADS中進行. 所使用的介質(zhì)基板的厚度為h=1.6 mm， 介電常數(shù)為ε=4.4， 損耗角正切為tanδ=0.02. 負載電阻R的阻值為300 Ω. 由于本設(shè)計中需要二極管工作在中等輸入功率(0 dBm

表 1 傳輸線及扇形的尺寸

圖 6 為從3個不同的參考面所得的整流器的輸入阻抗. 由于SRCN結(jié)構(gòu)主要用于對阻抗電阻分量的壓縮， 而二極管的輸入阻抗包含電阻和電抗兩個分量， 所以在設(shè)計整流器時首先使用TL5和TL6兩段微帶線使二極管的輸入阻抗在史密斯圓圖上進行旋轉(zhuǎn)， 以消除阻抗的電抗分量， 如圖 6 中的Zrot所示.TL2為一段特性阻抗Z0=50 Ω， 長度為λ0/4的微帶線，TL3和TL4構(gòu)成SRCN結(jié)構(gòu)， 其中TL3為開路線，TL4為短路線. 由圖6中的ZSTRCN曲線和Zrect對比可知， 當加入SRCN結(jié)構(gòu)后， 整流器的輸入阻抗隨輸入功率的變化范圍有了明顯的減小.

為了驗證SRCN對于整流器轉(zhuǎn)換效率的改善效果， 我們還設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)相同、 不帶有SRCN結(jié)構(gòu)的整流器， 其匹配網(wǎng)絡(luò)部分如圖 5 中的嵌入圖所示. 對兩個整流器進行仿真后得到的RF-dc轉(zhuǎn)換效率如圖7所示. 由圖7中的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 在整流器的匹配網(wǎng)絡(luò)中加入SRCN結(jié)構(gòu)后， 整流器的轉(zhuǎn)換效率在輸入功率為0～20 dBm時， 提高了8%～15%. 當輸入功率為16 dBm時， 轉(zhuǎn)換效率的改善最明顯， 提高了15%. 同時， 與不帶有SRCN結(jié)構(gòu)的整流器相比， 帶有SRCN結(jié)構(gòu)的整流器可以在更寬的輸入功率范圍內(nèi)獲得更高的轉(zhuǎn)換效率.

圖 6 從3個參考面所得的整流器的輸入阻抗Fig.6 Simulated impedances of the rectifier at three reference planes

圖 7 帶有和不帶有SRCN結(jié)構(gòu)的整流器的轉(zhuǎn)換效率仿真結(jié)果Fig.7 Simulated conversion efficiency of the rectifiers with and without the SRCN

3 結(jié) 論

本文所提出的單支路電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)(SRCN)能夠有效減小整流器的輸入阻抗隨輸入功率的變化范圍， 使整流器在更寬的輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的RF-dc轉(zhuǎn)換效率. 通過設(shè)計一個工作于2.45 GHz的整流器對SRCN的工作能力進行了驗證， 仿真結(jié)果表明： 使用了SRCN結(jié)構(gòu)后， 整流器的轉(zhuǎn)換效率最多提高了15%， 整流器對輸入功率變化的敏感性顯著降低.

[1] Falkenstein E, Roberg M, Popovi′c Z. Low-power wireless power delivery[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60(7): 2277-2286.

[2] Marian V, Allard B, Vollaire C, et al. Strategy for microwave energy harvesting from ambient field or a feeding source[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4481-4491.

[3] Lu Ping, Yang Xuesong, Li Jialin, et al. A compact frequency reconfigurable rectenna for 5.2- and 5.8-GHz wireless power transmission[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(11): 6006-6010.

[4] Prete M D, Costanzo A, Georgiadis A, et al. A 2.45-GHz energy-autonomous wireless power relay node[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015, 63(12): 4511-4520.

[5] Han Yehui, Leitermann O, Jackson D A, et al. Resistance compression networks for radio-frequency power conversion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(1): 41-53.

[6] Xu Junfeng, Ricketts D S. An efficient, watt-level microwave rectifier using an impedance compression network (ICN) with applications in outphasing energy recovery systems[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2013, 23(10): 542-544.

[7] Xu Junfeng, Tai Wei, Ricketts D S. A transmission line based resistance compression network (TRCN) for microwave applications[C]. IEEE MTT-S IMS Dig., 2013: 1-3.

[8] Lin Quanwei, Zhang Xiuyin. Differential rectifier using resistance compression network for improving efficiency over extended input power range[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2016, 64(9): 2943-2954.

[9] 李奧博, 耿軍平, 金榮洪, 等. 一種新型雙二極管5.8 GHz諧波抑制的整流電路[J]. 中國電子科學研究院學報, 2012, 7(5): 538-543.

Li Aobo, Geng Junping, Jin Ronghong, et al. A novel 5.8 GHz dual-diode harmonic rejecting rectifier[J]. Journal of CAEIT, 2012, 7(5): 538-543. (in Chinese)

[10] 沈龍, 楊雪霞, 聶美娟, 等. 一種新型的雙頻整流電路[J]. 微波學報, 2014, 30(5): 63-66.

Sheng Long, Yang Xuexia, Nie Meijuan, et al. A Novel Rectifying Circuit Operating at Dual-Frequency[J]. Journal of Microwaves, 2014, 30(5): 63-66. (in Chinese)