楊 剛，張巧利，趙德雙*，曹衛(wèi)平

(1.電子科技大學(xué)物理學(xué)院，成都 610054；2.桂林電子科技大學(xué)無線寬帶通信與信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004)

0 引言

微波輸能(Microwave Power Transmission，MPT)是無線能量傳輸(Wireless Power Transmission，WPT)技術(shù)中的一種，在衛(wèi)星輸能、醫(yī)療防護(hù)、室內(nèi)無線充電等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1]。微波輸能運(yùn)用電磁波進(jìn)行空間能量傳輸，其系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分組成[2]。發(fā)射端由微波功率源將直流電能轉(zhuǎn)換為射頻能量，通過天線發(fā)送出去，接收天線接收到射頻能量并傳輸給整流電路進(jìn)行整流，將射頻能量再轉(zhuǎn)換為直流[3]。因此，設(shè)計高效率的整流電路是提高微波輸能系統(tǒng)效率的重要環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外的研究者已經(jīng)提出了很多整流電路結(jié)構(gòu)用于提升整流電路的最大整流效率，拓寬高效率下的輸入功率范圍，以及實(shí)現(xiàn)高效率的大功率整流。上世紀(jì)60年代，Brown WC首先對整流天線進(jìn)行研究測試，但是只獲得了40%的傳輸效率，后來他改用了低噪放和高功率的磁控管來發(fā)射射頻能量，接收天線采用二極管天線陣代替，大大提高了能量轉(zhuǎn)換效率[4]。1970年Brown WC利用半波長偶極子天線和肖特基二極管做出了整流天線，能夠?qū)崿F(xiàn)最高76%的轉(zhuǎn)換效率。到2010年，Takhedmit H等人設(shè)計了具有諧波抑制功能的整流天線，采用二倍壓整流結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)換效率達(dá)到83%[5]。

現(xiàn)階段對整流電路的研究主要集中在諧波抑制整流天線、多頻帶和寬頻帶整流電路、寬輸入功率范圍整流電路和可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)等方面[6]，而對整流二極管本身能量損耗及降低整流二極管能量損耗的方法仍有待進(jìn)一步研究。本文基于對整流電路的原理分析，利用整流二極管的等效電路模型分析其在正常工作狀態(tài)下的損耗，提出了一種通過阻抗變換電路提高整流電路中整流二極管的輸入電壓，進(jìn)而降低整流二極管歐姆損耗和結(jié)上能量損耗的方法。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行整流電路設(shè)計，能夠有效降低整流二極管的能量損耗，提高整流電路的整流效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整流電路的快速設(shè)計。

1 整流電路升壓原理分析

整流電路一般由輸入濾波器、阻抗匹配電路、整流二極管、輸出直通濾波器以及負(fù)載組成[8]，如圖1(a)所示。由于二極管有非線性特性，在整流過程中會產(chǎn)生高次諧波，它們會被再次反射到微波源或天線，因此需要一個輸入濾波器來抑制高次諧波。阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)微波源和整流電路的阻抗匹配。經(jīng)整流電路之后的電能不再是交流電，而是一種含有直流分量和交流分量的單向脈動性直流電壓，再經(jīng)直通濾波器之后變?yōu)橹绷麟娔?。由于高次諧波分量所占能量比重很小，也不在本方法的設(shè)計范圍內(nèi)，因此不專門設(shè)計輸入濾波器和輸出直通濾波器。按照電路的結(jié)構(gòu)不同，整流電路有單管串聯(lián)整流電路、單管并聯(lián)整流電路、雙管串并聯(lián)整流電路和橋式整流電路[9]。本文的設(shè)計方法以單管串聯(lián)整流電路為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其中 表示整流二極管輸入電壓的幅值， 表示整流后輸出到負(fù)載 的電壓，電容C1為濾波電容，相當(dāng)于一個直通濾波器。

(a) 整流電路結(jié)構(gòu)框圖

(b) 單管串聯(lián)整流電路結(jié)構(gòu)圖1 整流電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Rectifier circuit structure

整流二極管的特性決定了整流電路的最大轉(zhuǎn)換效率和功率容量，由于肖特基二極管具有低結(jié)電容和低導(dǎo)通電壓等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計選擇肖特基二極管作為整流二極管。將肖特基二極管的等效電路模型帶入單管串聯(lián)整流電路，整流電路的等效模型如圖2所示[10]。其中，Rs表示二極管的串聯(lián)電阻，Cj為二極管的結(jié)電容，它們都不隨二極管的工作狀態(tài)改變，結(jié)電阻Rj是可變的，當(dāng)二極管處于正向?qū)〞rRj遠(yuǎn)小于Cj的容抗，當(dāng)二極管反向偏置時Rj的阻值很大。

圖2 整流電路等效模型Fig.2 Equivalent model of rectifier circuit

在整流電路和微波源匹配良好，并不考慮電路其他部分的損耗時，整流電路的整流效率定義為：

(1)

其中，PDC為整流電路輸出的直流功率，PLOSS表示整流二極管上一個周期內(nèi)消耗的功率，它們可表示為：

(2)

PLOSS=Lon,RS+Loff,RS+Lon,diode

(3)

以上兩式中，Vout為負(fù)載電阻RL兩端的電壓，Lon,RS表示正向?qū)〞r二極管的歐姆損耗，Lon,diode表示二極管正向?qū)〞r，二極管結(jié)上的能量損耗，Loff,RS表示反向偏置時損耗的能量，當(dāng)二極管處于反向偏置時，二極管結(jié)上損耗的能量為零[11]。記正向?qū)ê头聪蚱脮r，串聯(lián)整流電路中的電流分別為Ion和Ioff，則由圖2的等效電路模型可以得到：

(4)

(5)

(6)

由于二極管的串聯(lián)電阻RS和閾值電壓Vbi為確定的值，因此二極管的能量損耗主要受二極管正向?qū)〞r的電流Ion和反向偏置時的電流Ioff影響。當(dāng)整流電路的輸入功率一定時，若能增大整流電路輸入端的電壓，則二極管導(dǎo)通和反偏時的電流均會降低，從而由(4)、(5)和(6)式可以看到，整流二極管的能量損耗將會降低，代入(1)式可以得到，隨著電路中電壓的升高，整流電路的整流效率將會提高。

在輸入功率保持不變時，若能增大二極管輸入端的輸入阻抗，則能達(dá)到提高二極管輸入電壓幅值的目的。通過仿真得到，輸入功率恒為20 dBm，采用肖特基二極管HSMS-2820搭建的單管串聯(lián)整流電路中，二極管輸入阻抗的模值和負(fù)載阻值的關(guān)系如圖3所示，可以看到輸入阻抗的模值和負(fù)載阻值成正比，因此可以通過增大負(fù)載阻值來增大輸入阻抗。此時，阻抗匹配電路一方面是實(shí)現(xiàn)整流電路和微波源的阻抗匹配，另一方面也可以看作是一個變壓器，將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓輸入到整流電路，從而增大整流電路的RF-DC轉(zhuǎn)換效率。

圖3 整流電路輸入阻抗與負(fù)載關(guān)系Fig.3 Relationship between input impedance and load of rectifier circuit

由于整流二極管的反向擊穿電壓為確定的值，因此當(dāng)通過提高二極管輸入電壓來增大整流效率時，整流電路反向擊穿電壓所對應(yīng)的整流功率就會降低，也就是說最大整流功率將會降低，這是升壓原理整流電路需要犧牲的性能。

2 整流電路的仿真設(shè)計

通過對整流電路中二極管損耗的分析，得到有助于提高整流電路效率的升壓原理，然后進(jìn)行整流電路的設(shè)計。用ADS仿真軟件仿真分析上節(jié)中的單管串聯(lián)整流電路。其中，整流二極管選擇肖特基二極管HSMS-2820，其主要SPICE參數(shù)如表1所示。功率源為 ，功率設(shè)置為 (單位：dBm)，工作頻率2.45GHz，內(nèi)阻阻抗為50 Ω。用微帶線單支節(jié)做阻抗匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)前接1/4波長短路支節(jié)，用于濾除二極管產(chǎn)生的二次諧波。

表1 HSMS-2820二極管的SPICE參數(shù)Table 1 Spice parameter of HSMS-2820

整流電路的仿真電路圖如圖4所示，取定輸入功率為20 dBm進(jìn)行設(shè)計。由上節(jié)的分析可得，較大的整流二極管輸入電壓對應(yīng)的最佳負(fù)載也比較大。因此，從小到大取不同的負(fù)載電阻，然后在此輸入功率和負(fù)載阻值處對整流電路和50 Ω的微波源進(jìn)行單支節(jié)阻抗匹配。以整流效率為優(yōu)化目標(biāo)，對匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得此功率點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)處的最大整流效率。并對恒定功率點(diǎn)處整流電路二極管輸入電壓幅值和效率關(guān)系進(jìn)行分析。

圖4 整流電路仿真電路圖Fig.4 Simulation circuit diagram of rectifier circuit

選取負(fù)載電阻的范圍為25 Ω到1600 Ω，依次對整流電路和微波源進(jìn)行阻抗匹配以得到最大整流效率，整流電路二極管輸入電壓幅值Vin、輸出到負(fù)載的電壓Vout和負(fù)載阻值RL的關(guān)系曲線如圖5(a)所示。從圖中可以看到，負(fù)載阻值RL越大，相同功率下整流電路中二極管輸入電壓幅值Vin和輸出到負(fù)載的電壓Vout也越大。

通過增大負(fù)載電阻并進(jìn)行阻抗匹配升壓后，圖5(b)給出了當(dāng)輸入功率為20 dBm時，不同整流電路輸入電壓幅值與整流電路最大整流效率的關(guān)系曲線?？梢钥吹?，在整流電路輸入功率相同時，隨著整流電路中輸入電壓幅值的增大，整流電路的整流效率得到了提升，從最低3.2 V時的44.7%提高到12.4V時的81.2%。輸入電壓較低時，隨著輸入電壓幅值的升高整流效率的提升更加明顯，隨著輸入電壓的逐漸增大，整流效率的提升將逐漸減小，這是因?yàn)殡S著電壓的提升，整流二極管消耗的功率占整流電路總功率的比重越來越小，因此再提升輸入電壓其損耗的減小會越來越慢。

根據(jù)上節(jié)的理論分析可得，隨著整流二極管輸入電壓的升高，整流電路的最大整流功率將會降低。圖6為仿真得到的整流電路輸入電壓幅值與最大整流功率的關(guān)系曲線?？梢钥吹?，跟理論分析的結(jié)果一致，整流電路的最大整流功率將隨著整流電路中電壓的升高而降低，這是在整流電路設(shè)計過程中需要進(jìn)行權(quán)衡的。

(a) 整流電路電壓與負(fù)載阻值關(guān)系

(b) 整流電路轉(zhuǎn)換效率與電壓關(guān)系圖5 整流電路仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of rectifier circuit

圖6 最大整流功率與輸入電壓關(guān)系Fig.6 The relationship between the maximum rectifying power and the input voltage

3 結(jié)論

本文基于對整流電路的等效模型分析，得到了影響整流電路轉(zhuǎn)換效率的參量，提出了一種通過升高整流電路中的電壓來提高整流電路轉(zhuǎn)換效率的方法。然后設(shè)計了一款工作在2.45GHz的整流電路并進(jìn)行仿真分析。通過理論分析和仿真得到如下結(jié)論：

(1)在整流電路輸入功率一定的情況下，增大整流電路的負(fù)載，然后通過對整流電路和微波源的阻抗匹配可以提高整流電路輸入電壓的幅值和輸出到負(fù)載的電壓。

(2)在相同的輸入功率下，通過升高整流電路中的電壓可以降低流過整流二極管的電流，從而降低二極管的歐姆損耗和結(jié)上損耗，進(jìn)而提高整流電路的整流效率。

(3)由于整流二極管的反向擊穿電壓確定，通過升壓原理設(shè)計整流電路時，會降低整流電路的最大整流功率，這是本方法的不足，在設(shè)計時需要對最大整流效率和最大整流功率進(jìn)行權(quán)衡。

運(yùn)用升壓原理設(shè)計的整流電路，在沒有加輸入濾波器和輸出直通濾波器的情況下，得到了在輸入功率20 dBm時最大整流效率81.2%的仿真結(jié)果，對于要求高轉(zhuǎn)換效率的整流電路設(shè)計提供了設(shè)計方法。