一种小型化宽功率范围射频整流电路

1.本发明属于射频电路领域，具体涉及一种小型化宽功率范围射频整流电路。

背景技术：

2.如今的无线通信正加速步入一个多功能、大数据、高速传输的时代，这意味着我们周围的空间充满了电磁/射频能量信号，并且以一个惊人的速度增加着。然而我们周围充斥的这些电磁能量信号在完成通信和信息能量传递的同时也会对其他不需要接收这些信号的仪器设备产生电磁干扰(electromagnetic interfere，emi)，形成一种电磁污染。如果换一个角度，周围的电磁能量为射频能量收集提供了前提条件，而且还能“变废为宝”，不仅解决了电磁污染问题，还提供了一种新的无污染能源。因此射频能量收集(rf energy harvesting，reh)也越来越受到人们的关注。
3.射频能量收集系统主要包括接收天线和整流电路两个部分，其中整流电路包括阻抗匹配网络、整流二极管、谐波抑制网络和负载。这项技术旨在利用接收装置采集环境空间中的射频能量，并通过能量转换装置将射频能量转换成直流能量，为仪器设备提供能量供给或者暂时储存起来。
4.整流电路是无线电力传输(wpt)系统和射频能量收集(eh)系统中的重要组件。能量收集系统可以收集周围环境中的电磁能量，为一些难以布线和更换电池的电子设备进行充电，例如管道和一些偏远地区。整流电路作为能量收集系统中的关键部分，可以将收集到的射频能量转换为直流能量，并在很多地方得到广泛的应用，例如太阳能卫星系统、微波动力直升机、无线动力传感器、生物医学植入式设备、射频识别(rfid)和无人机充电的应用。由于环境中的能量功率密度在一个很宽的功率范围内，因此设计一个具有扩展输入功率范围的高效射频整流电路非常有必要。
5.而宽功率整流电路是射频能量收集的研究中一个核心的技术问题。现在面临的主要问题就是整流效率低、扩展功率范围窄、尺寸大，不适用在一些小型化器件上等，因此提供一款宽功率范围而且有实用价值的整流电路具有重要意义。

技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种小型化宽功率范围射频整流电路，该方法包括：微波源、阻抗匹配网络、低功率整流支路、高功率整流支路、第一直通滤波器、第二直通滤波器、第一电容、第二电容、第三微带线、第四微带线、第一电阻和第二电阻；阻抗匹配网络的输入端与微波源连接，阻抗匹配网络的输出端分别与第三微带线的输入端和第四微带线的输入端连接；第三微带线输出端与第二电容输入端连接，第四微带线输出端与第一电容输入端连接；第二电容输出端分别与第二直通滤波器的输入端和高功率整流支路连接，第一电容输出端分别与第一直通滤波器的输入端和低功率整流支路连接；第一直通滤波器的输出端与第一电阻连接，第二直通滤波器的输出端与第二电阻连接；
7.所述低功率整流支路包括低功率整流二极管和第八微带线，第八微带线一端与低
功率整流二极管输出端连接，另一端与地连接，低功率整流二极管输入端与第一电容输出端连接；所述高功率整流支路包括高功率整流二极管、第五微带线和第六微带线，高功率整流二极管一端与第五微带线一端连接，高功率整流二极管另一端与第六微带线一端连接，第六微带线另一端与地连接，第五微带线另一端与第二电容输出端连接。
8.优选的，阻抗匹配网络包括第一微带线和第二微带线；第一微带线的输入端与微波源连接，第一微带线的输出端分别与第三微带线的输入端、第四微带线的输入端连接和第二微带线的输入端连接，第二微带线的输出端接地。
9.优选的，第一直通滤波器包括第九微带线和第四电容；第九微带线的输入端与第一电容输出端连接，第九微带线的输出端分别与第四电容的输入端和第一电阻连接，第四电容输出端接地。
10.进一步的，第九微带线为四分之一波长微带线。
11.优选的，第二直通滤波器包括第七微带线和第三电容；第七微带线的输入端与第二电容输出端连接，第七微带线的输出端分别与第三电容输入端和第二电阻连接，第三电容输出端接地。
12.进一步的，第七微带线为四分之一波长微带线。
13.优选的，第八微带线为八分一波长微带线。
14.优选的，第五微带线为四分一波长微带线，第六微带线为八分一波长微带线。
15.本发明的有益效果为：本发明采用一种新型的整流电路结构，在传统的一个二极管并联的结构上再增加一个二极管并联结构形成双负载支路，分别工作在低功率区和高功率区，提高整流效率和输入功率范围。传统的整流电路多支路分别进行匹配，增加了插入损耗和电路尺寸，而本发明采用在两条支路前端分别添加一段微带线来调节实部阻值，只需在前端进行一次匹配就可达到宽范围匹配的效果。本发明在并联支路末端添加八分之波长微带线，抵消二极管的虚部阻值。并联支路末端添加的八分之波长微带线对高次谐波也有一定的抑制作用，也可以减少谐波损耗，提高整流效率。实现了一种简化的整流电路拓扑结构，减小了电路尺寸达到了宽功率范围高效率整流目的。
附图说明
16.图1为本发明中小型化宽功率范围射频整流电路结构示意图；
17.图2为本发明中小型化宽功率范围射频整流电路仿真结果图；
18.图3为一现有技术的整流电路仿真结果图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明提出了一种小型化宽功率范围射频整流电路，如图1所示，所述方法包括：微波源mv、阻抗匹配网络、低功率整流支路a、高功率整流支路b、第一直通滤波器、第二直通滤波器、第一电容c1、第二电容c2、第三微带线tl3、第四微带线tl4、第一电阻r
l
和第二电阻
和c2)，以防止直流回流。前端的阻抗匹配网络、隔直电容与后端的直通滤波器可以将谐波能量限制其中，反射回二极管，再次经过二极管整流，提高了整流效率。此外，通过在阻抗匹配网络与电容之间添加微带线(tl3和tl4)，将二极管与连接点分开，实现更好的布局，避免直接连接电容造成的影响。
29.本发明在传统的并联整流电路上做了改进，选用两个并联支路，分别工作低功率区和高功率区。假设有一个非线性的电阻r，它上面的功率p取决于总功率施加到它上面的功率p，本发明采用的是两个非线性电阻并联的方式，因为两个电阻(r
l
、r
l1
)拥有相同的电压，因此它们的功率主要由两个电阻的阻值决定，当r2＝r1时，会导致均衡的功率分配。其中r1和r2分别为两条支路(包含第三微带线tl3的左边支路和包含第四微带线tl4的右边支路)的阻值，p1和p2为两条支路的功率。本发明采用通过改变支路阻值影响支路电流，进一步影响支路功率分配的原理，首先选择两个阻抗变化趋势相同的二极管，并分别在低功率和高功率时有很好的整流作用。为使二极管能够工作在合适的区域，在高功率整流支路的二极管前采用微带线来反转二极管阻值。使低功率二极管阻值呈现在低功率时阻值偏低，在高功率时阻值随着功率呈上升趋势；高功率二极管呈现在低功率时阻值偏高，在高功率时阻值随着功率呈下降趋势，通过阻值的变化影响功率的分配，使其功率合理分配，达到宽功率范围整流的目的。
30.对本发明进行评价，其仿真结果如图2所示，其中，图(a)为小型化宽功率范围射频整流电路的整流效率随输入功率变化曲线图，图(b)为小型化宽功率范围射频整流电路的s
11
随输入功率变化曲线图，s
11
表示输入反射系数即输入回波损耗，图(c)为小型化宽功率范围射频整流电路的阻抗系数随输入功率变化曲线图，整流电路的整流效率在频率为5.8ghz，从图(a)可以看出本发明输入功率为12.9dbm达到最大为68.6％，并且输入功率在-0.4dbm到25.2dbm范围内时，整流效率大于60％；从图(c)可以看出，输入功率在0db到26db范围内时，实部阻值在50ω左右，虚部阻值在0ω左右表现出良好的匹配效果，从图(b)可以看出输入功率在0dbm到-30db范围内时，反射系数在-10db以下，回波损耗很小，有利于保证在功率范围内整流效率处于较高范围；与2020年《ieee microwave and wireless components letters》期刊上发表的“single-and dual-band rf rectifiers with extended input power range using automatic impedance transforming”2.45ghz整流电路仿真结果相比，如图3所示，其中，图(d)为对比电路的整流效率随输入功率变化曲线图，图(e)为对比电路的阻抗系数随输入功率变化曲线图；通过对比发现，本发明整流效率大于60％以上的整流范围更宽，尺寸更小。
31.本发明在支路并联整流电路基础上做了改进，简化了匹配结构，由多支路多次匹配，转换为只需一次匹配，并在二极管支路末端添加了一段微带线，起到减小二极管虚部阻值和滤除高次谐波的作用，与传统的并联整流电路相比，本发明在宽功率范围、整流效率和尺寸上更优。
32.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，包括：微波源、阻抗匹配网络、低功率整流支路、高功率整流支路、第一直通滤波器、第二直通滤波器、第一电容、第二电容、第三微带线、第四微带线、第一电阻和第二电阻；阻抗匹配网络的输入端与微波源连接，阻抗匹配网络的输出端分别与第三微带线的输入端和第四微带线的输入端连接；第三微带线输出端与第二电容输入端连接，第四微带线输出端与第一电容输入端连接；第二电容输出端分别与第二直通滤波器的输入端和高功率整流支路连接，第一电容输出端分别与第一直通滤波器的输入端和低功率整流支路连接；第一直通滤波器的输出端与第一电阻连接，第二直通滤波器的输出端与第二电阻连接；所述低功率整流支路包括低功率整流二极管和第八微带线，第八微带线一端与低功率整流二极管输出端连接，另一端与地连接，低功率整流二极管输入端与第一电容输出端连接；所述高功率整流支路包括高功率整流二极管、第五微带线和第六微带线，高功率整流二极管一端与第五微带线一端连接，高功率整流二极管另一端与第六微带线一端连接，第六微带线另一端与地连接，第五微带线另一端与第二电容输出端连接。2.根据权利要求1所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，阻抗匹配网络包括第一微带线和第二微带线；第一微带线的输入端与微波源连接，第一微带线的输出端分别与第三微带线的输入端、第四微带线的输入端连接和第二微带线的输入端连接，第二微带线的输出端接地。3.根据权利要求1所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第一直通滤波器包括第九微带线和第四电容；第九微带线的输入端与第一电容输出端连接，第九微带线的输出端分别与第四电容的输入端和第一电阻连接，第四电容输出端接地。4.根据权利要求3所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第九微带线为四分之一波长微带线。5.根据权利要求1所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第二直通滤波器包括第七微带线和第三电容；第七微带线的输入端与第二电容输出端连接，第七微带线的输出端分别与第三电容输入端和第二电阻连接，第三电容输出端接地。6.根据权利要求5所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第七微带线为四分之一波长微带线。7.根据权利要求1所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第八微带线为八分一波长微带线。8.根据权利要求1所述的一种小型化宽功率范围射频整流电路，其特征在于，第五微带线为四分一波长微带线，第六微带线为八分一波长微带线。

技术总结

本发明属于射频电路领域，具体涉及一种小型化宽功率范围射频整流电路；该方法包括：阻抗匹配网络的输入端与微波源连接，阻抗匹配网络的输出端分别与第三微带线的输入端和第四微带线的输入端连接；第三微带线输出端与第二电容输入端连接，第四微带线输出端与第一电容输入端连接；第二电容输出端分别与第二直通滤波器的输入端和高功率整流支路连接，第一电容输出端分别与第一直通滤波器的输入端和低功率整流支路连接；第一直通滤波器的输出端与第一电阻连接，第二直通滤波器的输出端与第二电阻连接；本发明具有宽功率范围、高整流效率和小尺寸的优点。小尺寸的优点。小尺寸的优点。