目前，國內(nèi)外對無線輸能的研究越來越多，無線能量傳輸必定會成為未來能量傳輸?shù)姆较颍貏e是在布線困難的環(huán)境里。井下傳感器數(shù)量多、分布廣泛，并且環(huán)境復雜惡劣，傳感器能量補充困難。因此，研究傳感器無線充電意義重大。而作為無線充電的關鍵技術，整流電路的設計直接影響天線的整流效率。本文提出了工作頻率為5.8 GHz的微帶整流電路實現(xiàn)的設計方案，設計了一種尺寸小、整流效率高、適用在傳感器上的整流電路。再結合高頻仿真軟件HFSS和ADS對整流天線的實現(xiàn)方案進行研究，通過試驗對設計原理、步驟的正確性進行了驗證。
1 微波整流電路原理和設計
    為滿足用于無線傳感器小尺寸高效率整流電路的要求，本文采用可調(diào)節(jié)的輸出直通濾波器來實現(xiàn)匹配效果，而在輸入濾波器和二極管之間沒有匹配網(wǎng)絡，從而大大縮小整流電路尺寸，并且提高了整流效率。
    整流電路的原理圖如圖1所示。輸入濾波器采用5階切比雪夫低通濾波器，濾除諧波，截止諧波，防止諧波回流到天線[1]。整流電路采用肖特基二極管(HSMS286)，在5.8 GHz工作頻率下具有較低的正向開啟電壓和小的結電容。

1.1 輸入輸出濾波器分析
    輸入濾波器使基波無耗通過，抑制二極管產(chǎn)生的高次諧波，防止回流至天線而降低整流效率。采用階躍阻抗低通濾波器，由傳輸線理論分析，一段高阻抗短傳輸線可以等價為一個串聯(lián)電感，一段低阻抗傳輸線可以等價為一個并聯(lián)電容。交替使用高低阻抗微帶線構成的分布參數(shù)濾波器就是微帶線階躍阻抗濾波器[2]。由下面的公式來確定代替電容電感的電長度。

    輸出濾波器由長度為L的微帶線和并聯(lián)在負載兩端的電容組成，通過調(diào)節(jié)L的長度，使二極管端的輸入阻抗為純阻抗，發(fā)生諧振，只允許直流通過，阻止基波和各高次諧波[3]。通過仿真得到微帶線長度為5.3 mm時，二極管輸入端純阻抗為40。通過調(diào)節(jié)輸入濾波器輸入輸出阻抗，分別與接收天線和二極管達到阻抗匹配，達到縮小整流電路尺寸的目的。
1.2 整流二極管分析
　作為整流天線的關鍵技術，整流電路的設計直接影響天線的效率，而整流二極管是整流電路的核心器件。肖特基二極管作為非線性電阻應用時,其寄生參量會對電路的性能造成影響，在微波電路設計時，應充分考慮這些寄生參量的影響[4]。
    反向擊穿電壓Vbr、零偏置結電容Cj0和串聯(lián)電阻Rs這三個參數(shù)決定二極管的整流效率[5]。為了提高二極管整流效率，參考文獻[6]研究了Rs和Cj對整流效率的影響。由于Rs和Cj對非線性結電阻起到分壓和分流的作用，Rs減小，它所消耗的能量減小，整流效率提高；Cj減小,整流效率提高，因為Cj支路的輸入阻抗變大，反向電流很難通過。同時由Rs和Cj0決定的時間常數(shù)τ(τ=Rs×Cj0)便減小。根據(jù)參考文獻[5-8],通過對二極管等效電路分析，圖3給出了利用理論公式和Matlab仿真在不同?子值下，二極管整流效率與輸入功率變化的曲線。

    因此，在選擇整流二極管時要充分考慮二極管參數(shù)對整流效率的影響，盡量選擇值比較小的二極管。
    Avago是專為工作頻率為915 MHz~5.8 GHz的應用而設計和優(yōu)化的HSMS-286家族，可以完美地應用在RF到DC的轉(zhuǎn)換上[9]。本文選用Avago HSMS-2860肖特基勢壘二極管，Bv=7.0 V，Cj0=0.18 pF，Rs=5 ?贅，Vj=0.7 V。二極管的輸入管腳連接微帶線輸入，其余兩個中一個通過過孔接地，另一個接微帶線輸出端。
    整流二極管的性能是決定整流效率的關鍵因素，而整流二極管工作于大信號狀態(tài)，所以必須首先分析其非線性特性，研究工作頻率、輸入功率、直流負載等參數(shù)對整流效率的影響[10]。
    HSMS-2860通常被用于大功率信號，需要利用ADS軟件中諧波平衡仿真，來研究肖特基二級管對輸入功率變化的非線性行為。根據(jù)整流電路設計理論，首先需要確定二極管的輸入阻抗，才能進行后續(xù)的設計,尤其是匹配電路的設計。二極管輸入阻抗與輸入功率關系仿真，如圖4所示，在小輸入功率下(小于-5 dBm)，輸入功率變化時，輸入阻抗基本保持不變。當輸入功率較大(大于-5 dBm)，二極管輸入阻抗隨輸入功率的變化而顯著變化。這是由于大功率時，負載產(chǎn)生的環(huán)形電流與二極管自身飽和電流可比，影響了二極管的S參數(shù)。
    二極管整流效率在系統(tǒng)阻抗失配情況下的測量原理是，用真正進入二極管的功率作為分母，否則，失配造成的反射功率將大大降低二極管的轉(zhuǎn)換效率，使測量結果不準確。如圖5所示。

    對二極管整流電路測試，在5.75 GHz~5.85 GHz，工作頻率下輸入功率為16 dBm(矢網(wǎng)最大輸出功率)，負載680 ?贅整流電壓達到4.4 V，整流效率為71.2%。
    測試效率比仿真效率低，分析原因主要有以下方面：(1)電路焊接不準確，焊錫覆蓋部分信號線，對信號干擾較大，造成能量損耗;(2)SMA接頭針為較粗的圓形，焊接產(chǎn)生的寄生電容對整流效率影響較大;(3)濾波器微帶線間線寬相差較大，造成信號反射，線上損耗變大;(4)二極管手工焊接的粗糙和轉(zhuǎn)接頭的加入，造成部分能量的損耗。
    通過提高焊接準確性，換一針兩地的SMA接頭并在接地管腳覆蓋銅紙以減小干擾，達到最精確的測量結果。
    本文提出適用于井下無線傳感器充電的微帶整流電路設計方法，該電路尺寸小、整流效率高。通過二極管和輸出濾波器匹配，去掉匹配網(wǎng)絡，減小尺寸，同時也提高整流效率。通過ADS軟件進行了仿真驗證。重點分析了影響整流效率的原因并進行改進。經(jīng)測試，該整流電路整流效率明顯提高，可以應用于無線傳感器能量傳輸整流電路中。
參考文獻
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