井下小型化微波输能整流电路的研究与设计

目前，国内外对无线输能的研究越来越多，无线能量传输必定会成为未来能量传输的方向，特别是在布线困难的环境里。井下传感器数量多、分布广泛，并且环境复杂恶劣，传感器能量补充困难。因此，研究传感器无线充电意义重大。而作为无线充电的关键技术，整流电路的设计直接影响天线的整流效率。本文提出了工作频率为5.8 GHz的微带整流电路实现的设计方案，设计了一种尺寸小、整流效率高、适用在传感器上的整流电路。再结合高频仿真软件HFSS和ADS对整流天线的实现方案进行研究，通过试验对设计原理、步骤的正确性进行了验证。
1 微波整流电路原理和设计
为满足用于无线传感器小尺寸高效率整流电路的要求，本文采用可调节的输出直通滤波器来实现匹配效果，而在输入滤波器和二极管之间没有匹配网络，从而大大缩小整流电路尺寸，并且提高了整流效率。
整流电路的原理图如图1所示。输入滤波器采用5阶切比雪夫低通滤波器，滤除谐波，截止谐波，防止谐波回流到天线[1]。整流电路采用肖特基二极管(HSMS286)，在5.8 GHz工作频率下具有较低的正向开启电压和小的结电容。

1.1 输入输出滤波器分析
输入滤波器使基波无耗通过，抑制二极管产生的高次谐波，防止回流至天线而降低整流效率。采用阶跃阻抗低通滤波器，由传输线理论分析，一段高阻抗短传输线可以等价为一个串联电感，一段低阻抗传输线可以等价为一个并联电容。交替使用高低阻抗微带线构成的分布参数滤波器就是微带线阶跃阻抗滤波器[2]。由下面的公式来确定代替电容电感的电长度。

输出滤波器由长度为L的微带线和并联在负载两端的电容组成，通过调节L的长度，使二极管端的输入阻抗为纯阻抗，发生谐振，只允许直流通过，阻止基波和各高次谐波[3]。通过仿真得到微带线长度为5.3 mm时，二极管输入端纯阻抗为40。通过调节输入滤波器输入输出阻抗，分别与接收天线和二极管达到阻抗匹配，达到缩小整流电路尺寸的目的。
1.2 整流二极管分析
　作为整流天线的关键技术，整流电路的设计直接影响天线的效率，而整流二极管是整流电路的核心器件。肖特基二极管作为非线性电阻应用时,其寄生参量会对电路的性能造成影响，在微波电路设计时，应充分考虑这些寄生参量的影响[4]。
反向击穿电压Vbr、零偏置结电容Cj0和串联电阻Rs这三个参数决定二极管的整流效率[5]。为了提高二极管整流效率，参考文献[6]研究了Rs和Cj对整流效率的影响。由于Rs和Cj对非线性结电阻起到分压和分流的作用，Rs减小，它所消耗的能量减小，整流效率提高；Cj减小,整流效率提高，因为Cj支路的输入阻抗变大，反向电流很难通过。同时由Rs和Cj0决定的时间常数τ(τ=Rs×Cj0)便减小。根据参考文献[5-8],通过对二极管等效电路分析，图3给出了利用理论公式和Matlab仿真在不同 子值下，二极管整流效率与输入功率变化的曲线。

因此，在选择整流二极管时要充分考虑二极管参数对整流效率的影响，尽量选择值比较小的二极管。
Avago是专为工作频率为915 MHz~5.8 GHz的应用而设计和优化的HSMS-286家族，可以完美地应用在RF到DC的转换上[9]。本文选用Avago HSMS-2860肖特基势垒二极管，Bv=7.0 V，Cj0=0.18 pF，Rs=5 赘，Vj=0.7 V。二极管的输入管脚连接微带线输入，其余两个中一个通过过孔接地，另一个接微带线输出端。
整流二极管的性能是决定整流效率的关键因素，而整流二极管工作于大信号状态，所以必须首先分析其非线性特性，研究工作频率、输入功率、直流负载等参数对整流效率的影响[10]。
HSMS-2860通常被用于大功率信号，需要利用ADS软件中谐波平衡仿真，来研究肖特基二级管对输入功率变化的非线性行为。根据整流电路设计理论，首先需要确定二极管的输入阻抗，才能进行后续的设计,尤其是匹配电路的设计。二极管输入阻抗与输入功率关系仿真，如图4所示，在小输入功率下(小于-5 dBm)，输入功率变化时，输入阻抗基本保持不变。当输入功率较大(大于-5 dBm)，二极管输入阻抗随输入功率的变化而显著变化。这是由于大功率时，负载产生的环形电流与二极管自身饱和电流可比，影响了二极管的S参数。
二极管整流效率在系统阻抗失配情况下的测量原理是，用真正进入二极管的功率作为分母，否则，失配造成的反射功率将大大降低二极管的转换效率，使测量结果不准确。如图5所示。

对二极管整流电路测试，在5.75 GHz~5.85 GHz，工作频率下输入功率为16 dBm(矢网最大输出功率)，负载680 赘整流电压达到4.4 V，整流效率为71.2%。
测试效率比仿真效率低，分析原因主要有以下方面：(1)电路焊接不准确，焊锡覆盖部分信号线，对信号干扰较大，造成能量损耗;(2)SMA接头针为较粗的圆形，焊接产生的寄生电容对整流效率影响较大;(3)滤波器微带线间线宽相差较大，造成信号反射，线上损耗变大;(4)二极管手工焊接的粗糙和转接头的加入，造成部分能量的损耗。
通过提高焊接准确性，换一针两地的SMA接头并在接地管脚覆盖铜纸以减小干扰，达到最精确的测量结果。
本文提出适用于井下无线传感器充电的微带整流电路设计方法，该电路尺寸小、整流效率高。通过二极管和输出滤波器匹配，去掉匹配网络，减小尺寸，同时也提高整流效率。通过ADS软件进行了仿真验证。重点分析了影响整流效率的原因并进行改进。经测试，该整流电路整流效率明显提高，可以应用于无线传感器能量传输整流电路中。
参考文献
[1] 胡浩,孔力.一种用于微波能量传输的圆极化接收整流天线[J].微波学报,2008,24(3):44-17.
[2] 周正,宋宇飞.微带线阶跃阻抗滤波电路的ADS 辅助设计[J].中国新通信, 2010, 12(1): 64-66.
[3] 邓红雷,孔力.微带整流天线的设计与试验[J].电波科学学报，2008,23(2):315-320.
[4] 雷正亚,李磊,谢拥军等.微波电子线路[M].西安: 西安电子科技大学出版社，2009.3.
[5] YOO T W, Chang Kai. Theoretical and experimental deve lopment of 10 and 35 GHz Rectennas[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1992,40(6):1259-1266.
[6] FUJIMORI K, WAGI T, TSURUTA K. Characteristic of RF-DC conversion circuit for wirless power transmission using the low resistance GaN schottky barrier diode[J]. Proceedings of ISAP 2012,Nagoya, Japan.190-193.
[7] HAYASHINO K, HARAUCHI K, ISWASAKI Y. Analysis of loss mechanism in rectenna circuit with GaN schottybarrier diode[J].IMWS-IWPT 2012 Proceedings：179-182.
[8] 薛玉杰.无线输能系统中整流天线的分析与设计[D].上海：上海大学,2007.
[9] Avago, Data Sheet-HSMS-286x Series, Surface Mount Micowave Schotty Detector Diodes[DB/OL].http://www.avagotech. cn/pages/cn/rf_microwave/diodes/schottky/hsms-2862/.2009-8-26/2012-12-1.
[10] 周雨微.射频接收整流天线的研究与应用[D].广州:广州工业大学,2011.