基于共面波導結構的小型化整流電路設計

劉一麟

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著微波無線能量傳輸技術的快速發展與廣泛應用，實現微波整流電路的小型化已成為了一個必然研究方向[1-3]。與此同時，隨著無線攜能通信技術、平流層無人機/飛艇技術及空間太陽能衛星技術的發展，微波無線能量傳輸系統對整流電路小型化的要求也越來越高[3]。針對微波整流電路小型化所面臨的一系列挑戰，傳統微帶線結構的整流電路必須通過多層板工藝壓縮電路尺寸，增加加工成本與難度的同時不利于電路散熱，在高功率整流應用時存在安全隱患[4]。共面波導（Coplanar Waveguide，CPW）結構的信號線與接地板共處一個平面，具備體積小、重量輕以及功率容量大的優勢，平面結構使得其具有容易制作，容易實現無源和有源器件在微波電路中的串聯與并聯(不需要在基片上穿孔)，容易提高電路密度等優點，設計自由度更高，有利于實現微波整流電路的小型化設計[5,6]。

1 共面波導小型化整流電路基本結構

整流電路是將交流電能轉換為直流電能的電子電路，負責將接收天線接收到的射頻能量轉換為直流能量，是整流天線中的關鍵組成部分，其射頻-直流轉換效率決定了整流天線的性能好壞。常見的整流電路有半波整流與全波整流，實際應用中，半波整流效率要優于全波整流，因此多數整流電路均是半波整流形式。半波整流電路的主要拓撲形式有串聯整流、并聯整流以及單橋整流，基礎結構如圖1所示，主要由低通濾波器、整流二極管、直通濾波器以及負載構成[7-10]。其中，低通濾波器與直通濾波器還負責二極管與前后端電路的匹配，其濾波性能決定了整流電路的整體效率。

圖1 整流電路基本組成

2 共面波導小型化整流電路仿真設計

整流電路中的損耗主要來自匹配損耗和寄生參數損耗。其中，匹配損耗可以通過設計合理的匹配結構來降低，而寄生損耗主要由二極管和集總元件帶入。在本文中，采用共面波導直通濾波器設計了串聯二極管形式整流電路，減少了集總元件的使用，降低了集總元件封裝以及焊接引入的寄生參數，提升了整流電路效率，同時降低了加工難度，實現了小型化設計。本文所設計的串聯二極管整流電路主要由匹配電路、二極管以及CPW濾波器3個部分構成[11,12]。

本文提出的共面波導濾波器主要由3對L型狹縫構成。每對縫隙可看做如圖2（a）所示的一個L型帶阻濾波器，狹縫槽的間距主要產生電容效應，而被狹縫所分離的窄共面波導線則表現為電感特性。每對L型狹縫可以等效為一個并聯的電容電感網絡，可以實現其諧振頻率上的傳輸零點，仿真結果如圖2（b）所示。

圖2 共面波導帶阻濾波器

諧振零點主要取決于縫隙長度la，零點頻率與la之間的關系為：

式中，c為真空中的光速；εr為介質板的介電常數。

CPW帶阻濾波器可以蝕刻在共面波導導帶上，也可以對稱蝕刻在兩邊接地板上，將3個帶阻濾波器結合，即可實現如圖3所示的CPW直通濾波器。其中導帶上蝕刻的兩個帶阻濾波器分別抑制5.8 GHz的基波與17.6 GHz的三次諧波，而兩側接地板上的帶阻濾波器用來抑制11.6 GHz的二次諧波。為了減小濾波器尺寸，將尺寸最大的5.8 GHz帶阻濾波器進行彎折處理，直通濾波器細節尺寸如圖3所示，單位為mm。

圖3 共面波導直通濾波器及仿真S參數與等效電路

ADS仿真結果顯示，在基波、二次諧波以及三次諧波處的反射系數分別為-0.34 dB、-0.63 dB以及-0.82 dB，而直流分量可以順利通過濾波器，濾波器性能良好。不同于微帶整流電路的仿真，ADS軟件中并沒有集成的共面波導元件，因此需要場線聯合仿真來設計電路。通過在ADS Momentum仿真器或HFSS中自建CPW元件，電磁仿真后，將仿真得到的S參數封裝為元件，再在原理圖中聯合仿真優化的方式設計CPW整流電路，最終的聯合仿真原理圖與版圖如圖4和圖5所示。

圖4 整流電路ADS仿真原理圖

圖5 整流電路版圖

為了電路整體的良好匹配，在二極管與CPW直通濾波器以及二極管與輸入端口間各加入一段匹配線，通過優化兩端匹配線的特性阻抗與等效電長度，即可實現整流電路的匹配。整流電路性能隨頻率和輸入功率變化的仿真結果分別如圖6和圖7所示，整流電路最佳轉換效率為75.26%。

圖6 整流電路性能隨頻率變化結果

圖7 整流電路性能隨輸入功率變化結果

整流電路的直流回路由兩個并聯接地的村田電感提供，以使得電路正常工作。值得注意的是，實物調試過程中可小幅調節電容容值與焊接位置，以提高整流電路效率。

3 共面波導整流電路測試與分析

圖8為整流電路實物圖。電路加工采用F4B-350聚四氟乙烯玻璃纖維單面覆銅板，介質板厚度為0.5 mm，介電常數為3.5，損耗角內切值為0.003 5，表面覆蓋的銅箔厚度選為0.018 mm，電路板總重0.43 g，總面積為 0.43λ0×0.24λ0，其中λ0為電路工作頻率 5.8 GHz所對應的自由空間波長，天線面密度為0.158 g/cm2。

圖8 整流電路實物圖

電路測試系統框架如圖9所示，采用Agilent E8267C矢量信號源輸出射頻能量，通過同軸傳輸線傳輸到待測整流電路，使用FLUKE萬用表測量作為負載的電阻箱兩側的直流輸出電壓。

圖9 整流電路測試系統框架圖

實際測試中，射頻輸入信號與直流輸出間的轉換效率為：

式中，PDC為整流獲得的直流功率；PRF為輸入的射頻信號；UDC為負載兩端的直流輸出電壓；RL為直流負載。

采用圖9搭建的實驗系統測試倍壓整流電路的整流效率，測試結果如圖10所示。信號源輸入功率調節范圍為17～20 dBm，變阻箱調節范圍為100～1 400 Ω，圖10（a）是不同輸入功率下，整流轉換效率隨直流負載的變化情況，圖10（b）是在不同輸入功率下，直流輸出隨直流負載變化情況。從圖10中可以看到，最佳整流轉換效率為67.48%，此時對應的輸入功率為20 dBm，直流負載為500 Ω。另外，在其他幾個輸入功率點也分別出現了對應曲線的最大值，輸入功率越小，對于的最佳直流負載越大。

圖10 整流電路測試結果隨輸入功率與直流負載變化關系

電路實測效率略低于ADS仿真效率，這是由于電路仿真為理想狀態，對電路中的不連續性結構以及集總元件封裝焊接帶入的寄生參數考慮不充分。同時加工與實測中存在誤差，也會影響整流電路效率。

4 結 論

本文介紹了微波整流原理，根據ADS軟件仿真方法，設計了工作在5.8 GHz的共面波導小型化整流電路，實際加工并進行了測試。該整流電路最佳整流轉換效率為67.48%，在輸入功率17～20 dBm，負載400～700 Ω之間，電路整流轉換效率大于60%。電路實測效率低于ADS仿真效率，這是由于電路仿真為理想狀態，對電路中的不連續性結構考慮不充分，同時加工與實測中存在誤差，也會影響整流電路效率。測試結果驗證了設計方法的可靠性，為共面波導結構的整流電路設計提供了方向性指導。