一种具有带通特性的整流电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出一种具有带通特性的整流电路，包括从上至下依次排布的微带单元、基板和金属底层；其中所述微带单元上加载有整流模块；所述整流模块包括谐波抑制功分器、隔直电容、输入匹配网络、整流二极管、输出低通滤波器和负载电阻；所述谐波抑制功分器包括两个输出端口，一输出端口通过依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的一端连接，另一输出端口依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的另一端连接。本实用新型将传统整流电路的输入谐波抑制部分融入功分器，在保证整流效率同时可实现带通特性。
【专利说明】
一种具有带通特性的整流电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及无线能量传输、无线能量回收中使用的整流电路，特别涉及一种将谐波抑制融入功分器的具有带通特性的整流电路。
【背景技术】
[0002]整流电路是一种可以将射频能量转换为直流能量的电路，它将天线接收或其它电路补给的射频能量，先经过输入滤波器到达整流二极管，二极管后接输出低通滤波器和负载电阻，这样能量就被限制在两个滤波器间的二极管上反复整流。整流电路的用途非常广泛，如微波动力飞机，无线输能充电器，传感器无线充电。这其中的核心技术就是整流电路，整流电路的好坏直接影响整个系统的性能。
[0003]差分式整流电路以其高效而渐渐被人们所知道，但是差分式整流电路后接两个输入滤波器会带来很高的插入损耗，不接输入滤波器又会降低整流电路的性能，假如将输入滤波器合并到功分器里面，上述问题将迎刃而解，而且所得到的带通特性可以解决对带外信号干扰的问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种具有带通特性的整流电路，在保证整流效率的同时实现带通特性，不对频带以外信号造成干扰。
[0005]为了解决上述问题，本实用新型的技术方案如下:
[0006]—种具有带通特性的整流电路，包括从上至下依次排布的微带单元、基板和金属底层;其中所述微带单元上加载有整流模块；
[0007]所述整流模块包括谐波抑制功分器、隔直电容、输入匹配网络、整流二极管、输出低通滤波器和负载电阻;所述谐波抑制功分器包括两个输出端口，一输出端口通过依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的一端连接，另一输出端口依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的另一端连接。
[0008]优选地，所述谐波抑制功分器由四个1/4圆八1、厶2)3^4和四个开槽81、82、83、84以及三个开槽端口 Cl、C2、C3组成;所述四个1/4圆Al、A2、A3、A4中，相对称的两个1/4圆A2和A4尺寸相同，相对称的两个1/4圆Al和A3尺寸相同；四个开槽B1、B2、B3、B4为指向圆心的矩形槽，其轴线为四个1/4圆的临界线，开槽BI和开槽B4尺寸相同，开槽B2和开槽B3尺寸相同。三个开槽端口 Cl、C2、C3指向圆心且开槽为矩形槽，其中开槽端口 Cl为输入端口，轴线为LI，开槽端口 C2和C3为输出端口轴线分别为L2和L3，且C2和C3尺寸相同；两个输出端口关于轴线LI对称，
[0009]所述微带单元关于轴线LI对称。
[0010]优选地，所述输入匹配网络由三个开路枝节S1、S2、S3和一个短路枝节S4组成，短路枝节S4通过金属过孔连接到金属底层。[0011 ]优选地，所述整流二极管是肖特基二极管；
[0012]所述谐波抑制功分器的一输出端口通过依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的一端连接，其中该整流二极管正极接输入匹配网络，该整流二极管负极接输出低通滤波器；
[0013]所述谐波抑制功分器的另一输出端口依次连接的隔直电容、输入匹配网络、整流二极管和输出低通滤波器与负载电阻的另一端连接，其中该整流二极管负极接输入匹配网络，该整流二极管正极接输出低通滤波器。
[0014]优选地，所述输出低通滤波器由两个扇形开路枝节Fl、F2和一个矩形开路枝节组成，其输出端与负载电阻相连。
[0015]优选地，所述基板为介质材料基板，介质材料的介电常数为3.38。
[0016]优选地，所述金属底层为铺满良导体的金属底层。
[0017]本实用新型的目的在于改良现有整流技术中带通特性与整流效率不能兼得的问题，并填补了使用宽频谐波抑制功分器做整流电路的空白，而提供了一种在保证整流效率同时实现带通特性、结构简单的射频整流电路。
[0018]本实用新型的有益效果如下:(I)本实用新型首次提出了一种用宽带谐波抑制功分器实现的整流电路，非常适合于射频无线能量传输及能量回收系统的应用。(2)与现有技术相比，实施本实用新型中所采用的基于宽频带谐波抑制功分器的整流电路，具有以下有益效果:1、在一定输入功率下，能在较宽频带内实现高效率的整流。2、在保证频带内整流效率的同时不对频带意外的信号造成干扰3、针对不同应用场景，可更改二极管实现不同输入功率下的应用。4、针对不同应用频率，可更改设计尺寸，实现上述相同的特性。5、使用平面微带结构，结构简单，成本低。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型实施例侧面结构示意图。
[0020]图2为本实用新型整流模块的结构示意图。
[0021 ]图3为本实用新型实施例第一层上层微带整体结构示意图。
[0022]图4本实用新型实施例在不同输入功率和频率下的实测整流效率变化图。
[0023]图5为本实用新型实施例输入功率为17dbm时整流效率在各个频率点的实测值。
[0024]图6为本实用新型实施例中宽带谐波抑制功分器的结构示意图。
[0025]图7为本实用新型实施例中宽带谐波抑制功分器的功分特性和谐波抑制效果图。
[0026]图8为本实用新型实施例输出滤波器的结构示意图。
[0027]图9为本实用新型实施例输出滤波器的谐波抑制效果图。
[0028]图10本实用新型实施例整体在输入功率为1dbm情况下的实测反射系数。
【具体实施方式】
[0029]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0030]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
[0031]结合图1、图2和图3所示，一种具有带通特性的整流电路，包括从上至下依次排布的三层结构:第一层为微带单元101，第二层为基板102，第三层为金属底层103;其中，第一层微带片状单元101上加载有整流模块200。
[0032]所述整流模块200包括谐波抑制功分器201、隔直电容202、输入匹配网络203、整流二极管204、输出低通滤波器205和负载电阻206;所述谐波抑制功分器201包括两个输出端口，一输出端口通过依次连接的隔直电容202、输入匹配网络203、整流二极管204和输出低通滤波器205与负载电阻206的一端连接，另一输出端口依次连接的隔直电容20 2、输入匹配网络203、整流二极管204和输出低通滤波器205与负载电阻206的另一端连接。
[0033]所述谐波抑制功分器201是由四个1/4圆41^2)3、六4和四个开槽81、82、83、84以及三个开槽端口 Cl、C2、C3组成，所述四个1/4圆中，相对称的两个1/4圆A2和A4尺寸相同，相对称的两个1/4圆Al和A3尺寸相同，1/4圆A2和A4的半径为rl，1/4圆Al和A3的半径为r2，四个开槽81、82、83、84为指向圆心的矩形槽，深度和宽带分别为1^1、让2、1^3、1^4和肫1、肫2、Wb3、Wb4，其中开槽BI和开槽B4完全一致，开槽B2和开槽B3完全一致。三个开槽端口 Cl、C2、C3指向圆心且开槽为矩形槽，其中Cl为输入端口，C2和C3为输出端口且C2和C3完全一致，端口开槽深度1^1、1^2、1^3厚度￥81、￥82、胃83，端口轴线1^2和1^3与水平线1^1夹角0，三个端口的厚度如1、如2、如3和长度1^1、1^2、1^3。
[0034]所述微带片状单元101关于中心线LI对称。
[0035]上述隔直电容202与输入匹配网络203合并成整体起隔直和匹配的作用，在本实施例中，隔直电容容值为10pF，型号为Murata GRM18。
[0036]所述输入匹配网络203由三个开路枝节S1、S2、S3和一个短路枝节S4组成，短路枝节S4通过金属过孔连接到金属底层103。所述两个整流二极管204是肖特基二极管，型号为HSMS286b，它们在电路中的连接极性方向相反;在本实施例中，所述谐波抑制功分器201的一输出端口通过依次连接的隔直电容202、输入匹配网络203、整流二极管204和输出低通滤波器205与负载电阻206的一端连接，其中该整流二极管204正极接输入匹配网络203，该整流二极管204负极接输出低通滤波器205。
[0037]所述输出带通滤波器205由两个扇形开路枝节Fl、F2和一个矩形开路枝节S5组成，其输出端与负载电阻206相连。所述负载电阻206与水平对称的输出低通滤波器205相连，阻值为560欧姆，封装为0603。
[0038]所述基板为介质材料基板，介质材料采用厚度为0.813mm的Rogers4003C材料，其介电常数为3.38。所述金属底层103为铺满良导体的金属底层103。本整流电路在输入功率16dbm前提下，最高实测整流效率能达到72.4%。整流电路在输入功率大于7dbm时，可将输入频率2.4Ghz-2.75Ghz范围的射频能量以实测高于50%的效率实现整流。
[0039]上述具有带通特性的整流电路的设计方法为:
[0040]首先，根据所需中心频率及带宽(本例为2.4GHz-2.75GHz)，介质基板的相对介电常数(本例为3.38)，借助全波电磁仿真软件确定谐波抑制功分器201的各个参数尺寸，使得该功分器在目标频带处具有功分和谐波抑制的性能(本例如图6)，所需调整参数包括1/4圆△ 1和厶2的半径11、12，四个开槽81、82、83、84深度031、1^2、033、034和厚度肫1、肫2、肫3、肫4，端口开槽(:1丄2、03深度1^1、1^2、1^3厚度￥81、￥82、￥83，端口轴线1^2和1^3与中心线1^1的夹角队三个端口的厚度如1、胃02、胃03和长度1^1、1^2、1^3。
[0041]第二步设计输出低通滤波器205，根据所需中心频率调整相关参数使得输出滤波器在中心频率及其谐波处有较好的抑制(如本例的抑制效果图9)，所需调整的参数包括两个扇形枝节F1、F2的角度α1、α2及半径r3、r4，开路枝节S5的长度L5和宽度W5。
[0042]第三步根据所需功率和频率适用范围选择相应的二极管(如本例针对2.45GHz的中心频率和16dbm的中等功率应用选用HSMS286B)。
[0043]第四步将隔直电容、原始匹配枝节、二极管、输出滤波器相接形成初步整流枝节，在一定输入功率下，微调负载电阻206的阻值使整流效率达到最大来确定最佳负载阻值(本例负载为560欧姆)。
[0044]第五步将两个整流枝节与功分器相接组成整流电路，微调匹配网络各个参数，包括匹配枝节31、32、33、34的长度1^1、1^、1^3、1^4和宽带￥1、￥2、￥3、￥4、隔直电容使得输入端(:1在中心频带处的反射系数达到最好，最后由于二极管的模型与真实情况存在差异，在实测时可以再微调匹配网络的各个参数以优化实测结果。
[0045]上述各电路参数为:rl=16.5mm，r2=15mm，Lbl=8.6mm，Lb2=9.6 mm，Wbl=4.3mm，Wb2=4.8mm，Lsl=6mm，Ls2=4.6mm，Wsl=3.lmm，Ws2=3.2mm，Wcl=Wc2=Wc3=l.88mm，Lc1=11mm，a1=93，a2=90，β=62，r3=ll.5mm，r4=4.5mm，L5=9.7mm，W5=lmm，Wl = l.75mm，W2=2.28mm，W3=lmm，W4=2.36mm，Ll=10.5mm，L2=10.3mm，L3=7.85mm，L4=8mmo
[0046]参照图4，本实用新型实施例在不同输入功率和频率下的实测整流效率变化图，可以看出，本实用新型在对应频率范围及输入功率范围内可提供平稳的整流效率。
[0047]参照图5(为本实用新型实施例输入功率为16dbm时整流效率在各个频率点的实测值)可以看出，本实用新型在输入功率16dbm时，其整流效率在2.4GHz到2.75GHz持续大于65%。
[0048]参照图6(本实用新型实施例中宽带谐波抑制功分器的结构示意图)，图7(本实用新型实施例中宽带谐波抑制功分器的功分特性和谐波抑制效果图)，本实用新型的功分器部分在实现功分器的同时，还可以实现谐波抑制以及低通滤波器的性能。
[0049]参照图8(本实用新型实施例输出滤波器的结构示意图)和图9(本实用新型实施例输出滤波器的谐波抑制效果图)，本例所设计输出滤波器能够在中心频率及其谐波处有很好的抑制作用。
[0050]参照图10(本实用新型实施例整体在输入功率为1dbm情况下的实测反射系数)及图4(本实用新型实施例在不同输入功率和频率下的实测整流效率变化图)，本例所设计的整流电路在保证整流效率的同时，还具有带通特性。
[0051 ]上述所有结果均在基板材料为Rogers 4003C，介电常数为3.38，基板厚度为
0.813_的真实环境下通过网络分析仪及万用表测得。信号源由信号发生器提供，通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高，表明了本实用新型的方案切实可行。
[0052]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有带通特性的整流电路，其特征是，包括从上至下依次排布的微带单元(101 )、基板(102)和金属底层(103);其中所述微带单元(101)上加载有整流模块(200); 所述整流模块(200)包括谐波抑制功分器(201)、隔直电容(202)、输入匹配网络(203)、整流二极管(204)、输出低通滤波器(205)和负载电阻(206);所述谐波抑制功分器(201)包括两个输出端口，一输出端口通过依次连接的隔直电容(202)、输入匹配网络(203)、整流二极管(204)和输出低通滤波器(205)与负载电阻(206)的一端连接，另一输出端口依次连接的隔直电容(202)、输入匹配网络(203)、整流二极管(204)和输出低通滤波器(205)与负载电阻(206)的另一端连接。2.根据权利要求1所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述谐波抑制功分器(201)由四个1/4圆六1^2^3^4和四个开槽趴、82、83、84以及三个开槽端口(:1工2、03组成；所述四个1/4圆厶1、42、43、44中，相对称的两个1/4圆42和44尺寸相同，相对称的两个1/4圆Al和A3尺寸相同；四个开槽B1、B2、B3、B4为指向圆心的矩形槽，其轴线为四个1/4圆的临界线，开槽BI和开槽B4尺寸相同，开槽B2和开槽B3尺寸相同； 三个开槽端口 Cl、C2、C3指向圆心且开槽为矩形槽，其中开槽端口 Cl为输入端口，轴线为LI，开槽端口 C2和C3为输出端口轴线分别为L2和L3，且C2和C3尺寸相同；两个输出端口关于轴线LI对称， 所述微带单元(101)关于轴线LI对称。3.根据权利要求2所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述输入匹配网络(203)由三个开路枝节S1、S2、S3和一个短路枝节S4组成，短路枝节S4通过金属过孔连接到金属底层(103)。4.根据权利要求3所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述整流二极管(204)是肖特基一.极管； 所述谐波抑制功分器(201)的一输出端口通过依次连接的隔直电容(202)、输入匹配网络(203)、整流二极管(204)和输出低通滤波器(205)与负载电阻(206)的一端连接，其中该整流二极管(204)正极接输入匹配网络(203)，该整流二极管(204)负极接输出低通滤波器(205)； 所述谐波抑制功分器(201)的另一输出端口依次连接的隔直电容(202)、输入匹配网络(203)、整流二极管(204)和输出低通滤波器(205)与负载电阻(206)的另一端连接，其中该整流二极管(204)负极接输入匹配网络(203)，该整流二极管(204)正极接输出低通滤波器(205)。5.根据权利要求4所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述输出低通滤波器(205)由两个扇形开路枝节F1、F2和一个矩形开路枝节组成，其输出端与负载电阻(206)相连。6.根据权利要求5所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述基板(102)为介质材料基板，介质材料的介电常数为3.38。7.根据权利要求6所述的具有带通特性的整流电路，其特征是，所述金属底层(103)为铺满良导体的金属底层。
【文档编号】H01P5/12GK205488450SQ201521046614
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月15日
【发明人】郑少勇, 彭致勇, 向炳洁
【申请人】广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院, 中山大学