基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路的制作方法

本申请涉及无线能量传输领域中的微带整流电路。

背景技术：

随着物联网技术的兴起，无线互联电子设备的市场需求日趋旺盛。然而，小型化电子设备的电池技术发展相对缓慢，电池能量密度的增长滞后于集成电路，在很大程度上制约了设备的功能。此外，周期性的更换电池或频繁的有线充电往往会导致风险性和维护成本的增加。相比之下，日常生活周围存在大量自由的射频能量，如电视信号、无线网络、手机信号和wlan信号，通过使用带有接收天线的整流电路，可以把这些射频能量转换为各种电子设备可用的直流电压。因此，无线能量传输具有无可替代的优势。

然而，传统的整流电路尺寸较大，不易集成，容易受到谐波信号的影响。此外，当输入功率发生变化时，传统整流电路的输入阻抗会发生很大的变化，从而降低整流效率，极大地限制了其应用场合。因此，设计一种小型化的宽输入功率范围高效率整流电路是极其有必要的。

申请内容

为了克服现有技术的难点与不足，本申请结合分支线耦合器、双枝整流电路、谐波抑制、小型化等效的特点，提出了一种基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路。该电路由一个小型化的分支线耦合器、两个相同的子整流电路组成。子整流电路的反射系数通过分支线耦合器的作用而相互抵消，降低了由于功率变化导致的输入端反射系数变化的影响，从而使整个电路在宽输入功率范围保持较高的整流效率。同时，带有谐波抑制功能的子整流电路和小型化分支线耦合器可以极大地减少高次谐波对整流效率的影响。

为了实现上述申请目的，本申请采用的技术方案是：

一种基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路，其特征在于，包含上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板,所述上层微带结构和底层金属地板分别印制在中间介质基板的上、下表面；

所述上层微带结构由三部分构成：位于中间的小型化分支线耦合器和两个相同的子整流电路(左下和右下)；

所述小型化分支线耦合器结构为：

小型化分支线耦合器包括依次连接的第一微带线(1)、第三微带线(3)、第五微带线(5)、第七微带线(7)、第九微带线(9)、第十一微带线(11)、第十三微带线(13)、第十五微带线(15)以及输入端口(i/p)并形成闭合电路。所述闭合电路外围相间加载四个微带线，分别命名为第二微带线(2)、第六微带线(6)、第十微带线(10)、第十四微带线(14)；

小型化分支线耦合器还包括第八微带线(8)、第十二微带线(12)、隔直电容(38、39)；第八微带线(8)是第七微带线(7)的延伸，第十二微带线(12)是第十三微带线(13)的延伸，均与两个隔直电容(38、39)相连。

小型化分支线耦合器中各个微带线具体参数为：i/p输入端口的微带线长为4mm，宽为1.8mm；第一微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第二微带线长为2.62mm，宽为2.1mm；第三微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第五微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第六微带线长为3.8mm，宽为1.2mm；第七微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第八微带线长为4mm，宽为1.8mm；第九微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第十微带线长为2.62mm，宽为2.1mm；第十一微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第十二微带线长为4mm，宽为1.8mm；第十三微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第十四微带线长为3.8mm，宽为1.2mm；第十五微带线长为2.63mm，宽为1.77mm。

所述子整流电路部分为对称分布，特征参数完全一致。以左下方的子整流电路为例进行结构描述：

该电路主传输路径由隔直电容(39)、第二十微带线(20)、第二十一微带线(21)、第二十三微带线(23)、第二十四微带线(24)、第一接地电阻(41)依次连接所构成。在第二十一微带线(21)与第二十三微带线(23)连接处，一端加载第二十二微带线(22)，另一端依次连接第十九微带线(19)、第十六微带线(16)、第一整流二极管(40)和第四十二微带线(42)。在第十六微带线(16)与第十九微带线(19)的连接处，一端加载第十七微带线(17)，另一端加载第十八微带线(18)。

构成该子整流电路的具体参数为：第十六微带线长为7.85mm，宽为1mm；第十七微带线长为2.62mm，宽为1mm；第十八微带线长为3.93mm，宽为1mm；第十九微带线长为2.3mm，宽为1mm；第二十微带线长为2.69mm，宽为1.2mm；第二十一微带线长为5.19mm，宽为1.8mm；第二十二微带线长为1.96mm，宽为1mm；第二十三微带线长为9mm，宽为0.5mm；第二十四微带线长为4mm，宽为0.5mm；第二十五微带线长为8.1mm，宽为0.5mm；第一接地电阻为450欧姆，整流二极管的型号为ma-com公司的ma4e1317,所用介质基板为ro400c，厚度为0.813mm，介电常数为3.55。右下方的子整流电路参数与左下方的子整流电路完全一致。电路整体尺寸为25.6mm×56.6mm。

与现有技术相比，本申请具有如下优点：

(1)所述整流电路在较宽的输入功率范围内具有高整流效率。

(2)所述整流电路结构紧凑，电路尺寸小于传统多分支整流电路。

附图说明

图1是本申请实施例产品的电路结构图。

图2是实施例单个子整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。

图3是实施例小型化分支线耦合器工作在5.8ghz时，散射参数的仿真结果。

图4是实施例小型化分支线耦合器工作在5.8ghz时，散射参数的测试结果。

图5是实施例整流电路在工作频率为5.8ghz时，不同频率下的回波损耗的仿真和实测结果。

图6是实施例整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。

具体实施方式

实施例

基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路，包含上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板,所述上层微带结构和底层金属地板分别印制在中间介质基板的上、下表面。

如图1所示产品电路(中间介质基板和底层金属地板在图中未示意)：所述上层微带结构由三部分构成：位于图中间的小型化分支线耦合器和两个相同的子整流电路(左下和右下)。

所述小型化分支线耦合器分别与两个相同的子整流电路连接，其耦合度为3db,可以为两个相同的子整流电路提供幅度相同、相位相差90度的输入功率。此时两个子整流电路的输入阻抗变化所引起的反射系数变化可以通过小型化的分支线耦合器消除，从而使整个电路的输入阻抗在一定的范围维持在50欧姆，进一步使整个整流电路在更宽的输入功率范围内获得高整流效率。

所述小型化分支线耦合器结构为：

小型化分支线耦合器包括依次连接的第一微带线(1)、第三微带线(3)、第五微带线(5)、第七微带线(7)、第九微带线(9)、第十一微带线(11)、第十三微带线(13)、第十五微带线(15)以及输入端口(i/p)并形成闭合电路。所述闭合电路外围相间加载四个微带线，分别命名为第二微带线(2)、第六微带线(6)、第十微带线(10)、第十四微带线(14)。

小型化分支线耦合器还包括第八微带线(8)、第十二微带线(12)、隔直电容(38、39)；第八微带线(8)是第七微带线(7)的延伸，第十二微带线(12)是第十三微带线(13)的延伸，均与两个隔直电容(38、39)相连。

小型化分支线耦合器中各个微带线具体参数为：i/p输入端口的微带线长为4mm，宽为1.8mm；第一微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第二微带线长为2.62mm，宽为2.1mm；第三微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第五微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第六微带线长为3.8mm，宽为1.2mm；第七微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第八微带线长为4mm，宽为1.8mm；第九微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第十微带线长为2.62mm，宽为2.1mm；第十一微带线长为2.39mm，宽为0.68mm；第十二微带线长为4mm，宽为1.8mm；第十三微带线长为2.63mm，宽为1.77mm；第十四微带线长为3.8mm，宽为1.2mm；第十五微带线长为2.63mm，宽为1.77mm。

所述子整流电路部分为对称分布，特征参数完全一致。以左下方的子整流电路为例进行结构描述：

该电路主传输路径由隔直电容(39)、第二十微带线(20)、第二十一微带线(21)、第二十三微带线(23)、第二十四微带线(24)、第一接地电阻(41)依次连接所构成。在第二十一微带线(21)与第二十三微带线(23)连接处，一端加载第二十二微带线(22)，另一端依次连接第十九微带线(19)、第十六微带线(16)、第一整流二极管(40)和第四十二微带线(42)。在第十六微带线(16)与第十九微带线(19)的连接处，一端加载第十七微带线(17)，另一端加载第十八微带线(18)。

构成该子整流电路的具体参数为：第十六微带线长为7.85mm，宽为1mm；第十七微带线长为2.62mm，宽为1mm；第十八微带线长为3.93mm，宽为1mm；第十九微带线长为2.3mm，宽为1mm；第二十微带线长为2.69mm，宽为1.2mm；第二十一微带线长为5.19mm，宽为1.8mm；第二十二微带线长为1.96mm，宽为1mm；第二十三微带线长为9mm，宽为0.5mm；第二十四微带线长为4mm，宽为0.5mm；第二十五微带线长为8.1mm，宽为0.5mm；第一接地电阻为450欧姆，整流二极管的型号为ma-com公司的ma4e1317,所用介质基板为ro400c，厚度为0.813mm，介电常数为3.55。右下方的子整流电路参数与左下方的子整流电路完全一致。电路整体尺寸为25.6mm×56.6mm。

本申请整流电路的工作方式为：当射频能量从i/p输入端口流入时，经过所述耦合器后，两个子整流电路接收到的功率大小相等，相位相差90度，同时，输入功率中的二次谐波被第六微带线和第十四微带线滤除，三次谐波被第二微带线和第十微带线滤除，从而在紧凑的结构中实现了谐波抑制功能。接下来，进入子整流电路的射频能量被二极管整流成直流，从接地电阻输出。在整流过程中所产生的二次谐波被第十八微带线和第二十八微带线滤除；三次谐波被第十七微带线和第二十七微带线滤除；四次谐波被第二十二微带线和第三十二微带线滤除，从而使电路获得较高的整流效率。此外，由于该分支线耦合器可以补偿子整流电路的阻抗失配，所述整流电路可以在子整流电路的基础上进一步提高整流效率，并在很宽的输入功率范围内保持较高的效率。

图2是单个子整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。可以看到，当整流效率高于50％时，单个子整流电路的输入功率范围仅为13dbm，但峰值效率可达82％以上。

图3所示是所述小型化分支线耦合器工作在5.8ghz时，散射参数的仿真结果。可以看到耦合度约为3db的所述小型化分支线耦合器，隔离度和回波损耗均低于-25db，保持了较为理想的分支线耦合器的特性。

图4所示是所述小型化分支线耦合器工作在5.8ghz时，散射参数的测试结果。可以看到耦合度约为3db的所述小型化分支线耦合器，隔离度和回波损耗均低于-28db，与仿真结果较为吻合。

图5所示是所述整流电路在工作频率为5.8ghz时，不同频率下的回波损耗的仿真和实测结果。可以看到所述整流电路的回波损耗低于-15db，可以稳定的工作。

图6所述整流电路的整流效率随输入功率变化的仿真和实测结果。可以看到仿真和实测的峰值效率分别达到了82％和77％以上。当整流效率高于50％时，仿真的输入功率范围为24.5dbm(11.4-35.9dbm)，实测的输入功率范围为21.8dbm(13.7-35.5dbm)，实现了宽输入功率范围内的高效率整流。

综上所述,本申请提出了一种基于小型化分支线耦合器的宽输入功率范围高效整流电路,通过利用一个小型化的分支线耦合器，将两路相同输入功率范围的整流电路连接起来，从而降低两个支路之间反射系数的影响,拓宽了整个整流电路的输入功率范围。