一种基于恒压负载的宽动态范围整流电路

本发明属于射频能量收集领域，涉及一种基于恒压负载的宽输入功率范围整流电路。

背景技术：

1、近年来，无线功率传输技术(wireless power transmission,wpt)因其能够远距离为物联网节点充电而备受瞩目。整流电路作为wpt系统的关键组成部分，其性能直接影响射频能量转化成直流能量的效率。由于wpt系统的输入功率随空间能量密度变化而具有不确定性，因此研究具有宽输入功率范围的高效整流电路显得尤为重要。但随着输入功率的变化，整流电路中非线性器件的输入阻抗发生变化，将导致整流电路的阻抗失配，从而影响直流转换效率和动态功率宽度。

2、近年来，很多研究都尝试提高整流电路的输入功率范围。这些研究主要集中于减少输入阻抗随输入功率的变化。减少输入阻抗随输入功率变化的方法可以分为三类。第一类是将整流电路后端分为多个工作在不同输入功率级的子整流电路，其缺陷在于由于需要在每个支路分别使用一个固定负载，不同支路输出的直流电压不同，导致后级升压充电过程繁琐且整流电路性能难以保持。第二类是通过改进整流电路匹配网络来减少输入阻抗的变化范围，其缺陷在于增大了电路占用面积，同时增大了整流电路插入损耗。第三类是对输出电压进行自偏置的整流电路，通过将输出电压反馈到前级电路来实现非线性元器件的控制，其缺陷在于对负载变化非常敏感。在实际wpt系统应用时，为保证系统的可靠工作，通常需要在整流电路后端接入具有最大功率点追踪控制功能的升压芯片。市面上集成最大功率点控制功能的升压芯片具有成本低，使用方便的优点，这种升压芯片可以自适应调整自身输入阻抗来维持输入电压保持恒定最优电压，从而实现前级整流电路的最大功率点控制。而这种升压芯片通常引入变化负载，从而导致固定负载的整流电路出现阻抗失配现象，进而影响整体的整流效率。因此，本发明提出一种基于恒压负载的宽输入功率范围整流电路，其能够在采用集成最大功率点控制升压芯片进行充电时，既可以保持整流电路的宽动态范围，又可以保持高整流效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于恒压负载的宽输入功率范围整流电路，其能够接收射频能量并将其有效地转化为直流，为无线传感节点供电。相较于以往基于固定负载设计的整流电路，本发明充分考虑了后级带有最大功率追踪控制功能的升压芯片所带来的恒压负载影响。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于恒压负载的宽动态范围整流电路，是一种在恒压负载条件下具有宽输入功率范围的整流电路。所述的整流电路包括阻抗匹配网络、变容二极管、非线性功率分配网络、低输入功率支路、高输入功率支路以及恒压负载。所述的宽动态范围整流电路采用与阻抗匹配网络相连的变容二极管，解决恒压负载导致的输入功率范围受限问题。非线性功率分配网络与变容二极管后端相连，通过设计非线性功率分配网络，确保两个肖特基二极管在高输入功率和低输入功率水平下分别工作，从而保证整流效率在宽功率范围内的高效性。通过调节电路使得低功率支路在输入功率较低时输入阻抗较小，高功率支路在输入功率较高时输入阻抗较小来保证合适的功率划分。同时，利用低输入功率支路输出的直流电压，为变容二极管提供不同的反向偏压，通过不同电压控制变容二极管容值的动态变化，以补偿整流电路在不同输入功率和负载条件下的输入阻抗变化，实现宽输入功率范围的高效率整流，且无需额外的电压控制，实现自适应电路设计。高输入功率支路在输入功率较高时获得较多功率，从而减小低输入功率支路输出的电压值。高输入功率支路后端接入dc通滤波器，用于滤除由于整流管非线性产生的交流电小信号，同时减小输出直流电压的纹波，起到平滑直流电压的作用。dc通滤波器的后端与恒压负载相连接，恒压负载的使用可以方便在工程中采用最大功率点控制功能的直流升压转换器，提高系统的整体工作效率。具体如下：

4、所述的阻抗匹配网络前端与射频源相连，后端与变容二极管相连，用于将整流电路的输入阻抗匹配到源阻抗50ω。

5、所述的变容二极管的前端与阻抗匹配网络的后端相连接，变容二极管的后端与非线性功率分配网络的前端相连接。替代了原始倍压整流电路中的固定隔直电容，其作用在于通过在不同输入功率水平下自适应的电容容值调整，补偿整流电路的输入阻抗变化，改善整流电路的阻抗匹配，拓展整流电路的输入功率范围。所述的非线性功率分配网络包含信号路由网络、低通滤波器1、低通滤波器2。其中信号路由网络的前端与变容二极管后端相连接，信号路由网络包含两路输出，一路输出与低通滤波器1的前端相连接，另一路输出与低通滤波器2的前端相连接。通过合理调节功率分配网络结构，使得低输入功率支路在输入功率低时阻抗较小，高输入功率支路在输入功率高时阻抗较小。实现了当输入功率小于15dbm时，大部分输入功率进入低输入功率支路被转化为直流能量。当输入功率大于15dbm时，大部分输入功率进入高输入功率支路被转化为直流能量。由于在不同输入功率下，低输入功率支路转化得到的直流能量不同，因此可以实现低输入功率支路在输入功率为0-15dbm时为变容二极管提供较大反偏电压，在输入功率为15-20dbm时为变容二极管提供较小反偏电压，使得变容二极管容值随输入功率增加而逐渐增大，较好的补偿了整流电路的输入阻抗；

6、所述的低输入功率支路与非线性功率分配网络共用低通滤波器1，其组成包含低通滤波器1、整流二极管d1、子匹配网络1。其中低通滤波器1前端与信号路由网络后端一路输出相连接，后端与整流二极管d1的前端相连接。整流二极管d1的后端与子匹配网络1的前端相连接。子匹配网络1的后端与地相连接。当输入功率小于15dbm时，大部分输入功率在此支路被转化为直流能量。

7、所述的高输入功率支路与非线性功率分配网络共用低通滤波器2，其组成包含低通滤波器2、整流二极管d2、子匹配网络2，dc通滤波器。其中低通滤波器2前端与信号路由网络后端一路输出相连接，后端与整流二极管d2的前端相连接。整流二极管d2的后端与子匹配网络2的前端相连接。子匹配网络2的后端与dc通滤波器的前端相连接，dc通滤波器的后端则与恒压负载相连接。当输入功率大于15dbm时，大部分输入功率在高输入功率支路被转化为直流能量；低通滤波器2为一滤波电容cl，其目的是阻止射频能量在整流前直接进入恒压负载。

8、所述的恒压负载与高输入功率支路后端相连接，整流电路转化得到的直流能量从此处输出。采用恒压负载是为了适用目前市面上成本较低，性能较好的具有最大功率点控制功能的直流升压变换器，从而提高系统的整体性能。

9、进一步的，所述的阻抗匹配网络由一个微带十字结1、一个微带t字结1、四段微带线和两个开路支节、一个短路支节共同组成。微带线1的前端用来焊接sma接头，后端与微带线2的前端相连。微带线十字结1左侧与微带线2的末端相连，右侧与微带线3的前端相连，上端与短路支节1相连，下端与开路支节1相连。微带线3的后端与微带t字结1的左端相连。微带t字结1的上端接入开路支节2，右端与微带线4的前端相连。微带线4的后端与变容二极管的前端相连接。通过对阻抗匹配网络的调节，实现对变容二极管及其后续电路输入阻抗的匹配作用。

10、进一步的，所述的非线性功率分配网络，包含信号路由网络和低通滤波器1、低通滤波器2。所述的信号路由网络由微带线5、t字结2、微带线6、微带线9共同构成。微带线5的前端与变容二极管的后端相连，后端与t字结2的左端相连。t字结2的上端与微带线6的前端相连，下端与微带线9的前端相连。信号路由网络的作用为将两个输入功率支路实现并行连接，为后续的合理分配功率奠定基础。低通滤波器1由微带线7、t字结3、开路支节3组成。低通滤波器2由微带线10、t字结4和开路支节4组成。t字结3的下端与微带线6的后端相连，上端与微带线7的前端相连，右端与开路支节3的前端相连。微带线7的后端与整流管d1的后端相连。t字结4的上端与微带线9的后端相连，下端与微带线10的前端相连，右端与开路支节4的前端相连。微带线10的后端与整流管d2的前端相连。开路支节3和开路支节4均以曲型微带线作为连接枢纽，其目的是为了控制整流电路尺寸，同时减小实际电路中可能存在的寄生效应。并联开路线的目的是为了抑制支路的高频分量，提高整流电路的直流转化效率。根据传输线定理可以计算得到，小于四分之一波导波长的开路线的输入阻抗表现为容性，而由于开路线与整流管并联的关系，可以减小电路输入阻抗的容性。经过对微带线的调整，所述的功率分配网络可以控制变容二极管后续电路输入阻抗在变化的输入功率范围内呈现为感性。变容二极管对感性负载进行补偿，使得整流电路的输入阻抗虚部趋于0，从而改善整流电路的阻抗匹配，拓展其输入功率范围。

11、进一步的，所述的低输入功率支路由微带线6、微带线7、微带线8、开路支节3和整流二极管d1构成。其中微带线6、微带线7、开路支节3与上述非线性功率分配网络共用，结构相同。整流二极管d1前端与微带线8前端相连接。微带线8的长度接近于八分之一波导波长，其作用是补偿整流管的输入阻抗。可以计算得到其输入阻抗表现为感性，与容性整流管进行抵消，减弱其容性，增加其感性，改善整体电路的阻抗匹配。

12、进一步的，所述的高输入功率支路由微带线9、微带线10、微带线11、开路支节4和整流二极管d2构成。其中微带线9、微带线10、开路支节4与上述非线性功率分配网络共用，结构相同。整流二极管d2后端与微带线11前端相连接。微带线11的长度小于四分之一波导波长，在其后端连接呈现为容性的恒压负载。根据传输线原理，一个呈现为容性的复阻抗经过一段长度小于四分之一波导波长的微带线，其容性会逐渐减小，而感性会逐渐增大。微带线7在电路中的作用是降低负载容性，改善整体电路的阻抗匹配。

13、进一步的，所述的整流二极管d1和整流二极管d2为同系列的肖特基二极管。

14、进一步的，所述的变容二极管、滤波电容cl、整流二极管d1和整流二极管d2均焊接在微带线上。

15、与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

16、(1)本发明基于恒压负载，利用变容二极管容值随反向偏压变化而改变的特点，用变容二极管替换了整流电路中的固定隔直电容。在输入功率和负载同时变化时，变容二极管通过电路结构设计可自适应调节自身容值以补偿整流电路的输入阻抗变化，在恒压负载下有效拓展输入功率范围而无需任何外接电源。相比使用固定隔直电容的整流电路，输入功率范围增加了10db以上。

17、(2)本发明基于恒压负载，利用整流二极管输入阻抗随输入功率变化而改变的特点，设计了一个功率分配网络，该网络可以根据输入功率与恒压负载变化，自适应调节高、低功率支路的功率分配，既拓宽了输入功率动态范围又提高了整流效率。整流电路在恒压负载为3v的条件下，阻抗匹配(|s11|<-10db)功率范围1.4-20dbm，且在该输入功率范围内整流转化效率均高于50％。

18、(3)在物联网系统中，系统终端的传感节点往往是不同的。实际应用中，可以通过在系统中加入储能模块为不同的节点供电，提高整个系统的负载适应性。由于固定负载的整流电路其输出电压随输入功率的变化而变化，很难兼容具有最大功率点控制功能的升压芯片，而本发明提出的基于恒压负载的整流电路充分考虑最大功率点控制功能的升压芯片所带来的影响，从而在连接芯片时仍能保持电路性能，保证后续储能模块的高效充电，继而为后续不同传感节点供电。