一種寬頻帶高效率的微波整流器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種寬頻帶高效率的微波整流器，包括上層微帶結構、中間介質基板及底層金屬地板，上層微帶結構位于中間介質基板的上表面，底層金屬地板位于中間介質基板的下表面，上層微帶結構包括隔離電容、二極管、濾波電容、負載、輸入端口、第六微帶線、第七微帶線及匹配網絡，匹配網絡由依次連接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線及第五微帶線構成，隔離電容跨接在輸入端口及第一微帶線之間，二極管跨接在第五微帶線及第六微帶線之間，濾波電容與負載并聯，且跨接在第六微帶線及第七微帶線之間。本發明通過調整匹配網絡各微帶線的結構及大小，使整流器在一個較大的頻率范圍內獲得良好的轉換效率。
【專利說明】
一種寬頻帶高效率的微波整流器
技術領域
[0001 ]本發明涉及整流器領域，具體涉及一種寬頻帶高效率的微波整流器。
【背景技術】
[0002]近年來，射頻能量采集受到越來越多的重視。其中，高效率的整流器是能量采集中最重要的一環。它能夠將接收到的射頻信號轉換為可被直接利用的直流信號。這些直流信號可以驅動各種各樣的電子設備并被應用于太陽能衛星系統，無線傳感器和生物醫學設備等。目前，大量的學者已經針對整流器的效率提升方案展開研究并提出了許多不同的方案。
[0003]為了讓整流器在射頻能量收集系統中能夠收集更多有用的能量，寬頻帶和高效率是兩個重要的性能指標。通常，可以利用阻抗匹配網絡來獲得更寬的工作帶寬，利用新的設計技術可以提高工作的效率D在文獻《Y.Han，0.Leitermann，D.A.Jackson，J.M.Rivas，andD.J.Perreault，“Resistance compress1n networks for rad1-frequency powerconvers1n，，，IEEE Trans.Power Electron, ,vol.22 ,n0.1 ,pp.41-53，Jan.2007.〉〉中，使用電阻壓縮網絡使整流器在更寬的輸入功率范圍內獲得高效率。在文獻《C.Y.Song，Y.Huang，J.F.Zhou and J.ff.ZhanguA high-efficiency broadband rectenna for ambientwireless energy harvesting，，，IEEE Trans.Antennas and Propagat1n,vo1.63,n0.8,pp.3486-3495，Aug.2015.》中，使用雙枝節阻抗匹配網絡和二極管來拓寬整流的工作帶寬D在文南犬《D.Wang.M.D.W and R.Negraj uDesign of a broadband microwave rectifierfrom 40MHz to 4740MHz using high impedance inductor，，，in 2014Asia_Pacif icMicrowave conference，Sendai，Japan，Nov.2014，pp.1010-1012.》中，該電路結構剔除了依賴于頻率特性的匹配網絡，而是使用了一個高阻抗的電感器來隔離射頻信號和直流信號，這拓寬了整流器的工作帶寬，然而其效率僅有40%到60%。在文獻《H.Sakaki，K.Nishikawa，“Broadband rectifier design based on quality factor of inputmatching circuit，，，2014 Asia-Pacific Microwave Conf erence，Sendai，Japan，Nov.2014，pp.1205-1207.》中，通過提高輸入匹配網絡的品質因子，整流器的效率提高到70%。但是其相對帶寬僅僅只有18.5%。在大多數的研究里面，研究者更注重于分別提高整流器的效率和整流器的工作帶寬，極少研究同時能夠提高整流器效率和帶寬的成果。然而，更寬的頻帶和更高的效率才能適應射頻能量收集的要求，所以對其的研究是勢在必行的。

【發明內容】

[0004]為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種寬頻帶高效率的微波整流器。
[0005]本發明在傳統整流器的基礎上，通過新加入的一段串聯微帶線、一段并聯短路微帶線和一段耦合微帶線組成的匹配網絡來調節整流器的輸入阻抗，使其在一個較大的頻率范圍內均能獲得良好的轉換效率。
[0006]本發明采用如下技術方案:
[0007]—種寬頻帶高效率的微波整流器，包括上層微帶結構、中間介質基板及底層金屬地板，所述上層微帶結構位于中間介質基板的上表面，底層金屬地板位于中間介質基板的下表面，所述上層微帶結構包括隔離電容、二極管、濾波電容、負載、輸入端口、第六微帶線、第七微帶線及匹配網絡，所述匹配網絡由依次連接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線及第五微帶線構成，所述隔離電容跨接在輸入端口及第一微帶線之間，所述二極管跨接在第五微帶線及第六微帶線之間，濾波電容與負載并聯，且跨接在第六微帶線及第七微帶線之間。
[0008]第四微帶線的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板，第七微帶線的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板。
[0009]所述第五微帶線為串聯微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，所述第四微帶線為并聯短路微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，第一微帶線、第二微帶線及第三微帶線具體為短路耦合微帶線，其等效長度為中心頻率的四分之一波長。
[0010]所述第一微帶線和第三微帶線相互平行，第二微帶線分別與第一微帶線及第三微帶線垂直。
[0011]本發明的有益效果:
[0012]本發明可以通過調整新加入的匹配電路中微帶線的結構及大小，使整流器在一個較大的頻率范圍內獲得良好的轉換效率。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明一種寬頻帶高效率的微波整流器的結構圖；
[0014]圖2是本實施例的尺寸標注示意圖；
[0015]圖3是本實施例在輸入功率為12.8dBm的Sll的測試圖；
[0016]圖4是本實施例在輸入功率為12.8dBm的轉換效率的仿真和測試圖；
[0017]圖5是本實施例在輸入功率范圍為3dBm到14.1dBm的轉換效率的仿真和測試圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0019]實施例
[0020]如圖1所示，一種寬頻帶高效率的微波整流器，包括上層微帶結構、中間介質基板及底層金屬地板，所述上層微帶結構位于中間介質基板的上表面，底層金屬地板位于中間介質基板的下表面，所述上層微帶結構包括隔離電容9、二極管10、濾波電容11、負載12、輸入端口 1、第六微帶線7、第七微帶線8及匹配網絡，所述匹配網絡由依次連接的第一微帶線
2、第二微帶線3、第三微帶線4、第四微帶線5及第五微帶線6構成，所述隔離電容9跨接在輸入端口 I及第一微帶線2之間，所述二極管10的正極與第五微帶線6連接，所述二極管10的負極與第六微帶線7連接，濾波電容11與負載12并聯，且跨接在第六微帶線7及第七微帶線8之間。
[0021]所述第四微帶線5的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板，第七微帶線8的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板。
[0022]所述第一微帶線2和第三微帶線4相互平行，第二微帶線3分別與第一微帶線2及第三微帶線4垂直。
[0023]第五微帶線6設置為串聯微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，用于實現其右端電路的輸入阻抗以中心頻率為基準向兩邊偏移呈現共軛狀態，第四微帶線5設置為并聯短路微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，用于實現抵消其右端電路輸入阻抗的虛部，第一微帶線2、第二微帶線3及第三微帶線4設置為短路耦合微帶線，其等效長度為中心頻率的四分之一波長，用于實現其右端電路的輸入阻抗和源阻抗匹配。通過調整匹配網絡各微帶線的結構及大小，可以使整流器在一個較大的頻率范圍內獲得良好的轉換效率。
[0024]本實施例中一種寬頻帶高效率的微波整流器尺寸標注圖如圖2所示，以下僅僅為本發明的一個實例。本實例中所用的中間介質基板為羅杰斯4003，其厚度為1.575mm，介電常數為3.38，損耗角正切值為0.002，微帶線厚度為35um。具體電路尺寸選擇如下:輸入端口I長度Li = 4.3mm，線寬Wi = 1mm，第一微帶線2長度L2 = 19.15mm，線寬W2 = 4.3mm，第二微帶線3長度L3 = 0.6mm，線寬W3 = 2.1mm，第三微帶線4長度L4 = 18.8mm，線寬W4 = 4.7mm，第四微帶線5長度L5 = 40.8mm，線寬W5 = 21mm，第五微帶線6長度L6 = 53.8mm,線寬W6= 1.8mm，第六微帶線7長度L7 = 2.54mm，線寬W7= 1mm，第七微帶線8長度L8 = 2.54mm，線寬Ws= 1mm，隔離電容9大小50pF，二極管10型號HSMS2860，濾波電容11大小200pF，負載12大小300Ω。
[0025]圖3所示是輸入功率為12.8dBm時，本發明實施例在不同頻率下的Sn的測試結果，圖中縱坐標數字表示反射系數，單位為dB。由圖可知，本發明提出的寬頻帶高效率的整流器工作在0.54GHz到1.2GHz，中心頻率為0.8GHz，相對帶寬為75%。
[0026]圖4所示是輸入功率在12.8dBm時，本發明實施例在不同頻率下的轉換效率的仿真和測試結果，圖中縱坐標數字為轉換效率，單位為％ O由圖可知，本發明在0.57GHz到0.9GHz頻帶內均能獲得70%以上的轉換效率。圖中測試結果和仿真結果頻率稍微偏差是加工誤差引起的，屬于可接受的范圍。
[0027]圖5所示是輸入功率范圍為3dBm到14.1dBm時，本發明實施在不同頻率下的轉換效率的仿真和測試結果，圖中縱坐標數字為轉換效率，單位為％。由圖可知，在不同輸入功率條件下，本發明在0.57GHz到0.9GHz頻帶內均能獲得高于50%的轉換效率，這歸功于匹配網絡對不同的輸入功率的妥善處理。
[0028]綜上所述，本發明提出了一種寬頻帶高效率的微波整流器，通過新加入的匹配網絡來調節整流器的輸入阻抗，使其在一個較大的頻率范圍內均能獲得良好的轉換效率。
[0029]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種寬頻帶高效率的微波整流器，其特征在于，包括上層微帶結構、中間介質基板及底層金屬地板，所述上層微帶結構位于中間介質基板的上表面，底層金屬地板位于中間介質基板的下表面，所述上層微帶結構包括隔離電容、二極管、濾波電容、負載、輸入端口、第六微帶線、第七微帶線及匹配網絡，所述匹配網絡由依次連接的第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線及第五微帶線構成，所述隔離電容跨接在輸入端口及第一微帶線之間，所述二極管跨接在第五微帶線及第六微帶線之間，濾波電容與負載并聯，且跨接在第六微帶線及第七微帶線之間。2.根據權利要求1所述的一種寬頻帶高效率的微波整流器，其特征在于，第四微帶線的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板，第七微帶線的末端通過金屬化過孔連接到底層金屬地板。3.根據權利要求1所述的一種寬頻帶高效率的微波整流器，其特征在于，所述第五微帶線為串聯微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，所述第四微帶線為并聯短路微帶線，其長度為中心頻率的四分之一波長，第一微帶線、第二微帶線及第三微帶線具體為短路耦合微帶線，其等效長度為中心頻率的四分之一波長。4.根據權利要求1所述的一種寬頻帶高效率微波整流器，其特征在于，所述第一微帶線和第三微帶線相互平行，第二微帶線分別與第一微帶線及第三微帶線垂直。
【文檔編號】H02M7/00GK105915074SQ201610261288
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】章秀銀, 林躍龍, 林杰凱
【申請人】華南理工大學