一种宽频带高效率的微波整流器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽频带高效率的微波整流器，包括上层微带结构、中间介质基板及底层金属地板，上层微带结构位于中间介质基板的上表面，底层金属地板位于中间介质基板的下表面，上层微带结构包括隔离电容、二极管、滤波电容、负载、输入端口、第六微带线、第七微带线及匹配网络，匹配网络由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线及第五微带线构成，隔离电容跨接在输入端口及第一微带线之间，二极管跨接在第五微带线及第六微带线之间，滤波电容与负载并联，且跨接在第六微带线及第七微带线之间。本发明通过调整匹配网络各微带线的结构及大小，使整流器在一个较大的频率范围内获得良好的转换效率。
【专利说明】
一种宽频带高效率的微波整流器
技术领域
[0001 ]本发明涉及整流器领域，具体涉及一种宽频带高效率的微波整流器。
【背景技术】
[0002]近年来，射频能量采集受到越来越多的重视。其中，高效率的整流器是能量采集中最重要的一环。它能够将接收到的射频信号转换为可被直接利用的直流信号。这些直流信号可以驱动各种各样的电子设备并被应用于太阳能卫星系统，无线传感器和生物医学设备等。目前，大量的学者已经针对整流器的效率提升方案展开研究并提出了许多不同的方案。
[0003]为了让整流器在射频能量收集系统中能够收集更多有用的能量，宽频带和高效率是两个重要的性能指标。通常，可以利用阻抗匹配网络来获得更宽的工作带宽，利用新的设计技术可以提高工作的效率D在文献《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，使用电阻压缩网络使整流器在更宽的输入功率范围内获得高效率。在文献《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，使用双枝节阻抗匹配网络和二极管来拓宽整流的工作带宽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，该电路结构剔除了依赖于频率特性的匹配网络，而是使用了一个高阻抗的电感器来隔离射频信号和直流信号，这拓宽了整流器的工作带宽，然而其效率仅有40%到60%。在文献《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，通过提高输入匹配网络的品质因子，整流器的效率提高到70%。但是其相对带宽仅仅只有18.5%。在大多数的研究里面，研究者更注重于分别提高整流器的效率和整流器的工作带宽，极少研究同时能够提高整流器效率和带宽的成果。然而，更宽的频带和更高的效率才能适应射频能量收集的要求，所以对其的研究是势在必行的。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽频带高效率的微波整流器。
[0005]本发明在传统整流器的基础上，通过新加入的一段串联微带线、一段并联短路微带线和一段耦合微带线组成的匹配网络来调节整流器的输入阻抗，使其在一个较大的频率范围内均能获得良好的转换效率。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]—种宽频带高效率的微波整流器，包括上层微带结构、中间介质基板及底层金属地板，所述上层微带结构位于中间介质基板的上表面，底层金属地板位于中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括隔离电容、二极管、滤波电容、负载、输入端口、第六微带线、第七微带线及匹配网络，所述匹配网络由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线及第五微带线构成，所述隔离电容跨接在输入端口及第一微带线之间，所述二极管跨接在第五微带线及第六微带线之间，滤波电容与负载并联，且跨接在第六微带线及第七微带线之间。
[0008]第四微带线的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板，第七微带线的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板。
[0009]所述第五微带线为串联微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，所述第四微带线为并联短路微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，第一微带线、第二微带线及第三微带线具体为短路耦合微带线，其等效长度为中心频率的四分之一波长。
[0010]所述第一微带线和第三微带线相互平行，第二微带线分别与第一微带线及第三微带线垂直。
[0011]本发明的有益效果:
[0012]本发明可以通过调整新加入的匹配电路中微带线的结构及大小，使整流器在一个较大的频率范围内获得良好的转换效率。
【附图说明】
[0013]图1是本发明一种宽频带高效率的微波整流器的结构图；
[0014]图2是本实施例的尺寸标注示意图；
[0015]图3是本实施例在输入功率为12.8dBm的Sll的测试图；
[0016]图4是本实施例在输入功率为12.8dBm的转换效率的仿真和测试图；
[0017]图5是本实施例在输入功率范围为3dBm到14.1dBm的转换效率的仿真和测试图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0019]实施例
[0020]如图1所示，一种宽频带高效率的微波整流器，包括上层微带结构、中间介质基板及底层金属地板，所述上层微带结构位于中间介质基板的上表面，底层金属地板位于中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括隔离电容9、二极管10、滤波电容11、负载12、输入端口 1、第六微带线7、第七微带线8及匹配网络，所述匹配网络由依次连接的第一微带线
2、第二微带线3、第三微带线4、第四微带线5及第五微带线6构成，所述隔离电容9跨接在输入端口 I及第一微带线2之间，所述二极管10的正极与第五微带线6连接，所述二极管10的负极与第六微带线7连接，滤波电容11与负载12并联，且跨接在第六微带线7及第七微带线8之间。
[0021]所述第四微带线5的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板，第七微带线8的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板。
[0022]所述第一微带线2和第三微带线4相互平行，第二微带线3分别与第一微带线2及第三微带线4垂直。
[0023]第五微带线6设置为串联微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，用于实现其右端电路的输入阻抗以中心频率为基准向两边偏移呈现共轭状态，第四微带线5设置为并联短路微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，用于实现抵消其右端电路输入阻抗的虚部，第一微带线2、第二微带线3及第三微带线4设置为短路耦合微带线，其等效长度为中心频率的四分之一波长，用于实现其右端电路的输入阻抗和源阻抗匹配。通过调整匹配网络各微带线的结构及大小，可以使整流器在一个较大的频率范围内获得良好的转换效率。
[0024]本实施例中一种宽频带高效率的微波整流器尺寸标注图如图2所示，以下仅仅为本发明的一个实例。本实例中所用的中间介质基板为罗杰斯4003，其厚度为1.575mm，介电常数为3.38，损耗角正切值为0.002，微带线厚度为35um。具体电路尺寸选择如下:输入端口I长度Li = 4.3mm，线宽Wi = 1mm，第一微带线2长度L2 = 19.15mm，线宽W2 = 4.3mm，第二微带线3长度L3 = 0.6mm，线宽W3 = 2.1mm，第三微带线4长度L4 = 18.8mm，线宽W4 = 4.7mm，第四微带线5长度L5 = 40.8mm，线宽W5 = 21mm，第五微带线6长度L6 = 53.8mm,线宽W6= 1.8mm，第六微带线7长度L7 = 2.54mm，线宽W7= 1mm，第七微带线8长度L8 = 2.54mm，线宽Ws= 1mm，隔离电容9大小50pF，二极管10型号HSMS2860，滤波电容11大小200pF，负载12大小300Ω。
[0025]图3所示是输入功率为12.8dBm时，本发明实施例在不同频率下的Sn的测试结果，图中纵坐标数字表示反射系数，单位为dB。由图可知，本发明提出的宽频带高效率的整流器工作在0.54GHz到1.2GHz，中心频率为0.8GHz，相对带宽为75%。
[0026]图4所示是输入功率在12.8dBm时，本发明实施例在不同频率下的转换效率的仿真和测试结果，图中纵坐标数字为转换效率，单位为％ O由图可知，本发明在0.57GHz到0.9GHz频带内均能获得70%以上的转换效率。图中测试结果和仿真结果频率稍微偏差是加工误差引起的，属于可接受的范围。
[0027]图5所示是输入功率范围为3dBm到14.1dBm时，本发明实施在不同频率下的转换效率的仿真和测试结果，图中纵坐标数字为转换效率，单位为％。由图可知，在不同输入功率条件下，本发明在0.57GHz到0.9GHz频带内均能获得高于50%的转换效率，这归功于匹配网络对不同的输入功率的妥善处理。
[0028]综上所述，本发明提出了一种宽频带高效率的微波整流器，通过新加入的匹配网络来调节整流器的输入阻抗，使其在一个较大的频率范围内均能获得良好的转换效率。
[0029]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种宽频带高效率的微波整流器，其特征在于，包括上层微带结构、中间介质基板及底层金属地板，所述上层微带结构位于中间介质基板的上表面，底层金属地板位于中间介质基板的下表面，所述上层微带结构包括隔离电容、二极管、滤波电容、负载、输入端口、第六微带线、第七微带线及匹配网络，所述匹配网络由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线及第五微带线构成，所述隔离电容跨接在输入端口及第一微带线之间，所述二极管跨接在第五微带线及第六微带线之间，滤波电容与负载并联，且跨接在第六微带线及第七微带线之间。2.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率的微波整流器，其特征在于，第四微带线的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板，第七微带线的末端通过金属化过孔连接到底层金属地板。3.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率的微波整流器，其特征在于，所述第五微带线为串联微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，所述第四微带线为并联短路微带线，其长度为中心频率的四分之一波长，第一微带线、第二微带线及第三微带线具体为短路耦合微带线，其等效长度为中心频率的四分之一波长。4.根据权利要求1所述的一种宽频带高效率微波整流器，其特征在于，所述第一微带线和第三微带线相互平行，第二微带线分别与第一微带线及第三微带线垂直。
【文档编号】H02M7/00GK105915074SQ201610261288
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】章秀银, 林跃龙, 林杰凯
【申请人】华南理工大学