0 引言

    近年來(lái)，隨著無(wú)線通信設(shè)備的迅猛發(fā)展,，無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)已經(jīng)成為能量傳輸領(lǐng)域的熱門話題^[1-3],。無(wú)線能量傳輸(WPT)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如在RFID和遙感勘測(cè)方面,，或是以傳感器的形式應(yīng)用于一些危險(xiǎn)或難以到達(dá)的地方^[4-7]。本文將關(guān)注點(diǎn)放在2.400～2.484 GHz(IEEE 802.11 b/g)這個(gè)未授權(quán)的ISM中心頻段上,。

    無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中最重要的組成部分是整流天線,。如圖1所示,，它主要包括一個(gè)能收集微波入射功率的接收天線和一個(gè)能將微波功率轉(zhuǎn)換為有用的直流功率的整流電路。整流電路在這個(gè)系統(tǒng)中起到了十分重要的作用,。通常,，一個(gè)整流器是由耦合電容、匹配電路,、數(shù)個(gè)肖特基二極管和直通濾波器構(gòu)成,。直通濾波器通常用于減小直流功率的紋波和抑制由二極管產(chǎn)生的諧波分量，匹配電路則用于實(shí)現(xiàn)天線和整流電路之間的阻抗匹配,。

    針對(duì)低功耗的整流電路,，Takhedmit^[8]等人設(shè)計(jì)出一種采用雙肖特基二極管的整流電路，該整流電路可以應(yīng)用于無(wú)線傳感器設(shè)備,，因?yàn)樗恍枰斎氲屯V波器和通孔的連接,，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，該整流天線可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)功率密度為0.22 mW/cm²和負(fù)載為1 050 Ω時(shí),，獲得超過(guò)80%的整流效率和2.6 V的直流輸出電壓,。Franciscatto^[9-10]等人提出了一種在2.45 GHz頻段能對(duì)低輸入功率能量進(jìn)行高效收集的優(yōu)化方法，基于對(duì)電磁諧振現(xiàn)象的分析優(yōu)化出一個(gè)對(duì)低輸入功率具備高整流效率的整流電路,，該整流電路能實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入功率為0 dBm時(shí),，整流效率可以達(dá)到70.4%。陳彬^[11]提出了一種具有諧波抑制功能的低輸入功率整流天線,，他采用HSMS-285C肖特基二極管設(shè)計(jì)出使用于低輸入功率條件下的倍壓整流電路,，它能夠?qū)崿F(xiàn)在輸入功率為7 dBm時(shí)，整流效率達(dá)到70.3%,，且在輸入功率為0 dBm時(shí),，直流輸出電壓可達(dá)1 V。

    在特定的輸入功率下,，整流器的效率高低主要取決于對(duì)由二極管產(chǎn)生的諧波分量的抑制能力,。此外，負(fù)載的大小也是不可忽視的重要因素,。在本文中,，將用扇形短截線和線型開路短截線的組合來(lái)抑制輸出功率的基頻、二次諧波分量和三次諧波分量,，從而提高整流效率,。該整流電路在一FR4基板上進(jìn)行設(shè)計(jì)和印刷，其參數(shù)如下：介電常數(shù)為2.55,，正切損耗角為0.001 5,，基板厚度為0.8 mm，導(dǎo)帶銅厚為0.035 mm,。

1 整流電路設(shè)計(jì)

    在本文中,，所采用的整流電路由單枝節(jié)匹配電路,、倍壓肖特基二極管、直通濾波器和負(fù)載組成,。該整流電路的原理圖如圖2所示,，使用ADS2009仿真軟件對(duì)其進(jìn)行原理圖-版圖聯(lián)合仿真，以便得到更精確的仿真結(jié)果,。

    二極管放置于匹配電路和直通濾波器之間,，其選取對(duì)整流效率有很重要的影響。對(duì)整流電路來(lái)講,，整流二極管大多選用肖特基二極管,，肖特基二極管的結(jié)電容、串聯(lián)電阻及寄生參數(shù)越小越好,。本文選用的是由Infineon科技公司生產(chǎn)的BAT15-04W型號(hào)的肖特基二極管,，其基本參數(shù)為：結(jié)電容C_j0為138.5 fF，寄生串聯(lián)電阻R_s為5 Ω,，導(dǎo)通電壓V_j為0.224 V,，反向擊穿電壓B_v為4.2 V，所以它是一個(gè)能夠?qū)⒌洼斎胛⒉üβ兽D(zhuǎn)換為高直流功率的低功耗貼片肖特基二極管,。包含塑料封裝的寄生參數(shù)的BAT15-04W二極管的模型如圖3所示,。

    由于二極管非線性的特性，電路中會(huì)產(chǎn)生一些高次諧波,。為了抑制這些諧波和提高整流電路的效率,，通常會(huì)在二極管和負(fù)載間接入一個(gè)直通濾波器。在本文中,，采用兩個(gè)扇形枝節(jié)用以分別抑制基頻分量和三次諧波分量,，同時(shí)采用一個(gè)線型開路枝節(jié)用以抑制二次諧波分量，由于其他更高次的諧波分量非常小,，所以在這里不予考慮,。上述直通濾波器的電路圖和諧波抑制效果圖如圖4所示?？梢钥吹?，基頻分量、二次諧波分量和三次諧波分量都得到了顯著的抑制(<-60 dB),。

    實(shí)測(cè)效率最高時(shí)的輸入功率為5 dBm,，在此輸入功率下電路S11參數(shù)的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知,，無(wú)論是仿真還是實(shí)測(cè),，在2.45 GHz處都能獲得較好的阻抗匹配。在2.45 GHz處，實(shí)測(cè)的S11參數(shù)為-37 dB且在2.37 GHz～2.51 GHz的頻率范圍內(nèi)S11參數(shù)均小于-10 dB,。

2 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分析

    所提出的整流電路的整體實(shí)測(cè)圖片如圖6所示,，它包括了匹配電路、倍壓肖特基二極管,、直通濾波器和一個(gè)負(fù)載電阻。該整流電路通過(guò)一個(gè)信號(hào)發(fā)射器和一個(gè)傳統(tǒng)的電壓表來(lái)進(jìn)行測(cè)試,，信號(hào)發(fā)生器用于提供2.45 GHz的射頻能量,，而傳統(tǒng)的電壓表則用于測(cè)量負(fù)載兩端的電壓值。整流電路的RF-DC整流效率(η)定義如下：

式中：P_inc為射頻發(fā)射功率,；P_DC為直流輸出功率,；V_L為直流輸出電壓；R_Load為負(fù)載電阻,。

    當(dāng)優(yōu)化選擇后的負(fù)載R_Load為5 kΩ,，輸入能量頻點(diǎn)為2.45 GHz時(shí)，實(shí)測(cè)與仿真的輸出直流電壓隨輸入功率的變化曲線圖如圖7所示,。顯然,，當(dāng)輸入功率為5 dBm時(shí)，實(shí)測(cè)整流電路可獲得3.45 V的直流輸出電壓,。在同等條件下,，實(shí)測(cè)與仿真的整流效率隨輸入功率的變化曲線圖如圖8所示?？梢杂^察到,，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了較好的吻合，當(dāng)輸入功率為5 dBm時(shí),，實(shí)測(cè)效率到達(dá)了峰值75.3%,，當(dāng)輸入功率處于-2.5 dBm～6.5 dBm的范圍內(nèi)時(shí)，整流電路的效率都保持在60%以上,。

    實(shí)測(cè)效率與仿真效率相比有所降低,，其主要原因如下：(1)二極管在實(shí)際使用的情況下，由于工作溫度,、周圍電磁環(huán)境,、基板的趨膚效應(yīng)等影響下，工作性能會(huì)有一些不同,；(2)實(shí)測(cè)電路中的SMA接頭存在損耗,；(3)耦合電容、二極管及SMA接頭的焊接會(huì)引入寄生電容,、寄生電感及電阻效應(yīng),，而ADS建模仿真時(shí)不會(huì)考慮這些寄生參量，從而會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

    本文提出了一種基于低功耗貼片肖特基二極管BAT15-04W的整流電路,，實(shí)測(cè)表明它能夠高效地吸收低輸入射頻功率,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，在輸入功率為5 dBm的情況下，整流電路具有75.3%的整流效率,，并對(duì)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果存在的偏差進(jìn)行了具體的分析,。在未來(lái)的工作中,，為了構(gòu)建一個(gè)完整的微波整流天線，我們的關(guān)注點(diǎn)將是在發(fā)射天線和整流電路間加入一個(gè)高增益和指向性較強(qiáng)的端射天線作為接收天線,，而為了能在更小的輸入功率和更大的傳輸距離下獲得高效率整流,，我們還將關(guān)注天線陣列的設(shè)計(jì),。

參考文獻(xiàn)

[1] BROWN W C.The history of power transmission by radio wave[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，1984(9)：1230-1242.

[2] SHINOHARA N.Power without wires[J].IEEE Microwave Magazine,，2011,，12(7)：S64-S73.

[3] FRANCESCHETTI G,，GERVASIO V.Wireless power transmission.A new science is borne[C].2012 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission：Technologies,，Systems,and Applications(IMWS)，pp.21-23,，10-11 May.2012.

[4] CASARES M，VURAN  M C，VELIPASALAR S.Design of a wireless vision sensor for object tracking in wireless vision sensor networks[C].Second ACM/IEEE International Conference on Distributed Smart Cameras，pp.1-9,，7-11 Sept.2008.

[5] Gao Yuan,，Zheng Yuanjin,，Diao Shengxi，et al.Low-power ultrawideband wireless telemetry transceiver for medical sensor applications[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,，2011(3)：768-772.

[6] Mo Lingfei,，Liu Shaopeng,，GAO R X,，et al.Wireless design of a multisensor system for physical activity monitoring[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2012,，59(11)：3230-3237.

[7] BOAVENTURA A J S,，CARVALHO N B.A batteryless RFID remote control system[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，2013(6)：2727-2736.

[8] TAKHEDMIT H,，MERABET B，CIRIO L,，et al.A 2.45-GHz low cost and efficient Rectenna[C].Proceedings of The Fourth European Conference on Antennas and Propagation,，2010：1-5，12-16.

[9] FRANCISCATTO B R,，F(xiàn)REITAS V，DUCHAMP J M,，et al.A different approach to a highly efficient wireless energy harvesting device for low-power application[C].2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference(IMOC),，2013：1-5,，4-7.

[10] FRANCISCATTO B R，F(xiàn)REITAS V,，DUCHAMP J M.Highefficiency rectifier circuit at 2.45 GHz for low-input-power RF energy harvesting[C].2013 European Microwave Conference(EuMC),，2013：507-510,，6-10.

[11] 陳彬.具有諧波抑制功能的低輸入功率整流天線設(shè)計(jì)[J].信息化研究,，2014，40(1)：55-58.