基于肖特基二极管的大功率微波整流电路设计

  1. 引言
  微波输能成为新能源领域的一个重要研究方向，与其相关的科学研究已经广泛开展，微波输能以微波为载体可以实现能量的无线传输，拓展了微波作为信息载体的功能，可望在航空航天领域首先得到应用，上世纪50年代至今，国外已经做了大量的理论研究和实验验证，而国内是近年来才开展了这项工作，属研究起步阶段。
  整流电路作为微波输能的重要组成部分，国内外均对此开展了研究，基于肖特基二极管的微波整流电路功率容量一直处于30dBm以内，无法满足一些大功率应用的需要，同时，整流电路功率容量的提高可以使整流天线在有限的面积上接收转化更多的能量。
  本文提出了一种具有普遍适用性的大功率微波整流电路的方法，并在2.45GHz设计实现了大功率微波整流电路，通过测试发现，整流电路的最大功率容量达到了43dBm，最高效率出现在输入功率41dBm时，微波整流效率达到了68%。
 
  2. 大功率整流电路的基本原理与设计
  大功率整流电路的基本原理是采用功分器对输入功率进行分配，在每一路微波整流电路上采用肖特基二极管整列，使每一个支路的整流电路都能安全高效的工作。在不降低整流效率的前提下大幅度的提升整流电路的功率容量，实现大功率微波整流。
  大功率整流电路的原理框图如图1所示，可根据实际所需的功率容量和电路尺寸的要求对功分器的分支数量进行调整，选择不同功率容量的小功率整流电路，在整流电路的输出端直接进行直流合成、该方法具有广泛的适用性和良好的可拓展性。

 
  2.1整流电路设计
  整流单元我们选用较为成熟的整流电路设计，如图2(a)所示，这一电路具有功率容量较大，整流效率高，电路紧凑的特点。该电路基于4支单片肖特基二极管桥HSMS-282P来实现整流，其中每片肖特基二极管桥HSMS-282P的内部封装4个肖特基二极管，因此，整个整流阵列包含16个肖特基二极管，提升了整流电路功率容量。  
  单个整流电路的功率容量为33dBm，整流效率在较大范围内保持在60%以上，如图2(b)所示，当输入功率在23dBm~27dBm时，整流效率随负载的变化较为平坦，但输入功率增加至30dBm及33dBm时，整流效率在最高点后迅速下降。随着输入功率的增加，整流电路输出电压和二极管上的电流随之增大。二极管的直流偏压偏离了最佳值，二极管自身的功率损耗增加，导致温度升高，引起整流电路效率快速下降，此现象在较高输入微波功率时更为明显。
  基于二极管阵列的整流电路由于受寄生参数的影响，不适合使用更多的肖特基二极管组成阵列进一步提升功率容量。
  通过与功分器的级联，可以将大功率整流电路的整体功率容量提升至43dBm，由于功分单元和整流单元都是共用地的微带结构。8个整流单元的直流输出可以直接并联，单个整流单元的最佳负载阻抗为600Ω，8路并联后理论最佳负载阻抗为75Ω左右。
 
  2.2 9dB功分器的设计
  为了提升整体功率容量同时兼顾电路的排布，本文采用9dB的微带功分器，共8路输出。由于功分器的分路较多，输入和输出都需要匹配到50Ω，考虑到整流电路的面积，选用"米"字型排布的方式，具体设计图如3所示，中心为功分器的输入端，采用同轴接口从背面馈入、中间的八条微带线的特征阻抗为141Ω，长度为λ/4，最外面的微带线特征阻抗为50Ω，通过仿真设计及实验验证，实现了良好的阻扰匹配和功率分配。  
  图4和图5是功分器的测量结果，该结构很好的实现了功率的等幅分配。图4中，输出端口2~9到输入端口1的传输系数均在-9dB附近，最大插入损耗小于0.18dB。图5可以看出，在2.45GHz时，输入端口1的反射系数小于-25dB，端口3~9到端口2之间的隔离度均高于18dB，其余任意两个输出端口之间的隔离度也均在18dB以上，实现了很好的端口之间的隔离。
  3. 测试结果及分析
  功分单元和整流单元设计完成后进行加工。采用F4B-2聚四氟乙烯玻璃纤维板，基板厚度1mm，介电常数€r=2.65，损耗角正切值为0.002。最终整体的电路设计版图及电路尺寸如图6所示。  
  3.1整流电路的温度分布
  整流电路中的二极管在工作的时候温度升高。为了检测二极管在电路中是否正常工作，在输入功率为30dBm的时候对电路的温度进行监测，工作30分钟后的温度分布图像，如图7所示，图中的白色部分为高温区城，对比实物图，热源为二极管，温度在二极管上的分布近似均匀，说明二极管工作状态近似，最高温度为32.8℃，此时对二极管的性能影响很小，二极管工作正常。  
  3.2整流电路的效率
  电路测试采用2.45GHz标准微波功率源，最大输出功率100W，微波源输出功率测量采用AV2433功率计通过20dB定向耦合器进行实时监测，整流电路负载采用大功率电阻。输出直流电压Agilent 34970A数据采集器进行记录，整流电路的整流效率为 式中：P_DC为输出直流功率；P_MW为输入微波功率；V_DC为输出直流电压；R_Load为负载电阻。
  图8是在不同负载时，电路的整流效率随输入功率的变化曲线，在输入功率为39dBm~41dBm之间，负载在两个阻值时，均有高于65%的整流效率，当负载减小时，效率下降明显，最高效率为68%，此时负载为76.5Ω时，输入功率41dBm，当输入功率达到43dBm时，二极管功率容量能够满足，整流效率降至55%。  
  4. 结论
  本文提出了一种通过将功分器和二极管阵列整流电路结合的方法，来提升微波整流电路功率容量。文中设计一种9dB功分器，将单个电路的功率容量提升到了43dBm，相较以前整流电路的功率容量有了数量级的提升，验证了该方法的可行性和可靠性，实验结果显示本文提出的方法具有很高的合成效率，不仅提升了整流电路的功率容量，而且对整体效率的影响很小，该方法是一种提高整流电路性能的有效方法，可望在大功率微波输能系统中得到良好的应用，通过改变功分器和整流电路的组合方式，可以灵活的适用于不同功率要求的系统之中。



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