微波整流電路的基本原理綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u26815微波整流電路的基本原理綜述 -1-294301.1引言 -1-196471.2微波整流二極管及整流電路拓?fù)?-1-183131.3傳輸線理論 -5-108531.3.1傳輸線基本理論 -5-12981.3.2傳輸線理論在微波整流電路中的應(yīng)用 -7-134341.4史密斯圓圖 -8-195601.5阻抗匹配理論 -9-引言微波整流電路是MWPT系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將接收天線接受到的信號轉(zhuǎn)換成直流信號的部分，其中最關(guān)鍵的部分是二極管整流電路，其次為了使輸出電壓更加平穩(wěn)，需要在電路拓?fù)渲屑尤胫C波抑制網(wǎng)絡(luò)，此外為了使電路拓?fù)淠芘cMWPT系統(tǒng)的其他部分適配，提高系統(tǒng)效率，還需要進(jìn)行阻抗匹配。因此整個(gè)微波整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其中微波信號源為輸入端，為微波整流電路提供射頻信號，代替MWPT系統(tǒng)中微波接收天線的作用，整流電路主要包括二極管整流電路、阻抗匹配電路和諧波抑制網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分，本章將對該拓?fù)渲猩婕暗幕纠碚撝R進(jìn)行介紹。圖2.1MWPT系統(tǒng)示意圖微波整流二極管及整流電路拓?fù)湫ぬ鼗鶆輭径O管在微波整流電路發(fā)展中占據(jù)非常重要的一席之地，這種二極管目前發(fā)展已經(jīng)比較成熟，性能優(yōu)于普通二極管，制造成本也不高。不同于普通二極管，肖特基勢壘二極管依靠多數(shù)載流子進(jìn)行電流的運(yùn)輸，這使得它的正向?qū)▔航档陀谄胀ǘO管、反向恢復(fù)時(shí)間也比普通二極管要短，這種特性在射頻電路中非常實(shí)用。圖2.2為肖特基勢壘二極管的等效電路模型，其中代表封裝電感、表示封裝電容；表示串聯(lián)寄生電阻，和分別代表結(jié)電阻和結(jié)電容。圖2.2肖特基勢壘二極管等效模型為了更好地選擇肖特基二極管，必須知道整流二極管的微波-直流轉(zhuǎn)化效率與什么參數(shù)有關(guān)，以前這些參數(shù)如何影響二極管整流效率。式2.1給出肖特基二極管的效率計(jì)算方法：(2.1)式中A、B、C三項(xiàng)均可由二極管固有參數(shù)計(jì)算得到，如式2.2-2.3所示：(2.2)(2.3)(2.4)式中為二極管的輸出電壓，為負(fù)載阻抗，是二極管的前置電壓，為二極管導(dǎo)通角。其中二極管的結(jié)電容與零偏結(jié)電容有關(guān)，可以表示為：(2.5)導(dǎo)通角θon可以表示為：(2.6)由此可知，主要影響整流效率的兩個(gè)參數(shù)是和，這兩個(gè)參數(shù)越小，則式2.1中整流效率越高，而和都是可以通過二極管的數(shù)據(jù)手冊得到的。除了效率以外，二極管的擊穿電壓也是需要考慮的重要因素，因?yàn)樗拗屏苏麟娐返妮斎牍β嗜萘俊３苏鞫O管對效率的影響以外，整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是影響微波整流效率的重要因素。常用的微波整流電路拓?fù)渲饕ù?lián)整流電路、并聯(lián)整流電路和倍壓整流電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.3所示。(a)串聯(lián)半波整流電路(b)并聯(lián)半波整流電路(c)倍壓整流電路圖2.3整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其中若忽略諧波的影響，串聯(lián)整流電路和并聯(lián)整流電路由于只有輸入信號的正半周和負(fù)半周其中一個(gè)能夠有效輸出，理論上均只能實(shí)現(xiàn)50%的整流效率，而倍壓整流電路的理論效率較高，因此將優(yōu)先選用倍壓整流電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里對倍壓整流電路的工作原理進(jìn)行簡要分析：假設(shè)二極管均為理想狀態(tài)，輸入信號的峰值電壓為VRF，在信號的負(fù)半周，如圖2.4(a)所示，D1導(dǎo)通，D2截止，輸入信號給C1充電直至C1電壓達(dá)到VRF；而在正半周期，如圖2.4(a)所示，D2導(dǎo)通，D1截止，輸入信號給C2充電，由于此時(shí)電容C1上電壓為VRF，因此C2將充電至2VRF，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的二倍壓供電，獲得較高的整流效率。(a)負(fù)半周期工作原理(b)正半周期工作原理圖2.4倍壓整流電路工作原理雖然理論上倍壓整流電路的效率要高于串聯(lián)和并聯(lián)半波整流電路，但是上述分析沒有考慮二極管損耗的問題。倍壓整流電路由于有兩個(gè)二極管，所產(chǎn)生的損耗也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單管整流電路，而對于射頻電路來說，二極管造成的損耗是非常大的，因此后續(xù)還要結(jié)合輸入信號的頻率和二極管模型，利用仿真軟件進(jìn)行分析和驗(yàn)證。傳輸線理論傳輸線基本理論傳輸線是能夠輸送電磁能的結(jié)構(gòu)設(shè)備，生活中常見的傳輸線有很多，音響線、音頻屏蔽線等等都屬于傳輸線的范疇。但是在不同的頻率范圍內(nèi)，傳輸線的分析方法也是不同的，以信號波長的1/10為界限，當(dāng)電路尺寸、器件尺寸這個(gè)數(shù)值時(shí)，電路為集總參數(shù)電路，可以運(yùn)用常見的基爾霍夫電流、電壓定律進(jìn)行分析。而當(dāng)尺寸大于信號波長的1/10時(shí)，就不能忽略電路的分布參數(shù)對電路性能的影響，由此可以推導(dǎo)出電路的下限頻率[10]，在超過這個(gè)頻率的范圍內(nèi)則必須使用分布式參數(shù)進(jìn)行分析：(2.7)其中l(wèi)是電路、器件的尺寸，vp是電磁信號的相速度，其大小由光速c、介電常數(shù)εr和磁導(dǎo)率μr決定。此時(shí)可以將傳輸線細(xì)分為無數(shù)個(gè)小的線元，每一個(gè)線元可以等效為如圖2.5所示的電路，在這個(gè)小的線元中，基爾霍夫電路定律是可用的。圖2.5傳輸線等效電路為了更方便地進(jìn)行諧波抑制和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，必須對傳輸線的輸入阻抗有所了解，下面將結(jié)合等效電路推導(dǎo)傳輸線的輸入阻抗。圖2.5中由KVL可得：(2.8)式2.8可以表示為導(dǎo)數(shù)形式：(2.9)由KCL，同樣可以得到：(2.10)化成導(dǎo)數(shù)形式：(2.11)對一階微分方程2.9和2.11進(jìn)行聯(lián)立求解，可以得到兩個(gè)指數(shù)函數(shù)如下：(2.12)(2.13)其中k與傳輸線類型有關(guān)，可以表示為：(2.14)在計(jì)算輸入阻抗之前，這里需要先引入特性阻抗Z0的定義，特性阻抗雖然不會因?yàn)殡妷汉碗娏鞯淖兓兓?，但是通過它可以將電壓和電流聯(lián)系起來，具有非常重要的作用。特性阻抗定義為：(2.14)結(jié)合式2.9和式2.12、2.13可得：(2.15)式2.8-2.15均為對傳輸線上某一線元的描述，下面將結(jié)合一定長度的傳輸線分析輸入阻抗的求解方法。如圖2.6所示的一端接有負(fù)載的傳輸線，建立一個(gè)以負(fù)載處為原點(diǎn)的反向坐標(biāo)系，并引入反射系數(shù)，即反射與入射電壓的比值：(2.16)圖2.6一端接負(fù)載的傳輸線示意圖在距離負(fù)載為d處，輸入阻抗可以表示如下式2.17，其中β代表衰減系數(shù)，可以用頻率和相速度或波長表示，或。則在該處輸入阻抗可以表示為：(2.17)將式2.16帶入式2.17可得(2.18)傳輸線理論在微波整流電路中的應(yīng)用由2.1節(jié)可知，微波整流電路拓?fù)渲谐硕O管整流電路，還需要通過諧波抑制網(wǎng)絡(luò)濾除影響輸出電壓的基波和高次諧波，而這里的諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，就需要通過傳輸線理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。微波集成電路中的傳輸線一般采用微帶線，其結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，它由介質(zhì)基片、導(dǎo)體帶和接地金屬平板構(gòu)成，能有效地傳輸射頻信號。通過控制導(dǎo)體帶的寬度和長度，就可以改變微帶線的特性，因此用微帶線來設(shè)計(jì)射頻電路十分方便。圖2.7微帶線結(jié)構(gòu)圖射頻電路的諧波抑制網(wǎng)絡(luò)一般采用λ/4開路枝節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于開路枝節(jié)，其負(fù)載趨于無窮大，則式2.18可以化簡為式2.19。而此時(shí)，d的值為λ/4，代入式2.19可以發(fā)現(xiàn)Zin趨于零，即對相應(yīng)次數(shù)的諧波短路，可以起到濾除該次諧波的作用。(2.19)在微波整流電路中，影響效率的主要是基波、二次、三次以及四次諧波，假設(shè)輸入信號頻率為f，則只需要在電路中加入分別對應(yīng)頻率為f，2f，3f，4f的諧波抑制枝節(jié)，就可以濾除諧波。史密斯圓圖史密斯圓圖(Smith,chart)是一種用于傳輸線問題求解的圖表工具。由美國的PhillipSmith發(fā)明，1939年，他把輸入阻抗進(jìn)行歸一化處理之后，在反射系數(shù)平面上畫成一套等值圓，用來求解傳輸線問題。史密斯圓圖有阻抗圓Z-Smith和導(dǎo)納圓Y-Smith兩種，其本質(zhì)是一樣的，只是阻抗圓中用電阻R和電抗X表示，導(dǎo)納圓中用電導(dǎo)G和電納B表示，如圖2.8所示。Smithchart的橫軸為純電阻（導(dǎo)）線，線上的每一點(diǎn)對應(yīng)的都是純電阻（導(dǎo)），Z-Smith圓圖阻抗零點(diǎn)為橫軸左端點(diǎn)處,代表阻抗短路點(diǎn)，圓圖中心Z=1，代表匹配點(diǎn)，而Y-Smith恰好相反，橫軸右端點(diǎn)為開路點(diǎn)。此外，Z-Smith圓圖的上半圓代表感性，下半圓代表容抗，Y-Smith也與之相反。(a)Z-Smith圓圖(b)Y-Smith圓圖圖2.8兩種史密斯圓圖借助史密斯圓圖，可以更快速地求得傳輸線的輸入阻抗，因?yàn)樗麄兌寂c反射系數(shù)有所關(guān)聯(lián)。史密斯圓圖的基本原理在于上式2.16，這里將它進(jìn)行歸一化處理，分式上下同時(shí)除以，式中是歸一化的負(fù)載值，。(2.19)這里Z0是特性阻抗，一般為50歐姆，因此反射系數(shù)Γ與Zin就是一一對應(yīng)的關(guān)系，結(jié)合式2.17，就能得到所需要的的傳輸線輸入阻抗了。而反射系數(shù)Γ，即S參數(shù)中的S11，可以通過ADS仿真軟件直接獲取，同時(shí)軟件中會直接將反射系數(shù)平面映射到輸入阻抗Zin平面，下面將給出其映射關(guān)系。由于阻抗一般為復(fù)數(shù)形式，這里將反射系數(shù)也改成由復(fù)數(shù)表示的形式：(2.19)這樣Zin也可以用改成復(fù)數(shù)表達(dá)形式，為了和上文的歸一化處理相配合，這里在等式的兩邊也直接同時(shí)除以Z0：(2.19)對上式進(jìn)行化簡，可以得到:(2.19)ADS仿真軟件中會直接給出zin的值，只需要將其直接乘以特性阻抗Z0,就能直接得到傳輸線的輸入阻抗，這為阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。阻抗匹配理論阻抗匹配技術(shù)可以減小傳輸線中信號的反射，使從源到負(fù)載的功率傳輸最大，在射頻電路中具有舉足輕重的地位。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)一般為無源網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在源和負(fù)載之間，目標(biāo)為使負(fù)載阻抗和源阻抗形成共軛關(guān)系。阻抗匹配的方法主要分為兩種，一種是通過分立元件，