915 MHz功率自适应平面印刷整流电路设计与实验

陆佳骏，杨雪霞，狄陆褀

（上海大学通信与信息工程学院，上海 200444）

915 MHz功率自适应平面印刷整流电路设计与实验

陆佳骏，杨雪霞，狄陆褀

（上海大学通信与信息工程学院，上海 200444）

提出了一种工作在低输入功率环境下的具有功率自适应功能的915 MHz整流电路.该整流电路适用于较宽的输入功率环境,利用一个场效应管作为自适应开关,根据输入功率的大小切换整流电路工作模式,使其能够在一个较宽的输入功率范围内高效整流.该电路输入端使用双枝节匹配网络将二极管输入阻抗匹配至50 Ω,输出端并联一电容作为直通滤波器,使得输出功率平稳.仿真结果表明：在-16～4 dBm的输入功率范围内,整流效率高于40%,最高转换效率为66.2%.实测最佳工作频率有所偏移,最高转换效率为47.5%.可见该整流电路采用简单的平面印刷电路工艺,易集成,可用于环境电磁能量收集.

整流电路；转换效率；自适应；功率范围

自20世纪60年代以来微波输能技术得到关注，尤其是在高功率场合，如太阳能卫星、微波驱动无人机等［1-2］.近年来，随着无线通信的发展，周围生活环境中充满着不同频率的微波能量，微波输能技术在低功率应用方面的研究成为热点.整流电路是微波输能系统的关键技术，它将收集到的环境中的电磁能量转换为直流，为无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）和射频识别（radio frequency identification，RFID）等电子设备供能［3-4］，从而大大增加这些系统中电池的使用寿命.

从目前的研究成果来看，整流电路在高于17 dBm的较窄的输入功率范围内可以得到70%～80%的整流效率，一旦输入功率超出相应的最佳工作范围，整流效率就会急剧下降［1-2,5-6］.而通常周围环境中的微波功率值很低，变化范围较大，故在收集周围能量时整流电路需要在较宽的低输入功率工作范围内具有一定的MW-DC转换效率.

为了拓宽整流电路的输入功率工作范围，文献［7］提出了一种工作在1.8 GHz的4支路整流电路，通过选择不同支路来适应不同的输入功率，在-8～30 dBm的输入功率范围内得到40%以上的整流效率；文献［8］采用两个整流器的串并可重构方案，设计了一种工作在2.4 GHz的整流电路，在2～10 dBm的输入功率范围内整流效率高于40%；文献［9］采用可重构电荷泵式整流电路，其工作频率为868 MHz，在-11～2 dBm的输入功率范围内整流效率高于40%.以上3种整流电路都采用CMOS集成电路技术，实现了宽输入功率范围内的整流，但由于整个电路结构较为复杂，即必须加入功率检测器、比较器、开关控制电路等附加结构，故在设计和制造方面难度增大.

文献［10］提出了一种工作在915 MHz的结构紧凑的倍压式整流电路，输入功率在6～22 dBm范围内，整流效率高于40%，这种倍压整流电路不适用于低功率环境.文献［11］设计了一个工作在100 MHz的整流器，利用场效应管控制并联型整流电路的方法，在-14～21 dBm的输入功率范围内整流效率高于50%，但是该整流器需由5个二极管、2个场效应管、3个电容和1个电感组成，过多的集总元件导致其在微波频段匹配效果较差.

本工作提出了一种915 MHz场效应管控制串联型整流电路，该整流电路在低功率环境中工作，拥有较宽输入功率工作范围.另外由于其结构简单，采用的印刷电路板（printed circuit board，PCB）工艺易于集成，故适用于环境电磁能量的收集利用.

1 整流电路设计

图1为整流电路原理图，其设计工作频率为915 MHz.从输入端至输出端依次为双枝节匹配网络、整流二极管D1和D2、N沟道结型场效应管FET和电容，其中电容是作为直通滤波器来滤除高次谐波.该电路结构采用二极管串联形式，因为这种结构更适用于0 dBm以下的低功率环境.整流二极管D1型号为HSMS-2850，其导通电压为0.15 V，击穿电压为3.8 V，适用于低功率范围；整流二极管D2型号为HSMS-2860，其导通电压为0.35 V，击穿电压为7 V，适合较高功率范围.这两种型号的二极管都可用于915 MHz的工作频率.

图1 整流电路原理图Fig.1 Schematic of rectifier

型号为NE3210S01的N沟道结型场效应管用作自适应开关，与D2并联，其夹断电压为-0.7 V，其绝对值大于D2的导通电压，小于D1的击穿电压，因而能够在两种二极管的特定工作范围内实现电路的模式切换，使得整流电路能够在一个较宽的功率范围内保持高而稳定的MW-DC转换效率.栅极与源极之间的反向偏压VGS值控制场效应管的通断，场效应管的源极S接直流负载，栅极G接地，漏极D接于D1与D2之间.两种工作模式如图2所示.

图2 整流电路工作模式Fig.2 Working modes of rectifier

当输入功率较低时，直流负载上的电压较低，VGS接近于0，场效应管处于导通状态，相当于D2被短路，只有D1正常工作，整流电路工作在低功率状态，此时即为模式1；随着输入功率不断升高，直流负载上的电压值不断增大，当达到场效应管的夹断电压后，场效应管处于断开状态，电流从D2流过，整流电路工作在较高功率状态，即模式2.该整流电路通过直流负载上的电压控制场效应管的通断，可以自适应地切换工作模式，从而拓宽整流电路的输入功率工作范围.

为了使整流电路在915 MHz频率下在较宽的输入功率范围内实现阻抗匹配，本工作设计了一个双枝节匹配网络（见图3）.双枝节匹配网络由两段串联微带线T1、T2，并联开路微带线T3和并联短路微带线T4组成，其中T4通过过孔与地相连，T0是一段50 Ω微带线，与小型A型（sub-minature-A，SMA）射频接头或接收天线连接.通过合理调节各段微带线长度，可以使输入阻抗在较宽的输入功率范围内得到较好的匹配.

图3 双枝节匹配网络Fig.3 Double-stub matching network

与单枝节匹配网络相比，双枝节匹配网络缩短了输入端至二极管之间微带线的长度，减小了电路尺寸，其原理如图4所示.图4（a）显示单枝节匹配网络的阻抗匹配过程，其中从源点S到A点完全依靠一段长微带线进行转换，再通过并联短路微带线将阻抗变换至匹配点O.图4（b）显示双枝节匹配网络的阻抗匹配过程，即阻抗先通过微带线T1变换至B点，然后通过开路枝节T3变换至C点，再通过微带线T2变换至D点，最后通过短路枝节T4变换至匹配点O.通过比较两种匹配网络的史密斯圆图可以发现，双枝节匹配网络中的并联开路微带线能有效缩短连接二极管和输入端口的阻抗变换微带线的长度，从而减小电路尺寸.为了进一步减小电路尺寸，对T1进行弯折和微调，也能得到较好的匹配效果.

图4 阻抗匹配的史密斯圆图Fig.4 Smith charts of impedance matching

2 整流电路仿真结果

整流电路采用Agilent ADS（advanced design system）2011软件进行仿真和分析，介质板的介电常数为2.65，厚度为0.8 mm，损耗角正切为0.001，作为直通滤波器的电容值为47 pF.双枝节匹配网络几何参数列于表1.在负载为2 000 Ω，输入功率在-20～20 dBm范围内变化时，仿真得到的电路输入阻抗Zin值如图5（a）所示，相应的S11随输入功率的变化情况如图5（b）所示.由图5可知，在-18～5 dBm的输入功率范围内，输入阻抗实部在30～60 Ω之间变化，虚部在-j20～+j20 Ω之间变化，对应的S11小于-10 dB，实现了较宽输入功率范围内的阻抗匹配，便于与接收天线集成.

表1 匹配网络几何尺寸Table l Dimension of matching networkmm

图5 仿真电路特性随输入功率的变化Fig.5 Simulated characteristics of rectifier versus input power

在ADS电路图仿真的基础上进行版图仿真，得到的RF-DC整流效率与输出电压随输入功率的变化曲线如图6所示.

图6 仿真整流效率与输出电压随输入功率的变化Fig.6 Simulated conversion efficiency and output voltage versus input power

从图6中可以看到，在输入功率为-6和1 dBm处有两个效率峰值，分别为66.2%和64.5%.在这两个输入功率值之间的-3 dBm处有一个效率谷值，在该输入功率处的输出电压为0.76 V，恰好对应场效应管的夹断电压，说明此时场效应管从导通状态切换到断开状态，HSMS-2860开始工作，电路切换到模式2，因此效率又开始上升.仿真结果曲线证实了自适应整流电路设计的有效性.

仿真结果显示，在-16～4 dBm的输入功率范围内，整流效率都高于40%，最高效率为66.2%，该点的输入功率为-6 dBm.负载上的直流电压随着输入功率的增大而升高.

3 整流电路实测结果与分析

实际加工制作的整流电路板如图7所示.实测的整流效率为

式中，RL为直流负载；VL为直流负载两端测得的电压，用万用表测量；Pin为输入功率，由83623LAgilent信号发生器提供.

图7 整流电路实物图Fig.7 Photograph of fabricated rectifier

测试发现，整流电路的最佳工作频率为885 MHz，与设计值相比有30 MHz的频偏.对915和885 MHz这两个频点处的实际整流效果分别进行测试，整流效率和输出电压随输入功率变化曲线如图8所示.由图8可知，当频率为885 MHz时，整流效率存在两个峰值：在输入功率为-4 dBm处，输出电压为0.615 V，效率为47.5%；在输入功率为5 dBm处，输出电压为1.7 V，效率为45.7%.输入功率在-1 dBm处有一个效率谷值，其对应的输出电压为0.798 V.在-10～6 dBm的输入功率范围内，整流效率高于40%.当频率为915 MHz时，整流效率也存在两个峰值：①在输入功率为-3 dBm处，输出电压为0.626 V，效率为39.1%；②在输入功率为5 dBm处，输出电压为1.62 V，效率为41.5%.输出电压随着输入功率的增加而增大，885 MHz时测得的最大输出电压为3.88 V，915 MHz时测得的最大输出电压为3.98 V.

图8 整流电路实测整流效率与输出电压Fig.8 Measured conversion efficiency and output voltage of rectifier

可见，实测最高效率与仿真结果相比有所下降，最高效率的输入功率值发生偏移，这是因为：①ADS仿真不包括实际测量中由焊接、转接头引入的各种寄生电容、寄生电感及电阻效应，从而影响实际测量结果；②经ADS仿真对比发现，在基板厚度减小0.1 mm的情况下，整流效率最大降低了9%左右，最佳工作频率减小了10 MHz，在匹配枝节长度变化0.1 mm的情况下，整流效率最大降低了1%左右，最佳工作频率最大偏移了5 MHz，频率偏移后整流效率均有所下降；③实测系统中SMA接头会产生0.1 dB左右的损耗，导致最佳工作频率减小；④在手工焊接条件下，二极管和场效应管的位置不够准确.在以后的工作中，可以在设计仿真电路时加入相应的元件来大致模拟寄生效应和各种损耗，当然提高设计的准确度也会增加设计的复杂程度，如何取舍需视具体情况而定.

4 结束语

本工作提出了一种工作在低输入功率环境下的915 MHz功率自适应平面印刷整流电路.该电路利用场效应管作为自适应开关来拓宽输入功率工作范围.仿真结果显示，在-16～4 dBm的输入功率范围内，整流效率高于40%，最高整流效率为66.8%.实测结果有所偏差，且效率峰值降低，但仍在-10～6 dBm的较宽输入功率范围内获得了超过40%的整流效率.该整流电路结构简单，加工方便，易集成，可用于环境电磁能量的收集利用.

［1］STRASSNER B，CHANG K.Microwave power transmission：historical milestones and system components［J］.Proceedings of the IEEE,2013,101（6）：1379-1396.

［2］杨雪霞.微波输能技术概述与整流天线研究新进展［J］.电波科学学报,2009,24（4）：770-779.

［3］SANGKIL K，VYAS R，BITO J,et al.Ambient RF energy-harvesting technologies for selfsustainable standalone wireless sensor platforms［J］.Proceedings of the IEEE,2014,102（11）：1649-1666.

［4］PINUELA M，MITCHESON P D，LUCYSZYN S.Ambient RF energy harvesting in urban and semiurban environments［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2013,61（7）：2715-2726.

［5］JAMES O M，LU F，CHANG K.Design and experiments of a high-conversion-efficiency 5.8-GHz rectenna［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1998,46（12）：2053-2060.

［6］吕艳青,杨雪霞,周鋆.一种用于微波输能的小型化整流电路［J］.应用科学学报,2011,29（5）：508-511.

［7］MARIAN V，ALLARD B，VOLLAIRE C,et al.Strategy for microwave energy harvesting from ambient field or a feeding source［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27（11）：4481-4491.

［8］LI C J，LEE T C.2.4-GHz high efficiency adaptive power harvester［J］.IEEE Transactions on Very Large Scale Integration（VLSI）Systems,2014,22（2）：434-438.

［9］SCORCIONI S，LARCHER L，BERTACCHINI A.A reconfigurable differential CMOS RF energy scavenger with 60%peak efficiency and-21 dBm sensitivity［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2013,23（3）：155-157.

［10］陈彦龙,李凯,刘长军.一种915 MHz紧凑型肖特基二极管微波整流电路［J］.信息与电子工程,2012, 10（1）：64-67.

［11］SUN H，ZHONG Z，GUO Y X.An adaptive reconfigurable rectifier for wireless power transmission［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2013,23（9）：492-494.

本文彩色版可登陆本刊网站查询：http：//www.journal.shu.edu.cn

Design and experiment of a 915 MHz printed rectifier with adaptive power

LU Jiajun，YANG Xuexia，DI Luqi
（School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

This paper proposes an adaptive power rectifier at 915 MHz operating in a wide range of low input power.A field effect transistor works as an adaptive switch for changing the working modes of the rectifier according to the input power level.As a result,the rectifier can achieve high MW-DC conversion efficiency over the entire range. A double-stub matching network matches the input impedance of the diode to 50 Ω.A shunted capacitor works as a DC-pass filter to smooth the output DC power.Simulation results show that efficiency is above 40%within an input power range from-16 to 4 dBm, and the maximum efficiency is 66.2%.The measured center frequency shifts a litter and the maximum efficiency is 47.5%.The rectifier is fabricated using a simple planar printed circuit board（PCB）technique,and is easy to be integrated.It can be used to collect ambient electromagnetic energy.

rectifier；conversion efficiency；adaptive；power range

TN 011

A

1007-2861（2016）04-0381-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.019

2015-01-04

国家自然科学基金资助项目（61271062）；上海市特种光纤与光接入网省部共建重点实验室开放课题（SKLSFO2013-03）

杨雪霞（1969—），女，教授，博士生导师，博士，研究方向为微带天线和微波输能. E-mail：xxyang@staff.shu.edu.cn