【《微波整流电路的基本原理综述》3500字】

微波整流电路的基本原理综述目录TOC\o"1-3"\h\u26815微波整流电路的基本原理综述 -1-294301.1引言 -1-196471.2微波整流二极管及整流电路拓扑 -1-183131.3传输线理论 -5-108531.3.1传输线基本理论 -5-12981.3.2传输线理论在微波整流电路中的应用 -7-134341.4史密斯圆图 -8-195601.5阻抗匹配理论 -9-引言微波整流电路是MWPT系统中负责将接收天线接受到的信号转换成直流信号的部分，其中最关键的部分是二极管整流电路，其次为了使输出电压更加平稳，需要在电路拓扑中加入谐波抑制网络，此外为了使电路拓扑能与MWPT系统的其他部分适配，提高系统效率，还需要进行阻抗匹配。因此整个微波整流电路拓扑结构如图2.1所示，其中微波信号源为输入端，为微波整流电路提供射频信号，代替MWPT系统中微波接收天线的作用，整流电路主要包括二极管整流电路、阻抗匹配电路和谐波抑制网络三个部分，本章将对该拓扑中涉及的基本理论知识进行介绍。图2.1MWPT系统示意图微波整流二极管及整流电路拓扑肖特基势垒二极管在微波整流电路发展中占据非常重要的一席之地，这种二极管目前发展已经比较成熟，性能优于普通二极管，制造成本也不高。不同于普通二极管，肖特基势垒二极管依靠多数载流子进行电流的运输，这使得它的正向导通压降低于普通二极管、反向恢复时间也比普通二极管要短，这种特性在射频电路中非常实用。图2.2为肖特基势垒二极管的等效电路模型，其中代表封装电感、表示封装电容；表示串联寄生电阻，和分别代表结电阻和结电容。图2.2肖特基势垒二极管等效模型为了更好地选择肖特基二极管，必须知道整流二极管的微波-直流转化效率与什么参数有关，以前这些参数如何影响二极管整流效率。式2.1给出肖特基二极管的效率计算方法：(2.1)式中A、B、C三项均可由二极管固有参数计算得到，如式2.2-2.3所示：(2.2)(2.3)(2.4)式中为二极管的输出电压，为负载阻抗，是二极管的前置电压，为二极管导通角。其中二极管的结电容与零偏结电容有关，可以表示为：(2.5)导通角θon可以表示为：(2.6)由此可知，主要影响整流效率的两个参数是和，这两个参数越小，则式2.1中整流效率越高，而和都是可以通过二极管的数据手册得到的。除了效率以外，二极管的击穿电压也是需要考虑的重要因素，因为它限制了整流电路的输入功率容量。除了整流二极管对效率的影响以外，整流电路的拓扑结构也是影响微波整流效率的重要因素。常用的微波整流电路拓扑主要包括串联整流电路、并联整流电路和倍压整流电路，其拓扑结构如图2.3所示。(a)串联半波整流电路(b)并联半波整流电路(c)倍压整流电路图2.3整流电路拓扑结构其中若忽略谐波的影响，串联整流电路和并联整流电路由于只有输入信号的正半周和负半周其中一个能够有效输出，理论上均只能实现50%的整流效率，而倍压整流电路的理论效率较高，因此将优先选用倍压整流电路进行设计。这里对倍压整流电路的工作原理进行简要分析：假设二极管均为理想状态，输入信号的峰值电压为VRF，在信号的负半周，如图2.4(a)所示，D1导通，D2截止，输入信号给C1充电直至C1电压达到VRF；而在正半周期，如图2.4(a)所示，D2导通，D1截止，输入信号给C2充电，由于此时电容C1上电压为VRF，因此C2将充电至2VRF，实现对负载的二倍压供电，获得较高的整流效率。(a)负半周期工作原理(b)正半周期工作原理图2.4倍压整流电路工作原理虽然理论上倍压整流电路的效率要高于串联和并联半波整流电路，但是上述分析没有考虑二极管损耗的问题。倍压整流电路由于有两个二极管，所产生的损耗也要远远高于单管整流电路，而对于射频电路来说，二极管造成的损耗是非常大的，因此后续还要结合输入信号的频率和二极管模型，利用仿真软件进行分析和验证。传输线理论传输线基本理论传输线是能够输送电磁能的结构设备，生活中常见的传输线有很多，音响线、音频屏蔽线等等都属于传输线的范畴。但是在不同的频率范围内，传输线的分析方法也是不同的，以信号波长的1/10为界限，当电路尺寸、器件尺寸这个数值时，电路为集总参数电路，可以运用常见的基尔霍夫电流、电压定律进行分析。而当尺寸大于信号波长的1/10时，就不能忽略电路的分布参数对电路性能的影响，由此可以推导出电路的下限频率[10]，在超过这个频率的范围内则必须使用分布式参数进行分析：(2.7)其中l是电路、器件的尺寸，vp是电磁信号的相速度，其大小由光速c、介电常数εr和磁导率μr决定。此时可以将传输线细分为无数个小的线元，每一个线元可以等效为如图2.5所示的电路，在这个小的线元中，基尔霍夫电路定律是可用的。图2.5传输线等效电路为了更方便地进行谐波抑制和阻抗匹配网络设计，必须对传输线的输入阻抗有所了解，下面将结合等效电路推导传输线的输入阻抗。图2.5中由KVL可得：(2.8)式2.8可以表示为导数形式：(2.9)由KCL，同样可以得到：(2.10)化成导数形式：(2.11)对一阶微分方程2.9和2.11进行联立求解，可以得到两个指数函数如下：(2.12)(2.13)其中k与传输线类型有关，可以表示为：(2.14)在计算输入阻抗之前，这里需要先引入特性阻抗Z0的定义，特性阻抗虽然不会因为电压和电流的变化而变化，但是通过它可以将电压和电流联系起来，具有非常重要的作用。特性阻抗定义为：(2.14)结合式2.9和式2.12、2.13可得：(2.15)式2.8-2.15均为对传输线上某一线元的描述，下面将结合一定长度的传输线分析输入阻抗的求解方法。如图2.6所示的一端接有负载的传输线，建立一个以负载处为原点的反向坐标系，并引入反射系数，即反射与入射电压的比值：(2.16)图2.6一端接负载的传输线示意图在距离负载为d处，输入阻抗可以表示如下式2.17，其中β代表衰减系数，可以用频率和相速度或波长表示，或。则在该处输入阻抗可以表示为：(2.17)将式2.16带入式2.17可得(2.18)传输线理论在微波整流电路中的应用由2.1节可知，微波整流电路拓扑中除了二极管整流电路，还需要通过谐波抑制网络滤除影响输出电压的基波和高次谐波，而这里的谐波抑制网络，就需要通过传输线理论进行设计。微波集成电路中的传输线一般采用微带线，其结构如图2.7所示，它由介质基片、导体带和接地金属平板构成，能有效地传输射频信号。通过控制导体带的宽度和长度，就可以改变微带线的特性，因此用微带线来设计射频电路十分方便。图2.7微带线结构图射频电路的谐波抑制网络一般采用λ/4开路枝节进行设计，对于开路枝节，其负载趋于无穷大，则式2.18可以化简为式2.19。而此时，d的值为λ/4，代入式2.19可以发现Zin趋于零，即对相应次数的谐波短路，可以起到滤除该次谐波的作用。(2.19)在微波整流电路中，影响效率的主要是基波、二次、三次以及四次谐波，假设输入信号频率为f，则只需要在电路中加入分别对应频率为f，2f，3f，4f的谐波抑制枝节，就可以滤除谐波。史密斯圆图史密斯圆图(Smith,chart)是一种用于传输线问题求解的图表工具。由美国的PhillipSmith发明，1939年，他把输入阻抗进行归一化处理之后，在反射系数平面上画成一套等值圆，用来求解传输线问题。史密斯圆图有阻抗圆Z-Smith和导纳圆Y-Smith两种，其本质是一样的，只是阻抗圆中用电阻R和电抗X表示，导纳圆中用电导G和电纳B表示，如图2.8所示。Smithchart的横轴为纯电阻（导）线，线上的每一点对应的都是纯电阻（导），Z-Smith圆图阻抗零点为横轴左端点处,代表阻抗短路点，圆图中心Z=1，代表匹配点，而Y-Smith恰好相反，横轴右端点为开路点。此外，Z-Smith圆图的上半圆代表感性，下半圆代表容抗，Y-Smith也与之相反。(a)Z-Smith圆图(b)Y-Smith圆图图2.8两种史密斯圆图借助史密斯圆图，可以更快速地求得传输线的输入阻抗，因为他们都与反射系数有所关联。史密斯圆图的基本原理在于上式2.16，这里将它进行归一化处理，分式上下同时除以，式中是归一化的负载值，。(2.19)这里Z0是特性阻抗，一般为50欧姆，因此反射系数Γ与Zin就是一一对应的关系，结合式2.17，就能得到所需要的的传输线输入阻抗了。而反射系数Γ，即S参数中的S11，可以通过ADS仿真软件直接获取，同时软件中会直接将反射系数平面映射到输入阻抗Zin平面，下面将给出其映射关系。由于阻抗一般为复数形式，这里将反射系数也改成由复数表示的形式：(2.19)这样Zin也可以用改成复数表达形式，为了和上文的归一化处理相配合，这里在等式的两边也直接同时除以Z0：(2.19)对上式进行化简，可以得到:(2.19)ADS仿真软件中会直接给出zin的值，只需要将其直接乘以特性阻抗Z0,就能直接得到传输线的输入阻抗，这为阻抗匹配电路的设计带来了极大的方便。阻抗匹配理论阻抗匹配技术可以减小传输线中信号的反射，使从源到负载的功率传输最大，在射频电路中具有举足轻重的地位。阻抗匹配网络一般为无源网络，设置在源和负载之间，目标为使负载阻抗和源阻抗形成共轭关系。阻抗匹配的方法主要分为两种，一种是通过分立元件，