【《某微波整流电路设计与仿真分析案例》3700字】

V某微波整流电路设计与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18031某微波整流电路设计与仿真分析案例 112951.1引言 1296261.2915MHz微波整流电路设计 178171.2.1电路拓扑及二极管选择 157251.2.2谐波抑制网络设计 5286841.2.3阻抗匹配 7250061.2.4版图仿真 1026021.35.8GHz原理图仿真 12引言ISM频段是由美国联邦通信委员会定义的工作频段，为多个国家的通信领域所使用。目前射频电路常用的工作频段主要有中心频点为915MHz的902–928MHz频段、中心频点为2.45GHz的2.420–2.4835GHz频段以及中心频点为5.8GHz的5.725–5.875GHz频段。本文将对915MHz频点的微波整流电路进行主要研究，并将5.8GHz频点的微波整流电路进行扩展研究，本章是对915MHz微波整流电路的设计、仿真和5.8GHz的原理图仿真。设计的指标为输入功率容量达到30dBm，效率达到50%以上。915MHz微波整流电路设计电路拓扑及二极管选择由第二章可知，微波整流电路拓扑主要包含二极管整流电路、谐波抑制网络和阻抗匹配三部分，其中二极管整流电路是整个拓扑的核心和关键，因此先对整流电路进行设计。常用的微波整流电路主要有串联、并联和倍压三种，根据理论分析，倍压整流电路的效率高于串联和并联整流电路，下面借助ADS仿真软件可以对这三种整流电路进行仿真试验。由2.1节可知，肖特基二极管的串联寄生电阻和零偏结电容是对整流效率影响最大的参数，因此要尽量选择Rs和Cj0较小的二极管；同时为了满足功率容量的要求，二极管的反向击穿电压Vbr要足够大。这里选择Avago公司的肖特基二极管进行仿真试验，该公司生产的整流二极管由于其开启电压低，整流效率高，受到很多相关研究者的青睐。下表列出了几个常用型号整流二极管的参数：表3.1常用肖特基二极管型号及参数型号VbrRsCj0HSMS280X75V30Ω1.6pFHSMS281X20V10Ω1.1pFHSMS282X15V6Ω0.7pFHSMS286X7V6Ω0.18pF由上表可知，HSMS282X系列肖特基二极管较高，和较小，符合设计的要求，下面采用该系列二极管的实际模型进行仿真试验。在ADS中分别搭建串联、并联和倍压整流电路拓扑，其中仿真频率为915MHz，负载为300Ω，如图3.1(a)、3.1(b)和3.1(c)。图中采用大功率S参数控件对15-32dBm范围内的输入功率进行扫描，通过负载端电流表和输出电压计算负载所得的功率并计算效率，以获得对应的输出效率曲线。(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3.1不同类型整流电路仿真仿真结果如图3.2所示，其中输入功率单位为dBm（分贝毫瓦），是射频电路中常用的功率单位，dBm与W的转换关系为：(3.1)图中三条曲线分别对应串联半波整流电路、并联半波整流电路和倍压整流电路。可以看出，串联整流电路效率在整个输入功率范围内都比较低，最高效率只有35%，达不到设计指标的要求；并联整流电路虽然在输入功率较低时效率很高，但当输入功率达到17dBm之后始终低于倍压整流电路，且在30dBm之后急剧下降，这是因为整流二极管已经被击穿，功率容量无法达到指标要求。因此，串联整流电路和并联整流电路的性能均无法达到设计要求，而倍压整流电路效率较高且功率容量较大，这里选择倍压整流电路来完成设计。图3.2整流电路仿真结果在选定整流电路拓扑之后，要对肖特基二极管的型号进行选择，采用表3.1中的四个不同系列二极管HSMS2802、HSMS2812、HSMS2822和HSMS2862搭建结构完全相同的倍压整流电路并给定同样的输入功率和频率，仿真得到输出功率曲线如图3.3所示图3.2整流电路仿真结果从图中可以看出在HSMS2802和HSMS2812虽然击穿电压较高，功率容量达到要求，但其效率明显低于HSMS2822，这是因为他们的Rs和Cj0比较大；而HSMS2862虽然在输入功率较低时效率很高，但是其在22dBm时已经击穿，达不到功率容量30dBm的要求，因此选择HSMS2822作为后续设计使用的整流二极管。谐波抑制网络设计二极管产生的高次谐波分量会导致整流管的损耗增大，输出电压纹波大，因此要在电路拓扑中加入谐波抑制网络，滤除基波以及高次谐波分量。本文中采用λ/4开路枝节进行谐波抑制，ADS中的LineCalc工具提供计算线长和线宽的功能，通过计算结果如表3.2所示，其中基波对应的频率为915MHz，二次谐波对应的频率为1830MHz，三次谐波对应的频率为2745MHz，四次谐波对应的频率为3660MHz。表3.2谐波抑制网络参数表线宽/mil线长/mil基波64.001918.90二次谐波64.06959.12三次谐波64.10638.87四次谐波64.15478.63根据915MHz射频电路对介质基片的要求，这里使用的板材是Rogers的RO4350B型号，一种适用于高频电路的板材，其耗散因子为0.0037，介电常数为3.66。按照表3.2中参数搭建仿真电路，源阻抗和负载阻抗均选定为传输线的特性阻抗50Ω，在图中MSub控件中就可以设置介质基板的参数，这些参数从板材的数据手册中可以得到，如图3.3所示。图3.3谐波抑制网络仿真电路图由于仿真电路拓扑中不含信号源，只需使用ADS中的S参数模型进行仿真，S参数又称为散射参数，可以反映系统传输信号和反射信号的能力。如图3.4所示二端口网络，S参数包含S11，S21，S22，S12四个参数，其中(3.2)表示端口2匹配时端口1到端口2的正向传输系数，能反映谐波功率从端口1向端口2的传输情况，通过观察S21参数的大小，就可以知道谐波抑制网络是否发挥作用，S21参数越小，则谐波抑制网络的效果越好。图3.4S参数示意图用S参数控件对频率进行扫描，扫描范围为500~4000MHz，仿真结果如图3.5所示。从图中标记点数据可以看出，其中各次谐波对应的S21都在-20dB以下，谐波抑制效果良好。图3.5谐波抑制网络仿真参数阻抗匹配为使微波信号能更加有效的从源传送到负载，减小反射，提高微波整流电路的稳定性，必须要在电路中插入阻抗匹配网络。由于915MHz微波整流电路频率较低，可以采用分立元件进行匹配，在进行阻抗匹配之前，必须求得电路的输入阻抗是多少。由于不同的负载阻抗也会影响整流电路的性能，因此需要先在30dBm的输入功率下对10~1000Ω范围内的负载进行扫描，找到效率最佳的负载点。如图3.6所示，在负载为300Ω处得到最高效率为76.5%，因此选择负载为300Ω处进行阻抗匹配。图3.6变负载效率曲线下面结合2.7节所述Smithchart与输入阻抗的映射关系，用ADS中的LSSP控件对频率进行扫描，对应的扫描范围为500~1500MHz，设置特性阻抗值为50Ω，求得电路在不同频点的的S11参数及电路在915MHz处输入阻抗。如图3.7所示。(a)(b)图3.7加入阻抗匹配环节前后915MHz处阻抗由图可知，915MHz处输入阻抗为66.2+j5.7Ω，而源阻抗为50Ω，因此需要将输入阻抗匹配到50Ω，这里采用先串联电容在并联电感的方法。上文的仿真使用的都是理想电容电感，与实际情况相差较大，这里将电容和电感均替换成数值近似的Murata的实际模型，得到最终的原理图仿真拓扑，如图3.8所示，其中阻抗匹配部分电容容值为6.2pF，电感感值为22nH，得到新的输入阻抗如图3.7(b)所示，十分接近50Ω。图3.8915MHz整流电路仿真拓扑至此915MHz倍压整流电路原理图仿真部分已经基本完成，通过仿真对效率和功率容量进行验证，输出电压和效率的波形分别如图3.9(a)和3.9(b)所示，3.9(a)中电压纹波在0.35V左右，在输出电压的5%以下，输出电压比较平稳；3.9(b)在输入功率为33dBm时效率峰值达到78.9%，比加入谐波抑制网络之前高了2.4%；在输入功率达到33dBm时，整流效率才开始急剧下降，二极管被击穿，因此功率容量也达到了30dBm，符合设计要求。(a)(b)图3.9输出电压和效率版图仿真由于上述仿真中元件的连接线均使用理想连接线，而实际实验中需要使用微带线来进行连接，且原理图仿真中没有考虑到微带线之间的电磁耦合等问题，因此与实际情况相差较大，需要利用ADS中的联合仿真功能对倍压整流电路进行进一步的验证。图3.10(a)为由原理图得到的版图电路。将版图电路放入原理图文件中，再连接电容电感和倍压二极管等元件，得到如图3.10(b)所示的仿真电路图。这里新加入了连接所用的微带线，需要重新进行阻抗匹配，得到的电容容值和电感感值分别为4.7pF和12nH。(a)(b)图3.9版图和原理图-版图仿真电路由图3.10(b)仿真所得的倍压整流电路效率波形如图3.11所示，输入功率为32dBm时，效率最高为76%，比原理图仿真下降了2.9%，电路工作状态良好。图3.10输出电压和效率5.8GHz原理图仿真5.8GHz微波整流电路拓扑结构与915MHz基本相同，但是随着频率的增加，电路能处理的微波功率往往会更小，同时效率也会有所降低，因此电路的设计复杂度也会随之上升。由于电路拓扑设计中采用了相同的设计方法和结构，这里不再对电路设计步骤进行一一介绍，只对与915MHz微波整流电路设计差别较大的部分进行详细描述。按照图3.1搭建频率为5.8GHz的三种微波整流电路拓扑，拓扑中仍选择性能较优的HSMS282X系列二极管，得到如图3.12所示的效率曲线。与915MHz的情况明显有所不同的是，这里倍压整流电路的效率不再是最高的，只有10%左右，反而是单管并联整流电路效率较高，可以达到65%。因此在5.8GHz微波整流电路拓扑中不再使用倍压整流电路，而是选择并联单管