关键词：射频/微波能量收集系统;整流电路
引言
无线功率传输(wirelesspowertransmission，WPT)技术借助于无线电波将能量从一个地方传输到另一个地方，从而解决目标物能量供应的关键问题。采用远场方式工作的射频/微波功率传输技术由于受空间、环境限制少，适用性广等优点，在无线传感器网络、可穿戴设备、医疗电子等领域的应用前景受到了广泛关注。射频/微波能量收集系统以可持续、环保等优点在无线传感器网络、可穿戴设备等领域具有广泛应用前景。
1整流电路研究进展
整流电路研究有器件研究和电路研究两大方向。器件研究主要是对新型半导体器件用于射频整流电路前景的研究;电路研究主要是采用电路设计方法进行整流电路性能提升。整流电路的研究方向主要是通过电路结构的改变来提高整流电路的性能。研究热点集中在降低整流管阈值电压、扩展输入信号幅度范围、提高功率转换效率和降低阻抗对信号敏感度几个方面，相应可归类为:微弱信号整流技术、宽输入功率范围信号整流技术、高效率整流技术和阻抗去敏感化技术。
1.1微弱信号整流技术
射频/微波能量收集系统的接收信号功率和信号传输路径及环境密切相关，在部分应用场合要求其应具有微弱信号处理能力，这种情况下要求整流电路能够处理微弱信号。限制整流电路处理微弱信号的能力源于整流管的阈值电压，当进入整流管的信号幅度很小时，输入信号功率绝大部分消耗于整流管，用于克服其阈值电压。因此降低整流管阈值电压是实现微弱信号整流的关键。微弱信号整流技术研究主要集中于CMOS工艺MOS管阈值电压降低技术。该技术适用于采用2个及以上三极管构成的整流电路，其整流信号功率多处于几十微瓦到几百微瓦量级。由于该级别信号幅度和MOS管阈值电压处于同一级别，因此提高整流电路灵敏度的有效途径是降低MOS管阈值电压。国内外科研工作者主要通过器件级技术和电路级技术来实现整流管阈值电压的降低。
1.2宽输入功率范围信号整流技术
整流电路的一个研究热点是输入信号范围拓展。由于射频/微波能量收集系统接收信号功率会由于多径衰落、位置变化等因素影响在较大范围内变化，这要求整流电路能够在较宽输入信号功率范围保持稳定的功率转换效率，满足能量收集的实际应用。
整流电路功率转换效率主要受限于整流管。反向击穿电压、功率转换效率和输入功率Pin之间呈现单凸点窄输入信号特性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在低输入信号(低于－5dBm)时，受限于整流管势垒，其功率转换效率较低;在高输入信号(高于0dBm)时，整流管反向击穿电压钳制其输出电压，导致其功率转换效率快速下降。整流管单凸点特性导致整流电路功率转换效率同样呈现单凸点窄带输入信号特性。因此扩展整流电路输入信号范围的有效途径是克服其反向击穿电压和电路灵敏度之间矛盾。
1.3高效率整流技术
整流电路功率转换效率主要取决于3个因素:整流管损耗、衬底/基板损耗和匹配电路损耗，其中整流管损耗远远高于后两部分损耗。因此，降低整流管损耗是高效率整流技术的研究重点。传统射频/微波整流电路采用单整流管方式实现，由于整流管为典型非线性元件，信号经过整流管，将产生一系列谐波信号，导致整流管两端电压和通过电流之间存在一定重叠区域，该重叠区域形成整流管损耗。主要通过减小电流电压重叠部分区域来提升整流电路功率转换效率。减少二者重叠区域的一个有效途径是采用谐波终止技术，其通过整流管的阴极端增加谐波终止网络来实现。谐波终止网络对谐波分量中奇次谐波呈现高阻特性，而对偶次谐波呈现零欧姆，从而实现不同谐波分量分离。电压奇次谐波分量将叠加形成矩形波形，有效降低了电压和电流混叠程度，从而降低整流电路的整流管损耗，提高了其功率转换效率。采用谐波终止技术可以实现C类、F类整流电路，提高其功率转换效率，其中F类整流电路在输入信号功率为5～25mW时，其功率转换效率高于60%，整流管损耗低于20%。
1.4阻抗去敏感化技术
阻抗去敏感化亦是整流电路研究中的热点方向，包括pn结阻抗去敏感化和负载阻抗敏感化消除。整流管pn结的等效参数与输入信号的幅度和频率密切相关，整流电路和前端天线只能在较窄范围内达到最优匹配，很难在整个信号范围达到良好匹配，降低整流电路输入阻抗对输入信号敏感度是整流电路设计的关键环节。
2发展趋势
射频/微波能量收集技术在无线传感器网络、可穿戴设备、自供电遥测系统等领域具有巨大发展潜能和应用前景，作为射频/微波能量收集系统的核心电路，整流电路成为该项技术发展和应用的关键。射频/微波信号整流电路今后的发展趋势依然主要集中于新型器件研究和电路自身性能发展。①新器件、新材料和新工艺在整流电路中的应用。虽然自旋二极管在微瓦级能量收集应用中极具潜力，然而，在实际能量收集应用中尚有很多难题亟待解决，如倾斜磁场对磁隧道结的影响、MgO势垒层形成的界面处各向异性对功率转换效率的影响等，这将会成为今后较长一段时间内研究的热点。同时，其他一些器件，如双隔离层MIM二极管和隧道二极管等应用于环境射频能量收集的研究也会因其良好的潜力成为研究热点。另外，随着无线信号工作频率的提高，如5G通信、毫米波雷达、太赫兹系统等，能量收集系统的整流电路工作频率也进入到毫米波波段，传统工艺整流管器件面临物理特性上的瓶颈，因此新材料或新工艺、新器件等在毫米波整流电路及能量收集系统中的应用研究将会成为研究热点。②整流电路性能提升，尤其宽工作频带及大动态范围输入信号情况下射频性能的提升。如前所述，整流管参数和输入信号幅度、频率密切相关，而射频/微波能量收集系统在实际工程应用中面临接收信号幅度或频率大范围波动的情况，这要求作为能量收集系统关键部分的整流电路的射频性能能够在实际工作中保持足够稳定。虽然已有自适应可重构技术、阻抗去敏感化等策略能够缓解信号频率和幅度对整流电路性能影响，但如何进一步拓宽输入信号频带和输入信号幅度范围并提升其整流性能依然是未来研究的重点和热点。③整流电路和天线的协同设计及集成研究。由于射频/微波能量收集技术依赖于天线进行能量收集，整流电路和天线的协同设计及集成将能够有效提高整个系统的总体性能，小型化、集成化成为射频/微波能量收集系统发展方向。同时，由于能量收集系统主要解决无线收发信机的能量供应问题，其和收发信机集成化是发展趋势，而能量收集系统和收发信机集成将涉及到天线工作状态、信号干扰等问题。针对射频/微波能量收集系统和收发信机集成研究是未来的研究重点。
结语
整流电路是射频/微波能量收集系统的核心电路，其性能直接决定了能量收集系统在无线传感器网络、可穿戴设备和自供电遥测系统等领域的应用。
参考文献:
［1］赵争鸣，王旭东．电磁能量收集技术现状及发展趋势［J］．电工技术学报，2015，30(13):1－11．
［2］张彪，刘长军，江婉，等．一种基于肖特基二极管的大功率微波整流电路［J］．电子学报，2013，41(9):1854－1857．
论文作者:肖志旺
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/27
标签：电路论文; 整流管论文; 信号论文; 能量论文; 射频论文; 功率论文; 微波论文; 《防护工程》2019年第7期论文;