用于能量收集应用的10GHz紧凑型并联二极管整流电路

### 用于能量收集应用的10 GHz紧凑型并联二极管整流电路 #### 1. 引言 无线能量传输作为传统建筑内电源的替代方案，其应用正在大幅增加。高效整流天线作为将射频（RF）功率转换为直流（DC）功率的关键组件，其发展也极为迅速。早期的设计在高频（10 GHz及以下）、高输入功率（大于0 dBm）的情况下表现最佳。例如，Zbitou等人构建的混合微波敏感整流天线，在20 dBm的输入功率下效率可达65%；Falkenstein等人设计的整流天线，在功率密度为200 μW/cm²或输入功率为9.54 dBm（假设整流天线几何面积为45 cm²）时，效率为54%；Feifei Tan等人创建的整流器，在10 GHz、87 mW（19.4 dBm）的输入功率下，测量的转换效率为72%，长度为10 cm。 肖特基势垒二极管（SBD）是各种电子应用中的主要组件，广泛用于微波光电探测器、晶体管、太阳能电池、气体传感器、激光器、发光二极管（LED）和纳米发电机等半导体器件。此前有研究构建了Au肖特基二极管，并研究了其电气特性；也有设计了150 nm厚度的（AZO）薄膜，并比较了其与Au结构的温度相关电阻率和电气行为。然而，以往不同文献虽有制造薄膜肖特基二极管（TFSD），但未构建完整电路。 本文的主要目的是比较TFSD和商用二极管在整流天线电路中的性能。为了进行公平比较，两种二极管都置于相同的基板上，采用相同的布局和传输线结构，以排除传输线的影响。本文构建了一个用于无线电力传输的10 GHz整流电路，采用了两种不同的肖特基二极管实现方式：商用SMS - 7630和使用纳米颗粒墨水AZO p型半导体、铜带基板和银电极实现的薄膜肖特基二极管。 #### 2. 使用商用肖特基二极管的并联射频整流电路架构 整流电路选择了单并联二极管拓扑。通过基于谐波平衡仿真和优化目标的非线性优化技术，在给定输入功率下优化整流电路的RF - DC转换效率，优化目标是最大化Vdc输出电压以提高转换效率。 基本整流器模块设计包含三个主要部分： - 阻抗匹配：实现天线与二极管之间的最佳功率传输。 - DC通滤波器。 - DC负载。 整流器件选用SMS - 7630低势垒肖特基二极管，其结电位为0.34 V，击穿电压为2 V，较低的结电位使其在低功率操作中表现高效。由于整流器是非线性器件，其输入阻抗是输入功率、负载和频率的函数，因此需要研究整流电路的非线性阻抗来创建匹配网络。 阻抗匹配网络（IMN）有两种创建方法：使用集总LC组件或微带线。但集总组件在频率超过1 GHz时会产生损耗，导致匹配网络的插入损耗显著增加，降低整流器的整体效率。因此，采用基于传输线的IMN来避免这些损耗。IMN分为两部分： - 基于传输线的阻抗变压器（TL1 ∼1/8 λ0，λ0为10 GHz时的波长），用于在所需频段内将实际输入阻抗匹配到50欧姆。 - 蝴蝶形短截线，用于匹配虚输入阻抗，同时减小整流器的尺寸。 整个网络在ADS中进行优化，以在不同功率水平下匹配整流器。整流电路构建在Rogers（RO4003c）基板上，其相对介电常数为3.38，厚度为0.81 mm，tan σ为0.0026。具体几何尺寸如下表所示： |几何参数 (mm)|数值| | ---- | ---- | |L1|4| |W1|0.8| |L2|1| |W2|3| |L3|4| |W3|2.2| |L4|2| |W4|2.2| |L5|1| |W5|0.5| |L6|1| |W6|1.5| |L7|3| |W7|1| |L8|1.55| |W7|2.2| 使用VNA（ROHDE&SCHWARZ ZVA6）测量回波损耗，测量数据与模拟的|S11|结果显示，该电路在10 GHz处匹配良好，模拟的最小|S11|为 - 14 dB。模拟与测量结果之间的差异是由PCB和肖特基二极管在高频下的寄生参数引起的，这些参数会导致更高的寄生阻抗和误差。 #### 3. Ag/AZO/Cu薄膜肖特基二极管 AZO肖特基二