寬頻帶寬功率范圍高效率的微波整流器設(shè)計(jì)

除了大創(chuàng)在研究的微波整流器，我也接觸過射頻電路其他模塊，例如LNA、PA等等，都給我一種同樣的感覺。是什么呢？沒錯(cuò)，就是反復(fù)地進(jìn)行阻抗匹配。

射頻系統(tǒng)的性能好壞往往都與匹配網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)，不同的匹配網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)賦予射頻系統(tǒng)不同的性能優(yōu)勢(shì)。從工作頻率上考慮，有單頻點(diǎn)的窄帶匹配，也有寬頻率范圍的寬帶匹配；從模塊功能上考慮，包括噪聲匹配、最大增益匹配、最大功率匹配等等；從匹配網(wǎng)絡(luò)的元件上考慮，有使用集總參數(shù)元件進(jìn)行匹配（電感、電阻、電容），也有使用分布參數(shù)元件（傳輸線）進(jìn)行匹配。

根據(jù)大創(chuàng)研究課題的要求，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)在一定頻率范圍內(nèi)（寬頻帶）、在一定功率范圍內(nèi)（寬功率范圍）保持較高整流效率的微波整流器。因此，從匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇上，必須采用分布參數(shù)元件（傳輸線）進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要兼顧頻率變化、功率變化兩者同時(shí)造成的負(fù)載阻抗變化導(dǎo)致快速地偏離匹配中心，匹配網(wǎng)絡(luò)必須壓縮這種變化。

1.電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)（RCN）

一篇2007年的文獻(xiàn)提出了應(yīng)用于射頻能量轉(zhuǎn)換的電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)[1]。電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1，采用了虛部共軛的兩個(gè)純電抗元件與純電阻并聯(lián)(圖1(a))或串聯(lián)(圖1(b))實(shí)現(xiàn)電阻壓縮。

圖1 文獻(xiàn)[1]提出的兩種電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于圖1(a)電路的輸入阻抗，由下式表達(dá)：

對(duì)于圖1(b)電路的輸入阻抗，由下式表達(dá)：

假設(shè)純電阻負(fù)載R在Rmin到Rmax之間變化，定義負(fù)載壓縮比為Rmax/Rmin；負(fù)載變化導(dǎo)致輸入阻抗Zin在Zmin到Zmax之間變化，定義阻抗壓縮比為Zmax/Zmin。根據(jù)上述兩式，在不同的負(fù)載變化范圍下，輸入阻抗的變化范圍可以很容易計(jì)算出：

圖2 負(fù)載壓縮比(左)與阻抗壓縮比(右)

可見，當(dāng)純電阻負(fù)載在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)可以將等效的輸入阻抗壓縮到很小的變化范圍，從而降低匹配難度。但電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)必須保證負(fù)載為純電阻，因此往往需要在實(shí)際負(fù)載與電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)之間增加純電阻變換網(wǎng)絡(luò)將復(fù)阻抗負(fù)載變換到純電阻負(fù)載，如圖3。那其實(shí)還不能從本質(zhì)上解決問題，復(fù)阻抗負(fù)載仍然會(huì)快速地偏離匹配中心，無法在寬頻帶寬功率范圍內(nèi)穩(wěn)定變換到純電阻負(fù)載，導(dǎo)致電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)的壓縮效果往往不佳。

圖3 電阻壓縮網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際架構(gòu)

因此，我們需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)能夠直接對(duì)復(fù)阻抗進(jìn)行壓縮。

2.阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)（ICN）

阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的研究是課題相關(guān)領(lǐng)域主流的方向之一，其架構(gòu)多種多樣、設(shè)計(jì)因子豐富，更為有意思的是，不同的文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的方法也是各有差異。

圖4 文獻(xiàn)[2]提出的寬帶阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)(WICN)

文獻(xiàn)[2]提出的寬帶阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)如圖4，由三段傳輸線構(gòu)成。其中TL1與TL2進(jìn)行初步的阻抗變換，將兩個(gè)子整流器的輸入阻抗變換到共軛，從而兩個(gè)子整流器并聯(lián)后的輸入阻抗為純電阻。

圖5 TL31與TL32合并為TL3

TL31與TL32用于阻抗壓縮，選用合適的傳輸線特性阻抗與電長(zhǎng)度，文獻(xiàn)中的實(shí)際情況是將兩個(gè)子整流器輸入阻抗虛部同號(hào)的部分變?yōu)楫愄?hào)從而抵消部分虛部阻抗，實(shí)現(xiàn)總輸入阻抗的壓縮。

圖5 文獻(xiàn)[3]提出的阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)(ICN)

文獻(xiàn)[3]也同樣采用兩路并行的子整流器架構(gòu)，設(shè)計(jì)了單支路傳輸線的阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)。

3.總結(jié)

說實(shí)話，這個(gè)課題的研究從本質(zhì)上看就是基于傳輸線理論的阻抗匹配，底層原理很簡(jiǎn)單。但是，問題在于阻抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)因子非常多、沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)五花八門，對(duì)于目前的我來說純靠摸瞎亂撞；但也代表課題的創(chuàng)新性很強(qiáng)、進(jìn)行創(chuàng)新的空間很大。