宽频带宽功率范围高效率的微波整流器设计

除了大创在研究的微波整流器，我也接触过射频电路其他模块，例如LNA、PA等等，都给我一种同样的感觉。是什么呢？没错，就是反复地进行阻抗匹配。

射频系统的性能好坏往往都与匹配网络息息相关，不同的匹配网络往往会赋予射频系统不同的性能优势。从工作频率上考虑，有单频点的窄带匹配，也有宽频率范围的宽带匹配；从模块功能上考虑，包括噪声匹配、最大增益匹配、最大功率匹配等等；从匹配网络的元件上考虑，有使用集总参数元件进行匹配（电感、电阻、电容），也有使用分布参数元件（传输线）进行匹配。

根据大创研究课题的要求，我们需要设计一个在一定频率范围内（宽频带）、在一定功率范围内（宽功率范围）保持较高整流效率的微波整流器。因此，从匹配网络的选择上，必须采用分布参数元件（传输线）进行设计，同时要兼顾频率变化、功率变化两者同时造成的负载阻抗变化导致快速地偏离匹配中心，匹配网络必须压缩这种变化。

1.电阻压缩网络（RCN）

一篇2007年的文献提出了应用于射频能量转换的电阻压缩网络[1]。电阻压缩网络的结构如图1，采用了虚部共轭的两个纯电抗元件与纯电阻并联(图1(a))或串联(图1(b))实现电阻压缩。

图1 文献[1]提出的两种电阻压缩网络

对于图1(a)电路的输入阻抗，由下式表达：

对于图1(b)电路的输入阻抗，由下式表达：

假设纯电阻负载R在Rmin到Rmax之间变化，定义负载压缩比为Rmax/Rmin；负载变化导致输入阻抗Zin在Zmin到Zmax之间变化，定义阻抗压缩比为Zmax/Zmin。根据上述两式，在不同的负载变化范围下，输入阻抗的变化范围可以很容易计算出：

图2 负载压缩比(左)与阻抗压缩比(右)

可见，当纯电阻负载在很大范围内变化时，电阻压缩网络可以将等效的输入阻抗压缩到很小的变化范围，从而降低匹配难度。但电阻压缩网络必须保证负载为纯电阻，因此往往需要在实际负载与电阻压缩网络之间增加纯电阻变换网络将复阻抗负载变换到纯电阻负载，如图3。那其实还不能从本质上解决问题，复阻抗负载仍然会快速地偏离匹配中心，无法在宽频带宽功率范围内稳定变换到纯电阻负载，导致电阻压缩网络的压缩效果往往不佳。

图3 电阻压缩网络的实际架构

因此，我们需要一个匹配网络能够直接对复阻抗进行压缩。

2.阻抗压缩网络（ICN）

阻抗压缩网络的研究是课题相关领域主流的方向之一，其架构多种多样、设计因子丰富，更为有意思的是，不同的文献，设计阻抗压缩网络的方法也是各有差异。

图4 文献[2]提出的宽带阻抗压缩网络(WICN)

文献[2]提出的宽带阻抗压缩网络如图4，由三段传输线构成。其中TL1与TL2进行初步的阻抗变换，将两个子整流器的输入阻抗变换到共轭，从而两个子整流器并联后的输入阻抗为纯电阻。

图5 TL31与TL32合并为TL3

TL31与TL32用于阻抗压缩，选用合适的传输线特性阻抗与电长度，文献中的实际情况是将两个子整流器输入阻抗虚部同号的部分变为异号从而抵消部分虚部阻抗，实现总输入阻抗的压缩。

图5 文献[3]提出的阻抗压缩网络(ICN)

文献[3]也同样采用两路并行的子整流器架构，设计了单支路传输线的阻抗压缩网络。

3.总结

说实话，这个课题的研究从本质上看就是基于传输线理论的阻抗匹配，底层原理很简单。但是，问题在于阻抗压缩网络的设计因子非常多、没有统一的设计方法、文献五花八门，对于目前的我来说纯靠摸瞎乱撞；但也代表课题的创新性很强、进行创新的空间很大。