本文由聂之君、韩滔、孔笑荷、郭晗、周若臣、沈郁博、么鹏、孙铮、赵帅等作者共同完成，他们均来自航天科工防御技术研究试验中心。该研究于2025年2月发表在《太赫兹科学与电子信息学报》第23卷第2期上，题目为《基于半波长传输线的双频整流电路设计》。
随着物联网技术的快速发展，为物联网设备提供稳定且高效的能源供应成为了研究热点。传统的供电方式存在环境污染和资源浪费等问题，因此，研究人员开始关注可再生能源的利用，如振动、热能、太阳能和射频能量收集。其中，射频能量收集因其资源丰富、对天气条件依赖较小、工作时间长等优势，被认为在物联网领域具有巨大的应用潜力。然而，射频能量收集中的整流电路设计面临诸多挑战，尤其是由于肖特基二极管的非线性特性，整流电路的输入阻抗会随输入功率、负载值和工作频率的变化而变化，这增加了设计的复杂性。
本研究旨在设计一种低剖面、紧凑的双频整流电路，用于射频能量收集和微波功率传输等场景。与传统的整流电路不同，该设计未使用阻抗匹配网络，而是通过两条微带传输线实现双频特性，从而减小电路尺寸并降低额外损耗。
本研究的设计流程主要包括以下几个步骤：
拓扑结构设计
整流电路的拓扑结构主要分为串联型、并联型和倍压型三种。本研究选择了串联型拓扑结构，原因是其使用的集总元件较少，能够减少能量损耗，提高整流效率。设计中使用了两条微带传输线：第一条微带传输线连接肖特基二极管（HSMS-2850）与负载和滤波器；第二条微带传输线为半波长微带传输线，用于增加第二个频段。
肖特基二极管分析
肖特基二极管是整流电路的核心元件，其非线性特性对整流效率有重要影响。通过谐波平衡仿真模块对HSMS-2850进行阻抗特性分析，发现其输入阻抗随工作频率和输入功率的变化而变化。因此，选择合适的肖特基二极管参数（如反向击穿电压、零偏电容和串联电阻）对提高整流效率至关重要。
微带传输线设计
微带传输线的设计基于微波网络中的阻抗方程。第一条微带传输线（TL1）用于连接肖特基二极管与负载和滤波电容，通过合理设计其尺寸，在频率f1附近实现阻抗匹配。第二条微带传输线（TL2）为半波长微带传输线，用于在频率f2附近实现阻抗匹配。通过改变微带传输线的宽度，可以调整其阻抗特性，从而优化整流电路的性能。
整流电路性能分析
在输入功率为0 dBm的条件下，对整流电路的阻抗特性和整流效率进行了详细分析。结果表明，添加微带传输线TL1后，整流电路在3.5 GHz附近实现了较好的阻抗匹配，最大整流效率为69.5%。添加微带传输线TL2后，整流电路在1.5 GHz和3.5 GHz附近分别实现了14.2%和5.5%的相对带宽，最大整流效率分别为73.7%和69.5%。
整流电路制造与测试
通过软件优化，确定了整流电路的具体参数，并对其进行了弯曲处理以减小尺寸。最终，整流电路被加工制作在F4B介质基板上。测试结果表明，在输入功率为0 dBm时，整流电路在1.40~1.70 GHz和3.31~3.52 GHz的工作带宽内，最大整流效率分别为63.2%和62.5%，与仿真结果基本一致。
本研究的主要结果包括： - 提出了一种基于半波长微带传输线的双频整流电路，通过两条微带传输线实现了双频特性。 - 在输入功率为0 dBm时，整流电路在1.44~1.66 GHz和3.35~3.54 GHz的工作带宽内，最大整流效率分别为73.7%和69.5%。 - 通过弯曲设计，整流电路的整体尺寸减小至0.14λ0×0.11λ0，结构更加紧凑。 - 测试结果表明，整流电路在1.40~1.70 GHz和3.31~3.52 GHz的工作带宽内，最大整流效率分别为63.2%和62.5%。
本研究提出了一种低剖面、紧凑的双频整流电路，通过使用半波长微带传输线代替阻抗匹配网络，减小了电路尺寸并降低了额外损耗。该设计在低输入功率下表现出良好的整流效率，适用于射频能量收集和微波功率传输等场景。研究结果表明，该整流电路在1.5 GHz和3.5 GHz附近分别实现了较高的整流效率，具有较大的应用潜力。
本研究为射频能量收集和微波功率传输提供了一种高效、紧凑的整流电路设计方案，具有较高的科学价值和应用价值。未来的研究可以进一步优化整流电路的性能，探索其在更多应用场景中的潜力。