[发明专利]一种评估射频整流电路综合性能的方法

权利要求书

1.一种评估射频整流电路综合性能的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

第一步，建立二极管整流效率的分析模型；

二极管等效电路中包括串联电阻R_s、非线性结电容C_j和非线性结电阻R_j；二极管V_d两端的电压表达为：

V_d＝-V_L+V_incos(ω₀t) (1)

其中，V_in和V_L分别定义为输入射频信号的电压幅度和负载电阻R_L两端的直流电压；ω₀表示角频率；t表示时间；

在二极管开启状态下，R_j两端的电压V_j定义为V_on，表示为：

其中，V_j0和V_j1分别表示二极管处于开启期间时直流电压和基频电压的幅值；表示结电容引起的相位延迟；

非线性结电容C_j随输入功率变化，其根据操作状态建模为：

其中，M表示二极管的等级系数；V_bi表示二极管的内建电压；C_j0表示零偏置结电容；V_off表示二极管关闭状态下两端的电压；

当二极管处于开启状态时，流过二极管的电流I_on写为：

其中，C_rms表示非线性结电容C_j在一个周期内的有效值；

通过将公式(1)和公式(2)代入公式(4)得到V_j0＝V_L，同时得到与C_rms，V_in与V_j1的关系：

通过基尔霍夫电压定律，将R_j上的有效直流电压通过V_L表示，同时，R_j上的有效直流电压也可通过在一个周期内V_off和V_on的有效值来计算；由此，得到：

其中，R_L表示负载电阻；θ_off表示二极管关闭的相位角；θ表示相位变量；

通过公式(6)得到V_off和V_j1的关系，此外，如果二极管于导通和关闭状态之间的临界点，则V_off和V_j1之间的关系还可由下式给出：

-V_j0+V_j1cosθ_off＝V_off (7)

通过公式(6)和公式(7)消去θ_off，则V_j1与V_off的关系如下：

其中，结电容引起的相位延迟可以通过得到；

R_s消耗的功率P_s可以计算为：

R_j上耗散的功率P_j可以计算为：

输出直流功率P_L可由P_L＝V_L²/R_L得到，则二极管的总输入射频功率P_rf和相应的转化效率η_d可以计算为：

P_rf＝P_s+P_j+P_L(11)

第二步，通过低功率模型预测整流效率分析模型中的关键参数V_off；

2.1)在使用低功率模型时，在低功率范围选择每1dBm作为一个计算点；

2.2)通过低功率模型计算所选输入功率的参数V_L和P_rf；将得到的V_L和P_rf代入第一步建立的二极管整流效率分析模型中，获得低功率范围内的V_off；

2.3)V_off和V_L这两个参数通过V_off＝p·V_L^q相关联，其中p和q表示拟合参数，该关系在很宽的功率范围内均有效，则可由步骤2.2)结果得到高功率范围的V_off；

第三步，根据二极管整流效率分析模型，计算二极管的输入阻抗；

二极管阻抗Z_d和P_rf之间的关系表示为：

其中，Z_{d_real}和Z_{d_imag}分别是Z_d的实部和虚部；

对于未封装二极管，二极管阻抗Z_ud通过R_s、R_j和C_j表示为：

对于封装二极管，二极管阻抗Z_d通过下式给出：

其中，L_p表示封装电感；C_p表示封装电容；Z_ud表示未封装二极管的阻抗；

将公式(15b)和公式(15c)代入公式(13)，取C_j为C_rms，则能够计算出R_j的有效值R_rms，Z_d通过公式(15a)得到；

第四步，根据计算的二极管阻抗和二端口网络的[S]，[T]和[Z]参数矩阵，计算整流电路的匹配效率；

二极管处的输入阻抗和反射系数分别定义为Z_l和Γ_l，因为低通滤波器的存在，Z_l等于Z_d，通过Γ_l＝(Z_d-Z₀)/(Z_d+Z₀)计算Γ_l，其中Z₀为微带线的特征阻抗；

为了计算匹配电路的损耗，首先根据传输线的衰减常数和相位常数计算传输矩阵[T]，然后通过将[T]变换为散射矩阵[S]，得到能评估阻抗带宽的反射系数Γ_in：

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂是匹配网络的散射参数；

为了计算匹配损耗，将传输矩阵[T]转换为阻抗矩阵[Z]，则反映注入二极管的总功率比例的匹配效率η_m表达为：

其中，P_in表示射频整流电路的输入功率；Z₁₁、Z₁₂、Z₂₁和Z₂₂是矩阵[Z]中的参数；Z_{in_real}和Z_{in_imag}分别是Z_in的实部和虚部；Z_in表示射频整流电路的输入阻抗，通过Γ_in＝(Z_in-Z₀)/(Z_in+Z₀)求得；

射频整流电路的匹配损耗主要来自回波损耗和插入损耗，而二极管损耗由整流过程中R_s和R_j上的损耗引起；则最终考虑匹配效率和二极管转化效率的射频整流电路的总效率η_to可由下式给出：

η_to＝η_m·η_d (18)。