肖特基二极管整流的计算与测量
第19卷 第11期
2007年11月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.19,No.11 Nov.,2007 文章编号: 100124322(2007)1121887204
肖特基二极管整流的计算与测量
黄建仁, 王秩雄, 陈绳乾, 王 挺
(空军工程大学电讯工程学院,西安710077)3
摘 要: 提出了改进型的肖特基二极管整流数理模型,用加速迭代法和四阶精度龙格2库塔法编制了计
算程序,并结合实验测量得到了整流效率与输入功率、频率和负载等关系曲线:负载一定时,增大,整流效率先快速上升,然后上升趋势变缓;,,,
对于某一固定的输入功率,存在着一个最佳负载值;,,整流效率上
升。型号为2DV10B的X2GHz时获得的整流效率
为75.2%;频率为10,。
关键词: ;; 微波输电; 无线输电; 太阳能电站
中图分类号:文献标识码: A
微波二极管的整流效率是微波输电系统的关键因素。由于二极管整流的非线性,过分简化的近似不足以描绘整流的真实特性。到目前为止,已经提出了多种可能的整流电路模型,如桥式和半桥式整流电路等,但是单个二极管并联被证明是最实用、最经济的方式[1]。为了能够准确估算整流系统的能量转换效率,建立了大量的计算模型。在国外,对微波输电及整流效率进行了广泛的研究,并且在理论上和实验上都取得了丰硕的成果[226]。而国内也同样重视,空军工程大学电讯工程学院首先研制出卫星太阳能电站演示系统[7],正在研制的回旋波整流器已达到2W的输出功率;中国科学院电工研究所研究了微带贴片接收整流天线[8];上海大学研究了管道探测机器人的微波输能,电子科技大学、浙江大学、东南大学等都有从事这方面的研究工作。 本文分析了Y.Taewhan建立的微波二极管整流模型[5],做了相应的改进。肖特基二极管在很小的正向电压下就可以产生较大的电流[9],也就是说“导通”的概念是模糊的。如果肖特基结的内建电位差是0.3V,那么外加正向电压小于此电压时都算做截止状态,这显然不符合微波二极管的实际情况,因此不能简单地区分为导通与截止。在此分析基础上本文提出了改进型的肖特基二极管整流数理模型,并结合了实验工作。1 肖特基二极管整流电路模型
微波整流天线结构示意图如图1所示,其中肖特基二极管整流电路在矩形波导管中的完整电路模型如图2所示,其中Cj为结电容,Rs为串联电阻,C为隔直电容,L为扼流电感。封装所引入寄生参数基本上是电抗性的。此封装寄生电抗可以通过电路的电抗匹配技术及改进形式予以克服,因此在其等效模型中可以将这两个参数忽略。虚线框内为肖特基二极管简化模型[324]
。
Fig.1 BlockdiagramofrectennasystemFig.2 EquivalentcircuitofSchottkybarrierdiode
andparasiticelements图1
整流系统框图
图2 肖特基二极整流管座完整模型
2 数学模型分析
基于Y.Taewhan建立的模型[5],其中同时间假定V和Vd的表达式不符合实际的情况,当给定了V时,Vd3收稿日期:2007203226; 修订日期:2007209221基金项目:国家自然科学基金资助课题(60471033)
),男,福建莆田人,硕士研究生,研究方向为无线输电和微波器件;[email protected]。作者简介:黄建仁(1983—
强激光与粒子束第19卷
可以通过V求得,反之也成立。此数学模型不涉及导通角的问题,二极管两端的电压表达式为:V=-V0+
θ,其中θ=ωt,与Y.Taewhan模型的一样,除此以外,不涉及其它的假设条件。整理后的数学模型为V1cos
θV=-V0+V1cos
I=Is(eVd/VTθ)-1)+ωCj(dVd/d
Rl(1)V=IRs+Vdπ2θ=-VVd0dπ20
Cj=-Vd/VB
整理后得到θ=[Is(e-V0+V1cos
π2Vd/VT-1)+VVBR0π2θ-V0(VddRl(2)
式中:n为理想因子,1;;e;VT=nkT/e;Vd为结两端电压;Is为反向饱和电流;Rs;B;Cj0为零偏置结电容。式(2)的两个方程中,V1已知,Vd,V0皆为所求。第一个方程为关于Vd的一阶微分方程,有初值条件方可求解,但只要时间足够长,系统稳定后求解与初值无关,初值的不同只关系到解收敛的快慢。假定t=0时,初值为零。如果用龙格2库塔法解此方程,应先求出V0,但是V0的求解过程又要用到Vd,这样,式(2)的两个表达式互相依赖,问题似乎得不到解决。但是从第二个方程可以看出,Vd=-V0(1+Rs/Rl)本身就满足方程,这样可以认为V0的解具有V0=-VRl/(Rl+Rs)的形式,因此可以先假设V0=-V1Rl/(Rl+Rs),然后从第一个方程中解出V
d,再从第二个方程中求解出一个新的V0,比较两个V0,如果满足所设定的精度条件,那么退出迭代过程,否则不断进行迭代,直到求出满足精度条件的解,这一点也是本文比Y.Taewhan数学模型改进的地方。负载所获得的功率
PRl=V0/Rl2(3)
损耗功率Ploss=PVd+PRs,其中PVd为肖特基结的损耗,PRs为串联电阻的损耗,波导管壁的功率损耗忽略不
计。则微波2直流电的转换效率
η=PRl/(PRl+Ploss)(4)
3 结果与分析
实验测量装置如图3所示,主要包括固
态微波源(或XB7标准信号发生器)、GX2B
型薄膜热电偶式小功率计、X(或S)波段的整
流管座等。实验中对多种型号的微波二极管
的伏安特性进行了测量,经过筛选,发现
2DV10B和2DV21A的特性要好,因此,整
流实验主要围绕这两种二极管进行。通过测
量数据得到,2DV10B的参数为Is≈2.7μA,
Rs≈14.4Ω,VB≈0.25V。Fig.3 Photographofexperimentalsetup
肖特基二极管的整流效率除了本身参数
3.1 负载一定时,整流效率与输入功率关系图3 实验测量装置的影响外,还与负载、工作频段、输入功率有着密切的联系,所以实验主要围绕这几个方面展开。
若负载Rl=500Ω,整流效率与输入功率的关系如图4所示。所取参数为:n=1,Cj0=0.16pF,Is=1μA,Rs=6Ω,VB=0.38V,反向击穿电压Vbr=15V。由图可见,测量结果的变化趋势与理论计算一致,但是测量结果要明显小于理论计算结果,这是由于理论计算采取的参数是从手册上查到的,不一定是二极管的实际参数,同时理论计算忽略了与肖特基二极管整流过程无关的损耗,包括波导系统腔壁损耗、半导体封装损耗等。1888
第11期黄建仁等:肖特基二极管整流的计算与测量
3.2 频率一定时,整流效率与输入功率的关系
实际的整流天线对天线的尺寸要求较高,虽然提高
工作频段可以大大减小天线的尺寸,但是整流效率也因
此受到影响[6],图4示出了分别工作在3.2和10.0GHz
时,整流效率与输入功率的关系。显然,同样的微波二极
管,高频段工作时整流效率降低。因为微波二极管对损
耗影响较大的因子是ωCj0,ωCj0越大,流经串联电阻的电
流就越大,所以损耗就越大。同一个频段的二极管Cj0基
本相同,工作频率上升则损耗增加,因而整流效率下降。
另外,如果输入功率过小,波导系统可能没有反映,因而
实测中输入功率不是从零开始的,所以测量曲线无法明 vsinputpower显看到功率快速上升的部分。图43.3 输入功率一定时, 进行理论计算之前,,。因此,当输入功率不变时,。这样,对应任何一个输入功率都有一个最佳负载,这对5mW,频率为10GHz时,整流效率与负载关系的理论计算值如图5(a)所示,与估算一致。当输入功率10mW时,型号为2DV10B的二极管在3.2和10.0GHz时,整流效率与负载的关系测量结果如图5(b)所示。综合这两个图可以看出,实验结果与理论计算相吻合
。
Fig.5 Rectificationefficiencyvsresistance
图5 整流效率与负载关系
4 结 论
通过理论分析和实验验证,改进后的肖特基二极管整流模型符合实际工作情况,得到的整流效率与输入功率、频率以及负载之间的关系为:负载一定时,输入功率从零开始增大,整流效率先快速上升,然后上升趋势变缓;输入功率一定时,负载从零开始增大,整流效率先增大后减小,对于某一固定的输入功率,存在着一个最佳负载值;当输入功率和负载都相同时,降低工作频率,整流效率上升。
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TheoreticalandexperimentalanalysisofSchottkybarrierrectification
HUANGJian2ren, WANGZhi2xiong, qian,(TelecommunicationEngineeringI,Ai,i’an710077,China)
Abstract: Thisdiodemodel,developsacomputationalprograminwhichtheRung2Kuttamethodwiththeiterativemethodareused,andobtainsthegraphicsoftheconversionefficiency.Withthesameload,astheinputpowerincreasesfromzero,theconversionefficiencyincreasesfastatthelowerinputpowerlev2el,andthediodecanworkatahighconversionefficiencyoverabroadpowerrange.Withthesameinputpower,astheresistanceincreasesfromzero,theconversionefficiencyincreasestothemaximumbeforedecreasing,andeachinputpowerlevelcorrespondstooneoptimumresistance.Forthesameinputpowerandload,thediodeconversionefficiencyincreasesbydecreasingtheoperat2ingfrequency.AmicrowavetoDCconversionefficiencyof75.2%wasachievedusingthe2DV10BX2bandSchottkybarrierdiodeat3.2GHzandthatof50.2%wasachievedat10.0GHz.Thetheoreticalanalysisshowsthatthetheoreticalresultsagreewellwiththeexperimentalresults.
Keywords: Schottkybarrierdiode; Rectenna; Microwavepowertransmission; Wirelesspowertransmission; Solarpowersatellites
1890