共面波导直流滤波器设计

用于低功率水平共面波导整流天线的基于陷波滤波器叠加的直流通过滤波器设计

1. 引言

随着物联网 [1] 的发展，能量收集最近备受关注。能量可以从不同的来源获取，例如太阳、风、振动和电磁波。此外，由于环境中无线数据传输的增加，电磁能量可被视为一种能源。这种能量可以被收集并用于为小型设备（如传感器 [2]）供电。这一过程通过整流天线（图1.a）实现。其中一个挑战在于其构思的可重复性，特别是连接表面贴装元件（SMC）与地所需的过孔的可重复性。为了提高可重复性，整流天线实现应具备鲁棒性。这一点非常重要，因为可用的电磁能量通常处于低电平功率，能量收集往往需要复杂的整流天线或多个整流天线。因此，使用天线阵列或整流天线阵列以提供更高电压，从而为储能单元或设备本身供电。第一种方案在处理简单结构和单频天线时较为方便。但当天线复杂度和频率数量增加时，必须应对相位偏移和复杂的阻抗匹配电路问题。第二种方案即整流天线阵列，通过合并多个整流天线的直流电压来避免这些问题。然而，该方法在微带技术中需要大量过孔，可能导致整流天线的性能偏移 [3]。

本研究致力于第二种可能性。为了降低频率偏移或性能下降的风险，我们避免使用过孔。为此，采用共面波导（CPW）（图1.b）代替微带线。由于接地平面和导电线路均蚀刻在同一平面上，因此不再需要在基板上进行钻孔。本文的重点是针对共面波导整流天线，设计和构思一种易于构建、紧凑型且单平面的直流通过滤波器。

和共面波导结构(b))

首先，对两个分立元件陷波滤波器进行仿真，并在安捷伦ADS软件中使用Momentum设计和调谐其在共面波导技术中的等效电路。然后，通过叠加这两个陷波滤波器实现直流通过滤波器。

2. 直流通过滤波器设计

为了提高整流效率，必须确保向负载提供适当的直流电压。这可以通过在二极管的整流过程之后使用并联电容作为直流通过滤波器来实现。在文献中，共面波导中并联电容的等效模型可以用接地平面中的开路端共面并联支节来建模 [4]。然而，该方案无法应用于我们的整流天线构思中，因为它需要使用空气桥以确保地电位的一致性。实际上，当共面波导电路中刻蚀出不连续性时，应考虑寄生耦合缝隙线模式的传播。

对其他滤波器的研究引出了以下结构：用串联电感或谐振结构代替众所周知的并联电容，可作为直流通过滤波器。

在此工作之后，我们的最终目标是实现工作在工业、科学和医疗频段的无过孔整流天线，特别是工作在F0=2.45 GHz，用于直接射频源馈电方案。在整流天线电路中，二极管的整流过程除了产生直流外，还会产生高次谐波（F0、F1=4.9 GHz等）。为了实现更高的转换效率，这些谐波必须从直流输出中消除。在低输入功率电平下工作时，我们认为高于F1的高阶谐波的影响可以忽略不计。因此，仅在F0和F1处设计两个陷波滤波器，当这两个滤波器组合在一起时，起到直流通过滤波器的作用。

2.1. 2.45 GHz和4.9 GHz陷波滤波器

第一个提出的滤波器在AD1000基板上的导电线路中通过串联短截线实现，其中 ε r=10.35，基板高度h=0.762 mm，介电损耗 δ=0,002。短截线长度Ls0=12.48 mm通过Momentum仿真器调谐获得。关于蚀刻工艺步骤，所有共面波导陷波滤波器槽均采用相同宽度以简化工艺（S=0.7874 mm）。因此，导电线路宽度W=3.7 mm，以获得特性阻抗50 Ω。该结构在导电线路中不引入任何间隙，因此信号的直流部分可以到达负载。仿真平面滤波器S参数和分立元件等效电路如图2所示。

采用相同原理，设计了第二个谐振结构，用于抑制对应于Ls1的F1=4.9 GHz处的第一高阶谐波（图2.b）。该结构在共面波导中表现为导电线路中的一个长度为Ls1=5.98 mm的串联支节。

2.2 完整的直流通过滤波器

两个陷波滤波器均蚀刻在共面波导结构的导电线路上。为了构建直流通过滤波器，必须对这两个频率进行滤波。可以将它们串联组合以实现整体的直流通过滤波器，但这种组合方式会增加整体直流通过滤波器的尺寸。另一种实现共面波导开路枝节串联的方法是在接地平面上蚀刻该枝节，这种方法与缺陷地结构（DGS）类似。然而，在接地平面上蚀刻枝节会导致所选频率的带宽变窄，从而获得更高的品质因数。在本研究中，我们知道输出信号中第一高阶模式占主导地位。因此，选择将2.45 GHz陷波滤波器加工在接地平面上，并采用一个新的略微修改后的值Ls0’=135 mm。根据叠加原理，两个滤波器并联蚀刻在同一块电路板上（图3）。

3. 测量与应用

所提出的直流通过滤波器已加工并进行了实测（图3）。实测结果与仿真结果具有良好一致性。但在图3中可观察到频率偏移。我们认为该偏移是由铣削工艺以及基板介电常数Δε r=±0.35的精度引起的。

在此工作基础上，已使用ADS对一种采用所提出的直流通过滤波器和分立元件匹配电路的整流天线（图4）进行了仿真。S1P（单端口）模块表示共面波导偶极子天线的S参数，S3P（三端口）模块用于分离输入功率和反射功率。该匹配电路由一个电感L4=9.9 nH和一个电容C5=5.2 pF组成。仿真结果表明，在2.45 GHz、输入功率Pin=‐20 dBm时，整流效率可达37%（图5）。

4. 结论

本文中，通过两个陷波滤波器的叠加，在共面波导上实现并表征了一种具有多个阻带的直流通过滤波器。我们表明，利用简单的谐振LC模型可以预测陷波滤波器的性能。直流通过滤波器的Momentum仿真与测量结果显示出良好一致性。得益于共面波导的物理结构，该直流通过滤波器适用于无过孔整流天线设计，并在整流天线仿真中验证了其原理。