ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
CONVERTER OF UHF-RANGE ELECTROMAGNETIC WAVE ENERGY INTO CONTINUOUS VOLTAGE

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной электромагнитной энергии в электрическую энергию постоянного тока и может применяться в выпрямителях малой мощности.
Известны преобразователи энергии электромагнитного поля в постоянное напряжение, содержащие матрицу из полупроводниковых диполей, нанесенную на оболочку (см. RU 2335061, кл. Н02J 17/00, 27.09.2008). Также известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение, основанные на электровакуумных вентилях (см. RU 2114484, кл. Н02J 45/00, 27.06.1998), работающие при напряжении от единиц вольт и токе до десятков ампер. Недостатком таких преобразователей является низкая эффективность преобразования при входной мощности менее 100 мкВт.
Наиболее близким техническим решением является источник питания пассивной метки радиочастотной идентификации (см. US 2005/0231438, кл. G08В 13/14, 20.10.2005). Он состоит из приемной антенны и выпрямителя с умножением напряжения на 2N, где N=1…3, причем в качестве вентильных элементов применяются диоды с барьером Шоттки. Данный преобразователь позволяет получать выходное напряжение 1 В при мощности сверхвысокочастотного сигнала на входе более 20 мкВт. Недостатком данного источника питания является отсутствие выходного напряжения при мощности входного сигнала менее 20 мкВт. Другим недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменять входное сопротивление преобразователя в широких пределах, что приводит к необходимости применения приемных антенн с выходными сопротивлениями 50…300 Ом для обеспечения хорошего согласования сопротивлений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования выпрямителем переменного напряжения в постоянное в 3…10 раз при мощности входного сигнала менее 20 мкВт и обеспечение возможности согласования выпрямителя с антенной без использования дополнительного трансформатора в диапазоне выходных сопротивлений антенны от 20 до 1000 Ом.
1
2
1
2
1
2
1
aнт
вх
-4
-1
-2
-1
Указанный технический результат достигается тем, что в преобразователе энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение, содержащем антенну и выпрямитель, имеющий N ступеней умножения напряжения и 2·N либо 4N вентильных элементов, в качестве вентильных элементов выпрямителя применяются диоды с кусочно-линейной вольт-амперной характеристикой, имеющей излом при 0 В. Такая вольт-амперная характеристика задается выражением I=S·U при U>0 и I=S·U при U≤0, где S и S - постоянные коэффициенты. Отношение коэффициентов S/S составляет не менее 100. Величина коэффициента S составляет от 10 Ом до 10 Ом исходя из требования согласования выходного сопротивления приемной антенны R с входным сопротивлением выпрямителя R.
На фиг.1 приведен пример электрической схемы однополупериодного преобразователя энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение.
На фиг.2 приведены вольт-амперные характеристики вентильных элементов.
1
1
2
вх
C8
вх
D
D
2
4
3
4
вх
C7,C8
вх
D
Работа преобразователя энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение осуществляется следующим образом. Преобразователь энергии электромагнитной волны СВЧ-диапазона в постоянное напряжение, приведенный на фиг.1, содержит антенну и выпрямитель, имеющий 3 (N=3) ступени умножения напряжения и содержащий 6 вентильных элементов. Преобразователь может быть выполнен также по двухполупериодной схеме с умножением на 4N. Цепь CDD (фиг.1) представляет собой выпрямитель с умножением амплитуды входного переменного напряжения U на 2. Значение выпрямленного напряжения U≈2(U-U), где U - падение напряжения на диоде. Цепь CCDD является второй ступенью умножения амплитуды входного переменного напряжения U. В результате постоянное напряжение на выходе второй ступени равно U≈4(U-U). Выходное напряжение выпрямителя, приведенного на фиг.1, можно представить в виде
D
п
где U≥U, N=3 - количество ступеней умножения амплитуды входного напряжения.
Вольт-амперная характеристика вентильных элементов, примененных в прототипе, приведена на фиг.2 на кривой 1, а вольт-амперная характеристика вентильных элементов предложенного преобразователя приведена на кривой 2.
вх
aнт
Различают эффективность выпрямителя переменного напряжения, которая определяется отношением мощности выходного выпрямленного тока к мощности входного переменного напряжения, и полную эффективность преобразователя, равную отношению мощности выпрямленного тока к мощности, отдаваемой приемной антенной в выпрямитель, имеющий входное сопротивление R, равное выходному сопротивлению антенны R. Полная эффективность преобразователя зависит от качества согласования выходного сопротивления антенны с входным сопротивлением выпрямителя СВЧ-сигнала и эффективности выпрямителя.
п
D
вых
Благодаря тому, что у диодов с кусочно-линейной ВАХ пороговое напряжение U=0, падение напряжения на диодах U в выражении (1) оказывается меньше по сравнению с диодами с барьером Шоттки, а значение выходного напряжения U выше, что подтверждено расчетами и результатами экспериментов. Это позволяет достичь заявляемого технического результата в части эффективности выпрямителя.
aнт
вх
1
1
2
1
2
1
2
Для обеспечения высокой полной эффективности преобразователя необходимо согласование выходного сопротивления приемной антенны R и входного сопротивления выпрямителя R. Так как в зависимости от конструкции приемные антенны могут иметь выходное сопротивление от десятков Ом до единиц кОм, может потребоваться проектирование выпрямителя с заданным входным сопротивлением. Величина входного сопротивления выпрямителя определяется соотношением значений S и S/S. При этом отношение коэффициентов S/S не менее 100. При меньших значениях отношения S/S уменьшается величина постоянного напряжения на выходе выпрямителя, что приводит к невозможности получения указанного технического результата.
Для осуществления изобретения в качестве вентильных элементов могут быть использованы резонансно-туннельные диоды с кусочно-линейной формой вольт-амперной характеристики. Возможность получения таких диодов была показана авторами (Ю.А.Иванов, Н.В.Федоркова, В.А.Шалаев. Наноэлектроника в СВЧ нелинейных преобразователях для радиолокации. Тезисы доклада. «Радиооптические технологии в приборостроении». 1 Научно-техническая конф. Тез. докл. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - С.15-19).