面向低功耗物联网的紧凑型微波整流器：Class-F谐波终端结构实现52.4%能量转换效率

《IEEE Sensors Letters》：A Compact Microwave Rectifier With Class-F Harmonic Termination Structure for Low-Power Wireless Charging Applications

本刊推荐一项针对低功率无线充电（WPC）和射频能量采集系统的高效整流器研究。为解决传统微波整流器在亚GHz频段体积大、谐波损耗高的问题，研究人员提出一种基于集总元件的Class-F谐波终端结构，通过控制二极管在2f0和3f0的谐波并补偿基频容抗，将整流器尺寸缩小至12×10 mm2，在433 MHz、6 dBm输入功率下实现52.4%的峰值功率转换效率（PCE）。该设计通过驱动直流-直流升压转换器和可充电电池，证明了其在物联网（IoT）设备中的实用价值。

　　

随着物联网（IoT）、生物医学和工业4.0领域的快速发展，对自供电和无电池设备的需求日益增长。无线功率传输（WPT）和射频（RF）能量采集技术成为解决这些设备能源问题的关键途径。然而，传统的射频能量采集系统面临整流器效率低、体积大、谐波功率损耗严重等挑战。特别是在亚GHz频段（如433 MHz），基于微带线的谐波控制结构往往因物理尺寸过大而难以集成，限制了其在紧凑型物联网设备中的应用。此外，整流二极管在非线性整流过程中产生的二次和三次谐波会导致额外的功率损耗，降低整体功率转换效率（PCE）。因此，开发一种小型化、高效率的整流器结构，成为推动低功耗无线传感节点发展的关键技术瓶颈。

为解决上述问题，Gholamhosein Moloudian等研究人员在《IEEE Sensors Letters》上发表了一项创新研究，提出了一种基于Class-F谐波终端结构的紧凑型微波整流器。该整流器工作在433 MHz频段，专为射频能量采集和无线功率充电（WPC）应用设计。其核心创新在于采用集总元件（lumped components）实现的Class-F谐波终端网络，能够在基频（f₀）补偿二极管的容性电抗，同时在二次谐波（2f₀）和三次谐波（3f₀）处实现短路和开路阻抗条件，从而有效控制谐波、降低二极管损耗，并简化阻抗匹配网络。整篇文章通过理论分析、仿真验证和实验测量，系统阐述了该整流器的设计方法、性能指标及其在实际物联网场景中的应用效果。

研究人员主要采用以下关键技术方法：首先，基于Class-F理论设计谐波终端网络，通过串联谐振电路（Z_S）和并联谐振电路（Z_P）分别实现二次谐波短路和三次谐波开路；其次，选用高Q值（品质因数）集总元件（如Coilcraft电感和Murata电容）降低电路损耗；第三，在FR4基板（厚度1.6 mm，介电常数ε_r=4.4）上实现整流器布局，并采用单并联肖特基二极管（SMS7630）结构；最后，通过矢量网络分析仪（VNA）、射频信号发生器（Agilent E4424B）和数字示波器（PicoScope）等设备，分两阶段测量整流器的反射系数（S₁₁）、功率转换效率及动态负载性能。

II. 设计方法论与分析

研究团队首先推导了Class-F整流器的阻抗条件：在直流（ω=0）时，Z_A=0；在基频（ω=ω₀）时，Z_A呈感性以补偿二极管容抗；在二次谐波（ω=2ω₀）时，Z_A=0（短路）；在三次谐波（ω=3ω₀）时，Z_A→∞（开路）。通过Keysight ADS软件仿真，验证了该网络在多个频点的阻抗特性符合理论要求。

III. 实现与测量

A. 整流器性能

实际制作的整流器尺寸为12×10 mm2，在433 MHz频点测得S₁₁低于-10 dB，表明基频匹配良好。通过测量不同输入功率（-20 dBm至20 dBm）下的直流输出电压，计算得到峰值PCE为52.4%（6 dBm输入，负载R_L=510 Ω）。仿真显示，Class-F结构成功将二极管电压波形整形为方波，电流波形为半正弦波，减少电压电流重叠，从而降低损耗。

B. 低功耗电子电路供电测试

为验证实用性，整流器连接商用直流-直流升压转换器（ADP5090）和可充电电池（LIR1025，容量6±2 mAh）。实验表明，整流器可稳定为升压器供电，冷启动时间（t_CS）随输入功率增加而缩短。在8 dBm和10 dBm输入下，0.33 F超级电容充电时间分别为110分钟和70.5分钟；电池充电至90%容量所需时间分别为190分钟和135分钟。动态负载下PCE波动仅0.5%，证明系统在真实物联网场景中的可靠性。

IV. 结论与意义

本研究成功开发了一种基于Class-F谐波终端结构的超紧凑微波整流器，其创新点在于通过集总元件实现多频点谐波控制，显著提升了亚GHz频段的整流效率。与同类工作相比，该设计在保持小尺寸（12×10 mm2）的同时，兼顾了高效率（52.4% PCE）与实用性强（可驱动电池与升压电路）的优势。这项技术为低功耗物联网设备提供了可靠的无线供电解决方案，推动了射频能量采集系统在智能传感、可穿戴设备和工业监测等领域的应用前景。未来，通过优化二极管选型（如采用低正向电阻肖特基管）和电路拓扑，有望进一步提升性能。