肖特基二极管整流效率计算与测量方式

  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。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。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，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；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，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，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0.3 V，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ci为结电容，Ra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。

  2. 数学模型分析
  基于Y.Taewhan建立的模型，其中同时间假定V和V_d的表达式不符合实际的情况，当给定了V时，V_d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=-Vo+V_1cosθ，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 式中：n行为理想因子，其理想值为1；k为玻尔兹曼常数；e为电子电荷；V_T=n_kT/e；V_d为结两端电压；I_a为反向饱和电流；R_a为串联电阻；V_a为零偏置内建电位差；G_jo为零偏置结电容。式(2)的两个方程中，V₁已知，V_d，V_o皆为所求。第一个方程为关于V_d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-库塔法解此方程，应先求出V_o，但是V_o的求解过程又要用到V_d，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=-V_o(1+R_a/R₁)本身就满足方程，这样可以认为V_o的解具有V_o=-V_R1/(R₁+R_a)的形式，因此可以先假设V_o=-V₁R₁/(R₁+R_a)，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V_o，比较两个V_o，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   损耗功率P_loss=P_vd+-P_R1，其中P_Vd为肖特基结的损耗，P_R1为串联电阻的损耗，波导管壁的功率损耗忽略不计。则微波一直流电的转换效率  
  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I_a≈2.7 µA，R_a≈14.4 Ω，V_B≈0.2。
  肖特基二极管的整流效率除了本身参数的影响外，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。  
  3.1 负载一定时整流效率与输入功率关系
  若负载R₁=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，C_jo=0.16 pF，I_a=1µA，R_a=6Ω，V_B=0.38 V，反向击穿电压V_br=15 V。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。



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