[發明專利]適用于微波毫米波無線能量傳輸應用的開關晶體管整流器

有效

• 申請號: 201910267307.0
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN110112937B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 趙滌燹;賀平洋
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02J50/20
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 張偉

本發明公開了適用于微波毫米波無線能量傳輸應用的開關晶體管整流器，所述整流器由一個共源極晶體管，漏極、柵極匹配電路，移相電路和輸出濾波電路構成。輸入射頻信號經漏極匹配電路輸入到晶體管漏極，同時經過移相電路和柵極匹配電路輸入到晶體管柵極，輸出直流信號經輸出濾波電路輸出到負載上。本發明利用晶體管的開關特性，晶體管柵極和漏極分別輸入同頻不同相的信號，實現整流功能。通過調節柵極和漏極信號間的相位差，提高了整流器的功率轉換效率，同時完成片上輸入匹配電路，高效利用射頻信號源。用晶體管開關結構代替整流二極管，減小了對輸入功率的要求，保證了高頻下整流器的整流效率，提高了電路可靠性。

技術領域

本發明屬于電子電路設計技術領域，具體涉及微波毫米波無線能量傳輸系統中的整流器，尤其涉及適用于微波毫米波無線能量傳輸應用的開關晶體管整流器。

背景技術

近年來，5G移動通信網絡和未來6G“萬物互聯”時代逐漸向毫米波頻段發展，微波毫米波無線能量傳輸技術得以迅速發展。無線能量傳輸技術就是通過微波波束在自由空間將能量從發射端傳輸到接收端，并將微波能量轉換為直流能量（整流）給無電源或無電池電子設備供電的技術，其在無線充電、微型探測機器人、無人機基站、太陽能衛星系統等應用中廣泛使用。毫米波頻段中的Ka和W波段，分別為27-40GHz和75-110GHz兩個頻帶，都處于大氣窗口之內，大氣衰減較小，適用于遠距離能量傳輸。對于相同物理孔徑尺寸的天線，整流天線高頻工作狀態下憑借狹窄的定向波束可以收集更多的能量。且頻率越高，器件尺寸越小，利于大規模集成和封裝。因此Ka和W波段逐漸成為毫米波無線能量傳輸的關鍵頻段。毫米波無線能量傳輸系統包括毫米波信號源、發射天線、整流天線陣列。整流天線由接收天線與整流器構成，其中，整流器的整流效率決定整流天線的效率，進而也決定著整個無線能量傳輸系統的效率。而隨著應用的需要，整流器的工作頻率越來越高，傳統的整流電路產生的問題也越來越多。最主要的問題是整流效率會隨著工作頻率的增加而降低，因此傳統的二極管整流電路結構已不適用于毫米波全集成整流器的設計，必須選擇適用于毫米波頻段的整流器件和整流電路結構。

為了面向毫米波無線能量傳輸應用，學術界和工業界提出了一些適用于毫米波頻段的整流器結構。肖特基二極管整流器和晶體管二極管整流器就是比較常見的兩種。其中，肖特基二極管由于其高速的開關速度和低正向電壓經常被用作整流器件，晶體管二極管整流結構通過將晶體管柵極和漏極相連形成的二極管來實現整流。但是，一方面，肖特基二極管在毫米波頻段損耗很大，而且反向隔離度較低，導致整流效率降低，另一方面，二極管接法的晶體管柵極和源極的寄生電容會導致輸入信號泄漏到地，影響整流效率。因此，傳統的幾種整流器結構，很難滿足毫米波無線能量傳輸系統中的高功率轉換效率的要求。目前大多數毫米波整流器均由基于III-V族半導體工藝的肖特基勢壘二極管（Schottky diode）實現，如氮化鎵（GaN）和砷化鎵（GaAs）工藝，但其成本相對較高，尺寸相對較大。CMOS工藝具有特征尺寸小、集成度高、成本低等優點。隨著工藝特征尺寸的減小，晶體管的速度不斷提升，已滿足毫米波應用需求，與傳統III-V 族工藝相比，在成本上具有無可比擬的優勢。

現有毫米波整流器結構將會嚴重影響毫米波整流器的整體性能。肖特基二極管整流器和晶體管二極管是兩種最常見的毫米波整流器結構。前者可以通過級聯來提高輸出直流電壓，但功率轉換效率依然較低，后者通過使用晶體管構成的二極管來實現整流，但由于工藝寄生效應的影響，功率轉換效率和輸出電壓等性能較差。

在現有的二極管整流器結構中，大部分采用了增益和效率優異的GaAs等的化合物半導體，但它們價格相對較為昂貴。在未來毫米波無線能量傳輸天線陣列中，重要的是小型且低成本地實現高效率能量傳輸。因此，面向毫米波無線能量傳輸應用，需要關注在功率轉換效率、輸出功率和成本等方面表現優異的硅器件的新型射頻整流器結構。

發明內容

本發明的發明目的是針對上述現有技術的不足，提供適用于微波毫米波無線能量傳輸應用的開關晶體管整流器，本發明適用于低成本的CMOS工藝的高效率的新型微波毫米波整流器。