专利名称：微波能量转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波传输能量技术，特别涉及微波接收和整流技术。
背景技术：
微波传输能量不仅可以用于空间太阳能电站向地面输送电能，也可用于从地面向空间飞行器供能。该技术还可以在架线困难的地区传输电力，前景十分广阔。微波传输能量通常需要将微波能量转换为电能，其中将微波能转换为电能的微波整流器是微波传输能量系统的核心器件之一。早在1899年，Tesla在Wardenclyffe进行了无线功率传输的实验。19世纪60年代,Brown提出了微波输能和整流天线的概念,并于1963年成功研制了第 一个整流天线。现阶段最常用的微波整流技术是微波二极管整流。但微波二极管整流存在功率容量小、微波二极管易被击穿、产生高次谐波等影响系统性能的问题。此外，虽然现有的二极管整流天线看似为一体，既能够接收微波，又能够整流，但实质上微波接收天线和微波整流电路是各自独立的两部分，且为了做到整流电路与天线的匹配以及抑制二极管产生的高次谐波，整流电路的设计往往非常复杂，这大大的提高了设计难度，且重量和体积也难以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术微波整流装置结构复杂，设计难度高的缺点，提供一种微波接收和微波整流的装置，将微波能量转换为电流输出。本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，微波能量转换装置，包括微波接收单元和微波整流单元，其特征在于，所述微波接收单元和微波整流单元由半导体块构成，所述半导体块上设置有欧姆接触电极，用于输出半导体块产生的直流电流，所述欧姆接触电极设置在半导体块沿微波传输方向的两端。本发明根据微波霍尔效应的原理，首次提出了利用半导体体效应对微波进行整流的方法。我们称之为半导体体效应微波整流法。该方法与传统二极管结效应整流原理不同，采用微波霍尔效应的原理在半导体上产生整流效应，因此不需要复杂的天线和电路设计，微波接收和整流同时在半导体块上完成。通过理论推导和实验研究，我们在不使用外加磁场的情况下，也发现了微波作用于半导体依然可以产生霍尔效应，从而在半导体沿坡印廷矢量方向(微波传输方向)上产生直流电压，于是我们想到利用该原理来做微波整流。该方法利用平面波的电场分量在单极型(空穴型或电子型)半导体上感应出一个与电场方向相同的电流，形成这个电流的载流子又在磁场分量的作用下受到沿坡印廷矢量方向的洛仑兹力，从而在半导体沿坡印廷矢量方向上产生一个霍尔电压。当电场和磁场同时反向时，洛仑兹力的方向不变，所以霍尔电压的方向不变，这样便可在半导体沿坡印廷矢量方向的两端产生一个持续的直流电压。根据以上原理可见，本发明接收微波和整流都同时由半导体完成，所以不需要像传统的整流天线一样由天线和电路两部分构成，大大简化了设计难度，体积和重量也更容易控制，成本也相应降低。所述欧姆接触电极为金属电极。所述金属电极通过溅射工艺或涂敷工艺形成。半导体块欧姆接触电极的作用是便于通过导线连接，将半导体块产生的直流电流输出。欧姆接触电极通常可以采用金属材料，通过溅射工艺或涂敷工艺制作在半导体块沿坡印廷矢量方向的两端形成欧姆接触电极。所述半导体块为本征半导体块。所述半导体块为掺杂半导体块。半导体块可以采用本征半导体块或掺杂半导体块。一定的参杂浓度可以提高半导 体块的整流效率，随着参杂浓度的提高，半导体的性质也在发生改变即更倾向于金属的特性，因此高参杂的半导体整流效率反而会降低。所述半导体块数量为N个，具有相同结构，其欧姆接触电极通过导线连接，使半导体块产生的直流电流并联和/或串联输出；N为正整数，N > 2。由于单个半导体块的在微波作用下产生的霍尔电压非常低，电流非常小，通常可以将很多个半导体块进行串联，以提高输出电压；或将很多个半导体块进行并联以提高输出电流。采用结构相同的半导体块，其电路参数、产生的电压和电流基本上相等，方便进行各种连接和后续处理，如进行逆变并网等。所述N个半导体块布置在同一平面上。所述平面与微波传输方向垂直。将N个半导体块布置在同一平面(或基板)上，并使该平面与微波传输方向垂直，可以提高微波能量转换效率，最大限度的接收微波能量。当然N个半导体块也可以布置在非平面物体的表面，如布置在飞行器等的表面，用于接收发射站通过微波传输的能量。所述N个半导体块平均布置在M个平面上，M为正整数，M彡2。如果N的数字很大，可以将N个半导体块平均布置在M个平面上，由于每个半导体块结构相同，每个平面上布置的半导体块数量相同，如果每个平面上的半导体块采用相同的连接方式，就可以使每个平面的电路结构基本上相同，输出电压、电流也基本上相同，可以将每个平面作为一个单元，再进行串联、并联等连接，以满足不同的输出电压或电流要求。所述M个平面并排布置或平行重叠布置。M个平面并排布置，可以使其垂直于微波传输方向，每个平面互不影响，有利于提高转换效率。这种配置适用于距离微波源比较远的地方进行能量转换。采用平行重叠布置M个平面的方式，需要考虑微波的衰减特性，选择适当材料构成的基板可以降低微波衰减。另外基板上半导体块的金属电极也可能对微波传输产生阻碍，需要适当减小金属电极面积。本发明的有益效果是，提供了一种结构新颖的微波能量转换装置，将微波接收和微波整流合二为一，极大的简化了电路设计。由于半导体块布置灵活，连接方式多种多样，可以满足不同输出电压和输出电流的要求。本发明具有结构简单、易于布置、整流带宽相对较宽等特点。本发明不依靠PN结整流，因此在承受较大微波功率时也不存在被击穿的问题，大大的提高了装置的可靠性。
图I是半导体块中产生霍尔电压的示意图；图2是半导体块并联输出结构示意图；图3是半导体块串联输出结构示意图；图4是N个半导体块布置在同一平面的示意图；图5是半导体块结构示意图，图5a为立体图，图5b为图5a的A-A剖视图；图6是N个半导体块平均布置在4个平面上，4个平面并排布置的示意图；图7是N个半导体块平均布置在4个平面上，4个平面重叠布置的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。本发明的微波能量转换装置，微波直接辐射半导体块，根据霍尔效应，在半导体块沿坡印廷矢量方向(即微波传输方向)上产生直流电压。本发明的微波能量转换装置，将微波接收单元和微波整流单元，合二为一，采用半导体块10构成微波接收单元和微波整流单元，微波辐射半导体块10时，在半导体块10上沿微波传输方向的O端和P端将会产生霍尔电压Uh，在半导体块的该两端设置欧姆接触电极11，就可以输出半导体块产生的电流，如图I所示。图I中，及为坡印廷矢量，代表微波的传播方向，电场分量，#为磁场分量，Uh为半导体块产生的霍尔电压，即这里的微波整流电压。本发明利用平面波的电场分量在单极型半导体上感应出一个电流，形成这个电流的载流子又在平面波的磁场分量的作用下受到沿坡印廷矢量方向的洛仑兹力，从而在半导体沿坡印廷矢量方向上产生一个霍尔电压。当电场和磁场同时反向时，洛仑兹力的方向不变，所以霍尔电压的方向不变，这样便可在半导体沿坡印廷矢量方向的两端产生一个持续的直流电压。本发明中半导体块可以采用本征半导体，也可以采用具有一定参杂浓度的掺杂半导体，一定的参杂浓度可以提高半导体块载流子浓度，提高整流效率。但随着参杂浓度的提高，半导体的性质也在发生改变，即更倾向于金属导体的特性，因此高参杂的半导体将会导致微波损耗增加，降低整流效率。此外，另一个影响整流效率的因素是半导体块在坡印廷矢量方向的长度(即图I中两电极间的长度L)。长度L越长整流效率越高，但当长度L达到一定的时候，微波的趋肤深度达不到的时候，再增长也不会提高效率了。本发明中半导体块10欧姆接触电极11的作用是便于通过导线连接，将半导体块10产生的电流输出。欧姆接触电极11通常为金属电极，可以采用半导体技术中成熟的溅射工艺或涂敷工艺等，将金属材料制作在半导体块10沿坡印廷矢量方向的两端形成欧姆接触电极11。实施例I本例微波能量转换装置中，半导体块10的数量为3个，他们具有相同结构(包括组成材料、几何尺寸等)，其欧姆接触电极通过导线连接，图2为并联连接的情况，3个半导体块产生的电流并联输出，其输出电压Uo=Uh,输出电流可以达到单个半导体块的3倍。图3为3个半导体块串联连接的示意图，其输出电压Uo=3Uh，输出电流与单个半导体块的输出电流相等。实施例2由于单个半导体块的在微波作用下产生的霍尔电压非常低，电流非常小，通常可以将很多个半导体块进行串联，以提高输出电压；或将很多个半导体块进行并联以提高输出电流。采用结构相同的半导体块，其电路参数、产生的电压和电流基本上相等，方便进行各种连接和后续处理。本例微波能量转换装置包括N (N=63)个具有相同结构的半导体块构成的微波接收和整流单元，如图4所示。图中，63个半导体块10排列成7X9的矩阵，均勻分布在同一平面基板I上，为了提高微波接收效率，基板I正对微波传输方向(基板I与微波传输方向垂直)，半导体块10的O端和P端即为沿微波传输方向的两端，欧姆接触电极11设置在半导体块10的O端和P端，用于输出半导体块10产生的电流，见图5所示。图 4所示的这种半导体块分布方式，每个半导体块的欧姆接触电极可以先按行串联起来，然后将每一行并联起来。这种连接方式可以使基板I上所有半导体块的整体输出电压达到9Uh，电流达到单个半导体块输出电流的7倍。实施例3本例微波能量转换装置由252个半导体块构成，他们平均分布中4个并排布置的平面基板上，每个基板上布置63个半导体块，排列成7X9的矩阵，如图6所示。这种布置方式可以大面积的接收微波辐射。每个基板可以按照实施例2的方式进行连接，然后可以对4个基板进行串联、并联组合。达到需要的输出电压和电流。实施例4本例是4个基板平行重叠配置的结构，如图7所示(图中未示出半导体块的数量，忽略了基板的厚度)。图中4张基板平行，间隔一定的距离，箭头为微波传输方向，该方向垂直于基板平面。这种配置可以提高微波的利用率，但需要考虑微波的穿透性，以免影响后面基板的微波转换转换率。基板材料的选择应降低对微波的衰减和损耗，欧姆接触电极也不应面积太大，通常只要金属电极的尺寸远小于微波波长，微波的传输就可以基本上不受影响。
权利要求
1.微波能量转换装置，包括微波接收单元和微波整流单元，其特征在于，所述微波接收单元和微波整流单元由半导体块构成，所述半导体块上设置有欧姆接触电极，用于输出半导体块产生的直流电流，所述欧姆接触电极设置在半导体块沿微波传输方向的两端。
2.根据权利要求I所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述欧姆接触电极为金属电极。
3.根据权利要求2所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述金属电极通过溅射工艺或涂敷工艺形成。
4.根据权利要求I所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述半导体块为本征半导体块。
5.根据权利要求I所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述半导体块为掺杂半导体块。
6.根据权利要求I 5任意一项所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述半导体块数量为N个，具有相同结构，其欧姆接触电极通过导线连接，使半导体块产生的直流电流并联和/或串联输出；N为正整数，N≥2。
7.根据权利要求6所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述N个半导体块布置在同一平面上。
8.根据权利要求7所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述平面与微波传输方向垂直。
9.根据权利要求6所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述N个半导体块平均布置在M个平面上，M为正整数，M≥2。
10.根据权利要求9所述的微波能量转换装置，其特征在于，所述M个平面并排布置或平行重叠布置。
全文摘要
本发明涉及微波接收和整流技术。本发明针对现有技术微波整流装置结构复杂，设计难度高的缺点，公开了一种微波接收和微波整流的装置，将微波能量转换为电流输出。本发明的技术方案是，微波能量转换装置，包括微波接收单元和微波整流单元，其特征在于，所述微波接收单元和微波整流单元由半导体块构成，所述半导体块上设置有欧姆接触电极，用于输出半导体块产生的直流电流，所述欧姆接触电极设置在半导体块沿微波传输方向的两端。本发明根据微波霍尔效应的原理，首次提出了利用半导体体效应对微波进行整流的方法。本发明将微波接收和微波整流合二为一，极大的简化了电路设计，具有结构简单、易于布置、整流带宽相对较宽等特点。
文档编号H02J17/00GK102969805SQ20121052154
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者黄卡玛, 杨阳, 陈倩, 刘长军, 陈星 , 郭庆功, 闫丽萍, 赵翔, 杨晓庆 申请人:四川大学