适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器的制作方法

本发明属于电子电路设计技术领域，具体涉及微波毫米波无线能量传输系统中的整流器，尤其涉及适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器。

背景技术：

近年来，5g移动通信网络和未来6g“万物互联”时代逐渐向毫米波频段发展，微波毫米波无线能量传输技术得以迅速发展。无线能量传输技术就是通过微波波束在自由空间将能量从发射端传输到接收端，并将微波能量转换为直流能量（整流）给无电源或无电池电子设备供电的技术，其在无线充电、微型探测机器人、无人机基站、太阳能卫星系统等应用中广泛使用。毫米波频段中的ka和w波段，分别为27-40ghz和75-110ghz两个频带，都处于大气窗口之内，大气衰减较小，适用于远距离能量传输。对于相同物理孔径尺寸的天线，整流天线高频工作状态下凭借狭窄的定向波束可以收集更多的能量。且频率越高，器件尺寸越小，利于大规模集成和封装。因此ka和w波段逐渐成为毫米波无线能量传输的关键频段。毫米波无线能量传输系统包括毫米波信号源、发射天线、整流天线阵列。整流天线由接收天线与整流器构成，其中，整流器的整流效率决定整流天线的效率，进而也决定着整个无线能量传输系统的效率。而随着应用的需要，整流器的工作频率越来越高，传统的整流电路产生的问题也越来越多。最主要的问题是整流效率会随着工作频率的增加而降低，因此传统的二极管整流电路结构已不适用于毫米波全集成整流器的设计，必须选择适用于毫米波频段的整流器件和整流电路结构。

为了面向毫米波无线能量传输应用，学术界和工业界提出了一些适用于毫米波频段的整流器结构。肖特基二极管整流器和晶体管二极管整流器就是比较常见的两种。其中，肖特基二极管由于其高速的开关速度和低正向电压经常被用作整流器件，晶体管二极管整流结构通过将晶体管栅极和漏极相连形成的二极管来实现整流。但是，一方面，肖特基二极管在毫米波频段损耗很大，而且反向隔离度较低，导致整流效率降低，另一方面，二极管接法的晶体管栅极和源极的寄生电容会导致输入信号泄漏到地，影响整流效率。因此，传统的几种整流器结构，很难满足毫米波无线能量传输系统中的高功率转换效率的要求。目前大多数毫米波整流器均由基于iii-v族半导体工艺的肖特基势垒二极管（schottkydiode）实现，如氮化镓（gan）和砷化镓（gaas）工艺，但其成本相对较高，尺寸相对较大。cmos工艺具有特征尺寸小、集成度高、成本低等优点。随着工艺特征尺寸的减小，晶体管的速度不断提升，已满足毫米波应用需求，与传统iii-v族工艺相比，在成本上具有无可比拟的优势。

现有毫米波整流器结构将会严重影响毫米波整流器的整体性能。肖特基二极管整流器和晶体管二极管是两种最常见的毫米波整流器结构。前者可以通过级联来提高输出直流电压，但功率转换效率依然较低，后者通过使用晶体管构成的二极管来实现整流，但由于工艺寄生效应的影响，功率转换效率和输出电压等性能较差。

在现有的二极管整流器结构中，大部分采用了增益和效率优异的gaas等的化合物半导体，但它们价格相对较为昂贵。在未来毫米波无线能量传输天线阵列中，重要的是小型且低成本地实现高效率能量传输。因此，面向毫米波无线能量传输应用，需要关注在功率转换效率、输出功率和成本等方面表现优异的硅器件的新型射频整流器结构。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述现有技术的不足，提供适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器，本发明适用于低成本的cmos工艺的高效率的新型微波毫米波整流器。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器，包括整流电路、漏极匹配电路、移相器电路、栅极匹配电路和输出滤波电路，所述的整流电路由共源极接法的第一晶体管组成，所述的第一晶体管源极耦合接地，第一晶体管栅极接栅极输入电压，第一晶体管漏极接漏极输入电压；所述的漏极匹配电路连接在第一晶体管漏极输入电压和接收天线之间；所述的移相器电路一端连接接收天线，另一端输出栅极移相电压；所述的栅极匹配电路连接在栅极移相电压和栅极输入电压之间；所述的输出滤波电路的一端连接在第一晶体管漏极输入电压，另一端接在直流负载上。

其中，所述的漏极匹配电路包括漏极电容和漏极电感，所述的漏极电容跨接在第一晶体管的漏极和接收天线之间，所述的漏极电感一端接在接收天线上，另一端接地。

其中，所述的移相器电路包括串联移相电容、第一串联移相电感、第二串联移相电感和并联移相电容，所述串联移相电容连接在接收天线和栅极输出移相电压之间，所述的第一串联移相电感和第二串联移相电感串联之后和串联移相电容并联，所述的并联移相电容一端接在第一串联移相电感和第二串联移相电感间，另一端接地。

其中，所述的栅极匹配电路包括栅极电容和栅极电感，所述的栅极电容接在栅极输出移相电压和栅极输入电压之间，所述的栅极电感一端接栅极输入电压，另一端接地。

其中，所述的输出滤波电路由扼流电感和旁路电容组成，所述的扼流电感接在第一晶体管漏极输入电压和直流负载之间，所述的旁路电容一端接直流负载，另一端接地。

进一步的，直流负载包括直流电阻，所述的直流电阻接在输出直流电压和地之间。

进一步的，所述的接收天线与漏极匹配电路和移相器电路相连，输入射频信号。

更进一步的，所述的第一晶体管为n型晶体管或p型晶体管。

有益效果:

本发明相比现有技术，其显著的效果在于，第一、本发明提供了一种新型开关晶体管整流器结构，有效提高了整流器的功率转换效率、输出直流功率，同时也解决了电路自偏置问题；

第二、本发明对于ka和w波段信号来说，开关晶体管整流器可以分别提供超过50%和40%的功率转换效率；第三、本发明提出的开关晶体管整流技术，大幅降低了芯片面积，实现了片上输入匹配网络，在达到较高整流效率的同时，保证了整流器的输入驻波性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是含有接收天线和负载的射频开关晶体管整流器电路结构示意图；

图2是本发明的毫米波整流器电路小信号电路示意图；

图3是本发明的整流器漏极输入信号vrfin、栅极输入信号vg、漏极输出信号vd和输出直流信号vdc波形图。

具体实施方式

为了进一步的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例作详细的阐述。本领域的技术人员应得知，在不违背本发明精神前提下所做出的优选和改进均落入本发明的保护范围，对于本领域的常规手段和惯用技术在本具体实施例中不做详细记载和说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提供的适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器，以共源极晶体管为基础，包括漏极匹配电路108、移相器电路102、栅极匹配电路104和输出滤波电路110。整流器漏极直流负载端，连接可变直流负载。整流器漏极输入端，通过漏极匹配电路将输入功率最大化输入到晶体管漏极。同时，为了去除额外的晶体管直流偏置，通过添加输入反馈回路，产生栅极驱动信号，信号经移相电路、栅极匹配电路后连接到晶体管栅极。最终由于晶体管的开关非线性，从而实现整流功能。经流片验证，此结构整流器在w波段可以提供30%以上的整流效率。

在该整流器电路中，使用的共源极开关晶体管尺寸为176μm/60nm。晶体管管尺寸根据工作频率和负载条件灵活选择。漏极匹配电路108由一个串联电容128和并联电感126组成的lc网络构成，使得输入到晶体管漏极的信号幅度最大；移相器电路102采用了串联移相电容、第一串联移相电感、第二串联移相电感和并联移相电容组成的桥t型移相结构，同时实现了阻抗匹配和移相的功能；栅极匹配电路同样采用了lc串并联网络，同时栅极串联电容122实现了信号耦合的功能；直流负载136需要在某一特定输入功率或工作状态下扫描来确定合适的电阻值，以获得最大的整流效率。本例的信号源输入为接收天线，同时任一信号源发射器都可作为本例的信号源。

需要说明的是，尽管此设计的漏极匹配电路和移相电路如图1所示，但是其他连接方式也是可行的。例如在漏极匹配电路也可以lc串联谐振电路，移相电路也可以是π型移相电路。

优选的，共源极晶体管124由一个n型场效应管（n-fieldeffecttransistors,nfets）构成，其栅极接输入电压，漏极接输入电压。同时，输出射频信号被扼流电感132阻挡，输出直流信号经电感输出到直流负载上。通过改变移相电路的相移，提高了电路整体的整流效率。

图2为本发明的射频整流器电路小信号电路示意图，包括晶体管等效电路224、输出滤波电路210和直流负载电阻236。栅极输入信号通过栅极电阻202和栅源电容204，在漏极产生压控跨导电流源206，而跨导和漏极输入信号有关系，所以电流源信号中会产生直流信号，而交流信号被输出滤波电路阻隔，直流信号输出到直流负载上，最终实现整流功能。

图3给出本发明所提出的开关晶体管整流器在某种工作状态下漏极输入信号vrfin、栅极输入信号vg、漏极输出信号vd和输出直流信号vdc的波形图。如图所示，整流器最终可以输出1.1v的直流电压。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。