一种基于GaNHEMT的宽带高效率整流电路

本发明属于无线能量传输，特别是涉及一种基于gan hemt的宽带高效率整流电路。

背景技术：

1、无线能量传输(wireless power transmission,wpt)无需物理电缆，通过电场、磁场、电磁波、超声波或激光实现空间点对多点之间能量的无线传递，目前得益于微波具有良好的鲁棒性和性价比致使微波无线输能(microwave power transmission,mpt)成为远距离wpt的一种主流技术方案而被广泛研究。

2、微波输能系统由电源、微波功率源、发射天线/阵列、接受天线/阵列、整流电路单元/整流电路阵列和电源管理单元构成，其中整流电路负责将射频信号转为直流信号并传输给特定负载/执行机构，从而让整个系统实现远距离微波输能。随着微波输能系统的发展，对大功率和高效率等指标有了更高要求，目前商用的si基、gaas基高功率微波整流二极管的功率容量较低，通过整流二极管阵列/功率分配网络可提高功率容量，但系统效率较低，因此亟需开展大功率整流电路关键技术的研究。

3、期刊文献“一种小型化的大功率微波整流电路”(期刊名：空间电子技术，2020年第17期02卷104-108页)报道了一款基于肖特基二极管阵列的微波整流电路。文献给出的整流电路由8个整流二极管相互串并联，为了使高次谐波不从微波整流电路的输入端口返回到接收天线，在微波整流电路的输入端口处加入结构简单的四分之一波长并联短路枝节作为输入滤波器，该并联短路枝节在基频时等效为开路，二倍频时等效为短路。因此，四分之一波长并联短路枝节能够无损地使基波通过，而将二次谐波全部反射。

4、随着微波输能系统的发展，整流电路作为其中的重要一环，近年来朝着宽带、大功率和高效率的方向不断发展，传统的二极管整流电路已不再适用大功率整流电路。关于整流电路，使用肖特基二极管作为整流装置的研究已经进行了数十年，其整流效率能达到70％-90％，然而当输入功率超过10w时，尽管可以使用gan肖特基二极管实现，但不得不组合多个整流电路完成，整流效率也因功分损耗而受到影响。因此在大功率场合，二极管整流电路较庞大的电路面积和整流效率的损耗已不再是最佳选择。

5、综上所述，现有的整流电路大多采用二极管来进行设计，而现有的si基、gaas基整流二极管功率容量较小，虽然可通过整流二极管阵列/功率分配网络来提高整流电路功率容量，但导致电路尺寸大、整流效率的损失，限制了大功率高效率整流技术的发展。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于gan hemt的宽带高效率整流电路，利用gan hemt具有高电流密度、高击穿电压、高过渡频率、低寄生电容和低导通电阻等特性优点，结合逆时二元性原理提出一种功率容量大、效率高、且适用于瓦级大功率的宽带高效率整流电路；

2、为了实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案，包括：

3、输入匹配网络、谐波抑制网络、直流输出电路、二次谐波抑制网络、稳流电路、射频结栅场效应晶体管、栅极匹配网络和栅极偏置电路；

4、所述输入匹配网络用于对接收的微波能量信号进行隔直处理，输出滤除直流分量的微波信号；

5、所述谐波抑制网络用于对二次谐波和三次谐波进行抑制，调节基波阻抗，拓展各次谐波阻抗的分布区间从而实现宽带特性；

6、所述直流输出电路用于将输入交流功率转变为直流功率进行输出；

7、所述二次谐波抑制网络用于对射频结栅场效应晶体管栅极的二次谐波进行抑制；

8、所述稳流电路用于防止整个电路产生振荡；

9、栅极匹配网络用于二次谐波抑制网络与接地端之间的阻抗匹配；

10、栅极偏置电路用于对射频结栅场效应晶体管的栅极提供直流偏压；

11、其中，所述输入匹配网络的输入端与宽带高效率整流电路的输入端串联；

12、所述谐波抑制网络的第一输入端与输入匹配网络的输出端串联；

13、所述谐波抑制网络的输出端与直流输出电路的输入端串联；

14、所述谐波抑制网络的第二输入端与射频结栅场效应晶体管的漏极串联；所述射频结栅场效应晶体管的源极接地；

15、所述射频结栅场效应晶体管的栅极依次与二次谐波抑制网络、稳流电路和栅极匹配网络串联；所述栅极匹配网络的输入端与栅极偏置电路串联；

16、所述直流输出电路的输出端与宽带高效率整流电路的输出端串联。

17、优选地，所述输入匹配网络包括：依次串联的微带线tl7、微带线tl8、微带线tl9、电容c1和微带线tl10；

18、所述微带线tl7与输入匹配网络的输出端相连；所述微带线tl10与宽带高效率整流电路的输入端相连。

19、优选地，所述谐波抑制网络包括：微带线tl1～tl6、扇形微带stub1～stub3、以及微带线tl11；

20、所述微带线tl1的一端与微带线tl2的一端、微带线tl3的一端和微带线tl4的一端相连；

21、所述微带线tl2的另一端与谐波抑制网络的输出端相连；

22、所述微带线tl3的另一端与扇形微带stub1相连；

23、所述微带线tl1的另一端与微带线tl11的一端相连；所述微带线tl11的另一端与谐波抑制网络的第二输入端相连；

24、所述微带线tl4的另一端与扇形微带stub3、微带线tl6的一端和微带线tl5的一端相连；所述微带线tl5的另一端与扇形微带stub2相连；

25、所述微带线tl6的另一端与谐波抑制网络的第一输入端相连。

26、优选地，所述直流输出电路包括：微带线tl23～tl27和电容c7～c9；

27、所述微带线tl23的一端与直流输出电路的输入端相连；所述微带线tl23的另一端与微带线tl24的一端相连；

28、所述微带线tl23的一端与直流输出电路的输入端相连；所述微带线tl23的另一端与微带线tl24的一端相连；

29、所述微带线tl24的另一端与电容c7的一端和微带线tl25的一端相连；所述电容c7的另一端接地；

30、所述微带线tl25的另一端与电容c8的一端和微带线tl26的一端相连；所述电容c8的另一端接地；

31、所述微带线tl26的另一端与电容c9的一端和微带线tl27的一端相连；所述电容c9的另一端接地；

32、所述微带线tl27的另一端与直流输出电路的输出端相连。

33、优选地，所述二次谐波抑制网络包括：微带线tl12～tl14；所述微带线tl12的一端与微带线tl13的一端和微带线tl14的一端连接；所述微带线tl12的另一端与二次谐波抑制网络的输出端相连；所述微带线tl14的另一端与二次谐波抑制网络的输入端相连；所述微带线tl13的另一端开路。

34、优选地，所述稳流电路包括：并联的电阻r1和电容c2。

35、优选地，所述栅极匹配网络包括：依次串联的微带线tl15～tl18、以及电容c3；所述电容c3接地；所述微带线tl15的一端与栅极匹配网络的输出端相连；所述微带线tl15的另一端与微带线tl16的一端和栅极匹配网络的输入端相连。

36、优选地，所述栅极偏置电路包括：电压源vdc、电容c4～c6、电阻r2、以及微带线tl19～tl22；所述电压源vdc的负端接地；所述电压源vdc的正端与电容c6的一端和微带线tl22的一端相连；所述电容c6的另一端接地；

37、所述微带线tl22的另一端与电容c5的一端和微带线tl21的一端相连；所述电容c5的另一端接地；

38、所述微带线tl21的另一端与电容c4的一端和微带线tl20的一端相连；所述电容c4的另一端接地；

39、所述微带线tl20的另一端与电阻r2的一端相连；所述电阻r2的另一端与微带线tl19的一端连接；所述带微线tl19的另一端与栅极偏置电路的输出端串联。

40、本发明至少具有以下有益效果

41、本发明的整流电路由功率放大器转换而来，即可以根据应用需求进行灵活转变。若需要将直流功率放大并转换为交流功率，可根据逆时二元性原理对本专利的整流电路进行调整转变为一个功率放大器，反之也可以根据逆时二元性原理将功率放大器转变为整流电路；

42、本发明的整流电路有较好的宽带特性，栅极匹配和漏极匹配网络结构简单。在晶体管大功率整流电路的研究中，多为窄带整流电路，带宽亟需拓展，本专利的整流电路通过运用谐波抑制网络2和4在1.8～3ghz频带内实现了良好的宽带特性。同时，漏极匹配网络1和栅极匹配网络6均采用切比雪夫高低阻抗变换器，具有结构简单易于匹配和良好的宽带特性，功率容量大、效率高、且适用于瓦级大功率的宽带高效率整流电路。