CN108023552A - 一种用于微波无线电能传输装置的射频功率放大器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微波无线电能传输装置的射频功率放大器系统，射频功率放大器系统包括依次串接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路：所述第一级功率放大电路主要包括磷化镓铟异质结双级晶体管的信号源级功率放大器；所述第二级功率放大电路主要包括砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器；所述第三级功率放大器主要包括氮化镓高电子迁移率晶体管。本发明提供的射频功率放大器系统，拓扑结构简洁，元器件成本低廉，散热性能好温升小，能够稳定的进行大功率输出，满足了微波无线电能传输装置功率、效率和稳定性的需求。

Description

一种用于微波无线电能传输装置的射频功率放大器系统

技术领域

本发明涉及微波无线电能传输领域，尤其涉及一种用于微波无线电能传输装置的射频功率放大器系统。

背景技术

近些年来，随着人们生活水平的不断提高和探索物质世界的逐渐深入，人们对电能的传输方式和传输质量也有了新的要求。传统的电能传输主要是由导线或导体直接接触进行的，接触产生的火花、滑动磨损、碳积累及带电导体裸露等带来了一系列问题。无线输电是一种利用无线电传输电力能量的技术，最早由尼古拉·特斯拉提出，与传统的电能传输方式相比，无线输电的过程中供电和用电之间不存在电的直接连接，避免了裸露导体和接触火花，具有使用安全、方便等优点，因而受到了广大研究工作者的关注和重视。无线输电技术应用领域非常广泛，特别是在军事、矿山、水下、医疗、石油、交通等特殊和恶劣环境下具有广泛的应用前景。

虽然讲能量谐振为微波来进行无线电能传输一直为人所知，但在应用时，需加装射频功率放大系统，现有的射频功率放大系统较为昂贵，且现有的射频功率放大器系统的电源的效率通常低于50％，这是微波无线电能传输装置不能接受的，因为电源的效率和使用成本均不能满足节能的标准。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于微波无线电能传输装置的射频功率放大器系统，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种射频功率放大器系统，包括依次串接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路；所述第一级功率放大电路主要包括磷化镓铟异质结双级晶体管的信号源级功率放大器；所述第二级功率放大电路主要包括砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器；所述第三级功率放大器主要包括氮化镓高电子迁移率晶体管。

所述射频功率放大器系统的输入端连接微波频率源，输出端连接栅格天线。

与有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种射频功率放大器系统。其中，分析上述结构可知：该射频功率放大器系统主要由三级功率放大电路组成，适应于2450兆赫兹的频率，其目的在于将功率通过三级放大电路稳步放大到40瓦左右输出；其中：第一级功率放大电路的输入功率范围为1-2毫瓦，输出功率范围为30-40毫瓦；其第一级功率放大电路的主要部件为磷化镓铟异质结双级晶体管，该磷化镓铟异质结双级晶体管具有电路结构简单和功耗小的特点；第二级功率放大电路的输入功率范围为30-40毫瓦(即同第一级放大电路的输出)，输出功率范围为0.5-1瓦；第二级功率放大电路中的主要部件为砷化镓异质结双级晶体管；第三级功率放大电路的输入功率即为第二级功率放大电路的输出，其输出功率范围35-40瓦；第三级功率放大电路中的主要部件为氮化镓高电子迁移率晶体管。氮化镓高电子迁移率晶体管是该功率放大器系统中最重要的功率放大器件，以D模式工作在开关状态，用以实现最大的系统效率。相比与现有的功率放大器，该氮化镓高电子迁移率晶体管具有工作频率高，效率高，成本低，体积小的特点，因此选用其作为应用在微波无线电能传输装置的射频功率放大电路。

本发明提供的射频功率放大器系统中三个已封装的晶体管芯片级联，可以实现四万倍的功率放大。第一阶段是使用磷化镓铟异质结双级晶体管来增益。第二阶段是使用砷化镓异质结双级晶体管来增益。该功率放大器系统中最重要的部分是最后阶段的功率放大器，其输出功率是约40瓦特。它的功率损失决定了整个系统的损失，氮化镓高电子迁移率晶体管可以工作在2450兆赫兹的超高频率，以D模式工作在开关状态，可以提供足够的功率以用于本发明的微波无线电能传输装置，同时抑制其成本，使其在市场上仍具有竞争力。

本发明专利涉及的射频功率放大器系统，结构简单成本低廉，工作稳定，可保障大功率输出，因此保证了微波无线电能传输装置功率的要求和安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明实施例公开的射频功率放大系统的电路结构示意图。

图2为本发明实施例公开的射频功率放大系统中的第一级功率放大电路L1原理图。

图3为本发明实施例公开的射频功率放大系统中的第二级功率放大电路L2原理图。

图4为本发明实施例公开的射频功率放大系统中的第三级功率放大电路L3原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参加图1，本发明实施例功率公开了一种射频功率放大系统的结构示意图，包括一次串接的第一级功率放大电路L1，第二级功率放大电路L2和第三级功率放大电路L3。

在本发明实施例中，其中，分析上述结构可知：该射频功率放大器系统主要由三级功率放大电路组成，适应于2450赫兹的频段，其目的在于将功率从1毫瓦通过三级放大电路稳步放大带40瓦左右输出；其中：第一级功率放大电路的输入功率范围为1-2毫瓦，输出功率范围为30-40毫瓦；其第一级功率放大电路的主要部件为磷化镓铟异质结双级晶体管，该磷化镓铟异质结双级晶体管具有电路结构简单和功耗小的特点；第二级功率放大电路的输入功率范围为30-40毫瓦(即同第一级放大电路的输出)，输出功率范围为0.5-1瓦；第二级功率放大电路中的主要部件为砷化镓异质结双级晶体管；第三级功率放大电路的输入功率即为第二级功率放大电路的输出，其输出功率范围35-40瓦；第三级功率放大电路中的主要部件为氮化镓高电子迁移率晶体管。氮化镓高电子迁移率晶体管是该功率放大器系统中最重要的功率放大器件，以D模式工作在开关状态，用以实现最大的系统效率。相比与现有的功率放大器，该氮化镓高电子迁移率晶体管具有工作频率高，效率高，成本低，体积小的特点，因此选用其作为应用在微波无线电能传输装置的射频功率放大电路。

本发明实施例提供的射频功率放大器系统中三个已封装的晶体管芯片级联，可以实现数万倍的功率放大。第一阶段是使用磷化镓铟异质结双级晶体管来增益。第二阶段是使用砷化镓异质结双级晶体管的驱动放大器来增益。该功率放大器系统中最重要的部分是最后阶段的功率放大器，其输出功率是约在40瓦特。它的功率损失决定了整个系统的损失，氮化镓高电子迁移率晶体管可以执行高于现有技术中的双极型晶体管的功率，且线性较好。对于氮化镓高电子迁移率晶体管需要说明的是：本发明实施例中的氮化镓高电子迁移率晶体管 (即第三级功率放大器)，可以提供足够的功率以用于微波无线输电，同时抑制其成本，使其在市场上仍具有竞争力。

需要说明的是：该射频功率放大器系统中的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路中还包括多个阻抗匹配电路和偏置电路以及多个辅助电路。其中：阻抗匹配电路用于提供各级功率放大器电路的阻抗匹配(即下一阶段的功率放大电路匹配)；偏置电路用于提供偏置电压(如下面具体结构中具体说明)。

在本发明实施例一涉及的高频功率放大电路中，为了保障射频功率放大器系统所有高频微波信号都能传至负载的目的(此时输出功率最大)，不会有信号反射回来源点，从而提高照明设备的能源效益，必须要考虑阻抗匹配(可通过改变阻抗匹配电路的阻抗力或调整传输线匹配)；相反，如果不匹配，则会形成反射，能力传递不过去，降低效率，会在传输线上形成驻波，导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。

下面对本发明实施例提供的射频功率放大器系统的具体结构做进一步说明：较佳地，参加图2，所述第一级功率放大电路L1还包括电容器C1、电容器C2；所述电容器C1的正极连接约为1毫瓦的射频输入功率，所述电容器C1的负极连接所述磷化镓铟异质结双级晶体管的输入端，所述磷化镓铟异质结双级晶体管的输出端分别连接电容器C2的正极和5伏特的偏置电压。

需要说明的是：它的原理图如图2所示，该增益晶体管的型号是ERA-5SM+(即编号101)。其中电容器C1(即102)和电容器C2(即103)是输入和输出端的直流开路电容器。适当的设计可以达到40毫瓦的输出功率(即第一级功率放大电路包括了阻抗匹配和偏置电压)。

较佳地，参加图3，所述第二级功率放大电路L2还包括电容器C3、电容器C4、电容器C5、电容器C6、阻抗Z1和阻抗Z2，其中：所述第一级功率放大电路中的电容器C2 的负极连接所述第二级功率放大电路中的电容器C3(即202)的正极，所述电容器C3的负极分别连接电容器C4(即203)的正极和阻抗Z1(即204)的输入端，所述阻抗Z1的输出端连接所述砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器的输入端，所述砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器的输出端分别连接阻抗Z2(即205)的输入端以及5伏特的偏置电压；所述阻抗Z2的输出端分别连接电容器C5(即206)的正极和电容器C6(即207)的正极；所述电容器C4的负极、C5的负极接地。

需要说明的是。第二个阶段是使用砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器来增益的。它的原理图如图3所示。该驱动级放大器的增益晶体管的型号是ADL5606(即201)，采用紧凑型4mm×4mm，16引脚LFCSP封装，采用裸露焊盘，具有出色的热阻抗性能。阻抗Z1和阻抗Z2是晶体管输入和输出端印刷电路板上的传输线。传输线的部分有传输线效应，加上与相邻的电容(电容C4输入和电容器C5输出)，(即把电容或电感与负载串联起来，即可改变负载的阻抗值)，它们分别被用来作为调谐电路以保证输入和输出都有50欧姆匹配。驱动级功率放大器是能够产生0.5-1瓦的输出功率。

较佳地，参加图4，所述第三级功率放大电路还包括电容器C7、电容器C8、电容器C9、电容器C10、电容器C11、阻抗Z3、阻抗Z4、阻抗Z5、阻抗Z6、阻抗Z7，其中：所述第二级功率放大电路中的电容器C6的负极连接所述第三级功率放大电路中的电容器C7 (即302)的正极，所述电容器C7的负极连接阻抗Z3(即303)的输入端，所述阻抗Z3的输出端分别连接电容器C8(即304)的正极和阻抗Z4(即305)的输入端，所述阻抗Z4的输出端连接氮化镓高电子迁移率晶体管(即301)的栅极，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的漏级分别连接阻抗Z5(即310)的输入端和48伏特的偏置电压，所述阻抗Z5的输出端分别连接电容器C9(即311)的正极和阻抗Z6(即312)的输入端，所述阻抗Z6的输出端分别连接电容器C10(即313)的正极和阻抗Z7(即314)的输入端，所述阻抗Z7的输出端连接电容器C11(即315)的正极；所述电容器C8的负极、电容器C9负极、电容器C10 的负极均接地。

需要说明的是：功率放大器系统中最重要的部分是最后阶段的功率放大器，其输出功率是约在40瓦特。它的功率损失主宰整个系统的损失。本发明实例选择了MACOM的氮化镓宽带宽晶体管NPT2021(即301)，特殊设计的放大器是为DC-2.5GHz工作而优化的宽带晶体管，工作在D模式，以实现高效率。它的原理图如图4所示。NPT2021的漏级偏压为48V，栅极偏压为-1V。无论是在栅极和源级，都有直流通交流断的辅助电路，以防止高频信号看到直流源。有两个匹配网络，输入和输出端各有一个的。这些匹配网络用于作为调谐电路以达到50欧姆匹配，使得系统有最大功率传输。在设计中的一个重要部分，是开发正确的拓扑结构和合适组件数值，以达到最高效率(最低功率损耗)输出的要求。

低成本的氮化镓高电子迁移率晶体管适用于D类功放设计。D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于一个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。与一般的线性AB类功放电路相比，D类功放有效率高、体积小等特点，在理想情况下，D类功放的效率为100％，B类功放的效率为70％，A类功放的效率才50％或25％(按负载方式而定)。

如图4所示，输出匹配网络是用于调谐第一个谐波。由于晶体管的大漏级电容，第三和高次谐波自动短路。二次谐波的开路是通过电容电感串联电路来完成。在2450兆赫兹左右，这种D模式最多允许80％的漏级效率。各种不同Zi图代表在印刷电路板上的传输线部分，它们本质是电感，也包括在放大器设计中。

较佳地，所述氮化镓高电子迁移率晶体管为D类的拓扑结构。

需要说明的是，对于高效率射频功率放大器而言，如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为了提高效率，研究人员将大量精力专注于放大器的工作模式上，例如：A类，B类，AB类，C类和D类功率放大器。采用D类工作模式效率达到80％，可以满足大功率的要求。

较佳地，所述第一级功率放大电路的输入功率范围为1-2毫瓦，输出功率范围为30- 40毫瓦，所述第二级功率放大电路的输出功率范围为0.5-1瓦；所述第三级功率放大电路的输出功率范围为35-40瓦。

较佳地，参加图4，所述电感器L1和电容器C12构成了第一辅助电路；所述电感器L2和电容器C13构成了第二辅助电路；所述第一辅助电路和第二辅助电路均用于当直流输入导时通，交流输入时断开。

需要说明的是：无论是在栅极和漏级都有直流通交流断的辅助电路，以防止高频信号看到的直流源。

较佳地，参加图4，所述阻抗Z3、阻抗Z4和电容器C8构成的电路为输入匹配网络；所述阻抗Z5、阻抗Z6、阻抗Z7、电容器C9和电容器C10构成的电路为输出匹配网络；上述两个匹配网络均为调谐电路，用于将调谐与50欧姆匹配。

其中：有两个匹配网络，输入和输出端各一个的。这些匹配网络用于作为调谐电路以到50欧姆匹配，使得系统有最大功率传输。在设计的一个重要部分，是开发正确的拓扑结构和合适组件的数值，以达到最高效率(最低功率损耗)。

本发明实施例的新构想包括1、结合三个特定封装的功率晶体管的芯片，使得功率放大四万倍。2、新颖的电路拓扑以达到高效率的能量转换。3、整个系统是建立在以后印刷电路板上的，不大于10厘米长，5厘米宽，1厘米高。

本发明实施例有三个独到的特点。首先，在2450兆赫兹左右的频率，由于在高功率放大级使用D级的拓扑结构，40瓦特的输出系统的效率提高到70～80％。与此相比较，在相似的频率和功率范围内的现有的射频放大器系统的效率低于50％。微波无线电能传输装置的功效取决于功率放大级的功率消耗的量，因此高效率是非常关键的。

其次，整体的功率放大器系统的成本非常低。通常情况下，40瓦特的射频功率放大器在市场上花费可到几千元。通过使用一个三阶段的功率放大和精心选择的晶体管的芯片，整个系统的成本降低的至少3倍。这降低的成本，使得微波无线电能传输装置对其他电能传输方式有高度竞争力。

第三，整体的功率放大器系统的尺寸非常小。在级联3个晶体管的芯片中，需要留个阻抗匹配电路(最前输入端，最后输出端，及在中间4个)。用于形成匹配网络的传输线部分的长度被设计的非常小，使得最后功率放大器系统像手掌一般大小和香烟盒的大小非常接近。

这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种射频功率放大器系统，其特征在于，包括依次串接的第一级功率放大电路、第二级功率放大电路和第三级功率放大电路；所述第一级功率放大电路主要包括磷化镓铟异质结双级晶体管的信号源级功率放大器；所述第二级功率放大电路主要包括砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器；所述第三级功率放大器主要包括氮化镓高电子迁移率晶体管。

2.如权利要求1所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述第一级功率放大器电路还包括电容器C1、电容器C2；所述电容器C1的正极连接约为1毫瓦的射频输入功率，所述电容器C1的负极连接所述磷化镓铟异质结双级晶体管的输入端，所述磷化镓铟异质结双级晶体管的一个输出端分别连接电容器C2的正极和5伏特的偏置电压。

3.如权利要求2所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述第二级功率放大电路还包括电容器C3、电容器C4、电容器C5、电容器C6、阻抗Z1和阻抗Z2，其中：所述第一级功率放大器电路的电容器C2的负极连接所述第二级功率放大电路中的电容器C3的正极，所述电容器C3的负极分别连接电容器C4的正极和阻抗Z1的输入端，所述阻抗Z1的输出端连接所述砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器的输入端，所述砷化镓异质结双级晶体管的驱动级放大器的输出端分别连接阻抗Z2的输入端以及5.伏特的偏置电压；所述阻抗Z2的输出端分别连接电容器C5的正极和电容器C6的正极；所述电容器C4的负极、C5的负极接地。

4.如权利要求3所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述第三级功率放大电路还包括电容器C7、电容器C8、电容器C9、电容器C10、电容器C11、阻抗Z3、阻抗Z4、阻抗Z5、阻抗Z6、阻抗Z7，其中：所述第三级功率放大电路中的电容器C6的负极连接所述第三级功率放大电路中的电容器C7的正极，所述电容器C7的负极连接阻抗Z3的输入端，所述阻抗Z3的输出端分别连接电容器C8的正极和阻抗Z4的输入端，所述阻抗Z4的输出端连接氮化镓高电子迁移率晶体管的栅极，所述氮化镓高电子迁移率晶体管的漏级分别连接阻抗Z5的输入端和48伏特的偏置电压，所述阻抗Z5的输出端分别连接电容器C9的正极和阻抗Z6的输入端，所述阻抗Z6的输出端分别连接电容器C10的正极和阻抗Z7的输入端，所述阻抗Z7的输出端连接电容器C11的正极；所述电容器C8的负极、电容器C9负极、电容器C10的负极均接地。

5.如权利要求4所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述氮化镓高电子迁移率晶体管材料为硅上的氮化镓材料，可以达到2.45GHz的超高频率，满足无线电能传输装置的需求，栅极供电电压必须是负压，工作模式为D模式。

6.如权利要求5所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述第一级功率放大电路的输入功率范围为1-2毫瓦，输出功率范围为30-40毫瓦，所述第二级功率放大电路的输出功率范围为0.5-1瓦；所述第三级功率放大电路的输出功率范围为40-45瓦。

7.如权利要求6所述的射频功率放大器系统，其特征在于，所述电感器L1和电容器C12构成了第一偏置电路；所述电感器L2和电容器C13构成了第二偏置电路；所述电感器L3和L4构成了第三偏置电路；所述第一偏置电路、第二偏置电路和第三偏置电路均用于当直流输入时导通，交流输入时断开。