CN108377153B - 半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波工程技术领域，具体为一种半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块。包括介质板，其上表面有依次连接的输入传输线单元、半导体功率放大器单元、第二输出传输线单元、阻抗过渡单元和第一输出传输线单元，同半导体功率放大器单元连接直流供电单元，以及第一层地；其中间各夹层的结合面依次设有中间层地组和末层层地；其底面设有微带天线；第一层地和中间层地组连接，第一输出传输线单元和微带天线连接。本发明，缩短传输路径，优化设计传输线及其连接，显著降低了结构尺寸和路径损耗,并且体积紧凑。

Description

半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块
技术领域
本发明属于微波工程技术领域，具体涉及一种半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块。
背景技术
微波输能系统（Wireless Power Transmission，WPT）最先是为军事应用和太空电站而研发的。与电磁感应和磁谐振相比，WPT工作在高频（2.45GHz和5.8GHz），具有传输距离远的优点。目前民用无线输能的主要方式仍然限于接触式，因此能远距离无线输能的WPT开始成为室内无线输能的研究热点，这就对WPT的尺寸和成本提出了要求。
经对现有技术的文献检索发现，2013年6月Paul Jaffe等人在Proceedings ofthe IEEE（电气与电子工程师协会会报）第101卷第6期上发表了 “Energy Conversion and
Transmission Modules for Space Solar Power（空间太阳能的能量转换和传输模型）”，文中使用了氮化镓功率放大器，实现了在2.45GHz处的15瓦输出功率。检索中还发现，2015年7月Xin Wang等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS（微波和无线传播快报）第13卷上发表了“Wireless Power Delivery to Low-Power MobileDevices Based on Retro-Reflective Beamforming（基于重反射波束赋形的低功耗移动设备无线输能传输）”，文中的发射端采用了砷化镓功率放大器，输出功率为1瓦（2.108GHz），具有对移动目标跟踪的能力。这些工作中的功率放大器和天线是分立的，使用同轴线进行连接。
发明内容
本发明目的在于提供一种尺寸小，损耗小的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，使其能够解决现有微波输能发射端尺寸过大、路径损耗大的不足。
本发明所提供的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，包括一个起支撑作用的多层的介质板4和一个输入端口；
所述介质板4的顶面上设有输入传输线单元（1）、第一层地3、第一输出传输线单元6、阻抗过渡单元7、第二输出传输线单元8、半导体功率放大器单元9和直流供电单元12；
所述输入传输线单元（1）、半导体功率放大器单元9、第二输出传输线单元8、阻抗过渡单元7和第一输出传输线单元6依次连接，所述直流供电单元12同半导体功率放大器单元9连接；
所述介质板4中间各夹层的结合面从上而下依次设有中间层地组10和末层层地11；所述中间层地组10包含有若干个层地，所述末层层地11设置于介质板4中间所有夹层的最后一层；
所述介质板4的底面设有微带天线13；
所述介质板4上还设有若干个贯穿第一层地3和中间层地组10的过孔2，第一层地3和中间层地组10的各层地通过过孔2连接起来，为电路电流提供回流路径；
所述介质板4上还设有一个贯穿整个介质板4的通孔5，第一输出传输线单元6和微带天线13通过通孔5连接，且不同其他各层地层连接。
本发明中，所述第一层地3铺设于介质板4的顶面的局部区域，中间层地组10位于第一层地3对应的正下方；末层层地11则铺满整个夹层，作为微带天线13的地平面。
本发明中，所述中间层地组10的层地数量优选2~8个；具体层数按照设计需求和成本决定。
本发明中，所述第二输出传输线单元8的宽度小于第一输出传输线单元6的宽度。
本发明中，所述末层层地11上设有一个与通孔5同圆心的圆形缝隙14，以此使第一输出传输线单元6尾端和微带天线13通过通孔5连接时，能避开末层层地11。
本发明中，输入传输线单元（1）和半导体功率放大器9输入管脚相连，半导体功率放大器9输出管脚和第二输出传输线单元8相连，第二输出传输线单元8、阻抗过渡单元7和第一输出传输线单元6；第一输出传输线单元6的尾端和通孔5相连。
本发明中，所述的输入传输线单元（1）、第二输出传输线单元8、直流供电单元12、第一层地3、中间层地组10、末层层地11、过孔2、通孔5、阻抗过渡单元7、第一输出传输线单元6和微带天线13均为导体。
本发明中，所述的圆形缝隙14是在末层层地11上刻蚀去圆形，而形成的圆形缝隙结构。
本发明中，所述的输入传输线单元（1）外接信号源，外加的激励信号通过半导体功率放大器9，实现对信号进行放大；半导体功率放大器9通过第二输出传输线单元8、阻抗过渡单元7、第一输出传输线单元6、通孔5连接到微带天线13，实现信号的定向空中传输。
本发明中，所述的输入传输线单元（1）和第二输出传输线单元8是50ΩCPW结构，第一输出传输线单元6是50Ω均匀微带线。
本发明中，所述微带天线13为-10dB带宽覆盖5.77GHz-5.83GHz。
本发明中，所述介质板4的介电常数为2.2。
本发明采用半导体功率放大器件和天线一体化设计，与传统的功率放大器和天线分立结构相比，缩小了结构尺寸。本发明通过正面的半导体功率放大器实现信号的高效放大，通过优化传输线和过孔的结构尺寸实现低损耗的传输；通过优化天线尺寸实现低损耗的空中传输。本发明覆盖5.8GHz并在5.8GHz处产生的衰减小于-20dB，通过半导体功率放大器和天线一体化设计，缩短传输路径，优化设计传输线及其连接，显著降低了结构尺寸和路径损耗,并且体积紧凑。
附图说明
图1为本发明多层发射模块的正面结构示意图。
图2为本发明多层发射模块的反面结构示意图。
图3为本发明多层发射模块的频率特性示意图。
图中标号：1为输入传输线单元，2为过孔，3为第一层地，4为介质板，5为通孔，6为第一输出传输线单元，7为阻抗过渡单元，8为第二输出传输线单元，9为半导体功率放大器单元，10为中间层地组，11为末层层地，12为直流供电单元，13为微带天线，14为圆形缝隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：包括一个起支撑作用的介质板，一个输入端口，输入端口位于介质板的正面。输入端口和输入信号连接。
所述介质板4的正面有：输入传输线单元（1）、半导体功率放大器单元9、第二输出传输线单元8、直流供电单元12、第一层地3、若干个连接第一至末层层地的过孔2、连接第一层地3和底层的微带天线13的通孔5、阻抗过渡单元7和第一输出传输线单元6。
介质板4的底面有：通孔5的开孔和微带天线13；
介质板4内部设有四个夹层，第二、三、四层地作为中间层地组10，设置于上面三层夹层上，第五层地（即末层层地11）设置于第四层夹层上，介质板4内部还设有连接第二、三、四、五层地的过孔2、连接第1、6层的通孔5、末层层地11上与通孔5共圆心的圆形缝隙14。如图2所示。
输入传输线单元（1）和半导体功率放大器单元9相接，输出传输线单元8和半导体功率放大器单元9相接；半导体功率放大器单元9和直流供电单元12相接；第二输出传输线单元8和阻抗过渡单元7相接，阻抗过渡单元7和第一输出传输线单元6相接；第一输出传输线单元6通过通孔5和微带天线13连接。
第一、二、三、四、五层地通过过孔2连接在一起；第五层地上有与通孔5共圆心的圆形缝隙14。
所述的输入传输线单元（1）和第二输出传输线单元8是CPW结构，通过优化中间微带线宽度和其与两侧地之间缝隙的宽度控制阻抗，实现50Ω阻抗。
所述的半导体功率放大器单元9，是基于氮化镓或砷化镓的有源器件，频率覆盖4.9GHz-5.9GHz。
所述的阻抗过渡单元7为等腰梯形结构，连接输出传输线单元8和输出传输线单元6，实现CPW结构到微带线的过渡。
所述的第一输出传输线单元6，是微带线结构，阻抗为50Ω。
所述的通孔5和圆形缝隙14配合，通过优化两者结构尺寸，实现50 阻抗。
所述的第一层地3铺设于介质板4的顶面的局部区域，具体为输入传输线单元（1）、半导体功率放大器单元9、第二输出传输线单元8和直流供电单元12周围，且空开第一输出传输线单元6周围区域；第二、三、四层地位于第一层地3正下方，在夹层中铺设同样面积；通过过孔2连成一体，为电路电流提供回流路径；第五层地（即末层层地11）则铺满整个夹层平面。所述的末层层地11作为微带天线13的地平面。
所述的微带天线13，其特征在于，-10dB带宽覆盖5.77GHz-5.83GHz。
所述的输入传输线单元（1）、输出传输线单元8、直流供电单元12、第1层地3、第2、3、4层地10、第5层地11、过孔2、通孔5、阻抗过渡单元7、输出传输线单元6、微带天线13均为导体。
所述的圆形缝隙14是在第5层地11上刻蚀去圆形，而形成的圆形缝隙结构。
所述的介质板4为低损耗介质，其介电常数为2.2。
本实施例所述的传输线单元（1）外接信号源，外加的激励信号通过半导体功率放大器9，实现对信号进行放大；半导体功率放大器9通过输出传输线单元8、阻抗过渡单元7、输出传输线单元6、通孔5连接到微带天线13，实现信号的定向空中传输。体积紧凑的半导体功率放大器能高效放大信号，微带天线能进行空中定向传输，优化的传输线和过孔能实现低损耗的互连，将半导体功率放大器和天线一体化地集成在同一个PCB板子上。
如图3所示, 本实施例的频率特性包括： S11（回波损耗）参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表幅度变量，单位为dB。本发明的多层发射模块的通带是5.77GHz-5.83GHz, S11参数在通带内小于-10dB，在5.8GHz处小于-20dB。

Claims (9)

1.一种半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，包括一个起支撑作用的多层的介质板（4）和一个输入端口；
所述介质板（4）的顶面上设有输入传输线单元（1）、第一层地（3）、第一输出传输线单元（6）、阻抗过渡单元（7）、第二输出传输线单元（8）、半导体功率放大器单元（9）和直流供电单元（12）；
所述输入传输线单元（1）、半导体功率放大器单元（9）、第二输出传输线单元（8）、阻抗过渡单元（7）和第一输出传输线单元（6）依次连接，所述直流供电单元（12）同半导体功率放大器单元（9）连接；
所述介质板（4）中间各夹层的结合面从上而下依次设有中间层地组（10）和末层层地（11）；所述中间层地组（10）包含有若干个层地，所述末层层地（11）设置于介质板（4）中间所有夹层的最后一层；
所述介质板（4）的底面设有微带天线（13）；
所述第一层地（3）铺设于介质板（4）的顶面的局部区域，具体为输入传输线单元（1）、半导体功率放大器单元（9）、第二输出穿输线单元（8）和直流供电单元（12）周围，且空开第一传输线单元（6）周围区域；中间层地组（10）的若干层地位于第一层地（3）正下方，在夹层中铺设同样面积；第一层地（3）和中间层地组（10）的各层地通过过孔（2）连接起来，为电路电流提供回流路径；
所述介质板（4）上还设有若干个贯穿第一层地（3）和中间层地组（10）的过孔（2），第一层地（3）和中间层地组（10）的各层地通过过孔（2）连接起来，为电路电流提供回流路径；
所述介质板（4）上还设有一个贯穿整个介质板（4）的通孔（5），第一输出传输线单元（6）和微带天线（13）通过通孔（5）连接，且不同其他各层地层连接；
所述的输入传输线单元（1）和第二输出传输线单元（8）是50ΩCPW结构，第一输出传输线单元（6）是50Ω均匀微带线。
2.如权利要求1所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述第一层地（3）铺设于介质板（4）的顶面的局部区域，中间层地组（10）位于第一层地（3）对应的正下方；末层层地（11）则铺满整个夹层，作为微带天线（13）的地平面。
3.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述中间层地组（10）的层地数量为2~8个。
4.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述第二输出传输线单元（8）的宽度小于第一输出传输线单元（6）的宽度。
5.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述末层层地（11）上设有一个与通孔（5）同圆心的圆形缝隙（14），以此使第一输出传输线单元（6）尾端和微带天线（13）通过通孔（5）连接时，能避开末层层地（11）。
6.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，输入传输线单元（1）和半导体功率放大器（9）输入管脚相连，半导体功率放大器（9）输出管脚和第二输出传输线单元（8）相连，第二输出传输线单元（8）、阻抗过渡单元（7）和第一输出传输线单元（6）；第一输出传输线单元（6）的尾端和通孔（5）相连。
7.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述的输入传输线单元（1）、第二输出传输线单元（8）、直流供电单元（12）、第一层地（3）、中间层地组（10）、末层层地（11）、过孔（2）、通孔（5）、阻抗过渡单元（7）、第一输出传输线单元（6）和微带天线（13）均为导体。
8.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述微带天线（13）为-10dB带宽覆盖5.77GHz-5.83GHz。
9.如权利要求1或2所述的半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块，其特征在于，所述介质板（4）的介电常数为2.2。
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