CN110492624A - 整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统 - Google Patents

整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统 Download PDF

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CN110492624A CN201910631909.XA CN201910631909A CN110492624A CN 110492624 A CN110492624 A CN 110492624A CN 201910631909 A CN201910631909 A CN 201910631909A CN 110492624 A CN110492624 A CN 110492624A
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Abstract

本发明涉及一种整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统，整流电路包括：电路输入端；电路输出端；连接在电路输入端和电路输出端之间肖特基二极管；肖特基二极管包括：衬底；绝缘层，设置于衬底的上表面；第一外延层，设置于绝缘层的上表面；第二外延层，设置于第一外延层的上表面，且与第一外延层之间形成有二维电子气；第三外延层，设置于第二外延层的上表面；第三外延层上设置有第一凹槽；第一凹槽内填充有绝缘材料；第一金属电极，设置于第三外延层上，且设置于第一凹槽的一侧；第二金属电极，设置于第三外延层上，且设置于第一凹槽的另一侧。本发明的整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统，能量转换效率得到大幅提升。

Description

整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统。
背景技术
无线能量传输系统(Wireless Power Transfer,WPT)是指能够突破传输线限制在空间中输送电能的系统装置，其中以电磁波(微波波段)作为输入能量的这类特定的使用发射天线到接收天线的点对点的传播方式所构成的无线能量传输系统被称为微波无线能量传输系统(Microwave Power Transfer,MPT)。利用微波无线能量传输系统能够将环境中的自由电磁能转化为直流电，输送电能时，突破了传输线的限制、简单方便、灵活性强、传输距离远、减少输电线的架设，并且这种结构不需要频繁更换电池，是一种环保电源，具有非常大的应用前景。
整流二极管作为整个系统中的核心器件，担负着将射频微波能量转换成为直流能量的关键任务，其决定着整流电路的性能，选择适合应用场景的整流二极管非常重要；肖特基二极管由于其开关速度快、损耗小、低功耗、低正向导通电压、恢复时间快、适合高频工作等优势作为整流二极管被广泛应用于整流电路。
电路的整流功能是由二极管的非线性特性所实现的，但是由于其非线性特性的存在，将会产生高次谐波，进而影响整个系统的能量转换效率。现有技术中也有专门抑制谐波产生的整流电路设计，但获得的能量转换效率依然不高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种整流电路、整流天线和微波无线能量传输系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方便提供了一种整流电路，包括：
电路输入端；
电路输出端；
第一滤波器，输入端连接所述电路输入端；
阻抗匹配电路，其输入端连接所述第一滤波器的输出端；
肖特基二极管，其输入端连接所述阻抗匹配电路的输出端；
第二滤波器，其输入端连接所述肖特基二极管的输出端，其输出端连接所述电路输出端；
其中，所述肖特基二极管包括：
衬底；
绝缘层，设置于所述衬底的上表面；
第一外延层，设置于所述绝缘层的上表面；
第二外延层，设置于所述第一外延层的上表面，且与所述第一外延层之间形成有二维电子气；
第三外延层，设置于所述第二外延层的上表面；所述第三外延层上设置有第一凹槽；所述第一凹槽内填充有绝缘材料；
第一金属电极，设置于所述第三外延层上，且设置于所述第一凹槽的一侧；并与所述阻抗匹配电路的输出端连接；
第二金属电极，设置于所述第三外延层上，且设置于所述第一凹槽的另一侧；并与所述第二滤波器的输入端连接。
在本发明的一个实施例中，所述第一凹槽底部至所述绝缘层上表面之间的横截面积小于所述第一金属电极与所述第三外延层的接触面积。
在本发明的一个实施例中，所述第一凹槽的厚度等于所述第三外延层的厚度。
在本发明的一个实施例中，所述第一外延层包括第一掺杂区域和第二掺杂区域；所述第一掺杂区域的掺杂浓度为1.8×1020cm-3～5.8×1020cm-3，所述第二掺杂区域的掺杂浓度为1.8×1017cm-3～8.8×1017cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属电极的下底面与所述第三外延层的上表面相接触。
在本发明的一个实施例中，所述第三外延层上设有第二凹槽；所述第一金属电极设置于所述第二凹槽内；且所述第二凹槽的深度为所述第一凹槽深度的1/4～1/3。
本发明的另一个方便提供了一种整流天线，包括接收天线和上述的整流电路，所述接收天线的输出端连接所述整流电路的输入端。
在本发明的一个实施例中，所述整流天线为微带天线，包括依次连接的辐射贴片、阻抗匹配电路和阻抗。
在本发明的一个实施例中，所述辐射贴片长度为27～31mm，宽度为35～38mm。
本发明的又一个方便提供了一种微波无线能量传输系统，包括上述整流天线。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的整流电路通过改变肖特基二极管的结构，使得肖特基二极管的电容降低，整流电路的能量转换效率大幅提升；且电路结构简单，便于设计使用。
2、本发明的整流电路采用的肖特基二极管，通过在第三外延层上设置第一凹槽，且限定第一凹槽底部至所述绝缘层上表面之间的横截面积小于第一金属电极与第三外延层的接触面积，可以降低肖特基二极管的结电容，进而提升能量转换效率；同时，通过在第一外延层和第二外延层之间形成二维电子气，可以获得较高的电子迁移率，减少串联电阻，进一步提升能量转换效率。
3、本发明的整流电路采用的肖特基二极管，通过在肖特基接触的第三外延层上设置第二凹槽，并将第一金属电极设置于第二凹槽内，可以增加导通电流，减小串联电阻，进一步提升能量转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种整流电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种肖特基二极管的结构示意图；
图2a～2w是本发明实施例提供的一种肖特基二极管的制备方法示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种肖特基二极管的结构示意图；
图4是本发明的整流电路中肖特基二极管的等效电路模型图；
图5a～5d是肖特基二极管零偏电容对能量转换效率的影响仿真图；
图6a～6d是肖特基二极管串联电阻对能量转换效率的影响仿真图；
图7是本发明实施例提供的一种整流天线的原理示意图；
图8是本发明实施例提供的一种接收天线的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种整流电路的结构示意图；本实施例的整流电路包括：电路输入端(Vin)；电路输出端(Vout)；第一滤波器，输入端连接所述电路输入端(Vin)；阻抗匹配电路，其输入端连接所述第一滤波器的输出端；肖特基二极管，其输入端连接所述阻抗匹配电路的输出端；第二滤波器，其输入端连接所述肖特基二极管的输出端，其输出端连接所述电路输出端(Vout)。也即，在微波无线能量传输系统的接收端，作为影响其转换效率的关键部分——整流电路从输入端至输出端依次包括相互连接的第一滤波器、阻抗匹配电路、肖特基二极管和第二滤波器。
本实施例中第一滤波器可以是隔直电容，作为输入滤波器，对来自接收天线的RF信号进行滤波，使工作频点的能量低差损通过，阻碍其他频率分量，并对整流二极管产生的高次谐波分量进行反射。同时，第二滤波器可以是微带线和电容，作为输出滤波器，对经肖特基二极管整流的直流信号进行平滑滤波。
本实施例的整流电路的工作原理是：输入滤波器对来自接收天线的RF信号进行滤波，使工作频点的能量低差损通过，阻碍其他频率分量，并对整流二极管产生的高次谐波分量进行反射；肖特基二极管将RF信号整流为DC；整流后的直流电压脉动成分很大，采用输出滤波器进行平滑滤波，以在负载端获得稳定的直流电压。当肖特基二极管截至时，高次谐波被束缚在输入和输出滤波器间，RF能量被反复整流，能够提高肖特基二极管的转换效率。输入滤波器与肖特基二极管之间的匹配由阻抗匹配电路实现。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种肖特基二极管的结构示意图。如图2所示，本实施例的肖特基二极管为折叠空间电荷区肖特基二极管。需要解释的是，本发明的折叠空间电荷区肖特基二极管的“折叠”的意思是：本发明的肖特基二极管在空间电荷区不像传统肖特基二极管只有纵向的空间电荷区，而是由纵向空间电荷区与横向空间电荷区两个部分组合而成，类似将原本纵向的空间电荷区折叠成为两个部分，因此称其为折叠空间电荷区的肖特基二极管。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的结构从下至上依次包括衬底001、绝缘层002、第一外延层003、第二外延层006和第三外延层008，其中，第一外延层003和第二外延层006之间形成有二维电子气007。在第三外延层008上设置有第一凹槽010，第一凹槽010内填充有绝缘材料。在第一凹槽010一侧的第三外延层008上设置有第一金属电极013，在第一凹槽010的另一侧的第三外延层008上设置有第二金属电极015。第一金属电极013作为肖特基接触的阳极，在整流电路中与阻抗匹配电路的输出端连接；第二金属电极015作为欧姆接触的阴极，在整流电路中与第二滤波器的输入端连接。
本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的结构中，衬底001材料可选半导体制造领域常用的Si衬底，绝缘层002材料同样可选用本领域常用的SiO2绝缘材料，第一凹槽010内填充的绝缘材料也可以为SiO2绝缘材料。
本实施例的肖特基二极管的结构由传统的纵向结构设置为纵向和横向的折叠结构，以及通过在第三外延层008上设置第一凹槽010，相对于传统纵向结构的肖特基二极管和横向结构的肖特基二极管，折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容降低，应用于整流天线中时，能量转换效率得到提升。
本实施例的肖特基二极管的结构可以进一步限定第一凹槽010底部至所述绝缘层002上表面之间的横截面积(坐标轴y和坐标轴z所组成的平面)小于第一金属电极013与第三外延层008的接触面积。这样设计的目的是，在本发明的结构中，肖特基二极管的电荷区分为纵向电荷区和横向电荷区，当电子穿过横向电荷区的横截面积小于电子穿过纵向电荷区的面积时，肖特基二极管的等效电容中横向结电容将减小，横向结电容的减小会使肖特基二极管等效总结电容减小从而使得能量转换效率大幅度提高。
需要说明的是，本实施例中限定“第一金属电极013与第三外延层008的接触面积”而非“第一金属电极013与第三外延层008的横截面积”，是因为第一金属电极013与第三外延层008的位置关系有两种，一种是直接形成于第三外延层008的上表面，而另一种是先在第三外延层008与第一金属电极013接触处刻槽，再将第一金属电极013沉积于槽内；在第二种方式中，第一金属电极013的底面和部分侧面都会和第三外延层008接触，所有接触部分均有电子通过，形成空间电荷区。
本实施例的整流电路通过改变肖特基二极管的结构，使得肖特基二极管的电容降低，整流电路的能量转换效率大幅提升。具体地，本实施例的肖特基二极管通过在第三外延层008上设置第一凹槽010，且限定第一凹槽010底部至所述绝缘层002上表面之间的横截面积小于第一金属电极013与第三外延层008的接触面积，可以降低肖特基二极管的等效总结电容，进而提升能量转换效率；同时，通过在第一外延层003和第二外延层006之间形成二维电子气007，可以获得较高的电子迁移率，减少串联电阻，进一步提升能量转换效率。
本实施例的整流电路的形式可以是半波整流电路，全波整流电路或桥式整流电路；优选半波整流电路，肖特基二极管采用单管串联的方式，电路结构更加简单。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，对本发明整流电路的各部件及肖特基二极管的结构做细化说明。
滤波器在射频电路汇总的主要作用是选择频带或者消除谐波，实现方式分为有源和无源两种，有源对信号具有一定的放大及直流功耗；无源设计简单，在高频工作状态下性能良好，多用于微波射频电路系统；使用形式上有LC滤波器、微带电路滤波器、介质滤波器及腔体滤波器等。对于工作在射频频段的微波整流电路，采用无源微带电路滤波器更合适。
整流二极管产生的谐波主要以二次和三次谐波为主，三次以上高次谐波能量非常小，对电流的影响基本可以忽略；因此，本发明的输入滤波器优选为五阶。本发明适用的五阶滤波器类型包括Buterworth(巴特沃斯)滤波器、Chebyshev(切比雪夫)滤波器和椭圆函数滤波器。作为本发明的一种优选方式，本实施例采用的输入滤波器为五阶巴特沃斯低通滤波器。
本实施例的整流电路采用的肖特基二极管的第一外延层003的厚度为0.20～0.30μm，第二外延层006的厚度为0.01～0.02μm，第三外延层008的厚度为0.05～0.10μm，第一凹槽010的深度不大于第三外延层008的厚度。第一外延层003、第二外延层006和第三外延层008厚度参数的选取是由肖特基二极管外延层的总厚度，以及能产生二维电子气007的异质结的厚度，以及第一凹槽的深度综合决定的。而第一凹槽010的深度优选与第三外延层008厚度相等，或略小于第三外延层008的厚度；如果比第三外延层008厚度小太多，则折叠效果不明显；如果大于第三外延层008的厚度，则会影响第二外延层006和第一外延层003之间形成二维电子气007。
本实施例的第一外延层003包括第一掺杂区域0031和第二掺杂区域0032，第一掺杂区域0031在欧姆接触的一侧，第二掺杂区域0032在肖特基接触的一侧；作为一种实施方式，第一掺杂区域0031的掺杂浓度为1.8×1020cm-3～5.8×1020cm-3，所述第二掺杂区域0032的掺杂浓度为1.8×1017cm-3～8.8×1017cm-3。第一掺杂区域0031的掺杂浓度优选为2.0×1020cm-3，第二掺杂区域0032的掺杂浓度优选为6.8×1017cm-3。
作为一种实施方式，第一外延层003的材料是GeSn，第二外延层006的材料是SiGeSn，第三外延层008的材料是GeSn；第一外延层003掺杂，第二外延层006和第三外延层008不掺杂；异质结掺杂GeSn和SiGeSn之间产生二维电子气007。
作为另一种实施方式，第一外延层003的材料是GaN，第二外延层006的材料是AlGaN，第三外延层008的材料是GaN；第一外延层003掺杂，第二外延层006和第三外延层008不掺杂；异质结掺杂GaN和AlGaN之间产生二维电子气007。
本发明的结构中，第一外延层003和第二外延层材料006不同，之间形成异质结，产生二维电子气007；第三外延层006的材料与第一外延层003材料相同。
需要说明的是，本发明的结构中，并不局限于上述两种能产生二维电子气007的实施方式，所有可以产生二维电子气007的异质结材料均可以。
二维电子气007是两种不同的半导体材料形成异质结时，由于两种不同的半导体材料之间电子的运动而产生的。当采用在第一外延层003掺杂，而第二外延层006不掺杂的工艺时，则在异质结界面附近的本征半导体一侧有电子势阱，而在掺杂半导体一侧有电子势垒；由于势阱中的二维电子气是处在本征半导体一边，而该处不存在电离杂质中心的散射作用，因此，这些二维电子气沿着平面方向运动的迁移率将非常高(特别是在较低温度下、晶格振动减弱时)；而二维电子气的高迁移率将会减小肖特基二极管的串联电阻，从而进一步提高能量转换效率。
第一金属电极013为肖特基接触形成的阳极，对应地，第二金属电极015为欧姆接触形成的阴极。本实施例中，第一金属电极013的下底面与第三外延层008的上表面相接触，也即，第一金属电极013直接沉积于第三外延层008的上表面上。
当第一外延层003的材料为GeSn，第二外延层006的材料为SiGeSn，第三外延层008的材料为GeSn时，第一金属电极013即阳极材料优选为金属W，厚度为0.07～0.09μm；阴极材料为金属Al，厚度为0.07～0.09μm。该结构的肖特基二极管适用于2.45GHz频率下的整流电路。
当第一外延层003的材料为GaN，第二外延层006的材料为AlGaN，第三外延层008的材料为GaN时，第一金属电极013即阳极材料优选为金属Pt、Ti或Au，厚度为0.07～0.09μm；阴极材料为金属Al，厚度为0.07～0.09μm。该结构的肖特基二极管除了适用于2.45GHz频率下的整流电路，更适用于4.8GHz频率下的整流电路。
本实施例的整流电路，在实施例一的基础上，进一步优化结构中各参数的选择，可以实现整流电路的更高的能量转换效率。
下面对本实施例的整流电路中肖特基二极管的制备方法进行说明。
请参见图2a～2w，本实施例的肖特基二极管的制备方法包括以下步骤：
S201，如图2a所示，选取Si衬底001。
S202，如图2b所示，在Si衬底001上通过氧化生成一层SiO2，作为绝缘层002。
S203，如图2c所示，利用PECVD工艺在绝缘层002上淀积一层厚度为0.20～0.30μm的第一外延层003，温度为250～450℃。
S204，如图2d所示，在所述第一外延层003的上表面加一层第一光刻胶004。
S205，如图2e所示，对准备形成轻掺杂的第一曝光区曝光，在200～300℃的低温下，采用离子注入，对所述第一曝光区进行P离子注入形成第二掺杂区域；掺杂浓度为1.8×1017cm-3～8.8×1017cm-3，优选为2.8×1017cm-3。
S206，如图2f所示，去除表面光刻胶。
S207，如图2g所示，在所述第一外延层003上涂抹第二光刻胶005，并对准备形成重掺杂的第二曝光区曝光。
S208，如图2h所示，在200～300℃的低温下，采用离子注入，对所述第二曝光区进行P离子注入形成第一掺杂区域；第一掺杂区域的掺杂浓度为1.8×1020cm-3～5.8×1020cm-3，优选为3.8×1020cm-3。
S209，如图2i所示，去除第二光刻胶005；
S210，如图2j所示，利用PECVD工艺在第一外延层003上淀积一层厚度为0.01～0.02μm的第二外延层006，温度为250～450℃。
S211，如图2k所示，第二外延层006与第一外延层003之间形成异质结，进而产生二维电子气007。第一外延层003和第二外延层006的材料的选择以能够能形成异质结并产生二维电子气007为标准，本发明优选两组材料：第一外延层003的材料为GeSn，第二外延层006的材料为SiGeSn，第三外延层008的材料为GeSn，异质结掺杂GeSn和SiGeSn之间产生二维电子气007；第一外延层003的材料为GaN，第二外延层006的材料为AlGaN，第三外延层008的材料为GaN，异质结掺杂GaN和AlGaN之间产生二维电子气007。
S212，如图2l所示，利用PECVD工艺在第二外延层006上淀积一层厚度为0.05～0.1um的第三外延层008，温度为250～450℃。
S213，如图2m所示，在所述第三外延层008的上表面加一层第三光刻胶009。
S214，如图2n所示，对所述第三外延层008的中间区域曝光。
S215，如图2o所示，采用干法刻蚀工艺对曝光区域进行刻蚀，形成第一凹槽010；第一凹槽010的深度不大于所述第三外延层008的厚度，优选等于所述第三外延层008的厚度，为0.05～0.1μm。
S216，如图2p所示，去除第三外延层008表面的第三光刻胶009。
S217，如图2q所示，在750℃～850℃温度下，采用CVD工艺在所述第三外延层的上表面淀积SiO2材料010，并将上述凹槽填满；采用CMP方法去除所述凹槽之外的SiO2。
S218，如图2r所示，在所述第三外延层008的上表面涂抹第四光刻胶012。
S219，如图2s所示，对阳极区域曝光。
S220，如图2t所示，采用电子束蒸发工艺在所述阳极区域淀积金属形成肖特基接触的第一金属电极013。
本实施例中，第一金属电极013的下底面与第三外延层008的上表面相接触，也即，第一金属电极013直接沉积于第三外延层008的上表面上。
S221，如图2u所示，在所述第三外延层008的上表面涂抹第五光刻胶014，并对阴极区域曝光。
S222，如图2v所示，采用电子束蒸发工艺在所述阴极区域淀积金属形成欧姆接触的第二金属电极015。
S223，如图2w所示，去除第三外延层008的上表面的第五光刻胶014，形成器件。
实施例三
当采用在折叠结构的肖特基二极管的外延层上刻槽来提升能量转换效率的技术方案时，会因为第一凹槽的存在带来肖特基二极管电子略下降的问题，为了增加导通电流，本发明整流电路的肖特基二极管进一步设计了实施例三的技术方案。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的又一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构示意图。本实施例与实施例二不同之处在于第一金属电极013与第三外延层008的接触方式，即：在第三外延层008的上表面上设有第二凹槽016；第一金属电极013设置于第二凹槽016内，且凸出于第三外延层008的上表面；第一金属电极013的侧面和底面均与第二凹槽016有接触。优选地，第二凹槽016的深度为第一凹槽010深度的1/4～1/3。需要说明的是，第一金属电极013与第二凹槽016的相对位置关系是由第二凹槽016和第一凹槽010之间的位置关系以及第一金属电极013的厚度决定的。
本实施例通过在将阳极设置于第二凹槽016内，可以增加导通电流，克服上述实施例存在的电流略降低的缺陷，且可以减小串联电阻，进一步提升能量转换效率。
本实施例的肖特基二极管的制备方法与实施例二中的制备方法基本相同，区别仅在于第一金属电极013并非直接淀积在第三外延层008上表面所在的水平面上，而是通过在阳极区域的第三外延层008的上表面先刻蚀第二凹槽016，然后再在第二凹槽016内淀积金属形成第一金属电极013，形成阳极。制备方法在此不再详细描述。
在上述实施例的基础上，下面对本发明的折叠空间电荷区肖特基二极管的原理及仿真效果进行说明。
请参见图4，图4是本发明的折叠空间电荷区肖特基二极管的等效电路模型图。图中，Rs为接触电阻，Cp是封装引入的寄生电容，Rj与Cj分别为肖特基二极管的结电阻与结电容。由图4中可知，肖特基二极管的Spice参数与整流电路整流效率密切相关。利用ADS工具，对Ge肖特基二极管SPICE模型的零偏电容Cj0、串联电阻进行参数扫描，扫描结果见图5a-5d和图6a-6d。
由图5a-5d可见，通过对器件SPICE模型中零偏电容的调整，观察到降低零偏电容有利于整流效率的提升，并且有利于后续匹配电路的设计。
进一步分析串联电阻对整流效率的影响，从图6a-6d转换效率曲线的最高点可以看出，随着肖特基整流二极管串联电阻的减小，整流电路的效率将会增大。
综上，零偏电容小、串联电阻小可有效提高肖特基二极管整流电路的整流效率；由于零偏电容是未施加电压时空间电荷区的结电容，因此可知，在整流电路中使用时，通过降低肖特基二极管的结电容、串联电阻可有效提高肖特基二极管整流电路的整流效率。
下面对本发明整流电路采用的肖特基二极管的电容进行原理分析。
折叠空间电荷区的肖特基二极管在不加偏压时，金属与半导体接触后形成的空间电荷区宽度已经达到器件结构中半导体材料的纵向厚度，即不加偏压时已经纵向耗尽，施加偏压后只在横向耗尽，这类肖特基二极管被称为全耗尽肖特基二极管。本发明以全耗尽肖特基二极管作用研究的基础。
折叠空间电荷区的肖特基二极管由于空间电荷区被分为纵向空间电荷区与横向空间电荷区，所以其电容也被分为两个部分，分别为纵向空间电荷区的电容与横向空间电荷区的电容。在器件的模型中，这两部分电容属于串联关系，由于电容串联的特性，总电容大小将会减小。由横向空间电荷区产生的横向结电容被定义为Cl，由纵向空间电荷区产生的纵向结电容定义为Ct，此时的总电容即为两个电容的串联值，即CJ＝Ct//Cl＝(CtCl)/(+CtCl)。
横向结电容的电容模型为：
式中，Al为横向电荷区电子穿过面积，C0＝[qNdεs/(2Vbi)]1/2为理想情况下肖特基二极管的纵向结电容，Vbi为肖特基二极管金属-半导体接触的内建电势差，VR为肖特基二极管上所施加的反向电压，VPT为肖特基二极管纵向穿通电压。
纵向结电容的电容模型为：
式中，At为纵向电荷区电子穿过面积，εs指外延层材料的介电常数，Tepi指折叠空间电荷区肖特基二极管的外延层掺杂厚度。
基于纵向空间电荷区电容模型与横向空间电荷区电容模型，可以得到折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容模型如式(3)所示，其为横向空间电荷区与纵向空间电荷区电容的串联形式，相比于传统的纵向肖特基二极管，在电容大小上大大减小肖特基二极管的总结电容。
将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，得到全耗尽折叠空间电荷区肖特基二极管的总结电容为：
在公式(4)中，由于第一凹槽的存在，且限定第一凹槽底部至所述绝缘层上表面之间的横截面积小于第一金属电极与第三外延层的接触面积，使得横向电荷区电子穿过面积Al变小，Al变小会使总结电容CJ变小；而总结电容的变小，使得能量转换效率提高。
本发明的肖特基二极管通过设置第一凹槽实现折叠结构，使肖特基二极管的电容分为纵向结电容和横向结电容，纵向结电容和横向结电容串联，以及横向结电容的减小，使得肖特基二极管的总结电容减小。根据前述的研究结论，在整理电路具体工作时，肖特基二极管的总结电容减小可有效提高肖特基二极管整流电路的整流效率。
实施例四
请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种整流天线的原理示意图。本实施例的整流天线包括接收天线，以及与接收天线连接的上述实施例的整流电路。
作为一种优选方式，本实施例采用的接收天线为微带天线。微带型天线是在一块厚度远远小于波长的介质基片的一面，敷上金属辐射片所组成的，与其他类型天线相比较，具有质量轻，体积小，易于集成与制造等优点。本实施例采用矩形微带天线，使用微带线馈电方式，介质基板采用FR4环氧树脂板，其厚度h＝1.6mm，介电常数εr＝4.4。
请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种接收天线的结构示意图。本实施例的接收天线包括依次连接的辐射贴片401、阻抗匹配电路402和阻抗403。接收天线的阻抗403为电磁波输入端口，辐射贴片401与整流电路的输入端连接。
本实施例的接收天线在设计时，微带天线的馈电点选在金属辐射贴片的中点，也即馈电点与辐射贴片的边缘距离为辐射贴片宽度的一半。天线设计的时候必须要考虑阻抗的匹配问题，根据目前微波无限能量系统采用的50欧姆阻抗匹配系统，本实施例使用四分之一波长阻抗匹配电路进行阻抗匹配，根据阻抗匹配条件公式，计算可以得到四分之一波长阻抗匹配电路的特性阻抗为80欧姆。本实施例的辐射贴片长度为27～31mm，宽度为35～38mm。
为了获得最佳的天线性能，作为一种优选方式，本实施例的接收天线的电路参数见表1所示：
表1
本实施例的整流天线，在整流电路中肖特基二极管改进的基础上，具体设计更优的接收天线参数，能够使得整流天线具备结构简单、能量转换效率高的优点。
实施例五
本实施例提供了一种微波无线能量传输系统，包括微波能量发射端和接收端，其接收端包括实施例四中的整流天线。
将上述实施例的整流电路，搭建微波无线能量传输系统进行能量转换效率仿真，具体包括工作在2.45GHz和5.8GHz频率下的微带天线，利用ADS软件设计在此频率下的输入滤波器，以及本发明的整流电路，完成对整个微波无线能量传输系统的仿真。
以本发明实施例二中的肖特基二极管的整流电路，工作在2.45GHz频率下的微带天线，第一外延层和第二外延层材料为GeSn和SiGeSn进行仿真设计，仿真结果显示，能量转换效率最高为77.8％。
以本发明实施例二的中的肖特基二极管的整流电路，工作在5.8GHz频率下的微带天线，第一外延层和第二外延层材料为GaN和AlGaN进行仿真设计，仿真结果显示，能量转换效率最高为77.3％。
以本发明实施例三的肖特基二极管的整流电路，工作在2.45GHz频率下的微带天线，第一外延层和第二外延层材料为GeSn和SiGeSn进行仿真设计，仿真结果显示，能量转换效率最高为78.0％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种整流电路，其特征在于，包括：
电路输入端(Vin)；
电路输出端(Vout)；
第一滤波器，输入端连接所述电路输入端(Vin)；
阻抗匹配电路，其输入端连接所述第一滤波器的输出端；
肖特基二极管，其输入端连接所述阻抗匹配电路的输出端；
第二滤波器，其输入端连接所述肖特基二极管的输出端，其输出端连接所述电路输出端(Vout)；
其中，所述肖特基二极管包括：
衬底(001)；
绝缘层(002)，设置于所述衬底(001)的上表面；
第一外延层(003)，设置于所述绝缘层(002)的上表面；
第二外延层(006)，设置于所述第一外延层(003)的上表面，且与所述第一外延层(003)之间形成有二维电子气(007)；
第三外延层(008)，设置于所述第二外延层(006)的上表面；所述第三外延层(008)上设置有第一凹槽(010)；所述第一凹槽(010)内填充有绝缘材料；
第一金属电极(013)，设置于所述第三外延层(008)上，且设置于所述第一凹槽(010)的一侧；并与所述阻抗匹配电路的输出端连接；
第二金属电极(015)，设置于所述第三外延层(008)上，且设置于所述第一凹槽(010)的另一侧；并与所述第二滤波器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一凹槽(010)底部至所述绝缘层(002)上表面之间的横截面积小于所述第一金属电极(013)与所述第三外延层(008)的接触面积。
3.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一凹槽(010)的厚度等于所述第三外延层(008)的厚度。
4.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一外延层(003)包括第一掺杂区域(0031)和第二掺杂区域(0032)；所述第一掺杂区域的掺杂浓度为1.8×1020cm-3～5.8×1020cm-3，所述第二掺杂区域的掺杂浓度为1.8×1017cm-3～8.8×1017cm-3。
5.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一金属电极(013)的下底面与所述第三外延层(008)的上表面相接触。
6.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第三外延层(008)上设有第二凹槽(016)；所述第一金属电极(013)设置于所述第二凹槽(016)内；且所述第二凹槽(016)的深度为所述第一凹槽(010)深度的1/4～1/3。
7.一种整流天线，其特征在于，包括接收天线和权利要求1～6任一项所述的整流电路，所述接收天线的输出端连接所述整流电路的输入端。
8.根据权利要求7所述的整流天线，其特征在于，所述整流天线为微带天线，包括依次连接的辐射贴片(401)、阻抗匹配电路(402)和阻抗(403)。
9.根据权利要求8所述的整流天线，其特征在于，所述辐射贴片长度为27～31mm，宽度为35～38mm。
10.一种微波无线能量传输系统，其特征在于，包括权利要求7～9任一项所述的整流天线。
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