CN111934566A - 多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，主要解决现有技术微波整流功率低的问题。其从左到右依次由输入端口(1)、匹配电路(2)、隔直电容(3)、输入滤波器(4)、整流器(5)、输出滤波器(6)以及负载(7)连接组成。该整流器采用多个氮化镓肖特基二极管串并联结构，且整体封装在一个二极管管壳内，并联接入电路。实测表明，本发明在频率为2.45GHz，负载电阻为350Ω，输入功率为10W时获得了71％的最高整流效率，显著提升了整流功率，可应用于大功率微波能量传输系统。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别涉及一种多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，可用于微波无线能量传输系统。
技术背景
经过多年的发展，无线充电技术逐渐成熟，已广泛应用于消费电子领域，但其充电距离很短。唯一可以实现远距离电能传输的技术方案是采用微波方式，利用高频电磁波的发射与收集实现电能在空间中的点对点无线传输，未来可广泛应用于无人飞行器、空间太阳能电站、向供电中断的灾区紧急供电等领域，具有巨大的应用前景和研究价值。在微波无线能量传输技术的接收端，微波整流电路将接收到的微波能量转化为直流并向负载供电，其转换效率及功率直接影响系统性能。
宽禁带半导体材料GaN具有极大的电学性能优势，AlGaN/GaN异质结结构因其强大的自发极化和压电极化效应，会在靠近界面处GaN一侧感生出高浓度的二维电子气，由于电子被限制的势阱中，且该区域杂质掺杂极少，因此电离杂质散射和合金无序散射较小，二维电子气具有极高的迁移率和电子饱和速率，且GaN由于材料固有的宽禁带属性，其临界击穿场强极大，适合制作大功率高频微波器件。具有凹槽阳极结构地横向氮化镓肖特基二极管可以同时实现优秀地频率响应和功率容量，应用于微波整流电路可同时具备大功率和高效率的特点，但现有技术采用二极管单管并联接入的方式进行电路实现，功率密度受限，整流功率低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，以提升微波整流电路的整流功率。
为实现上述目的，本发明多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，自左向右依次由输入端口、匹配电路、隔直电容、输入滤波器、整流器、输出滤波器以及负载连接组成，其特征在于：
所述整流器，采用多个氮化镓肖特基二极管串并联结构，且整体封装入一个二极管管壳，该整流器的阴极连接在输入滤波器与输出滤波器之间，该整流器的阳极接地。
作为优选，所述氮化镓肖特基二极管自下而上包括SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、LPCVD SiN和SiO2双层钝化层，该GaN缓冲层至双层钝化层中间设有阳极凹槽，凹槽侧壁及凹槽边缘上层设有阳极，阳极边缘AlGaN势垒层上设有阴极，阳极半径为80-160微米，阴阳极间距为3-6微米。
作为优选，所述输入端口采用SMA母头同轴连接器。
作为优选，所述匹配电路采用开路枝节匹配结构。
作为优选，所述输入滤波器采用低通滤波器，用于抑制大于工作频率的微波信号通过。
作为优选，所述输出滤波器采用直通滤波器，用于抑制大于等于工作频率的高频信号通过。
作为优选，所述匹配电路、输入滤波器和输出滤波器印制在高频电路板材上。
作为优选，输入端口、隔直电容、整流器及负载焊接在高频电路板上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的整流管采用凹槽阳极结构的横向氮化镓肖特基二极管，其圆形阳极的尺寸为80-160微米、阴阳极间距3-6微米，可以同时实现低开启电压、高正向电流、低串联电阻、低结电容和高达100-250V的击穿电压，在保持频率响应的同时大幅提升了器件耐压能力，能够使电路在保持高效率的同时大幅提升整流功率。
2.本发明采用四只完全相同的氮化镓肖特基二极管串并联连接，整体封装入一个二极管管壳内作为整流器，可在保证整流器尺寸不变的条件下，击穿电压提升一倍，正向线性区延长，正向电流增大，且阻抗与单管一致，能在不改变电路面积情况下，进一步大幅提升整流功率。
测试结果表明，本发明在输入频率为2.45GHz，负载为350Ω、输入功率为10W时，实现了高达71％的整流效率，相比于氮化镓肖特基二极管单管微波整流电路，整流功率大幅提升。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是本发明中的氮化镓肖特基二极管截面示意图。
图3是本发明的实例结构图。
图4是本发明在输入频率2.45GHz、负载电阻350Ω时，整流效率与输出电压随输入功率的变化关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述：
参照图1，本发明的多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，自左向右依次包括输入端口1、匹配电路2、隔直电容3、输入滤波器4、整流器5、输出滤波器6以及负载7，其中：
所述输入端口1，采用SMA母头同轴连接器。
所述匹配电路2，采用开路枝节匹配结构，其左端与输入端口1连接，其右端通过隔直电容3与输入滤波器4连接，本实例选用但不限于2.7pF的高频陶瓷电容。
所述输入滤波器4，采用低通滤波器，用于抑制大于工作频率的微波信号通过，允许工作频率的微波信号通过，本实例选用但不限于导通频率0-2.8GHz的开路枝节低通滤波器。该输入滤波器4的右端通过微带线与输出滤波器6左端及整流器5的阴极连接。
所述整流器5，采用多个氮化镓肖特基二极管串并联结构，且整体封装入一个二极管管壳，该整流器的阴极连接在输入滤波器4与输出滤波器6之间，该整流器的阳极接地；本实例选用但不限于四只横向结构氮化镓肖特基二极管，两两串联后并联封装入金属陶瓷管壳。
参照图2，所述氮化镓肖特基二极管自下而上包括SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、LPCVD SiN和SiO2双层钝化层，该GaN缓冲层至双层钝化层中间设有阳极凹槽，凹槽侧壁及凹槽边缘上层设有阳极，阳极边缘AlGaN势垒层上设有阴极，阳极半径为80-160微米，阴阳极间距为3-6微米。本实例选用但不限于氮化镓肖特基二极管半径为110微米、阴阳极间距4微米。
所述输出滤波器6采用直通滤波器，用于抑制大于等于工作频率的高频信号通过，允许直流信号通过。本实例选用但不限于导通频率0-1GHz的开路枝节滤波器。
所述负载7，其一端连接输出滤波器6的右端，另一端接地。本实例选用电阻作为负载。
参照图3，本实例中的匹配电路2、输入滤波器4和输出滤波器6印制在高频电路板材上，高频电路板材选用但不限于ROGERS公司生产的RT/duroid5880板材；本实例中的输入端口1、隔直电容3、整流器5及负载7焊接在高频电路板上。
本实例的效果可通过以下测试结果说明：
在本实例电路中，给定负载阻值R＝350Ω，输入端口接输入功率为Pin的2.45GHz微波信号，测量负载电阻上的输出电压为Vout，分别计算电路的输出功率为Pout＝Vout 2/R和电路的整流效率为η＝Pin/Pout。绘制输出电压Vout与整流效率η随输入功率Pin变化的曲线图，如图4所示。
从图4可见，该电路在输入功率10W时获得了高达71％的峰值整流效率，且有整流效率随输入功率继续增长的趋势，受限于测试设备限制，输入功率仅测试到10W，电路实际耐受功率远高于该值。
以上描述仅是本发明的实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多氮化镓肖特基二极管串并联结构的大功率微波整流电路，自左向右依次由输入端口(1)、匹配电路(2)、隔直电容(3)、输入滤波器(4)、整流器(5)、输出滤波器(6)以及负载(7)连接组成，其特征在于：
所述整流器(5)，采用多个氮化镓肖特基二极管串并联结构，且整体封装在一个二极管管壳内，该整流器的阴极连接在输入滤波器(4)与输出滤波器(6)之间，该整流器的阳极接地。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，氮化镓肖特基二极管自下而上包括SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、AlN插入层、AlGaN势垒层、LPCVD SiN和SiO2双层钝化层，该GaN缓冲层至双层钝化层中间设有阳极凹槽，凹槽侧壁及凹槽边缘上层设有阳极，阳极边缘AlGaN势垒层上设有阴极，阳极半径为80-160微米，阴阳极间距为3-6微米。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，输入端口(1)采用SMA母头同轴连接器。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，匹配电路(2)采用开路枝节匹配结构。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，输入滤波器(4)采用低通滤波器，用于抑制大于工作频率的微波信号通过。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，输出滤波器(6)采用直通滤波器，用于抑制大于等于工作频率的高频信号通过。
7.根据权利要求1所述的微波整流电路，其特征在于，匹配电路(2)、输入滤波器(4)和输出滤波器(6)印制在高频电路板材上。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，输入端口(1)、隔直电容(3)、整流器(5)及负载(7)焊接在高频电路板上。
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