CN210431252U - 一种整流电路系统、整流天线和微波无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种整流电路系统、整流天线和微波无线能量传输系统，包括：第一滤波器，用于对输入信号进行滤波，形成第一滤波信号；匹配电路，与所述第一滤波器连接，用于对所述第一滤波器进行匹配，形成第二信号；折叠空间电荷区肖特基二极管，与所述匹配电路连接，用于对所述第二信号进行整流，形成直流信号。本实用新型所设计的整流电路系统因采用折叠空间电荷区肖特基二极管，提高了整流电路系统在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。

Description

一种整流电路系统、整流天线和微波无线能量传输系统

技术领域

本实用新型属于无线传输技术领域，具体涉及一种整流电路系统、整流天线和微波无线能量传输系统。

背景技术

自由空间中存在无穷无尽的电磁波，如何将这些电磁波转化为电子设备的能量在当今能源危机日益显现的情况下，显得尤为重要。微波无线能量传输系统将在这个问题上发挥充分的优势，微波无线能量传输系统能够将环境中的自由电磁能直接转化为直流电，且在输送电能时，不受传输线的限制、简单方便、灵活性强、传输距离远、减少输电线的架设、不需要频繁更换电池等，但是如何提高其能量转化效率依然是目前无线能量传输系统研究的热点与重点。整流天线是微波无线能量传输系统中的重要组成部分，所以可以通过提高整流天线的转换效率来提高整体系统的能量转换效率。

近几年，国内外对整流电路系统中的关键器件肖特基二极管在能量转换效率方面的研究比较多，肖特基二极管是使用一种特定的金属与N型半导体之间形成的具有接触势垒的特定的金属半导体器件。其金属与半导体之间形成的势垒被称为肖特基势垒，这种接触，也被称为整流接触。这种肖特基二极管相比较一般的PN结二极管具有开启电压小，频率特性好，整流效率高的特点。其中Ge肖特基整流二极管结构简单、制造成本低，其系列产品从高能量密度到低能量密度，甚至到超低能量密度RF环境均可适用，是无限能量传输(MWPT)系统常用的整流二极管。因此如何通过提高Ge 肖特基二极管的转换效率，进而提升以整流电路系统为主要组件的整流天线的转换效率已成为了亟待解决的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种整流电路系统。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本实用新型实施例提供了一种整流电路系统，包括：

第一滤波器，用于对输入信号进行滤波，形成第一滤波信号；

匹配电路，与所述第一滤波器连接，用于对所述第一滤波器进行匹配，形成第二信号；

折叠空间电荷区肖特基二极管，与所述匹配电路连接，用于对所述第二信号进行整流，形成直流信号。

在本实用新型的一个实施例中，所述整流电路系统还包括：第二滤波器，与所述折叠空间电荷区肖特基二极管连接，用于对所述直流信号进行平滑滤波，以获得稳定的输出信号。

在本实用新型的一个实施例中，所述折叠空间电荷区肖特基二极管包括：包括：衬底、绝缘层、外延层、第一金属电极、第二金属电极、第一凹槽，其中，

所述绝缘层、所述外延层依次层叠设置于所述衬底层上；

所述第一凹槽设置于所述外延层上，且所述第一凹槽内填充有绝缘材料；

所述第一金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的一侧，且所述第一金属电极的下表面与所述外延层的上表面接触；

所述第二金属电极设置于所述外延层上，且设置于所述第一凹槽的另一侧；

所述第二金属电极与所述匹配电路连接，所述第一金属电极与所述第二滤波器连接。

在本实用新型的一个实施例中，所述外延层的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽的厚度为0.05～0.15μm。

本实用新型的另一个实施例中提供的一种整流天线，包括接收天线、所述整流电路系统；

所述接收天线与所述整流电路系统连接。

本实用新型的另一个实施例提供的一种微波无线能量传输系统，包括上述实施例所述的整流天线。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1、本实用新型所设计的整流电路系统因采用折叠空间电荷区肖特基二极管，提高了以整流电路系统为主要组件的整流天线在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。

2、本实用新型所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将纵向空间电荷区进行折叠，形成纵向空间电荷区和横向空间电荷区，减小肖特基二极管的结电容，提高了以肖特基二极管为关键器件的整流电路在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。

3、本实用新型所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将肖特基接触处的金属电极设置于凹槽内，增加导通电流，减小串联电阻，进一步提升肖特基二极管的能量转换效率。

4、本实用新型所设计的折叠空间电荷区肖特基二极管在结构改进基础上，通过选择不同的外延层材料，不仅实现肖特基二极管的转换效率的逐渐提高，而且可以实现肖特基二极管在不同频率下工作的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种整流电路系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管和传统肖特基二极管的能量转换效率对比图；

图5为本实用新型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详细示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的等效电路模型图；

图7为本实用新型实施例提供的一种Ge肖特基二极管SPICE模型的电容扫描仿真结果图；

图8为本实用新型实施例提供的一种Ge肖特基二极管SPICE模型的串联电阻扫描的仿真结果图；

图9为本实用新型实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的一种微带天线的结构示意图。

具体实施方式

在进行具体的实施例说明之前，先对本实用新型的设计思路作一阐述。

如背景技术介绍的，国内外对整流电路中的关键器件肖特基二极管在能量转换效率方面的研究比较多，但目前暂未发现从Ge肖特基整流二极管的角度去提升能量转换效率的现有技术。

鉴于此，本实用新型通过改进传统的Ge肖特基整流二极管的结构来达到更高能量转换效率的目的，以及在改进结构的基础上改变Ge外延层的材料进一步满足肖特基整流二极管在多频率下工作的目的。

本实用新型折叠空间电荷区的肖特基二极管的具体结构及效果详见下面实施例。

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种整流电路系统的结构示意图；该整流电路系统包括：

第一滤波器103，用于对输入信号进行滤波，形成第一滤波信号；

需要说明的是，所述第一滤波器103在进行滤波时，是使工作频点的能量低差损通过，阻碍其他频率分量，并对折叠空间电荷区肖特基二极管产生的高次谐波分量进行反射；

匹配电路102，与所述第一滤波器103连接，用于对所述第一滤波器 103进行匹配，形成第二信号；

需要说明的是，所述匹配电路102是对所述第一滤波器103与所述折叠空间电荷区肖特基二极管101进行匹配；

折叠空间电荷区肖特基二极管101，与所述匹配电路102连接，用于将所述第二信号进行整流，形成直流信号；

需要说明的是，所述折叠空间电荷区肖特基二极管的“折叠”的意思是：肖特基二极管在空间电荷区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。需要说明的是，当折叠空间电荷区肖特基二极管101截止时，高次谐波被束缚在第一滤波器和第二滤波器之间，射频能量被反复整流，能够提高折叠空间电荷区肖特基二极管101的整流效率。

第二滤波器104，与所述折叠空间电荷区肖特基二极管101连接，用于对所述直流信号进行平滑滤波，以获得稳定的输出信号；

需要说明的是，整流后的直流信号脉动成分很大，采用第二滤波器104 平滑滤波，以在负载端可以获得稳定的直流信号。

本实施例的整流电路系统因采用折叠空间电荷区肖特基二极管，提高了整流电路系统在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。

实施例二

请参见图2，图2为一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构示意图。该折叠空间电荷区肖特基二极管包括：衬底001、绝缘层002、外延层003、第一金属电极004、第二金属电极005、第一凹槽006，其中，

所述绝缘层002、所述外延层003依次层叠设置于所述衬底001上；

所述第一凹槽006设置于所述外延层003上，且所述第一凹槽006内填充有绝缘材料；

所述第一金属电极004设置于所述外延层003上，且设置于所述第一凹槽006的一侧，且所述第一金属电极004的下表面与所述外延层003的上表面接触；

所述第二金属电极005设置于所述外延层003上，且设置于所述第一凹槽006的另一侧；

所述第二金属电极005与所述匹配电路102连接，所述第一金属电极004与所述第二滤波器104连接。

需要说明的是，所述衬底001的材料可选半导体制造领域常用的Si衬底，所述绝缘层002的材料同样可选用本领域常用的SiO₂绝缘材料，所述第一凹槽006内填充的绝缘材料也可以为SiO₂绝缘材料。

本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将纵向空间电荷区进行折叠，形成纵向空间电荷区和横向空间电荷区，减小肖特基整流二极管的结电容，提高了以肖特基整流二极管为关键器件的整流电路系统在微波无线能量传输系统中的能量转化效率。

实施例三

请参见图3，图3为本实用新型实施例提供的另一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结构详细示意图。本实施例在实施例二的基础上，对结构的具体参数做细化说明。

具体地，所述外延层003的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽006的厚度为0.05～0.15μm。

需要说明的是，所述第一凹槽006的厚度、与所述外延层003的厚度及实现本实用新型的效果有关，凹槽太浅体现不出折叠的效果，对能量转换效率影响不大；凹槽太深会导致电流密度过大，因此所述外延层003的厚度和所述第一凹槽006的厚度的尺寸关系决定了电流密度和能量转换效率的综合性能的提升。

需要说明的是，所述外延层003的材料为Ge、GeSn、GaAs中的任一种。

从材料角度考虑，Ge材料具有比Si材料更高的电子迁移率，利用Ge 材料制备的器件其电阻较小，比Si材料更加适合2.45GHz频率下的工作；此外，GeSn合金和GaAs合金具有高迁移率的特性，同时其直接带隙特性也有利于载流子隧穿能力的提升，因此本申请中外延层可以为Ge、GeSn、 GaAs中的任一种。参考图4，图4为本实用新型实施例提供的一种不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管和传统肖特基二极管的能量转换效率对比图，图4中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，传统肖特基二极管、不同外延层的折叠空间电荷区肖特基二极管的转换效率的变化曲线，从图4中可以看出，传统的肖特基二极管的能量转换效率为69.1％，基于Ge材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率为75.4％，基于GeSn材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率为77.2％，因为GaAs合金比GeSn合金材料的电子迁移率高，所以从理论上来说，基于 GaAs材料的折叠空间电荷区肖特基二极管的能量转换效率更高。综上所述，且基于这三种材料制作的肖特基二极管的能量转化效率为：Ge肖特基二极管<GeSn肖特基二极管<GaAs肖特基二极管；而且基于GaAs合金的肖特基二极管不仅适用于2.45GHz频率下工作，更适用于5.8GHz频率下工作。

需要说明的是，所述外延层003包括：第一掺杂区0031和第二掺杂区 0032，所述第一掺杂区0031设置于所述外延层003的一侧，且所述第一掺杂区0031与所述第一金属电极004接触，所述第二掺杂区0032设置于所述外延层003的另一侧，且所述第二掺杂区0032与所述第二金属电极005 接触。

需要说明的是，所述第一掺杂区0031为N型离子注入形成，掺杂浓度为1.8x10²⁰cm^-3～5.8x10²⁰cm^-3，所述第二掺杂区0032为N型离子注入形成，掺杂浓度为1.8x10¹⁷cm^-3～8.8x10¹⁷cm^-3。

优选地，所述第一掺杂区0031的掺杂浓度为2.0×10²⁰cm^-3，所述第二掺杂区0032的掺杂浓度为6.8×10¹⁷cm^-3。

具体地，所述第二金属电极005的下表面与所述外延层003的上表面接触；

需要说明的是，所述第一金属电极004为欧姆接触形成的阴极，对应地，所述第二金属电极005为肖特基接触形成的阳极。本实施例中的阳极是直接沉积在所述外延层003的上表面上，此种情况下，所述外延层003的上表面与第二金属电极005的下表面接触。

需要说明的是，所述外延层003的材料为Ge、GeSn或GaAs时，所述第一金属电极004的材料可以选择铝、金、钼、镍和钛等，此处不做过多限制；所述外延层003的材料为Ge、GeSn中的任一种时，第二金属电极的材料可以是W，也可以是任何可以和Ge、GeSn外延层形成肖特基接触的金属层，此处不做过多限制；所述外延层003的材料为GaAs时，所述第二金属电极005为Pt电极、Ti电极、Au电极中的任一种，此处不做过多限制。

需要说明的是，所述第一金属电极004与所述第二金属电极005的厚度均为70～90nm。

需要说明是，所述第一凹槽006的底面至所述外延层003的底面之间的横截面积小于所述第二金属电极005的底面的面积。

需要说明的是，所述横截面积是指在图9所示的y-z平面上，所述第一凹槽006的下表面和所述外延层003的下表面之间的截面积；所述第二金属电极005的底面的面积是指在图9所示的x-z平面上，所述第二金属电极 005的底面的面积。

本实施例在实施例二的结构改进基础上，通过选择不同的外延层材料，不仅实现肖特基二极管的转换效率的逐渐提高，而且可以实现肖特基二极管在不同频率下工作的目的。

本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的制备工艺包括如下步骤：

步骤a、选取Si衬底；

步骤b、在所述Si衬底上生成绝缘层；

步骤c、在所述绝缘层上制备外延层；

步骤d、在所述外延层的第一区域进行第一掺杂；

步骤e、在所述外延层的第二区域进行第二掺杂；

步骤f、刻蚀所述外延层形成第一凹槽，并填充所述第一凹槽；

步骤g、在所述第一区域上形成第一金属电极；

步骤h、在所述第二区域上形成第二金属电极。

实施例四

参见图5，图5为本实用新型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详细示意图。本实施例与实施例三不同之处在于：

所述外延层003包括：第二凹槽007，所述第二凹槽007设置于所述第二掺杂区0032上，且所述第二凹槽007的厚度为所述第一凹槽006的厚度的1/4～1/3。

所述第二金属电极005设置于所述第二凹槽007内，所述第二金属电极005的侧面和底面均与所述第二凹槽007接触。

需要说明的是，因为所述第二凹槽007的厚度为所述第一凹槽006的厚度的1/4～1/3；

所以本实施例的一种实现方式中，所述第二凹槽007的厚度范围为 0.0125～0.05μm，而所述第二金属电极005的厚度是70～90nm,即0.07～0.09μm，所以所述第二金属电极005的上表面是高于所述第二凹槽007 的上表面，即第二金属电极005会有一部分凸出所述第二凹槽007的上表面。

本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管通过将第二金属电极设置于第二凹槽内，增加导通电流，减小串联电阻，进一步提升肖特基二极管的能量转换效率。

本实施例的折叠空间电荷区肖特基二极管的制备工艺包括如下步骤：

步骤a、选取Si衬底；

步骤b、在所述Si衬底上生成绝缘层；

步骤c、在所述绝缘层上制备外延层；

步骤d、在所述外延层的第一区域进行第一掺杂；

步骤e、在所述外延层的第二区域进行第二掺杂；

步骤f、刻蚀所述外延层形成第一凹槽，并填充所述第一凹槽；

步骤g、在所述第一区域上形成第一金属电极；

步骤h、刻蚀所述第二区域形成第二凹槽；

步骤i、在所述第二凹槽形成第二金属电极。

实施例五

本实施例在上述实施例的基础上，重点对上述实施例提供的用于整流电路系统中的折叠空间电荷区肖特基二极管的工作原理进行详细描述。

当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时，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，本实用新型以全耗尽肖特基二极管作用研究的基础。

请参见图6，图6为本实用新型实施例提供的一种折叠空间电荷区肖特基二极管的等效电路模型图；图中，R_s为串联电阻，C_p是封装引入的寄生电容，R_j与C_j分别为肖特基二极管的结电阻与结电容。由图6可知，肖特基二极管的Spice参数与整流电路的整流效率密切相关。

首先，为了验证Ge肖特基二极管相关物理参数对于转换效率的影响，利用SPICE参数结合ADS仿真软件带入相关Ge肖特基二极管模型进行仿真。仿真结果如图7和图8，图7为电容扫描仿真结果图，图7中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，Ge肖特基二极管SPICE模型的零偏电容C_j0扫描计划不同时，转换效率的变化曲线，通过图7可以看出，转换效率随着零偏电容C_j0的增大而减小；图8为串联电阻扫描的仿真结果图，图8中横坐标为施加电压，纵坐标为随着施加电压的增大，Ge肖特基二极管SPICE模型的串联电阻Rs扫描计划不同时，转换效率的变化曲线，通过图8可以看出，转化效率随串联电阻Rs的增大而减小。因为零偏电容 C_j0是在不施加电压时，肖特基二极管空间电荷区的结电容，因此本实用新型的Ge肖特基二极管的结构优化的方向是降低肖特基二极管的结电容、减小串联电阻。

参见图9，图9为一种折叠空间电荷区肖特基二极管的结电容的结构示意图。因为在折叠空间电荷区肖特基二极管中，空间电荷区被分为纵向空间电荷区和横向空间电荷区，所以其电容也被分为两个部分，分别为纵向C_t与横向电容C_l，

其中，纵向电容模型如式1

式1中，A_t为纵向空间电荷区电子穿过面积，ε_s为外延层材料的介电常数，T_epi为折叠空间电荷区肖特基二极管的外延层掺杂厚度。

其中，横向电容模型如式2

上式中，A_l为横向空间电荷区电子穿过面积，V_bi为肖特基二极管金属- 半导体接触的内建电势差，V_R为肖特基二极管上所施加的反向电压，V_PT为肖特基二极管纵向穿通电压，C₀＝[qN_dε_s/(2V_bi)]^1/2为理想情况下肖特基二极管的纵向结电容。

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属于串联关系，可以得到折叠空间电荷区的结电容模型如式(3)所示，

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，使得横向电荷区电子穿过面积 A_l变小，而A_l变小会使总结电容C_J变小；而总结电容的变小，使得能量转换效率提高。

实施例六

参见图10，图10为本实用新型实施例提供的一种微带天线的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种整流天线，其中，该整流天线包括：接收天线、上述实施例一所述的整流电路系统，且所述接收天线与所述整流电路系统连接；其中，

所述接收天线为微带天线20，包括：微带线204、介质基片201、辐射贴片202、阻抗匹配电路203，其中，

所述微带线204、阻抗匹配电路203、所述辐射贴片202依次连接，且均设置于所述介质基片201上；

所述辐射贴片202与所述整流电路系统10连接；

其中，所述辐射贴片202的尺寸：长度为28mm，宽度为37.26mm；

所述介质基片201采用FR4环氧树脂板，厚度为1.6mm，介电常数为 4.4；

所述微带线204的尺寸：长度为2.98mm，宽度为15mm；

所述阻抗匹配电路203的尺寸：长度为1.16mm，宽度为17.45mm。

需要说明的是，在设计整流天线之前，必须确定微波无线能量传输系统的载波频率。2.45GHz因在大气中衰减最小、传输效率最高是选择作为载波效率最主要的原因，所以本实施例选择2.45GHz作为载波频率设计微带天线。

该整流天线因为采用了包含折叠空间电荷区肖特基二极管的整流电路系统，因此具有较高的能量转换效率。

实施例七

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种微波无线能量传输系统，其中，该波无线能量传输系统包括实施例六的整流天线。

本实施例的微波无线能量传输系统因为采用能量转换效率较高的微带天线，因此具有较高的能量转换效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种整流电路系统(10)，其特征在于，包括：

第一滤波器(103)，用于将输入信号进行滤波，形成第一滤波信号；

匹配电路(102)，与所述第一滤波器(103)连接，用于对所述第一滤波器(103)进行匹配，形成第二信号；

折叠空间电荷区肖特基二极管(101)，与所述匹配电路(102)连接，用于对所述第二信号进行整流，形成直流信号。

2.根据权利要求1所述的整流电路系统(10)，所述整流电路系统还包括：第二滤波器(104)，与所述折叠空间电荷区肖特基二极管(101)连接，用于对所述直流信号进行平滑滤波，以获得稳定的输出信号。

3.根据权利要求1所述的整流电路系统(10)，其特征在于，所述折叠空间电荷区肖特基二极管(101)包括：衬底(001)、绝缘层(002)、外延层(003)、第一金属电极(004)、第二金属电极(005)、第一凹槽(006)，其中，

所述绝缘层(002)、所述外延层(003)依次层叠设置于所述衬底(001)上；

所述第一凹槽(006)设置于所述外延层(003)上，且所述第一凹槽(006)内填充有绝缘材料；

所述第一金属电极(004)设置于所述外延层(003)上，且设置于所述第一凹槽(006)的一侧，且所述第一金属电极(004)的下表面与所述外延层(003)的上表面接触；

所述第二金属电极(005)设置于所述外延层(003)上，且设置于所述第一凹槽(006)的另一侧；

所述第二金属电极(005)与所述匹配电路(102)连接，所述第一金属电极(004)与所述第二滤波器(104)连接。

4.根据权利要求3所述的整流电路系统(10)，其特征在于，所述外延层(003)的厚度为0.3～0.5μm，所述第一凹槽(006)的厚度为0.05～0.15μm。

5.一种整流天线，其特征在于，包括接收天线、权利要求1～4任一项所述的整流电路系统(10)；其中，

所述接收天线与所述整流电路系统(10)连接。

6.一种微波无线能量传输系统，其特征在于，包括由上述权利要求5所述的整流天线。

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