[发明专利]输入谐波调谐的整流效率增强型射频整流器及其设计方法

说明书

本发明涉及一种输入谐波调谐的整流效率增强型射频整流器及其设计方法。本发明输出匹配网络用于将晶体管的最优负载阻抗匹配到标准的负载阻抗。输入谐波调谐网络用于调谐输入到晶体管栅极的二次谐波分量至最优的状态(即能达到最大整流效率的状态)。相位偏移网络用于维持栅极和漏极之间的最优相位差，以获得最大化的整流效率。通过使用GaN HEMT晶体管构建射频整流器电路，并创造性地利用输入谐波调谐机制来实现输入谐波对于晶体管输出状态的影响，进而达到提高整流器整流效率的目的。调谐晶体管栅极端的输入二次谐波使得晶体管输出漏极端的电流波形产生重塑，进一步提升了整流器的整流效率。

技术领域

本发明属于大功率无线能量传输技术领域，涉及一种输入谐波调谐的整流效率增强型射频整流器及其设计方法。

背景技术

随着无线能量传输技术的快速发展，微波无线能量传输技术作为一种低碳的能源供给方式在人们的日常生活中越来越重要。射频整流器作为微波无线能量传输的关键部件之一，其整流效率大大限制了整个微波无线能量传输系统的性能。常见的基于二极管构建的射频整流器的功率容量较小，已经不能满足一些新兴的如空间飞行器、无人机等飞行器的无线能源供给，太阳能空间中继站等大功率能量传输的应用场景的需求。因此，基于GaNHEMT晶体管构建具有大功率容量的整流器电路变得刻不容缓。然而现有报道的基于GaN晶体管构建的整流器多是基于时间逆二时性原则构成的，其整流效率依赖于原始功率放大器的效率，极大地限制了射频整流器效率的提升。同时，现有技术大多关注晶体管漏极端的输出谐波对于效率的影响，而对于栅极端输入谐波对于整流效率的影响未受到关注，这也在一定程度上限制了整流效率的提升。因此，急需研制出新型具有更高整流效率的射频整流器以满足当前及未来大功率微波无线能量传输系统的高效率要求。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是提供一种输入谐波调谐的整流效率增强型射频整流器及其设计方法。基于GaN HEMT晶体管构建射频整流器，恰当地调控晶体管栅极的二次谐波分量，使得晶体管漏极的电压电流波形重塑，并引起漏极的负载阻抗发生影响，进而提升整流器的整流效率。

为了克服现有技术的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一种输入谐波调谐的整流效率增强型射频整流器，包括一个GaN HEMT晶体管、一个输出匹配网络、一个输入谐波调谐网络、一个相位偏移网络、一个栅极偏置网络和一个漏极偏置网络。输出匹配网络用于将晶体管的最优负载阻抗匹配到标准的负载阻抗。输入谐波调谐网络用于调谐输入到晶体管栅极的二次谐波分量至最优的状态(即能达到最大整流效率的状态)。相位偏移网络用于维持栅极和漏极之间的最优相位差，以获得最大化的整流效率。栅极偏置网络用于给晶体管栅极提供直流偏压，确保晶体管工作在合适的直流偏置状态，漏极偏置网络用于将晶体管漏极输出的直流分量输出给直流负载。

所述的最优输入谐波状态可根据所期望达到的整流效率来选取。

所述的输出匹配网络包括传输线TO1、TO2、TO3、TO4和TO5，传输线TO1的一端与晶体管的漏极相连，传输线TO1的另一端依次串联TO2、TO4、TO5后，与射频功率输入端和相位偏移网络的一端相连；在传输线TO2和TO4之间并联TO3以使得三次谐波呈现开路状态。

所述的输入谐波调谐网络包括传输线TI1、TI2、TI3和TI4，传输线TI1的一端与晶体管的栅极相连，传输线TI1的另一端依次串联TI2、TI4后，与相位偏移网络的另一端相连；在传输线TI2和TI4中间并联TI3以使得三次谐波呈现开路状态。

所述的相位偏移网络包括传输线TP1、TP2、TP3、TP4、TP5、TP6、TP7和TP8，传输线TP1的一端接输入谐波调谐网络，传输线TP1的另一端依次串联TP2、电容C1、TP3、TP5、TP6、TP7、TP8后，接输出匹配网络；在传输线TP3和TP5之间并联TP4以使得三次谐波呈现开路状态。