一种基于精准建模的氮化镓肖特基二极管的大功率整流电路及其设计方法

本发明涉及二极管建模与微波无线输能领域，具体涉及一种基于精准建模的氮化镓肖特基二极管的大功率整流电路及其设计方法。

背景技术：

1、微波无线能量传输的提出为传感器、无人机等的电能供给提供了一种新的远距离无线解决途径。基于微波无线能量传输的空间太阳能电站也为人类提供了一种高效清洁能源，从而更好的解决能源短缺及碳排放问题。利用微波信号作为传输载体，实现对传感器等电子设备的能量供给，具有的传输距离远、传输功率大、传输速度快、传输效率高的优点。国内外学者现已分别就微波无线能量传输中大功率微波源、收发天线、能量聚焦技术、整流电路、直流合成等技术做了大量研究。其中整流天线是微波无线能量传输的关键技术之一，通常由接收天线和整流电路组成。由于微波输能系统传输功率较大，整流天线单元所能接收转换的能量有限，有必要进行整流天线组阵才能得到较大的直流功率，但是使用现有商用二极管设计的整流电路功率容量有限，而使用多个中低功率整流电路进行直流合成时会造成效率降低，并且具有结构复杂、增大尺寸的问题，同时在实际的微波无线输能应用中，更高的频率能实现更小的尺寸、更容易集成和更高的功率密度，所以需要研究如何实现高效大功率高频整流电路。

2、当前已经有一些研究团队提出了不同结构的大功率整流电路，如samuela.rotenberg等人公开的论文(s.a.rotenberg,s.k.podilchak,p.d.h.re,c.mateo-segura,g.goussetis and j.lee,"efficient rectifier for wireless powertransmission systems,"in ieee transactions on microwave theory andtechniques,vol.68,no.5,pp.1921-1932,may 2020)使用了全波桥式整流结构的商用肖特基二极管hsms282p来提高功率容量，但最佳输入功率仍然只能达到27dbm。shau-gang mao等人公开的论文(c.-y.liou,m.-l.lee,s.-s.huang and s.-g.mao,"high-power andhigh-efficiency rf rectifiers using series and parallel power-dividingnetworks and their applications to wirelessly powered devices,"in ieeetransactions on microwave theory and techniques,vol.61,no.1,pp.616-624,jan.2013)为克服硅基肖特基二极管的低击穿电压，分别提出了一种基于一分四串联功分器和一分四并联功分器的大功率全波桥式整流电路，功分器可对阻抗进行匹配以及对功率进行分配，最终两种整流电路最佳输入功率分别为41dbm和43dbm，最大效率分别为62％和78％，但使用的功分器十分复杂且体积庞大。氮化镓作为宽带隙半导体材料的代表之一，具有击穿电场大、电子饱和速度高、导热性好、耐高温等优点，因此氮化镓肖特基二极管适合作为大功率和高效率微波整流电路的整流器件。s.yoshida等人公开的论文(s.yoshida,a.miyachi,r.kishikawa,m.horibe,k.nishikawa and s.kawasaki,"c band gan dioderectifier with 3w dc output for high power microwave power transmissionapplications,"2016ieee mtt-s international microwave symposium(ims),2016,pp.1-4)设计了一种基于自制gan肖特基二极管的整流电路，为未来基于混合集成电路技术的电路小型化迈出了第一步，但由于缺少准确的肖特基二极管模型以及并没有进行后续电路优化，虽然最大直流输出达到3042mw，但最大效率仅为32.6％，并且从5.8ghz频偏至5.9ghz。党魁等人公开的论文(k.dang et al.,"a 5.8-ghz high-power and high-efficiency rectifier circuit with lateral gan schottky diode for wirelesspower transfer,"in ieee transactions on power electronics,vol.35,no.3,pp.2247-2252,march 2020.)使用sic衬底的gan肖特基二极管设计5.8ghz的整流电路，虽然最佳输入功率点达到了34dbm，但最高效率仅为70.8％，并且sic衬底的gan肖特基二极管价格昂贵，难以商用或大规模应用。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于精准建模的氮化镓肖特基二极管的大功率整流电路及其设计方法，实现更大功率、更高频率、更高效率的整流，并且还具有尺寸小等优点，能有效地提高输能系统的功率容量与整体效率。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于精准建模的氮化镓肖特基二极管的大功率整流电路，包括三层结构，顶层微带结构、中间介质基板和底层金属地层。所述顶层微带结构设置于中间介质基板的上表面，所述底层金属地层设置于中间介质基板的下表面。

4、进一步地，所述的顶层微带结构从左到右依次为输入端口、阻抗匹配网络、整流单元、直通滤波网络和输出端口。

5、进一步地，所述的阻抗匹配网络由一节微带线构成。

6、进一步地，所述的整流单元为单个氮化镓肖特基二极管，并联接入电路，所述直通滤波网络的输出端与输出端口连接。

7、进一步地，所述的整流单元为单个氮化镓肖特基二极管，并联接入电路之间使用键合金丝进行连接。

8、进一步地，所述的直通滤波网络由三节扇形枝节构成。

9、本发明还提供一种基于精准建模的氮化镓肖特基二极管的大功率整流电路的设计方法，包括以下步骤：

10、(1)测试氮化镓肖特基二极管i-v曲线；

11、(2)测试氮化镓肖特基二极管c-v曲线；

12、(3)使用trl校准对氮化镓肖特基二极管进行去嵌入测试不同直流偏置下的s参数；

13、(4)基于测试数据建立氮化镓肖特基二极管的大信号等效电路模型；

14、(5)设计并制作大功率整流电路。

15、进一步地，步骤(1)中正向i-v曲线满足其中v为直流偏置电压，q为基本电荷常量，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，rs为结电阻，is为饱和电流。

16、进一步地，步骤(2)中测试的c-v曲线满足如下公式：其中v是直流偏置电压，总电容包括直流相关的结电容和直流无关的寄生电容两部分，vj为肖特基结内建势垒，m为掺杂浓度相关的电容系数，cj0为零偏置结电容，cp为寄生电容。

17、进一步地，步骤(3)中trl校准件包括直通件、反射件、延长件和测试件。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

19、(1)本发明使用具有更高的临界击穿场强、更大的电子饱和速度、更小的介电常数和耐高温等优点的第三代宽禁带半导体材料氮化镓肖特基二极管作为整流器件，能够实现功率容量更大的整流电路。

20、(2)本发明使用的蓝宝石衬底的氮化镓肖特基二极管作为整流器件，相比于昂贵的基于碳化硅衬底的氮化镓肖特基二极管，具有低成本的优势，同时仍保持着较高的性能，更适合用于商业以及大规模的大功率无线输能应用中。

21、(3)本发明能够对氮化镓肖特基二极管大信号参数提取，从而实现精准高频建模，避免了整流器件无法发挥其最佳性能导致的整流电路发生频偏、整流效率下降、难以用于高频的问题，能够减少整流电路反复加工迭代次数，降低了调试难度，有助于实现更加准确高效的高频整流电路。

22、(4)本发明整流电路结构十分简单、易实现、小型化，匹配网络仅由一节微带线构成，除二极管外，无需其它电路元件，但却能够实现高效、大功率、工作频带较宽的整流电路。