用于WPT的高效率氮化镓E类功率放大器研究北大核心CSCD

无线能量传输系统(WPT)具有高度的灵活性和便利性,可作为电源元件广泛应用于可穿戴和便携式电子设备领域。但受传输频率、发射模块功率放大电路的损耗等因素对传输效率和传输距离的影响,WPT无法充分发挥其预期的潜力。为改善WPT的传输效率,提出了一种高效率氮化镓E类功率放大器,并通过理论分析确定了工作频率和功率管型号,然后运用ADS软件对基于氮化镓(GaN)的E类功率放大电路进行了参数设计和仿真调试。仿真结果表明,在工作频率为13.56 MHz、负载为50Ω的情况下,功率附加效率(PAE)最大可达97.4%,输出功率可达44.4 dBm,同时在20~100Ω负载范围内,PAE都能达到90%以上,符合分析结果,可用于提高WPT系统的传输效率和传输距离。     

WPT中高效E类功率放大器的研究

作为无线电能传输(WPT)系统的核心部件之一,E类功率放大器的理论效率可达100%,具有很好的研究前景。本文对E类功率放大器进行理论分析与设计建模,运用电磁仿真软件ADS进行仿真,通过源牵引和负载牵引进行最佳阻抗匹配以优化效率,基于仿真结果进行了硬件电路设计制作。结果表明,设计制作的E类功放在27~29MHz输出的最大功率附加效率(PAE)为91.3%,同时获得17.5 d B的功率增益,验证了设计的正确性与可行性。     

基于DE类功放的无线电能传输系统设计与分析

为了提高无线电能传输(WPT)的传输效率,提出了基于DE类功放的WPT系统。通过对WPT系统建立等效模型,得出了实现电路软开关的参数设计方法,在此基础上,利用拉普拉斯变换对DE类功放的动态过程建立了复频域模型,分析了耦合线圈距离变化对WPT系统的参数和性能的影响。最后利用PSpice仿真,得到所设计系统的最大传输效率为95.1%,功率为8.9 W,验证了理论分析和设计方法的正确性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统频率跟踪的自适应模糊控制

谐振频率是无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)系统中提高传输效率的关键因素,考虑到WPT系统是一种松散耦合系统,可能因负载、传输距离等因素的变化,使WPT系统的谐振工作频率出现分裂或失谐等问题,导致系统传输效率大幅降低。为确保磁耦合谐振式无线电能传输系统保持较高的能量传输效率,结合谐振状态对系统传输效率影响的电路分析,提出模糊控制的方法来实现谐振频率的自适应跟踪,并设计出频率跟踪的模糊自适应控制器,实时非线性调节逆变驱动电路的频率,以确保对WPT系统谐振频率的精确跟踪。仿真与实验结果表明,该控制算法增强了WPT系统的工作谐振频率的自适应跟踪能力,对系统传输效率有较大提高。     

一种基于GaAs FET的S波段功率放大和整流双向电路

设计了一种基于砷化镓场效应管(GaAs FETs)的S波段微波功率放大和整流双向电路,分析了微波功率放大电路与整流电路之间的类似性。利用ADS对其进行仿真,并进行实验验证。该电路具有微波功率放大功能,增益和功率附加效率分别为11.9 dB和55%,输出功率达28.9 dBm。该电路同时具有将微波转换为直流的功能。当电路偏置在C类状态下,微波输入功率为30 dBm,且直流负载为55 Ω时,获得了75.6%的整流效率。电路正向放大反向整流的特性可望应用到双向微波无线能量传输系统中。     

微带线碳化硅E类功率放大器设计

SiC MESFET由于其高击穿电压和低输出电容,适合用于设计E类功率放大器.设计了一种结构简单的微带线拓扑E类负载网络,可以匹配至标准电阻,且抑制高至5阶的谐波.用ADS软件进行电路仿真,在2.14 GHz频率点下,峰值功率附加效率(PAE)为70.5%,漏极效率可达80%,功率增益约为10 dB.     

用于无线能量传输系统的微带天线设计

本文提出一种用于组成无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)系统的微带天线结构,并采用基于有限元法的电磁仿真软件(HFSS)对微带天线进行3D建模.在二端口网络分析法的基础上,建立磁耦合共振无线能量传输等效电路模型,求解出系统发生频率分叉现象产生的条件以及最大效率时的频率表达式.基于以上方法,研究本文设计的微带天线传输特性,包括:系统的最优传输效率与耦合距离的关系,工作频率与耦合距离的关系,得出在能量传输距离在50cm左右时,天线的谐振频率为12.5MHz,效率可达63%.微带天线具有很大的结构优势,如与集成电路兼容,成本低,体积相对较小,且工艺相当成熟,易大规模批量生产等优势.因此该设计的平面微带天线可用于无线能量传输系统.     

基于ICPT原理的高压变换器应用

针对全电子引信系统安全性,提出一种基于感应耦合式无线电能传输(ICPT)原理的高压变换器,利用初、次级谐振原理实现能量传输。分析了ICPT系统工作原理,基于基波法建立了倍压整流电路等效阻抗和负载电压数学模型。采用Matlab仿真研究了系统工作频率、间隙距离变化对负载电压的影响。仿真结果表明,通过改变工作频率和间隙距离,可得到稳定的负载电压。针对仿真结果,搭建了基于ICPT原理的高压变换器系统实验平台,进一步验证了理论和仿真结果的正确性。     

一种新型提高射频功率放大器PAE的电路技术

提出了一种新型提高射频功率放大器功率附加效率(PAE)的电路技术,该方法通过滤除二次谐波分量、反射叠加三次谐波分量以提高电路PAE,分析了相位匹配的机制及其影响因素.基于该技术设计了一款功率放大器,仿真结果表明:工作频率为918 MHz时,该功放的P1dB达到了30.05 dBm,功率附加效率达到了58.75%,较普通...     

基于GaAs晶体管2.45 GHz大功率微波整流电路

针对基于 GaAs晶体管的大功率微波整流电路,设计了一种应用于大功率微波无线输能系统的整流电路。该大功率微波整流电路基于微带结构,工作频率为2.45 GHz,具有质量轻,整流输出功率大的特点。在不同微波输入功率和负载下进行测量,发现当输入微波功率为30 dBm,负载为38Ω时,整流电路获得了测量过程中最大整流效率的41%;当输入微波功率为34 dBm,负载为23Ω时整流电路得到测量过程中获得的最高直流功率输出28.7 dBm。通过完善和改进电路,可以进一步提高整流的效率,并应用于高功质比的微波整流天线。     

基于2μm GaAs HBT工艺的E类功率放大器设计

本文采用Win公司2μm GaAs HBT工艺设计一种高效率射频E类功率放大器。设计中采用了电压偏置的E类功放结构,通过负载牵引(Load-Pull)技术对放大器的效率、增益和输出功率进行折衷和优化设计。仿真结果表明该放大器在5V电源电压下,工作频段700MHz～1100MHz内功率附加效率(PAE)大于50%,增益15dB,输出功率大于20dBm。芯片面积为1.375mm*0.79mm。     

带负载匹配耦合谐振电路的能量与数据传输

为了提高耦合谐振电路中负载端的工作距离,使其达到30 cm 以上,并且能从负载端传输数据回发射端,基于频率分裂原理,设计了带负载匹配的能量与数据传输电路.对串联电路研究可知,满足一定传输功率的最大传输距离和负载阻值相关.而带负载匹配的串并混联电路在小幅降低传输功率的情况下可以通过调整等效负载电阻大小来增加传输距离.基于反向散射原理和混联电路的负载特性,可以在均衡传输效率和传输距离的情况下,选取合理的负载调制电路,实现数据从负载端到发射端的传输.matlab 仿真验证了以上结论,而系统实测表明,相比于串联电路,串并混联在保证数据正确传输的前提下,极限工作距离达到38 cm,提升20%以上.     

E类功率放大器研究与应用

分析了E类功率放大器的工作原理,并基于此设计出一种高效高频E类功放,作为无线电能传输系统中发射级的前端驱动电路。运用LTspice仿真软件,对其基本原理电路进行实验分析。为进一步提升输出功率和传输效率,电路还加入了阻抗匹配。仿真结果表明,此电路可实现在6.78 MHz下以85%左右的高效率进行10~30W的功率传输,整体电路结构简单,有实用价值。     

GaN HEMT非线性输出电容寄生参数研究

分析了GaN（氮化镓）HEMT（高电子迁移率晶体管）非线性输出电容寄生参数Cout与功率放大器效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,Cout与外部合适的匹配电路结合能产生类似电压半正弦波,电流方波的最优效率波形。选用GaN HEMT 器件设计S频段射频功率放大器,实测结果显示该放大器最高漏极效率（DE）为81.7%,功率附加效率（PAE）78.56%,功率为41.16dBm,在100M带宽内PAE也可达74.49%以上,并且结构简单。实测结果验证了原理分析的可靠性。     

谐振式电能无线传输系统中串串式模型研究

谐振耦合式电能无线传输系统利用磁场通过近场传输,具有辐射小、效率高、传输距离远且方向性强等特点。文中采用等效简化电路方法分析了谐振式电能无线传输系统串串模型的间距、工作频率、负载等参数对传输效率和功率的影响及内在关系,进一步推导出其计算模型。在间距和负载一定的条件下,通过Matlab仿真得到效率最优与功率最大时的工作频率相一致,输出功率对工作频率的变化敏感度更高这一规律。此外,设计了一套串串式结构的谐振式电能无线传输装置,通过实验验证了理论分析的正确性,为研究电能无线传输提供了参考。     

宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

分析了GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)非线性输出电容Cout与宽带功放效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,利用Cout控制漏极端电压电流波形能减轻对谐波阻抗的精确要求,使高效率阻抗区域扩大化,从而使宽带功放匹配变为可能。选用GaN HEMT器件设计2~3 GHz频段射频功率放大器,实测结果为该放大器最高漏极效率(DE)为81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率为40.75 dBm。在1 GHz带宽内PAE也可达65%以上。实测结果验证了原理分析的可靠性,提出的方法不仅可用于宽带GaN功率放大器设计,对其他类型的微波功放设计同样有借鉴作用。     

基于E类功率放大电路的射频功率发生器

系统地研究了E类功率放大电路,通过选择适当的器件,设计出高效简单的放大电路;初步设计了PID的控制策略,并且构建了基于E类功率放大电路的射频功率发生器。经实验测试,本射频功率发生器具有半3U尺寸,额定输出功率达到1 500 W,整机效率大于65%,功率准确度小于1%。     

一种基于平衡微带耦合器的宽功率整流电路

在无线功率传输系统中,接收天线整流电路的传输效率受输入功率、频率及负载变化的影响,为此设计了一种带有平衡微带耦合器的整流电路。仿真结果表明,当输入功率在8~15 dBm范围内时,该电路转换效率超过70%,最高效率为80%;转换效率在频率为2.25~2.61 GHz范围内超过70%;在负载为150~1 600 Ω范围内超过60%。与普通整流电路相比,本文提出的整流电路能够在更宽的输入功率、频带及负载范围实现高效率传输。     

一种55 nm CMOS 5 GHz高效E类射频功率放大器

为了减小功率放大器的功率损耗、提高功率附加效率,基于TSMC 55 nm CMOS工艺,设计了一种工作频率为5 GHz的高效率E类射频功率放大器。采用包含驱动级的两级电路结构,提高了电路的功率增益。对负载回路进行优化设计,改善了漏极电压与电流波形交叠的问题,进而提升了效率,同时降低了漏极电压的峰值,缓解了晶体管的击穿压力。仿真结果表明,电源电压为2.5 V时,该放大器的输出功率为21.2 dBm,功率附加效率为53.1%。     

基于包络检测的射频功率放大器平均效率提高技术

提出了一种基于包络检测的射频功率放大器平均效率提高技术。该技术通过片上集成的包络检测器检测输入信号强度,通过动态配置功率放大管的尺寸,并调节输出阻抗匹配网络优化负载阻抗,提高功率放大器在低输出功率下的效率,达到提高功率放大器平均效率的目的。电路采用0.18 μm CMOS工艺实现,后仿真结果表明,在高输出功率模式下,该射频功率放大器的输出1 dB压缩点为18.05 dBm,PAE为30.2%;在两档低输出功率模式下的输出1 dB压缩点分别为14.9 dBm和11 dBm,PAE分别为24.11%和17.1%。