一种功放整流器双模式切换电路

1.本发明涉及无线功率传输系统领域，特别涉及一种功放整流器双模式切换电路。


背景技术：

2.无线功率传输技术可有效保障微型无人机续航，也可用于传感器的无线供电。然而在现有技术中，设备无法同时实现功率放大与整流功能，因此本领域亟需一种射频电路来同事实现功率放大和整流。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种功放整流器双模式切换电路，该电路为射频电路，可以以一种电路结构同时作为发射机中的功率放大器与接收机中的整流器，只需在开关的作用下，就可完成这两种模式的切换。该电路可实现设备的无线充放电，既可作为充电端也可作为发电端。
4.具体地，本发明提供以下技术方案：
5.一方面，本发明提出了一种功放整流器双模式切换电路，所述电路包括输入/输出匹配网络、栅极偏置网络、漏极偏置网络、输入输出谐波控制网络、氮化镓晶体管、耦合器、移相器、直流电源、射频输入电源、射频开关、直流开关、发射天线、接收天线、检波器以及稳压器；
6.所述电路包括功率放大器模式和整流器模式。
7.进一步地，在功率放大器模式下，
8.所述射频开关连接功率源，所述直流开关连接漏极直流供电电源；
9.所述栅极偏置网络的直流电压由输入射频信号耦合出去的一部分射频输入功率经过检波器整流产生电压来提供；所述漏极偏置网络直流电压为单独电压源通过直流开关切换提供；
10.所述移相器与输出端的耦合器不工作，靠近输出端的检波器处于开路状态；
11.所述功率源提供输入功率信号，连接输入匹配到达晶体管，达到最佳的功率输入；
12.所述栅极偏置网络与漏极偏置网络分别提供栅极、漏极直流偏置电压，栅极直流偏置电压与漏极直流偏置电压给晶体管提供静态工作点，输入端经过晶体管再通过输出匹配电路将放大后的功率信号再匹配给发射天线，经过发射天线将放大后的功率信号辐射出去完成功率放大；
13.在整流器模式下，
14.所述射频开关连接移相器、所述直流开关连接等效电阻；
15.输入端的耦合器，检波器不工作；
16.功率放大器模式下的输出端切换为整流器模式下的输入端，接收天线接收射频信号，将接收到的信号经过耦合器，一部分输入功率经过检波器与稳压器来提供栅极偏置网络所需直流电压，一部分经过移相器提供栅极的小信号输入功率，其余作为输入端的输入
功率经过输出匹配电路匹配到晶体管，转化获得的直流功率输出输出至等效电阻。
17.进一步地，稳压器提供稳定电压作用。
18.进一步地，所述功率放大器模式与整流器模式之间的切换由一射频开关与一直流开关控制。
19.进一步地，所述功率放大器模式下，所述射频开关连接功率源，所述直流开关连接直流供电电源，输出端天线为发射天线模式。
20.进一步地，所述整流器模式下，所述射频开关连接移相器端口，所述直流开关连接等效电阻端口，输出端口天线转变为接收天线为整流器提供射频能量输入。
21.进一步地，所述功率放大器模式下，功率放大器为高效率的 class-f/f-1
功率放大器，输入端提供基频输入功率，栅极、漏极偏置网络提供直流供电电压，使晶体管处于合适的静态工作点，输入、输出匹配网络为晶体管输入、输出端提供匹配，使得从输入端获得输入功率以及从输出端输出功率，谐波控制网络通过控制输出射频信号的二、三谐波以获得功率放大器模式下最大直流至射频功率转换效率。
22.进一步地，所述整流器模式下，整流器由功率放大器的时间反转构成，等效电阻取代放大器中的直流电源端口，等效电阻理论值等于功率放大器模式下中的漏极直流偏置电压与直流偏置电流的比值，功率放大器的输出端口转换成整流器的输入端口，输入功率通过耦合器分为两部分，第一部分大小要求为对应功率放大器模式下的漏极直流功率，通过功放模式下的输出通路输入，第二部分大小要求为对应功放模式下的基频输入功率，整流获得的直流功率通过漏极偏置电路输出到负载。
23.进一步地，所述功率源的外部输入阻抗为50ω的功率源。
24.进一步地，功率放大器与整流器两种模式共用同一电路结构，该电路结构为高效率氮化镓class-f/f-1
功率放大器结构。
25.本发明公开了一种功放整流器双模式切换电路，所述电路包括输入/输出匹配网络、栅极/漏极偏置网络、氮化镓晶体管、耦合器、移相器、直流电源、射频输入电源、射频/直流开关、发射/接收天线以及检波器、稳压器。利用时间反转对偶理论，实现了在同一个电路结构下设备的功率放大以及整流功能的切换，本发明可以分为功率放大器与整流器两种模式，两种模式的切换仅需一直流开关与一射频开关来实现，均可达到较高的功率效率，可实现设备的无线充放电，既可作为充电端也可作为发电端。
附图说明
26.附图1为功率放大器结构图；
27.附图2为基于高效率的class-f/f-1
功率放大器的所设计出的整流器结构图；
28.附图3为功率放大器、整流器双模式一体化电路结构示意图；
29.附图4为改进的功率放大器、整流器双模式一体化电路结构示意图。
具体实施方式
30.本发明提出了一种功放整流器双模式切换电路，既可用于发射电路、也可用于接收电路的射频电路结构，该结构可以实现功率放大与整流器两种功能，该电路结构由class-f/f-1
功率放大器的基本结构、耦合器、移相器、直流/射频开关、接收/发射天线、直流
供电电源、基频供电电源以及检波器、稳压器构成。
31.为了进一步清楚、完整地描述本发明的技术方案，以下通过实施例进行具体描述功放整流器双模式一体化的技术方案：
32.第一实施方式
33.(1)单独的功率放大器，如图1所示，所述功率放大器由输入、输出匹配电路，漏极、栅极偏置，晶体管，输入功率源，直流电源以及输出负载组成。输入匹配的目的是将输入功率最大可能无反射地提供给晶体管，输出匹配电路的目的是将放大后的功率最大限度地输出给50ω负载；漏极、栅极偏置电路的目的是提供给晶体管合适的工作状态；输入功率源提供栅极输入功率，直流电源提供偏置所需要的直流电压；
34.(2)功率放大器模式下的整流器，所述整流器基于时间反转对偶理论将由图1所得到的高效率的class-f/f-1
功率放大器逆用为整流器，如图2所示，该功率放大器由输入、输出匹配电路，漏极、栅极偏置，晶体管，直流电源、输出负载以及耦合器移相器组成。功放类整流器由功率放大器的时间反转构成，戴维南等效电阻rd取代放大器中的v
dc
直流电源端口，理论值rd等于功率放大器中的v
dc
/i
dc
，实际最佳值可能会比这个小，放大器的输出端口转换成整流器的输入端口，输入功率通过耦合器分为两部分，一部分大小要求为对应功率放大器模式下的漏极直流功率，通过功放模式下的输出通路输入，而另一部分大小要求为对应功放模式下的基频输入功率，通过这种时间反转对偶理论从而实现高效率整流器功能。
35.(3)一种功率放大器、整流器双模式一体化电路结构，该结构基于同一种电路实现功率放大与整流功能两种模式。结合图1、图2 电路结构，用两个开关来控制两种模式的切换，电路结构图如图3所示，当射频开关s1连接输入匹配，输入信号由外接功率源提供，栅极、漏极偏置电压由外接电压源提供，直流开关s2连接v
dc
时，电路工作在功率放大器模式下，放大后的输出功率经输出匹配电路通过天线辐射出去；当当射频开关s1连接移相器，直流开关s2连接rd时，电路工作在整流器模式下，该模式下射频信号经过接收天线、耦合器，一部分作为栅极射频驱动输入信号，另一部分作为整流器的输入信号，经匹配电路，最终将整流信号通过漏极偏置电路输出到rd负载，实现整流功能。
36.第二实施方式
37.为了进一步优化本发明的技术方案，本实施方式提出了一种改进型的功放整流器一体化设计，电路结构如图4所示，当射频开关s1 连接输入匹配，输入信号由外接功率源提供，栅极偏置电压由输入功率耦合一部分，再经过检波器整流，经稳压器稳定为栅极偏置提供合适的栅极电压，由于漏极所需的直流电压比较大，选择由外接直流电源提供漏极偏置电压，直流开关s2连接v
dc
，电路工作在功率放大器模式下，晶体管输出端经谐波控制电路，输出匹配电路将放大后的输出功率通过天线辐射出去。当当射频开关s1连接移相器，直流开关s2连接rd时，电路工作在整流器模式下，射频信号经过接收天线、耦合器，一部分功率耦合出来，经由检波器、稳压器为栅极偏置电路提供栅极直流电压，漏极偏置电压较大，选择由外界直流电源提供，一部分作为栅极射频驱动输入信号，另一部分作为整流器的输入信号，经匹配电路，最终将整流信号通过漏极偏置电路输出到rd负载，实现整流功能。
38.最终的功放整流器双模式一体化电路结构如图4所示，这两种电路结构都可以实现功率放大与整流两种功能，两种模式的切换由两个开关控制。功率放大器模式下，射频开
关s1连接外部输入阻抗为50ω的功率源vs，直流开关s2连接漏极直流供电电源v
dc
，栅极输入信号经过输入匹配电路进入晶体管经过晶体管的放大，输出信号经过谐波控制电路与输出匹配电路匹配到发射天线端辐射出去。整流器模式下，射频开关s1连接移相器端口，直流开关s2连接rd电阻端口，输出端口天线转变为接收天线为整流器提供射频能量输入，输入射频信号经过耦合器一小部分功率作为栅极驱动功率，另一部分作为整流器的输入信号，最终经过整流的信号经过漏极偏置电路输出到rd负载。
39.本发明公开了一种功放整流器双模式切换电路，包括输入/输出匹配网络、栅极/漏极偏置网络、氮化镓晶体管、耦合器、移相器、直流电源、射频输入电源、射频/直流开关、发射/接收天线以及检波器、稳压器。利用时间反转对偶理论，实现了在同一个电路结构下设备的功率放大以及整流功能的切换，本发明可以分为功率放大器与整流器两种模式，两种模式的切换仅需一直流开关与一射频开关来实现，均可达到较高的功率效率，可实现设备的无线充放电，既可作为充电端也可作为发电端。
40.上述本发明的实施方式是本发明的元件和特征的组合。除非另外提及，否则所述元件或特征可被视为选择性的。各个元件或特征可在不与其它元件或特征组合的情况下实践。另外，本发明的实施方式可通过组合部分元件和/或特征来构造。本发明的实施方式中所描述的操作顺序可重新排列。任一实施方式的一些构造可被包括在另一实施方式中，并且可用另一实施方式的对应构造代替。对于本领域技术人员而言明显的是，所附权利要求中彼此没有明确引用关系的权利要求可组合成本发明的实施方式，或者可在提交本发明之后的修改中作为新的权利要求包括。
41.在固件或软件配置方式中，本发明的实施方式可以模块、过程、功能等形式实现。软件代码可存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元位于处理器的内部或外部，并可经由各种己知手段向处理器发送数据及从处理器接收数据。
42.对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。