微波能量轉換裝置的製作方法

2023-05-31 09:30:51 1

專利名稱：微波能量轉換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波傳輸能量技術，特別涉及微波接收和整流技術。
背景技術：
微波傳輸能量不僅可以用於空間太陽能電站向地面輸送電能，也可用於從地面向空間飛行器供能。該技術還可以在架線困難的地區傳輸電力，前景十分廣闊。微波傳輸能量通常需要將微波能量轉換為電能，其中將微波能轉換為電能的微波整流器是微波傳輸能量系統的核心器件之一。早在1899年，Tesla在Wardenclyffe進行了無線功率傳輸的實驗。19世紀60年代,Brown提出了微波輸能和整流天線的概念,並於1963年成功研製了第 一個整流天線。現階段最常用的微波整流技術是微波二極體整流。但微波二極體整流存在功率容量小、微波二極體易被擊穿、產生高次諧波等影響系統性能的問題。此外，雖然現有的二極體整流天線看似為一體，既能夠接收微波，又能夠整流，但實質上微波接收天線和微波整流電路是各自獨立的兩部分，且為了做到整流電路與天線的匹配以及抑制二極體產生的高次諧波，整流電路的設計往往非常複雜，這大大的提高了設計難度，且重量和體積也難以控制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是針對現有技術微波整流裝置結構複雜，設計難度高的缺點，提供一種微波接收和微波整流的裝置，將微波能量轉換為電流輸出。本發明解決所述技術問題，採用的技術方案是，微波能量轉換裝置，包括微波接收單元和微波整流單元，其特徵在於，所述微波接收單元和微波整流單元由半導體塊構成，所述半導體塊上設置有歐姆接觸電極，用於輸出半導體塊產生的直流電流，所述歐姆接觸電極設置在半導體塊沿微波傳輸方向的兩端。本發明根據微波霍爾效應的原理，首次提出了利用半導體體效應對微波進行整流的方法。我們稱之為半導體體效應微波整流法。該方法與傳統二極體結效應整流原理不同，採用微波霍爾效應的原理在半導體上產生整流效應，因此不需要複雜的天線和電路設計，微波接收和整流同時在半導體塊上完成。通過理論推導和實驗研究，我們在不使用外加磁場的情況下，也發現了微波作用於半導體依然可以產生霍爾效應，從而在半導體沿坡印廷矢量方向(微波傳輸方向)上產生直流電壓，於是我們想到利用該原理來做微波整流。該方法利用平面波的電場分量在單極型(空穴型或電子型)半導體上感應出一個與電場方向相同的電流，形成這個電流的載流子又在磁場分量的作用下受到沿坡印廷矢量方向的洛侖茲力，從而在半導體沿坡印廷矢量方向上產生一個霍爾電壓。當電場和磁場同時反向時，洛侖茲力的方向不變，所以霍爾電壓的方向不變，這樣便可在半導體沿坡印廷矢量方向的兩端產生一個持續的直流電壓。根據以上原理可見，本發明接收微波和整流都同時由半導體完成，所以不需要像傳統的整流天線一樣由天線和電路兩部分構成，大大簡化了設計難度，體積和重量也更容易控制，成本也相應降低。所述歐姆接觸電極為金屬電極。所述金屬電極通過濺射工藝或塗敷工藝形成。半導體塊歐姆接觸電極的作用是便於通過導線連接，將半導體塊產生的直流電流輸出。歐姆接觸電極通常可以採用金屬材料，通過濺射工藝或塗敷工藝製作在半導體塊沿坡印廷矢量方向的兩端形成歐姆接觸電極。所述半導體塊為本徵半導體塊。所述半導體塊為摻雜半導體塊。半導體塊可以採用本徵半導體塊或摻雜半導體塊。一定的參雜濃度可以提高半導 體塊的整流效率，隨著參雜濃度的提高，半導體的性質也在發生改變即更傾向於金屬的特性，因此高參雜的半導體整流效率反而會降低。所述半導體塊數量為N個，具有相同結構，其歐姆接觸電極通過導線連接，使半導體塊產生的直流電流並聯和/或串聯輸出；N為正整數，N > 2。由於單個半導體塊的在微波作用下產生的霍爾電壓非常低，電流非常小，通常可以將很多個半導體塊進行串聯，以提高輸出電壓；或將很多個半導體塊進行並聯以提高輸出電流。採用結構相同的半導體塊，其電路參數、產生的電壓和電流基本上相等，方便進行各種連接和後續處理，如進行逆變併網等。所述N個半導體塊布置在同一平面上。所述平面與微波傳輸方向垂直。將N個半導體塊布置在同一平面(或基板)上，並使該平面與微波傳輸方向垂直，可以提高微波能量轉換效率，最大限度的接收微波能量。當然N個半導體塊也可以布置在非平面物體的表面，如布置在飛行器等的表面，用於接收發射站通過微波傳輸的能量。所述N個半導體塊平均布置在M個平面上，M為正整數，M彡2。如果N的數字很大，可以將N個半導體塊平均布置在M個平面上，由於每個半導體塊結構相同，每個平面上布置的半導體塊數量相同，如果每個平面上的半導體塊採用相同的連接方式，就可以使每個平面的電路結構基本上相同，輸出電壓、電流也基本上相同，可以將每個平面作為一個單元，再進行串聯、並聯等連接，以滿足不同的輸出電壓或電流要求。所述M個平面並排布置或平行重疊布置。M個平面並排布置，可以使其垂直於微波傳輸方向，每個平面互不影響，有利於提高轉換效率。這種配置適用於距離微波源比較遠的地方進行能量轉換。採用平行重疊布置M個平面的方式，需要考慮微波的衰減特性，選擇適當材料構成的基板可以降低微波衰減。另外基板上半導體塊的金屬電極也可能對微波傳輸產生阻礙，需要適當減小金屬電極面積。本發明的有益效果是，提供了一種結構新穎的微波能量轉換裝置，將微波接收和微波整流合二為一，極大的簡化了電路設計。由於半導體塊布置靈活，連接方式多種多樣，可以滿足不同輸出電壓和輸出電流的要求。本發明具有結構簡單、易於布置、整流帶寬相對較寬等特點。本發明不依靠PN結整流，因此在承受較大微波功率時也不存在被擊穿的問題，大大的提高了裝置的可靠性。


圖I是半導體塊中產生霍爾電壓的示意圖；圖2是半導體塊並聯輸出結構示意圖；圖3是半導體塊串聯輸出結構示意圖；圖4是N個半導體塊布置在同一平面的示意圖；圖5是半導體塊結構示意圖，圖5a為立體圖，圖5b為圖5a的A-A剖視圖；圖6是N個半導體塊平均布置在4個平面上，4個平面並排布置的示意圖；圖7是N個半導體塊平均布置在4個平面上，4個平面重疊布置的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。本發明的微波能量轉換裝置，微波直接輻射半導體塊，根據霍爾效應，在半導體塊沿坡印廷矢量方向(即微波傳輸方向)上產生直流電壓。本發明的微波能量轉換裝置，將微波接收單元和微波整流單元，合二為一，採用半導體塊10構成微波接收單元和微波整流單元，微波輻射半導體塊10時，在半導體塊10上沿微波傳輸方向的O端和P端將會產生霍爾電壓Uh，在半導體塊的該兩端設置歐姆接觸電極11，就可以輸出半導體塊產生的電流，如圖I所示。圖I中，及為坡印廷矢量，代表微波的傳播方向，電場分量，#為磁場分量，Uh為半導體塊產生的霍爾電壓，即這裡的微波整流電壓。本發明利用平面波的電場分量在單極型半導體上感應出一個電流，形成這個電流的載流子又在平面波的磁場分量的作用下受到沿坡印廷矢量方向的洛侖茲力，從而在半導體沿坡印廷矢量方向上產生一個霍爾電壓。當電場和磁場同時反向時，洛侖茲力的方向不變，所以霍爾電壓的方向不變，這樣便可在半導體沿坡印廷矢量方向的兩端產生一個持續的直流電壓。本發明中半導體塊可以採用本徵半導體，也可以採用具有一定參雜濃度的摻雜半導體，一定的參雜濃度可以提高半導體塊載流子濃度，提高整流效率。但隨著參雜濃度的提高，半導體的性質也在發生改變，即更傾向於金屬導體的特性，因此高參雜的半導體將會導致微波損耗增加，降低整流效率。此外，另一個影響整流效率的因素是半導體塊在坡印廷矢量方向的長度(即圖I中兩電極間的長度L)。長度L越長整流效率越高，但當長度L達到一定的時候，微波的趨膚深度達不到的時候，再增長也不會提高效率了。本發明中半導體塊10歐姆接觸電極11的作用是便於通過導線連接，將半導體塊10產生的電流輸出。歐姆接觸電極11通常為金屬電極，可以採用半導體技術中成熟的濺射工藝或塗敷工藝等，將金屬材料製作在半導體塊10沿坡印廷矢量方向的兩端形成歐姆接觸電極11。實施例I本例微波能量轉換裝置中，半導體塊10的數量為3個，他們具有相同結構(包括組成材料、幾何尺寸等)，其歐姆接觸電極通過導線連接，圖2為並聯連接的情況，3個半導體塊產生的電流並聯輸出，其輸出電壓Uo=Uh,輸出電流可以達到單個半導體塊的3倍。圖3為3個半導體塊串聯連接的示意圖，其輸出電壓Uo=3Uh，輸出電流與單個半導體塊的輸出電流相等。實施例2由於單個半導體塊的在微波作用下產生的霍爾電壓非常低，電流非常小，通常可以將很多個半導體塊進行串聯，以提高輸出電壓；或將很多個半導體塊進行並聯以提高輸出電流。採用結構相同的半導體塊，其電路參數、產生的電壓和電流基本上相等，方便進行各種連接和後續處理。本例微波能量轉換裝置包括N (N=63)個具有相同結構的半導體塊構成的微波接收和整流單元，如圖4所示。圖中，63個半導體塊10排列成7X9的矩陣，均勻分布在同一平面基板I上，為了提高微波接收效率，基板I正對微波傳輸方向(基板I與微波傳輸方向垂直)，半導體塊10的O端和P端即為沿微波傳輸方向的兩端，歐姆接觸電極11設置在半導體塊10的O端和P端，用於輸出半導體塊10產生的電流，見圖5所示。圖 4所示的這種半導體塊分布方式，每個半導體塊的歐姆接觸電極可以先按行串聯起來，然後將每一行並聯起來。這種連接方式可以使基板I上所有半導體塊的整體輸出電壓達到9Uh，電流達到單個半導體塊輸出電流的7倍。實施例3本例微波能量轉換裝置由252個半導體塊構成，他們平均分布中4個並排布置的平面基板上，每個基板上布置63個半導體塊，排列成7X9的矩陣，如圖6所示。這種布置方式可以大面積的接收微波輻射。每個基板可以按照實施例2的方式進行連接，然後可以對4個基板進行串聯、並聯組合。達到需要的輸出電壓和電流。實施例4本例是4個基板平行重疊配置的結構，如圖7所示(圖中未示出半導體塊的數量，忽略了基板的厚度)。圖中4張基板平行，間隔一定的距離，箭頭為微波傳輸方向，該方向垂直於基板平面。這種配置可以提高微波的利用率，但需要考慮微波的穿透性，以免影響後面基板的微波轉換轉換率。基板材料的選擇應降低對微波的衰減和損耗，歐姆接觸電極也不應面積太大，通常只要金屬電極的尺寸遠小於微波波長，微波的傳輸就可以基本上不受影響。
權利要求
1.微波能量轉換裝置，包括微波接收單元和微波整流單元，其特徵在於，所述微波接收單元和微波整流單元由半導體塊構成，所述半導體塊上設置有歐姆接觸電極，用於輸出半導體塊產生的直流電流，所述歐姆接觸電極設置在半導體塊沿微波傳輸方向的兩端。
2.根據權利要求I所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述歐姆接觸電極為金屬電極。
3.根據權利要求2所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述金屬電極通過濺射工藝或塗敷工藝形成。
4.根據權利要求I所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述半導體塊為本徵半導體塊。
5.根據權利要求I所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述半導體塊為摻雜半導體塊。
6.根據權利要求I 5任意一項所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述半導體塊數量為N個，具有相同結構，其歐姆接觸電極通過導線連接，使半導體塊產生的直流電流並聯和/或串聯輸出；N為正整數，N≥2。
7.根據權利要求6所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述N個半導體塊布置在同一平面上。
8.根據權利要求7所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述平面與微波傳輸方向垂直。
9.根據權利要求6所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述N個半導體塊平均布置在M個平面上，M為正整數，M≥2。
10.根據權利要求9所述的微波能量轉換裝置，其特徵在於，所述M個平面並排布置或平行重疊布置。
全文摘要
本發明涉及微波接收和整流技術。本發明針對現有技術微波整流裝置結構複雜，設計難度高的缺點，公開了一種微波接收和微波整流的裝置，將微波能量轉換為電流輸出。本發明的技術方案是，微波能量轉換裝置，包括微波接收單元和微波整流單元，其特徵在於，所述微波接收單元和微波整流單元由半導體塊構成，所述半導體塊上設置有歐姆接觸電極，用於輸出半導體塊產生的直流電流，所述歐姆接觸電極設置在半導體塊沿微波傳輸方向的兩端。本發明根據微波霍爾效應的原理，首次提出了利用半導體體效應對微波進行整流的方法。本發明將微波接收和微波整流合二為一，極大的簡化了電路設計，具有結構簡單、易於布置、整流帶寬相對較寬等特點。
文檔編號H02J17/00GK102969805SQ20121052154
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者黃卡瑪, 楊陽, 陳倩, 劉長軍, 陳星 , 郭慶功, 閆麗萍, 趙翔, 楊曉慶 申請人:四川大學