物联网射频收发组件中自供电LDMOS功率放大器的研究

发布时间：2020-08-04 18:03

【摘要】：随着物联网的快速发展,有关于物联网的无线传感网也正在快速地发展,其中,自供电传感器和能量收集技术的报道也相继出现。目前,物联网中的射频收发组件正面临着供电和散热等重大技术问题。研究发现,物联网射频收发组件中的发射模块大约有70%以上的功率以热能的形式耗散到了环境中,而最常用的供电技术则为不便更换且容量有限的锂电池技术。本文从物联网中射频收发组件的功率放大器存在大量热耗损出发,结合传统电池容量有限且更换不便的特点,设计了单片集成的热电光电能量收集器用于收集环境中的光能和功放产生的废热,得到的绿色电能通过能源管理电路实现稳定输出,用来为无线传感网等低功耗模块供电。基于上述背景,本文提出了物联网射频收发组件中自供电LDMOS功率放大器,并将本文主要分为两大部分。第一部分是关于功率放大器及LDMOS的研究,功率放大器主要是根据设计要求,在ADS软件下进行仿真设计与优化分析,最后仿真优化得到,在输入功率为23dBm时,2dB压缩点的输出功率为40.5dBm,功率附加效率PAE为51%,功率增益在17dB以上。而带有热电转换功能的LDMOS器件则是在传统器件中制备热电偶,仿真得到热电偶可以实现20K的温差,根据理论计算可以实现微瓦量级的功率输出。第二部分是关于热电-光电单片集成的能量收集器的研究,热电部分主要从基础理论出发,在建立热学和电学的等效模型的基础上,进行了ANSYS仿真优化设计及结果分析论证,最后仿真得到了0.48V的输出电压以及6.63A/mm~2的电流密度。光电池部分则是在TCAD仿真软件的帮助下,进行了相关的工艺及器件性能的设计与优化,最终仿真得到光电池的短路电流密度为41.31mA/cm~2,开路电压为0.73V。本文的创新之处在于从物联网中的射频收发组件所存在的热耗损问题出发,结合MEMS的技术特点,提出了带有热电转换功能的LDMOS功率放大器,以及单片集成的热电光电能量收集器。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75;TP212.9;TN929.5
【图文】：

示意图,器件,示意图

LDMOS器件的示意图

团队,功率放大器,宽带,驱动级

阐述了从蜂窝到WiMAX频率的基础设施市场中，RF-LDMOS作为主要的射频功率器件技术的几个因素是其高性能，低成本和优异的可靠性。图1-2 应用于5G的12/25W的宽带LDMOS功率放大器X.H团队发表了” 12/25W Wideband LDMOS Power Amplifier IC (3400-3800MHz) For 5G BaseStation Applications.”，介绍了采用最新的LDMOS技术的宽带2级功率放大器的设计。该功放可轻松适用于12W和25W应用，可用作驱动级或Doherty PA。对于作为驱动级放大器，证明在3200-4000 MHz频率范围内表现出非常平坦的性能，在AB类中具有高增益，良好的线性度和高效率性能。线性增益优于27 dB，两种版本的P3dB分别为42.8 dBm和45.5 dBm。在P3dB时，效率仍然优于54％。作为DohertyPA时

平面型,热电发电机

其突出特点为薄膜热电材料，每一对热电偶可以输出1uW的电能。斯图加特大学同样选择了平面型结构，通过衬底的侧面施加温度，实现了温差10K下输出1.5uW的功率。图1-3 平面型热电发电器(in-plane type TEG)E.T.Topal小组在2010年的ICEAC上发表了“Thin Film Thermoelectric Energy Harvesters for MEMSMicropower Generation”,该报道采用了平面型结构，即其电流方向和热流方向均平行于衬底。当所提供的温度差为50K时，使用铬和镍作为热电堆材料获得12uW/cm2的功率密度，使用n和p掺杂的硅可以达到高达140uW/cm2的功率密度[32]。图1-4 垂直型热电发电器(cross-plane type TEG)M.Strasser小组在Sensors and Actuators上发表了“Micromachined CMOS thermoelectric generatorsas on-chip power supply”，该报道采用了垂直型结构，即其电流方向和热流方向均垂直于衬底。在负载匹配的情况下，在大约5K的温差下，用1cm2的热电发电机可以实现5V的电压和1uW的电功率输出[33]。随着 MEMS 技术近年来的飞速发展和高性能薄膜热电材料的出现[34]，微型热电发电机变得越来越流行

【参考文献】