近日，寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心馬曉華教授團(tuán)隊(duì)劉文良博士研究生在物聯(lián)網(wǎng)無線充電技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Class-F-1 GaN Power Amplifier Integrated Active Antenna With Increased Efficiency for Wireless Power Transmission Applications”為題發(fā)表于《IEEE Internet of Things Journal》。該研究提出一種創(chuàng)新型高效集成有源天線系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新將功率附加效率提升至70.1%，設(shè)備體積縮減30%，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線供電提供了突破性解決方案。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)無線充電技術(shù)面臨能效瓶頸與體積限制的雙重挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，功率放大器與天線間需配置多重匹配網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率損失達(dá)10%以上，且復(fù)雜的模塊化設(shè)計(jì)嚴(yán)重制約設(shè)備微型化進(jìn)程。

1. Simulated and measured PAE, EIRP, and Pout for both PAIAA and conventional PA-antenna. The PAE and output power differences between the two modules are indicated in this figure.

2. Efficiency and gain versus output power of PAIAA at 3.6 GHz.

3. Efficiency and gain versus output power of conventional PA integrated antenna at 3.6 GHz.

4. Test platform diagram to obtained the ACLR of the PAIAA.

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性提出“去模塊化”設(shè)計(jì)理念，將F-1類氮化鎵功率放大器與枝節(jié)加載寬縫天線進(jìn)行無縫集成。通過精密調(diào)控天線結(jié)構(gòu)的電磁特性，使單個(gè)天線元件同時(shí)承擔(dān)信號(hào)輻射、基波阻抗匹配和諧波調(diào)控三重功能，成功省去傳統(tǒng)PA-天線集成設(shè)計(jì)中功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、諧波調(diào)制網(wǎng)絡(luò)、天線的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)三個(gè)獨(dú)立模塊。該技術(shù)突破性實(shí)現(xiàn)兩大創(chuàng)新：首次實(shí)現(xiàn)了F-1類PA集成天線，在最高效率和最寬帶寬方面超越了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的記錄；開發(fā)非標(biāo)準(zhǔn)端口PA集成天線能效測(cè)量體系，攻克集成系統(tǒng)多參數(shù)耦合下的效率及功率精準(zhǔn)評(píng)估難題。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，新型集成系統(tǒng)功率附加效率達(dá)70.1%，較傳統(tǒng)方案提升近10個(gè)百分點(diǎn)，有效輻射功率提升至44.52dBm。在同等發(fā)射功率下，設(shè)備體積縮減30%，頻譜適應(yīng)性擴(kuò)展40%，滿足智能家居、工業(yè)傳感器等場(chǎng)景對(duì)微型化設(shè)備的嚴(yán)苛需求。

研究團(tuán)隊(duì)已與行業(yè)龍頭企業(yè)啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證，成功將該技術(shù)應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)傳感器無線供電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，在3米傳輸距離內(nèi)，系統(tǒng)能量傳輸效率較傳統(tǒng)方案提升顯著，為構(gòu)建“無源物聯(lián)網(wǎng)”生態(tài)系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究成果提出的集成化設(shè)計(jì)范式為5G/6G通信系統(tǒng)的能效優(yōu)化提供了新的技術(shù)路徑。目前，研究團(tuán)隊(duì)正著力推進(jìn)該技術(shù)在醫(yī)療電子、智能交通等領(lǐng)域的場(chǎng)景適配，加速“高能效無線充電”技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。