国家工程研究中心在高效集成有源天线技术方面取得新突破

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近日，宽禁带半导体国家工程研究中心马晓华教授团队刘文良博士研究生在物联网无线充电技术领域取得重要进展，相关研究成果以“Class-F-1 GaN Power Amplifier Integrated Active Antenna With Increased Efficiency for Wireless Power Transmission Applications”为题发表于《IEEE Internet of Things Journal》。该研究提出一种创新型高效集成有源天线系统，通过结构创新将功率附加效率提升至70.1%，设备体积缩减30%，为物联网设备的无线供电提供了突破性解决方案。

随着物联网设备数量指数级增长，传统无线充电技术面临能效瓶颈与体积限制的双重挑战。现有技术中，功率放大器与天线间需配置多重匹配网络，导致系统效率损失达10%以上，且复杂的模块化设计严重制约设备微型化进程。

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.

研究团队创造性提出“去模块化”设计理念，将F-1类氮化镓功率放大器与枝节加载宽缝天线进行无缝集成。通过精密调控天线结构的电磁特性，使单个天线元件同时承担信号辐射、基波阻抗匹配和谐波调控三重功能，成功省去传统PA-天线集成设计中功率放大器的输出匹配网络、谐波调制网络、天线的输入匹配网络三个独立模块。该技术突破性实现两大创新：首次实现了F-1类PA集成天线，在最高效率和最宽带宽方面超越了现有文献中的记录；开发非标准端口PA集成天线能效测量体系，攻克集成系统多参数耦合下的效率及功率精准评估难题。实测数据显示，新型集成系统功率附加效率达70.1%，较传统方案提升近10个百分点，有效辐射功率提升至44.52dBm。在同等发射功率下，设备体积缩减30%，频谱适应性扩展40%，满足智能家居、工业传感器等场景对微型化设备的严苛需求。

研究团队已与行业龙头企业启动产业化验证，成功将该技术应用于多节点传感器无线供电系统。实验表明，在3米传输距离内，系统能量传输效率较传统方案提升显著，为构建“无源物联网”生态系统奠定技术基础。

该研究成果提出的集成化设计范式为5G/6G通信系统的能效优化提供了新的技术路径。目前，研究团队正着力推进该技术在医疗电子、智能交通等领域的场景适配，加速“高能效无线充电”技术的产业化进程。

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