ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ НАГРУЗКИ НА 2-Й ГАРМОНИКЕ
BROADBAND POLYHARMONIC GENERATOR WITH HIGH IMPEDANCE LOAD ON 2-ND HARMONIC

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах.
Общим недостатком существующих полигармонических генераторов (ПГ) с высоким КПД, используемых в высокоэффективных радиопередатчиках, является узкая полоса рабочих частот. Этот недостаток связан с тем, что в ПГ при перестройке рабочей частоты происходит изменение импеданса не только на основной частоте, но и на высших гармониках.
Известно техническое решение ПГ, содержащее активный элемент, к выходному электроду которого подключена выходная цепь, параметры которой гарантируют согласование активного элемента с нагрузкой, а между выходным электродом и общей шиной обеспечивают низкое значение импеданса на 2-й гармонике при работе генератора на центральной частоте (T. Nojima, S. Nishiki, K. Chiba, High-efficiency quasimicrowave GaAs FET Power amplifier. El.Letters, 7-th May 1987, vol.23, N10, pp. 512-513). Реализация высокоэффективного режима и достижение высокого значения КПД в данном генераторе возможно в относительно узкой полосе частот, равной 3%.
Известен также ПГ, работающий при угле отсечки выходного тока, близком к 90°, содержащий активный элемент, к выходному электроду которого подключена выходная цепь, параметры которой гарантируют согласование активного элемента с нагрузкой, а между выходным электродом и общей шиной обеспечивают низкое значение импеданса на 2-й гармонике и высокое значение импеданса на 3-й гармонике при работе генератора на центральной частоте. Данный генератор имеет также узкую полосу частот, составляющую 5% (S. Toyoda, High Efficiency Amplifiers, IEEE MTT-S Digest, 1994, pp. 253-256).
Известно техническое решение усилителя мощности инверсного класса F, которое также можно отнести к полигармоническим генераторам с внешним возбуждением (A. Grebennikov, High-Efficiency Transmission-Line Jnverse Class F Power Amplifiers for 2-GHz WCDMA Sistems, International J. Of eF and Microwave Computer-Aided Eng., vol.21, №4, July 2011, p. 446-456). Получение высоких значений КПД в таком генераторе возможно в относительно небольшой полосе рабочих частот, равной ≈ 2,7%.
Среди известных решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является широкополосный ПГ (патент РФ на изобретение №2517283, МПК Н03В 11/10, опубл. 27.05.2014,                                                     бюл. №15). Такой ПГ содержит активный элемент, к выходному электроду которого подключена выходная цепь, которая согласует активный элемент с нагрузкой, а также широкополосную входную цепь, соединенную с входом активного элемента, при этом под воздействием входного сигнала активный элемент формирует импульсы тока, угол отсечки импульсов тока активного элемента находится в пределах (100-110)°, а параметры выходной цепи в рабочей полосе частот обеспечивают между выходным электродом активного элемента и общей шиной следующие относительные значения реактивных сопротивлений на гармониках:
; ,
где ,  - абсолютные значения реактивного сопротивления на 2-й и 3-й гармониках соответственно;
н
R - значение активного сопротивления нагрузки на 1-й гармонике между выходным электродом активного элемента и общей шиной.
Конструктивная реализация данного генератора в относительной полосе частот, равной ≈ 20%, имеет среднюю выходную мощность 6,5 Вт при минимальном КПД 76%.
Предлагаемое изобретение направлено на расширение полосы рабочих частот при сохранении высокого значения КПД. Это достигается тем, что полигармонический генератор с высоким импедансом нагрузки на 2-й гармонике, содержащий активный элемент, к выходному электроду которого подключена выходная цепь, которая согласует активный элемент с нагрузкой, а также широкополосную входную цепь, соединенную с входом активного элемента, при этом под воздействием входного сигнала активный элемент формирует импульсы тока, угол отсечки  импульсов тока активного элемента определяется выражением:
θ=(-8,57ln q+109)°±2°,
н
вых
где q=ωRC - добротность активного элемента;
ω - круговая рабочая частота;
н
R - значение активного сопротивления нагрузки на 1-й гармонике между выходным электродом активного элемента и общей шиной;
вых
С - выходная емкость активного элемента; параметры выходной цепи в рабочей полосе частот обеспечивают между выходным электродом активного элемента и общей шиной следующие относительные значения реактивных сопротивлений на 2-й гармонике:
где ,  - значения соответственно положительного и отрицательного реактивного сопротивления на 2-й гармонике,
при этом значения добротности q находятся в пределах 0,1≤q≤1.
Такой выбор параметров выходной цепи создает благоприятные условия для достижения высокого значения КПД в полосе рабочих частот, превышающей полосу рабочих частот прототипа. Это происходит благодаря тому, что в предлагаемом устройстве импульсы тока активного элемента имеют уплощенную трапецеидальную форму, а форма напряжения на выходе активного элемента близка к косинусоидальным импульсам. Такие формы напряжения и тока обеспечиваются в более широкой, чем у прототипа полосе частот, что и определяет возможность сохранения высоких значений КПД в большей полосе частот.
Заметим, что значения добротности q, ограниченные в пределах 0,1≤q≤1, характерны для подавляющего большинства генераторных полевых и биполярных транзисторов, которые могут быть использованы в ПГ в качестве активных элементов.
На фиг. 1 представлена схема ПГ.
Предлагаемый ПГ с высоким импедансом нагрузки на 2-й гармонике содержит широкополосную входную цепь (1), соединенную с входом активного элемента (2), выход которого подключен к источнику питания через цепь развязки (3) и соединен с выходной цепью (4). Частная форма реализации выходной цепи, состоящей из элементов (5)-(19), дана на фиг. 1. Параметры выходной цепи выбраны таким образом, что в рабочей полосе частот они обеспечивают согласование активного элемента с нагрузкой на 1-й гармонике, а на 2-й гармонике импедансы между выходным электродом активного элемента и общей шиной соответствуют приведенным выше выражениям. ПГ работает следующим образом. При упомянутом выборе импедансов и соответствующем угле отсечки в рабочей полосе частот создаются необходимые условия для получения таких форм напряжения и тока, при которых минимизируется количество тепловой энергии, рассеиваемой активным элементом на его сопротивлении насыщения. Импульсы тока активного элемента в предлагаемом устройстве так же, как в прототипе, имеют уплощенную трапецеидальную форму, что способствует достижению высоких значений КПД. В предлагаемом ПГ полигармонический высокоэффективный режим по сравнению с прототипом сохраняется в большей рабочей полосе частот.
Предложенное устройство было проверено в конкретной конструктивной реализации. В качестве активного элемента использовался МДП-транзистор MRF1517NT1, номинальные значения элементов выходной цепи даны на фиг. 1. Все конденсаторы выходной цепи - фирмы АТС группы 600S. При синтезе выходной цепи учитывались значения паразитных индуктивностей конденсаторов. Данный ПГ с центральной частотой ≈ 330 МГц в относительной полосе частот, равной 30%, имеет КПД (76-79)%. При этом среднее значение мощности составляет 6,5 Вт при неравномерности в полосе частот 0,7 дБ. Устройство, собранное согласно признакам прототипа на том же транзисторе при одинаковой средней мощности при тех же значениях КПД, имеет относительную полосу частот, равную 20%.
Таким образом, применение предложенного технического решения в данной конструктивной реализации позволило, по сравнению с прототипом, увеличить полосу рабочих частот примерно в 1,5 раза при сохранении высоких значений КПД.