ШИРОКОПОЛОСНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО КЛЮЧЕВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
WIDEBAND MODIFICATION OF HIGH-FREQUENCY KEY POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэффективных радиопередающих устройствах.
Одним из недостатков существующих высокочастотных ключевых усилителей мощности (далее - УМ), имеющих высокий КПД, является узкая полоса рабочих частот. Этот недостаток связан с тем, что в ключевых усилителях мощности при перестройке рабочей частоты происходит изменение импеданса нагрузки не только на основной частоте, но и на ее гармониках.
Известно техническое решение высокоэффективного УМ, содержащего активный элемент, работающий при угле отсечки, близком к 90°, общий электрод которого соединен с общей шиной, а к выходному электроду подключены четвертьволновый отрезок длинной линии, короткозамкнутый на основной частоте и высших гармониках, а также выходная цепь, параметры которой обеспечивают согласование с нагрузкой и высокое значение импеданса на гармониках основной частоты [S. Toyoda, High Efficiency Amplifiers, JEEE MTT-S Digest, 1994, p. 253-256]. Данный УМ имеет узкую полосу частот, составляющую 5%, что объясняется, вероятно, произвольным выбором волнового сопротивления отрезка линии.
Наиболее близким к изобретению являются высокочастотный ключевой усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления, состоящий из активного элемента, катушки индуктивности и переходного конденсатора, и линию передачи, входной ключевой каскад усиления выполнен с возможностью обеспечения угла отсечки θ, лежащего в пределах от 100 до 110°, в ключевой усилитель мощности введен фильтр, при этом обеспечивается высокий импеданс на высших гармониках на выходе линии передачи и согласование высокочастотного ключевого усилителя мощности с импедансом нагрузки, подключаемой к выходу фильтра, причем выход фильтра является выходом высокочастотного усилителя мощности, а вход фильтра соединен с выходом линии передачи [патент на изобретение RU №2538346, заявл. 11.06.2013, опубл. 10.01.2015, бюл. №1].
0
н
0
н
Исследование данного усилителя мощности показывает, что он имеет также узкую полосу рабочих частот, составляющую, например, 15%, при снижении КПД на краях полосы на 10% (при ωCR=0,35, где ω - центральная частота диапазона, С - выходная емкость активного элемента, R - сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу активного элемента). Относительно небольшое значение полосы частот определяется в данном случае, вероятно, неоптимальным выбором волнового сопротивления.
Предлагаемое изобретение направлено на увеличение полосы рабочих частот высокочастотного ключевого усилителя мощности. Это достигается тем, что широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности, содержащая последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления, состоящий из активного элемента, катушки индуктивности и переходного конденсатора, и линию передачи, входной ключевой каскад усиления выполнен с возможностью обеспечения угла отсечки θ, лежащего в пределах от 100 до 110°, в ключевой усилитель мощности введен фильтр, при этом обеспечивается высокий импеданс на высших гармониках на выходе линии передачи и согласование высокочастотного ключевого усилителя мощности с импедансом нагрузки, подключаемой к выходу фильтра, причем выход фильтра является выходом высокочастотного ключевого усилителя мощности, а вход фильтра соединен с выходом линии передачи, длина линии передачи  и ее волновое сопротивление ρ определяется соотношениями:
где λ - длина волны в линии передачи;
н
ω - нижняя частота диапазона;
в
ω - верхняя частота диапазона;
С - выходная емкость активного элемента входного ключевого каскада усиления;
н
R - сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу активного элемента.
Упомянутый выбор волнового сопротивления создает благоприятные условия для достижения высокого КПД в полосе рабочих частот, существенно превышающей полосу рабочих частот аналога и прототипа. Это происходит благодаря тому, что форма тока и напряжения на активном элементе, характерные для высокоэффективного режима, сохраняются в рабочей полосе частот.
На чертеже представлена схема широкополосной модификации высокочастотного ключевого усилителя мощности.
Предлагаемая широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности содержит последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления 1 и линию передачи 2, выход которого соединен с входом фильтра 3, выход фильтра является выходом ключевого усилителя мощности. Входной ключевой каскад усиления состоит из активного элемента 4, подключенного к источнику питания через катушку индуктивности 5 и соединенного через переходной конденсатор 6 с линией передачи 2. При этом длина линии передачи и ее волновое сопротивление определяются из приведенных ранее соотношений.
Широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности работает следующим образом. Под воздействием входного сигнала активный элемент формирует импульсы тока с углом отсечки в пределах (100-110)°. При выборе длины линии передачи, в соответствии с приведенной формулой, индуктивное сопротивление линии на 2-й гармонике основного сигнала совместно с емкостью активного элемента образует полюс импеданса на центральной частоте диапазона. При этом импеданс на 3-й гармонике в точках подключения активного элемента к линии нагрузки достаточно низок относительно сопротивления нагрузки на рабочей частоте. Фильтр 3 со стороны включения линии передачи обладает высоким импедансом нагрузки на высших гармониках, согласует ключевой каскад усиления с нагрузкой в полосе рабочих частот и обеспечивает протекание в нагрузке синусоидального тока.
При упомянутом выборе импедансов на гармониках и волнового сопротивления линии создаются необходимые условия для получения ключевых форм напряжения и тока и достижения высоких энергетических показателей в полосе рабочих частот.
Расчет на ЭВМ энергетических характеристик в полосе частот с использованием кусочно-линейной модели активного элемента показал, что относительная полоса рабочих частот (при снижении КПД на ее краях на 10%) в предложенном техническом решении подчиняется соотношению
0
н
в
где ω=(ω+ω)/2.
Предложенное устройство было проверено в конструктивной реализации. При использовании в качестве активного элемента транзистора CGH40025 в полосе частот от 1100 до 1400 МГц среднее значение КПД составило 75% при выходной мощности не менее 20 Вт.