ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
WIDEBAND POLYHARMONIC GENERATOR

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах.
Общим недостатком существующих полигармонических генераторов (ПГ) с высоким КПД 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 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, JEEE MTT-S Digest, 1994, pp.253-256).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является широкополосный полигармонический генератор (патент на изобретение №2210175, H03B 11/10, опубл. 10.08.2003, бюл. №22). Он содержит активный элемент, выполненный на транзисторе, к выходному электроду которого подключена выходная цепь, которая согласует активный элемент с нагрузкой, а также широкополосную входную цепь, соединенную с базой транзистора, при этом под воздействием входного сигнала транзистор формирует импульсы коллекторного тока с углом отсечки 90°. Параметры выходной цепи в рабочей полосе частот выбраны из следующих соотношений:
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>0,5</mn><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>2,</mn></mrow>
2
где |X| - абсолютное значение реактивного сопротивления на 2-й гармонике центральной частоты рабочего диапазона;
3
|X| - абсолютное значение реактивного сопротивления на 3-й гармонике центральной частоты рабочего диапазона;
н
R - активное сопротивление нагрузки.
Конструктивная реализация данного генератора в относительной полосе частот, равной 25%, имеет выходную мощность не менее 5 Вт при минимальном КПД 73%. Данное техническое решение имеет относительно невысокое значение КПД.
Предлагаемое изобретение направлено на увеличение КПД ПГ в полосе рабочих частот. Это достигается тем, что ПГ, 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 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:
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>1,</mn></mrow>
2
3
где |X|, |X| - 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.
Такой выбор параметров выходной цепи создает благоприятные условия для достижения в полосе рабочих частот высокого значения КПД, превышающего значения КПД прототипа. Это происходит благодаря тому, что в предлагаемом устройстве импульсы тока активного элемента имеют упрощенную трапецеидальную форму, а форма напряжения на выходе активного элемента близка к косинусоидальным импульсам. Такие формы напряжения и тока сохраняются в рабочей полосе частот, что и определяет возможность получения высоких значений КПД.
На фиг.1 представлена схема ПГ, а на фиг.2 - частотные характеристики ПГ.
Предлагаемый ПГ 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)-(15), 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 и 3-й гармониках импедансы между выходным электродом активного элемента и общей шиной соответствуют приведенным выше неравенствам. ПГ работает следующим образом. При упомянутом выборе импедансов в рабочей полосе частот создаются необходимые условия для получения таких форм напряжения и тока, при которых минимизируются интервалы времени, когда при наличии напряжения на выходном электроде активного элемента через него протекает ток. При этом количество тепловой энергии, рассеиваемой активным элементом на его сопротивлении насыщения в течение периода колебаний у предлагаемого устройства, значительно меньше, чем у прототипа, при одинаковой выходной мощности. Это происходит благодаря тому, что импульсы тока активного элемента в предлагаемом устройстве имеют упрощенную трапецеидальную форму, в то время как в прототипе импульсы тока близки по форме к положительным полуволнам косинусоиды. В предлагаемом ПГ полигармонический режим с высоким КПД сохраняется в относительной рабочей полосе частот, составляющей не менее 20%.
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. Частотные характеристики (фиг.2) показывают, что в относительной полосе частот, равной 20%, ПГ имеет КПД (76-79)%. При этом среднее значение мощности составляет 6,5 Вт при неравномерности в полосе частот 0,8 дБ. Устройство, собранное согласно признакам прототипа на том же транзисторе при одинаковой средней мощности в той же полосе частот, имеет КПД от 70 до 73%.