ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в высокоэффективных радиопередающих устройствах.
1
aэ
1
н
аэ
Общим недостатком существующих ключевых генераторов является ограничение их верхней рабочей частоты, что связано главным образом с ростом потерь, обусловленных перезарядом паразитных емкостей. Известно техническое решение высокочастотного однотактного ключевого генератора, содержащего транзистор, коллектор которого через первый блокировочный конденсатор соединен с нагрузкой, коллектор подключен к первой шине источника питания через индуктивность, вторая шина источника питания соединена с общей шиной, параллельно источнику питания включен второй блокировочный конденсатор (см. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / под ред. Попова И.А. - М.: Радио и связь, 1985, с. 102 и 103). Реализация высокоэффективного режима и достижение высокого КПД в данном генераторе на высоких частотах ограничивается допустимым значением нагруженной добротности q=ωCRн<2,4, где ω - круговая рабочая частота; R - сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам активного элемента; C - выходная емкость активного элемента.
1
aэ
н
Наиболее близким к изобретению является ключевой усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной ключевой каскад усилителя и четвертьволновую линию передачи, последовательный колебательный контур, настроенный на частоту входного сигнала, первый вывод которого соединен с выходом четвертьволновой линии передачи, а второй вывод является выходом активного усилителя (авторское свидетельство СССР №1460770 с приоритетом от 19.11.86). В данном ключевом усилителе мощности напряжение на выходе активного элемента представляет собой полуволны синусоидального напряжения, а импульсы тока через активный элемент имеют прямоугольную форму, при этом активный элемент ключевого каскада работает с углом отсечки θ=90°. Известно, что такой ключевой усилитель благодаря прямоугольной форме тока при наличии потерь в активном элементе имеет наибольший КПД среди других высокоэффективных усилителей либо при фиксированной потребляемой энергии (И.А. Попов, С.А. Беличенко. Об оптимальной форме тока в однотактном ключевом генераторе с фильтровой нагрузкой, в кн.: Полупроводниковые приборы в технике электросвязи, вып. 25. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 85-87), либо при одинаковой выходной мощности (Y. Woo, Y. Yang. Analysis and Experiments for High - Efficiency Class-F and Inverse Class-F Power Amplifiers, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 54, №5, May 2006, pp. 1969-1974). Исследование высокочастотных свойств данного ключевого усилителя мощности показало, что его верхняя рабочая частота ограничена неравенством q=ωCR<1,4, что обусловлено ростом потерь при увеличении рабочей частоты, вызванных негативным влиянием выходной емкости активного элемента. При этом в ряде случаев четвертьволновая линия, входящая в состав ключевого усилителя мощности, может иметь длину, неприемлемую, например, для создания малогабаритных устройств.
При создании полезной модели ставилась задача нахождения схемотехнических и конструктивных решений, позволяющих увеличить верхнюю рабочую частоту при сохранении высокого значения КПД и при улучшении габаритных характеристик. Это достигается тем, что в ключевой усилитель мощности, содержащий входной ключевой каскад усиления, введены конденсатор, фильтр и индуктивность, первый вывод которой подключен к выходу ключевого каскада усиления, а второй вывод соединен с первым выводом конденсатора и входом фильтра, обладающего высоким входным импедансом на высших гармониках и согласующего ключевой каскад усиления с нагрузкой, выход фильтра является выходом ключевого усилителя мощности, второй вывод конденсатора соединен с общей шиной, ключевой каскад усиления работает с углом отсечки (95-120)°, при этом расчетные значения индуктивности и емкости конденсатора определяются из соотношений:
;
,
аэ
где C - выходная емкость активного элемента;
1
ω - круговая рабочая частота;
1
0
1
- частота, выбираемая из условия ω<ω<2ω.
Такой выбор значений индуктивности и емкости позволяет компенсировать негативное влияние на КПД выходной емкости активного элемента, так как на 2-й гармонике на выходе активного элемента создается полюс импеданса. При этом другие высшие гармоники ослабляются благодаря фильтрующим свойствам выходной емкости активного элемента. Подобный выбор импедансов на гармониках и установка угла отсечки в заданных пределах создает благоприятные условия для получения ключевых форм напряжения и тока на высоких частотах, что позволяет снять принципиальные частотные ограничения в достижении высоких значений КПД.
На фиг. 1 представлена электрическая схема высокочастотного ключевого усилителя мощности, на фиг. 2 представлены временные зависимости, поясняющие работу высокочастотного ключевого усилителя мощности, на фиг. 3 даны зависимости КПД от добротности q для генератора класса B, прототипа и предлагаемого устройства, на фиг. 4 - пример реализации.
Предлагаемый высокочастотный ключевой усилитель мощности содержит входной ключевой каскад усиления 1, индуктивность 2, конденсатор 3, фильтр 4. Входной ключевой каскад содержит активный элемент 5, катушку индуктивности 6 и переходной конденсатор 7.
Высокочастотный ключевой усилитель мощности работает следующим образом. Под воздействием входного сигнала активный элемент формирует импульсы тока с углом отсечки в пределах (95-120)°. При выборе значений индуктивности и конденсатора в соответствии с приведенными соотношениями на 2-й гармонике основного сигнала образуется полюс импеданса. При этом влияние других высших гармоник ослабляется благодаря фильтрующим свойствам выходной емкости активного элемента. Фильтр со стороны включения линии передачи обладает высоким импедансом на высших гармониках, согласует ключевой каскад усиления с нагрузкой и обеспечивает протекание в нагрузке синусоидального тока.
н
н
н
Упомянутый выбор импедансов на гармониках создает необходимые условия для получения ключевых форм напряжения и тока и достижения высоких энергетических показателей. При этом уплощенная форма тока активного элемента позволяет на высоких частотах иметь конкурентное преимущество предлагаемого устройства по КПД перед усилителями мощности других классов. Расчет энергетических характеристик на ЭВМ с использованием кусочно-линейной модели активного элемента показал, что на высоких частотах (при q>0,5) предложенное устройство при одинаковой выходной мощности (кривая «а» на фиг. 3) имеет существенный выигрыш в КПД по сравнению с прототипом (кривая «б») и наиболее распространенным генератором класса В. Результаты расчетов, отображенные на фиг. 3, получены при r/R=0,05, где r - сопротивление насыщения активного элемента. Последнее соотношение является типичным для современных СВЧ транзисторов.
н
Предложенное устройство было проверено в конкретной конструктивной реализации (фиг. 4). Предложенный УМ был выполнен на печатной плате из диэлектрика толщиной 0,635 мм и с относительной диэлектрической проницаемостью равной 6,15. В качестве активного элемента использован HEMT-транзистор CGH40025 фирмы CREE. Индуктивные элементы выходной цепи выполнены в виде отрезков полосковых линий. Эти полосковые элементы условно обозначены на схеме прямоугольниками, рядом с которыми даны их электрические параметры: фазовая длина в градусах и волновое сопротивление. Расчетные значения импедансов выходной цепи со стороны подключения транзистора с учетом его выходной емкости следующие: при f=1.3 ГГц сопротивление R=32 Ом; при f=2,6 ГГц импеданс ; при f=3,9 ГГц .
На частоте 1,3 ГГц макет УМ имеет КПД, равный 82% при напряжении питания 32 В, выходной мощности 21 Вт и коэффициенте усиления ~16 дБ. При этом паспортное значение КПД выбранного транзистора, относящегося к классу В, составляет 62%. Техническое решение на основе прототипа имеет расчетное значение КПД 73% при той же выходной мощности. Площадь, занимаемая индуктивностью 2 и конденсатором 3 (фиг. 1) в предлагаемом устройстве, в ≈3,5 раза меньше площади, занимаемой четвертьволновой линией в прототипе. С уменьшением частоты выигрыш по площади увеличивается. Так, на частоте 300 МГц при применении вместо индуктивных полосковых элементов сосредоточенных индуктивностей соотношение названных площадей составляет примерно 15:1 в пользу предлагаемого устройства.
Таким образом, расчетные и экспериментальные данные подтверждают достижение технического результата: увеличение верхней рабочей частоты при сохранении высокого КПД и улучшение габаритных характеристик.