Підсилювач класу f

Реферат: UA 86420 U UA 86420 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі радіотехніки, конкретно до твердотільних надвисокочастотних (НВЧ) підсилювачів потужності класу F, які застосовуються як радіотехнічні пристрої з високим ККД. Підсилювачі класу F працюють у полігармонічному режимі при виконанні певних умов, які зв'язують параметри управління активним елементом (транзистором), такі як: імпеданс вихідної навантажувальної ланки на частотах основної і вищих гармонік та активний опір навантаження. Для підсилювача класу F такі умови мають виглядати наступним чином: навантажувальний імпеданс на кристалі транзистора повинен дорівнювати навантажувальному активному опору на першій (основній) гармоніці робочої частоти, нулю на частотах парних гармонік робочої частоти та нескінченності на частотах непарних гармонік починаючи з третьої [1,2]. Одним із недоліків підсилювача класу F є складність виконання умов його роботи внаслідок впливу паралельної вихідної ємності транзистора та послідовної індуктивності виходу. Наявність цих елементів обумовлено як фізикою роботи транзистора (вихідна ємність), так і його виконанням (індуктивність виводу стоку або колектора). Особливий вплив на роботу підсилювача класу F вихідна ємність та послідовна індуктивність транзистора надають на частотах починаючи від 100 МГц, що значно перешкоджає вихідної навантажувальної ланці утворити потрібні імпеданси на кристалі транзистора. Тому вихідна ємність та послідовна індуктивність транзистора потребують обов'язкового врахування при проектуванні вихідної навантажувальної ланки підсилювача класу F. Відомі рішення, у яких вихідні навантажувальні ланки розроблені таким чином, що дозволяють врахувати вихідну ємність та послідовну індуктивність транзистора так, що на кристалі транзистора можна отримати імпеданси, які близькі до теоретичних значень імпедансів ідеального підсилювача класу F [3,4,5]. Але для реального підсилювача класу F навіть утворення імпедансів близьких до теоретичних не завжди сприяє ефективній роботі підсилювача. Це пояснюється тим, що хоч навантажувальна ланка достатньо близько відповідає теоретичним умовам роботи підсилювача класу F, все ж робота самого транзистора як генератора струму не є достатньо передбаченою. Тобто досить складно передбачити в яких фазах та з якими амплітудами будуть гармоніки струму генеровані реальним транзистором до того ж які ще й залежать від імпедансів утворених навантажувальною ланкою. Як показано в [6,7,8] імпеданси реальних підсилювачів класу F, які потрібні для їх ефективної роботи, достатньо відрізняються від тих, що потребує теорія [2]. Це стосується імпедансів на першій та на третій гармоніці. Імпеданс на другій гармоніці завжди досить близько співпадає з теоретичним [2]. Тому для реальних втілень підсилювача класу F з врахуванням трьох гармонік для досягнення певних форм струму та напруги на кристалі транзистора існує потреба індивідуального налаштування імпедансів на першій та третій гармоніці. При цьому налаштування (зміна) імпедансу на першій або на третій гармоніці не повинно істотно змінювати імпеданси на тих гармоніках, на яких налаштування імпедансу не відбувається. Вихідна навантажувальна ланка для підсилювача класу F, яка запропонована в [4] дає змогу отримати імпеданси близькі до теоретичних [2] навіть для п'яти гармонік з врахуванням вихідної ємності та послідовної індуктивності транзистора. Недоліком цієї ланки є те, що вона не дає змоги окремого налаштування імпедансів на гармоніках без істотної зміни імпедансів на тих гармоніках, на яких налаштування імпедансу не відбувається. Найбільш близьким технічним рішенням є навантажувальна ланка, запропонована для підсилювача класу F з врахуванням трьох гармонік, який містить транзистор (активний елемент), що працює як керований генератор струму і вихідну навантажувальну ланку, яка досить близько задовольняє теоретичні умови роботи у режимі класу F, враховуючи при цьому наявність вихідної ємності та послідовної індуктивності транзистора [5]. Підсилювач містить транзистор, на який подається вхідний сигнал, та має паралельну вихідну ємність та послідовну індуктивність виходу (стоку або колектора) транзистора, до якого приєднані дросель та перша індуктивність, другий вивід транзистора (витік або емітер) приєднано до загального проводу, другий кінець дроселя підключений до позитивного контакту джерела живлення, перша індуктивність другим кінцем приєднана до першого розімкнутого шлейфу та першої лінії передачі, до другого кінця котрої приєднані перша та друга ємності, другий кінець першої ємності приєднаний до другої індуктивності, яка іншим кінцем приєднана до загального проводу, другий кінець другої ємності приєднаний до опору навантаження який другим кінцем приєднаний до загального проводу. Перевагою такого рішення є те, що навантажувальна ланка завдяки зміні першої ємності дозволяє налаштовувати імпеданс на першій гармоніці таким чином, що імпеданси на другій та третій гармоніці залишаються без істотних змін. 1 UA 86420 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Недоліком є те, що запропонована навантажувальна ланка [5] не дає змоги налаштування імпедансу на третій гармоніці без істотної зміни імпедансів на першій та другій гармоніці. В основу корисної моделі поставлена задача створення вихідної навантажувальної ланки для підсилювача класу F з врахуванням трьох гармонік, яка дає змогу враховуючи вихідну ємність та послідовну індуктивність транзистора, змінювати значення імпедансів на кристалі транзистора на першій та третій гармоніках незалежно один від одного та без істотної зміни імпедансу на другій гармоніці. Поставлена задача вирішується тим, що підсилювач класу F, що містить транзистор, на який подається вхідний сигнал, та має паралельну вихідну ємність та послідовну індуктивність виходу (стоку або колектора) транзистора, до якого приєднані дросель та перший відрізок лінії передачі, другий вивід транзистора (витік або емітер) приєднано до загального проводу, другий кінець дроселя підключений до позитивного контакту джерела живлення, згідно корисної моделі до другого виводу першого відрізка лінії передачі, приєднані другий та третій відрізки лінії передачі, до другого кінця другого відрізка приєднані четвертий та п'ятий відрізки ліній, до другого кінця п'ятого відрізка лінії приєднано першу ємність, яка іншим виводом з'єднана з шостим відрізком лінії, інший кінець шостого відрізка підключено до місця з'єднання четвертого та сьомого відрізків лінії, другий кінець сьомого відрізка приєднано до другої ємності, яка іншім виводом приєднана до загального проводу, другий кінець третього відрізка лінії підключено до місця з'єднання третьої та четвертої ємностей, третя ємність іншим виводом приєднана до загального проводу, до другого виводу четвертої ємності приєднані восьмий та дев'ятий відрізки ліній, другий кінець восьмого відрізку приєднано до загального проводу, до другого кінця дев'ятого відрізку підключена п'ята ємність, до другого виводу якої паралельно приєднані перша індуктивність, шоста ємність та опір навантаження, які своїми іншими виводами підключені до загального проводу. На Фіг. 1 показана схема пристрою, що заявляється. Вхідний сигнал від генератору 1 подається на транзистор (активний прилад) 2, до складу якого входять елементи 3 (вихідна ємність 5 та індуктивність виводу 4), до одного виводу (стоку або колектора) приєднаний перший відрізок лінії передачі 6, до другого виводу якого приєднаний дросель 7, інший кінець котрого приєднують до позитивного контакту джерела живлення, до другого виводу першого відрізка лінії передачі 6, приєднані другий 8 та третій 9 відрізки лінії передачі, до другого кінця другого відрізка 8 приєднані четвертий 10 та п'ятий 11 відрізки ліній, до другого кінця п'ятого відрізка 11 лінії приєднано першу ємність 12, яка іншим виводом з'єднана з шостим 13 відрізком лінії, інший кінець шостого відрізка 13 підключено до місця з'єднання четвертого 10 та сьомого 14 відрізків лінії, другий кінець сьомого відрізка 14 приєднано до другої ємності 15, яка іншім виводом приєднана до загального проводу, другий кінець третього відрізка лінії 9 підключено до місця з'єднання третьої 16 та четвертої 17 ємностей, третя ємність 16 іншим виводом приєднана до загального проводу, до другого виводу четвертої ємності 17 приєднані восьмий 18 та дев'ятий 19 відрізки ліній, другий кінець восьмого відрізку 18 приєднано до загального проводу, до другого кінця дев'ятого відрізку 19 підключена п'ята ємність 20, до другого виводу якої паралельно приєднані перша індуктивність 21, шоста ємність 22 та опір навантаження 23, які своїми іншими виводами підключені до загального проводу. Пристрій (Фіг. 1) працює таким чином: у робочому режимі при подачі на транзистор 2 сигналу з частотою f1 від генератору 1, транзистор використовуючи струм, який надходить через дросель 7 від джерела живлення, працює як керований генератор струму, який генерує нескінченну кількість вищих парних та непарних гармонік. У точці А (Фіг. 1) на кристалі транзистора, навантажувальна ланка з врахуванням вихідної ємності 5 та послідовної індуктивності транзистора 4 утворює імпеданси, які як показано на (Фіг. 2, 3) можна змінювати. Зміна п'ятої ємності (20), призводить до зміни імпедансу у точці А (Фіг. 1) на першій гармоніці Z1(f1)...Z7 (f1) , залишаючи при цьому без істотних змін імпеданси на другій Z(2f1) та третій гармоніці Z(3f1) (Фіг. 2). Зміна першої ємності (12) дозволяє змінювати імпеданс у точці А (Фіг. 1) на третій гармоніці Z1(3f1)...Z7 (3f1) , залишаючи при цьому без істотних змін імпеданси на першій Z( f1) тa другій гармоніці Z(2f1) (Фіг. 3). Це дозволяє отримати такі значення імпедансів на кристалі транзистора, які будуть сприяти утворенню певних форм струму та напруги, необхідних для ефективної роботи підсилювача класу F. Експериментально було реалізовано варіант підсилювача класу F з врахуванням трьох гармонік на робочу частоту 400 МГц (Фіг. 4). У реалізованому підсилювачі був отриманий стоковий ККД 72,5 % та вихідна потужність 1,065 Вт. 2 UA 86420 U Таким чином, даний пристрій може бути використаним у якості високоефективного радіотехнічного пристрою у радіопередавачах, системах передачі енергії та пристроях технологічного призначення. 5 10 15 20 25 Джерела інформації:, які використані при складанні заявки. 1. Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. /В.Г. Крыжановский Донецк: Апекс, 2004. - 448 с. 2. Raab F.Н. Maximum Efficiency and Output of Class-F Power Amplifiers. /F.H. Raab. //IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. - 2001. - Vol. 49, Nо. 6. - P. 1162-1166. 3. Kuroda K. Parasitic Compensation Design Technique for a C-Band GaN HEMT Class-F Amplifier./ K. Kuroda, R. Ishikawa, K. Honjo. //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 58, No. 11, Nov. 2010. - P. 2741-2750. 4. Honjo K, Takayama Y, Ishikawa R. Пат.: 8154348 B2, U.S.A. The University of ElectroCommunications, Tokyo (JP), Inc. МКИ H03F 3/191, НКИ 330/302, № 12/872589. Цепь усилителя. (Amplifier circuit) Заявл.: 31.08.2010. Опубл.: 10.04.2012. 5. Mitzlaff J. E. Пат.: 4717884, U.S.A. Motorola, Inc. МКИ Н 03 F 3/217, НКИ 330/251, №852045. ВЧ-усилитель мощности. (High efficiency RF power amplifier.) Заявл.: 14.04.86. Опубл.: 05.01.88. (прототип) 6. Крыжановский В.Г. Влияние потерь в резонансных контурах на работу усилителя класса F /Крыжановский В.Г., Ефимович А.П. //Радиотехника. Межвед. науч.-техн. сб. Харьков, 2012. Вып. 170. - С. 59-65. 7. Falco S. D. Low-Frequency Waveform Engineering Technique for Class-F Microwave Power Amplifier Design / S. D. Falco, A. Raffo, V. Vadala, G. Vannini //6th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMC). 2011. Manchester, UK, October 10-11,2011. - P. 288-291. 8. Colantonio P. HF Class F Design Guidelines /P. Colantonio, F. Giannini and E. Limiti //XV Int. Conf. Microwaves. "Radar and Wireless Communications". - Poland, Warszawa, May 17-21, 2004: MIKON 2004. - Vol.1. - P. 27-38. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 Підсилювач класу F, що містить транзистор, на який подається вхідний сигнал, та має паралельну вихідну ємність та послідовну індуктивність виходу (стоку або колектора) транзистора, до якого приєднані дросель та перший відрізок лінії передачі, другий вивід транзистора (витік або емітер) приєднано до загального проводу, другий кінець дроселя підключений до позитивного контакту джерела живлення, який відрізняється тим, що до другого виводу першого відрізка лінії передачі приєднані другий та третій відрізки лінії передачі, до другого кінця другого відрізка приєднані четвертий та п'ятий відрізки ліній, до другого кінця п'ятого відрізка лінії приєднано першу ємність, яка іншим виводом з'єднана з шостим відрізком лінії, інший кінець шостого відрізка підключено до місця з'єднання четвертого та сьомого відрізків лінії, другий кінець сьомого відрізка приєднано до другої ємності, яка іншим виводом приєднана до загального проводу, другий кінець третього відрізка лінії підключено до місця з'єднання третьої та четвертої ємностей, третя ємність іншим виводом приєднана до загального проводу, до другого виводу четвертої ємності приєднані восьмий та дев'ятий відрізки ліній, другий кінець восьмого відрізку приєднано до загального проводу, до другого кінця дев'ятого відрізку підключена п'ята ємність, до другого виводу якої паралельно приєднані перша індуктивність, шоста ємність та опір навантаження, які своїми іншими виводами підключені до загального проводу. 3 UA 86420 U 4 UA 86420 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5