Высокочастотный ключевой усилитель мощности

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах. Достигаемый технический результат - увеличение верхней рабочей частоты при сохранении высокого коэффициента полезного действия. Высокочастотный ключевой усилитель мощности содержит ключевой каскад усиления, фильтр и линию передачи, длина которой и ее волновое сопротивление определяются из заданных соотношений. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэффективных радиопередающих устройствах.

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=ωCR_н<2,4, где ω - круговая рабочая частота; R_H - сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам активного элемента; С - выходная емкость активного элемента.

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. Известно, что такой ключевой усилитель благодаря прямоугольной форме тока при наличии потерь в активной 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=ω₁CR_Н<l,4, что обусловлено ростом потерь при увеличении рабочей частоты, вызванных негативным влиянием выходной емкости активного элемента.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение верхней рабочей частоты ключевого усилителя мощности при сохранении высокого КПД. Это достигается тем, что 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 ключевого усилителя мощности, а вход фильтра соединен с выходом линии передачи, длина которой l и ее волновое сопротивление ρ определяется из соотношений:

$$l=\frac{\lambda }{4}\left(1-\frac{1}{\pi }arctg2\omega C\rho \right);$$

ρ≤0,5R_H,

где λ - длина волны в линии передачи;

ω - круговая рабочая частота;

С - выходная емкость активного элемента входного ключевого каскада усиления;

R_H - сопротивление нагрузки, пересчитанное к активному элементу входного ключевого каскада усиления.

Такой выбор длины линии передачи позволяет компенсировать негативное влияние на КПД выходной емкости активного элемента, так как на 2-й гармонике индуктивности характер сопротивления линии передачи позволяет совместно с выходной емкостью активного элемента образовать полюс импеданса. При этом на 3-й гармонике импеданс в точках подключения активного элемента имеет достаточно низкое значение по сравнению с сопротивлением нагрузки, пересчитанным к зажимам активного элемента. Подобный выбор импедансов на гармониках и установка угла отсечки в заданных пределах создает благоприятное условие 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 В, прототипа и предлагаемого устройства.

Предлагаемый высокочастотный ключевой усилитель мощности содержит последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления 1 и линию передачи 2, выход которой 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.

Высокочастотный ключевой усилитель 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 его индуктивное сопротивление на 2-й гармонике основного сигнала совместно с выходной емкостью активного элемента образует полюс импеданса. При этом импеданс на 3-й гармонике в точках подключения активного элемента к линии передачи достаточно низок относительно сопротивления нагрузки на рабочей частоте. Фильтр 3 со стороны включения линии передачи обладает высоким импедансом на высших гармониках, согласует ключевой каскад усиления с нагрузкой и обеспечивает протекание в нагрузке синусоидального тока.

При упомянутом выборе импедансов на гармониках создаются необходимые условия для получения ключевых форм напряжения и тока и достижение высоких энергетических показателей. Расчет энергетических характеристик на ЭВМ с использованием кусочно-линейной модели активного элемента показал, что на высоких частотах (при q>0,5) предложенное устройство (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_н/R_н=0,05, где r_н - сопротивление насыщения активного элемента. Последнее соотношение является типичным для современных СВЧ транзисторов.

Предложенное устройство было проверено экспериментально. В качестве активного элемента использовался транзистор CGH40025. На частоте 2,4 ГГц был достигнут КПД, равный 74%, при выходной мощности 22 Вт. При этом паспортное значение КПД данного транзистора составляет ≈62%.

Высокочастотный ключевой усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления, состоящий из активного элемента, катушки индуктивности и переходного конденсатора, и линию передачи, отличающийся тем, что 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 которой l и ее волновое сопротивление ρ определяется из соотношений:

ρ≤0.5R_н,
где λ - длина волны в линии передачи;
ω - круговая рабочая частота;
С - выходная емкость активного элемента входного ключевого каскада усиления;
R_н - сопротивление нагрузки, пересчитанное к активному элементу входного ключевого каскада усиления.