РАЗРАБОТКА СВЧ УСИЛИТЕЛЕМ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ КЛАССА «Е»

January 29, 2013 by admin Комментировать »

Баранов А. В.

ООО «Эльдорадо» г. Нижний Новгород, ул. Ларина, 1, 603107, Россия тел.: 832-664482, e-mail: eldorado@sandy.ru

Аннотация – Предложен новый высокочастотный вариант построения усилителей в режиме класса «Е» с последовательной ключу индуктивностью. Дан анализ работы таких усилителей. Получены формулы для их импеданса нагрузочной цепи и максимальной рабочей частоты. Показано, что для разработки усилителей большой мощности данные формулы имеют важное практическое значение. Предложена методика построения микрополосковых цепей на входе и выходе ключевого элемента. Подтверждено, что с достаточной для инженерных расчетов точностью данная методика может быть использована на практике.

I. Введение

Среди известных режимов работы усилителей и генераторов класс «Е» занимает особое место, так как он обеспечивает этим устройствам коэффициент полезного действия (КПД), теоретически равный 100 % [1]. Впервые название режима работы – кпасс «Е» дано авторами публикации [2]. К сожалению, до выхода в свет книги [1] название – кпасс «Е» в отечественной литературе практически не использовалось, хотя сходные с кпассом «Е» режимы однотакг- ных кпючевых усилителей мощности и генераторов были известны давно [3]. Среди многообразия способов реализации класса «Е» наиболее высокочастотным вариантом является реализация кпасса «Е» в усилителях на основе линий с распределенными параметрами [4], где в качестве шунтирующего конденсатора на выходе идеального кпюча используется линейная выходная емкость транзистора. Вместе с тем, именно эта емкость и ограничивает максимальную частоту работы усилителей в классе «Е и, особенно, усилителей большой мощности. В этой связи, в данной работе предлагается новый высокочастотный вариант построения усилителей мощности в классе «Е». Причем данный вариант подходит и для построения усилителей большой мощности.

II. Основная часть

Предположим, что схему однотакгного ключевого усилителя мощности можно свести к схеме простого контура первого порядка (см. Рис.1). Здесь S – идеальный кпюч, Ls – суммарная индуктивность на выходе кпюча, Vc{Q), lc{Q) – напряжение на ключе и ток, протекающий через него. На кпюч S и индуктивность Ls воздействует эквивалентный источник питания \/s (Θ) с постоянной составляющей Vds и переменной синусоидальной составляющей с амплитудой -Vosa и с полной фазой (Θ + φ), где Θ = Wst, а ®s – угловая частота входного сигнала. Постоянные величины

находятся из основных для режима кпасса «Е» усло- вий: /с (Θ) = О при Θ = π и d /с (Θ) / d Θ = О при Θ = π.

В рамках стандартных для кпасса «Е» приближениях [2,4] схема на Рис. 1 описывается уравнениями, которые являются дуальными по отношению к уравнениям, полученным в [4] для классической схемы с

шунтирующей кпюч емкостью Cs. То есть, если в уравнениях, описывающих схему на Рис.1, заменить эквивалентный источник напряжения \/s (Θ) – на соответствующий источник тока, и формально поменять местами величины: Ls и Cs, Vc{Q) и /с(6), их постоянные составляющие Vds и Ids и их максимальные значения Vmax И Imax, ТО МОЖНО получить аналогичные [4] уравнения, и наоборот. Например, для работы этих схем в классе «Е» приблизительные максимальные частоты (fmax) находятся следующим образом:

Эти уравнения определяют для оптимального режима кпасса «Е» некоторую частотную границу, за пределами которой кпасс «Е» может быть реализован только в определенном приближении, то есть со снижением максимально достижимого КПД. Очевидно, чтобы повысить fmax. В схеме на Рис. 1 необходимо увеличивать Vmax и уменьшать Ls и Ids- Следует отметить, что здесь уменьшение индуктивности Ls ограничивается только возможностями ее практической реализуемости. Это означает, что в предложенной схеме усилителя частотная граница для оптимальной реализации кпасса «Е» может быть отодвинута в более высокочастотную область. В дуальной же схеме [4] для повышения fmax, необходимо увеличивать Imax и уменьшать Cs и Vds- Поскольку линейная выходная емкость кпюча является нерегулируемым параметром, уменьшить ее можно только путем перебора транзисторов. Причем на практике параметры Imax, Cs и Vds Для транзисторных кпючей таковы, что расчетные значения fmax для классической схемы [4] невысоки и для дальнейшего увеличения рабочих частот остается только понижать напряжения питания Vds- Это, как правило, приводит к уменьшению уровней выходной мощности усилителей. Предложенная же схема усилителя в режиме кпасса «Е» значительно расширяет в СВЧ диапазоне номенкпатуру транзисторов, используемых в качестве кпючей. Например, в качестве кпючей вместо низковольтных GaAsFET могут быть использованы высоковольтные MOSFET транзисторы. Следовательно, в предложенной схеме усилителя можно ожидать и более высокие уровни выходной мощности.

Рис. 1. Эквивалентная схема усилителя мощности в режиме класса «Е».

Fig. 1. Equivalent circuit of class E power amplifier

Для рассматриваемого усилителя получен импеданс его выходной нагрузочной цепи (Ζβ«χί):

Таким образом, условия существования режима кпасса «Е» – это определенный импеданс Zeuxi»a ос

новной частоте Ws и условие холостого хода на всех ее гармониках. Полученные формулы для fmax и Zβыx1β,зюτ четкие рекомендации, как в рассматриваемом усилителе в режиме класса «Е» построить выходную цепь. На основе этих формул предлагается инженерная методика проектирования усилителей большой мощности. Суть данной методики заключается в том, что входная и выходная цепи усилителей в классе «Е» должны настраиваться друг под друга. Сначала синтезируется оптимальная для класса «Е» выходная цепь, используя оценочные значения Cs и Ls ключа при первоначальной настройке его входной цепи. Затем оптимальная настройка выходной цепи и суммарное значение Ls ключа остаются неизменными, и уже входная цепь перестраивается под них. С помощью предложенной методики разработаны и изготовлены усилители в классе «Е» с выходной мощностью 8 и 60 Вт. Они работают при напряжении питания 16.8 В на частоте 925 МГц и выполнены на LDMOSFET транзисторах типа MRF282S. На Рис.

2    представлены графики амплитудной характеристики первого усилителя (кривая 1) и зависимости его КПД от входной мощности (кривая 2). Второй усилитель представляет собой 8-канальное устройство, где в качестве канального усилителя используется усилитель первого типа. При суммировании мощностей использованы ЗдБ квадратурные мосты типа [5]. В этом случае максимальный КПД усилителя с выходной мощностью 60 Вт достигает 71 %.

Рис. 2. Амплитудная характеристика усилителя в классе Е и его КПД по добавленной мощности.

Fig. 2. Output power and РАЕ as a function of input power for the class-E amplifier

III.                                  Заключение

Используя новый высокочастотный вариант построения усилителей в режиме класса Е, продемонстрирована возможность разработки усилителей мощности с выходной мощностью 8 и 60 Вт. С достаточной для инженерных расчетов точностью предложенная здесь методика построения микрополоско- вых цепей на входе и выходе ключевого элемента может быть использована на практике. Максимальные значения КПД разработанных усилителей составляют 75 % и 71 % соответственно.

IV.                          Список литературы

[1] Крыжановский В. Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. – Донецк.: Апекс, 2004. – 448 с.

[2] Sokal N. О., Sokal А. D. Class Е – а new class of high- efficiency tuned single-ended switching power amplifiers. IEEE Journal of Solid-State Circuits. -V. SC-10, 1975, 3, p.168-176.

[3] Артым A. Д. Ключевой режим работы генераторов высокой частоты. Радиотехника, Т. 24, 1969, 6, с. 58-64.

[4] Mader Т. В., Bryerton Е. И/., Markovic М. et а!. Switched- mode high-efficiency microwave power amplifiers in a free- space power-combiner array. IEEE Trans, on MTT. – V. 46, 1998, 10, p. 1391-1398.

[5] Fisher R. E. Broad-band twisted-wire quadrature hybrids. IEEE Trans, on MTT. – V. MTT-21, 1973, 5, p. 355-357.

DESIGN OF MICROWAVE HIGH-POWER CLASS-E AMPLIFIERS

Baranov A. V.

Limited Liability Company «Eldorado»

Nizhny Novgorod, 603107, Russia Ph.: 832-664482, e-mail: eldorado@sandy.ru

Abstract-Anew microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance is presented. Approximate maximum frequency of class E operation amplifier and its load network impedance are determined. The method of input and output transmission-lines amplifier design is also presented. The method is proved in order to satisfy experience with good accuracy.

I.                                         Introduction

Class E power amplifier offers efficiency approaching theoretically 100 percent [1]. The Sokals were the first to call class E amplifier [2], while similar amplifiers were known long ago [3]. There are several configurations of such amplifier. Mader et al. introduced the new microwave transmission-line class E amplifier [4]. Here shunt switch capacitor was the linear output transistor capacitor. It is just capacitor that limits maximum operation frequency and output power for class E amplifiers. In order to increase the frequency and output power the new microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance is suggested.

II.                                        Main Part

Assume that class E power amplifier may be reduced to simple first-order circuit in Fig. 1, using standard class E assumptions

[2,4]   . Here S – switch, Ls – overall series switch inductance, Vc (Θ) – switch voltage, (Θ) – current, \/s (Θ) – equivalent voltage source, which consists of constant DC Vos and sinusoidal RF component with magnitude -Vdso and phase (Θ + φ), where Θ = fflsf, and Os – switching frequency. The two main conditions for class E operation: /^(θ) = 0 at Θ = π and d /^(θ) / d Θ = 0 at Θ = π determine constants a and φ uniquely. All equations of the circuit in Fig. 1 are dual to the circuit in [4]. For example, for both circuits the approximate maximum frequencies (fmax) of class E operation are defined by the following expressions:

In order to increase f„ax values. Ids and Ls (or Vos and Cs) must be decreased. But the value Cs can’t be decreased, because its adjustment is impossible. The value Ls may be decreased. Therefore for the circuit in Fig. 1 operating frequency is higher. Very likely output power is also higher, since the circuit may be designed on high voltage MOSFET. For the circuit in Fig. 1 the external load network impedance {Ze^xd can be obtained:

In order to ensure class E operation, the specific fundamental impedance Zeb„,and open-circuit conditions at all of the higher harmonic frequencies should be introduced. Using the formulas obtained, input and output transmission-line circuits have been developed. The circuit design method consists of the following. Both circuits are to be adjusted mutually. At first output transmis- sion-line circuit is developed, using Ls and Cs estimations for primary adjusted input circuit. Then optimal output circuit state and overall Ls remain invariable, but the input circuit is adjusted. Class E amplifiers with 8 and 60 W output power have been manufactured using the method described above. Both amplifiers operate at 925 MHz and use LDMOSFET MRF282S. Class E amplifiers have power-added efficiency 75 % and 71 % accordingly.

III.                                       Conclusion

Using the new microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance the design of amplifiers with 8 and 60 W output power is demonstrated. The method of input and output transmission-line design is proved to satisfy experience with good accuracy.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты