СВЧ УСИЛИТЕЛИ мощности КЛАССА Е НА GaAs ПТШ CLY5 С РАБОЧИМИ ЧАСТОТАМИ 800 МГц И 1035 МГц

February 8, 2013 by admin Комментировать »

Крыжановский В. Г., Принцовский В. А Донецкий национальный ун-т ул. Университетская, 24, г. Донецк, 83055, Украина тел: +380 62 302 92 61, e-mail: apex@dongu.donetsk.ua

Аннотация – Проведен расчет и экспериментальное исследование усилителей класса Е на частотах 800МГц и 1035МГц с использованием транзистора ПТШ CLY5. Представлен анализ теоретических и экспериментальных результатов.

I.                                         Введение

Разработка усилителей мощности (УМ) с высоким КПД класса Е позволяет достичь высоких характеристик радиопередающей аппаратуры. Но в диапазоне СВЧ труднее получить полное соответствие между теорией и экспериментом. Например, наблюдается расхождение по выходной мощности [1-4]. Для исследования причин несоответствия были проделаны расчеты, моделирование и экспериментальное исследование усилителей класса Е на двух близких частотах.

II.                           Теоретическая часть

Проектирование усилителя класса Е сводится в первую очередь к выбору транзистора, отвечающего требованиям ключевых усилителей, а именно: низким значением сопротивления в открытом состоянии; большой скоростью перекпючения (высокая критическая частота); малостью выходной емкости кристалла транзистора (дополнительное требование для класса Е [1]).

Для характеристики кпассов работы УМ используют такой параметр как коэффициент использования транзистора (КИТ), который позволяет определить величину максимально возможной выходной мощности для выбранного транзистора в заданном режиме работы по формуле [3]

где Ср class – КИТ в заданном режиме работы,

Ipeak ’ ^реак                                                                                       .                Кпах              ~ ПИКОВЫе И МаКСИМаЛЬНО

допустимые пиковые значения тока и напряжения на транзисторе.

В работе [3] приводятся все максимально возможные значения Ср для различных классов работы УМ. В классе Е максимальное значение КИТ равно 0,098. Малое значение этого параметра говорит о том, что перед проектировщиком ставится задача при разработке усилителя класса Е получить его максимальное значение, что приводит к ограничению на реализацию класса Е.

При реализации кпасса Е в СВЧ диапазоне существует особенность, связанная с большими значениями (по требованиям к кпассу Е), выходной емкости кристалла и паразитных индуктивностей выводов применяемых транзисторов. При этом реализация режима перезарядки шунтирующей емкости ключа для идеального класса Е сводится на СВЧ в реальном транзисторе к непосредственному использованию емкости кристалла транзистора. Заметим, что

дополнительное увеличение емкости, за счет под- кпючения к выходу транзистора, является затруднительным из-за получения резонансов на частотах высших гармоник. Этот факт накладывает дополнительное условие на класс Е – фиксированное значение шунтирующей емкости, что усложняет расчет и выбор типа устройства.

Как следует из соотношений класса Е [1, 2] рабочая частота /, шунтирующая емкость , напряжение питания и коммутируемая мощность связываются соотношением:

На СВЧ к этому выражению можно подходить с двух сторон, первая это когда выбрана рабочая частота разрабатываемого УМ, тогда выходная емкость транзистора должна быть равна:

И второй случай, более часто употребляемый в оценке качества транзистора к применению в кпассе Е, когда выбран тип транзистора с известным значением выходной емкости, а рабочая частота определяется соотношением [1]:

В обоих случаях необходимо проводить оптимизацию выбранных параметров транзистора и параметров усилителя в целом.

Если учесть (1), выходная мощность усилителя

Pout = Cp\class -IpeakVpeak ■ ТОГДа (2) ПреДСТаВИМО В

виде [2]:

При этом в процессе расчета должны выполнятся следующие ограничения:   ,

Из (1) следует, что максимум КИТ достигается тогда, когда пиковые значения форм тока и напряжения равны максимально возможным значениям для данного транзистора. Тогда с учетом (3) оптимальная частота с максимальным КИТ в кпассе Е определяется соотношением:

Таким образом, с помощью уравнения (4) можно оценить рабочую частоту выбранного транзистора в кпассе Е, на которой можно получить максимальное значение КИТ, равное теоретическому значению.

III.         Моделирование и эксперимент

Основываясь на уравнении (4) для транзистора CLY5 с параметрами: Q^=2.4nO, /^3^=1,024 А,

Fjjjax =26 В была определена оптимальная частота работы в классе Е равная =1,035 ГГц с максимальным КИТ транзистора при напряжении питания 7.3 В равным теоретическому в классе Е.

С целью сравнения были рассчитаны, промоделированы и сконструированы усилители класса Е с рабочими частотами 800 МГц и 1035 МГц (рис. 1). Экспериментально полученные частотные зависимости выходной мощности и КПД представлены на рис. 2. Сравнительный анализ ожидаемых и полученных КИТ приведены в таблице I

Puc. 1. Экспериментальный образец усилителя класса Ε на частоту 1035 МГц.

Fig. 1. Experimentai ciass Ε ampiifier for frequency 1035 MHz

Табл. 1. Значения КИТ Table 1. PFF values

Частота

Теория

Моделирование

Эксперимент

800 МГц

0,0512

0,0487

0,036

1035 МГц

0.0663

0,0574

0,037

f, MGz

Puc. 2. Зависимость выходной мощности и КПД усилителей на 800МГц и 1035МГц.

Fig. 2. Output power and efficiency vs frequency for 800 MHz and 1035 MHz

Экспериментальные значения КИТ были получены при напряжении питания = 6 В \л оказались приблизительно одинаковыми в отличие от теории для выбранных частот из-за частотного ограничения коэффициента усиления транзистора. Тем не менее, КИТ на частоте 1035МГц имеет большее значение, что подтверждает теоретическую оценку. В докладе обсуждаются возможные причины снижения выходной мощности.

Экспериментально подтверждены соотношения класса Е на примере двух усилителей на частоты 800 МГц и 1035 МГц с использованием транзистора ПТШ CLY5.

V.                           Список литературы

[1]    MaderB., Bryerton Ε., Markovic М., Forman М., PopovicZ. Switched-Mode High-Efficiency Microwave Power Amplifiers in a Free-Space Power-Combined Array// IEEE TMTT, vol. 46, no. 10, pp. 1391-1398. (Oct. 1998).

[2]    Крыжановский В. Г., Принцовский В. А. Усилитель СВЧ класса Е в микрополосковом исполнении //Изв.

ВУЗов «Радиоэлектроника», 2005, Т.48.-№ 1, с.3-10

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

[4]    Markovic М., Kain А., PopovicZ. Nonlinear modeling of Class-E power Amplifiers // Int. Journal RF and Microwave CAE.-V.9.-1999.- P.99-103.

800 MHz AND 1035 MHz UHF CLASS E POWER AMPLIFIERS ON CLY5 MESFET

Krizhanovski V. G., Printsovskii V. А.

Donetsi< Nationai University

24, Universitetsi<aya St., Donetsii, 83055, Ui<raine Pii.:+380-622919261, e-maii: apex@dongu.donetsi<.ua

Abstract – Two UHF Class E power amplifiers were designed, simulated, and fabricated with operating frequencies 800MHz and 1035MHz, respectively.

I.                                          Introduction

The high efficiency DC-AC power conversion in power amplifier (PA) was obtained using class E mode operation. Experimental characteristics of the designed class E PA are in good agreement with theory excluding its output power, which revealed to be smaller on 3dB compared with theory.

II.                                         Theory

The power filling factor (PFF) is one of PA characteristics, and it is expressed as follows [2]:

The frequency of maximum power filling factor (PFF) was calculated for class E power amplifiers on CLY5 MESFET

(4)

III.                           Simulation and Experiment

From equation (4) for transistor MESFET CLY5with parameters = 2.4 pF, 1^^^ = 1.024 A, = 26 V, the optimal frequency in class E operation is = 1.035 GHz

with maximum value Cp , which is equal to theoretical 0,098.

The both experimental amplifiers have been designed, and their characteristics have been measured. Theoretical, simulation and experimental measurement for PFF are presented in table 1 for both amplifiers.

IV.                                       Conclusion

The dependences of Class E have been experimentally verified using two PA’s at 800 MHz and 1035 MHz with MESFET CLY5.

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