Развитие методик расчета и построения усилителей класса F с ограниченным числом гармоник тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Ефимович, Андрей Павлович

• Ефимович, Андрей Павлович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ефимович, Андрей Павлович

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССА Б

1.1 Идеализированные усилители класса Б

1.2 Усилители класса Б с ограниченным числом гармоник

1.3 Вопросы реализации усилителей класса Б с ограниченным

числом гармоник

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ КЛАССА Б

2.1. Влияние потерь в резонансных контурах нагрузочной цепи

на работу усилителя класса Бз

2.1.1. Расчет и моделирование усилителя класса Бз

2.1.2. Исследование влияния потерь и оптимизация энергетических характеристик усилителя класса Бз

2.2. Развитие теории насыщенного усилителя класса Бз

2.2.1. Формы тока стока и напряжения сток-исток

насыщенного усилителя класса Б3

2.2.2. Области реализуемости и алгоритм расчета параметров насыщенного усилителя класса Б3

2.2.3. Сравнение энергетических характеристик насыщенного усилителя класса Бз с ненасыщенным усилителем класса Бз

2.2.4. Расчет, моделирование и экспериментальное исследование энергетических характеристик насыщенного усилителя класса Бз

2.3. Влияние выходной емкости транзистора на энергетические характеристики насыщенного усилителя класса Бз

2.з.1. Моделирование насыщенного усилителя класса Бз

2.з.2. Экспериментальное исследование энергетических

характеристик насыщенного усилителя класса Бз

Выводы по главе 2

ГЛАВА з. НАГРУЗОЧНЫЕ ЦЕПИ ДЛЯ ВЧ И СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ

КЛАССА Б С ОГРАНИЧЕННЫМ ЧИСЛОМ ГАРМОНИК

3.1. Нагрузочная цепь для ВЧ усилителя класса Бз с настройкой импедансов на гармониках

3.2. Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в СВЧ усилителе класса Бз

3.2.1. Методика расчета компенсирующей нагрузочной цепи

для СВЧ усилителя класса Бз

3.2.2. Расчет, моделирование и экспериментальное исследование энергетических характеристик усилителя класса Бз

3.3. Компенсация паразитных элементов транзистора в СВЧ

усилителе класса Бз5

3.3.1. Методика расчета компенсирующей нагрузочной цепи

для СВЧ усилителя класса Бз5

3.3.2. Определение нагрузочного сопротивления усилителя

класса Бз5

3.3.3. Расчет, моделирование и экспериментальное исследование

энергетических характеристик усилителя класса Бз5

Выводы по главе з

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программа расчета параметров насыщенного усилителя

класса Бз в среде МаШсаё

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа расчета параметров нагрузочной цепи

ВЧ усилителя класса Бз в среде МаШсаё

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Программа расчета параметров нагрузочной цепи СВЧ

усилителя класса F3 в среде Mathcad

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Программа расчета параметров нагрузочной цепи СВЧ

усилителей класса F35 и класса F-4 в среде Mathcad

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акты внедрения результатов работы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭ - активный элемент

АМ - амплитудная модуляция

ЧМ - частотная модуляция

ВЧ - высокие частоты

СВЧ - сверхвысокие частоты

КПД - коэффициент полезного действия

КИТ - коэффициент использования транзистора

КПДдм - КПД по добавленной мощности

КЗ - короткое замыкание

ХХ - холостой ход

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методик расчета и построения усилителей класса F с ограниченным числом гармоник»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время высокочастотная (ВЧ) и сверхвысокочастотная (СВЧ) техника широко используется во многих отраслях промышленности, став мощным инструментом решения широкого круга задач. Для обеспечения работы радиотехнических систем на требуемом уровне мощности, необходимо использовать усилители мощности (УМ), преобразующие энергию постоянного тока, потребляемую от источника питания, в энергию электрических колебаний. Эффективность такого преобразования энергии зависит от КПД УМ.

Использование высокоэффективных УМ позволяет снизить потребление энергии УМ от источника питания (уменьшить эксплуатационные расходы), решить проблему охлаждения активного элемента (АЭ), повысить надежность работы УМ и уменьшить его массогабаритные параметры, что существенно улучшает характеристики устройств, где используются данные усилители [1-8]. Поэтому, в современном мире, интерес к таким УМ постоянно усиливается. Примером этому может служить европейская программа TARGET (Top Amplifier Research Groups in a European Team) направленная на разработку новых и усовершенствование существующих высокоэффективных УМ [9].

В настоящее время существует несколько классов высокоэффективных УМ, в которых теоретически возможно получить КПД равный 100% [1-8]. Одним из таких усилителей, наиболее не исследованным, является полигармонический УМ класса F, который впервые был назван так Ф. Раабом [1]. Данный УМ относится к полигармоническим усилителям, поскольку его нагрузочная цепь представляет собой многорезонаторный выходной фильтр. Такой фильтр контролирует содержание гармоник напряжения сток-исток или коллектор-эмиттер, для формирования форм импульсов напряжения, уменьшающих рассеянье мощности на АЭ и соответственно увеличивающих КПД УМ [1-8].

Обычно создают УМ класса F, нагрузочная цепь которого настроена на ограниченное число гармоник. Поскольку на практике создать нагрузочную цепь, настроенную на бесконечное число гармоник невозможно. Наибольшее распро-

странение получили УМ класса Б нагрузочные цепи, которых настроены на три гармоники (класс Бз) и реже на пять гармоник (класс Бз5). Несмотря на это данные УМ остаются высокоэффективными, поскольку их теоретический КПД, составляет 90,7% и 94,8% [з9]. Также одним из главных достоинств УМ класса Б среди высокоэффективных усилителей является высокий теоритический коэффициент использования транзистора по мощности (КИТ), который составляет 14,4% для класса Бз и 15,1% для класса Бз5 [з9]. Данный УМ может быть реализован в большем диапазоне выходных емкостей транзистора в ВЧ и СВЧ диапазоне при сохранении высоких энергетических характеристик усилителя, что также положительно сказывается на его практической пригодности. Поэтому УМ класса Б может найти практическое применение в радиопередающих устройствах, автогенераторах, устройствах индукционного нагрева, устройствах освещения с ВЧ и СВЧ накачкой. Особенно энергетически оправданно применение УМ класса Б в оконечных каскадах портативных устройств связи, работающих от аккумуляторных батарей, что позволит существенно увеличить время их автономной работы. Поскольку промышленный КПД передатчика в основном зависит от энергетической эффективности УМ, используемого в оконечном каскаде.

Рабочая полоса частот УМ класса Б в основном зависит от относительной полосы пропускания колебательного контура нагрузочной цепи, настроенного на первую гармонику [7]. Несмотря на то, что данный УМ узкополосный, он с успехом может быть использован в устройствах связи. Примером возможного применения УМ класса Б могут служить как портативные так и стационарные радиостанции с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) работающие в диапазонах низких частот (НЧ), ВЧ и СВЧ [7]. Обычно под один канал звуковых частот аналоговых передатчиков выделяют 10 кГц [10]. Поэтому в НЧ диапазоне при довольно высокой нагрузочной добротности контура (<2 = 20), относительной полосы пропускания контура достаточно, чтобы реализовать передачу от 1 до 15 каналов. На практике это может быть использовано в радиопередающих системах специальной или гражданской связи. Учитывая рост относительной полосы пропускания резонансного контура с ростом рабочей частоты усилителя, можно ожидать, что при этом

будет происходить и расширение областей возможного практического применения УМ класса F в современных системах связи. Например, в CB (Citizens Band) радиостанциях работающих в гражданском ВЧ диапазоне частот 26,965 МГц -27,405 МГц, где 40 каналов связи, с шириной канала 10 кГц, занимают полосу в 440 кГц [11, 12]. При Q = 20 относительная полоса пропускания контура равна 1350 кГц, чего более чем достаточно для применения УМ класса F в оконечном каскаде данной радиостанции. При этом также возможно дополнительное увеличение Q. Вполне возможным и оправданным может быть применение и УМ класса F в радиостанциях работающих на более высоких частотах. Например в LPD (Low Power Device) и PMR (Private Mobile Radio) радиостанциях работающих в гражданских диапазонах частот 433,075 МГц - 434,775 МГц и 446,000 МГц -446,100 МГц [12].

В работах [13-15], было обосновано применение УМ класса F при построении высокоэффективных трактов усиления сигналов, использующихся в современных цифровых системах связи. Например, это могут быть сигналы с GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и QAM (Quadrature Amplitude Modulation) модуляцией [16]. Данные сигналы усиливаются путем их раздельного усиления, технически реализованного по архитектуре Кана [17], содержащей УМ класса F. Это делает возможным улучшение энергетических характеристик устройств цифровой связи таких известных стандартов как DRM (Digital Radio Mondiale), GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) и LTE (Long-Term Evolution) [18]. Относительной полосы пропускания колебательного контура нагрузочной цепи УМ класса F (при Q = 20) оказывается вполне достаточно для использования усилителя в одном из следующих стандартов цифровой связи GSM-850, GSM-900, GSM-1800 и GSM-1900, где ширина полос частот передачи составляет 25 МГц, 25 МГц, 75 МГц и 60 МГц [18]. Использование узкополосного УМ класса F в цифровой связи стандартов DRM, UMTS и LTE вполне оправданно, когда достигается компромисс между требуемой шириной полосы передаваемых частот и полосой рабочих частот усилителя.

В настоящее время существует много работ [1з, 14, 20-з0, зз-з9, 55-58, 6064, 68-75, 77-78, 80-82, 84, 87-94] посвященных развитию теоретической базы УМ класса Б. Однако теория данного УМ все еще содержит ряд нерешенных задач, что вызывает существенные сложности при проектировании усилителя и является фактором, сильно ограничивающим его практическое применение. Поскольку, для УМ класса Бз остается не изученным влияние потерь в нагрузочной цепи на

его энергетические характеристики. Изучение данного вопроса позволило бы дать рекомендации к возможным путям снижения влияния потерь в нагрузочной цепи на энергетические характеристики усилителя. Это может иметь большое практическое значение при проектировании УМ класса Бз как на сосредоточенных элементах так и в виде интегральных микросхем где добротности катушек индуктивности нагрузочной цепи усилителя малы.

Не существует методики позволяющей рассчитать параметры УМ класса Бз при высоком уровне амплитуды входного гармонического напряжения (насыщенный УМ класса Бз). Существование такой методики смогло бы обеспечить расчет энергетических характеристик усилителя, требуемых нагрузочных импедансов на гармониках, амплитуды входного напряжения при заданном нижнем угле отсечки и напряжении питания усилителя. Наличие расчетных аналитических соотношений позволило бы установить значения возможных амплитуд входного напряжения и нижних углов отсечки, при которых может быть реализован насыщенный УМ класса Бз. Это значительно облегчило бы проектирование данного УМ и увеличило его практическую пригодность.

Для насыщенного УМ класса Бз остается невыясненным влияние на высших гармониках величины выходной емкости транзистора на энергетические характеристики усилителя. Изучение данного вопроса позволило бы дать рекомендации по выбору транзистора выходная емкость, которого способствовала достижению высоких энергетических характеристик насыщенного УМ класса Бз за счет высших гармоник, на которые не настроена нагрузочная цепь усилителя.

Не существует нагрузочных цепей для ВЧ и СВЧ УМ класса Б3, позволяющих с учетом паразитных элементов транзистора (выходной емкости и индуктивности) выполнять независимую настройку импедансов на гармониках. На практике такая настройка позволила бы установить разности фаз между гармониками тока и напряжения транзистора, при которых достигаются высокие энергетические характеристики усилителя с учетом таких нежелательных факторов как растягивание импульса тока стока или коллектора транзистора, наличии активных потерь и паразитных индуктивностей и емкостей монтажа элементов нагрузочной цепи усилителя.

Существующие нагрузочные цепи для СВЧ УМ класса Б35 имеют сложную топологию и тяжело реализуемы. Методики их расчета не позволяют выполнить расчет всей цепи с помощью простых аналитических соотношений. Создание для данного УМ нагрузочной цепи с простой топологией и возможностью расчета ее параметров с помощью простых аналитических соотношений существенно облегчило бы ее проектирование. В свою очередь это сделало бы возможным расширение областей возможного практического применения УМ класса Б35, энергетические характеристики которого выше УМ класса Б3.

Таким образом, вопросы расчета и построения УМ класса Б с ограниченным числом гармоник и с учетом свойств реального транзистора нагрузочных цепей являются актуальными и требуют изучения. Данная диссертационная работа позволит дальше развить теоретическую базу УМ класса Б и дать четкие рекомендации к его проектированию. В дальнейшем это будет способствовать улучшению практической пригодности УМ класса Б и расширению области его применения в современных радиотехнических устройствах.

Объект исследования - процессы преобразования энергии постоянного тока источника питания, в энергию электрических колебаний в УМ класса Б с ограниченным числом гармоник.

Предмет исследования - методики расчета и построения УМ класса Б с ограниченным числом гармоник, а также методы и средства манипуляции гармониками тока и напряжения на выходе активного элемента усилителя

Цели диссертационной работы.

1. Исследование физических процессов и установление закономерностей для получения высокого КПД в УМ класса F с ограниченным числом гармоник с учетом свойств реального транзистора и нагрузочных цепей.

2. Развитие методик расчета УМ класса F с ограниченным числом гармоник.

3. Развитие методик расчета и построения нагрузочных цепей для ВЧ и СВЧ УМ класса F с ограниченным числом гармоник.

Задачи диссертационной работы.

1. Исследовать влияние активных потерь в нагрузочной цепи УМ класса F3 на его КПД, выходную мощность и разности фаз между гармониками тока стока и напряжения сток-исток.

2. Получить основные соотношения для расчета параметров насыщенного УМ класса F3.

3. Исследовать влияние выходной емкости транзистора на энергетические характеристики насыщенного УМ класса F3 .

4. Предложить компенсирующие нагрузочные цепи для ВЧ и СВЧ усилителей класса F3 с возможностью независимой настройки импедансов на гармониках, а также получить соотношения для расчета параметров данных нагрузочных цепей.

5. Предложить компенсирующую нагрузочную цепь для СВЧ усилителя класса F35 имеющую более простую топологию, и методику расчета ее параметров, чем ранее предложенная нагрузочная цепь.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования основаны на теории линейных и нелинейных электрических цепей, математического анализа и компьютерного моделирования в программных средах «Mathcad» «Advanced Design System» и «AWR Microwave Office». Экспериментальные методы исследований базируются на теоретических основах измерений характеристик усилителей с помощью измерительной аппаратуры.

Научная новизна полученных результатов. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:

1. Исследовано влияние активных потерь в резонансных контурах нагрузочной цепи УМ класса Б3 на его стоковый КПД и выходную мощность. Показано, что снижение КПД при увеличении активных потерь в катушках индуктивности можно частично компенсировать за счет подстройки разности фаз между первой гармоникой тока стока и напряжения сток-исток;

2. Предложена методика, позволяющая с помощью аналитических соотношений выполнять расчет параметров насыщенного УМ класса Б3;

3. Определены значения углов отсечки и амплитуд входного гармонического напряжения, при которых реализуем насыщенный УМ класса Б3 ;

4. Исследовано влияние выходной емкости транзистора на стоковый КПД и выходную мощность насыщенного УМ класса Б3 и показано, что уменьшение выходной емкости транзистора обеспечивает рост стокового КПД, и выходной мощности усилителя;

5. Предложены нагрузочные цепи и методики их расчета для ВЧ и СВЧ УМ класса Б3 компенсирующие негативное влияние паразитных элементов транзистора (выходной емкости и индуктивности) на стоковый КПД и выходную мощность усилителя и позволяющие оптимизировать энергетические характеристики усилителей за счет практически независимой настройки нагрузочных импедансов на первой и третьей гармониках;

6. Предложена нагрузочная цепь и методика расчета ее параметров для СВЧ УМ класса Б35 компенсирующая негативное влияние выходной емкости и индуктивности транзистора на работу усилителя. Нагрузочная цепь по сравнению с цепью предложенной ранее имеет более простую топологию и полностью рассчитывается с помощью аналитических соотношений.

Теоретическое и практическое значение полученных результатов.

Практическая значимость результатов полученных в диссертационной работе состоит в следующем:

1. Предложенные рекомендации по снижению негативного влияния активных потерь в катушках индуктивности резонансных контуров нагрузочной цепи УМ класса Б3 на его стоковый КПД выходную мощность могут быть использова-

ны при оптимизации энергетических характеристик усилителя, в нагрузочной цепи которого добротности катушек индуктивности малы;

2. Предложенная методика расчета насыщенного УМ класса Бз, позволяет с помощью аналитических соотношений рассчитывать параметры усилителя, например с помощью пакета МаШсаё, что значительно упрощает проектирование усилителя;

3. Приведены рекомендации по выбору значений амплитуды напряжения на затворе транзистора, нагрузочного импеданса на третьей гармонике и выходной емкости транзистора при которых могут быть получены высокие значения стокового КПД и выходной мощности насыщенного УМ класса Бз;

4. Предложенные нагрузочные цепи для ВЧ и СВЧ УМ класса Бз, за счет практически независимой настройки нагрузочных импедансов на первой и третей гармониках, позволяют с учетом реальных свойств транзистора и нагрузочных цепей, выполнять оптимизацию энергетических характеристик усилителей;

5. Нагрузочная цепь, предложенная для СВЧ УМ класса Бз5, по сравнению с

цепью, предложенной ранее, проще реализуема и обладает достоинством расчета ее параметров с помощью аналитических соотношений, что позволяет оценить физическую реализуемость цепи и существенно упростить проектирование усилителя. Предложенная цепь также позволяет снизить негативное влияние реальных свойств шунтирующего конденсатора в цепи питания на импедансы, создаваемые цепью на стоке транзистора. Параметры нагрузочной цепи могут быть пересчитаны с помощью аналитических соотношений и для инверсного УМ класса Б2-14 ;

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе на кафедре радиоприемных устройств и телевидения Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета в преподавании учебных дисциплин «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Прикладные математические методы анализа радиоэлектронных устройств», а также на кафедре информационной безопасности телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий и информационной

безопасности Южного федерального университета в преподавании учебной дисциплины «Устройства приема и обработки сигналов в защищенных системах связи».

Личный вклад соискателя. Все основные положения, научные и прикладные результаты, теоретические выводы и рекомендации, представленные в материалах диссертационной работы, получены автором самостоятельно. В совместных публикациях [111, 112, 122, 124-128], автору принадлежат: постановка задач, разработка методик расчета, принципов построения, а также расчет, моделирование и экспериментальное исследование усилителей класса Б. В частности: [111] -рассчитан, промоделирован, построен и экспериментально исследован ВЧ усилитель класса Б3. Изучено влияние активных потерь в катушках индуктивности на энергетические характеристики усилителя и предложены рекомендации по снижению их негативного влияния на энергетические характеристики усилителя; [112] - рассчитан, промоделирован, построен и экспериментально исследован насыщенный ВЧ усилитель класса Б3 . Изучено взаимное влияние уровня амплитуды входного гармонического напряжения, импеданса на третьей гармонике и выходной емкости транзистора на стоковый КПД и выходную мощность усилителя; [122] - предложена методика расчета и построения нагрузочной цепи для ВЧ УМ класса Б3. Промоделирован и экспериментально исследован усилитель; [124126] - предложена методика расчета и построения нагрузочной цепи для СВЧ УМ класса Б3. Построен и экспериментально исследован усилитель. С помочью численного моделирования и экспериментально установлена возможность повышения стокового КПД усилителя за счет независимой настройки импедансов на первой и третьей гармониках; [127, 128] - предложена методика расчета и построения нагрузочной цепи для СВЧ УМ класса Б35 а также получена формула для расчета нагрузочного сопротивления транзистора на заданную выходную мощность усилителя. Разработан, промоделирован и изготовлен экспериментальный макет СВЧ УМ класса Б35.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Настройка разностей фаз между первыми гармониками тока стока и напряжения сток-исток позволяет снизить негативное влияние активных потерь в катушках индуктивности резонансных контуров нагрузочной цепи УМ класса Бз на его стоковый КПД и выходную мощность;

2. Методика расчета параметров насыщенного УМ класса Бз, позволяет выполнить его расчет с помощью аналитических соотношений и установить границы практической реализуемости усилителя;

3. Анализ влияния величины выходной емкости транзистора на энергетические характеристики насыщенного УМ класса Бз показал, что уменьшение выходной емкости обеспечивает рост стокового КПД и выходной мощности усилителя;

4. Предложенные нагрузочные цепи для ВЧ и СВЧ УМ класса Бз , позволяют практически независимо друг от друга выполнять настройку нагрузочных им-педансов транзистора на первой и третей гармониках;

5. Предложенная нагрузочная цепь для СВЧ УМ класса Бз5 компенсирует негативное влияние выходной емкости и индуктивности транзистора на работу усилителя, легче реализуема по сравнению с цепью предложенной ранее и обладает достоинством расчета ее параметров с помощью аналитических соотношений.

Достоверность результатов диссертации. Результаты диссертационного исследования, полученные на основе предложенных строгих решений и компьютерного численного моделирования, проверены и подтверждены адекватным соответствием результатам экспериментальных исследований разработанных макетов усилителей.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы были представлены в шести научных конференциях:

1. 9-я международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ - 201з)», 22-26 апреля 201з г., Севастополь;

2. 23-я международная крымская конференция (Крымико-2013) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 8-13 сентября 2013 г., Севастополь;

3. 12-я международная конференция «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (TCSET'2014)» 25 февраля - 1 марта 2014 г., Львов - Славское;

4. 20-th International Conference on Microwaves (MIK0N-2014), «Radar and Wireless Communications» 16-18 June 2014, Gdansk;

5. 3-я научно-техническая конференция с международным участием «Наука настоящего и будущего», 12-13 марта 2015 г., Санкт-Петербург;

6. 4-я Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» 1-4 июня 2015 г., Санкт-Петербург.

Также результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры радиофизики Донецкого национального университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей из которых 1 статья в журнале, входящем в перечень ВАК РФ, 2 статьи в журналах входящих в базу данных SCOPUS, 1 статья в журнале входящем в базу данных DOAJ, 6 работ в сборниках трудов научных конференций, 2 из которых индексируются SCOPUS. Получен патент Украины на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа написана на русском языке и состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и пяти приложений. Общий объем диссертации - 202 страницы, из них 173 страницы основного текста. Всего в диссертации 107 рисунков и 28 таблиц. Список используемых источников содержит 129 наименований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССА Р

В данной главе диссертационной работы последовательно рассмотрены основные виды идеализированных высокоэффективных УМ класса Б. Приведены основные базовые принципы и предположения, лежащие в основе математической модели данных усилителей. Проанализирована адекватность рассмотренной модели. Дано подробное описание принципа получения высокого КПД в УМ класса Б с нагрузочными цепями, настроенными на различное число гармоник. Указаны главные достоинства и недостатки УМ класса Б по сравнению с другими высокоэффективными усилителями. Определены важнейшие вопросы, касающиеся практической реализации УМ класса Б с ограниченным числом гармоник. Сформулированы задачи диссертационной работы.

1.1. Идеализированные усилители класса Р

Одним из путей получения высокого КПД в УМ является использование бигармонических или полигармонических режимов работы, для обеспечения которых к выходу АЭ (стоку, коллектору, аноду) подключается нагрузочная цепь в виде многорезонаторного фильтра (рисунок. 1.1). Такой фильтр контролирует содержание гармоник напряжения необходимых, для формирования форм напряжения и тока, уменьшающих рассеянье мощности на АЭ и соответственно увеличивающих КПД УМ [1-8]. В случае если нагрузочная цепь УМ состоит из двух ре-зонаторных контуров и обеспечивает содержание двух гармоник напряжения на выходе АЭ, такой УМ называют бигармоническим. Если нагрузочная цепь УМ содержит более двух резонаторных контуров и напряжение на выходе АЭ образовано более чем двумя гармониками напряжения, такой УМ называют полигармоническим [6,7,19].

Идея использования спектрального метода для формирования форм напряжения уменьшающих рассеянье мощности на АЭ на частотах высших гармоник

впервые была предложена Ценнеком и Рукопом в 1925г [20]. Свое дальнейшее развитие и практическое применение данная идея получила в работах [21-30], в которых авторы исследовали возможность повышения КПД УМ, используя нагрузочные цепи, настроенные на ограниченное число гармоник. Чтобы выделить класс усилителей, к которому можно было бы отнести данный УМ, использовали существующую классификацию усилителей из которой брали такие классы как: класс В, класс С, класс Б и класс Е. Однако ни один класс из существующей классификации не сочетал в себе основные особенности работы характерные для бигармонических и полигармонических УМ. Поэтому долгое время примерно 50 лет УМ, в которых использовались многорезонаторные нагрузочные цепи в литературе называли как: высокоэффективный класс С, класс С использующий гармоническую инжекцию, класс В с оптимальным КПД, оптимально нагруженный класс В, класс СБ, несимметричный класс Б, многорезонаторный класс С, бигар-монический или полигармонический класс С, и даже класс Е [1-3]. Вместе с тем, в 60-х и 70-х годах выходят работы Тайлера [29] и Снайдера [30] в которых авторы предлагают в бигармонических и полигармонических усилителях на частотах первой (основной) и высших гармоник использовать специальные настройки нагрузочной цепи усилителя. Основная идея предложенных настроек нагрузочной цепи заключалась в том, чтобы на выходе АЭ на частоте первой гармоники нагрузочный импеданс был чисто активным, на четных гармониках нагрузочный импеданс равнялся нулю (КЗ) и на не четных гармониках нагрузочный импеданс был равен бесконечности (ХХ) [19,20]. Для обозначения такого типа настройки нагрузочной цепи усилителя в 1980г Рааб предложил использовать термин класс-Р (О^Б-Р) [1].

На рисунке. 1.1 показана схема идеализированного УМ класса Р [1, 2, 6, 7]. В данной схеме Q1 - АЭ (полевой транзистор), Свюск - разделительный конденсатор в цепи стока транзистора,С1,С2,С3,Си+1- емкости и Ь1,Ь2,Ь3,Ьп+1- катушки индуктивности резонансных фильтров; ЬКРс- дроссель, Я - активное нагрузочное сопротивление.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ефимович, Андрей Павлович, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Krauss H. Solid state radio engineering / H. Krauss, C. Bostian, F. Raab -New-York. : Wiley, 1980. - 534 p.

2. Albulet M. RF power amplifiers / M. Albulet - USA. : Noble Publishing Corporation, 2001. - 376 p.

3. Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД / В.Г. Крыжановский. - Донецк : Апекс, 2004.- 448 с.

4. Giannini F. Nonlinear microwave circuit design / F. Giannini, G. Leuzzi. -New York : Wiley, 2004. - 387 p.

5. Cripps S.C. RF Power amplifiers for wireless communications / S.C. Cripps. - 2nd ed. - Boston : Artech House, 2006. - 456 p.

6. Grebennikov A. Switchmode RF power amplifiers / A. Grebennikov, N.J. Sokal. - Burlington : Newnes, 2007. - 423 p.

7. Kazimierczuk M.K. RF Power Amplifiers / M.K. Kazimierczuk. - New-York : Wiley, 2008. - 403 p.

8. Colantonio P. High Efficiency RF and Microwave Solid State Power Amplifiers / P. Colantonio, F. Giannini, E. Limiti - New York : Wiley, 2009.-520 p.

9. TARGET. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cordis.europa.eu/project/rcn/71157_en.html (доступ свободный) - Дата доступа: 04.05.2012. - Название с экрана.

10. Мелихов С.В. Аналоговое и цифровое радиовещание: учебное пособие / С.В. Мелихов. - 2-е изд. - Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2012. - 233 с.

11. Ротхаммель К. Антенны : пер. с англ / К. Ротхаммель. - Том 2. - 11-е изд., перераб. - М.: Данвел, 2005. - 415 с.

12. Изъятия из перечня радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств, подлежащих регистрации: приложение к перечню радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств, подлежащих регистрации, в редакции постановления Правительства Российской Федерации от 13 октября 2011 г., № 837.

[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://government.ru/docs/all/79262/ (доступ свободный) - Дата доступа: 16.05.2016.

13. Weiss M. Linearity of X-band class-F power amplifiers in high-efficiency transmitters / M. Weiss, F. Raab, Popovich Z // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2001. - Vol. 49, No.6. - P. 1174-1179.

14. Raab F. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave / F. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P. Kenington, Z. Popovic, N. Pothecary, J. Sevic, N. Sokal // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2002. - Vol. 50, No.3. -P. 814-826.

15. Иванюшкин Р.Ю. Проблематика построения РЧ-тракта передатчиков цифрового радиовещания диапазона ОВЧ на основе метода Л. Кана / Р.Ю. Иванюшкин, О. А. Юрьев // Технологии информационного общества. - 2013. - №9. -С. 91- 93.

16. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра : пер. с англ. / К. Феер; под ред. В.И. Журавлева. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

17. Kahn L.R. Single siseband transmission by envelope elimination and restoration / L.R. Kahn // Proc. IRE. - 1952. - Vol. 40, №7. - P. 803-806.

18. Sauter M. From GSM to LTE: An Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband / M. Sauter. - USA.: Wiley, 2011. - P.414.

19. Радиопередающие устройства: учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин [и др.] ; под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд. - М. : Радио и связь, 2003. - 560 с.

20. Zenneck J. Lehrbuch der drahtlosen telegraphie / J. Zenneck, H. Rukop -Stuttgart : Ferdinand Enke, 1925. - 534 p.

21. Фузик Н.С. Бигармонические режимы настроенного усилителя мощности ВЧ / Н.С. Фузик // Радиотехника. - 1970. - №7. - С.32-50.

22. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств [Текст] / Под ред. Артыма А.Д. М. : Радио и связь, 1987. - 175с.

23. Pat. US 1564627 A, H03B5/10, Wireless telegraph and telephone transmission / Joseph Round Henry; Assignee: Rca Corp. - App. No: 870,174; Filed: March. 31, 1920; Date of patent: December. 8, 1925.

24. Фомичев В. Новый метод повышения эффективности радиовещания / В. Фомичев // Электросвязь. - 1938. - С. 58-66,

25. Sarbacher R. I. Power-tube performance in class C amplifiers and frequency multipliers as influenced by harmonic voltage / R. I. Sarbacher // Proc. IRE. - 1943. - Vol. 31. - P. 607-625.

26. Model Z. I. Increasing of the efficiency of a high power HF vacuum-tube oscillator by separating the third harmonic / Z. I. Model B. I. Ivanov, S. V. Person, and G. F. Soloviev // Radiotekhnika. - 1947. - Vol. 2. - P. 15-23.

27. Pat. US 2498711 A, H03F1/04, High-frequency amplifier / Taylor Royden George; Assignee: Standard Telephones Cables Ltd. - App. No: 586,055; Filed: April 2, 1945; Date of patent: February. 28, 1950.

28. Raab F. H. FET power amplifier boosts transmitter efficiency / F. H. Raab // Electronics. - 1976. - Vol. 49. - P. 122-126.

29. Tyler V. J. A new high efficiency high power amplifier / V. J. Tyler // Marconi Rev. - 1958. - Vol. 21. - P. 96-109.

30. Snider D. A theoretical analysis and experimental confirmation of the optimally loaded and overdriven RF power amplifier / D. Snider // IEEE Trans. Electron Devices. - 1967. - Vol. ED-14. - P. 851-857.

31. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов : пер. с нем. / И.Н. Бронштейн, К. А. Семендяев; под ред. Г. Гроше, В. Циглера. - М. : Наука, 1981. - 718 с.

32. Каплан И. А. Практические занятия по высшей математике : часть IV / И.А. Каплан. - Харьков : Издательство харьковского ордена трудового красного знамени государственного университета им. А.М. Горького, 1966. - 236 с.

33. Raab F.H. An Introduction to Class-F power amplifiers / F.H. Raab // RF Design. - 1996. - Vol. 19, No. 5. - P. 79-84.

34. Kazimierczuk M.K. A new concept of class F tuned power amplifier / M.K. Kazimierczuk // 27-th Midwest Symposium on Circuits and Systems. - Morgantown. -11-12 June 1984. - P. 425-428.

35. Woo Y.Y. Analysis and experiments for high-efficiency class-F and inverse class-F power amplifiers / Y. Y. Woo, Y. Yang, B. Kim // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2006. - Vol. 54, No. 5. - P. 1969-1974.

36. Wei CJ Analysis and experimental waveform study on inverse class-F mode of microwave power FETs / CJ. Wei, P. DiCarlo, Y.A. Tkachenko, R. McMor-row, D. Bartle // Proc. of IEEE MTT-Symposium Digest. - Boston. - 2000. - Vol. 1. -P. 525-528.

37. Trask C. Class-F amplifier loading networks: A unified design approach / C. Trask // Proc. of IEEE Int. Symp. on Microwave Theory and Tech. - California. -1999. - Vol. 1. - P. 351-354.

38. Raab F.H. Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms / F.H. Raab // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 1997. - Vol. 45, No. 11. - P. 2007-2012.

39. Raab F.H. Maximum efficiency and output of class-F power amplifiers / F.H. Raab // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2001. - Vol. 49, No.6. - P. 1162-1166.

40. Черняк С.И. Судовые радиопередающие устройства / С.И. Черняк. -Ленинград : Судостроение, 1967. - 458 с.

41. Лабутин В.К. Усилитель класса D / В.К. Лабутин.- М. : Государственное энергетическое издательство, 1956. - 30 с.

42. Проектирование радиопередатчиков / Под ред. В.В. Шахгильдяна. -М. : Радио и связь, 2000. - 656 c.

43. Шевченко В. Компоненты компании International Rectifier для цифровых аудио усилителей мощности / В. Шевченко // Инженерная микроэлектроника. - 2007. - №6. - С. 34-37.

44. Алипов А.С. Исследование и разработка ключевых усилителей мощности для высокоэффективного СЧ передатчика цифрового радиовещания : дис. ... канд. техн. наук : 05.12.13 / Алипов Антон Сергеевич - М., 2006. - 203 с.

45. Raab F.H. Class-E, class-C, and class-F power amplifiers based upon a finite number of harmonics / Raab F. H. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2001. - Vol. 49, No. 8. - P. 1462-1468.

46. Крыжановский В.Г. Методика расчета и исследование усилителя класса Е [Текст] / В.Г. Крыжановский, А.Н. Рудякова, Д.В. Чернов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА). - 2001. - №4-5. - С. 11-15.

47. Grebennikov A. A High-efficiency transmission-line GaN HEMT class E power amplifier / A. Grebennikov // High frequency electronics. - 2009 - Vol. 8, No. 12. - P. 16-24.

48. Крыжановский В.Г. Построение СВЧ усилителя класса E на SiC транзисторе с большим сопротивлением в открытом состоянии / В.Г. Крыжановский, Д.Г. Макаров, А.А. Кищинский // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 2010. - Т. 53, № 6. - С. 13-21.

49. Garcia J.A. GaN HEMT class E2 resonant topologies for UHF DC/DC power conversion / J.A. Garcia, R. Marante, M. N. Ruiz. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2012. - Vol. 60, No. 12. - P. 3712-3720.

50. Chen K. Design of highly efficient broadband class-E power amplifier using synthesized low-pass matching networks / K. Chen, D. Peroulis. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2012. - Vol. 59, No. 12. - P. 3162-3173.

51. Ortega-Gonzalez F. J. High-power wideband L-band suboptimum class-E power amplifier / D. Tena-Ramos, M. Patino-Gomez, J. M. Pardo-Martin, D. Madueno-Pulido. // IEEE Trans on Microwave Theory and Tech. - 2013. - Vol. 61, No. 10. - P. 3712-3720.

52. Чернов Д.В. Развитие методов расчета и построения активных устройств класс E на полевых транзисторах: дис. ... канд. техн. наук : 05.12.13 / Чернов Дмитрий Викторович. - Донецк, 2011. - 188 с.

53. Sokal N.O. Class E a new class of high-efficiency tuned sinle-ended switching power amplifiers / N.O. Sokal, A.D. Sokal // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1975. - Vol. SC-10, No. 3 - P. 168-176.

54. Mediano A. Frequency limitation of high-efficiency class E tuned RF power amplifier due to a shunt capacitance / A. Mediano, P. Molina // Proc. of IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest. - Anaheim. - 1999. - P. 363-366.

55. Weiss M.D. Linearity of X-band class-F power amplifiers in high-efficiency transmitters / M.D. Weiss, F.H. Raab, Z. Popovic // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2001. - Vol. 49, No. 6. - P. 1174-1179.

56. Reece M.A. A Ka-band class F MMIC amplifier design utilizing adaptable knowledge-based neural network modeling techniques / M.A. Reece, C. White, J. Penn, B. Davis, M. Jr Bayne, N. Richardson,W. I. Thompson, L. Walker. // Proc. of IEEE Int. Microwave Symp. Digest. - Philadelphia. 2003. - Vol. 1. - P. 615-618.

57. Colantonio P. Combined class F monolithic PA design / P. Colantonio, F. Giannini, R. Gioffe, E. Limiti. // Microwave Opt. Technol. Lett - 2007. - Vol. 49, N. 2. - P.360-362.

58. Ozalas M.T. High efficiency class-F MIMIC power amplifiers at Ku-band / M.T. Ozalas // Proc. of Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON 2005). - Florida. - 2005. - P. 137-140.

59. Макаров Д.Г. Интермодуляционные искажения в усилителях класса E на основе GaAs и Sic транзисторов / Д. Г. Макаров, В.Г. Крыжановский, А. А. Ки-щинский. // Материалы 21-й междунар. Крымской конф. (Кымико-2011) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь: Вебер. - 2011. -Т. 1. - С. 143-144.

60. Ohta A. Intermodulation distortion analysis of class F and inverse class F amplifiers at low quiescent currents / A. Ohta, A. Inoue, S. Goto, K. Ueda, T. Ishika-wa, Y. Matsuda // Proc. of 34-th European Microwave Conference. - Amsterdam. -2004. - P. 1453-1456.

61. Ohta A. Intermodulation distortion analysis of class-F and inverse class-F HBT amplifiers / A. Ohta, A. Inoue, S. Goto, K. Ueda, T. Ishikawa, Y. Matsuda // IEEE Trans on Microwave Theory and Tech. - 2005. - Vol. 53, No. 6. - P. 2121-2128.

62. Gholamreza N. A Harmonic termination technique for single-and multiband high-efficiency class-F MMIC power amplifiers / N. Gholamreza, E. Babakrput,

A. Medi // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2014. - Vol. 62, No. 5. - P. 1212-1220.

63. Colantonio P. On the class-F power amplifier design / P. Colantonio, F. Giannini, G. Leuzzi, E. Limiti // Intern. Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. - 1999. - Vol. 9, No. 2. - P.129-149.

64. Colantonio P. HF class F design guidelines / P. Colantonio, F. Giannini and E. Limiti // Proc. of XV Int. Conf. Microwaves (MIKON-2004) «Radar and Wireless Communications». - Warszawa. - 2004. - Vol.1. - P. 27-38.

65. Konstantinos M. Continuous harmonically tuned class-B power amplifier : A closed form equation design approach / M. Konstantinos, B. Souheil, A. Kevin // Proc. of IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. - Montreal. - 2012 - P. 1-3.

66. Griffin E.L. Application of loadline simulation to microwave high power amplifiers / E.L. Griffin // Microwave Magazine.-2000.-Vol. 1, No. 2.-P. 58-66.

67. Kondoh H. FET power performance prediction using a linearized device model / H. Kondoh // Proc. of IEEE MMT-S Inter. Microwave Symp. Digest. - California. - 1989. - Vol.2 - P. 569-572.

68. Kim J. Saturated power amplifier optimized for efficiency using self-generated harmonic current and voltage / Jungjoon Kim, Jangheon Kim, Junghwan Moon, Jungwhan Son, Ildu Kim, Seunghoon Jee, Bumman Kim // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2011. - Vol. 59, No. 8. - P. 2049-2058.

69. Kim J.H. Modeling and design methodology of high-efficiency class-F and class-F-1 power amplifiers / J.H. Kim, G.D. Jo, J.H. Oh, Y.H. Kim, K.C. Lee, J.H. Jong // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techn. - 2011. - Vol. 59, No. 1. - P. 153165.

70. Moon J. Behaviors of class-F and class-F-1 amplifiers / Junghwan Moon, Seunghoon Jee, Jungjoon Kim, Jangheon Kim, Bumman Kim // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2012. - Vol. 60, No. 6. - P. 1937-1951.

71. Moon J. Highly efficient saturated power amplifier / J. Moon, J. Lee, R. Pengelly, R. Baker, B. Kim / IEEE Microwave Magazine. - 2012. - Vol. 13, No. 1. - P. 125-131.

72. Pat. US 4717884 A, m3F 3/217, High efficiency RF power amplifier / Mitzlaff J. E; Assignee: Motorola, Inc. - App. No: 852,045; Filed: Apr. 18, 1986; Date of patent: Jan. 5, 1988.

73. Grebennikov A.V. Circuit design technique for high efficiency class F amplifiers / A.V. Grebennikov // Proc. of IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest. -Boston. - 2000. - Vol. 2. - P. 771-774.

74. Fortes F. Second harmonic class-F power amplifier in standart CMOS technology / F. Fortes, M. Joao do Rosario. / Proc. of IEEE Trans. on Microwave theory and Tech. - 2001. - Vol. 49, No. 6 - P. 1216-1220.

75. Kimberley W.E. Modified class-F distributed amplifier / W.E. Kimberley // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. - 2004. - Vol. 14, No. 10. - P. 481-483.

76. Маккэнн Д. Создание высокоэффективных усилителей Ка и Х диапазонов / Д. Маккэнн, С. Мэон, А. Даделло, А. Бессемулен, Д. Харви, П. Эванс // Компоненты и технологи. - 2008. - Вып. 10. - С.10-14.

77. Grebennikov A. Load network design technique for class F and inverse class F power amplifiers / A. Grebennikov // High Frequency Electronics. - 2011. -Vol. 10, No. 5. - P. 58-76.

78. Kenle C. Design of broadband highly efficient harmonic-tuned power amplifier using in-band continuous class-F-1/F mode transferring / C. Kenle, D. Peroulis. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2012. - Vol. 60, No. 12. - P. 41074116.

79. Рассохина Ю.В. Использование щелевых резонаторов для проектирования усилителя мощности с манипуляцией гармоник / Ю.В. Рассохина, В.Г. Крыжановский, В. А. Коваленко, P. Colantonio, R. Giofre // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА). - 2014. - №2-3.- С.18-23.

80. Arnous T. Highly efficient and wideband harmonically tuned CaN-HEMT power amplifier / T. Arnous // Proc. of XX International Conference on Microwaves (MIKON-2014) «Radar and Wireless Communications». - Gdansk. - 2014. - P. 611614.

81. Kuroda K. Parasitic compensation design technique for a C-band GaN HEMT class-F amplifier / K. Kuroda, R. Ishikawa, K. Honjo // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2010. - Vol. 58, No. 11. - P. 2741-2750.

82. Pat. US 8154348 B2, H03F 3/191, Amplifier circuit / Honjo K, Takayama Y, Ishikawa R; Assignee: The University of Electro-Communications, Campus Create Co., Ltd. - App. No: 12/872589 ; Filed: Aug. 31, 2010; Date of patent: Apr. 10, 2012.

83. Rhodes J.D. Output universality in maximum efficient linear power amplifiers / J.D. Rhodes // Circuit Theory Applicat. - 2003. - Vol. 31, No. 4. - P. 385-405.

84. Wren M. Experimental class-F power amplifier design using computationally efficient and accurate large-signal pHEMT model / M. Wren, T. Brazil. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2005. - Vol. 53, No. 5. - P. 1723-1731.

85. Радиопередающие устройства: учебник для вузов / Л. А. Белов, В.М. Благовещенский, В.М. Богачев [и др.] ; под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. - 1-е изд. - М. : Радио и связь, 1982. - 400 с.

86. Богачев В.М. Транзисторные усилители мощности / В.М. Богачев, В.В. Никифоров. - М. : Энергия, 1978. - 344 с.

87. Rudiakova A.N. BJT class-F power amplifier near transition frequency / A.N. Rudiakova // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2005. - Vol. 53, No. 9. - P. 3045-3050.

88. Крыжановский В.Г. Высокоэффективные режимы работы усилителей СВЧ / В.Г. Крыжановский, Ю.В. Рассохина, А.Н. Рудякова, М.К. Казимирчук // Материалы 11- й междунар. Крымской конф. (Крымико-2001) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь : Вебер, 2001. - Т. 1. - С. 105-107.

89. Rudiakova A.N. Phase tuning approach to polyharmonic power amplifiers / A.N. Rudiakova, V.G. Krizhanovski, M. K. Kazimierczuk // Proc. of European Microwave Week Conf. - London. - 2001. -Р. 105-107.

90. Gaol S. Microwave dass-F and inverse class-F power amplifiers designs using GaN technology and GaAs pHEMT / S. Gaol, P. Butterworth, A. Sambell, C. Sanabria, H. Xu2, S. Heikman, U. Mishra R. York // Proc. of 36th European Microwave Conf. - Mantchester. - 2006. - P. 1719-1722.

91. Falco S. Low-frequency waveform engineering technique for class-F microwave power amplifier design / S. Falco, A. Raffo, V. Vadala, G. Vannini // Proc. of 6th European Microwave Integrated Circuits Conf (EuMC). - 2011. - P. 288-291.

92. Carruba V. The continuous inverse class-F mode with resistive second-harmonic impedance / V. Carruba, M. Akmal, R. Quay, J. Less, J. Benedikt, S. Cripps, P. Tasker // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2012. - Vol. 60, No. 6. - P. 1928-1936.

93. Vadala V. A Load-pull characterization technique accounting for harmonic tuning / V. Vadala, A. Raffo, S. Falco, G. Bosi, A. Nalli, G. Vannini // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 2013. - Vol. 61, No. 7. - P. 2695-2704.

94. Ingruber B. Rectangularly driven class-A harmonic-control amplifier / B. Ingruber, J. Baumgartner, M. Wachutka, G. Magerl, F. Petz // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 1998, - Vol. 46, No. 11. - P. 1667-1672.

95. Рутледж Д. Энциклопедия практической электроники : пер. с англ. / Д. Рутледж. М. : ДМК Пресс, 2002. - 528 с.

96. Макаренко В. Приемопередатчики для ближней радиосвязи в нели-цензируемом диапазоне частот / В. Макаренко // Электронные компоненты и системы. - 2006. - № 6. - С. 22-26.

97. Shichman H. Modeling and simulation of Insulated-Gate Field-Effect transistor circuits / H. Shichman, D. Hodges // IEEE of Solid-State Circuits. - 1968. - Vol. 3, No. 3. - P.285-289.

98. Sakallah K. A. The meyer model revisited: rxplaining and correcting the charge non-conservation problem / K. A. Sakallah, Y.Yen, S. S. Greenberg // Proc. of IEEE Int. Conf. on Computer Aided Design (ICCAD). - California. - 1987. - P. 204207.

99. Antognetti P. Semiconductor device modeling with SPICE / P Antognetti, G. Massobrio. - Second edition. - New York : McGraw-Hill, 1993. - 208 p.

100. Даташиты электронных компонентов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rlocman.ru/datasheet/data.html?di=92136& (доступ свободный) - Дата доступа: 04.05.2012. - Название с экрана.

101. Analog Innovations. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.analog-innovations.com/SEDCompare2N7000Models.pdf. (доступ свободный) - Дата доступа: 02.05.2012. - Название с экрана.

102. Shenzhen Pak Heng Electronics Co., Ltd. [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://pakheng.by-trade-shows.com/Chip-Resistors-SMD-.html. (доступ свободный) - Дата доступа 17.05.2012. - Название с экрана.

103. Шебес М.Р. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах: учебное пособие для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей вузов / М.Р. Шебес ; под ред. Е.В. Басавина. - М. : Высшая школа, 1967. - 480 с.

104. Franco M.J. An efficient, 35 dBm, inverse class-F, UHF RF power amplifier module on a 12 mm footprint designed in first pass through accurate modeling and simulation / M.J. Franco // Proc. of International Microwave Symposium. - California.

- 2010. - P. 930-931.

105. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов / И.С. Гоноровский. - 4-е изд. - М. : Радио и связь, 1986. - 512 с.

106. Scott T. Tuned power amplifiers / T. Scott // IEEE Trans. on Circuit Theory. - 1964. - Vol. 11, No. 3. - P. 385-388.

107. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование : пер. с англ./ В. Фуско; под ред. В. И. Вольмана. - М. : Радио и связь, 1990. - 288 с.

108. ALL Transistors Datasheet. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://alltransistors.com (доступ свободный) - Дата доступа: 10.04.2014. - Название с экрана.

109. Sokal N.O. Harmonic output of class-E RF power amplifiers and load coupling network design / N.O. Sokal, F.H. Raab // IEEE Solid-State Circuits. - Feb. 1977.

- Vol. SC-12, No.1. - P. 86-88.

110. Raab F. Idealized operation of the class-E tuned power amplifier / F. Raab // IEEE Trans. on Circuits and Systems. - 1977. - Vol. 24. - No. 12. P. 725-735.

111. Крыжановский В.Г. Влияние потерь в резонансных контурах на работу усилителя класса F / В. Г. Крыжановский, А. П. Ефимович // Радиотехника : все-укр. межвед. науч.-техн. сб. Харьков: ХНУРЭ. - 2012. - Вып. 170. - С. 59-65.

112. Yefimovich A.P. Investigation into energy characteristics of saturated class-F amplifier / A.P. Yefimovich, V.G. Kryzhanovsky // Telecommunications and Radio Engineering. - 2015. - Vol. 74, Issue 8. - P. 709-723.

113. Ефимович А.П. Области возможных реализаций насыщенного усилителя класса F / А.П. Ефимович // Материалы III-й научно-технической конференции с международным участием «Наука настоящего и будущего». - Санкт-Петербург : СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 2015. - С. 79-80.

114. Ефимович А.П. Методика расчета насыщенного усилителя класса F / А.П. Ефимович // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2015. - Вып. 3. - С. 13-21.

115. Шульгин К.А. Методика расчета П - контура передатчика / К.А. Шульгин // Радио. -1985. - №5. - С.15-18.

116. Datasheet archive. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.allcomponents.ru/siemens/cly15.htm, (Свободный доступ). - Дата доступа: 23.07.2013. - Название с экрана.

117. Materka A. Computer calculation of large-signal GaAs FET amplifier characteristics / A. Materka, T. Kacprzak // IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech. - 1985. - Vol. 33, No.2. - P. 129-135.

118. Markovich M. Nonlinear modeling of class-E microwave power amplifiers / M. Markovich, A. Kain, Z. Popovich // Journal of the RF and Microwave Computer-Aided Engineering. -1999. - Vol.9, Issue 2. -. P. 93-103.

119. How can the mounting area be reduced? Methods of using low-ESL capacitors. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.murata.com. (Свободный доступ) - Дата доступа : 10.02.2014. — Название с экрана.

120. CGH60008D. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.datasheetarchive.com. (Свободный доступ). - Дата доступа : 10.02.2014. - Название с экрана.

121. Canning T. Continuous mode power amplifier design using harmonic clipping contours: Theory and practice / T. Canning, P. J. Tasker, S. C. Cripps // IEEE Trans on Microwave Theory and Tech. - 2014. - Vol. 62, No. 1. - P. 100-110.

122. Yefymovych A. Design load network for class-F amplifier / A. Yefymovych, V. Krizhanovski // Proc. of Int. Conf. Modern Telecommunications and Computer Science (TCSET'2014) «Problems of Radio Engineering». - Lviv-Slavske : Lviv Polytechnic National University - 2014. - P. 206.

123. Ефимович А.П. Разработка компенсирующей нагрузочной цепи для усилителя класса F на частоту 400 МГц /А.П. Ефимович // Материалы 9-ой международной молодежной научно-технической конференции, «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ - 2013)». - Севастополь : СевНТУ, 2013г. - С. 40.

124. Yefymovych A.P. The methods of compensating parasitic elements of the transistor in class-F amplifier at the microwave range / A.P. Yefymovych, V.G. Krizhanovski // Procced. of the 23th International Crimean Conference «CriMiCo 2013».- Ukraine, Sevastopol. - 2013. - P. 98-99.

125. Пат. на полезную модель № 86420 Украина, МПК 2013.01, H03F 3/00 Усилитель класса F / Ефимович А. П., Крыжановский В. Г.; заявитель и патентообладатель Донецкий национальный университет. - u201309258 ; заявлено 23.07.2013; опубликовано 23.10.2013, Бюл.№24

126. Ефимович А.П. Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F / А.П. Ефимович, В.Г. Крыжановский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА). - 2014. - №1. - С.3-10.

127. Yefymovych A. Load network design technique for microwave class-F amplifier // A. Yefymovych, V. Krizhanovski, R. Giofrè, P. Colantonio //: Proc. of XX International Conference on Microwaves (MIK0N-2014), «Radar and Wireless Communications». - Gdansk. - 2014. - P. 439-441.

128. Yefymovych A. Load network for microwave class F amplifier / A. Yefymovych, V. Krizhanovski, V. Kovalenko, R. Giofrè, P. Colantonio, R. Danieli // Radioelectronics and Communications Systems. - 2015. - Vol 58, No 7. - P. 291-303.

129. Ефимович А.П. Интермодуляционные искажения в СВЧ усилителе класса F35 на GaN транзисторе CGH6008D / А.П. Ефимович // Материалы IV-й всероссийской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ». - Санкт-Петербург : СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 2015. - Том 2. - С.79-82.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программа расчета параметров насыщенного усилителя класса Б3 в среде Mathcad

0 := -я ,-3.14..я N := 50

АЛЛА/

Увв := 25 • V Ут := 1.86 • V

808 := 0.174 •

8Ш := 0.175 •

1

1

AVGS := 1.72 • V АV' ^ := 1.654 • АV ^ 0 С1 := 90аев 0С1 = 1.5708

V',

АУ

GS

GSm•=

1 - 008

(0С1)

У^т = 2.8449 V

АУ

GS

з(0с1) - 1

V'GG := Vт + АУ GS +

V'GG = 1.86 V

Мтах := SGS • АV GS

Итах = 0.2993 А

М'тах := SGS • АV' GS

М''тах := SGS • (АУ С8 - AV Gs)

VK :=

0С2:=

Г : = 1 от

1'1т :=

1'3т :=

ы„

0С1

¡а'т

2 0с1 ^ угат /ытах

С1

15 • я

16 • ¡а;

: • [[3 - (0с) • 8т(0С1) - 3 • 0С1 • СО8(0С1)]

я • 0 С1 16 • 1а'тах

я • (3 • 0С1)4

¡а'тях • 8

1 2

1 - Т • (3 • 0С1) • 8т(3 • 0С1) - 3 • 0С1 • 008(3 • 0С1)

Ы'(0) :=

С1

Ы'г

Т"

1 1т :=

8 • ¡а;

15 • я

(

0С2 +

N

I

п = 1

16 • ¡а;

я • (п • 0С1)

3 0 2

--п • 0С1

п

8ш(п • 0С1) - 3 • 0С1 • 008(п • 0С1)

008(п • 0)

5 3 А

0С2 2 • 0С2 1атах• 0С2

4 2

5 • 0С1 3 • 0С1

ы'„

з(0С2)

я • 0С1

0С2 •

( 2 2 ^ 0С2 - 0С1

■ - 6

1

У

I 2 22 2 2

6 \0С2 - 0С1 / 0С1 - 3 • 0С2 — +-+ -

1 4 1

ы„

0С1

1атах • 4

■ 1ап|

(0С2)

4

I'' :

1 от •

71

+

4

I'

З-:- '

8 • M'-ax- cos(( eC2)

з•rc^ecl

e C2 •

I 2 2 >

eC2 -eCl б

З

3 У

I 2 2

б IeC2 -eCl — +

з4 4

2 2 4

eCl - 3 • eC2 Id-ax^ eCl +---

З2 Id'-ax^ 4

N

Id'(e) :-I"o- + Z

8 • ^max^ cos(n' eC2)

L-1 n-rc-eCl

eC2 •

I 2 2 ^

eC2 -eCl б

■ tan( • e C2)

n З

n У

2 2^2 2 2 4

б iec2 -ecl J ecl - з ^2 Id-ax Qci

4 +

n

+

Id'mav 4

tan

(n- ec2)

VK :-

VDD +

-V3 • (Vdd - VK)

cos (3e C2) - б • cos (e C2)

if e c2 > — C2 б

VK if e C2 = 0 2

V'I- :-—•(VDD - VK) V3

V-- •(VDD - VK)

З у З

V'ds(e) :- VDD - V'lm • cos (e) + V-m • cos (З • e)

V'ds( e)

^ 50- " ----

\ 40- /

\ З0- -

\ 20- ■ J

\ 101-1- - -1-\

-З.14

-1.57

Ï'" :- . om

TH!

I lm :-

TIM I 2-

TIM ._

I 3m :- ■

SDS

rc SDS rc

SDS rc

SDS б • rc

0 e

1.57

V-m

(VK - Vdd) e c2 + v'1- • Sin (e C2) - — • sm(3 • e C2)

Vlm•e C2 +

2(vk - Vdd) + V'i- • cos(eC2) - 2V-m • cos(eC2)3] • Sin(eC2)

З.14

(v'1- - V-m) • Sin(ec2) + (Vk - Vdd) Sin(2 • eC2) +1 • V'i- • Sin(3 • ec2) - ^ • V3- • Sin(5 • ec2 12 • V'l- • cos (e C2)3 • Sin (e C2) - 4 • (d - Vk) • sin(3 • e C2) - V-m • (б • e c2 + Sin (б • e C2))

Id'''(e) :- I'''o- + I'''l- • cos(e) + I'''2- • cos(2 • e) + I''-- • cos(З • e) ... N r(VK - Vdd) Sin (v e C2)

2 • SDS +-• Z

rc ^ n - 4

V'l- • (n •cos (eC2) • Sin(n •eC2) - cos (n •eC2) • Sin(e C2))

+-

V-m

(n2 - l)

sin [(n - З) • e C2] sin [(n + З) • e C2]

n - З

n + З

cos

(n •e)

+

+

4

2

n

+

2

Id(e) := Id'(e) - Id''(e) - Id"'(e)

V'ds(e) := VDD - V1m • cos(e) + V'3m • cos(з • e)

Id''

r:= Id'''| я

Id'"max = 0132A

Id( e )

0.5

0.4

0.3

0.1 1-r-- -1 1

Id'( e)

-3.14 -1.57 0 1.57 3.14

e

Id''( e)

0.5

0.4

0.3-

1 \

..

Id'"( e)

-3.14 -1.57 0 1.57 3.14

e

^DC := I'om I''om ^'om := I'lm - Г'1ш - ^"lm

^Зш := I'3m - ^'Зш - ^"Зш

POUT :=-

2 • я

I1m • cos (e) • V1m • cos (e) de

POUT :=-

I1m • V1m

2

PDISS := P3fo :=

2я

— JL

V'3m • Ы 2

V'ds(e) • Id(e) de

PDC := VDD • IDC

PDC := PDISS + POUT + P3fo

я

1

я

я

1

e

e

IDC = 0.0878A I1m = 0.139A

- 3

I3m = -4.5619x 10 A POUT = 1.9289W

POUT = 1.9289W

PDISS = 0.2557W

P3fo = 0.0106W PDC = 2.1952W PDC = 2.1952W

POUT

л d :=--100 nd = 87.9

PDC

V1m

Zfo :=--Zfo = 199.7Q

:1m |l3n

V'3m 3

Z3fo := ——г Z3fo = 1.014x 10 Q

Z3fo

-= 5.08

Zfo

Максимально возможный Cp в предположении, что в используемом транзисторе достигаются максимальные пиковые значения тока стока и напряжения сток-исток

Vds_pk := V'ds| к - ^jjj Vds_pk = 49.0V

Id_pk := Id(0) if Id(0) > Idmax Id_pk = 0.3266A

Idmax if Idmax ^ Id(0)

Pout • 100

Cp Sat :=--Cp Sat = 12.04

Id_pk • Vds_pk

Значение Cp с учетом максимально возможных пиковых значений тока стока и напряжения сток-исток транзистора 2N7000L

Vds_pk := 60 • V

ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ

Id pk := 0.5 • A

ллллллллллл

Pout • 100

Cp Sat :=--Cp Sat = 6.43

Id_pk • Vds_pk "

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа расчета параметров нагрузочной цепи ВЧ

усилителя класса Г в среде Mathcad

^ := 13.56 МИ/ ю 0 := 2 • я • ^

- 12

Соит := 25-10 • Г - 12

С1 := 2510 •Б

С := Соит + С1

Ь1 :=•

6^Ю0 •С

Ч := -•Ц 12

С2 := -• С

2 5

- 9