Усилители мощности инверсного класса F - эффективное средство улучшения энергетических характеристик радиопередатчиков

Одним из путей улучшения энергетических и массогабаритных характеристик мобильных и бортовых радиопередатчиков является реализация в их выходных каскадах высокоэффективных режимов, имеющих более высокие значения КПД и выходной мощности по сравнению с традиционными режимами классов B и С. Среди высокоэффективных усилителей мощности (УМ) особое место занимает УМ инверсного класса F, при работе в котором напряжение на активном элементе в идеальном случае представляет собой полуволны косинусоиды, а выходной ток активного элемента имеет форму меандра. Доказано, что при наличии потерь в активном элементе УМ инверсного класса F при одинаковой выходной мощности обладает преимуществом по КПД перед УМ других классов (D, E, F) благодаря прямоугольной форме тока [1].

Однако принцип действия идеального УМ инверсного класса F предусматривает использование бесконечного ряда гармоник, что обуславливает ограничение их рабочей частоты сверху. Снять подобные принципиальные частотные ограничения позволяет уменьшение числа гармоник, участвующих в формировании высокоэффективного режима, и количества резонансных цепей, обеспечивающих настройку на гармониках. При этом упрощается практическая реализация УМ и его настройка [2]. Кроме того, в литературе, посвященной УМ инверсного класса F, отсутствуют сведения о его нагрузочных характеристиках, что не позволяет определить область изменения сопротивления нагрузки, внутри которой сохраняется высокие энергетические показатели.

В настоящей статье на основе данных, известных из литературы, рассматриваются энергетические характеристики УМ инверсного класса F при ограничении числа гармоник, а также представляются оригинальные результаты, полученные автором по исследованию нагрузочных характеристик таких УМ.

Модель исследуемого усилителя мощности

Схема исследуемого УМ представлена на рис. 1.

Приборостроение, метрология…

Формирующая цепь

R н

Рис. 1. Схема исследуемого УМ

В общем виде она содержит активный элемент (АЭ), формирующую цепь, фильтр и согласующую цепь. Фильтр обеспечивает развязку на высших гармониках между нагрузкой R _н и формирующей цепью. В состав формирующей цепи помимо формирующей индуктивности L форм и емкости С форм включены паразитные параметры активного элемента – его выходная емкость С аэ и индуктивность выходного электрода L аэ . Значения элементов размерностью в Гн и Ф даны на рис. 1 в нормированном виде. Фактические значения этих элементов L _п, С _п могут быть определены по формулам:

N -

L п =     L п ;

С п

M

~ С п

п ;

~

NM

~

где L _п , С _п – нормированные значения элементов;

N – положительная постоянная нормирования по уровню;

to

М = —— положительная постоянная нормирования по частоте;

го - круговая частота 1 -й гармоники;

(to = 1 - нормированная круговая частота.

Нормированные значения элементов формирующей цепи выбраны таким образом, что на выходных электродах активного элемента на 2-й гармонике ( (to = 2) образуется полюс импеданса, а при (to = 1,5 - нуль импеданса.

Согласующая цепь обеспечивает требуемое сопротивление нагрузки R' н на выходе активного элемента. Элементы L _бл и С _бл являются блокирующими источник постоянного напряжения.

При проведении исследований использовалась кусочно-линейная модель активного элемента, отражающая три его основных состояния: активное состояние, состояние отсечки и состояние насыщения. Модель активного элемента может отражать работу как биполярного, так и МДП-транзистора.

Исследования УМ проводились в среде схемотехнического моделирования PSpice. Результаты расчетов энергетических характеристик в нормированном виде взяты из [2].

Энергетические характеристики

На рис. 2 даны типичные временные зависимости тока активного элемента i а и напряжения на нем u _а, которые свидетельствуют о наличии высокоэффективного режима.

Семейство зависимостей КПД и относительной выходной мощности Р ₁/ Р ^В_{1 кр} исследуемого УМ от относительной входной мощности Р вх / Р ^В вх.кр представлены на рис. 3, а, б ( Р ^В 1 кр , Р ^В вх кр – соответственно выходная и входная мощность УМ класса В в критическом режиме).

а)                                                               б)

Рис. 3. Амплитудные характеристики

Эти зависимости сняты при разных значениях добротности АЭ q = ω R' н С аэ , где R' н – сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу активного элемента. Для сравнения на тех же рисунках показаны амплитудные характеристики генератора класса В. Данные зависимости рассчитаны при r _нас/ R' _н = 0,05, типичном для современных СВЧ транзисторов.

На рис. 4 приведены зависимости КПД от добротности q при нулевой реактивной расстройке на 2-й гармонике и r нас / R' н = 0,05.

Зависимость (1) соответствует идеальному УМ инверсного класса F, использующего для достижения высокого КПД бесконечный ряд гармоник тока и напряжения. Значение КПД такого генератора определяется выражением, полученным с помощью результатов работы [1]:

.

n   „;—7

r нас

+

4     R н

Зависимость (2) относится к полигармоническому УМ инверсного класса F, на выходе активного элемента которого формирующий двухполюсник обеспечивает высокие импедансы на

Приборостроение, метрология…

1, 2 и 4-й гармониках и низкий импеданс на 3-й [3]. Зависимость (3) принадлежит исследуемому УМ, на выходе активного элемента которого подчеркивается 2-я гармоника напряжения. На рис. 4 приведена линия (4), соответствующая КПД идеального УМ класса F, использующего в своем принципе действия бесконечный ряд гармоник тока и напряжения. Значение этого КПД рассчитано на основе результатов работы [1] при условии равенства мощностей идеального УМ класса F и идеального УМ инверсного класса F. Из рассмотрения этих зависимостей следует, что, несмотря на относительную простоту реализации, исследуемый УМ лишь незначительно уступает по КПД идеальному УМ инверсного класса F и УМ, при настройке которого контролируются 2, 3 и 4-я гармоники. При этом исследуемый УМ превосходит по КПД не только УМ класса В, но и идеальный УМ класса F.

Рис. 4. Зависимости КПД от нагруженной добротности q

Следует заметить, что зависимости (2) и (3) на рис. 4 даны для оптимальных (с точки зрения достижения максимального КПД) углов отсечки. Ниже будет подробно рассмотрено влияние угла отсечки на энергетические характеристики. Обратим внимание также, что зависимости, отраженные на рис. 4, 5, соответствуют уровню входного сигнала Р вх / Р ^В вх кр = 1.

С помощью моделирования было определено влияние угла отсечки тока активного элемента на энергетические характеристики. Установлено, что УМ имеет максимальный КПД при некотором оптимальном угле отсечки Ө > 90° (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости КПД (а) и нормированной мощности (б) от угла отсечки Ө

Для добротностей q = 0,25; 0,5; 1 значения оптимальных углов отсечки соответственно составляют Ө опт = 120°; 115°; 110 ° . Допустимое уменьшение угла отсечки от оптимального значе н и я с в яза н о с паде н и е м в ыход н ой мо щ н ос ти и сос та в ляе т ≈ 10° при снижении мощности на ≈ 0,5 дБ . Д оп у с ти мое отклон е н ие угла отсечки в большую сторону от оптим а ль ного сос т а в ляет ≈ 15° при снижении КПД на 5 % .

Расчет нагрузочных характеристик

В н а стоя ще й ра боте б ы ло п роведено также исследование нагрузочных ха рак теристик усили теля мощ н ос ти и н в е рс н ог о к ла с са F. В ходе работы были рассчитаны нагрузочные характеристи ки в в иде ли н и й ра в н ого К ПД и линий одинаковой мощности, представленны е н а п лоск ости к ом п л е к с н ой п р оводи м ости н а грузк и (ри с . 6 , 7). Кроме того, были определены величины пик- ф а к тора на п ряже н и я н а ак ти в н о м элементе в различных точках комплексно й п лоск ос ти п р оводимостей нагрузки (рис. 8).

Рис. 6. Результаты расчетов нагрузочных характеристик в виде линий равного КПД

Оси проводимостей н агру зки нормированы к расчетному значению акти в н ой п ров од и мос ти нагрузки G _н ′ , опред е ля е мом у и з у с лов и я ра в е н с тв а мощ н ос те й У М к лас с а B и УМ идеального инверсного класса F [2 ] . Ан а ли зи ру я пред с та в ле нн ые да н н ые , следует отметить, что наибольший К ПД может б ыть п о лу че н п ри небольшой индуктивной расстройке реактив н ой п ров од и мос ти н агрузк и . К роме того, н а д а н н ом ри с у н к е н а н е с е ны ли н и и ра в н ого К С В – 1,3 и 1,5 соответствен н о. Согл а с н о пол ученн ы м д а н н ым, п ри и з ме нени и КСВ нагрузки в пределах от 1 до 1,5 сохраня етс я д ос т а точн о в ыс о к и й уров е н ь КПД и мощ н ос ти.

Приборостроение, метрология…

Рис. 7. Результаты расчетов нагрузочных характеристик в виде линий равной выходной мощности, нормированной к её максимальному значению

С огл а с н о пре дс та в ле н н ы м данным максимальный уровень мощности достигается при небольшой и н д у к ти в н ой рас с тройк е ( –0,5 < B _норм< –0,1) и повышенной проводимости активной н агрузк и , что н е с ов п ад а ет с облас тью ма кс и ма льного К ПД .

П редс т а в л е н ны е р е зу ль та т ы такж е п о ка зывают, что при изменении КСВ в пределах 1,5 измен ен и е вых одн ой мо щ но сти для данного режима усиления составля е т н е б ол ее 7 , 5 %, а КПД м о жет у ме н ь ша т ься до 1 8 %, относительно значения, соответствующего КСВ, равном 1. При КСВ, равном 1,3, и зме нение выходной мощности соответственно сос т а в л яе т 3 , 7 % при возмо ж н о м у мен ь ше н и и К ПД на 10,7 %. Следует также упомянуть, что для изучаемого УМ х арак т е р е н дов о л ьн о высо к и й п ик -фактор напряжения на выходном электроде активного элемента.

Из рассмотрения р и с. 8, что при изменении КСВ нагрузки в предел ах 1,5 з наче ни е пи к-фа кт ор а нап р я жения из меняется в пределах от 3,1 до 3,9, а при изменении КС В на г р уз ки в пр еделах 1,3 – о т 3 ,2 д о 3 ,7 . П р и более существенной расстройке нагрузки (КСВ > 4), характерной для авар ийно й работ ы усил ит ел я мо щн о ст и , пи к-фактор может составлять 5 и более. Такое высокое значение пик-фа кто р а создает определенные трудности при реализа ции да нног о ре ж им а, одна ко с по я в л ени ем тр а нз ист о ро в на о сн о ве GaN, имеющих относительно высокие пробивные н апр яж ен ия , л и бо пр и ис по ль зовании развязывающих вентилей, это перес т а ет бы ть с ерь ез н ой проблемой.

Рис. 8. Результаты расчетов линий равного пик-фактора напряжения на комплексной плоскости проводимости нагрузки

Заключение

Представленный УМ, бл а годаря высокой энергетической эффективности и п рос тоте ре а ли за ц и и может п ол учи ть ш и рок ое распространение. Полученные нагрузочные ха рак те ри с тик и по ка зыв аю т, что чу в с тв и те льн ос ть исследуемого УМ к изменению нагрузки приме рн о так а я же , как и у наиболее рас про с тран е н н ых У М кла с сов B и С. Применение инверсного режима класса F в в ы ход н ых к а ск ад а х р а д иоп е ре д атчиков позволяет за счет уменьшения энер гоп отреб ле н и я с н и зи ть ма сс у и га б а ри ты у с трой с тв, в которых используются радиопередатчик и . Полу че н н ые результаты пред с та в л е н ы в н орми р ованном виде и могут быть взяты за основу п ри п рое к ти ров а н и и высокоэффективных УМ.