Физика/6. Радиофизика

Студент Золотарь С.А. , Попков В.К.

Донецкий Национальный університет, Украина

Высокоэффективные транзисторные усилители класса F

Постановка проблемы.

На современном этапе развития СВЧ технологий важной проблемой для исследователей становится разработка высокоэффективных усилителей мощности (УМ), которые играют важнейшую роль во многих микроволновых системах, включая такие как мобильные телефоны и связь, спутниковые навигаторы, микроволновые приёмо-передающие системы и во многих другие. Поэтому высокая эффективность (КПД) систем выходит на первый план в процессе разработки такого рода систем.

Анализ последний достижений и публикаций.

Изучением применения высокоэффективных УМ СВЧ диапазона занимается ряд исследователей в данной области: В.Г. Крыжановский, А. В. Гребенников, Ю.А. Ткаченко, М.К. Казимерчук, P.Colantonio, N.O. Sokal, A.D. Sokal и др.

Целью написания статьи является

Критерии создания высокоэффективных усилителей мощности СВЧ диапазона.

Изложение основного материала

Как правило, ключевым техническим критерием для создания высокоэффективного усилительного каскада является минимальная потребляемая мощность (высокая длительность разговора и продолжительность работы в режиме дежурного приема), прежде всего в системах, где рассеиваемая мощность в усилителе – главный источник потребляемой мощности. Следовательно, высокая эффективность (КПД) становится главной проблемой для проектировщика; высокий КПД подразумевает более высокую выходную мощность при аналогичном потреблении постоянного тока или, наоборот, уменьшение мощности постоянного тока, при аналогичном уровне выходной мощности. Как следствие, обеспечение уменьшения размера и веса элементов батареи и радиаторов. Кроме того, более низкое рассеяние энергии гарантирует уменьшение средних рабочих температур, что приводит к повышению надежности [1]. Дополнительно, в подвижной связи, желательна работа при низких напряжениях (3,0v-5,0v). Современное состояние разработок легких батарей гарантирует самые высокие энергетические плотности постоянного тока при пусковом напряжении от 3,6v в установившемся состоянии, уменьшаясь к 3,0v в конце его цикла жизни [2].

Достижимый КПД УМ электромагнитных волн длиной от дециметров до миллиметров главным образом ограничен активными параметрами прибора и условиями эксплуатации. Высокая эффективность (КПД) может быть получена соответствующим выбором точки смещения (напряжения смещения) и гармонических выходных нагрузок или, с различной точки зрения, соответствующим напряжением и-или текущим формированием формы волны. В частности максимальное выходное напряжение должно произойти в момент низких (нулевых) уровнях тока, и максимальный ток должен соответствовать очень низким напряжениям, таким образом, минимизируя рассеиваемую мощность на активном приборе.

Ключевые физические ограничения зависят от технических требований к разработке: для низкого напряжения смещения, напряжение насыщения (V_k) должно быть настолько низко, насколько возможно, в то время как максимальный ток () должен увеличиться, чтобы поддерживать высокий уровень доступной выходной мощности () прибора. Уменьшение величины оптимального импеданса нагрузки, будет создавать серьезные проблемы согласования, часто представляющие неизбежное следствие [3].

В заключении хотелось бы сказать о том, что проблема повышения эффективности транзисторных усилителей мощности класса F в настоящее время до конца не решена, но актуальность данной проблемы толкает мировое научное сообщество на поиски новых путей их решения, некоторые из которых были описаны в данной работе.

Литература:

1. F.A. Olson, "Microwave Solid State Power Amplifier Performance: Present and Future," Microwave Journal, February 1995, pp.24-46.

2. K. Ozawa et al., "Cycle Performance of Lithium Ion Rechargeable Battery," 10^th Int. Seminar on Primary Secondary Battery Tech. And Appl., 1993

3. D.M. Snider, "A Theoretical Analysis and Experimental Confirmation of the Optimally Loaded and Overdriven RF Power Amplifiers," IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. ED-14, №6, June 1967, pp.851-857.

4. A. V. Grebennikov, "Load network design for high-efficiency class-F power amplifiers," in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, Boston, MA, June 13-15, 2000. pp. 771-774.

5. M. K. Kazimierczuk, "Generalization of conditions for 100-percent efficiency and nonzero output power in power amplifiers and frequency multipliers," IEEE Trans. Circuits Syst., vol. CAS-33, pp. 805-807, Aug.1986.

6. В.Г. Крыжановский, «Транзисторные усилители с высоким КПД», Донецк, «Алекс», 2004.

7. P.Colantonio, F.Giannini, G.Leuzzi, E.Limiti, "High Efficiency Low-Voltage Power Amplifier Design by Second Harmonic Manipulation," International Journal on RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol.9, №6, Nov. 1999.