Современная электроника №4/2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2021 Увеличение мощности высокоэффективных усилителей СВЧ инверсного класса F Рис. 1. Электрическая схема усилителя мощности инверсного класса F на одном GaN-транзисторе Рис. 2. Схема выходной формирующей цепи Проведено сравнение схем двухканальных сумматоров мощностей с синфазными, противофазными и квадратурными каналами. Схемы усилителей с суммированием мощностей созданы на основе однотактного усилителя СВЧ инверсного класса F, на GaN-транзисторе структуры HEMT частоты 4 ГГц, с КПД 88% и выходной мощностью 13 дБм. Отмечены достоинства и недостатки различных усилителей с суммированием мощности по эффективности, уровню шума, величине высших гармоник в спектре выходной мощности, согласованием с источником колебаний. Мьо Мин Тхант, Виталий Романюк (Национальный исследовательский университет «МИЭТ») Введение Для СВЧ-усилителей мощности с уве- личеннымКПДприменяют полигармо- нические режимыработытранзисторов [1], из которых наиболее эффективен инверсный класс F [2]. Выходная мощ- ность усилителя на одном транзисторе определяется параметрами его конструк- ции и полупроводника, из которого он изготовлен. Простейшим способом уве- личения мощности усилителя является разделение егонапряжения на два кана- ла, мощности в которых усиливаются и далее суммируются. Входные напряже- ния каналов могут быть синфазными, противофазными, квадратурными. Внастоящейработе разработана схема высокоэффективного усилителямощно- стиинверсного класса F на транзисторе структурыHEMT, изготовленномна базе GaN, и проведено сравнение трёх вари- антов суммирования мощностей: ● деление и суммирование мощности с помощью синфазных каналов; ● применение делителей и сумматоров с противофазными каналами; ● использование квадратурных каналов. Режимы работы транзисторов опти- мизированы по максимуму коэффици- ента полезного действия | = P 1 / P 0 и КПД добавленной мощности: PAE = ( P 1 – P ВХ )/P 0 , где P 1 – выходная мощность первой гар- моники, P ВХ – входная мощность усили- теля, P 0 – мощность, потребляемая тран- зисторами из источника питания. Однотактный усилитель мощности инверсного класса F на GaN-транзисторе структуры HEMT В качестве основы разработана схе- ма усилителя на одном интегральном GaN-транзисторе структурыHEMT дли- ной затвора 0,25 и шириной 200 мкм [3]. Рабочая частота усилителя 4 ГГц, вход- ная мощность 10 дБм. Электрическая схема однотактного усилителя приве- дена на рис. 1. В схеме, помимо разделительных ёмкостей C 1 , C 3 , блокировочной индук- тивности L 2 , имеется входная C 2 , L 1 и выходная, согласующие цепи L 3 , C 4 . Бло- кировочнымэлементомцепи смещения, а такжеформирователемформывыход- ного тока транзистора является отрезок линииTL1 длинойоколо четверти длины волнывходнойчастоты. Дляформирова- ния формынапряжения на стоке вклю- чена подсхема S1, показанная на рис. 2, содержащая последовательно соединён- ные параллельные резонансные конту- ры [4]. Контур LC1 настроен на частоту 4 ГГц, а LC2 –на вторуюгармонику 8 ГГц. Путёмвыборарежимаработытранзи- сторапопостоянному токуиприменения четвертьволновогоотрезка линиивцепи смещения получена форма тока стока транзистора, содержащая, кромепервой, достаточно выраженную третью гармо- нику. Помимо этого, в спектре выходно- го тока имеется небольшая вторая гар- моника I d 2 . Высокое значение модуля импеданса транзистора на частоте вто- ройгармоникиZ (2 ω ВХ ), где ω ВХ –входная частота, привелок созданиюнапряжения на стоке, в спектре которого существен- ны две гармоники: первая U d 1 и вторая U d 2 = I d 2 Z(2 ω ВХ ) (2). Зависимости от времени тока сто- ка и напряжения на стоке однотакт- ного усилителя приведены на рис. 3. КПД однотактного усилителя η = 88%, PAE = 84% на частоте 4 ГГц при коэф- фициенте усиления K p = 12,3 дБ. Так как в полигармонических усилителях выходной ток и выходное напряжение транзистора содержат высшие гармо- ники, для получения высокого КПД тре- буется выполнения условия P 1 >> P n , n – номер высшей гармоники (2, 3, 4, …) [5]. На рис. 4 показан спектр выходной мощности однотактного усилителя. В спектре выходной мощности одно- тактного усилителя мощности высших

RkJQdWJsaXNoZXIy MTQ4NjUy