Современная электроника №4/2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2021 ствует рисунку 1 и суммируется на вто- ром квадратном сумматоре (см. рис. 7). Коэффициент усиления мощности ква- дратурного усилителя 12,27 дБ при вход- ной мощности составляет 13 дБм. Сравнение вариантов суммирования мощностей В комплексе программ Microwave Office (MWO) измереныосновные пара- метры усилителей с суммированием мощностей: КПД добавленноймощности PAE, коэффициентшума в режиме боль- шого сигнала, спектр выходноймощно- сти, коэффициент отражения от входа усилителя. Зависимость PAE от частоты для трёх типов усилителей с суммирова- нием показана на рис. 8. Коэффициент шума в зависимостиот частотыизмерен в нелинейномрежиме работыпрограм- мы MWO [6] (см. рис. 9). Для измерения коэффициента отражения от входа уси- лителямежду источникомвходных коле- баний и усилителем включён двойной направленный ответвитель, который изображён на рисунке 10. Амплитуда тока I in , измеряемого амперметром AMP1 на сопротивле- нии R 1 , позволяет судить о падающей мощности, амплитуда тока I out ампер- метра AMP2 – об отражённой мощно- сти. Модуль коэффициента отраже- ния |Г| = I out / I in . Коэффициент шума усилителей с синфазными и проти- вофазными каналами примерно оди- наков и соответствует шуму одиноч- ного усилителя. Наиболее шумящим оказался усилитель с квадратурными каналами. При частоте входных коле- баний 4 ГГц коэффициент шума ~ 4 дБ. Измеренные в MWO параметры уси- лителей с суммированием мощности и однотактного усилителя приведены в таблице. Там же показаны рассчитан- ные КПД η , входная мощность одно- тактного усилителя 10 дБм, усилите- лей с суммированием 13 дБм. В таблице приняты следующие обо- значения: Δ P 1–2 = P 1 – P 2 , Δ P 1–3 = P 1 – P 3 , P 1 , P 2 , P 3 – мощности соответствующих гармоник. По результатам моделиро- вания в MWO можно сделать следую- щие выводы: ● наряду с двойным увеличениемвыход- ноймощности, КПД усилителей с сум- мированиемлишь немного отличается от η одиночного усилителя. Наиболь- ший КПД в усилителе с синфазными каналами η = 88%, наименьший КПД в квадратурном усилителе равен 85%; ● существенное преимущество квадра- турного усилителя в наименьшем ко- эффициенте отражения от входа уси- лителя. Даже при плохо настроенном однотактном усилителе (|Г| = 50%) ко- эффициент отражения квадратурно- го усилителя |Г| < 2%. Этот результат со- ответствует другим публикациям [5]; ● уровень наибольших спектральных составляющих высших гармоник (второй и третьей) в усилителях с суммированием несколько меньше, чем в одиночном усилителе. Наи- меньшая величина высших гармоник в квадратурном усилителе: мощность второй гармоники меньше основной на 67,5 дБ, мощность третьей гармо- ники – на 52 дБ, в то время как в оди- ночном усилителя эти показатели равны 65 и 50 дБ. ● коэффициент шума в режиме боль- ших сигналов наибольший в квадра- турном усилителе. Заключение Разработана схема однотактного уси- лителя мощности на интегральномGaN- транзисторе структурыHEMT, имеющая КПД 88%, на частоте 4 ГГц с выходной мощностью 22,3 дБм. Проведено срав- нение трёх вариантов суммирования мощностей однотактных усилителей: с синфазными, противофазными и ква- дратурными каналами, построенными на базе однотактного усилителя. Наибольший КПД наблюдается в усилителе с синфазными каналами на мостах Уилкинсона, этот КПД не мень- ше, чем в одиночном усилителе. Досто- инство усилителя с квадратурными каналами– существенноменьший коэф- фициент отражения, чемв одиночноми других видах усилителей с суммировани- ем. Кроме того, в спектре выходноймощ- ности квадратурного усилителя мень- ший уровень высших гармоник. Однако квадратурный усилитель имеет недо- статок – более высокий уровень шума в режиме больших амплитуд колебаний. Рис. 7. Схема квадратурного усилителя Рис. 8. Зависимость от частоты КПД добавленной мощности усилителей инверсного класса F с двумя каналами ( ◊ – синфазными, □ – противофазными, Δ – квадратурными) Рис. 9. Зависимость коэффициента шума усилителей с суммированием мощности от частоты (1 – синфазные каналы, 2 – противофазные, 3 – квадратурные)