RU2732966C1

RU2732966C1 - Wideband modification of high-frequency key power amplifier

Info

Publication number: RU2732966C1
Application number: RU2019145171A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Вячеславович Воронович; Артур Геннадьевич Гадзиковский
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-09-25

Abstract

FIELD: radio equipment.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in radio transmitting devices. Broadband modification of the high-frequency key power amplifier comprises a key amplifier stage, a filter and a transmission line. Length of the line and its wave resistance are determined by formulas which relate said parameters to load resistance, the output capacitance of the active element and the central operating frequency.

EFFECT: technical result is increase in operating frequency band.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэффективных радиопередающих устройствах.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in highly efficient radio transmitting devices.

Одним из недостатков существующих высокочастотных ключевых усилителей мощности (далее - УМ), имеющих высокий КПД, является узкая полоса рабочих частот. Этот недостаток связан с тем, что в ключевых усилителях мощности при перестройке рабочей частоты происходит изменение импеданса нагрузки не только на основной частоте, но и на ее гармониках.One of the disadvantages of existing high-frequency key power amplifiers (hereinafter referred to as PA), which have high efficiency, is a narrow band of operating frequencies. This disadvantage is due to the fact that in key power amplifiers, when the operating frequency is tuned, the load impedance changes not only at the fundamental frequency, but also at its harmonics.

Известно техническое решение высокоэффективного УМ, содержащего активный элемент, работающий при угле отсечки, близком к 90°, общий электрод которого соединен с общей шиной, а к выходному электроду подключены четвертьволновый отрезок длинной линии, короткозамкнутый на основной частоте и высших гармониках, а также выходная цепь, параметры которой обеспечивают согласование с нагрузкой и высокое значение импеданса на гармониках основной частоты [S. Toyoda, High Efficiency Amplifiers, JEEE MTT-S Digest, 1994, p. 253-256]. Данный УМ имеет узкую полосу частот, составляющую 5%, что объясняется, вероятно, произвольным выбором волнового сопротивления отрезка линии.A technical solution is known for a highly efficient PA containing an active element operating at a cutoff angle close to 90 °, the common electrode of which is connected to a common bus, and a quarter-wave segment of a long line, short-circuited at the fundamental frequency and higher harmonics, and the output circuit are connected to the output electrode , whose parameters provide matching with the load and high impedance value at the harmonics of the fundamental frequency [S. Toyoda, High Efficiency Amplifiers, JEEE MTT-S Digest, 1994, p. 253-256]. This PA has a narrow frequency band of 5%, which is probably explained by an arbitrary choice of the characteristic impedance of the line segment.

Наиболее близким к изобретению являются высокочастотный ключевой усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления, состоящий из активного элемента, катушки индуктивности и переходного конденсатора, и линию передачи, входной ключевой каскад усиления выполнен с возможностью обеспечения угла отсечки θ, лежащего в пределах от 100 до 110°, в ключевой усилитель мощности введен фильтр, при этом обеспечивается высокий импеданс на высших гармониках на выходе линии передачи и согласование высокочастотного ключевого усилителя мощности с импедансом нагрузки, подключаемой к выходу фильтра, причем выход фильтра является выходом высокочастотного усилителя мощности, а вход фильтра соединен с выходом линии передачи [патент на изобретение RU №2538346, заявл. 11.06.2013, опубл. 10.01.2015, бюл. №1].The closest to the invention are a high-frequency key power amplifier containing a series-connected input key amplification stage, consisting of an active element, an inductor and a transition capacitor, and a transmission line, the input key amplification stage is configured to provide a cutoff angle θ lying in the range from 100 up to 110 °, a filter is introduced into the key power amplifier, while providing a high impedance at higher harmonics at the output of the transmission line and matching the high-frequency key power amplifier with the impedance of the load connected to the filter output, and the filter output is the output of the high-frequency power amplifier, and the filter input is connected to the output of the transmission line [patent for invention RU No. 2538346, Appl. 06/11/2013, publ. 10.01.2015, bul. No. 1].

Исследование данного усилителя мощности показывает, что он имеет также узкую полосу рабочих частот, составляющую, например, 15%, при снижении КПД на краях полосы на 10% (при ω₀CR_н=0,35, где ω₀ - центральная частота диапазона, С - выходная емкость активного элемента, R_н - сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу активного элемента). Относительно небольшое значение полосы частот определяется в данном случае, вероятно, неоптимальным выбором волнового сопротивления.The study of this power amplifier shows that it also has a narrow operating frequency band, which is, for example, 15%, with a decrease in efficiency at the edges of the band by 10% (at ω ₀ CR _n = 0.35, where ω ₀ is the center frequency of the range, C is the output capacitance of the active element, R _n is the load resistance, recalculated to the output of the active element). The relatively small value of the frequency band is determined in this case, probably, by the non-optimal choice of the characteristic impedance.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение полосы рабочих частот высокочастотного ключевого усилителя мощности. Это достигается тем, что широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности, содержащая последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления, состоящий из активного элемента, катушки индуктивности и переходного конденсатора, и линию передачи, входной ключевой каскад усиления выполнен с возможностью обеспечения угла отсечки θ, лежащего в пределах от 100 до 110°, в ключевой усилитель мощности введен фильтр, при этом обеспечивается высокий импеданс на высших гармониках на выходе линии передачи и согласование высокочастотного ключевого усилителя мощности с импедансом нагрузки, подключаемой к выходу фильтра, причем выход фильтра является выходом высокочастотного ключевого усилителя мощности, а вход фильтра соединен с выходом линии передачи, длина линии передачи

и ее волновое сопротивление ρ определяется соотношениями:The proposed invention is aimed at increasing the bandwidth of the high-frequency switch power amplifier. This is achieved by the fact that a broadband modification of a high-frequency key power amplifier containing a series-connected input key amplification stage, consisting of an active element, an inductor and a transition capacitor, and a transmission line, the input key amplification stage is configured to provide a cutoff angle θ lying within from 100 to 110 °, a filter is introduced into the key power amplifier, thus ensuring high impedance at the higher harmonics at the output of the transmission line and matching the high-frequency key power amplifier with the impedance of the load connected to the filter output, and the filter output is the output of the high-frequency key power amplifier, and the filter input is connected to the output of the transmission line, the length of the transmission line

and its wave impedance ρ is determined by the relations:

где λ - длина волны в линии передачи;where λ is the wavelength in the transmission line;

ω_н - нижняя частота диапазона;ω _n - lower frequency of the range;

ω_в - верхняя частота диапазона;ω _in - the upper frequency of the range;

С - выходная емкость активного элемента входного ключевого каскада усиления;С - output capacitance of the active element of the input key amplification stage;

R_н - сопротивление нагрузки, пересчитанное к выходу активного элемента.R _n - load resistance, recalculated to the output of the active element.

Упомянутый выбор волнового сопротивления создает благоприятные условия для достижения высокого КПД в полосе рабочих частот, существенно превышающей полосу рабочих частот аналога и прототипа. Это происходит благодаря тому, что форма тока и напряжения на активном элементе, характерные для высокоэффективного режима, сохраняются в рабочей полосе частот.The aforementioned choice of wave impedance creates favorable conditions for achieving high efficiency in the operating frequency band, significantly exceeding the operating frequency band of the analog and prototype. This is due to the fact that the shape of the current and voltage across the active element, characteristic of the high-efficiency mode, remains in the operating frequency band.

На чертеже представлена схема широкополосной модификации высокочастотного ключевого усилителя мощности.The drawing shows a diagram of a broadband modification of a high-frequency key power amplifier.

Предлагаемая широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности содержит последовательно соединенные входной ключевой каскад усиления 1 и линию передачи 2, выход которого соединен с входом фильтра 3, выход фильтра является выходом ключевого усилителя мощности. Входной ключевой каскад усиления состоит из активного элемента 4, подключенного к источнику питания через катушку индуктивности 5 и соединенного через переходной конденсатор 6 с линией передачи 2. При этом длина линии передачи и ее волновое сопротивление определяются из приведенных ранее соотношений.The proposed broadband modification of the high-frequency key power amplifier contains a series-connected input key stage of amplification 1 and a transmission line 2, the output of which is connected to the input of the filter 3, the filter output is the output of the key power amplifier. The input key amplification stage consists of an active element 4 connected to a power source through an inductor 5 and connected through a transition capacitor 6 to a transmission line 2. The length of the transmission line and its characteristic impedance are determined from the previously given ratios.

Широкополосная модификация высокочастотного ключевого усилителя мощности работает следующим образом. Под воздействием входного сигнала активный элемент формирует импульсы тока с углом отсечки в пределах (100-110)°. При выборе длины линии передачи, в соответствии с приведенной формулой, индуктивное сопротивление линии на 2-й гармонике основного сигнала совместно с емкостью активного элемента образует полюс импеданса на центральной частоте диапазона. При этом импеданс на 3-й гармонике в точках подключения активного элемента к линии нагрузки достаточно низок относительно сопротивления нагрузки на рабочей частоте. Фильтр 3 со стороны включения линии передачи обладает высоким импедансом нагрузки на высших гармониках, согласует ключевой каскад усиления с нагрузкой в полосе рабочих частот и обеспечивает протекание в нагрузке синусоидального тока.The broadband modification of the high-frequency key power amplifier works as follows. Under the influence of the input signal, the active element generates current pulses with a cutoff angle in the range of (100-110) °. When choosing the length of the transmission line, in accordance with the above formula, the inductive resistance of the line at the 2nd harmonic of the fundamental signal, together with the capacitance of the active element, forms an impedance pole at the center frequency of the range. In this case, the impedance at the 3rd harmonic at the points of connection of the active element to the load line is quite low relative to the load resistance at the operating frequency. Filter 3 on the side of the transmission line has a high load impedance at higher harmonics, matches the key amplification stage with the load in the operating frequency band and ensures the flow of sinusoidal current in the load.

При упомянутом выборе импедансов на гармониках и волнового сопротивления линии создаются необходимые условия для получения ключевых форм напряжения и тока и достижения высоких энергетических показателей в полосе рабочих частот.With the aforementioned choice of impedances at harmonics and the characteristic impedance of the line, the necessary conditions are created for obtaining key forms of voltage and current and achieving high energy indicators in the operating frequency band.

Расчет на ЭВМ энергетических характеристик в полосе частот с использованием кусочно-линейной модели активного элемента показал, что относительная полоса рабочих частот (при снижении КПД на ее краях на 10%) в предложенном техническом решении подчиняется соотношениюComputer calculation of the energy characteristics in the frequency band using a piecewise-linear model of the active element showed that the relative operating frequency band (with a decrease in efficiency at its edges by 10%) in the proposed technical solution obeys the relation

где ω₀=(ω_н+ω_в)/2.where ω ₀ = (ω _n + ω _in ) / 2.

Предложенное устройство было проверено в конструктивной реализации. При использовании в качестве активного элемента транзистора CGH40025 в полосе частот от 1100 до 1400 МГц среднее значение КПД составило 75% при выходной мощности не менее 20 Вт.The proposed device was tested in constructive implementation. When the CGH40025 transistor was used as an active element in the frequency band from 1100 to 1400 MHz, the average efficiency was 75% with an output power of at least 20 W.

Claims

A broadband modification of a high-frequency key power amplifier, containing a series-connected input key amplification stage, consisting of an active element, an inductor and a transition capacitor, and a transmission line, the input key amplification stage is designed to provide a cutoff angle θ lying in the range from 100 to 110 ° , a filter is introduced into the key power amplifier, while providing a high impedance at higher harmonics at the output of the transmission line and matching the high-frequency key power amplifier with the impedance of the load connected to the filter output, and the filter output is the output of the high-frequency key power amplifier, and the filter input is connected to output of the transmission line, characterized in that the length of the transmission line

and its wave impedance ρ are determined by the relations

where λ is the wavelength in the transmission line;

ω _n - lower frequency of the range;

ω _in - the upper frequency of the range;

С - output capacitance of the active element of the input key amplification stage;

R _n - load resistance, recalculated to the output of the active element.