Крижанівський В. Г., Макаров Д. Г. Донецький національний університет Вул. Університетська, 24, Донецьк – 83055, Україна Тел.: +38 (0622) 919261; e-mail: apex@dongu.donetsk.ua

Анотація – Експериментально вивчено вплив другої гармоніки на роботу підсилювача НВЧ на ПТШ CLY15, виготовлений макет, який дозволяє незалежно налаштовувати імпеданс на основній частоті та другої гармоніці, проведено порівняння та обговорення експериментальних режимів при низьких напругах живлення.

I. Вступ

У діапазоні СВЧ підсилювачі з високим ККД, що працюють в полігармонічного режимах, використовують обмежену кількість гармонік, що робить неможливим реалізацію класичних режимів класів Е і F. Режими, які можуть бути реалізовані, тому мають багато спільного, але їх енергетичні характеристики відрізняються внаслідок впливу таких факторів, як максимально допустимі напруження і струм стоку, вихідна ємність і опір транзистора в відкритому стані [1-3]. Також великий вплив мають паразитні елементи корпусу і схеми, що утруднює точний розрахунок підсилювача.

Тому представляє інтерес експериментальне вивчення високоефективних режимів роботи підсилювачів СВЧ для порівняння з теоретичними розрахунками. Дослідження підсилювачів з налаштуванням по другій гармоніці проводилося на експериментальному макеті, в якому використовувалися погоджують ланцюга на пов’язаних полоськових лініях, які дозволяли проводити незалежне регулювання вхідного опору на основний частоті та другої гармоніці [4].

II. Основна частина

Експериментальний макет містить дві однакові ланцюга, встановлені на вході і виході транзистора, що дозволяє погоджувати вхід і вихід транзистора в режимі великого сигналу. Додаткові пов’язані лінії довжиною Я / 8 на частоті

другої гармоніки, навантажені з одного боку на ємність, а з іншого – короткозамкнені [4], служать для незалежної настройки імпедансу навантаження транзистора на частоті другої гармоніки, дозволяючи в широких межах змінювати значення реактивного опору на другій гармоніці в площині вихідного електроду транзистора (рис. 1).

Використовуваний в експериментальному макеті транзистор CLY15 фірми Siemens є GaAs польовий транзистор з бар’єром Шоттки, оптимізований для роботи при низькій напрузі в режимах з великим ККД. Його опір у відкритому стані становить близько 0,5 Ом, що дозволяє отримати в ключовому режимі високий ККД [1, 3].

Разом з тим, робота при низьких напругах живлення створює проблеми в забезпеченні вихідний ланцюгом підсилювача необхідного навантажувального опору, який становить для різних режимів величини порядку декількох Ом. Тут використовується експериментальний макет дозволяє забезпечувати необхідний опір в достатньому широкому діапазоні.

Експеримент проводився в наступному порядку: на транзистор подавалося напругу на затвор, що забезпечує його роботу в класі В (напруга затвор-витік -3,0 В). Потім подається високочастотний сигнал і напруга живлення. Налаштування ланцюгів виробляється при зниженій напрузі живлення, щоб уникнути перевантаження транзистора при відсутності погодження вхідних і вихідних ланцюгів. Метою настройки було отримання максимального ККД, для чого контролювалися вхідна і вихідна потужність, напруга живлення і споживаний струм.

Рис. 1. Експериментальний макет підсилювача.

Fig. 1. Prototype amplifier

Амплітудно-частотна характеристика підсилювача для одного варіанта настройки наведена на рис. 2. При цьому робоча напруга живлення підсилювача нижче, ніж, типове для цього транзистора, а його стоковий ККД вище. Як і показують попередні публікації [2, 4], вплив другої гармоніки значно і має бути враховано при проектуванні підсилювачів потужності.

Особливістю режимів з високим ККД є розбіжність випадків максимальної вихідної потужності та максимального ККД [5]. Рис. 2 підтверджує це.

Рис. 2. Залежність вихідної потужності і ККД від частоти для одного варіанта настройки підсилювача (VDD = 2 V).

Fig. 2. Output power and drain efficiency versus frequency for one case tuning (VDD = 2V)

Рис. 3. Залежності постійного струму стоку, вихідний потужності, стокового ККД і відносного рівня другої гармоніки вихідного сигналу від нормованого значення ємності СЗ (VDD = 1.5 В).

Fig. 3. Drain current, output power, drain efficiency and relative level second harmonic vs. normalized capacitance C3 (VDD =1.5 V)

Також проводилося вимірювання рівня другої гармоніки від налаштування ланцюга по другій гармоніці, на рис. 3 показані залежності вихідної потужності і ККД на основній частоті і відносного рівня другої гармоніки від величини конденсатора в ланцюзі другої гармоніки. Ці залежності показують, що більший ККД відповідає випадку, коли навантаження на другій гармоніці у вихідний ланцюга підсилювача забезпечує великий коефіцієнт відображення.

III. Висновок

Розроблено та виготовлено експериментальний макет підсилювача потужності на ПТШ CLY15 з налаштуванням по другій гармоніці.

Отримано значення стокового ККД більше 60% з налаштуванням по другій гармоніці на частоті 800 МГц. Налаштування по другій гармоніці призводить до зниження споживаного струму і зниження рівня другої гармоніки.

IV. Список літератури

[1] Wei С. J., DiCarlo P., Tkachenko У. A., R. McMorrow and Bartle D., “Analysis and Experimental Waveform Study on Inverse Class-F mode of Microwave Power FETs” in Proceedings of IEEE MTT-Symposium, 2000.-V.1, pp. 525-528.

[2] Свистов E. А. До питання про вплив навантажень на гармоніках на вихідну потужність підсилювача на ПТШ / “9-а Міжнародна Кримська конференція” НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології ” Матеріали конфе-ренціі.-Севастополь, Вебер, 1999, с. 72-75.

[3] Inoue A., Heima Т., Ohta A., Hatton R., Mitsui У. Analysis of class F and inverse F amplifiers / IEEE MTT-S Int. Microwave Svmp. Dig., Vol. 2, Boston, MA, June 13-15, 2000, pp. 775-778.

[4] Бондаренко Б. H “Крижанівський В. Г., Макаренко І. Б. Транзисторний підсилювач НВЧ потужності з налаштуванням по другій гармоніці. / / Радіотехніка. Респ. мiжвiд. н.-т. СБ 1987.-Вип. 80, с. 128-132.

[5]  Printsovskii V. A. and Krizhanovski V. G. “Transmission-Line Microwave Class-E Amplifier”, in XV International Conference of Microwaves, Radar and Wireless Communication. MIKON-2004. Poland, Warsaw, 2004, Conference Proceedings, Vol. 1, pp. 38-40.

MESFET AMPLIFIER WITH SECOND HARMONIC TUNING

Krizhanovski V. G., Makarov D. G.

Donetsk National University

24, Universitetskaya st, Donetsk, 83055, Ukraine Tel.: 38 (0622) 919261 e-mail: apex@dongu.donetsk.ua

Abstract – Experimental prototype of the amplifier with tuning on the second harmonics was build and investigated. It is shown, that there are variants of tunings ensuring high efficiency at low transistor supply voltage.

I.  Introduction

In a microwave range the high efficiency amplifier is hardly influenced by harmonics of fundamental frequency. Therefore large value gains a right choice of output circuit impedance on the frequency of the second harmonics. DC parameters determine the choice of operation mode on the second harmonics [1-3].

The research of influence of the second harmonics was carried out on an experimental model permitting is independent to govern an impedance of an entering and output circuit on a fundamental frequency and second harmonics [4].

II.  Main part

The experimental model contains two identical circuits installed on an input and an output of the transistor. Additional connected lines of length /1/8 on frequency of the second harmonics loaded on the one hand on a capacity, and with another – close circuits [4], are for independent tuning of an impedance of a load of the transistor on the second harmonics (Fig. 1).

In an experimental prototype used GaAs MESFET CLY15 of the corporation Siemens, optimized for work at low voltage in conditions with the large efficiency. It the resistance in an open state makes about 0.5 O, that allows to receive in a key condition high efficiency [1, 3].

The output power amplifier versus frequency for one variant of tuning was shown in a Fig. 2.

In a Fig. 3 the dependence of an output power and drain efficiency on a fundamental frequency and relative level of the second harmonics from normalized capacitance in a circuit of the second harmonics are shown.

III.  Conclusion

Is developed and the experimental prototype of the power amplifier on MESFET CLY15 with tuning on the second harmonics is made.

The values drain efficiency more than 60 % with tuning on the second harmonics on frequency 800 MHz are obtained. The tuning on the second harmonics reduces in a drop of a consumed current and drop of a level of the second harmonics.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»