Транзисторные усилители-ограничители мощности в ключевых режимах с улучшенными частотными и энергетическими характеристиками

• Автор: Баранов, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 402 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Состояние исследования и задачи разработки СВЧ устройств
с повышенными величинами КПД, стабилизированной выходной мощности и подавления побочных колебаний
1.1 Методы повышения КПД и устройства, созданные на их
основе
1.2 Методы повышения рабочих частот устройств с высоким КПД
1.3 Методы повышения выходной мощности устройств с
высоким КПД
1.4 Методы и устройства стабилизации уровня выходной
мощности
1.5 Методы и устройства подавления побочных колебаний
1.6 Методы исследования и разработки СВЧ устройств с
высоким КПД, стабилизацией уровня выходной мощности и подавлением побочных колебаний
1.7 Цели и задачи диссертационной работы
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 2 Повышение рабочей частоты и выходной мощности в СВЧ
усилителях-ограничителях с высоким КПД и фильтрацией основного колебания
2.1 Общие условия повышения рабочих частот, КПД и выходной
мощности устройств в альтернативных ключевых режимах
2.1.1 Условия ограничения рабочих частот и выходной мощности
усилителей в ключевых режимах
2.1.2 Условия повышения КПД усилителей в альтернативных
ключевых режимах
2.1.3 Компенсация выходной емкости транзисторов как способ повышения рабочих частот и выходной мощности устройств
в ключевых режимах
2.2 Разработка дуальных СВЧ устройств класса Е с
повышенными рабочими частотами и уровнями их выходной мощности
2.2.1 Усилитель класса Е с последовательной к ключу
индуктивностью и параллельным фильтрующим контуром
2.2.1.1 Дуальный усилитель класса Е без резистивных потерь в
ключе
2.2.1.2 Дуальный усилитель класса Е с резистивными потерями в
ключе
2.2.2 Усилитель класса Е с последовательными к ключу
индуктивностью и фильтрующим контуром

2.2.3 Усилитель класса Е с последовательным к ключу
конденсатором
2.2.4 Усилитель класса Е с последовательным к ключу
формирующим контуром
2.3 Разработка выходных цепей дуальных СВЧ усилителей
класса Е
2.3.1 Особенности проектирования фильтрующих цепей дуальных СВЧ устройств класса Е
2.3.2 Нагрузочные импедансы транзисторных ключей в
усилителях мощности класса Е
2.4 Сравнительный анализ частотных и энергетических свойств
исходных и дуальных им устройств класса Е
2.5 Особенности классификации усилителей мощности в
альтернативных ключевых режимах
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3 Стабилизация выходной мощности СВЧ усилителей-
ограничителей с подавлением побочных колебаний
3.1 Стабилизация выходной мощности СВЧ усилителей-
ограничителей
3.1.1 Стабилизация уровня выходной мощности амплитудных
ограничителей в недонапряженном режиме
3.1.1.1 Проектирование амплитудных ограничителей с высокой эффективностью ограничения их выходной мощности
3.1.1.2 Разработка амплитудных ограничителей с высокой термостабильностыо уровня их выходной мощности
3.1.2 Стабилизация уровня выходной мощности амплитудных
ограничителей в перенапряженном режиме
3.1.2.1 Повышение эффективности ограничения выходной мощности амплитудных ограничителей в перенапряженном режиме
3.1.2.2 Температурная стабилизация уровня выходной мощности амплитудных ограничителей в перенапряженном режиме
3.2 Подавление побочных колебаний в СВЧ усилителях-
ограничителях мощности
3.2.1 Разработка устройств подавления побочного гармонического колебания с применением методов структурного синтеза
3.2.2 Проектирование СВЧ усилителей-ограничителей мощности с подавлением слабого побочного гармонического колебания при помощи амплитудно-фазовой конверсии
3.2.2.1 Преобразование гармонических основного и слабого побочного колебаний в усилителе-ограничителе
3.2.2.2 Подавление слабого гармонического колебания в усилителе-ограничителе при помощи амплитудно-фазовой конверсии

3.2.2.3 Анализ подавления слабого гармонического колебания в усилителе-ограничителе с амплитудно-фазовой конверсией
3.2.2.4 Синтез усилителей-ограничителей с подавлением слабого гармонического колебания при помощи амплитудно-фазовой конверсии
3.2.3 Анализ и синтез усилителей-ограничителей с подавлением
слабых побочных узкополосных колебаний при помощи
амплитудно-фазовой конверсии
3.3 Разработка цепей согласования и фильтрации в СВЧ
усилителях-ограничителях с подавлением побочных колебаний и стабилизацией уровня выходной мощности
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 Разработка и экспериментальное исследование СВЧ
усилителей-ограничителей с повышенными величинами КПД, стабилизированной выходной мощности и фильтрации основного колебания
4.1 Оценка максимальных рабочих частот и уровней выходной
мощности в устройствах Е класса
4.2 Методики оценки-регулировки собственной выходной емкости транзисторных ключей и проектирования микрополосковых цепей усилителя Е класса с шунтирующей ключ емкостью
4.3 Методика проектирования входных и выходных
микрополосковых цепей дуальных устройств Е класса
4.3.1 Проектирование микрополосковых цепей дуальных
усилителей Е класса с применением импедансных характеристик на выходе индуктивности с транзисторным ключом
4.3.2 Проектирование микрополосковых цепей дуальных
усилителей Е класса с использованием нагрузочных импедансов транзисторных ключей
4.3.3 Экспериментальное исследование частотных и энергетических характеристик исходных и дуальных им устройств Е класса
4.4 Проектирование ключевых СВЧ усилителей-ограничителей
со стабилизацией уровня их выходной мощности
4.4.1 Повышение эффективности ограничения выходной
мощности усилителей-ограничителей в перенапряженных режимах
4.4.2 Температурная стабилизация уровня выходной мощности
усилителей-ограничителей в перенапряженных режимах
4.5 Практическая реализация пассивных цепей в СВЧ
устройствах с повышенными уровнями КПД и выходной мощности

Еще в большей степени можно уменьшить Рп и, следовательно, дополнительно увеличить КПД устройств, если использовать в них так называемые смешанные или комбинированные (mixed mode [6]) режимы работы транзисторов, например, насыщенные (перегруженные) классы В, С. Здесь транзисторы работают в нескольких режимах: часть периода входного СВЧ колебания - с отсечкой выходного тока, часть периода - в активной области и оставшуюся часть периода - в насыщении [7]. Устройства, работающие в смешанных (комбинированных) режимах характеризуются следующими особенностями:
• транзистор здесь работает и как источник тока, и как ключ [4];
• выходные величины Is(t) и Vs(t) слабо зависят от входного напряжения;
• зависимость выходной мощности Р от входной Р11Х определяется участком амплитудной характеристики с компрессией;
• выходное напряжение Vs(t) достигает напряжения насыщения только в течение определенной части периода входного СВЧ колебания, так как транзистор работает в перенапряженном режиме [5].
Хотя теоретический предел 7), который можно достичь в устройствах, работающих в смешанных режимах, и находится в пределах от 78.5 до 100%, вместе с тем типовые значения г/ известных СВЧ устройств этих классов не на много превышают 65% [6]. Причина этого заключается в том, что устройства, работающие в смешанных режимах, сложны в расчетах и почти бесполезны для практических целей [4]. Например, очень трудно управлять таким устройством так, чтобы транзистор не насыщался в течение значительно большей, чем требуется, части периода входного СВЧ сигнала.
В максимальной степени можно уменьшить Рп и увеличить КПД устройств, если использовать в них ключевые режимы (switching mode) классов D, Е, F (кроме F|) и S [6, 8]. Отличительные особенности этих режимов заключаются в следующем:
• транзистор работает как ключ [4] (часть периода входного колебания