Автоматизированный синтез широкополосных ключевых усилителей и умножителей частоты класса E

• Автор: Вильмицкий, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 173 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Состояние проблемы синтеза ключевых усилителей

мощности и умножителей частоты

1.1. Потери в усилителях и умножителях частоты

1.2. Ключевые усилители

1.2.1. Усилители класса Б и Б'

1.2.2. Усилители класса Б и Б'

1.2.3. Смешанные режимы работы

1.3. Усилители мощности и умножители частоты класса Е

1.4. Цели и задачи работы

2. Разработка и исследование математических моделей ключевых
устройств класса. Е
2.1. Разработка и исследование обобщенной математической модели
2.1.1. Основные уравнения обобщенной математической модели
2.1.2. Проверка математической модели
2.2. Идеализация обобщенной математической модели
2.3. Влияние постоянной времени ключа на основные характеристики
ключевых устройств класса Е
2.4. Влияние гармоник на режим работы ключевых устройств
Выводы по разделу
3. Разработка метода автоматизированного синтеза широкополосных
ключевых устройств класса Е
3.1. Оценка предельной широкополосное устройства класса Е
3.2. Метод автоматизированного синтеза
3.3. Синтез выходной согласующе-фильтрующей цепи идеального
усилителя класса Е
3.4. Синтез выходной согласующе-фильтрующей цепи удвоителя
частоты класса Е
Выводы по разделу

4. Результаты вычислительных и натурных экспериментов
4.1. Синтез широкополосного усилителя мощности класса Е
4.2. Экспериментальные результаты
Выводы по разделу
Заключение
Список литературных источников
Приложение А. Описание программного модуля синтеза
широкополосных ключевых устройств
Приложение Б. Исходный код основного модуля программы синтеза
широкополосных ключевых устройств
Приложение В. Целевая функция определения комплексных амплитуд
высших гармоник тока в системе
Приложение Г. Модуль расчета импульса напряжения на шунтирующей
емкости на основе решения дифференциального уравнения
Приложение Д. VBA макрос, отвечающий за управление программным
модулем и конфигурацию проекта в САПР
Приложение Е. Документы о внедрении результатов работы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Основным направлением развития современных приемо-передающих систем военного и гражданского назначения является непрерывное усложнение задач, которые должны решаться средствами радиосвязи, радиолокации и навигации. Такое комплексное усложнение радиотехнических систем, включающее в себя генерацию сигнала, усиление, его обработку, а также решение задач управления и контроля, приводит ужесточению требований, предъявляемых к уровню преобразуемой мощности и ширине полосы рабочих частот при одновременном снижении веса, габаритов и повышении надежности аппаратуры.
При проектировании новых систем разработчики вынуждены находить решения, удовлетворяющие ряду противоречивых требований. С одной стороны для передачи качественного изображения и звука, в случае беспроводных систем передачи телекоммуникационных данных, необходимо увеличивать уровень излучаемой мощности и применять сложные виды сигналов, обеспечивающих высокую скорость передачи данных, а с другой снижать энергопотребление. В случае радиолокационных устройств, перспективными направлениями являются повышение разрешающей способности по дальности и скорости, что может быть достигнуто применением сложных видов модуляции, широкополосных зондирующих сигналов, повышением мощности передающих устройств. Все это приводит к повышению потребляемой мощности РЛС и к трудностям, связанным с обеспечением теплового режима АФАР, вызванными активными потерями. Таким образом, на первый план выходят задачи снижения энергопотребления и повышения КПД.
Решение проблемы повышения КПД позволит на порядки снизить вес элементов питания и энергетических установок (в том числе и источников

в ключевом устройстве. Большинство методов анализа ограничиваются учетом активного сопротивления ключа и конечной величины индуктивности питающего дросселя или нелинейного характера выходной емкости транзистора, при этом не учитываются такие параметры, оказывающие существенное влияние на режим работы усилителя, как инерционность транзистора, а также протекание в выходной цепи транзистора токов высших гармоник. Все это, в конечном итоге, не позволяет разработать единую процедуру синтеза широкополосных ключевых усилителей, обеспечивающую нахождение оптимальной с точки зрения выбранных критериев, структуры выходной согласующей цепи в заданной полосе частот.
Подводя итог состоянию задачи синтеза ключевых усилителей мощности и умножителей частоты можно констатировать, что теория синтеза интенсивно развивается. Большое число публикаций, посвященных вопросам разработки методов проектирования, свидетельствует о ее актуальности. Освоение серийного производства специализированных монолитных интегральных схем ключевых усилителей мощности ведущими мировыми производителями полупроводниковых приборов свидетельствует о большой востребованности данного класса устройств. Имеющиеся работы в основном уделяют внимание развитию аналитической модели ключевых устройств [19], путем учета влияния различных паразитных параметров. Подавляющее большинство работ затрагивает вопросы, связанные с усилителями мощности, при этом, как показано в работе [90] ключевые умножители частоты позволяют продвинуться в верхнюю часть СВЧ диапазона, расположенную выше граничной частоты современных транзисторов. В работе [32], показано, что ключевые усилители мощности и умножители частоты могут быть рассмотрены с обобщенных позиций. Значительно возросшее в последние годы внимание к широкополосным ключевым устройствам нашло отражение в научных публикациях, где