ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2003 года по МПК H03B11/10 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэффективных радиопередающих устройствах.

Общим недостатком существующих ключевых генераторов является ограничение их верхней рабочей частоты, что связано главным образом с ростом потерь, обусловленным перезарядом паразитных емкостей. Известно техническое решение высокочастотного однотактного ключевого генератора, содержащего транзистор, коллектор которого через первый блокировочный конденсатор соединен с нагрузкой, между коллектором и общей шиной включен конденсатор, коллектор подключен к первой шине источника питания через индуктивность, вторая шина источника питания соединена с общей шиной, параллельно источнику питания включен второй блокировочный конденсатор (см. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме./ Под ред. Попова И.А. - M.: Радио и связь, 1985, с.102 и 103). Реализация высокоэффективного режима и достижение высокого кпд в данном генераторе на высоких частотах ограничивается допустимым значением нагруженной добротности q = ω₁CR'_н < 2,4, где ω₁ - круговая рабочая частота; R'_н - сопротивление нагрузки, пересчитанное к зажимам активного элемента; С - коллекторная емкость.

Наиболее близким к изобретению является генератор с параллельной формирующей линией, содержащей транзистор, коллектор которого через последовательный контур соединен с нагрузкой и через дроссель с первой шиной источника питания, вторая шина источника питания соединена с общей шиной, параллельно источнику питания включен блокировочный конденсатор, между коллектором и общей шиной включено последовательное соединение четвертьволнового отрезка длинной линии и конденсатора (патент РФ 2102832 на изобретение "Ключевой генератор" с приоритетом от 7.01.1983). Данный генератор по сравнению с однотактным ключевым генератором может эффективно работать на более высоких частотах. Однако исследование высокочастотных свойств данного ключевого генератора показало, что его верхняя рабочая частота ограничена неравенством q = ω₁CR < 3 (Борисов В.А., Воронович В.В. "Исследование ключевого режима транзисторного генератора с параллельной формирующей линией". Радиотехника и электроника, 1986, т.31, 8, с.1590-1597), что также обусловлено ростом потерь при увеличении рабочей частоты, связанных с перезарядом паразитной коллекторной емкости.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение верхней рабочей частоты ключевого генератора при сохранении высокого кпд. Это достигается тем, что в ключевой генератор, содержащий транзистор, коллектор которого через дроссель подключен к первой шине источника питания, вторая шина которого соединена с общей шиной, между коллектором и первой шиной включен отрезок длинной линии, конденсатор, одним выводом подключенный к первой шине, а вторым выводом - к общей шине источника питания, а также нагрузку, между коллектором и нагрузкой включен фильтр, обеспечивающий со стороны коллектора высокий импеданс на высших гармониках, и согласующий транзистор с нагрузкой, а длина отрезка определяется формулой

где λ - длина волны в отрезке линии;
ω₁ - рабочая круговая частота;
С - коллекторная емкость;
W - волновое сопротивление отрезка линии.

Такой выбор отрезка длинной линии позволяет компенсировать негативное влияние на кпд коллекторной емкости транзистора, так как на 3-й гармонике индуктивное сопротивление отрезка линии совместно с емкостью образует полюс импеданса. При этом на 2-й гармонике импеданс в точках подключения активного элемента достаточно низок и составляет (10÷50)% относительно сопротивления нагрузки, пересчитанного к зажимам коллектора. Подобный выбор импеданса на гармониках создает благоприятные условия для получения ключевых форм напряжения и тока на высоких частотах, снимает принципиальные частотные ограничения в достижении высоких энергетических показателей и позволяет на высоких частотах реализовывать кпд со значениями не менее 90%.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема высокочастотного ключевого генератора, на фиг. 2 представлены временные зависимости, поясняющие работу высокочастотного ключевого генератора, на фиг.3 даны зависимости кпд от добротности q для генератора класса В, прототипа и предлагаемого устройства.

Предлагаемый высокочастотный ключевой генератор содержит транзистор 1, коллектор которого через фильтр 4 соединен с нагрузкой 5, коллектор также через параллельное соединение отрезка линии 6 и дросселя 2 подключен к первой шине источника питания, вторая шина которого соединена с общей шиной. Параллельно источнику питания включен блокировочный конденсатор 3, который обеспечивает также для отрезка линии режим короткого замыкания на рабочей частоте и высших гармониках. При этом длина отрезка линии определяется приведенной ранее формулой.

Высокочастотный ключевой генератор работает следующим образом. Под воздействием входного сигнала транзистор формирует импульсы коллекторного тока, по виду близкие к полусинусоидальным. При выборе длины отрезка линии в соответствии с приведенной формулой его индуктивное сопротивление на 3-й гармонике основного сигнала совместно с коллекторной емкостью транзистора образует полюс импеданса. При этом импеданс на 2-й гармонике относительно сопротивления нагрузки достаточно низок (для q = 0,5...5 и W = 5...100 Ом).

Заметим, что указанные пределы значений добротности q соответствуют значениям добротностей большинства современных СВЧ транзисторов (справочник "Транзисторы средней и большой мощности"./ Под ред. Голомедова А.И. - M.: Радио и связь, 1989). Названные же значения волновых сопротивлений могут быть реализованы в различных конструктивных исполнениях отрезка линии, например коаксиальном, симметрично-полосковом, микрополосковом и др. (Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств./ Под ред. Вольмана В. И. - М.: Радио и связь, 1982).

Фильтр 4 осуществляет также необходимую трансформацию сопротивления нагрузки к зажимам коллектора и обеспечивает протекание в нагрузке синусоидального тока основной частоты. Со стороны коллектора фильтр должен обладать высоким импедансом на высших гармониках.

При упомянутом выборе импедансов на гармониках создаются необходимые условия для получения ключевых форм напряжения и тока (фиг.2) и достижения высоких энергетических показателей. Расчет энергетических характеристик на ЭВМ с использованием зарядной модели транзистора без потерь показал, что на высоких частотах (при q > 3) предложенный генератор (кривая "а" на фиг.3) имеет существенный выигрыш в кпд по сравнению с прототипом - генератором с параллельной формирующей линией (кривая "б" на фиг.3), другими типами ключевых генераторов и наиболее распространенным генератором класса В.

Предложенное устройство было проверено в конкретной конструктивной реализации. В качестве активного элемента использовался транзистор 2Т946А. На частоте 400 МГц был достигнут кпд, равный 78%, при выходной мощности 30 Вт.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах. Достигаемый технический результат: увеличение верхней рабочей частоты при сохранении высокого коэффициента полезного действия. Высокочастотный ключевой генератор содержит транзистор, дроссель, источник питания, фильтр и отрезок длинной линии, длина которого определена заданной математической формулой. 3 ил.

Ключевой генератор, содержащий транзистор, коллектор которого через дроссель подключен к первой шине источника питания, вторая шина которого соединена с общей шиной, между коллектором и первой шиной включен отрезок длинной линии, конденсатор, одним выводом подключенный к первой шине, а вторым выводом - к общей шине источника питания, а также нагрузку, отличающийся тем, что между коллектором и нагрузкой включен фильтр, обеспечивающий со стороны коллектора высокий импеданс на высших гармониках и согласующий транзистор с нагрузкой, а длина отрезка определяется формулой

где λ - длина волны в отрезке линии;
ω₁ - рабочая круговая частота;
С - коллекторная емкость;
W - волновое сопротивление отрезка линии.