CC BY
14УДК 621.375.026 Асманов Э.З., Дмитриев В.Д., Сваровский О.Ю.
Асманов Э.З.
студент магистратуры кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)
Дмитриев В.Д.
канд. тех. наук, доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)
Сваровский О.Ю.
ведущий инженер департамента СВЧ электроники АО «НПФ Микран» (г. Томск, Россия)
РАЗРАБОТКА СВЧ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ПО СХЕМЕ ДОГЕРТИ
Аннотация: в статье представлен краткий обзор усилителей мощности по схеме Догерти, приводится область применения, принцип работы, а также преимущества и недостатки усилителей данного типа. Приведены результаты моделирования усилителя Догерти и топология согласующих цепей.
Ключевые слова: транзистор, нелинейная модель, моделирование, усилитель Догерти, топология.
Усилитель Догерти - схема, которая состоит из двух усилителей мощности, которые подключены к общей нагрузке. К усилителям также подключены цепи сдвига фазы, которые подводят мощность от второго
усилителя к нагрузке, когда первый усилитель переходит в режим насыщения.
Первый усилитель - усилитель класса AB, работает в линейном режиме. Также называется основным или несущим (carrier). Второй усилитель является усилителем класса C и работает в нелинейном режиме. Этот усилитель известен также под названием пиковый (peaking). Пиковый усилитель преобразует импеданс, на который нагружен основной усилитель через четвертьволновую линию передачи [1].
Принцип работы схемы Догерти состоит в следующем - на входе сигнал разделяется на два канала, проходя через квадратурный разветвитель. На выходе разветвителя имеются два сигнала со смещением по фазе на 90 градусов относительно друг друга. Один из сигналов поступает на основной усилитель, работая со слабыми по мощности сигналами, другой же поступает на пиковый усилитель, который включается в работу при необходимости обработки больших пиков, с которыми основной усилитель не может работать, так как эти пики превышают его допустимые значения. В постоянной работе пикового усилителя нет смысла, так как в этом случае будет понижаться общий коэффициент полезного действия (КПД) всего усилителя Догерти. После того, как сигналы будут усилены, их складывают путем смещения фазы одного из них для достижения синфазности.
Усилители Догерти могут использоваться в базовых станциях мобильной связи, а также в системах радиосвязи и беспроводной связи.
К преимуществам схемы Догерти можно отнести следующее: применение как в усилителях портативных устройств, так и в базовых станциях (усилители большой мощности) при работе с высоким КПД как с малыми, так и с мощными сигналами, усилители Догерти обеспечивают хорошую линейность в результате чегоимеют меньшее количество побочных продуктов в спектре сигналов с высоким пик-фактором по сравнению с усилителями классов A и B.
Из недостатков можно отметить сложность схемы в сравнении с усилителями класса AB, сложную настройку параметров для нахождения оптимальной рабочей точки и относительно высокая стоимость в сравнении с
одиночными усилителями. Помимо этого, применение усилителей Догерти ограничено узкой полосой частот, так как необходимое смещение фазы в широкой полосе частот трудно обеспечить [2].
В рамках изучения темы было проведено исследование нелинейной модели полевого LDMOS транзистора Л2Т23И160-248[3]. Исследование проводилось в системе САПР и рассматривалась центральная частота рабочего диапазона транзистора - 2350 МГц.
К усилителю выдвигались следующие требования: Усиление не менее 17 дБ, КПД не менее 50%,
Выходная мощность должна составлять около 100 Вт.
Были получены семейства вольт-амперных характеристик, приведенные на рис.1 и рис.2.
IV АВ
2000 1800 1600 1400 1200
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Voltage (V)
Рис. 1. График семейства ВАХ основного транзистора.
Рис. 2. График семейства ВАХ пикового транзистора.
Для получения таких характеристик усилителя как зависимость выходной мощности от входной мощности, КПД и коэффициент усиления была собрана схема измерения, приведенная на рис.3. Развязку между входными цепями обеспечивает направленный ответвитель.
Рис. 3. Схема измерения характеристик усилителя Догерти Результаты измерений представлены на рис.4 и рис.5.
Рис. 4. Коэффициенты усиления.
Рис. 5. КПД и зависимости выходных мощностей от входных.
Проведя сравнение между усилителем класса ЛБ и усилителем Догерти можно отметить, что усилитель Догерти обладает большим усилением и коэффициентом полезного действия. Также усилитель Догерти имеет большую выходную мощность. Форма графика коэффициента полезного действия имеет характерный вид, свойственный усилителям Догерти - пик и постепенное снижение. Можно отметить, что усилитель класса ЛБ при равных исходных данных не обеспечивает необходимых значений, что подтверждает
необходимость применения схемы Догерти для данной работы. Результатом разработки стала топология согласующих цепей усилителя, указанная на рис.6.
Рис. 6. Топология согласующих входных и выходной цепей усилителя.
Исходя из полученных при моделировании данных можно отметить получившиеся характеристики:
Усиление составило 19 дБ, КПД составляет 57.79%,
Максимальный уровень выходной мощности составляет 110 Вт. Данные значения удовлетворяют требуемым и являются оптимальными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Усилители мощности по схеме Догерти. Часть 1. В. Кочемасов, к.т.н., Т. Косичкина, к.т.н. [Электронный ресурс]
https://radiocomp.ru/images/storage/docs/articles/06_2019.pdf Дата обращения - 03.02.2024;
2. Усилители Догерти для современных систем связи. Стародубцев [Электронный ресурс] http://elcomdesign.ru/netcat_files/File/42(28).pdf. Дата обращения - 15.02.2024;
3. A2T23H160-24S - Data sheet 16c. [Электронный ресурс]
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1069051/NXP/A2T23H160-24S.html. Дата
обращения - 05.03.2024
Asmanov E.Z., Dmitriev V.D., Svarovskii O. Yu.
Asmanov E.Z.
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
(Tomsk, Russia)
Dmitriev V.D.
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
(Tomsk, Russia)
Svarovskii O.Yu.
SPC Micran JSC (Tomsk, Russia)
DEVELOPMENT OF MICROWAVE POWER AMPLIFIER BY DOHERTY SCHEME
Abstract: the paper presents a brief review of power amplifiers based on the Doherty scheme, gives the scope of application, principle of operation, as well as advantages and disadvantages of amplifiers of this type. Besides, the results of modeling of Doherty amplifier and topology of matching circuits are given.
Keywords: transistor, nonlinear model, modeling, Daugherty amplifier, topology.
