Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Хвалин А. Л., Калинин А. В. Моделирование усилителей мощности в среде Microwave Office // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2021. Т. 21, вып. 3. С. 275-284. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-3-275-284, EDN: JRANPQ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.08.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 818)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.37
DOI: 
10.18500/1817-3020-2021-21-3-275-284
EDN: 
JRANPQ

Моделирование усилителей мощности в среде Microwave Office

Авторы: 
Хвалин Александр Львович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Калинин Артем Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Представлены основные этапы разработки транзисторного усилителя УВЧ и КВЧ диапазонов в октавном диапазоне рабочих частот на основе отечественного биполярного транзистора 2Т937А в микрополосковом исполнении в среде САПР Microwave Office. Широкополосное согласование стало возможным за счет использования дискретных транзисторных кристаллов, допускающих включение отрезков микрополосковых линий передачи и сосредоточенных элементов (резисторов, индуктивностей и емкостей) на входах и выходах внутренних усилительных каскадов. Номинальные значения сосредоточенных элементов и геометрические размеры отрезков микрополосковых линий передачи использовались в качестве варьируемых параметров в соответствующих задачах оптимизации. В результате решения задач структурной и параметрической оптимизации созданы принципиальные электрические схемы усилителя и его составных блоков (делителей/сумматоров мощности на два канала, базового двухкаскадного усилительного модуля), получены их оптимальные частотные характеристики. Моделирование транзистора проведено по эквивалентной схеме Гуммеля – Пуна в САПР Microwave Office. Конструкция усилителя мощности выполнена в микрополосковом исполнении на подложке из поликора толщиной 1 мм. В диапазоне частот от 2 до 4 ГГц перепад коэффициента усиления находится в пределах от 14 до 15 дБ. Выходная мощность усилителя составляет 22.5 Вт, КСВН входа и выхода не более 1.5. Конструкция допускает возможность интегрального исполнения. 

Ключевые слова: 
усилитель мощности
эквивалентная схема Гуммеля – Пуна
делитель/сумматор мощности
компьютерная модель транзистора
параметрическая и структурная оптимизация
система автоматизированного проектирования
Список источников: 
  1. Хвалин А. Л. Анализ и синтез интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на ферритовых резонаторах : автореф. дис. … д-ра техн. наук. Самара, 2014. 32 с.
  2. Титков А. А., Хвалин А. Л. Измерение статических и частотных характеристик биполярного транзистора // Измерительная техника. 2019. № 8. С. 58–62.
  3. Хвалин А. Л., Титков А. А., Ляшенко А. В. Экспериментальные исследования основных характеристик транзистора 2Т937 // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 26. С. 4–10.
  4. Хвалин А. Л., Ляшенко А. В. Многоканальный микрополосковый делитель/сумматор мощности // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 27. С. 43–50.
  5. Калинин А. В., Хвалин А. Л. Перестраиваемые радиотехнические генераторы шума // Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : ОАО «Институт критических технологий», 2019. Вып. 27. С. 31–43.
  6. Ma H., van der Zee R., Nauta B. A high-voltage class-D power amplifier with switching frequency regulation for improved high-effi ciency output power range // IEEE J. Solid-State Circuits, June. 2015. Vol. 50, № 6. P. 1451– 1462. https://doi.org/10.1109/JSSC.2015.2421994
  7. Zhong S., Xu J., Chen J., Zhou X. Battery powered high effi ciency single-stage switching amplifier // Electron. Lett., June 2016. Vol. 52, № 12. P. 1052–1054. https:// doi.org/10.1109/TIE.2018.2815953
  8. Seung Kyu Oh, Moon Uk Cho, James Dallas, Taehoon Jang, Dong Gyu Lee, Sara Pouladi, Jie Chen, Weijie Wang, Shahab Shervin, Hyunsoo Kim, Seungha Shin, Sukwon Choi, Joon Seop Kwak, Jae Hyun Ryou. High-power flexible AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors with suppression of negative differential conductance // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111, № 13. Article number 133502. https://doi.org/10.1063/1.5004799
  9. Zhang H., Li J., Liu D., Min S., Chang T. H., Xiong K., Park SH., Kim J., Jung YH., Park J., Lee J., Han J., Katehi L., Cai Z., Gong S., Ma Z. Heterogeneously integrated flexible microwave amplifiers on a cellulose nanofi bril substrate // Nat. Commun. 2020. Vol. 11. Article number 3118. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41467-020-16957-4
  10. Vegas D., Moreno F., Ruiz M. N., García J. A. Efficient class-E power amplifier for variable load operation // Proc. Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre Wave Circuits Workshop. April 2017. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/INMMIC.2017.7927319
  11. Popovic´ Z., García J. A. Microwave class-E power amplifiers // Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. 2017. P. 1323–1326. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2017.8058855
  12. Song P., Oakley M., Ulusoy A. C., Kaynak M., Tillack B., Sadowy G. A class-E tuned W-band SiGe power amplifier with 40.4% power-added efficiency at 93 GHz // IEEE Microwave Compon. Lett. October 2015.Vol. 25, № 10. P. 663–665. https://doi.org/10.1109/LMWC.2015.2463231
  13. Alsuraisry H., Wu M. H., Huang P. S., Tsai J. H., Huang T. W. 5.3 GHz 42% PAE class-E power amplifier with 532 mW/mm 2 power area density in 180 nm CMOS process // Electron. Lett. July 2016. Vol. 52, № 15. P. 1338–1340. https://doi.org/10.1049/el.2016.1629
  14. Jiang X. Fundamentals of audio class D amplifier design : A review of schemes and architectures // IEEE Solid-State Circuits Mag. August 2017. Vol. 9, № 3. P. 14–25. https:// doi.org/10.1109/MSSC.2017.2712368
  15. Chen S.-H. Embedded single inductor bipolar-output dc–dc converter in class-D amplifier for low common noise // IEEE Trans. Power Electron. April 2016. Vol. 31, № 4. P. 3106–3117. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2446510
  16. Kats B. M., Meschanov V. P., Khvalin A. L. Synthesis of superwide-band matching adapters in round coaxial lines // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49, № 3. P. 575–579. https://doi.org/10.1109/22.910569
  17. Zhou X., Xu J., Zhong S., Liu Y. Soft switching symmetric bipolar outputs dc-transformer (DCX) for eliminating power supply pumping of half-bridge class-D audio amplifier // IEEE Trans. Power Electron. July 2019. Vol. 34, № 7. P. 6440–6455. https://doi.org/10.1109/tpel.2018.2873234
  18. Alfred Lim, Aarom Tan, Zhi-Hui Kong, Kaixue Ma. A Design Methodology and Analysis for Transformer-Based Class-E Power Amplifier // Electronics. May 2019. Vol. 8, № 5. P. 494. https://doi.org/10.3390/electronics8050494
  19. Chaudhary V., Rao I. S. A novel 2GHz highly efficiency improved class-E power amplifier for base stations // Proc. Int. Conf. Communication and Signal Processing. 2015. P. 0940–0944. https://doi.org/10.1109/ICCSP.7322634
  20. Cos J. de, Suárez A., García J. A. Hysteresis and oscillation in high-efficiency power amplifiers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. December 2015. Vol. 63, № 12. P. 4284– 4296. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2492968
Поступила в редакцию: 
18.11.2020
Принята к публикации: 
26.04.2021
Опубликована: 
31.08.2021
  • 1297 просмотров