Klasse-F-Verstärker-Oberwellenabschluss

Aus dem Artikel, den Sie verlinkt haben (S. 70):

Der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers kann durch die Ausgangskapazität des Transistors [...]$C_{ds}$, [...] wenn diese Kapazität nicht in das multiharmonische Lastnetz absorbiert wird, ohne die Fähigkeit zu beeinträchtigen, die zweiten und dritten harmonischen Komponenten ordnungsgemäß zu terminieren.

Also, erster Hinweis: Sie müssen das Lastnetzwerk so vorverstimmen, dass beim Anschluss an den HEMT die Ausgangskapazität sinkt$C_{ds}$stimmt es ein.

Mal sehen, was der Autor vorschlägt, um dies zu erreichen:

Im Klasse-F-Modus mit einem in Fig. 9(b) gezeigten Lastnetzwerk die elektrische Länge einer offenen Stichleitung$TL_3$so gewählt, dass sie eine Viertelwellenlänge bei der dritten Harmonischen aufweist, um einen Kurzschlusszustand auf der rechten Seite der Reihenübertragungsleitung zu realisieren$TL_2$, dessen elektrische Länge$\theta$sollte eine induktive Reaktanz bereitstellen, um mit der Ausgangskapazität des Geräts in Resonanz zu treten [$C_{ds}$] bei der dritten Harmonischen.

ABBILDUNG 9:

Die vom Autor vorgeschlagene Methode lautet also:

1. Wählen Sie eine Länge für den Stub aus$TL_3$so dass es die rechte Seite der Leitung "erdet" (kurzschließt).$TL_2$bei$3\omega_0$. Der Autor wählt eine "kleine" elektrische Länge$\theta=30º$bei$\omega_0$das wird$\theta=3 \cdot 30º=90º$bei$3\omega_0$, das ist eine Viertelwellenlänge, die den Leerlauf am Ende der Stichleitung effektiv in den gewünschten Kurzschluss auf der rechten Seite der Leitung umwandelt$TL_2$.

2. Dank dessen haben wir jetzt zwei parallele Reaktanzen: die HEMT-Ausgangskapazität$C_{ds}$und ein$TL_2$äquivalente konzentrierte Reaktanz (nennen wir es$X_{TL_2}$).

3. Als nächstes wählen Sie eine Länge für$TL_2$damit seine Reaktanz$X_{TL_2}$ist induktiv bei$3\omega_0$und schwingt mit$C_{ds}$, wodurch es effektiv aufgehoben wird (=offener Stromkreis) .

4. Nun das$C_{ds}$ist erledigt, was bleibt? Wir können ignorieren$R_L$weil es durch Stub kurzgeschlossen wurde$TL_3$: ein Problem weniger. Nur$TL_1$Überreste...

5. Aber$TL_1$hat zufällig eine elektrische Länge von$\theta=3 \cdot 90º=270º$bei$3\omega_0$und ist "geerdet", dh durch den Netzentkopplungskondensator kurzgeschlossen. Wir haben also eine Dreiviertel-Wellenlängenlinie, die einen Kurzschluss in einen offenen Stromkreis umwandelt.

6. Am Ende fügt sich alles zusammen, und der HEMT „sieht“ einen offenen Stromkreis an$3\omega_0$, wie gewünscht.

Der Autor rechnet dann nach und findet eine Formel für die elektrische Länge (at$\omega_0$) von$TL_2$, das ist das Element, das kompensiert$C_{ds}$und stimmt im Lastnetzwerk ab:

$$\theta = \frac{1}{3} \tan^{-1}{(2 Z_0 \omega_0 C_{ds})}$$

IN ACHT NEHMEN!!!:

Die obige Formel stimmt nicht mit meinen Beobachtungen mit dem Smith-Diagramm überein, tatsächlich scheint die Formel einfach falsch zu sein! Also habe ich meine eigene Formel wie folgt hergeleitet (und sie dann mit dem Smith-Diagramm verglichen).

Die Shunt-Reaktanz des Kondensators$C_{ds}$bei$3\omega_0$Ist:

$$X_{C_{ds}} = \frac{-j}{3 \omega_0 C_{ds}}$$

Die Shunt-Reaktanz synthetisiert durch$TL_2$bei$3\omega_0$Ist:

$$X_{TL_2} = j Z_0 \tan \beta l$$

Die Bedingung für Resonanz (die Parallelität beider Reaktanzen geht ins Unendliche, wird also zu einem offenen Stromkreis und hebt sich gegenseitig auf) bei$3\omega_0$Ist$X_{C_{ds}} + X_{TL_2} = 0$, So:

$$\frac{-j}{3 \omega_0 C_{ds}} + j Z_0 \tan \beta l = 0 \\ Z_0 \tan \beta l = \frac{1}{3 \omega_0 C_{ds}} \\ \beta l = \tan^{-1} \left( \frac{1}{Z_0 3 \omega_0 C_{ds}} \right)$$

Und schließlich skalieren wir die elektrische Länge wieder zurück auf$\omega_0$endet mit:

$$\theta = \frac{1}{3} \tan^{-1} \left( \frac{1}{Z_0 3 \omega_0 C_{ds}} \right)$$

Verwenden Sie daher einfach die obige Formel zum Anpassen der Länge von$TL_2$und alles sollte gut sein. Wir werden es später im Beispiel unten überprüfen.

WAS KOMMT ALS NÄCHSTES?

Sobald Sie das harmonische Verhalten abgestimmt haben$3\omega_0$Sie können Ihre Aufmerksamkeit wieder auf das Wesentliche richten. Das werden Sie feststellen, nachdem Sie sich angepasst haben$TL_2$Und$TL_3$bei$3\omega_0$kann die am Transistorausgang gesehene Impedanz sehr unterschiedlich sein$R_L$und könnte eine Anpassung erfordern.

Dies kann jedoch leicht korrigiert werden, indem ein grundlegendes Lastanpassungsnetzwerk zwischen der rechten Seite von verwendet wird$TL_2$und die Ladung. Und das Beste: Wir können dieses neue Anpassungsnetzwerk anpassen, ohne das harmonische Verhalten an beiden zu verstimmen$2\omega_0$oder$3\omega_0$. Warum? Weil$TL_2$kurzgeschlossen ist$2\omega_0$, wodurch der Teil der Schaltung, der sich rechts davon befindet, effektiv "isoliert" wird. Und das gleiche passiert mit$TL_3$bei$3\omega_0$.

So können wir grundlegende Anpassungen vornehmen, die unseren Anforderungen besser entsprechen. Siehe mein Beispiel unten, für das ich eine einfache Leitung + Stich verwendet habe, damit die Impedanz vom Transistorausgang gesehen wird$R_L=50\Omega$nochmal. Sie können es an alles anpassen, was Sie brauchen.

BEISPIEL

Wir beginnen damit, das zu beobachten$C_{ds}$verstimmt ja das Lastnetz an$3\omega_0$:

Und es verschlechtert auch die Anpassung an$\omega_0$, ziehen um$Z_{in}$weg von seinem Gewünschten$38 \Omega$Wert:

Das erste, was zu tun ist, ist die elektrische Länge einzustellen$\theta$von$TL_2$um den Leerlauf zu bekommen$3\omega_0$zurück.

Wir verwenden die richtige Formel (nicht die aus dem vom OP verlinkten Artikel) und stellen fest, dass wir sie brauchen$\theta=5.43º$. Diese elektrische Länge erreicht den offenen Stromkreis$3\omega_0$zurück!

Jedoch,$\theta=5.43º$ist viel zu kurz, also fügen wir zusätzliche 60º hinzu (entspricht einem halben Wellenlängenabschnitt bei$3\omega_0$, eine volle Umdrehung des Smith-Diagramms) und bleiben Sie einfach dabei$\theta=65.43º$:

Dies ändert sich aber auch passend bei$\omega_0$, nichts tun, um die bereits verursachte Mismatching-Situation zu verbessern$C_{ds}$:

Als nächstes müssen Sie also ein grundlegendes Matching-Netzwerk hinzufügen. Eine einfache Linie + Stub reicht aus, um dorthin zurückzukehren$Z_{in} \approx 38 \Omega$:

Als letztes ist zu prüfen, ob der offene Stromkreis bei$3\omega_0$wurde von unserem fundamentalen Matching-Netzwerk nicht beeinflusst:

Das harmonische Verhalten bleibt also tatsächlich unbeeinflusst! Mission erfüllt.

ANMERKUNGEN UNTEN

NB 1: Ich bin kein Class-F-Experte.

NB 2: Da scheint Ihr Hauptanliegen der Verstimmungswirkung geschuldet zu sein$C_{ds}$, ich untersuche nicht die Wirkung der Leitungsinduktivität des Transistorgehäuses,$L_{out}$.

NB 2: Um die Dinge komplizierter zu machen, seien Sie sich dessen bewusst$C_{ds}$verhält sich oft wie ein nichtlinearer Kondensator (was an sich keine schlechte Sache zu sein scheint, wenn Sie die Class-F-Literatur lesen: ganz im Gegenteil).

Quellen:

Eine vereinfachte Breitband-Designmethodik für linearisierte hocheffiziente kontinuierliche Leistungsverstärker der Klasse F.

Verhalten von Klasse-F und Klasse-F$^{-1}$Verstärker .