Розвиток методів аналізу і принципів побудови активних пристроїв з високим коефіцієнтом корисної дії

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.375

05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК МЕТОДІВ АНАЛІЗУ І ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ АКТИВНИХ ПРИСТРОЇВ З ВИСОКИМ КОЕФІЦІЄНТОМ КОРИСНОЇ ДІЇ

Крижановський Володимир Григорович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сундучков Костянтин Станіславович, Інститут телекомунікаційних систем НТУУ «КПІ», професор кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж;

доктор технічних наук, професор Карпуков Леонід Матвійович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри захисту інформації;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Попенко Ніна Олексіївна, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова НАН України, провідний науковий співробітник відділу радіоспектроскопії.

Захист відбудеться 7 квітня 2010 року о 13-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

С дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий « 5 » березня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Наразі перед людством стоять декілька першорядних проблем, серед яких - проблема енергозбереження і проблема побудови глобального інформаційного суспільства. У ці проблеми складовою частиною входить проблема підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) радіотехнічних систем, які застосовуються в системах передачі інформації, радіолокації, установках технологічного застосування та силовій електроніці. Головним споживачем енергії у сучасних радіотехнічних системах є підсилювачі потужності високочастотного та мікрохвильового діапазонів, на які припадає більша частина потужності, що розсіюється. Використання активних пристроїв (підсилювачів та автогенераторів) з високим ККД сприяє підвищенню тактико-технічних характеристик телекомунікаційних та інших радіотехнічних систем, це стимулює розвиток теорії таких пристроїв.

За принципом побудови активні пристрої з високим ККД відрізняються від звичайних підсилювачів та автогенераторів, їх реалізація потребує досконалих активних приладів (транзисторів) та розвиненої теорії побудови узгоджувальних пристроїв, це і затримало розвиток цієї галузі науки, у мікрохвильовому діапазоні ці задачі не розв'язані до тепер.

Світові тенденції розвитку даної галузі науки та техніки наступні: вивчення принципів підвищення ККД перетворення енергії джерел живлення постійного струму в енергію змінного струму, зокрема у мікрохвильовому діапазоні; розробка нових конструкцій підсилювачів та автогенераторів та методів їх розрахунку і проектування; використання нових активних приборів (транзисторів), наприклад на основі напівпровідників з широкою забороненою зоною; просування методів підвищення ККД в галузь інтегральної схемотехніки; впровадження пристроїв з високим ККД в суміжні області застосування.

Ці проблеми важливі для України, оскільки їх рішення дозволяє поліпшити характеристики радіотехнічної апаратури і систем, де вона застосовується, виготовляти конкурентоспроможну апаратуру і економити енергоресурси.

Серед широкого кола задач дослідження процесів у активних пристроях мікрохвильового діапазону доцільно визначити ті, які відносяться до фізики процесів, пов'язаних зі зниженням потужності, що розсіюється, забезпеченням їх енергетичних та інформаційних властивостей. В цьому плані важливу роль відіграють узгоджувальні ланки, які складають невід'ємну частину мікрохвильових активних пристроїв.

У мікрохвильових підсилювачах та автогенераторах використовуються біполярні та польові транзистори різних конструкцій, виконані з різних матеріалів, і всі вони працюють у різних класах підсилення, що ставить проблему теоретичного узагальнення всього різноманіття явищ для складання рекомендацій по отриманню оптимальних конструкцій мікрохвильових активних пристроїв.

Створення мікрохвильових пристроїв з високим ККД стримує недостатній розвиток методів аналізу та принципів побудови підсилювачів та автогенераторів, це протиріччя є суттю однієї з актуальних проблем сучасної мікрохвильової техніки, яка полягає в необхідності удосконалення відомих та розробки нових методів проектування перспективного класу пристроїв - підсилювачів та автогенераторів класів Е, F та їх модифікацій.

Таким чином, є актуальною тема дисертаційних досліджень, що направлені на розвиток теорії режимів класів Е, F та інших, удосконалення їх принципів функціонування, розробки нових конструкцій активних пристроїв з високим ККД.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота зв'язана з НДР, що виконувались в рамках пріоритетних напрямків науково-технічної роботи Міністерства освіти і науки України: «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі», зокрема: «Дослідження фізичних процесів та розробка нових конструкцій підсилювачів надзвичайно високих частот з підвищеним коефіцієнтом корисної дії», № 0101U005379 (2001-2003 рр.); «Моделювання фізичних процесів і розробка нових конструкцій високоефективних підсилювачів надзвичайно високих частот», № 0104U002160, (2004-2006 рр.); «Моделювання і розробка нових конструкцій перетворювачів енергії та високоефективних підсилювачів надзвичайно високих частот», № 0107U001453 (2007-2008 рр.) (здобувач - науковий керівник); держбюджетна тема за рахунок часу викладачів «Дослідження та розробка радіофізичних та оптоелектронних пристроїв з покращеними функціональними характеристиками» № 0103U004438 (2003-2008 рр.) (здобувач - виконавець).

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є розвиток і удосконалення теорії перетворення енергії в підсилювачах і автогенераторах з високим ККД мікрохвильового діапазону і їх узгоджувальних ланок.

Об'єктом дослідження є коливання, хвилі, нелінійні ефекти в активних пристроях високочастотного і мікрохвильового діапазонів, які орієнтовані на отримання високого ККД.

Предметом дослідження є моделі, принципи функціонування підсилювачів потужності та автогенераторів з високим ККД, процеси перетворення енергії у них, конструкції підсилювачів та автогенераторів і їх узгоджувальних пристроїв, а також пристроїв на їх основі.

Основні задачі дослідження:

1. Узагальнення теорії отримання максимального ККД підсилювачів потужності для різних класів роботи активних приладів з урахуванням нелінійних властивостей біполярних та польових транзисторів, різних режимів управління ними і різних структур вхідних і вихідних узгоджувальних ланок.

2. Розробка принципів побудови активних пристроїв з високим ККД і їх вузлів (нові принципи роботи активних елементів, організація управління активними елементами, нові структури узгоджувальних ланок).

3. Побудова нових моделей активних пристроїв, активних і пасивних елементів на основі загальних підходів електродинаміки і електроніки. Розробка програмних засобів проектування активних пристроїв та їх складових частин з достатньою для практичних цілей точністю та швидкістю.

4. Визначення характеристик пасивних мікрохвильових структур на комбінаціях ліній передачі, які застосовуються у активних пристроях, методами строгого моделювання електродинамічних процесів. Розробка алгоритмів моделювання, їх перевірка та інтерпретація результатів для ряду пристроїв, оптимізація параметрів пристроїв.

5. Розробка нових конструкцій активних пристроїв з високим ККД на базі побудованої теорії і принципів реалізації механізмів підвищення ККД.

6. Розробка експериментальних зразків підсилювачів та автогенераторів з високим ККД і пристроїв на їх основі. Проведення експериментів з метою з'ясування достовірності основних засад розробленої теорії і принципів, збір даних про властивості активних пристроїв та їх вузлів. підсилювач автогенератор вузол пристрій

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися: математичний апарат електродинаміки, загальної теорії електричних кіл та теорії підсилювачів, які виконані на зосереджених елементах та лініях з розподіленими параметрами, теорії НВЧ пристроїв, а також методи чисельного аналізу та експериментального дослідження характеристик макетів пристроїв.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що на основі використання теорії транзисторних підсилювачів і електродинамічного розгляду мікрохвильових пристроїв обґрунтована і розвинена теорія перспективного класу активних пристроїв - активних пристроїв (підсилювачів та автогенераторів високочастотного та мікрохвильового діапазонів) з високим коефіцієнтом корисної дії. Вона представляє собою сукупність розробленої системи методів і принципів, які застосовуються при моделюванні та проектуванні активних пристроїв та їх складових частин, їх моделей, методів аналітичного і чисельного рішення задач аналізу і даних про виявлені характерні властивості і особливості перетворення енергії у активних пристроях з високим ККД. А саме:

1) сформульовано принципи побудови пристроїв з високим ККД (підсилювачів та автогенераторів) високочастотного та мікрохвильового діапазонів, в яких сформульовано умови на склад та фазові співвідношення між вищими гармоніками струму і напруги на активному елементі (еквівалентному генераторі) активного пристрою, що дозволяє побудувати класифікацію підсилювачів потужності; для фізичних процесів перетворення енергії у активних пристроях з високим ККД показано, що генерація і перетворення вищих гармонік є необхідною умовою отримання ККД, що прагне до 100%, оскільки при цьому виконуються умови мінімізації розсіяння енергії у активному елементі;

2) вперше запропоновано і розвинено теорію побудови підсилювачів класу F з управлінням сигналом складного спектрального складу, що з урахуванням нелінійних властивостей польового транзистору з бар'єром Шотткі дозволяє отримати режим максимально плоских форм, якому притаманні максимальний ККД і максимальна вихідна потужність;

3) вперше доведено, що на біполярних транзисторах з урахуванням їх інерційних властивостей умови реалізації режиму класу F зсуваються в сторону менших кутів відсічення, при цьому забезпечується протифазність першої і третьої гармонік;

4) встановлені нові закономірності роботи підсилювачів з високим ККД НВЧ діапазону на біполярних транзисторах, нові вимоги до узгоджувальних ланок, що дозволило вперше ввести новий клас роботи підсилювачів з високим ККД - клас N, який характеризується іншим механізмом зниження розсіяння потужності в нелінійній системі з втратами;

5) вперше розширена теорія підсилювачів класу Е з використанням моделі ключа з втратами, що враховує послідовні опори стоку та витоку транзистора, і визначає нові умови на реалізацію режиму перемикання при нульовій напрузі (усунення комутаційних втрат), ця задача є актуальною для транзисторів на основі напівпровідників з широкою забороненою зоною;

6) розширена теорія побудови автогенераторів класу Е ВЧ і НВЧ діапазонів, побудовано повністю аналітичну теорію ВЧ автогенератора класу Е, обраховано НВЧ автогенератор класу Е з використанням зв'язаних ліній, вперше отримані співвідношення для смуги захоплення частоти при синхронізації автогенератора класу Е. Запропоновано методику побудови кільцевих автогенераторів класу Е високочастотного і мікрохвильового діапазонів;

7) запропоновано новий підхід до побудови вихідних узгоджувальних структур на основі вивчення процесів перетворення енергії у активних пристроях та розповсюдження електромагнітних хвиль у періодичних структурах. Його засновано на ідеї створення у вихідній структурі, що фільтрує, на основі ESB (electromagnetic stop band - що загороджують у смузі частот) не тільки потрібної амплітудно-частотної залежності коефіцієнту відбиття від частоти, але і такої залежності фази коефіцієнту відбиття від частоти, яка потрібна для роботи підсилювача з високим ККД;

8) запропоновано новий підхід до побудови підсилювачів класу Е з розширеною смугою частот, який базується на ідеї створення такої форми годографу імпедансу, що навантажує транзистор, щоб у смузі частот більш ніж один раз реалізовувалися умови класу Е, побудовано теорію обрахунку елементів вихідної узгоджувальної ланки підсилювача для реалізації режиму з розширеною смугою частот;

9) запропоновано і обґрунтовано метод конформних перетворень для аналізу напівпровідникових структур на прикладі біполярного транзистору з застосуванням методу макрочастинок, перетворення здійснюється від прямокутної до циліндричної структури. Удосконалено метод швидкого розрахунку сил просторового заряду;

10) на основі точної теорії електродинамічних структур на комбінаціях ліній передачі розроблено алгоритми та програми розрахунку пасивних структур для мікрохвильових пристроїв, які дозволяють з потрібною точністю розраховувати амплітудно-частотні та фазові характеристики таких пристроїв. Наприклад, вперше побудовано алгоритм розрахунків зв'язаних щілинних резонаторів у мікрострічковій лінії на основі методу поперечного резонансу. Це суттєво спрощує створення активних пристроїв з високим ККД внаслідок скорочення часу на розрахунок електродинамічних задач.

Практичне значення результатів роботи полягає у наступному:

1. Розроблена сукупність алгоритмів, програм, методів аналізу і розрахунку високочастотних і мікрохвильових пристроїв з поліпшеними енергетичними і інформаційними характеристиками дозволяє проводити аналіз пасивних та активних пристроїв з високим ККД - підсилювачів, автогенераторів, ланок, що узгоджують та фільтрують.

2. Розроблено ряд нових конструкцій активних пристроїв з високим ККД (підсилювачі класів Е та F, автогенератори класу Е, кільцеві автогенератори класу Е), які мають переваги перед аналогами (вищій ККД у ряді застосувань, ширша смуга частот, розширені функціональні можливості).

3. Отримані нові знання про якості та характеристики підсилювачів та автогенераторів з високим ККД:

- вперше отримано порівнювальні дані про вплив взаємодії на гармоніках вхідного сигналу на параметри активних пристроїв з високим ККД;

- показана можливість створення активних пристроїв з високим ККД високочастотного і мікрохвильового діапазонів і застосування принципів підвищення ККД за рахунок мінімізації комутаційних втрат у пристроях зі збільшеною смугою частот, що підсилюються.

4. За участю автора виконано ряд держбюджетних НДР і їх результати впроваджено в учбовий процес у Донецькому національному університеті, в ДП НДІ комплексної автоматизації (м. Донецьк) і в ВАТ СКБ РТП (м. Донецьк). Практичне застосування результатів дисертації підтверджено актами про впровадження.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, були апробовані на 29 конференціях: 6-й Крымской микроволновой конференции, 16-19 сент. 1996; 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18 и 19-й международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» г. Севастополь, 1998 - 2009; XIII International Conference of Microwaves, Radar and Wireless Communication. Poland, Wroclaw, May 22-24, 2000; IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. June 11-16, 2000 Hynes Convention Center, Boston, Mass; GAAS 2001 Proceedings Published by microwave engineering Europe, CMP Europe Ltd, London UK; IEEE International Symposium on Circuits and Systems, vol. 5, Phoenix, AZ, May 2002; «2002 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» MMET*02.; XV International Conference of Microwaves, Radar and Wireless Communication. Poland, Warszawa, May 17-21, 2004; Міжнародна наукова конференція «Каразінські природознавчі студії», 14-16 червня 2004 р., Харків; MSMW”2004. The Fifth International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves», Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2004; 10 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory MMET*04; 2-й Международный радиоэлектронный форум: «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» Сб. научных трудов. Т. V. Международная конференция «СВЧ-техника и оптоэлектроника».-Харьков. АНПРЭ, ХНУРЭ, 2005; Форум «Всемирный год физики в Московском университете 15-17 сент. 2005» Конф. молодых ученых. Сб. материалов: МГУ, 2005; 11 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory" MMET*06, June 26-29, 2006. Kharkiv, Ukraine, 2006; IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol. x, pp. 2273-2276, Kos, Greece, May 2006; XVII International Conference of Microwaves, Radar and Wireless Communication. Poland, Wroclaw, May, 2008; «12 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» 2008; 4th Int. Conf. on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 15-19 September, 2008, Sevastopol, Ukraine, Kharkiv, KNU; І міжн. наукова конф. «Электронная компонентная база, состояние и перспективы развития» в рамках 3 Межд. научного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» 30 сентября-3 октября 2008. Харьков-Судак, 2008. АН ПРЭ, ХНУРЭ, 2008.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 73 наукових працях, з них: дві монографії, 34 наукові статті, опублікованих автором в закордонних і вітчизняних виданнях, зокрема 23 - у фахових виданнях, що включені у список ВАК України, 7 авторських свідоцтв та патентів, 30 доповідей у матеріалах міжнародних конференцій.

Особистий внесок. У спільних роботах [3, 11, 12, 15, 16, 26-28, 31-33, 37-43, 44, 45, 51, 57, 60, 62, 66, 67, 69] автору належить ідея, провідна участь в розробці моделей і проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, написання статей та заявок. У роботах [4, 7-10, 17, 21, 25, 28, 30, 36, 46-50, 52-55, 61, 63-65, 68, 70-73] автору належить постановка задачі, вибір напрямку досліджень, участь у проведенні досліджень, в обговоренні результатів і написанні робіт. У роботах [2, 13, 14, 18, 19, 20, 24, 35, 58, 59] автору належить постановка задачі, участь в обговоренні і формулюванні фізичних результатів, участь в експериментальних дослідження. У роботах [22, 23, 56] - постановка задачі, участь у складанні алгоритмів та проведенні розрахунків, обговоренні результатів, написанні робіт. У роботах [5, 6, 8, 9] - постановка задачі, керівництво роботою, наукова оцінка отриманих результатів і рекомендації до їх практичного використання, участь в написанні робіт.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, восьми розділів, списку використаних джерел і містить 306 сторінок, з яких 6 сторінок зайняті рисунками і таблицями, 228 рисунків, 16 таблиць. Список використаних джерел містить 393 найменування на 40 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено основні наукові результати і їх практичну значущість, містяться інші необхідні характеристики дисертаційної роботи.

У першому розділі зроблено огляд робіт по проблемі підвищення ККД підсилювачів та автогенераторів ВЧ та мікрохвильового діапазонів, проведена класифікація підсилювачів потужності (ПП), визначені актуальні напрямки досліджень по даній темі.

Незважаючи на широкий фронт досліджень у галузі високоефективних підсилювачів, є коло питань, по яким немає достатньої ясності, як у теоретичній, так і практичній площині. До цих питань належить проблема побудови оптимальних вузлів узгоджувальних підсилювачів з урахуванням втрат в пасивних елементах при наявності складного гармонічного складу вихідного сигналу, бо ці втрати можуть бути основним фактором, що обмежує ККД. Вельми важливим є питання про процеси у реальних активних приборах (транзисторах), оскільки приближення ідеального ключа не адекватно описує роботу на достатньо високих частотах. Теоретичного вивчення потребують питання застосування високоефективних класів Е, F, їх різновидів і комбінацій при підсиленні сигналів зі складним спектром, визначення рівня перекручень амплітуди і фази сигналу, який підсилюється. Недостатньо вивчені автогенератори з високим ККД ВЧ і НВЧ діапазонів, які можуть знайти застосування у телекомунікаційних системах та установках, що забезпечують високий ККД перетворення енергії. У мікрохвильовому діапазоні актуальними залишаються питання складання потужностей у випадку високоефективних підсилювачів та використання цих підсилювачів в інтегральному виконанні.

Завдяки роботам широкого кола вчених та інженерів були розвинуті теорія і практика побудови активних пристроїв з високим ККД, знайдені умови існування та введені поняття про нові режими роботи підсилювачів, у яких признаками класифікації були не тільки режим активного прибору, але і частотна характеристика узгоджувальних пристроїв. Ці етапи пов'язують з іменами А.І. Колеснікова, І.Н. Фомічова, Н.С. Фузіка, В. Тейлора, Д. Снайдера, В.Б. Козирєва, Б.Е. Попова, А.Д. Артима, В.В. Груздєва, Н. Сокала, Ф. Рааба, М. Казимірчука, Т. Мадера, А.В. Грєбєннікова. Запропонований у роботах Н. Сокала і А. Сокала новій клас - клас Е роботи підсилювачів (характеристики якого раніше були наведені у роботах В.Б. Козирєва, Б.Е. Попова, А.Д. Артима, В.В. Груздева) визначив зміну парадигми у розгляді підсилювачів та привів до інтенсифікації досліджень по даній проблемі.

З розгляду розвитку і сучасного стану проблеми підвищення ККД підсилювачів та автогенераторів ВЧ та мікрохвильового діапазонів можна зробити наступні висновки:

- практичні потреби обумовлюють необхідність створення підсилювачів з високим ККД для великої кількості радіотехнічних застосувань на різні діапазони частот і для широкого діапазону потужностей. Наприклад у Європі діє програма TARGET - Top Amplifier Research Grope in a European Team, метою якої є розробка нових і удосконалення існуючих мікрохвильових підсилювачів і проведення досліджень у галузі техніки НВЧ - ключового елементу для широкосмугового доступу у мобільному інформаційному суспільстві і отримання світового лідерства у цьому напрямку;

- до напрямків дослідження, що викликають зацікавленість, можна віднести вивчення впливу паразитних елементів транзисторів та узгоджувальних ланок на характеристики процесу перетворення енергії у активних пристроях з високим ККД, розробку нових принципів побудови та нових конструкцій підсилювачів та автогенераторів ВЧ і мікрохвильового діапазонів, застосування нових типів ліній передачі і пристроїв на їх комбінаціях для побудови високоефективних підсилювачів та автогенераторів.

Підвищення ККД активних пристроїв відбувається за рахунок зниження розсіювання енергії у активному приладі (транзисторі), це створюється шляхом управління процесом перетворення енергії в частотній або в часовій областях -метод маніпулювання гармоніками сигналу і метод побудови необхідних форм струму і напруги активного приладу відповідно.

В напрямку класифікації підсилювачів запропоновано виділити два типа підсилювачів - підсилювачі зосереджені (канонічні) та підсилювачі просторово-розвинені, які містять декілька підсилювальних вузлів (генераторів), сумісна робота яких забезпечує необхідні характеристики підсилювача.

Другий розділ присвячено узагальненню теорії отримання 100% коефіцієнта корисної дії. На основі закону збереження енергії і застосуванні спектрального підходу для кола без втрат сформульовано умови на амплітуди та фази вищих гармонік сигналу, при виконанні яких реалізуються ті чи інші класи підсилення та отримується характерне значення ККД. Якщо і - амплітуди гармонік напруги і струму активного прибору, а і - їх фази, то максимальна потужність у системі без втрат може бути досягнута при умові, що . Це співвідношення виконується у чотирьох випадках: 1) всі і ; 2) не всі , але всі ; 3) або , або ; 4) . Перший випадок відповідає лінійному режиму класу А, другий - роботі у класах АВ, В або С; третій - роботі у режимі класу F, і четвертий - роботі у режимі класу Е, два останні випадки мають 100% ККД у ідеальних режимах. Можливі випадки, коли на одних гармоніках виконуються умови 3), а на других - умови 4). Це відкриває можливості для побудови пристроїв гібридних класів.

На підставі умови отримання максимальної потужності у нелінійній системі (рівність провідності навантаження та диференційної вихідної провідності генератору) встановлено зв'язок між описом нелінійного генератору у часовій та частотній областях. Цей результат доводить, що внаслідок нелінійності генератора можливо отримання ненульової потужності при 100% ККД. Послідовно, виходячи зі співвідношень Менлі-Роу та Пантелла, представлено вивід співвідношення для потужностей гармонік , де - потужність на -й гармоніці, раніше це співвідношення було отримано іншим шляхом у роботі А. Теледжі, Б. Молнара і Н. Сокала, і воно визначає умови отримання 100% ККД у підсилювачі з гладкими формами струму та напруги. На підставі даного розгляду запропоновано визначення цих режимів як поліреактивні підсилювачі, що підкреслює відсутність розсіювання енергії на частотах гармонік в підсилювачі з 100% ККД.

Також запропоновано графічне представлення класифікації підсилювачів з високим ККД, засноване на відображенні числа гармонік струму та напруги, на яких застосоване управління (на яких реалізовані умови реактивності навантаження, включаючи умови короткого замикання та холостого ходу).

У третьому розділі вирішується задача розробки теорії підсилювачів класу Е на різних типах транзисторів - метал-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор (МОН ПТ) на кремнії і польовий транзистор з бар'єром Шотткі (ПТШ) на арсеніді галію, карбіді кремнію та нітриді галію. Як типовий підсилювач цього класу розглядається ВЧ підсилювач класу Е на потужному МОН ПТ. На його прикладі записуються співвідношення для розрахунку ідеалізованого класу Е.

Далі на прикладі НВЧ підсилювача на GaAs ПТШ CLY5 на частоту 800 МГц пропонується метод побудови і розрахунку вихідної узгоджувальної ланки, яка забезпечує при використанні відрізків ліній передачі потрібні імпеданси на частотах трьох гармонік вхідної частоти. Цей підсилювач було розраховано при використанні мікрострічкових ліній, промодельовано, та виготовлено макет, який без підстроювання елементів продемонстрував добру відповідність теоретичним результатам. На рис. 1 показані залежності вихідної потужності та ККД від частоти для розробленого підсилювача. Форми залежностей співпадають з формами класичних підсилювачів класу Е, що свідчить про реалізацію у дослідженому підсилювачі режиму класу Е.

Також було розроблено мікрохвильовий підсилювач класу Е на першому в світі серійному транзисторі з карбіду кремнію - ПТШ CRF24010. Але його ККД по доданій потужності внаслідок великого опору транзистора у відкритому стані був доволі малий - 46-50%. Внаслідок запропонованого метода розширення смуги частот, на яких підсилюються коливання (розділ 7), було отримано вихідну потужність 2,5-3 Вт у смузі 800-1070 МГц при напрузі живлення 15 В. Було удосконалено теорію підсилювача класу Е з ненульовим опором у відкритому стані. Урахування опорів стоку і витоку, послідовно ввімкнених у опір у відкритому стані, дозволило отримати відкоректовані значення параметрів підсилювачу класу Е, та області реалізації класу Е. На рис. 2 зображені зміни ємкості, що шунтує, для класу Е, суцільна лінія - відомий метод (Алінікула), параметр об'єднує вихідну потужність , напругу живлення та опір у відкритому стані; , де - сума опорів стоку та витоку. Був розроблений підсилювач класу Е на SiC транзисторі CRF24010 по удосконаленій методиці, який продемонстрував експериментальний ККД по доданій потужності біля 65 %.

Для ПП класу Е на GaN транзисторі проведено верифікацію моделі Ангелова для цього транзистору (NPTB00025). Експериментальне дослідження розробленого підсилювача довело достовірність зроблених припущень та розрахунку підсилювача, на частоті 500 МГц було отримано потужність 11 Вт при ККД 72 %. На рис. 3 наведена амплітудно-частотна характеристика цього підсилювача.



Рис. 1. Амплітудно-частотні характеристики підсилювача на ПТШ CLY5

Рис. 2. Залежність потрібної ємкості, що шунтує, від параметру

Також у третьому розділі для накоплення даних про ПП класу Е та перевірки положень теорії наводяться результати дослідження рівня гармонік на виході підсилювача класу Е і характеристики амплітудно-фазової конверсії у підсилювачі на ПТШ CLY5. Проведено розрахунок підсилювача класу Е на отримання максимального значення коефіцієнта використання транзистору (енергетичної продуктивності). Частота, де очікується його максимальне значення, розраховується за співвідношенням . На рис. 4 зображено макет підсилювача на ПТШ CLY5 на частоту 1035 МГц, в якому для транзистора отримано більше значення цього показника, ніж на 800 МГц.

Рис. 3. Залежність ККД від частоти для підсилювача на GaN ПТШ

Рис. 4. Підсилювач класу Е на частоту 1035 МГц

Четвертий розділ присвячено вирішенню задачі удосконалення полігармонічного режиму роботи ПП (клас F та споріднені класи). Розглядаються підсилювачі на біполярних та польових транзисторах з різною кількістю гармонік, якими управляють, - від маніпулювання тільки другою гармонікою, до врахування п'яти вищих гармонік. Описуються експериментальні дослідження, результати яких одними з перших у мікрохвильовому діапазоні засвідчили вплив амплітуди і фази коефіцієнта відбиття на ККД транзисторного підсилювача та на зниження коефіцієнту інтермодуляційних перекручень.

На підставі аналізу фізичних процесів в біполярних транзисторах при їх роботі у полігармонічному режимі доведена значна роль струмів заряду/розряду внутрішніх ємкостей (бар'єрних та дифузійних) транзистору у процесі перетворення енергії. Знайдено, що при визначених співвідношеннях параметрів вихідних ланок втрати у транзисторі можуть бути значно зменшені. Запропоновано назвати такий режим роботи класом N.

При аналізі підсилювача класу F на біполярному транзисторі по апроксимованій зарядовій моделі з'ясовано, що забезпечення протифазного існування першої і третьої гармонік у транзисторі, який працює поблизу критичної частоти у класі F, можливо досягти і при куті відсічки, що менше 90 градусів. Це приводить до зміни потрібного імпедансу вихідної узгоджувальної ланки на частоті третьої гармоніки вхідного сигналу , , де - навантажувальний опір на частоті основного сигналу, і - струм і фаза на - гармоніці. Видно, що потрібний імпеданс відрізняється від класичної умови холостого ходу. Цей результат підтверджено експериментально.

Запропоновано новій спосіб формування режиму максимально плоских форм (клас F) у підсилювачі на ПТШ шляхом подачі спеціальних форм вхідного сигналу на заслін транзистора. Отримані на підставі розрахунку з моделлю ПТШ форми струму і напруги стоку практично відповідають ідеальним формам класу F, що забезпечує максимальний ККД. На рис. 5 показані результати моделювання з використанням фізичної моделі ПТШ при однаковій структурі підсилювача, але з різними вхідними сигналами. Цей результат свідчить, що одних характеристик вихідної узгоджувальної ланки може бути замало для забезпечення режиму класу F у випадку нелінійного активного прибору.

Рис. 5. Форми струму і напруги стоку ПТШ при синусоїдальному збуджені (а) і при подачі сигналу спеціальної форми, збагаченого гармоніками (б

У п'ятому розділі вирішуються задачі розробки і дослідження характеристик автогенераторів ВЧ і НВЧ класу Е. Розроблена процедура цілковито аналітичного розрахунку автогенератору ВЧ. Запропоновано конструкцію НВЧ автогенератора класу Е, проведено його розрахунок, моделювання та експериментальне дослідження. Вихідна узгоджувальна ланка підсилювача класу Е, що входить у склад автогенератору, була побудована таким чином, щоб при її регулюванні зберігався кут навантажувального імпедансу, це дозволяло настроювати автогенератор на умови класу Е без порушення балансу фаз. Зсув фази на транзисторі моделювався як зсув на ідеальному перемикачі в режимі класу Е, до якого додається зсув на паразитних ланках транзистору. Експеримент підтвердив можливість використання такого наближення. Розробка цього автогенератору підтвердила теоретичні положення підсилювачів класу Е на ПТШ і вірність моделей транзистора та пасивних кіл, які входять у автогенератор. Експериментальні результати добре співпадають з теоретичними. Генератор на ПТШ CLY5 має вихідну потужність від 200 до 580 мВт, і ККД від 50 до 68% при генеруванні на частотах 780-920 МГц. Це лише трохи нижче, ніж ККД підсилювачів на цьому транзисторі, який має відносно високий опір у відкритому стані. Мінімальний відносний рівень другої гармоніки у вихідному сигналі спостерігається на частоті генерації 790 МГц, що відповідає частоті, на яку розроблявся автогенератор - 800 МГц.

Запропоновано, розроблено та експериментально досліджено просторово-розвинену конструкцію автогенераторів з високим ККД - кільцевих автогенераторів класу Е. Вони містять два підсилювача класу Е, кожний зі своїм навантаженням, які об'єднані у спільне кільце зворотного зв'язку. Такі автогенератори можуть слугувати джерелом мікрохвильової потужності з фіксованим зсувом фаз на виходах. Залежно від схеми, зсув фаз може бути або нуль, або 180є. Розроблено та досліджено кільцеві автогенератори ВЧ на МОН ПТ та НВЧ на ПТШ. НВЧ генератор мав вихідну потужність 600 мВт на кожному виході при ККД 72% та напрузі живлення 6 В. На рис. 6 наведено макет кільцевого автогенератора НВЧ.

Рис. 6. Схема і макет кільцевого мікрохвильового автогенератору

Вперше вивчено синхронізацію автогенераторів класу Е, її використання дозволяє поліпшити характеристики вихідного сигналу. Аналітично отримано оцінку смуги захвату частоти в залежності від амплітуди сигналу, що синхронізує. З метою вивчення можливості практичного застосування розглянутих явищ були вивчені особливості синхронізації автогенератору класу Е частотно-модульованим сигналом FSK, в якому кодування інформації здійснюється зміною дискретних значень частоти. Проведено моделювання процесів у автогенераторі класу Е при синхронізації сигналом FSK, отримано енергетичні та спектральні характеристики автогенератора. Для компенсації паразитної амплітудної модуляції, що виникає при зміні частоти, запропоновано здійснювати одночасну амплітудну стокову модуляцію. Експериментальні результати добре співпадають з теоретичними.

Шостий розділ присвячено вирішенню задач моделювання та розробки пристроїв на комбінаціях різних типів ліній передачі, які слугують для узгодження і фільтрації гармонік при роботі у якості вихідних узгоджувальних ланок підсилювачів з високим ККД. Також ці структури на основі стрічкових, щілинних та хвилеводно-щілинних ліній можуть бути використані у інших пристроях мікрохвильової техніки. Розрахунок структур проводився за допомогою строгих методів рішення електродинамічних задач, для чого розроблено алгоритми моделювання. Також проведена експериментальна перевірка результатів аналізу розроблених пристроїв.

Запропоновано нову конструкцію перетворювача імпедансів, який забезпечує незалежне регулювання вхідного імпедансу на першій та другій гармоніках сигналу. Новим є виконання трансформатору на зв'язаних лініях передачі на основі лінії з високою добротністю з зсувом верхньої та нижньої металізації одна відносно іншої. Такий пристрій використовується при дослідженні підсилювачів з настройкою по другій гармоніці (розділ 4).

Проведено розрахунок електродинамічних структур, які можуть виступати у якості узгоджувальних ланок для підсилювачів з високим ККД. Вони забезпечують фільтрацію вищих гармонік сигналу на виході підсилювача та створення потрібної фази коефіцієнта відбиття. Ці структури побудовані на базі комбінації мікрострічкової та щілинної ліній передачі. Використано метод поперечного резонансу, який виявився найбільш придатним для розрахунку планарних структур, у яких розповсюдження електромагнітних хвиль можливо у перпендикулярних напрямках. На рис. 7 зображена структура стрічково-щілинного резонатору та вказано напрямки падаючих та відбитих хвиль. Знаючи рішення крайових задач для кожної з цих ліній, можемо записати матрицю розсіювання у перерізах області їх перетину у вигляді

.

При застосуванні метода поперечного резонансу отримаємо систему лінійних алгебраїчних рівнянь

,

де , , . - сталі розповсюдження хвиль в однорідних екранованих мікрострічкових та щілинних лініях. З рівності нулю детермінанта цієї матриці, отримаємо алгебраїчне рівняння

Перша скобка - це рішення для зв'язаного типу хвиль, через який потужність передається з однієї лінії в іншу. Інші - це рішення для хвиль, що розповсюджуються по лініях. З характеристик цих хвиль знаходяться параметри пристроїв на комбінаціях ліній.

На рис. 8 представлено залежності коефіцієнта передачі однієї з структур, утвореної зв'язаними щілинними резонаторами у площині металізації мікрострічкової лінії. Видно, що результати розрахунку добре узгоджуються з експериментом.

Рис. 7. Стрічково-щілинний резонатор, на основі якого моделюються періодичні структури з щілинних резонаторів у мікрострічковій лінії

Рис. 8. Теоретичні і експериментальні амплітудно-частотні характеристики періодичної структури з чотирьох пар щілинних резонаторів у мікрострічковій лінії

Розроблена нова конструкція перемикача НВЧ на pin-діодах, яка поєднує у собі якості герметичного хвилеводно-мікрострічкового переходу та перемикача 1 на 2. Перемикач характеризується малими розмірами, втрати складають у відкритому стані 1,5 дБ, у зачиненому 20 дБ в смузі 14 %.

Строгий розрахунок спектру власних хвиль у хвилеводно-щілинній лінії з метало-діелектричною вставкою дозволив розрахувати конструкцію невідбиваючого атенюатору на pin-діодах КА513Б-1 на частоти 12-15 ГГц. На рис. 9 показані теоретичні та експериментальні значення коефіцієнта відбиття (модуль ) для атенюатору.

Для побудови підсилювачів зі взаємодією на гармоніках (режим роботи підсилювачів, схожий з режимом класу F, коли два синфазних підсилювача забезпечують один одного сигналами на гармоніках з потрібними фазовими співвідношеннями) необхідні сумуючі пристрої з потрібними частотними характеристиками. Запропоновано для реалізації таких ланок використовувати комбінації мікрострічкової та щілинної ліній. На основі методу поперечного резонансу отримано алгоритм розрахунку S-матриці чотирьохпортового з'єднання стрічкової та щілинної ліній передачі. Алгоритм побудовано на базі строгого рішення крайових задач для стрічково-щілинного резонатору з урахуванням симетрії типів коливань, що взаємодіють. У якості прикладу, на основі отриманої S-матриці вертикального з'єднання стрічкова лінія - щілина лінія побудовано пристрій з двох мікрострічкових ліній, які зв'язані скрізь щілину, яка забезпечує фільтрацію гармонік основної частоти (рис. 10).

Рис. 9. Теоретичні та експериментальні характеристики атенюатора

У сьомому розділі розглядаються питання розширення смуги робочих частот підсилювачів класу Е. Ці підсилювачі мають резонансну вихідну ланку і тому розширення смуги частот, де їх вихідна потужність і ККД зберігають постійні значення, є складним завданням. Можливість розширення смуги була знайдена при розгляді роботи підсилювача класу Е на резонансне навантаження, прикладом якого є п'єзоелектричний перетворювач.

Був розроблений підсилювач класу Е для живлення п'єзоелектричного перетворювача з наступними параметрами: робоча частота 288 кГц, ККД 82% при потужності на ньому 1,4 Вт, напрузі живлення 4 В і напрузі 25 В.



Рис. 10. Експериментальний макет суматору с щілинним резонатором (а) і його характеристики (б)

Вивчення режиму роботи такого підсилювача дозволило на його основі розробити пристрій для виміру параметрів перетворювача в режимі великого сигналу. Пристрій дозволяє по виконанню умов режиму класу Е визначати параметри еквівалентної схеми п'єзоелектричного перетворювача при різному рівні сигналу на ньому і за різних умов його роботи.

Ідея розширення смуги підсилюваних частот полягає в створенні особливої форми годографа імпедансу ланки навантаження підсилювача класу Е, при якій умови перемикання при нульовій напрузі виконуються двічі на різних частотах робочого діапазону. На рис. 11 показана форма для запропонованого пристрою. Видно, що можливо двічі виконати умову з необхідною залежністю від частоти (із зростанням частоти імпеданс повинен зменшуватися при фіксованому значенні ємкості, що шунтує).

Рис.11. Залежність від частоти оптимального навантаження для класу Е ( ), вихідної ланки традиційного класу Е () і запропонованої ланки

Розроблено метод аналітичного розрахунку параметрів вихідної ланки, що задовольняє умовам рис. 11, і експериментально досліджено ВЧ підсилювач з розширеною смугою частот. На рис. 12а показані залежності ККД і вихідної потужності підсилювача від частоти при різних значеннях параметра , який характеризує добротність вихідної ланки та дорівнює відношенню реактивного опору частини вихідної ланки на частотах, де повинні виконуватися умови класу Е. Видно, що при меншій добротності збільшується робоча смуга частот і рівномірність вихідних характеристик. На рис. 12б показані відповідні залежності годографу імпедансу вихідної узгоджувальної ланки, де меншому значенню добротності відповідає менший розмір «петлі» годографу імпедансу.

Також був розроблений НВЧ підсилювач на ПТШ з розширеною смугою частот. На рис. 13 надано вигляд макету підсилювача і його теоретичні (1) і експериментальні (2) залежності ККД і вихідної потужності від частоти. За аналогічною схемою був виконаний і підсилювач, описаний в розділі 2 (на SiC транзисторі).

Розвитком даного рішення є двочастотний підсилювач, який на нижній частоті працює в режимі класу Е, а на верхній частоті - в режимі субоптимального класу Е. Теоретично і експериментально досліджено підсилювач на частоти 4 і 6 МГц. На рис. 14 показано залежності вихідної потужності і ККД від частоти для двочастотного підсилювача.

Видно, що максимальні значення ККД отримуються на частотах, досить близьких до розрахованих. Такі підсилювачі можуть використовуватися в телекомунікаційних та технологічних застосуваннях, оскільки вони мають більший ККД, ніж широкосмугові підсилювачі, що охоплюють такий саме діапазон частот.

Восьмий розділ присвячений питанням моделювання активних елементів (транзисторів) з метою застосування цих результатів до активних пристроїв НВЧ. Найбільша кількість інформації про поведінку транзисторів може бути отримана при фізичному моделюванні процесів перенесення носіїв заряду і їх взаємодії з високочастотними полями. Такий путь вимагає значних обчислювальних ресурсів навіть для сучасного стану обчислювальної техніки, крім того, при чисельному рішенні відбувається накопичення помилок. При розрахунку характеристик транзистора з використанням найбільш інформативних моделей "крупних" часток постає завдання зменшення часу обчислення сил, що діють на носії заряду - крупні частки. Основну обчислювальну складність в методі крупних часток представляє обчислення полів, що створюються всіма крупними частками (поле просторового заряду). Узагальнена структура планарного біполярного транзистора (БТ), що використана для створення двовимірних моделей БТ, приведена на рис. 15а. В планарних БТ площа поверхні значно перевершує площу його поперечного перетину , і якщо , то структура поля в перетині буде незмінною практично по всій довжині приладу за винятком областей, що примикають до торців. Рух носіїв в таких БТ відбувається, в основному, в товщі напівпровідника в напрямі, перпендикулярному поверхні приладу, тобто в плоскості . Тому при моделюванні переміщення носіїв заряду можна перейти до моделювання їх руху в перетині під дією електричного поля, залежного лише від координат .

Перевагою структури рис. 15а є близькість топологій реального і модельованого приладу. Основний недолік - низька точність існуючих методів обчислення електричних полів в плоскій прямокутній структурі і як наслідок, координат і швидкостей часток. Крім того, при низькій точності відбувається швидке накопичення помилок, що не дозволяє досліджувати довготривалі процеси.

Позбавитися цього недоліку можна, використовуючи для моделювання структуру БТ, в якій розв'язання рівнянь поля в поперечному перетині може бути знайдене в аналітичному вигляді з кінцевим числом членів, наприклад, циліндрову структуру (рис. 15б).

У розділі 8 доведено існування конформного відображення, що переводить прямокутну структуру 15а в структуру 15б, і отримано аналітичні співвідношення для електростатичних полів в циліндровій структурі. Такі співвідношення дозволяють спростити розрахунок руху часток в моделі.

Наступне питання, яке важливе для застосування методу крупних часток, це обчислення сил, що діють на частку з боку всіх інших часток і зовнішніх сил . Якщо сила є далекодіючею (кулонівська або гравітаційна взаємодія), то кількість операцій буде пропорційна квадрату числа часток: . Для здобуття корисних результатів з обчислювального експерименту потрібно, принаймні, декілька тисяч кроків за часом. Тому метод прямого підсумовування для систем, які містять частки, що взаємодіють за допомогою далекодіючих сил, доцільний лише при .

Щоб здолати цей поріг, був розроблений цілий клас наближених швидких методів обчислення далекодіючої сили, заснованих на гібридних алгоритмах «частка-сітка». До недоліків цих алгоритмів слід віднести: вузький клас топологій модельованих приладів, низьку точність представлення полів на сітці, , де - крок просторової сітки, наявність «сіткового» шуму, пов'язаного з різким характером зміни сил під час переходу частки з одного вічка сітки в інший, а також високу складність обліку зіткнень.

У роботі вдосконалено алгоритм класичних деревовидних кодів низхідного і висхідного типів, який поєднує в собі кращі риси деревовидного коду висхідного типа і алгоритму «частка-частка - частка-сітка». Запропонований алгоритм складається з наступних етапів:

1.Формування нижнього рівня кластерної структури.

2.Формування дерева кластерів.

3.Розподіл часток по кластерах нижнього рівня.

4.Розрахунок параметрів кластерів дерева.

5.Обчислення сил.

Запропонований деревовидний алгоритм висхідного типа, не дивлячись на свою складність (820 рядків С-коду проти 50 рядків С-коду для методу прямого підсумовування), дозволяє виробити за прийнятний час аналіз поведінки таких ансамблів часток, для яких використання методу прямого підсумовування вимагає дуже великого часу розрахунку.

Порівняно з іншими методами аналогічного призначення він має наступні переваги:

1)відсутність додаткових обчислювальних витрат за наявності в ансамблі нерухомих часток поряд з рухливими;

2)проста і ефективна процедура розміщення часток по кластерах нижнього рівня з можливістю обробки зіткнень;

3)формування кластерної структури один раз на початку розрахунку;

4)відсутність проблеми звиродніння дерева кластерів при сильно неоднорідному просторовому розподілі часток.

Розроблено алгоритм для моделювання фліккер-шуму в мікрохвильовому змішувачі, виконаному на основі 0,18 мкм КМОП технології на кремнії. Моделювалися шуми, обумовлені механізмом захвату електронів в діелектрику під затвором.

На основі цієї ж технології розроблено підсилювач в інтегральному виконанні для системи надширокосмугового зв'язку. В підсилювачі використовано напрацювання, отримані при вивченні підсилювачів класу Е. На рис. 16 показана топологія кристала, яку отримано при верифікації даного підсилювача в програмі проектування інтегральних мікросхем.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

В результаті дисертаційних досліджень вирішена актуальна науково-прикладна проблема удосконалення відомих та розробки нових методів аналізу і принципів побудови активних пристроїв з високим ККД. Вирішення полягає в удосконаленні та розвиненні теорії підсилювачів класу Е, F та інших, у методах, методиках і алгоритмах розрахунку підсилювачів, автогенераторів та їх узгоджувальних ланок. В результаті вирішення проблеми отримані нові конструкції підсилювачів, автогенераторів та інших мікрохвильових пристроїв, в яких поліпшені енергетичні та інформаційні параметри. При цьому отримано наступні наукові та практичні результати:

1) сформульовано принципи побудови пристроїв з високим ККД (підсилювачів та автогенераторів) високочастотного та мікрохвильового діапазонів, в яких визначені умови на склад та фазові співвідношення між вищими гармоніками струму і напруги на активному елементі (еквівалентному генераторі) активного пристрою, що дозволяє побудувати класифікацію підсилювачів потужності; для фізичних процесів перетворення енергії у активних пристроях з високим ККД показано, що генерація і перетворення вищих гармонік є необхідною умовою отримання ККД, що прагне до 100%, оскільки при цьому виконуються умови мінімізації розсіяння енергії у активному елементі; показано, що з умови здобуття максимальної потужності, що розсіюється в навантаженні в разі нелінійного генератора, - рівність провідності навантаження і диференціальної вихідної провідності генератора, слідують такі фізичні ефекти як поліпшення узгодження генератора за умови генерації гармонік на нелінійній реактивності генератора і здобуття 100 % ККД при ненульовій вихідній потужності;

2) вперше запропоновано і розвинено теорію побудови підсилювачів класу F з управлінням сигналом складного спектрального складу, що з урахуванням нелінійних властивостей польового транзистору з бар'єром Шотткі дозволяє отримати режим максимально плоских форм, якому притаманні максимальний ККД і максимальна вихідна потужність;

3) вперше доведено, що на біполярних транзисторах з урахуванням їх інерційних властивостей умови реалізації режиму класу F зсуваються в сторону менших кутів відсічення, при цьому забезпечується протифазність першої і третьої гармонік;

4) встановлено нові закономірності роботи підсилювачів з високим ККД НВЧ діапазону на біполярних транзисторах, нові вимоги до пристроїв, що узгоджують, що дозволило вперше ввести новий клас роботи підсилювачів з високим ККД - клас N, який характеризується іншим механізмом зниження розсіяння потужності в нелінійній системі з втратами;

5) вперше розширено теорію підсилювачів класу Е з використанням моделі ключа з втратами, що враховує послідовні опори стоку та витоку транзистора і визначає нові умови на реалізацію режиму перемикання при нульовій напрузі (усунення комутаційних втрат), ця задача є актуальною для транзисторів на основі напівпровідників з широкою забороненою зоною; вперше вивчено залежності амплітудно-фазової конверсії в підсилювачах класу Е, теоретичні результати по моделі, що враховує нелінійні ємкості ПТШ, збігаються з результатами експерименту; обрано модель польових транзисторів на базі SiC і GaN для використання при розрахунках підсилювачів класу Е і на прикладі розрахованих і експериментально виготовлених підсилювачів проведена їх верифікація. Отримана потужність 500 мВт в смузі частот 800-1000 МГц при ККД більше 70 % на GaAs транзисторі, потужність 6 Вт і ККД 68% на частоті 500 МГц на транзисторі з SiC і потужності 11 Вт і ККД 72 % на GaN транзисторі на частоті 500 МГц;

...