Радіочастотний модуль цифрової шини

Реферат: Винахід належить до галузі радіо- і цифрової техніки і може бути використаний при побудові бездротових мереж передачі даних. Радіочастотний модуль цифрової шини є автогенератором зі змінним режимом роботи та за допомогою застосування резонатора на поверхневих акустичних хвилях як частотозадавального елемента дозволяє досягти покращеної стабільності робочої частоти за рахунок зменшення впливу зовнішніх чинників, а також зменшити час перемикання між режимами роботи пристрою, що дозволить збільшити швидкість передачі даних. За рахунок застосування додаткового блокувального конденсатора в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора збільшується випромінювана модулем потужність у режимі передачі, що збільшує ефективність роботи в режимі передачі. UA 114025 C2 (12) UA 114025 C2 UA 114025 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області радіо- та цифрової техніки і може бути використаний при побудові бездротових мереж передачі даних. Особливо корисним є використання радіочастотного модуля при побудові низькошвидкісної цифрової мережі, розміщення модулів якої заздалегідь невідоме, і вартість модуля має бути невисокою. Прикладом такої мережі може бути реалізація проекту "Розумного будинку". Добре відомі цифрові бездротові мережі передачі даних, такі як Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth та iн. Проте, робота з радіочастотними модулями таких мереж передбачає наявність у кожному вузлі мережі обчислювального пристрою, що має в своєму складі, в кращому разі, операційну систему. Крім того, вартість самих радіочастотних модулів відносно велика. Велика також вартість обчислювального пристрою такої мережі. Встановлювати подібний бездротовий вузол для керування, наприклад, лампочкою освітлення системи "розумний будинок" не є доцільним. Найбільш близьким до винаходу є пристрій, описаний в заявці на патент України № а201500847 від 03.02.2015. Пристрій складається з автогенератора на основі радіочастотного транзистора, низькочастотного транзистора для зміни режиму роботи пристрою, клем для введення і виведення цифрової інформації і порогового пристрою, причому режим роботи автогенератора визначається логічним рівнем на клемі введення цифрових даних. Як частотозадавальний елемент даного пристрою використовуються LC-контур, кварцовий резонатор або мікросмужкова лінія. При подачі на клему введення даних логічного нуля схема працює як надрегенеративний приймач, у цьому випадку наявність зовнішньої несучої забезпечує формування логічної одиниці на клемі виведення цифрових даних. Проте, розглянутий вище пристрій має ряд істотних недоліків. Одним з них є залежність частоти коливань від розташованих поруч об'єктів, оскільки коливальна система має сильний зв'язок з антеною. Крім того, в ланцюг бази радіочастотного транзистора включений блокувальний конденсатор, що збільшує час перемикання між режимами прийому і передачі внаслідок впливу перехідних процесів у ланцюзі з конденсатором, тим самим обмежується максимально можлива швидкість передачі даних. Вказаний вище пристрій передбачає використання трьох різних варіантів частотозадавальних ланцюгів, проте, кожен з них має певні недоліки. Традиційний коливальний контур має низьку стабільність частоти, а також вимагає наявності настроювальних елементів, отже, кожен пристрій потребуватиме індивідуального налаштування. Іншим варіантом є використання кварцового резонатора в ланцюзі зворотного зв'язку, він усуває недоліки, властиві LC-контурові, проте, виникає інша проблема: оскільки схема, зазвичай, працює в дециметровому діапазоні довжин хвиль, то потрібно буде збуджувати кварцовий резонатор на одній з вищих гармонік, що є певною складністю. З іншого боку, використання мікросмужкових ліній є вирішенням вищезгаданих проблем, проте, і тут є ряд труднощів. Характеристики мікросмужкових ліній багато в чому залежать від параметрів матеріалу, з якого виготовлена підкладка, а властивості матеріалів, як відомо, мають розкид, що також приведе до необхідності налаштування кожного пристрою. В основу винаходу було поставлено задачу створення простого, дешевого, з низьким споживанням енергії радіочастотного модуля цифрової шини, що має підвищену стабільність частоти коливань, підвищену швидкість передачі даних, простоту виготовлення, відсутність налаштування і малий вилив зовнішніх чинників на роботу пристрою. Поставлені задачі вирішуються таким чином. Радіочастотний модуль цифрової шини, що містить клему введення цифрових даних, клему виведення цифрових даних, радіочастотний транзисторний автогенератор зі змінними режимами роботи, містить радіочастотний транзистор, конденсатор зворотного зв'язку, що розв'язує дросель, блокувальний конденсатор по ланцюгу живлення, блокувальний конденсатор в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора, низькочастотний транзистор для підключення додаткового опору стабілізації струму, опір зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора, опір стабілізації струму радіочастотного транзистора, розділовий конденсатор, радіочастотну антену, клему подачі напруги живлення, пороговий пристрій, додатковий малий опір стабілізації струму радіочастотного транзистора, опір для обмеження струму бази низькочастотного транзистора, додатковий опір зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора, згідно з винаходом, зі схеми виключений блокувальний конденсатор в ланцюзі бази радіочастотного транзистора і замість нього включений резонатор на поверхневих акустичних хвилях, причому перший вивід резонатора з'єднаний з базою радіочастотного транзистора, а його другий вивід з'єднаний зі спільним, дротом, при цьому зі схеми також виключена резонансна коливальна система, що підключається між колектором радіочастотного транзистора і лінією живлення, замість неї включений дросель навантаження, перший вивід якого з'єднаний з колектором радіочастотного транзистора, а другий його вивід з'єднаний з шиною живлення, окрім цього в схему доданий конденсатор ємнісного дільника 1 UA 114025 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 напруги, що формує з конденсатором зворотного зв'язку ємнісний дільник напруги, при цьому перший вивід цього конденсатора з'єднаний з емітером радіочастотного транзистора, а його другий вивід з'єднаний зі спільним дротом, також у схему доданий додатковий блокувальний конденсатор у ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора, підключений паралельно додатковому малому опору стабілізації струму радіочастотного транзистора. Порівняння передбачуваного винаходу зі вже відомим прототипом показує його явні переваги: частота коливань, що генеруються, істотно стабільніша, за рахунок використання резонатора на поверхневих акустичних хвилях, що також мінімізує вплив зовнішніх чинників. Сказане зробить роботу пристрою загалом надійнішою і стабільнішою. При цьому швидкість передачі даних по шині з таким пристроєм зросте, оскільки перемикання між режимами роботи радіочастотного модуля відбувається швидше. Це зумовлено відсутністю блока-вального конденсатора в ланцюзі бази радіочастотного транзистора, замість якого використовується резонатор на поверхневих акустичних хвилях, що має зовсім малу еквівалентну ємність. Радіочастотний модуль цифрової шини, що заявляється, можна реалізувати за схемою, показаною на кресленні. Радіочастотний модуль цифрової шини складається з радіочастотного транзистора 1, дроселя навантаження 2, резонатора на поверхневих акустичних хвилях 3, конденсатора зворотного зв'язку 4, розділового конденсатора 5, радіочастотної антени 6, розв'язуючого дроселя 7, блокувального конденсатора 8 у ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1, опору 9 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1, опору 10 змін струму радіочастотного транзистора 1, низькочастотного транзистора 11, опору 12 включення низькочастотного транзистора 11, клеми виведення цифрових даних (прийом) 13, клеми введення цифрових даних (передача) 14, опору 15 керування зміщенням радіочастотного транзистора 1, конденсатора ємнісного дільника напруги 16, опору зміщення 17 в ланцюзі бази радіочастотного транзистора 1, блокувального конденсатора 18 по ланцюгу живлення, клеми подачі напруги живлення 19, і порогового пристрою 20 і додаткового блокувального конденсатора 21 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1. При цьому колектор радіочастотного транзистора 1 з'єднаний з першим виводом дроселя навантаження 2, першим виводом розділового конденсатора 5, першим виводом конденсатора зворотного зв'язку 4, при цьому другий вивід дроселя навантаження 2 з'єднаний з лінією живлення, з якою з'єднані також перший вивід блокувального конденсатора 18 по ланцюгу живлення, перший вивід опору 17 зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора 1 і клема подачі напруги живлення 19, при цьому другий вивід блокувального конденсатора 18 по ланцюгу живлення з'єднаний зі спільним дротом, при цьому другий вивід опору 17 зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора 1 з'єднаний з базою радіочастотного транзистора 1 і з першим виводом резонатора на поверхневих акустичних хвилях 3, а також з першим виводом опору 15 управлінь зміщенням радіочастотного транзистора 1, при цьому другий вивід розділового конденсатора 5 з'єднаний з радіочастотною антеною, при цьому другий вивід конденсатора зворотного зв'язку 4 з'єднаний з емітером радіочастотного транзистора 1, з першим виводом розв'язуючого дроселя 7 і першим виводом конденсатора ємнісного дільника напруги 16, другий вивід якого з'єднаний зі спільним дротом, при цьому другий вивід опору 15 керування зміщенням радіочастотного транзистора 1 з'єднаний з клемою введення цифрових даних (передача) 14 і з першим виводом опору 12 включення низькочастотного транзистора 11, другий вивід якого з'єднаний з базою низькочастотного транзистора 11, емітер якого з'єднаний зі спільним дротом, а колектор з'єднаний з першим виводом опору 10 змін струму радіочастотного транзистора 1 і з першим виводом додаткового блокувального конденсатора 21 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1, при цьому другий вивід опору 10 змін струму радіочастотного транзистора з'єднаний з другим виводом додаткового блокувального конденсатора 21 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 і з другим виводом розв'язуючого дроселя 7, першим виводом опору 9 стабілізації струму радіочастотного транзистора 1, першим виводом блокувального конденсатора 8 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 і входом порогового пристрою 20, вихід якого з'єднаний з клемою виведення цифрових даних (прийом) 13, при цьому другий вивід опору 9 стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 і другий вивід блокувального конденсатора 8 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 з'єднані зі спільним дротом, при цьому другий вивід резонатора на поверхневих акустичних хвилях 3 також з'єднаний зі спільним дротом. Працює радіочастотний модуль цифрової шини таким чином. При подачі на клему введення цифрових даних 14 логічного нуля (позитивної напруги низького рівня) низькочастотний транзистор 11 через опір 12 вимикається. При цьому опір 10 2 UA 114025 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 змін струму радіочастотного транзистора і додатковий блокувальний конденсатор 21 ланцюга стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 відключаються. При цьому опір 17 зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора має також досить великий номінал, а опір 15 управлінь зміщенням радіочастотного транзистора має відносно малий номінал. Таким чином, номінали опорів 9, 15 і 17 забезпечують формування малого робочого струму радіочастотного транзистора 1. Інші елементи схеми: дросель навантаження 2, конденсатор зворотного зв'язку 4 і конденсатор ємнісного дільника напруги 16, резонатор на поверхневих акустичних хвилях 3, розв'язуючий дросель 7, блокувальний конденсатор 8 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 - за вказаної умови формування малого робочого струму радіочастотного транзистора обумовлюють роботу схеми в режимі надрегенеративного прийому зовнішніх радіочастотних сигналів. Несуча зовнішнього радіочастотного сигналу уловлюється радіочастотною антеною 6 і подається через розділовий конденсатор 5 на надрегенератор. Зміна рівня несучої зовнішнього радіочастотного сигналу викликає зміну постійного струму, що протікає через радіочастотний транзистор, що викликає зміну падіння напруги на опорі 9 стабілізації струму радіочастотного транзистора. Напругу спрацьовування порогового пристрою 20 підібрано таким чином, що за відсутності несучої зовнішнього радіочастотного сигналу на виході порогового пристрою 20 формується логічний нуль. За наявності несучої зовнішнього радіочастотного сигналу і перевищенні нею деякого заданого рівня, на виході порогового пристрою 20 формується логічна одиниця. При подачі на клему введення цифрових даних 14 логічної одиниці (позитивної напруги високого рівня) низькочастотний транзистор 11 через опір 12 вмикання низькочастотного транзистора відкривається. При цьому опір 10 змін струму радіочастотного транзистора малого номіналу і додатковий блокувальний конденсатор 21 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 включаються паралельно опору 9 стабілізації струму радіочастотного транзистора 1, при цьому робочий струм радіочастотного транзистора збільшується. Збільшенню робочого струму радіочастотного транзистора 1 сприяє також подача додаткової позитивної напруги зміщення (високий логічний рівень на клемі введення цифрових даних 14 на базу радіочастотного транзистора 1 через опір 15 керування зміщенням радіочастотного транзистора відносно малого номіналу. Виконання всіх перерахованих умов викликає перехід схеми в режим безперервної генерації радіочастотного сигналу підвищеної потужності, який через розділовий конденсатор 5 і радіочастотну антену 6 випромінюється у вільний простір. При цьому резонатор на поверхневих акустичних хвилях 3 забезпечує стабільну роботу схеми на заданій частоті. Блокувальний конденсатор 18 по ланцюгу живлення служить для з'єднання лінії подачі напруги живлення по змінному струму зі спільним дротом. Напругу живлення радіочастотного модуля подають через клему 19. Додатковий блокувальний конденсатор 21 в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора 1 дозволяє збільшити випромінювану модулем потужність радіочастотного сигналу в режимі передачі. Народногосподарський ефект від використання винаходу пов'язаний з появою можливості будувати прості, надійні, стабільні в роботі і споживаючі малу кількість енергії радіочастотні модулі цифрових шин передачі даних. Інший аспект підвищення ефективності від використання винаходу пов'язаний з підвищенням швидкості передачі даних і відсутністю налаштування модуля. Таким чином, запропонований пристрій дозволить створювати прості, дешеві і надійні бездротові мережі, які зможуть знайти застосування в багатьох сферах як побутових, так і промислових. Важливо відзначити, що через простоту конструкції і відсутність необхідності налаштування модуля, масове виробництво даного пристрою виявиться особливо ефективним. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Радіочастотний модуль цифрової шини, що містить клему введення цифрових даних, клему виведення цифрових даних, радіочастотний транзисторний автогенератор зі змінними режимами роботи, радіочастотний транзистор, конденсатор зворотного зв'язку, що розв'язує дросель, блокувальний конденсатор по ланцюгу живлення, блокувальний конденсатор в ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора, низькочастотний транзистор для підключення додаткового опору стабілізації струму, опір зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора, опір стабілізації струму радіочастотного транзистора, розділовий 3 UA 114025 C2 5 10 конденсатор, радіочастотну антену, клему подачі напруги живлення, пороговий пристрій, додатковий малий опір стабілізації струму радіочастотного транзистора, опір для обмеження струму бази низькочастотного транзистора, додатковий опір зміщення в ланцюзі бази радіочастотного транзистора, який відрізняється тим, що включений резонатор на поверхневих акустичних хвилях, причому перший вивід резонатора з'єднаний з базою радіочастотного транзистора, а його другий вивід з'єднаний зі спільним дротом, при цьому включений дросель навантаження, перший вивід якого з'єднаний з колектором радіочастотного транзистора, а другий його вивід з'єднаний з шиною живлення, окрім цього, в схему доданий конденсатор ємнісного дільника напруги, що формує з конденсатором зворотного зв'язку ємнісний дільник напруги, при цьому перший вивід цього конденсатора з'єднаний з емітером радіочастотного транзистора, а його другий вивід з'єднаний зі спільним дротом, також у схему доданий додатковий блокувальний конденсатор у ланцюзі стабілізації струму радіочастотного транзистора, підключений паралельно додатковому малому опору стабілізації струму радіочастотного транзистора. Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4