Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач

Реферат: Винахід належить до галузі радіотехніки і може застосовуватися для побудови радіотехнічних і телекомунікаційних систем різного призначення. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач включає додаткові каскади для підсилення сигналів в області мікрохвиль і радіочастот. Кожен каскад підсилювача побудований за регенеративною схемою. При цьому позитивний зворотний зв'язок формується за рахунок виконання конструктивної індуктивності, яка являє собою або котушку індуктивності з виводами відомого діаметра, відомої довжини і з відомою кількістю витків, або відрізок мікросмужкової лінії з відводами відомої ширини, відомої товщини підкладки і відомої довжини. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення коефіцієнта посилення (порядку 40 дБ і більш), що дозволяє використовувати його в радіотехнічних системах різного призначення, наприклад системах радіочастотної ідентифікації, що забезпечує підвищену дальність їх дії. UA 104534 C2 (12) UA 104534 C2 UA 104534 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі радіотехніки і може застосовуватися для побудови радіотехнічних і телекомунікаційних систем різного призначення. Експериментально вдалося показати, що особливо корисним є використання такого каскадного однопортового підсилювача при побудові приймально-передавальних пристроїв, наприклад транспондерів, функціями яких є прийом, обробка та перевипромінювання радіо- або надвисокочастотних сигналів у напрямку антенної системи зчитувального пристрою. Досить відомим є, наприклад, однопортовий мікрохвильовий транзисторний підсилювач, описаний в статті A. P. Venguer, J. L. Medina, R. A. Chavez, A. Velazquez, A. Zamudio, G. N. Il'in "The Teoretical and Experimental Analysis of Resonant Microwave Reflection Amplifiers, " Microwave Journal, vol. 47, no. 10, pp. 80-93, October, 2004, или A. P. Venguer, J. L. Medina, R. A. Chavez. A. Velazquez, "Low Noise One-Port Microwave Transistor Amplifier, " Microwave and Optical Technology Letters, vol. 33, no. 2, pp. 100-104, April 20, 2002, котрий являє собою польовий транзистор, в ланцюг витоку якого включене позитивний зворотний зв'язок. Вся робота такого однопортового підсилювача обумовлена наявністю паразитних індуктивностей і ємностей використовуваного польового транзистора, які в сукупності із зовнішніми конструктивними індуктивностями забезпечують позитивний зворотний зв'язок та синфазне підсумовування сигналів на вхідних клемі. Однак всі приведені теоретичні розрахунки і висновки говорять про те, що налаштування такого підсилювача є трудомістким процесом, оскільки розрахувати вплив всіх паразитних елементів в заданому робочому діапазоні частот практично неможливо. Найбільш близьким до даного винаходу є однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, описаний в заявці на патент України № а201114351 від 05.12.2011. Даний підсилювач відрізняється простотою конструкції та стабільністю, є пристроєм, що легко налаштовується, та забезпечує підсилення сигналів в радіочастотному і мікрохвильовому діапазонах. Проте коефіцієнт підсилення такого однопортового резонансного транзисторного підсилювача в умовах відсутності генерації не перевищує 20 дБ, що є невисоким показником, і негативно позначається на дальності дії системи в цілому. Прагнення забезпечити більший коефіцієнт посилення передбачає використання транзистора з більшою крутістю, що, у свою чергу, передбачає регулювання режиму роботи транзистора на постійному струму. У той же час, бажано будувати підсилювач з використанням стандартних елементів та повністю виключити процес його налаштування. У основу винаходу була поставлена задача підвищення коефіцієнта підсилення однопортового резонансного транзисторного підсилювача за умови його стабільної роботи, що передбачає функціонування в радіочастотному і мікрохвильовому діапазонах, та виключення процедури регулювання такого підсилювача. Поставлена задача вирішується тим, що: 1. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, що містить польовий транзистор, конструктивну індуктивність з виводами, блокувальний конденсатор, клему подачі і зняття вхідного/вихідного сигналів, клему подачі напруги живлення і опціонально конденсатор, що додатково задає резонанс системи, що відрізняється тим, що в схему однопортового резонансного транзисторного підсилювача доданий другий польовий транзистор, друга конструктивна індуктивність з виводами відомого діаметра, відомої довжини і з відомою кількістю витків або використовуваний як індуктивність відрізок мікросмужкової лінії з відводами (виводами) відомої ширини, відомої товщини підкладки і відомої довжини, опціонально другий конденсатор, що додатково задає резонанс системи, причому стік другого польового транзистора з'єднаний зі стоком першого польового транзистора, затвор другого польового транзистора з'єднаний з першим виводом другої конструктивної індуктивності, а так само з витоком першого польового транзистора, витік другого польового транзистора з'єднаний з другим виводом другої конструктивної індуктивності, а третій вивід другої конструктивної індуктивності підключений до загального дроту, причому обидві конструктивні індуктивності та параметри всіх польових транзисторів підібрані так, щоб не виконувалася генерація сигналів. 2. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач за п. 2 що відрізняється тим, що у схему за п. 1 доданий третій, і так далі, польовий транзистор, третя, і так далі, конструктивна індуктивність з виводами відомого діаметра, відомої довжини і з відомою кількістю витків або використовуваний як індуктивність відрізок мікросмужкової лінії з відводами (виводами) відомої ширини, відомої товщини підкладки і відомої довжини, опціонально третій, і так далі, конденсатор, що додатково задає резонанс системи, причому стік третього, і так далі, польового транзистора з'єднаний зі стоком другого польового транзистора, а так само зі стоком першого польового транзистора, затвор третього, і так далі, польового транзистора з'єднаний з витоком другого польового транзистора, а так само з першим виводом третьої, і так далі, конструктивної індуктивності, витік третього, і так далі, польового транзистора з'єднаний з другим виводом третьої, і так далі, конструктивної індуктивності, а третій вивід другої 1 UA 104534 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 конструктивної індуктивності підключений до загального дроту, причому конструктивні індуктивності та параметри всіх польових транзисторів підібрані так, щоб не виконувалася генерація сигналів. Порівняння даного винаходу з вже відомими прототипами показує, що каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, що заявляється, має нові властивості, що полягають в істотно підвищеному коефіцієнті підсилення (порядка 40 дБ і більш), що дозволяє використовувати його в радіотехнічних системах різного призначення, наприклад системах радіочастотної ідентифікації, що забезпечує підвищену дальність їх дії. Причому активний елемент підсилювача вибирається стандартним, а робочий режим транзистора по постійному струму вибирають таким, щоб підсилення кожного транзисторного каскаду було невеликим, що виключає додаткове налаштування підсилювача і забезпечує його стабільну роботу. Підвищений коефіцієнт підсилення досягається каскадним включенням регенеративних підсилювачів, реалізованих за ідентичними схемами. Кількість каскадів, що підключаються, може бути довільною, але як показує досвід, зазвичай воно обмежується двома-трьома. Більше число каскадів в такому підсилювачі приводить до підвищення загального коефіцієнта посилення (від 40 і вище), що у свою чергу, призводить до нестійкої роботи підсилювача у складі транспондера радіотехнічної системи в цілому. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, що заявляється, можна реалізувати за схемами, показаними на фіг. 1 а, б. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач містить клему подачі і знімання радіочастотних або мікрохвильових сигналів 1 (фіг. 1 а, б), першу конструктивну індуктивність з виводами 2 (фіг. 1 а, б), перший польовий транзистор 3 (фіг. 1 а, б), блокувальний конденсатор 4 (фіг. 1 а, б), клему подачі напруги живлення 5 (фіг. 1 а, б), перший резонансний конденсатор 6, який встановлюється опціонально, другу конструктивну індуктивність з виводами 7 (фіг. 1 а, б), другий польовий транзистор 8 (фіг. 1 а, б), другий резонансний конденсатор 9 (фіг. 1 а, б), встановлюваний опціонально, третю конструктивну індуктивність з виводами 10 (фіг. 1 б), третій польовий транзистор 11 (фіг. 1 б), третій резонансний конденсатор 12 (фіг. 1 б), встановлюваний опціонально. При цьому перший вивід першої конструктивної індуктивності 2 підключений до клеми подачі і знімання вхідних сигналів 1 (фіг. 1 а, б), другий вивід першої конструктивної індуктивності 2 з'єднаний із затвором першого польового транзистора 3 (фіг. 1 а, б), а так само з першим обкладанням першого резонансного конденсатора 6 (фіг. 1 а, б), встановлюваного опціонально, третій вивід першої конструктивної індуктивності 2 підключений до витоку першого польового транзистора 3 (фіг. 1 а, б), а так само до першого виводу другої конструктивної індуктивності 7 (фіг. 1 а, б), при цьому четвертий вивід першої конструктивної індуктивності 2 підключений до загального дроту (фіг. 1 а, б), а так само до другого обкладання першою резонансного конденсатора 6 (фіг. 1 а, б), причому перший вивід другої конструктивної індуктивності 7 підключений до витоку першого польового транзистора 3 (фіг. 1 а, б), а так само до затвора другого польового транзистора 8 (фіг. 1 а, б), і до першого обкладання другого резонансного конденсатора 9 (фіг. 1 а, б), встановлюваного опціонально, другий вивід другої конструктивної індуктивності 7 підключений до витоку другого польового транзистора 8 (фіг. 1 а, б), а третій вивід другої конструктивної індуктивності 8 підключений до загального дроту (фіг. 1 а, б), а так само до другого обкладання другого резонансного конденсатора 9 (фіг. 1 а, б), при цьому перший вивід третьої конструктивної індуктивності 10 з'єднаний з витоком другого польового транзистора 8 (фіг. 1 б), а так само із затвором третього польового транзистора 11 (фіг. 1 б), та з першим обкладанням третього резонансного конденсатора 12 (фіг. 1 б), встановлюваного опціонально, другий вивід третьої конструктивної індуктивності 10 підключений до витоку третього польового транзистора 11 (фіг. 1 б), а третій вивід третьої конструктивної індуктивності 10 підключений до загального дроту (фіг. 1 б), а так само до другого обкладання третього резонансного конденсатора 12 (фіг. 1 б), встановлюваного опціонально, при цьому стік першого польового транзистора 3 з'єднаний зі стоком другого польового транзистора 7, а так само з першим обкладанням блокувального конденсатора 4, а так само з клемою подачі напруги живлення (фіг. 1 а), або стік першого польового транзистора 3 з'єднаний зі стоком другого польового транзистора 7, а так само зі стоком третього польового транзистора, та з першим обкладанням блокувального конденсатора 4, а так само з клемою подачі напруги живлення (фіг. 1 б), причому друге обкладання блокувального конденсатора 4 з'єднано із загальним дротом. Працює каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач наступним чином. 2 UA 104534 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Радіочастотний або мікрохвильовий сигнал через клему 1 надходить на перший вивід першої конструктивної індуктивності 2, четвертий вивід якої з'єднаний із загальним дротом (фіг. 1 а, б). На другому виводу конструктивної індуктивності 2 наводиться при цьому збільшений по амплітуді радіочастотний або мікрохвильовий сигнал (напруга), синфазний з вхідним сигналом, який надходить на затвор першого польового транзистора 3. Цей радіочастотний або мікрохвильовий сигнал викликає появу синфазного струму через канал першого польового транзистора 3, який частково протікає через першу конструктивну індуктивність 2 за рахунок з'єднання витоку першого польового транзистора 3 з третім виводом першої конструктивної індуктивності 2. При цьому струм через конструктивну індуктивність 2 в її частині між першим і другим виводами виявляється синфазним з вхідним сигналом (напругою). Іншими словами, реалізується позитивний зворотний зв'язок і відбувається посилення сигналів радіочастотного або мікрохвильового діапазонів. При цьому наявність струму у витоку першого польового транзистора викликає аналогічні процеси в подальших каскадах. Вихідний підсилений радіочастотний або мікрохвильовий сигнал знімають з того ж першого виводу першої конструктивної індуктивності 2 і подають на клему 1. Блокувальний конденсатор 4 служить для з'єднання стоків польових транзисторів по змінному струму із загальним дротом. Додатково, паралельно конструктивним індуктивностям можна підключити резонансний конденсатор. За допомогою цього конденсатора можна забезпечити налаштування схеми підсилювача на робочу частоту, досягаючи при цьому максимального посилення саме на цій частоті. Результати симуляції каскадного однопортового резонансного транзисторного підсилювача, побудованого на двох каскадах, в програмному середовищі "Microwave Office" представлені на фіг. 2. При побудові трьох і більшого числа каскадів можна отримати будь-яке посилення, до 100 дБ і більш, що підтвердилося при симуляції роботи підсилювача в програмному середовищі "Microwave Office", який забезпечує ідеальність характеристик джерела мікрохвильового сигналу та розв'язуючих пристроїв. Але ми повинні розуміти, що в реальній конструкції такий підсилювач працювати не буде, оскільки забезпечити ідеальні характеристики джерела мікрохвильового сигналу не є можливим. Народногосподарський ефект від використання даного винаходу пов'язаний із збільшенням дальності дії радіотехнічних систем в цілому, а так само в спрощенні процесу регулювання транспондера системи зокрема. При цьому можна забезпечити надійне функціонування системи, наприклад радіочастотної ідентифікації при організації контролю і обліку транспортних потоків на автомагістралях - дальність дії системи може бути істотно підвищена, що виключить створення заторів на пропускних воротях. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, що містить польовий транзистор, конструктивну індуктивність з виводами, блокувальний конденсатор, клему подачі і зняття вхідного/вихідного сигналів, клему подачі напруги живлення і опціонально конденсатор, що додатково задає резонанс системи, який відрізняється тим, що в схему підсилювача доданий другий польовий транзистор, друга конструктивна індуктивність з виводами відомого діаметра, відомої довжини і з відомою кількістю витків або використовуваний як індуктивність відрізок мікросмужкової лінії з відводами відомої ширини, відомої товщини підкладки і відомої довжини, опціонально другий конденсатор, що додатково задає резонанс системи, причому стік другого польового транзистора з'єднаний зі стоком першого польового транзистора, затвор другого польового транзистора з'єднаний з першим виводом другої конструктивної індуктивності, а так само з витоком першого польового транзистора, витік другого польового транзистора з'єднаний з другим виводом другої конструктивної індуктивності, а третій вивід другої конструктивної індуктивності підключений до загального дроту, причому обидві конструктивні індуктивності та параметри всіх польових транзисторів підібрані так, щоб не виконувалася генерація сигналів. 2. Каскадний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач за п. 1, який відрізняється тим, що у схему введений третій польовий транзистор, третя конструктивна індуктивність з виводами відомого діаметра, відомої довжини і з відомою кількістю витків або використовуваний як індуктивність відрізок мікросмужкової лінії з відводами відомої ширини, відомої товщини 3 UA 104534 C2 5 підкладки і відомої довжини, опціонально третій конденсатор, що додатково задає резонанс системи, причому стік третього польового транзистора з'єднаний зі стоком другого польового транзистора та зі стоком першого польового транзистора, затвор третього польового транзистора з'єднаний з витоком другого польового транзистора та з першим виводом третьої конструктивної індуктивності, витік третього польового транзистора з'єднаний з другим виводом третьої конструктивної індуктивності, а третій вивід другої конструктивної індуктивності підключений до загального дроту, причому конструктивні індуктивності та параметри всіх польових транзисторів підібрані так, щоб не виконувалася генерація сигналів. 4 UA 104534 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5