Регенеративний транзисторний підсилювач

Реферат: Регенеративний транзисторний підсилювач належить до галузі радіотехніки і може застосовуватися для побудови телекомунікаційних та радіотехнічних систем різного призначення. Застосування винаходу є особливо корисним при побудові приймальнопередавальних пристроїв, наприклад транспондерів, функціями яких є прийом, обробка та перевипромінювання радіосигналів в напрямку антенної системи зчитувального пристрою, а так само при побудові вхідних каскадів приймальних пристроїв. Новим у підсилювачі, що заявляється, є то, що в схему доданий ще один аналогічний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, а також 3-децибельний квадратурний спрямований відгалужувач відповідної робочої частоти, до квадратурних виходів якого підключені відомі однопортові транзисторні підсилювачі. Принцип роботи регенеративного транзисторного підсилювача засновується на тому, що 3-децибельні квадратурні спрямовані відгалужувачі є оборотними, тобто є одночасно і суматорами і дільниками потужності для вхідних/вихідних сигналів. Запропоноване рішення дозволяє у ряді випадків обійтися без застосування дорогого Yциркулятора, який потрібен для розділення падаючих і підсилених відображених хвиль в простому однопортовому резонансному транзисторному підсилювачі, або отримати подвійний виграш в децибелах при підсиленні сигналів. UA 108321 C2 (12) UA 108321 C2 UA 108321 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі радіотехніки і може застосовуватися при побудові телекомунікаційних та радіотехнічних систем різного призначення. Застосування винаходу є особливо корисним (за рахунок стабільного та високого коефіцієнта підсилення, гарного узгодження з вхідною/вихідною лінією передачі, а також низького енергоспоживання і вкрай низького рівня власних шумів) при побудові приймально-передавальних пристроїв, наприклад, транспондерів, функціями яких є прийом, обробка та перевипромінювання радіосигналів в напрямку антенної системи зчитувального пристрою, а так само при побудові вхідних каскадів приймальних пристроїв. Досить відомим є, наприклад, регенеративний мікрохвильовий транзисторний підсилювач, описаний в статті A. P. Venguer, J. L. Medina, R. A. Chavez, A. Velazquez, A. Zamudio, G. N. IL'іn "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, який являє собою польовий транзистор, в ланцюг витоку якого включений позитивний зворотний зв'язок. Вся робота такого регенеративного 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 вхідній клемі. Однак всі приведені теоретичні розрахунки і висновки говорять про те, що налаштування такого підсилювача є трудомістким процесом, оскільки розрахувати вплив всіх паразитних елементів у заданому робочому діапазоні частот практично неможливо. Найбільш близьким до винаходу можна віднести "Однопортовий резонансний транзисторний підсилювач Широкова", описаний в патенту "України № 102751, опублікованому в Б № 15 от 12.08.2013. Даний підсилювач належить до класу регенеративних підсилювачів, і відрізняється простотою конструкції, є пристроєм, що легко налаштовується, а також має добрі ідеалізовані підсилювальні характеристики (близько 20…25 дБ), і низьким рівнем власних шумів (2…5 дБ). Але робота у режимі повного відбиття вхідного сигналу (коли |Sn|>>1) ставить на перший план питання його узгодження із вхідною/вихідною лінією передачі. При цьому необхідно застосовувати заходи щодо компенсації можливих перевідбиттів сигналу у вхідному тракті, які можуть викликати його самозбудження. Якщо ж умови узгодження з лінією передачі на робочій частоті не виконуються на достатньому рівні, то очевидно, що отримані ідеалізовані значення коефіцієнта підсилення такого підсилювача втрачають всякий зміст, з огляду на те, що перевідбиття у вхідних портах призводять до виконання балансу амплітуд, що переводить схему в режим генерації сигналів. Так само варто відзначити, що для однопортової схеми досить складно отримати адекватні результати при симуляції її S- параметрів, з огляду на те, що у складеній та звичній системі рівнянь відсутні члени S12 і S21. При цьому вкрай бажано, зберігши всі переваги однопортового резонансного транзисторного підсилювача, побудуватипристрій, що характеризується високим рівнем узгодження з лінією передачі. В основу даного винаходу було поставлено задачу забезпечити максимальне узгодження регенеративного транзисторного підсилювача в робочій смузі частот з вхідною/вихідною лінією передачі при збереженні високого коефіцієнта підсилення системи в цілому, при її малих габаритах, масі, вартості, малої споживчої потужності та малому рівні шумів. Поставлена задача вирішується наступним чином. 1. Регенеративний транзисторний підсилювач, що містить однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, який відрізняється тим, що в схему доданий ще один аналогічний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, а також 3-децибельний квадратурний спрямований відгалужувач (дільник потужності) відповідної робочої частоти, при цьому лінія вхідного підсилюваного сигналу з'єднана з першим вхідним виводом спрямованого відгалужувача, при цьому квадратурний другий вивід спрямованого відгалужувача з'єднаний з клемою подачі та зняття вхідного/вихідного сигналу першого однопортового резонансного транзисторного підсилювача, а квадратурний третій вивід спрямованого відгалужувача з'єднаний із клемою подачі і зняття вхідного/вихідного сигналу другого однопортового резонансного транзисторного підсилювача, при цьому четвертий розв'язаний вивід спрямованого відгалужувача з'єднаний з вихідною лінією підсиленого по амплітуді корисного сигналу, причому параметри всієї системи підібрані таким чином, щоб забезпечити максимальне узгодження вхідних/вихідних опорів системи з хвильовим опором ліній передачі, а однопортові транзисторні підсилювачі налаштовані на одну і ту ж робочу частоту при їх рівному коефіцієнті підсилення. 1 UA 108321 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 2. Регенеративний транзисторний підсилювач за п. 1, який відрізняється тим, що однопортові резонансні транзисторні підсилювачі мають деяке розстроювання щодо центральної робочої частоти, що забезпечує підсилення сигналів у деякій смузі частот. 3. Регенеративний транзисторний підсилювач за п. 1 та п. 2, який відрізняється тим, що четвертий розв'язаний вивід спрямованого відгалужувача закорочений, а підсилений сигнал знімають з першого виводу спрямованого відгалужувача, що робить регенеративний транзисторний підсилювач однопортовим і, з іншого боку, забезпечує подвійне підсилення вхідного сигналу. Порівняння винаходу з вже відомими раніше прототипами показує, що заявлений регенеративний транзисторний підсилювач має нові якісні технічні властивості, які полягають у тому, що при збереженні високого коефіцієнта підсилення, притаманного його аналогу, в даній схемі забезпечується гарне узгодження із вхідною/вихідною лінією передачі, тим самим забезпечується мінімальне відбиття сигналів від вхідного/вихідного порту, тим самим забезпечується стабільна робота регенеративного транзисторного підсилювача в умовах відсутності генерації сигналів, а налаштування такого підсилювача зводиться до налаштування двох однопортових резонансних транзисторних підсилювачів і підборі відповідного спрямованого відгалужувача, що виконує роль дільника та суматора потужності сигналів одночасно. Все це в цілому забезпечує стабільну роботу даного підсилювача і відсутність його налаштування в процесі експлуатації. Заявлений регенеративний транзисторний підсилювач можна реалізувати за схемою, показаною на фіг. 1 а, б. Підсилювач містить 3-децибельний квадратурний спрямований відгалужувач 7, що має вивід 1 для подачі підсилюваних сигналів (фіг. 1, а) або подачі і знімання підсилюваних/посилених сигналів (фіг. 1, б), перший квадратурний вивід розподілу потужності сигналів 2 (фіг. 1, а, б), другий квадратурний вивід розподілу потужності сигналів 3 (фіг. 1, а, б), розв'язаний вивід підсумовування потужності сигналів 4 (фіг. 1, а, б), перший однопортовий резонансний транзисторний підсилювач 5 (фіг. 1, а, б), виконаний за патентом України № 102751, другий однопортовий резонансний транзисторний підсилювач 6 (фіг. 1, а, б), виконаний за патентом України № 102751. При цьому вивід 1 спрямованого відгалужувача 7 з'єднаний або зі вхідною лінією підсилюваного сигналу (фіг. 1, а), або з вхідною/вихідною лінією підсилюваного/підсиленого сигналу (фіг. 1, б), перший квадратурний вивід розподілу потужності сигналів 2 спрямованого відгалужувача 7 з'єднаний з входом/виходом однопортового резонансного транзисторного підсилювача 5 (фіг. 1, а, б), при цьому другий квадратурний вивід розподілу потужності сигналів 3 спрямованого відгалужувача 7 з'єднаний з входом/виходом однопортового резонансного транзисторного підсилювача 6 (фіг. 1, а, б), причому розв'язаний вивід підсумовування потужності сигналів 4 спрямованого відгалужувача 7 з'єднаний або з вихідною лінією посилених сигналів (фіг.1, а), або закорочено (фіг. 1, б). Принцип роботи розглянутого регенеративного транзисторного підсилювача описаний нижче, і засновується на тому, що 3 - децибельні квадратурні спрямовані відгалужувачі є оборотними, тобто є одночасно і суматорами і дільниками потужності для вхідних/вихідних сигналів. Припустимо, що початкова фаза вхідного сигналу (напруги) дорівнює  0 . Припустимо також, що обидва однопортових резонансних транзисторних підсилювачі налаштовані на одну і ту ж 45 робочу частоту f1  f2  f , і мають рівні коефіцієнти підсилення K1  K 2  K . При цьому коефіцієнти передачі спрямованого відгалужувача 7 на центральній частоті відповідають таким умовам: S12  S13  3дБ , де S12 - коефіцієнт передачі використовуваного спрямованого відгалужувача від вхідного 50 порту 1 до його першого вихідного квадратурного порту 2; S13 - коефіцієнт передачі використовуваного спрямованого відгалужувача 7 від вхідного порту 1 до його другого квадратурного вихідного порту 3. Якщо всі обумовлені вище умови виконуються, тоді для сигналу, що надходить у вхідний  55  порт 1, в порту 2 ми отримуємо фазовий зсув 2  0  90 , а в порту 3 - 3  0  180 . Перший сигнал підсилюється в першому однопортовому резонансному транзисторному підсилювачі 5, і, відбиваючись, набуває фазовий зсув із урахуванням його фази коефіцієнта відбиття  :  2   2   . Для другого однопортового резонансного транзисторного підсилювача 6 і його 2 UA 108321 C2  фази коефіцієнта відбиття  відповідно маємо:  3   3   . Зрозуміло, що якщо кожен з однопортових резонансних транзисторних підсилювачів не змінює фазу вхідного сигналу  2 і  3 , тобто:     0 , або     2 , або у загальному випадку    , тоді відбити та 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підсилені сигнали від портів 2 і 3 спрямованого відгалужувача 7 слідують до вхідних портів 1 і 4, причому у вхідному порту 1 вони складаються противофазно і взаємно компенсуються, а у вихідному порту 4 - складаються синфазно. Таким чином, саме з порту 4 спрямованого відгалужувача 7 і знімається підсилений за амплітудою корисний сигнал (п.1 формули винаходу, фіг. 1, а, фіг. 2, а). Підсилювачам 5 і 6 можна дати розстроювання від центральної робочої частоти в обидві сторони. При цьому з'являється можливість проводити не резонансне підсилення сигналів, а підсилення сигналів в певній смузі частот (п.2 формули винаходу, фіг.1, б, фіг.2, б). Зі зрозумілих причин, це розстроювання не може бути великою. Якщо порт 4 спрямованого відгалужувача 7 закоротити, то виникає повне відбиття підсилених і складених разом сигналів, що надходять у порт 4. При цьому цей відбитий сигнал знову розподілюється порівну у спрямованому відгалужувачі 7, і надходить у порти 2 і 3, знову підсилюється в однопортових резонансних транзисторних підсилювачах 5 і 6, і знову складається синфазно, але тільки вже в порту 1 спрямованого відгалужувача 7, і взаємно віднімається в його порту 4 (п. 3 формули винаходу, фіг. 1, в, фіг. 2, в). Сумарний коефіцієнт підсилення в децибелах такої системи виявляється подвоєним, а схема перетворюється на однопортовий резонансний чи смуговий транзисторний підсилювач. Симуляція роботи розглянутого регенеративного транзисторного підсилювача була проведена для роботи на частоті 868 МГц у програмному пакеті "Agilent Advanced Design System 2011", отримані результати по кожному з пунктів формули винаходу представлені на фіг. 2, а, б, в. На фіг. 2, а показані результати симуляції розглянутого підсилювача за п. 1 формули винаходу - при налаштуванні двох використовуваних однопортових резонансних транзисторних підсилювачів Широкова 5 і 6 на одну робочу частоту f=868 МГц. Подача сигналу здійснюється на вхідний порт 1 спрямованого відгалужувача 7, а знімання підсиленого сигналу - з порту 4. Результати симуляції показують, що при мінімальних ідеалізованих коефіцієнтах відображення S(1,1) і S(2,2) (фіг. 2, а, пунктирні лінії), що відповідає КСВН1=КСВН2=1,012, спостерігається стабільне підсилення мікрохвильового сигналу до 28,082 дБ - крива dB(S(1,2)). Так само видно, що ідеальне узгодження спостерігається строго у межах робочої резонансної частоти, зважаючи знову ж з того, що розглянута система сильно прив'язана до робочої довжини хвилі. На фіг. 2, б показані результати симуляції розглянутого підсилювача за п. 2 формули винаходу, але в даному випадку використовуваним підсилювачам 5 і 6 дана незначне розстроювання щодо деякої центральної робочої частоти f=875 МГц. На фіг. 2, б видно, що підсилення сигналів здійснюється вже у смузі частот - крива dB(S(l, 2)), при цьому якість узгодження з вхідним і вихідним фідером залишається на припустимому рівні в деякій фіксованій смузі частот ~ від 2 до 3 МГц (фіг. 2, б, пунктирні криві dB(S(1,1)) і dB(S(2,2))). Так само можливе і більш значне розстроювання підсилювачів 5 і 6, скажімо на робочі частоти 868 МГЦ і 878 МГц відповідно, але при цьому робота на проміжних частотах такого підсилювача, зі зрозумілих причин, стає неможливою. На фіг. 2, в показані результати симуляції розглянутого підсилювача за п. 3 формули винаходу, причому використовувані підсилювачі 5 і 6 налаштовані на одну і ту ж саму робочу частоту, а подача та знімання підсиленого сигналу здійснюється за одного і того ж порту 1 спрямованого відгалужувача 7, при цьому порт 4 спрямованого відгалужувача 7 закорочено. На фіг. 2, в показано, що зважаючи на дворазове проходження корисного сигналу через використовуваний квадратурний спрямований відгалужувач 7, спостерігається подвоєне підсилення сигналів, в порівнянні з п. 1 (фіг. 1, в, крива dB(S(1,2)), що дорівнює коефіцієнту підсилення сигналу близько 60 дБ), при цьому якість узгодження з вхідною і вихідною лінією подачі і знімання сигналів залишається така ж сама, що й для двопортової схеми. Народно-господарський ефект від використання винаходу пов'язаний з підвищенням надійності радіоприймального пристрою радіотехнічної системи, а також з істотним збільшенням дальності дії радіотехнічної системи в цілому. Відносна простота конструкції, як і раніше низьке енергоспоживання, суттєве підсилення сигналу і низький рівень власних шумів пропонованого підсилювача, відкриває реальну можливість його застосування в багатьох областях радіотехніки. Інший аспект підвищення ефективності від використання заявлюваного підсилювача пов'язаний з тим, що, в силу випадкової природи шуму, при додаванні підсилених 3 UA 108321 C2 однопортовими транзисторними підсилювачами сигналів в спрямованому відгалужувачі, їх шумова складова буде частково взаємно компенсуватися і сумарний коефіцієнт шуму системи буде знижений. 5 10 15 20 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Регенеративний транзисторний підсилювач, що містить однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, який відрізняється тим, що в схему додатково введений ще один аналогічний однопортовий резонансний транзисторний підсилювач, а також 3-децибельний квадратурний спрямований відгалужувач відповідної робочої частоти, при цьому лінія вхідного підсилюваного сигналу з'єднана з першим вхідним виводом квадратурного спрямованого відгалужувача, при цьому другий вивід квадратурного спрямованого відгалужувача з'єднаний з клемою вхідного/вихідного сигналу першого однопортового резонансного транзисторного підсилювача, а третій вивід квадратурного спрямованого відгалужувача з'єднаний із клемою вхідного/вихідного сигналу другого однопортового резонансного транзисторного підсилювача, при цьому четвертий розв'язаний вивід квадратурного спрямованого відгалужувача з'єднаний з вихідною лінією підсиленого по амплітуді корисного сигналу, причому параметри всієї схеми підібрані таким чином, щоб підібрати умови максимально можливого узгодження вхідних/вихідних опорів схеми з хвильовим опором ліній передачі, а однопортові транзисторні підсилювачі налаштовані на одну і ту ж робочу частоту при їх рівному коефіцієнті підсилення. 2. Регенеративний транзисторний підсилювач за п. 1, який відрізняється тим, що однопортові резонансні транзисторні підсилювачі мають деяке розстроювання щодо центральної робочої частоти для підсилення сигналів у деякій смузі частот. 3. Регенеративний транзисторний підсилювач за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що четвертий розв'язаний вивід квадратурного спрямованого відгалужувача закорочений, а підсилений сигнал отримують з першого виводу квадратурного спрямованого відгалужувача, для отримання однопортового регенеративного транзисторного підсилювача і для отримання подвійного підсилення вхідного сигналу. 4 UA 108321 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5