Способ повышения устойчивости работы сверхрегенеративного приемника
METHOD FOR INCREASING STABILITY OF WORK OF A SUPREGENERATIVE RECEIVER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к регенеративным и сверхрегенеративным усилителям радиосигналов.
Предлагаемый способ может использоваться при проектировании и создании сверхрегенеративных приемников с повышенными требованиями к устойчивости их работы.
В общем случае усилителем называется устройство, предназначенное для усиления электрических (электромагнитных) колебаний в системах многоканальной связи, радиоприемной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. В качестве усилительных элементов традиционно используются электронная лампа, транзистор, туннельный диод и т.д. [Попов B.C., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники, М., «Энергия», 1972, 504 с. с ил., стр. 383].
Задача усиления радиосигналов может быть решена двумя принципиально разными способами [Патент 2595921 Российская Федерация, МПК Н04В 1/22 (2006.01), H03F 1/38 (2006.01), H03G 3/20 (2006.01). Способ усиления радиосигналов путем управляемой регенерации. / Алисевич Е.А., Закалкин П.В., Стародубцев Г.Ю., Стародубцев Ю.И., Сухорукова Е.В.; заявитель и патентообладатель Алисевич Е.А., Стародубцев Ю.И. -2015108734, заявл. 12.03.2015; опубл. 27.08.2016, бюл. №24. - 13 с.].
Наиболее широко распространенным способом является последовательное соединение усилительных элементов (каскадов), его суть схематично изображена на фиг. 1, где УС №1, УС № i, … УС № n - усилители сигналов. [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев Электроника. М: Высшая школа, 1991 г. - 622 с, стр. 333, Королев Г.В. Электронные устройства автоматики: Учеб. Пособие. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк. -1991.-256 с., стр. 15-18].
К основным недостаткам данного способа относятся:
- возрастание склонности к самовозбуждению усилительного тракта по мере увеличения усилительных каскадов;
- собственные шумы каждого каскада усиливаются всеми последующими каскадами;
- сложность реализации одновременной перестройки всех каскадов для усиления в широкой полосе частот;
- снижение надежности усилительного тракта по мере увеличения числа усилительных каскадов;
- конструктивное усложнение усилительного тракта, приводящее к росту масс габаритов, энергопотребления и стоимости.
Вторым направлением в решении задачи усиления радиосигналов является включение в схему усилителя цепей обратной связи. Его суть схематично изображена на фиг. 2, где ОС - обратная связь, УС - усилитель сигнала.
Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. При этом усилительное устройство может быть и однокаскадным [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. М: Высшая школа, 1991 г. - 622 с., стр. 226].
Усилители сигналов, обладающие обратной связью, называют регенераторами. Регенератор представляет собой невозбужденный генератор на транзисторе, лампе или другом активном элементе. Благодаря наличию положительной обратной связи между входом и выходом схемы в контур вносится отрицательное сопротивление, частично компенсирующее его потери, что и определяет регенеративный эффект [Сверхрегенераторы/ М.К. Белкин, Г.И. Кравченко, Ю.Г. Скоробутов, Б.А. Стрюков; Под ред. М.К. Белкина. - М.: Радио и связь, 1989 - 248 с, ил., стр. 7].
Основным недостатком регенеративных усилителей является их склонность к неконтролируемому переходу из режима усиления в режим генерации. Описанный недостаток частично устраняется в сверхрегенеративном способе усиления сигналов, где в схему регенератора дополнительно включается генератор принудительного срыва, который генерирует гасящие колебания постоянной частоты, поступающие на вход усилителя и мешающие перейти регенератору в режим генерации. Устройства, реализующие такой способ называют сверхрегенераторами. [Сверхрегенераторы/ М.К. Белкин, Г.И. Кравченко, Ю.Г. Скоробутов, Б.А. Стрюков; Под ред. М.К. Белкина. - М.: Радио и связь, 1989 - 248 с, ил., стр. 7-17,].
Сверхрегенеративный способ усиления позволяет повысить стабильность усиления сигналов, однако обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что генератор принудительного срыва постоянно, с неизменной частотой генерирует гасящие колебания, которые прерывают работу усилителя вне зависимости, работает ли он в режиме усиления или перешел в режим генерации.
Такое принудительное прерывание работы (с фиксированной частотой прерывания) усилителя лишь снижает порог перехода усилителя в режим генерации, но никак не устраняет такую возможность. Более того, прерывание работы усилителя, работающего в нормальном режиме (режиме усиления) снижает коэффициент усиления.
Известны технические решения, использующие принцип сверхрегенеративного усиления.
В [Л.В. Кубаркин. Сверхрегенератор Армстронга./ Радиолюбитель. -1929 г. - №1. - стр. 13-16] описан сверхрегенератор Амстронга.
Обобщенная суть данного технического решения представлена на фиг. 3, где L1C - колебательный контур; L2 - катушка обратной связи; L3C1 - колебательный контур (генератор принудительного срыва); L4 - вторая катушка обратной связи; Т - выход регенератора; БА, БН - питание регенератора, и заключается в том, что колебания (генерация) контура L1C срываются 10000 раз в секунду. Благодаря этому промежутки времени, благоприятные для возникновения генерации, - моменты отрицательного потенциала, - являются достаточно продолжительными для того, чтобы генерация успела вновь возникнуть.
Известен сверхрегенеративный способ усиления сигналов постоянного тока [Патент СССР 01.01.1963 г. SU 151697 «Сверхрегенеративный способ усиления сигналов постоянного тока»], где с целью увеличения коэффициента усиления, усилитель периодически охватывают положительной обратной связью, а в период отсутствия положительной обратной связи производят компенсацию дрейфа нуля усилителя.
Известно также техническое решение [Патент СССР 15.04.1979 г. SU 657623 «Сверхрегенератор»], техническим результатом которого является повышение пороговой чувствительности сверхрегенератора за счет устранения ударных колебаний при любой крутизне импульсов суперизации без существенного усложнения схемы либо расширение полосы пропускания при заданной чувствительности.
Известно техническое решение [Патент СССР 01.01.1958 г. SU 114562 «Сверхрегенератор»], техническим результатом которого является повышение способности сверхрегенератора к усилению коротких сигналов. Результат достигается посредством сокращения времени затухания колебаний за счет подключения электронной лампы к контуру сверхрегенератора, на которую подается управляющее напряжение частоты дробления сигнала в противофазе с лампой сверхрегенератора.
Устройство реализует способ сверхрегенеративного усиления сигналов, являющийся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и взятым в качестве прототипа.
Способ заключается в том, что сигнал, принятый антенной, подают на резонансный контур, с выхода резонансного контура сигнал подают на вход усилителя, с выхода усилителя посредством положительной обратной связи подают сигнал на вход усилителя, туда же от генератора принудительного срыва подают гасящие колебания, снимают усиленный сигнал с выхода усилителя.
Однако указанные технические решения не устраняют описанного выше недостатка (генератор принудительного срыва постоянно, с неизменной частотой генерирует гасящие колебания, которые прерывают работу усилителя вне зависимости, работает ли он в режиме усиления или перешел в режим генерации).
Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости работы сверхрегенеративного приемника за счет динамического изменения частоты гасящих колебаний.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что сигнал, принятый антенной подают на резонансный контур, с выхода резонансного контура сигнал подают на вход усилителя, с выхода усилителя посредством положительной обратной связи подают сигнал на вход усилителя, туда же от генератора принудительного срыва подают гасящие колебания дополнительно постоянно контролируют наличие генерации, если факта наличия генерации не обнаруживают, то снижают частоту генератора принудительного срыва, при обнаружении факта генерации увеличивают частоту генератора принудительного срыва до прекращения генерации.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие способ.
Заявленный способ поясняется чертежами:
фиг. 4 - обобщенная структурная схема, поясняющая принцип работы способа;
фиг. 5 - блок-схема способа повышения устойчивости работы сверхрегенеративного приемника.
Суть способа заключается в следующем:
В блоке 1 (фиг. 5) сигнал, принятый антенной, подают на резонансный контур (фиг. 4, блок «РК»). Резонансный (колебательный) контур -электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности, конденсатор и источник энергии. Резонансная частота определяется формулой Томпсона и зависит от емкости и индуктивности соответствующих элементов [Кузнецов М.И. Основы электротехники. Под ред. д-ра техн. наук С.В.Страхова. 9-е изд. испр. М., «Высшая школа», 1964. 560 с. с илл., стр. 242].
Резонансный контур предназначен для настройки усилителя на определенную частоту (фильтрация входного сигнала) [Редкова Н.А., Грецев В.П., Белов А.В., Андреев А.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств / Под общ. ред. Н.А. Редковой. - СПб.: Военная академия связи, 2014. 162 с, стр. 8].
В блоке 2 (фиг. 5) с выхода резонансного контура сигнал подают на вход усилителя (фиг. 4,блок «УС»).
Усилителем электрических сигналов называется устройство, увеличивающее мощность слабого входного сигнала при сохранении его информационных параметров, то есть без изменения формы сигнала [Редкова Н.А., Грецев В.П., Белов А.В., Андреев А.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств / Под общ. ред. Н.А. Редковой. - СПб.: Военная академия связи, 2014. 162 с, стр. 10].
Усилители, как правило изготавливаются на основе активных элементов (лампы, транзисторы и др.)
В блоке 3 (фиг. 5) с выхода усилителя посредством положительной обратной связи подают сигнал на вход усилителя.
Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Обратная связь может быть положительной - в случае, если фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, и отрицательной - при несовпадении фаз входного сигнала и сигнала обратной связи, что приводит к их вычитанию [В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. М: Высшая школа, 1991 г. - 622 с, стр. 226].
При использования обратной связи появляется регенеративный эффект, за счет многократного усиления входного сигнала.
н
В блоке 4 (фиг. 5) от генератора принудительного срыва (ГПС) (фиг. 4, блок «ГПС») на вход усилителя подают гасящие колебания. ГПС формирует последовательность прямоугольных импульсов (гасящие колебания) с номинальной частотой /. В традиционных сверхрегенераторах длительность генерируемых импульсов и частота их появления фиксированы, а сигнал, как правило, имеет скважность равную единице.
В блоке 5 (фиг. 5) постоянно контролируют наличие генерации. Проверка факта перехода усилителя в режим генерации осуществляется детектором генерации (ДГ) (фиг. 4, блок «ДГ»). ДГ может быть выполнен различными способами. Например, сигнал с выхода усилителя поступает на вход ДГ, где его уровень сравнивается с уровнем сигнала, соответствующем уровню сигнала на выходе усилителя при работе усилителя в режиме генерации. Если уровни сравниваемых сигналов равны, то ДГ принимает решение, что усилитель перешел в режим генерации.
В случае обнаружения факта генерации в блоке 7 (фиг. 5) от ДГ на вход ГПС поступает управляющий сигнал. ГПС увеличивает частоту следования генерируемых импульсов (при фиксированной длительности импульса).
В случае, если факт генерации не обнаружен - в блоке 8 (фиг. 5) от ДГ на вход ГПС поступает управляющий сигнал. ГПС уменьшает частоту следования генерируемых импульсов (при фиксированной длительности импульса).
Генерируемые импульсы (гасящие колебания) поступают на вход усилителя. Усилитель (фиг. 4, блок «УС») устроен так, что при поступлении импульса (логической единицы), его работа прекращается.
min
max
Пределы изменения частоты находятся от ƒ=0, что означает отсутствие гасящих колебаний на входе, до ƒ=1/Т, где Т - период следования импульсов (Т=τ+Δt, где τ - фиксированная длительность импульса, a Δt - время между срезом и фронтом соседних импульсов). При максимальной частоте следования импульсов, их скважность стремится к единице, что означает практически постоянную единицу на входе усилителя.
Таким образом, динамическое изменение частоты гасящих колебаний, означающее динамическое управление режимом работы усилителя, позволяющее компенсировать самопроизвольные переходы усилителя в режим генерации, повышает устойчивость работы сверхрегенеративного приемника, что обуславливает достижение технического результата.