ОДНОПОРТОВЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ШИРОКОВА
SHIROKOV SINGLE-PORT RESONANCE TRANSISTOR AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при построении радиотехнических систем различного назначения. Особенно полезным представляется использование однопортового усилителя при построении активных транспондеров, предполагающих прием, обработку и обратное излучение принятого и усиленного по амплитуде радиочастотного или микроволнового сигнала.
Хорошо известны однопортовые усилители радиочастотных или микроволновых сигналов, построенные, например, на туннельных диодах, диодах Ганна и других активных двухполюсниках, имеющих спадающий участок вольтамперной характеристики. Однако усиление, которое могут обеспечивать подобные усилители, как правило, не превышает нескольких децибел. Кроме этого, подобные усилители крайне неустойчивы в работе и склонны к самовозбуждению. Для стабилизации параметров такого усилителя требуются специальные стабилизирующие цепи, что усложняет конструкцию усилителя в целом.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится однопортовый микроволновый транзисторный усилитель, описанный в А. P. Venguer, J. L. Medina, R. A. Chávez, A. Velázquez, 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. Chávez, A. Velázquez, "Low Noise One-Port Microwave Transistor Amplifier," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 33, no. 2, pp. 100-104, April 20, 2002. Усилитель построен с использованием полевого транзистора, в цепи которого включена последовательная положительная обратная связь. В работах приведено теоретическое обоснование работы усилителя, а также результаты экспериментальных исследований однопортового транзисторного усилителя. Однако все теоретические расчеты и выводы и, очевидно, сама работа описанного усилителя, основаны на использовании паразитных емкостей и индуктивностей полевого транзистора, которые в сочетании с использованием внешних конструктивных и внутренних паразитных реактивностей, обеспечивают формирование последовательной положительной обратной связи, обеспечивающей усиление микроволнового сигнала. Очевидно, что паразитные реактивные элементы самого транзистора и монтажа сказываются исключительно в области микроволн. В радиочастотной области влиянием этих паразитных элементов можно пренебречь, что приводит к тому, что добиться усиления сигнала в этом случае не представляется возможным. К тому же настройка подобного усилителя - процесс достаточно трудоемкий, поскольку учесть и рассчитать заранее влияние паразитных реактивных элементов на параметры усилителя в целом практически невозможно. И последнее, схема содержит в различных вариантах до четырех конструктивных индуктивностей и до пяти дискретных блокировочных, разделительных и частотозадающих конденсаторов, что усложняет конструкцию и дополнительно осложняет процесс настройки усилителя.
В тоже время крайне необходимо при построении различного вида транспондеров иметь стабильный, простой и надежный однопортовый усилитель, способный усиливать сигналы не только в области микроволн, но и в радиочастотной области и даже ниже. К тому же такой усилитель не должен требовать специальной настройки, что позволит использовать его радиотехнических системах при их массовом производстве.
В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции и повышения стабильности работы однопортового резонансного транзисторного усилителя, не требующего специальной настройки, и работающего как в области микроволн, так и в области радиочастот. Поставленная цель достигается тем, что:
1. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова, содержащий полевой транзистор, конструктивную индуктивность, блокирующий конденсатор, клемму подачи и съема сигналов, клемму подачи напряжения питания, отличающийся тем, что конструктивная индуктивность выполнена либо в качестве катушки индуктивности с отводами (выводами) известного диаметра, известной длины и с известным количеством витков, либо в качестве отрезка микрополосковой линии с отводами (выводами) известной ширины, известной толщины подложки и известной длины, при этом конструктивная индуктивность имеет четыре вывода, причем первый вывод конструктивной индуктивности соединен с общим проводом, второй вывод конструктивной индуктивности соединен с истоком полевого транзистора, третий вывод конструктивной индуктивности соединен с клеммой подачи и съема радиочастотных или микроволновых сигналов, четвертый вывод конструктивной индуктивности соединен с затвором полевого транзистора, при этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора и с клеммой подачи напряжения питания, а второй вывод блокировочного конденсатора соединен с общим проводом, причем отводы конструктивной индуктивности и параметры полевого транзистора подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
2. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полевого транзистора использован двухзатворный полевой транзистор, причем его первый затвор соединен с четвертым выводом конструктивной индуктивности, а его второй затвор соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
3. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова по п. 1, отличающийся тем, что в схему добавлены разделительный конденсатор и развязывающее сопротивление, причем четвертый вывод конструктивной индуктивности соединен с первой обкладкой разделительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с первым выводом развязывающего сопротивления и с затвором полевого транзистора, а второй вывод развязывающего сопротивления соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
4. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова по п. 3, отличающийся тем, что в схему добавлено балластное сопротивление, причем четвертый вывод конструктивной индуктивности соединен с затвором полевого транзистора, а её второй вывод соединен с первым выводом балластного сопротивления и с первой обкладкой разделительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена со вторым выводом балластного сопротивления, с истоком полевого транзистора и с первым выводом развязывающего сопротивления, второй вывод которого соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
5. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова по пп. 1-4, отличающийся тем, что в схему усилителя добавлен резонансный конденсатор, первая обкладка которого соединена с общим проводом, а его вторая обкладка соединена с четвертым выводом конструктивной индуктивности.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными прототипами показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в простоте конструкции, ее малых габаритах, малого потребления энергии и низкой стоимости, что позволяет устанавливать однопортовый резонансный транзисторный усилитель в различного рода активные транспондеры. Стабильность работы однопортового усилителя при этом будет высокой, поскольку усиление схемы обеспечивается не за счет паразитных реактивностей усилительного элемента и паразитных реактивностей монтажа схемы, а за счет положительной обратной связи, формируемой с помощью отводов конструктивной индуктивности. Влияние при этом самих паразитных реактивностей на глубину положительной обратной связи мало. Глубина положительной обратной связи рассчитывается один раз с учетом параметров самого активного элемента и/или напряжения управления постоянного тока, и в процессе эксплуатации не изменяется, что обеспечивает стабильность работы схемы. Можно рассчитать и обеспечить требуемую глубину положительной обратной связи, как в микроволновом, так и в радиочастотном диапазоне длин волн, при этом, совершенно не опираясь на значения паразитных реактивностей схемы. Усиление принимаемого радиочастотного или микроволнового сигнала и его обратное излучение позволит улучшить качественные показатели радиотехнической системы в целом. В частности, можно существенно увеличить дальность действия радиотехнической системы. Кроме того, рассчитав и проверив экспериментально один раз расположение отводов конструктивной индуктивности и выбрав один раз параметры самого полевого транзистора и/или параметры напряжения управления постоянного тока можно избежать процедуры настройки усилителя при его массовом производстве.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройстве-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в формировании параметров усилителя за счет паразитных реактивностей усилительного элемента и паразитных реактивностей монтажа схемы, невозможно обеспечить стабильную работу схемы и повторяемость результатов. Каждый усилитель-прототип при этом требует индивидуальной настройки, что является совершенно непригодным при его массовом производстве. Кроме этого, указанный усилитель-прототип можно реализовать только в микроволновом диапазоне длин волн, где влияние паразитных реактивностей велико.
Заявляемый однопортовый резонансный транзисторный усилитель можно реализовать по схеме, показанной на фиг. 1а, б, в и г.
Однопортовый резонансный транзисторный усилитель состоит из клеммы подачи и съема радиочастотных или микроволновых сигналов 1 (фиг. 1а, б, в и г), конструктивной индуктивности с отводами 2 (фиг. 1а, б, в и г), полевого транзистора 3 с одним затвором (фиг. 1а, в и г) или двумя затворами (фиг. 1б), блокировочного конденсатора 4 (фиг. 1а, б, в и г), клеммы подачи напряжения питания 5 (фиг. 1а, б, в и г), резонансного конденсатора 6, устанавливаемого опционально (фиг.1а, б, в и г), клеммы подачи напряжения управления постоянного тока 7 (фиг. 1б, в и г), развязывающего сопротивления 8 (фиг. 1в и г), разделительного конденсатора 9 (фиг.1в и г) и балластного сопротивления 10 (фиг.1г), причем конструктивная индуктивность выполнена либо в качестве катушки индуктивности с отводами (выводами) известного диаметра, известной длины и с известным количеством витков, либо в качестве отрезка микрополосковой линии с отводами (выводами) известной ширины, известной толщины подложки и известной длины, при этом конструктивная индуктивность имеет четыре вывода.
При этом первый вывод конструктивной индуктивности 2 соединен с общим проводом (фиг. 1а, б, в и г), второй вывод конструктивной индуктивности 2 соединен либо с истоком полевого транзистора 3 (фиг. 1а, б и в), либо с первым выводом балластного сопротивления 10 и с первой обкладкой разделительного конденсатора 9, вторая обкладка которого соединена со вторым выводом балластного сопротивления 10, с истоком полевого транзистора 3 и с первым выводом развязывающего сопротивления 8, второй вывод которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 7 (фиг.1г), третий вывод конструктивной индуктивности 2 соединен с клеммой подачи и съема радиочастотных или микроволновых сигналов 1 (фиг. 1а, б, в и г), при этом четвертый вывод конструктивной индуктивности 2 соединен с затвором полевого транзистора 3 (фиг. 1а и г), или с первым затвором полевого транзистора 3, второй затвор которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 7 (фиг.1б), или с первым выводом разделительного конденсатора 9, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора 3 и с первым выводом развязывающего сопротивления 8, второй вывод которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 7 (фиг.1в), при этом сток полевого транзистора 3 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 4 и с клеммой подачи напряжения питания 5, а второй вывод блокировочного конденсатора 4 соединен с общим проводом (фиг. 1а, б, в и г), при этом опционально, первая обкладка резонансного конденсатора 6 соединена с общим проводом, а его вторая обкладка соединена с четвертым выводом конструктивной индуктивности 2 (фиг.1а, б, в и г).
Работает однопортовый резонансный транзисторный усилитель следующим образом.
Радиочастотный или микроволновый сигнал через клемму 1 поступает на третий вывод конструктивной индуктивности 2, первый вывод которой соединен с общим проводом (фиг.1а, б, в и г). На четвертом выводе конструктивной индуктивности 2 наводится при этом увеличенный по амплитуде радиочастотный или микроволновый сигнал (напряжение), синфазный с входным сигналом, который поступает на затвор полевого транзистора 3 (первый затвор двухзатворного полевого транзистора 3) либо напрямую (фиг.1а, б и г), либо через разделительный конденсатор 9 (фиг. 1в). Это напряжение радиочастотного или микроволнового диапазона вызывает появление синфазного тока через канал полевого транзистора 3, который частично протекает через конструктивную индуктивность 2 за счет соединения истока полевого транзистора 3 со вторым выводом конструктивной индуктивности 2, либо непосредственно (фиг. 1а, б и в), либо через разделительный конденсатор 9, параллельно которому подключено балластное сопротивление 10 (фиг. 1г). При этом ток через конструктивную индуктивность 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным с входньм сигналом (напряжением). Другими словами реализуется положительная обратная связь и происходит усиление сигналов радиочастотного или микроволнового диапазонов длин волн. Максимальной величины усиление схемы достигает на резонансе колебательной системы, образованной конструктивной индуктивностью 2 и входной емкостью полевого транзистора 3.
Выходной усиленный радиочастотный или микроволновый сигнал снимают с того же третьего вывода конструктивной индуктивности 2 и подают на клемму 1. При этом положение третьего вывода конструктивной индуктивности 2 выбирают с точки зрения согласования входного/выходного сопротивления усилителя с волновым сопротивлением входного/выходного фидера и/или сопротивлением нагрузки. Входные и выходные радиочастотные или микроволновые сигналы либо не разделяют между собой вовсе, в случае, когда к клемме 1 подключена, например, приемопередающая антенна радиотехнической системы, либо разделяют любым известным методом, например с помощью направленного ответвителя или циркулятора.
Блокировочный конденсатор 4 служит для соединения стока полевого транзистора 3 по переменному току с общим проводом. Напряжение питания усилителя подают через клемму 5 на сток полевого транзистора 3.
Принципиальная схема заявляемого однопортового усилителя напоминает традиционный генератор высокочастотных колебаний, построенный по схеме индуктивной трехточ-ки. Однако в заявляемом усилителе отводы конструктивной индуктивности 2 и параметры полевого транзистора 3 подобраны таким образом, чтобы условие самовозбуждения схемы не выполнялось и генерация сигналов, следовательно, не наступала (фиг. 1а). Другим способом срыва процесса генерации сигналов (невыполнения условия самовозбуждения схемы) может быть подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 7 на второй затвор полевого транзистора 3 (фиг. 1б), либо подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 7 и через развязывающее сопротивление 8, при условии наличия разделительного конденсатора 9, на затвор полевого транзистора 3 (фиг. 1в), либо подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 7 и через развязывающее сопротивление 8, при условии наличия разделительного конденсатора 9 и балластного сопротивления 10, на исток полевого транзистора 3 (фиг. 1г). При этом чем точнее и ближе само расположение второго вывода конструктивной индуктивности 2, параметры полевого транзистора 3 и значение управляющего напряжения, подаваемого на клемму 7, соответствуют выполнению условию самовозбуждения усилителя, тем больше коэффициент усиления усилителя. Представляется следующий путь выбора указанных параметров. Определяется критический режим работы схемы усилителя, при котором начинает выполняться условие самовозбуждения схемы, после чего один из указанных параметров, если это возможно, изменяют, например, на 10% в сторону срыва процесса генерации. При этом обеспечивают стабильную работу усилителя в широком диапазоне изменения дестабилизирующих факторов и при широком разбросе параметров электронных компонентов схемы усилителя при его массовом производстве. Экспериментально было установлено, что коэффициент усиления заявляемого однопортового усилителя достигал величины 20...25 дБ при условии его стабильной работы. В отдельных случаях удавалось получить больший коэффициент усиления, однако работа такого усилителя становилась нестабильной и наблюдался эффект зависимости выполнения условия самовозбуждения схемы от уровня входного сигнала.
Дополнительно, параллельно конструктивной индуктивности 2 (к ее первому и четвертому выводам) можно подключить резонансный конденсатор 6. С помощью этого конденсатора можно обеспечить настройку схемы усилителя на рабочую частоту, достигая при этом максимального усиления именно на этой частоте. Однако следует иметь в виду тот факт, что резонансный конденсатор 6 уменьшает добротность колебательной системы, а, следовательно, и коэффициент усиления однопортового усилителя. В этом случае представляется целесообразным проектировать однопортовый усилитель без резонансного конденсатора.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности строить простые, надежные, стабильные в работе и потребляющие малое количество энергии однопортовые усилители радиочастотных или микроволновых сигналов. Наиболее целесообразно применять подобные усилители, например, в активных транспондерах, как это было описано, например, в заявке на патент Украины № а201100198 от 05.01.2011 МПК G01R 29/08 "Способ увеличения дальности действия системы многоабонентной радиочастотной идентификации".
Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью использования заявляемого однопортового усилителя вместо традиционных двухпортовых усилителей, подключая к нему в этом случае, например, циркулятор. Простота конструкции, надежность в работе, малое потребление энергии в сочетании с малым уровнем собственных шумов делает заявляемый однопортовый усилитель исключительно полезным во всех областях радиотехники.