ПЕРЕМЕННАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ

Предлагаемая полезная модель относится к области схемотехники и предназначена для использования в составе перестраиваемых электронных устройств.
В патенте RU 2384910 представлена катушка индуктивности, управляемая электрическим полем. Управление значением индуктивности осуществляется с помощью сердечника, в качестве которого используется кремниевая структура. Свойства сердечника изменяются под воздействием приложенного электрического поля, при этом обеспечивается плавное управление значением индуктивности катушки. Недостатками предложенной конструкции являются малый диапазон перестройки значений индуктивности и большие габаритные размеры.
Известны малогабаритные конструкции переменных индуктивностей. В статье J. Lou, D. Reed, М. Liu, и N.X. Sun, Electrostatically tunable magnetoelectric inductors with large inductance tunability, опубликованной в Applied Physics Letters V. 94, N. 11 в 2009 г., представлена магнитоэлектрическая переменная индуктивность на основе композитного сердечника из мультиферроика. Предложенная конструкция имеет широкий диапазон перестройки значений индуктивности и малые габаритные размеры. Недостатком реализации магнитоэлектрической переменной индуктивности является ее низкая добротность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является переменная переключаемая индуктивность, которая описана в патенте US П №7893786. Переменная индуктивность реализуется с помощью электрической цепи на основе параллельного соединения двух индуктивностей и выключателя (ключа), подключающего или отключающего одну из индуктивностей. Полная индуктивность цепи равна отношению произведения значений двух индуктивностей к их сумме, когда ключ замкнут, или значению одной индуктивности, когда ключ разомкнут. В качестве ключа предлагается использовать полевой транзистор или диод. Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности плавного изменения значения индуктивности.
Технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание малогабаритной переменной индуктивности с возможностью плавного изменения ее значения и с высокой добротностью.
пер
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что предложенная модель, также как и известная содержит индуктивность L1. Но, в отличие от известного прототипа, последовательно с индуктивностью L1 включено параллельное соединение конвертора отрицательного импеданса (КОИ) и конденсатора с переменной емкостью С.
В заявляемой переменной индуктивности параллельное соединение конвертора отрицательного импеданса и конденсатора с переменной емкостью представляет собой отрицательную переменную индуктивность, значение которой по абсолютной величине меньше, чем значение индуктивности L1.
Достигаемым техническим результатом является возможность плавного изменения значения индуктивности при сохранении высокой добротности и возможность реализации малогабаритной конструкции переменной индуктивности.
Технический результат достигается за счет использования параллельного соединения КОИ и конденсатора с переменной емкостью. Из статьи Sussman-Fort, S.E. и Rudish R.M. Non-Foster impedance matching of electrically-small antennas, опубликованной в IEEE Transactions on Antennas and Propagation, V. 57, N. 8. в 2009 г., известно, что отрицательная реактивность, реализованная с использованием конвертора отрицательного импеданса может иметь высокую добротность. Поскольку предлагаемая полезная модель содержит последовательное соединение индуктивности с высокой добротностью и переменную отрицательную индуктивность, образованную параллельным соединением КОИ и конденсатора с переменной емкостью, то общая схема имеет высокую добротность.
Совокупность существенных признаков, изложенных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором конденсатор с переменной емкостью выполнен в виде варикапа VD1. Варикап изменяет свою емкость под действием приложенного напряжения, что позволяет реализовать переменную индуктивность, управляемую электрически.
Совокупность существенных признаков, изложенных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором конвертор отрицательного импеданса выполнен в виде двух транзисторов, база транзистора VT1 подключена к выходной цепи и коллектору транзистора VT2, база которого подключена к входной цепи и коллектору VT1, а эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 подключены к общему проводу через сопротивления R1 и R2, соответственно.
Предлагаемое схемотехническое решение позволяет реализовать переменную индуктивность с малыми габаритными размерами по технологии гибридных печатных плат с элементами поверхностного монтажа или в монолитном исполнении.
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1. Эквивалентная схема переменной индуктивности.
Фиг. 2. Эквивалентная схема переменной индуктивности с использованием варикапа.
Фиг. 3. Эквивалентная схема переменной индуктивности с конвертором отрицательного импеданса, выполненным по схеме Линвилла.
Фиг. 4. Эквивалентная схема переменной индуктивности с использованием варикапа и КОИ, выполненным по схеме Линвилла.
Фиг. 5. График частотной зависимости входного импеданса схемы, показанной на фиг. 4.
Фиг. 6. График частотной зависимости эквивалентной индуктивности схемы, показанной на фиг. 4.
Фиг. 7. График частотной зависимости добротности схемы, показанной на фиг. 4.
отр
отр
пер
Эквивалентная схема заявляемой переменной индуктивности представляет собой последовательное соединение постоянной индуктивности и переменной отрицательной индуктивности, образованной параллельным соединением конвертора отрицательного импеданса и конденсатора с переменной емкостью. Последовательное соединение индуктивности L1 и переменной отрицательной индуктивности L, позволяет реализовать переменную индуктивность при условии |L|<L1. Изменение значения емкости конденсатора С ведет к изменению входного импеданса электрической цепи и, соответственно, изменению значения ее эквивалентной индуктивности.
Эквивалентная схема переменной индуктивности с конвертором отрицательного импеданса, выполненным по схеме Линвилла, представленной в статье J.G. Linvill, Transistor negative-impedance converters, опубликованной в Proceedings of the IRE, V. 41, N. 6 в 1953 г., показана на фиг. 3.
вх
вх
вх
вх
Работу устройства рассмотрим на примере переменной индуктивности, представленной на фиг. 4, где конденсатор с переменной емкостью выполнен в виде варикапа VD1, и конвертор отрицательного импеданса выполнен по схеме Линвилла. Эквивалентная индуктивность устройства определяется мнимой частью входного импеданса цепи Z в соответствии с формулой L=Im(Z)/ω, где ω - круговая частота. В свою очередь добротность определяется отношением мнимой части входного импеданса к его вещественной части: Q=Im(Z)/Re(Z).
вх
вх
отр
отр
отр
Конвертор отрицательного импеданса преобразует сопротивление варикапа VD1, имеющего емкостный характер, таким образом, что частотная зависимость мнимой части Im(Z) входного импеданса соответствует отрицательной индуктивности (линейно убывает с ростом частоты). При этом вещественная часть Re(Z) входного импеданса приобретает отрицательные значения. Таким образом, активная цепь на основе конвертора отрицательного импеданса и емкостного элемента, включенного в нагрузку КОИ, образует отрицательную индуктивность и последовательное отрицательное сопротивление R Отрицательное сопротивление компенсируется с помощью последовательно включенного резистора R3>R, вследствие чего вещественная часть входного импеданса принимает значение близкое к нулю, что свидетельствует о высокой добротности. Управление значением индуктивности осуществляется с помощью варикапа. При подаче напряжения смещения на варикап изменяется его емкость. Изменение емкости варикапа ведет к изменению входного сопротивления активной цепи и, соответственно, изменению значения отрицательной индуктивности. Последовательное соединение индуктивности L1 с цепью, реализующей переменную отрицательную индуктивность |L|<L1, эквивалентно переменной индуктивности. Диапазон изменения значения индуктивности определяется диапазоном изменения значений емкости варикапа.
0
макс
Управляемость заявленной конструкции иллюстрируют фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7, где представлены частотные зависимости соответственно входного импеданса, эквивалентной индуктивности и добротности схемы при нулевом управляющем напряжении (соответствует U на графиках) и при увеличении напряжения смещения варикапа до максимального значения (U). Параметры схемы рассчитаны для работы в диапазоне 50-200 МГц. В рабочей полосе частот значение добротности переменной индуктивности принимает значения 16-48, что сопоставимо с типовыми значениями добротности постоянных индуктивностей поверхностного монтажа (8-40).
Таким образом, заявляемая конструкция переменной индуктивности позволяет плавно изменять значение индуктивности, обладает высокой добротностью и малыми габаритами.