МУЛЬТИВИБРАТОР НА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ RC- СТРУКТУРЕ

Полезная модель относится к области радиотехники и может использоваться как для создания приемо-передающей аппаратуры, так и для измерения электрофизических характеристик среды распространения сигнала.
Известны устройства генерации радиосигналов для осуществления радиосвязи [Важенина З.П., Пудриков Э.В. Транзисторные генераторы импульсов миллисекундного диапазона. М.: Сов. Радио. 1974, 120 с.; патент SU 1827029, МПК G01R 27/26, опубл. 07.07.1993]. Известен мультивибратор по авторскому свидетельству №1429297 [МПК Н03К 3/282, опубл. 07.10.1988], построенный на двух полевых транзисторах, четырех резисторах и конденсаторе, обеспечивающих получение радиосигнала, пропорционального измеряемой емкости. А также мультивибратор по патенту РФ 2547215 [МПК Н03К 3/281, опубл. 10.04.2015], содержащий четыре транзистора, шесть резисторов и четыре конденсатора и обеспечивающий регулирование параметров выходного импульсного сигнала.
Известные мультивибраторы строятся на полупроводниковых структурах, имеющих низкую устойчивость к электромагнитным излучениям с короткой длиной волны, их выходы плохо согласуются с входными сопротивлениями антенн, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия (КПД) этих антенн.
В устройстве, взятом за прототип, достигаемый технический результат заключается в обеспечении регулирования параметров выходного импульсного сигнала: скважности, частоты следования импульсов или длительности импульсов внешними сигналами. Мультивибратор по патенту РФ 2547215 [МПК Н03К 3/281, опубл. 10.04.2015] содержит два транзистора, два коллекторных резистора, два переходных конденсатора, каждый из которых соединен с коллектором одного и с базой другого транзистора, дополнительно снабжен двумя транзисторами, двумя коллекторными резисторами и двумя резисторами питания баз дополнительных транзисторов, при этом дополнительные транзисторы соединены эмиттерами с базами основных транзисторов, а базами и коллекторами соответственно через резисторы питания баз и коллекторные резисторы с источником питания.
Недостатком схемы-прототипа является ее относительная сложность и плохое согласование с антенной при использовании для передачи сообщений.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в устранении недостатков прототипа, повышении КПД излучения сигнала, повышении стойкости к внешним электромагнитным возмущениям, увеличении стабильности работы мультивибратора.
Технический результат достигается тем, что в мультивибраторе, содержащем два биполярных транзистора и резистор, согласно полезной модели дополнительно введен биполярный диод, соединяющий шину питания с коллектором второго транзистора, а также распределенная RC-структура, имеющая эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость 200…230, биполярные транзисторы имеют разный тип проводимости и охвачены положительной обратной связью.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, взятого за прототип. На фиг. 2 приведена принципиальная схема заявленного мультивибратора.
Мультивибратор (фиг. 2) состоит из биполярного диода 1, распределенной RC-структуры 2, биполярных транзисторов 3 и 4 разного типа проводимости и резистора 5, подключенного к эмиттеру биполярного транзистора 4. Биполярные транзисторы 3 и 4 охвачены положительной обратной связью путем соединения базы одного транзистора с коллектором второго. Биполярный диод 1, соединяющий шину питания с коллектором транзистора 4, обеспечивает мягкое самовозбуждения мультивибратора.
Схема мультивибратора работает следующим образом. При подключении к источнику электропитания за счет положительной обратной связи происходит включение транзисторов 3 и 4. При этом через диод 1 будет протекать значительный ток, вызывая увеличение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 3. При протекании тока через распределенную RC-структуру 2 падение напряжения на ней будет со временем расти, а через антенну 6 будет излучаться радиосигнал. Так как диод 1 имеет нелинейную характеристику, то изменяться падение напряжения на нем будет слабо. В результате напряжение на переходе база-эмиттер транзистора 3 будет уменьшаться, что, в конечном счете, приведет к закрытию транзистора 3. При закрытии транзистора 3 его ток коллектора снизится до такого уровня, что приведет к закрытию транзистора 4. Падение напряжения на распределенной RC-структуре 2 будет уменьшаться за счет внутреннего разряда. В результате оно уменьшится до такого значения, что результирующее напряжение на переходе база-эмиттер транзистора 3 вызовет открывание этого транзистора и, соответственно, транзистора 4. В результате через распределенную RC-структуру 2 будет протекать переменный сигнал.
Для выяснения условий оптимальной работы мультивибратора рассмотрим его математическую модель.
Эквивалентную матрицу мультивибратора найдем перемножением трех матриц:
a
ij
1
где  - элементы матрицы источника сигнала; R1 и R2 - номиналы резисторов, указанных на расчетной схеме (1), Ом; RT - эквивалентное отрицательное сопротивление электронной схемы, обеспечивающее ее автоколебательный режим; Z - волновое сопротивление распределенной RC-структуры, Ом;  - коэффициент распространения, , ω - круговая частота, R (Ом) и С (Ф) - эквивалентные сопротивление и емкость распределенной RC-структуры;  - длина распределенной RC-структуры, м.
22
Для обеспечения режима генерации необходимо, чтобы в матрице мультивибратора было а=1. Осуществляя перемножение матриц в последней формуле, получим характеристическое уравнение схемы (1) в виде:
Представляя величину  в комплексной форме , а затем, подставляя в последнюю формулу и выделяя действительную и мнимую часть, получим
1
-1
Семейство решений системы уравнений (3-4) представлены на фиг. 3 и 4. Исключая тривиальное решение последнего выражения, первым решением будет α=π. Границу устойчивости автоколебаний определяет параметр β=Z(RT). Для обеспечения устойчивости автоколебаний необходимо, чтобы выполнялся баланс фаз и баланс амплитуд. На фиг. 3 и 4 приведены мнимое и действительное решения последней системы уравнений. Как видно из представленных фиг. 3 и 4, устойчивому решению соответствуют значения параметров α=π и β<-1
Для реальной схемы мультивибратора условию обеспечения стабильности автоколебаний генератора по критерию А. Гурвица отвечают параметры α=π, β=-2. Тогда частота автоколебаний ƒ=ω/2π будет определяться как
Емкость распределенной RC-структуры можно представить в виде
а
0
0
9
-1
где А - конструктивный параметр распределенной RC-структуры, ε=εε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (ε=(36π⋅10), ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала распределенной RC-структуры.
Тогда активное сопротивление распределенной RC-структуры представимо в виде
где А - тот же конструктивный параметр, что и в формуле (6), σ - удельная электропроводность среды.
Отсюда частота автоколебаний источника сигнала определится как
Среду, подстилающую антенну, представляем распределенной RC-структурой, а частоту генератора определяем через электрофизические параметры этой среды. В результате получим зависимость частоты мультивибратора от относительной диэлектрической проницаемости ε и удельной электропроводности подстилающей среды σ.
Максимум входного сопротивления антенны достигается при значении параметра р=11, который определяется из выражения
Подставляя формулу (8) в выражение (9), получим, что максимум излучения достигается при
Этому значению относительной диэлектрической проницаемости ε соответствует наивысший КПД, излучаемой мощности антенной 6
Природные минералы с такой диэлектрической проницаемостью ε практически не встречаются. Однако искусственно можно получить твердотельную керамику, отличающуюся высокой диэлектрической проницаемостью. Известна титаносодержащая керамика, обладающая высокими значениями диэлектрической проницаемости (см. книгу Рене В.Т. Электрические конденсаторы. Л.: Энергия, 1969, 591 с.). Перспективным выглядит использование керамики СВТ (стронций-висмут-титанат), для которой характерна электронно-релаксационная поляризация, у которой тангенс угла потерь на порядок ниже, чем у сегнетоэлектриков, и отсутствует точка Кюри. Кроме того, высокую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые полупроводниковые соединения (например, теллуриды металлов, имеющие относительную диэлектрическую проницаемость более 400, как указывается в статье Жемчужина Е.А. и др. Свойства p-n-переходов в теллуриде свинца // Радиотехника и электроника. 1970, С. 546-550).
Высокоэффективный излучатель радиосигнала, представленный на фиг. 2, занимает малые геометрические размеры. Его легко получить в виде интегральной микросхемы. Поэтому предлагаемые излучатели радиосигнала могут использоваться в качестве переносных устройств радиосвязи.
Дополнительный положительный эффект заключается в возможности создания экономичных излучателей радиосигнала в интегральном (миниатюрном) исполнении.