КАСКАДНЫЙ ОДНОПОРТОВЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCADE SINGLE-PORT RESONANCE TRANSISTOR AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники, и может применяться для построения радиотехнических и телекоммуникационных систем различного назначения. Экспериментально удалось показать, что особенно полезным является использование такого каскадного однопортового усилителя при построении приемо-передающих устройств, например, транспондеров, функциями которых являются прием, обработка, и переизлучение радио- или сверхвысокочастотных сигналов в направлении антенной системы считывающего устройства.
Достаточно известным является, например, однопортовый микроволновой транзисторный усилитель, описанный в статье 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, и представляющий собой полевой транзистор, в цепь истока которого включена положительная обратная связь. Вся работа такого однопортового усилителя обусловлена наличием паразитных индуктивностей и емкостей используемого полевого транзистора, которые в совокупности с внешними конструктивными индуктивностями обеспечивают положительную обратную связь и синфазное суммирование сигналов на входной клемме. Однако все приведенные теоретические расчеты и выводы говорят о том, что настройка такого усилителя является трудоемким процессом, поскольку рассчитать влияние всех паразитных элементов в заданном рабочем диапазоне частот практически невозможно.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению можно отнести однопортовый резонансный транзисторный усилитель, описанный в заявке на патент Украины № а 2011 14351 от 05.12.2011. Данный усилитель отличается простотой конструкции, является легко настраиваемым и стабильным устройством, обеспечивающим усиление в радиочастотном и микроволновом диапазонах. Однако коэффициент усиления такого однопортового резонансного транзисторного усилителя в условиях отсутствия генерации не превышает 20 дБ, что является невысоким показателем, и отрицательно сказывается на дальности действия системы в целом. Стремление обеспечить больший коэффициент усиления, предполагает использование транзистора с большей крутизной, что, в свою очередь, предполагает регулировку режима работы транзистора по постоянному току. В тоже время, желательно строить усилитель с использованием стандартных элементов, и полностью исключить процесс его регулировки.
В основу изобретения была поставлена задача повышения коэффициента усиления однопортового резонансного транзисторного усилителя при условии его стабильной работы, функционирующего в радиочастотном и микроволновом диапазонах, и исключения процедуры регулировки такого усилителя. Поставленная цель достигается тем, что:
1. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель, содержащий полевой транзистор, конструктивную индуктивность с отводами, блокировочный конденсатор, клемму подачи и снятия входного/выходного сигналов, клемму подачи напряжения питания, и опционально, конденсатор, настраивающий резонансную систему, отличающийся тем, что в схему однопортового резонансного транзисторного усилителя добавлен второй полевой транзистор, вторая конструктивная индуктивность с отводом известного диаметра, известной длины и с известным количеством витков, либо, используемый в качестве индуктивности, отрезок микрополосковой линии с отводами (выводами) известной ширины, известной толщины подложки и известной длины, опционально второй конденсатор, настраивающий резонансную систему, причем сток второго полевого транзистора соединен со стоком первого полевого транзистора, затвор второго полевого транзистора соединен с первым выводом второй конструктивной индуктивности, а также с истоком первого полевого транзистора, исток второго полевого транзистора соединен со вторым выводом второй конструктивной индуктивности, а третий вывод второй конструктивной индуктивности подключен к общему проводу, причем обе конструктивные индуктивности и параметры всех полевых транзисторов подобраны таким образом, чтобы генерация сигналов не выполнялась.
2. Однопортовый резонансный транзисторный усилитель по п. 2, отличающийся тем, что в схему по п. 1 добавлен третий, и так далее, полевой транзистор, третья, и так далее, конструктивная индуктивность с отводом известного диаметра, известной длины и с известным количеством витков, либо, используемый в качестве индуктивности, отрезок микрополосковой линии с отводами (выводами) известной ширины, известной толщины подложки и известной длины, опционально третий, и так далее, конденсатор, настраивающий резонансную систему, причем сток третьего, и так далее, полевого транзистора соединен со стоком второго, и так далее, полевого транзистора, а также со стоком первого полевого транзистора, затвор третьего, и так далее, полевого транзистора соединен с истоком второго, и так далее, полевого транзистора, а также с первым выводом третьей, и так далее, конструктивной индуктивности, исток третьего, и так далее, полевого транзистора соединен со вторым выводом третьей, и так далее, конструктивной индуктивности, а третий вывод третьей, и так далее, конструктивной индуктивности подключен к общему проводу, причем конструктивные индуктивности и параметры всех полевых транзисторов подобраны таким образом, чтобы генерация сигналов не выполнялась.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными прототипами показывает, что заявляемый каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель обладает новыми свойствами, заключающимися в существенно повышенном коэффициенте усиления (порядка 40 дБ и более), что позволяет использовать его в радиотехнических системах различного назначения, например, системах радиочастотной идентификации, что обеспечивает повышенную дальность их действия. Причем активный элемент усилителя выбирается стандартным, а рабочий режим транзистора по постоянному току выбирают таким, чтобы усиления каждого транзисторного каскада было небольшим, что исключает дополнительную настройку усилителя и обеспечивает его стабильную работу. Повышенный коэффициент усиления достигается каскадным включением регенеративных усилителей, реализованных по идентичным схемам. Количество подключаемых каскадов может быть произвольным, но как показывает опыт, обычно оно ограничивается двумя-тремя. Большее число каскадов в таком усилителе приводит к повышению общего коэффициента усиления (от 40 и выше), что в свою очередь, приводит к неустойчивой работе усилителя в составе транспондера радиотехнической системы в целом.
Заявляемый каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель можно реализовать по схемам, показанным на фиг. 1а, б.
Каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель содержит клемму подачи и съема радиочастотных или микроволновых сигналов 1 (фиг. 1а, б), первую конструктивную индуктивность с отводами 2 (фиг. 1а, б), первый полевой транзистор 3 (фиг. 1а, б), блокировочный конденсатор 4 (фиг. 1а, б), клемму подачи напряжения питания 5 (фиг. 1а, б), первый резонансный конденсатор 6, устанавливаемый опционально, вторую конструктивную индуктивность с отводами 7 (фиг. 1а, б), второй полевой транзистор 8 (фиг. 1а, б), второй резонансный конденсатор 9 (фиг. 1а, б), устанавливаемый опционально, третью конструктивную индуктивность с отводами 10 (фиг.1б), третий полевой транзистор 11 (фиг. 1б), третий резонансный конденсатор 12 (фиг. 1б), устанавливаемый опционально.
При этом первый вывод первой конструктивной индуктивности 2 соединен с клеммой подачи и съема входных сигналов 1 (фиг.1а, б), второй вывод первой конструктивной индуктивности 2 соединен с затвором первого полевого транзистора 3 (фиг. 1а, б), а также с первой обкладкой первого резонансного конденсатора 6 (фиг.1а, б), устанавливаемого опционально, третий вывод первой конструктивной индуктивности 2 соединен с истоком первого полевого транзистора 3 (фиг. 1а, б), а также с первым выводом второй конструктивной индуктивности 7 (фиг.1а, б), при этом четвертый вывод первой конструктивной индуктивности 2 соединен с общим проводом (фиг. 1а, б), а также со второй обкладкой первого резонансного конденсатора 6 (фиг.1а, б), причем первый вывод второй конструктивной индуктивности 7 подключен к истоку первого полевого транзистора 3 (фиг.1а, б), а также к затвору второго полевого транзистора 8 (фиг.1а, б), и к первой обкладке второго резонансного конденсатора 9 (фиг. 1а, б), устанавливаемого опционально, второй вывод второй конструктивной индуктивности 7 подключен к истоку второго полевого транзистора 8 (фиг.1а, б), а третий вывод второй конструктивной индуктивности 8 подключен к общему проводу (фиг. 1а, б), а также ко второй обкладке второго резонансного конденсатора 9 (фиг. 1а, б), при этом первый вывод третьей конструктивной индуктивности 10 соединен с истоком второго полевого транзистора 8 (фиг. 1б), а также с затвором третьего полевого транзистора 11 (фиг. 1б), и с первой обкладкой третьего резонансного конденсатора 12 (фиг.1б), устанавливаемого опционально, второй вывод третьей конструктивной индуктивности 10 подключен к истоку третьего полевого транзистора 11 (фиг. 1б), а третий вывод третьей конструктивной индуктивности 10 подключен к общему проводу (фиг.1б), а также ко второй обкладке третьего резонансного конденсатора 12 (фиг. 1б), устанавливаемого опционально, при этом сток первого полевого транзистора 3 соединен со стоком второго полевого транзистора 7, а также с первой обкладкой блокировочного конденсатора 4, а также с клеммой подачи напряжения питания (фиг.1а, б), либо сток первого полевого транзистора 3 соединен со стоком второго полевого транзистора 7, а также со стоком третьего полевого транзистора, и с первой обкладкой блокировочного конденсатора 4, а также с клеммой подачи напряжения питания (фиг. 1б), причем вторая обкладка блокировочного конденсатора 4 соединена с общим проводом.
Работает каскадный однопортовый резонансный транзисторный усилитель следующим образом.
Радиочастотный или микроволновый сигнал через клемму 1 поступает на первый вывод первой конструктивной индуктивности 2, четвертый вывод которой соединен с общим проводом (фиг.1а, б). На втором выводе конструктивной индуктивности 2 наводится при этом увеличенный по амплитуде радиочастотный или микроволновый сигнал (напряжение), синфазный с входным сигналом, который поступает на затвор первого полевого транзистора 3. Это напряжение радиочастотного или микроволнового диапазона вызывает появление синфазного тока через канал первого полевого транзистора 3, который частично протекает через первую конструктивную индуктивность 2 за счет соединения истока первого полевого транзистора 3 с третьим выводом первой конструктивной индуктивности 2. При этом ток через конструктивную индуктивность 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным с входным сигналом (напряжением). Другими словами реализуется положительная обратная связь и происходит усиление сигналов радиочастотного или микроволнового диапазонов длин волн. Причем наличие тока в истоке первого полевого транзистора вызывает аналогичные процессы в последующих каскадах.
Выходной усиленный радиочастотный или микроволновый сигнал снимают с того же первого вывода первой конструктивной индуктивности 2 и подают на клемму 1. Блокировочный конденсатор 4 служит для соединения стоков полевых транзисторов по переменному току с общим проводом.
Дополнительно, параллельно конструктивным индуктивностям можно подключить резонансный конденсатор. С помощью этого конденсатора можно обеспечить настройку схемы усилителя на рабочую частоту, достигая при этом максимального усиления именно на этой частоте.
Результаты симуляции каскадного однопортового резонансного транзисторного усилителя, построенного на двух каскадах, в программном пакете "Microwave Office" представлены на фиг. 2.
При построении трех и более каскадов можно получить любое усиление, вплоть до 100 дБ и более, что подтвердилось при симуляциях работы усилителя в программной среде "Microwave Office", обеспечивающей идеальность характеристик источника микроволнового сигнала и развязывающих устройств. Но мы должны понимать, что в реальной конструкции такой усилитель работать не будет, поскольку обеспечить идеальные характеристики источника микроволнового сигнала не представляется возможным.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с увеличением дальности действия радиотехнических систем в целом, а также в упрощении процесса регулировки транспондера системы в частности. При этом можно обеспечить надежное функционирование системы, например, радиочастотной идентификации при организации контроля и учета транспортных потоков на автомагистралях - дальность действия системы может быть существенно повышена, что исключит создание заторов на пропускных воротах.