RU2778244C1

RU2778244C1 - Multi-frequency recuperative transistor amplifier

Info

Publication number: RU2778244C1
Application number: RU2021116959A
Authority: RU
Inventors: Игорь Борисович Широков; Игорь Владимирович Сердюк; Елена Игоревна Широкова
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-08-16

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of radio engineering and can be applied in building telecommunications and radio engineering systems for various purposes, especially in the construction of input stages of receivers. Multi-frequency recuperative transistor amplifier comprises an input terminal, quadrature bridges, pairs of single-port resonant transistor amplifiers, and an output terminal. The input terminal is connected with the first input of a quadrature bridge. The fourth lead of the first quadrature bridge is connected with the first lead of the second quadrature bridge, and the fourth lead of the second quadrature bridge is connected with the first lead of the third quadrature bridge, etc. The fourth lead of the last quadrature bridge is connected with the output terminal of the multi-frequency recuperative transistor amplifier. The second and third quadrature leads of each quadrature bridge are connected with the inputs/outputs of the pair of single-port resonant transistor amplifiers. Each pair of single-port resonant transistor amplifiers is tuned to its own working frequency. The amount of quadrature bridges and, accordingly, pairs of single-port resonant transistor amplifiers is selected based on the required bandwidth of the multi-frequency recuperative transistor amplifier.

EFFECT: increase in the bandwidth of the recuperative transistor amplifier.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может применяться для построения радиотехнических и телекоммуникационных систем различного назначения. Особенно полезным (за счет широкой полосы пропускания, высокого коэффициента усиления, низких шумовых характеристик и низкого энергопотребления) является использование такого усилителя при построении входных каскадов радиоприемных устройств.The invention relates to the field of radio engineering and can be used to build radio engineering and telecommunications systems for various purposes. Especially useful (due to the wide bandwidth, high gain, low noise characteristics and low power consumption) is the use of such an amplifier when building the input stages of radio receivers.

Хорошо известным является, например, регенеративный микроволновый транзисторный усилитель, описанный в статье А.P. Venguer, J.L. Medina, R.A. Chavez, A. Velazquez, 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. Chavez, A. Velazquez, "Low Noise One-Port Microwave Transistor Amplifier, "Microwave and Optical Technology Letters, vol. 33, no. 2, pp.100-104, April 20, 2002, который представляет собой полевой транзистор, в цепь истока которого включена положительная обратная связь. Вся работа такого регенеративного 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.Well known is, for example, the regenerative microwave transistor amplifier described in A.P. Venguer, J.L. Medina, R.A. Chavez, A. Velazquez, A. Zamudio, G.N. Il'in "The Theoretical and Experimental Analysis of Resonant Microwave Reflection Amplifiers," Microwave Journal, vol. 47, no. 10, pp.80-93, October, 2004, or A.P. Venguer, J.L. Medina, R.A. Chavez, A. Velazquez, "Low Noise One-Port Microwave Transistor Amplifier," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 33, no. 2, pp.100-104, April 20, 2002, which is a field-effect transistor with positive feedback included in its source circuit. All operation of such a regenerative amplifier is due to the presence of parasitic inductances and capacitances of the field-effect transistor used, which, together with external constructive inductances, provide positive feedback and common-mode summation of signals at the input terminal. However, all the above theoretical calculations and conclusions indicate that the tuning of such an amplifier is a laborious process, since it is almost impossible to calculate the effect of all parasitic elements in a given operating frequency range.

Наиболее близким по технической сущности и принципу действия к предполагаемому изобретению является регенеративный транзисторный усилитель, описанный в патенте на изобретение №108321, Украина, МПК H03F 3/189, H03F 3/19, H03F 3/04, опубликованном 10.04.2015, бюл. №7/2015. Данный усилитель отличается простотой конструкции и стабильностью, является устройством, которое легко настраивается, и обеспечивает усиление сигналов в радиочастотном и микроволновом диапазонах.The closest in technical essence and principle of operation to the proposed invention is a regenerative transistor amplifier described in the patent for invention No. 108321, Ukraine, IPC H03F 3/189, H03F 3/19, H03F 3/04, published on 10.04.2015, bul. No. 7/2015. This amplifier is simple in design and stable, easy to set up, and amplifies RF and microwave signals.

Однако, поскольку регенеративный транзисторный усилитель имеет узкую полосу пропускания частот, определяемую частотами настройки однопортовых резонансных транзисторных усилителей, входящих в состав регенеративного транзисторного усилителя, то он не подходит для усиления широкополосных и импульсных сигналов.However, since the regenerative transistor amplifier has a narrow bandwidth, determined by the tuning frequencies of the single-port resonant transistor amplifiers included in the regenerative transistor amplifier, it is not suitable for amplifying wideband and pulsed signals.

В основу изобретения поставлена задача увеличения полосы пропускания регенеративного транзисторного усилителя. Поставленная цель достигается тем, что многочастотный регенеративный транзисторный усилитель, содержащий входную клемму, квадратурный мост, пару однопортовых резонансных транзисторных усилителей, выходную клемму, причем входная клемма соединена с первым входом квадратурного моста, квадратурные выходы которого соединены с входами/выходами однопортовых транзисторных усилителей, а четвертый выход квадратурного моста соединен с выходной клеммой усилителя,The invention is based on the task of increasing the bandwidth of a regenerative transistor amplifier. This goal is achieved in that the multi-frequency regenerative transistor amplifier contains an input terminal, a quadrature bridge, a pair of single-port resonant transistor amplifiers, an output terminal, and the input terminal is connected to the first input of the quadrature bridge, the quadrature outputs of which are connected to the inputs/outputs of single-port transistor amplifiers, and the fourth output of the quadrature bridge is connected to the output terminal of the amplifier,

отличающийся тем, что в схему усилителя добавлены дополнительные квадратурные мосты и соответственно дополнительные пары однопортовых транзисторных усилителей, причем четвертый вывод первого квадратурного моста соединен с первым выводом второго квадратурного моста, а четвертый вывод второго квадратурного моста соединен с первым выводом третьего квадратурного моста и так далее, а четвертый вывод последнего квадратурного моста соединен с выходной клеммой усилителя, а второй и третий квадратурные выводы каждого квадратурного моста соединены с входами/выходами пары однопортовых резонансных транзисторных усилителей, причем каждая пара однопортовых резонансных транзисторных усилителей имеет различные частоты настройки, а количество квадратурных мостов и, соответственно, пар однопортовых резонансных транзисторных усилителей выбирается исходя из требуемой полосы пропускания многочастотного регенеративного транзисторного усилителя.characterized in that additional quadrature bridges and, accordingly, additional pairs of single-port transistor amplifiers are added to the amplifier circuit, and the fourth terminal of the first quadrature bridge is connected to the first terminal of the second quadrature bridge, and the fourth terminal of the second quadrature bridge is connected to the first terminal of the third quadrature bridge, and so on, and the fourth terminal of the last quadrature bridge is connected to the output terminal of the amplifier, and the second and third quadrature terminals of each quadrature bridge are connected to the inputs/outputs of a pair of one-port resonant transistor amplifiers, each pair of one-port resonant transistor amplifiers having different tuning frequencies, and the number of quadrature bridges and, accordingly, a pair of single-port resonant transistor amplifiers is selected based on the required bandwidth of the multi-frequency regenerative transistor amplifier.

Сравнение предлагаемого устройства с уже известными устройствами и прототипом показывает, что заявляемое устройство выявляет новые технические свойства, которые заключаются: в достижении более широкой полосы пропускания за счет каскадного включения регенеративных транзисторных усилителей, настроенных каждый на свою полосу частот.Comparison of the proposed device with already known devices and the prototype shows that the claimed device reveals new technical properties, which are: in achieving a wider bandwidth due to the cascade connection of regenerative transistor amplifiers, each tuned to its own frequency band.

Эти свойства предполагаемого изобретения является новыми, так как в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в его узкополосности, невозможно добиться усиления без искажения формы импульсных и широкополосных сигналов.These properties of the proposed invention are new, since in the prototype method, due to its inherent shortcomings, which are its narrowband, it is impossible to achieve amplification without distorting the shape of pulsed and broadband signals.

Рассматриваемый многочастотный регенеративный транзисторный усилитель полностью сохраняет все полезные свойства описанного в прототипе регенеративного транзисторного усилителя, в частности, обладает сверхнизким уровнем шумов, высоким коэффициентом усиления полезного сигнала, малой потребляемой мощностью, и простотой конструкции.The considered multi-frequency regenerative transistor amplifier fully retains all the useful properties of the regenerative transistor amplifier described in the prototype, in particular, it has an ultra-low noise level, high gain of the useful signal, low power consumption, and simplicity of design.

Указанный многочастотный регенеративный транзисторный усилитель можно реализовать по схеме, приведенной на Фиг. 1.The specified multi-frequency regenerative transistor amplifier can be implemented according to the circuit shown in FIG. one.

Многочастотный регенеративный транзисторный усилитель состоит из входной клеммы 1, квадратурных мостов 2, 5 и 9, однопортовых резонансных транзисторных усилителей 3, 4, 6, 7, 10 и 11, выходной клеммы 8.Multi-frequency regenerative transistor amplifier consists of input terminal 1, quadrature bridges 2, 5 and 9, single-port resonant transistor amplifiers 3, 4, 6, 7, 10 and 11, output terminal 8.

Причем первый вывод первого квадратурного моста 2 соединен с входной клеммой 1, а второй вывод первого квадратурного моста 2 соединен со входом/выходом первого однопортового резонансного транзисторного усилителя 3, а третий вывод первого квадратурного моста 2 соединен со входом/выходом второго однопортового резонансного транзисторного усилителя 4, при этом первый и второй однопортовые резонансные транзисторные усилители образуют первую пару однопортовых усилителей, настроенную на первую частоту, при этом четвертый вывод первого квадратурного моста 2 соединен с первым выводом второго квадратурного моста 5, в то время как второй вывод второго квадратурного моста 5 соединен с входом/выходом третьего однопортового резонансного транзисторного усилителя 6, а третий вывод второго квадратурного моста 5 соединен с входом/выходом четвертого однопортового резонансного транзисторного усилителя 7, при этом третий и четвертый однопортовые резонансные транзисторные усилители образуют вторую пару однопортовых усилителей, настроенную на вторую частоту, при этом четвертый вывод второго квадратурного моста 5 соединен с первым выводом следующего квадратурного моста и так далее, при этом четвертый вывод предпоследнего квадратурного моста соединен с первым выводом последнего квадратурного моста, второй и третий квадратурные выходы которого соединены с входами/выходами последней пары однопортовых усилителей, настроенных на последнюю рабочую частоту, а четвертый выход последнего квадратурного моста соединен с выходной клеммой 8 многочастотного регенеративного транзисторного усилителя.Moreover, the first output of the first quadrature bridge 2 is connected to the input terminal 1, and the second output of the first quadrature bridge 2 is connected to the input/output of the first single-port resonant transistor amplifier 3, and the third output of the first quadrature bridge 2 is connected to the input/output of the second single-port resonant transistor amplifier 4 , wherein the first and second single-port resonant transistor amplifiers form a first pair of single-port amplifiers tuned to a first frequency, wherein the fourth terminal of the first quadrature bridge 2 is connected to the first terminal of the second quadrature bridge 5, while the second terminal of the second quadrature bridge 5 is connected to input/output of the third single-port resonant transistor amplifier 6, and the third output of the second quadrature bridge 5 is connected to the input/output of the fourth single-port resonant transistor amplifier 7, while the third and fourth single-port resonant transistor amplifiers form a second pair of one port amplifiers tuned to the second frequency, while the fourth output of the second quadrature bridge 5 is connected to the first output of the next quadrature bridge, and so on, while the fourth output of the penultimate quadrature bridge is connected to the first output of the last quadrature bridge, the second and third quadrature outputs of which are connected to inputs / outputs of the last pair of single-port amplifiers tuned to the last operating frequency, and the fourth output of the last quadrature bridge is connected to the output terminal 8 of the multi-frequency regenerative transistor amplifier.

Работает многочастотный регенеративный транзисторный усилитель следующим образом.The multi-frequency regenerative transistor amplifier works as follows.

Радиочастотный или микроволновой сигнал через входную клемму 1 поступает на первый вывод первого квадратурного моста 2. При этом на втором и третьем выводе первого квадратурного моста формируются квадратурные сигналы, равные по величине и имеющие между собой сдвиг фаз 90°. Эти квадратурные сигналы поступают на входы/выходы первой пары однопортовых резонансных транзисторных усилителей 3 и 4, настроенных на первую рабочую частоту. При этом однопортовые резонансные транзисторные усилители 3 и 4 усиливают по амплитуде сигналы (напряжение) на первой рабочей частоте, синфазные с их входными сигналами, которые поступают обратно на второй и третий выводы квадратурного моста 2, причем усиленные сигналы имеют между собой тот же сдвиг фаз 90°. Причем сигналы, имеющие частоту, отличную от рабочей частоты первой пары усилителей, отражаются от входов/выходов однопортовых резонансных транзисторных усилителей без усиления, но с сохранением сдвига фаз между ними 90°. В первом квадратурном мосту 2 усиленные и не усиленные(отраженные) сигналы суммируются и поступают на его четвертый вывод. Этот суммарный сигнал поступает далее на первый вывод второго квадратурного моста 5, второй и третий выводы которого в свою очередь соединены с входами/выходами второй пары однопортовых резонансных транзисторных усилителей 6 и 7, настроенных на вторую рабочую частоту. Усилители 6 и 7 усиливают сигналы со второй рабочей частотой и не усиливают (отражают) сигналы с другими рабочими частотами. Причем разность фаз 90° между выходными сигналами усилителей сохраняется, как для усиленных, так и для не усиленных сигналов. Эта группа сигналов поступает обратно во второй квадратурный мост 5, где складывается на его четвертом выводе. Сигнал с четвертого вывода второго квадратурного моста 5 поступает далее на первый вывод следующего квадратурного моста, где он усиливается следующей парой однопортовых резонансных транзисторных усилителей на следующей рабочей частоте или не усиливается, если частота сигнала не равна рабочей частоте этой пары однопортовых резонансных транзисторных усилителей. Сигнал с четвертого вывода последнего квадратурного моста поступает на выходную клемму 8. При этом количество квадратурных мостов и пар однопортовых резонансных транзисторных усилителей неограниченно и определяется требуемой шириной полосы пропускания регенеративного усилителя.The radio frequency or microwave signal through input terminal 1 is fed to the first output of the first quadrature bridge 2. At the same time, quadrature signals are formed at the second and third outputs of the first quadrature bridge, equal in magnitude and having a phase shift of 90 ° between them. These quadrature signals are fed to the inputs/outputs of the first pair of single-port resonant transistor amplifiers 3 and 4 tuned to the first operating frequency. At the same time, single-port resonant transistor amplifiers 3 and 4 amplify in amplitude the signals (voltage) at the first operating frequency, in-phase with their input signals, which are fed back to the second and third terminals of the quadrature bridge 2, and the amplified signals have the same phase shift between them 90 °. Moreover, signals having a frequency different from the operating frequency of the first pair of amplifiers are reflected from the inputs/outputs of single-port resonant transistor amplifiers without amplification, but maintaining a phase shift of 90° between them. In the first quadrature bridge 2, the amplified and non-amplified (reflected) signals are summed and fed to its fourth output. This total signal is then fed to the first output of the second quadrature bridge 5, the second and third outputs of which, in turn, are connected to the inputs/outputs of the second pair of single-port resonant transistor amplifiers 6 and 7 tuned to the second operating frequency. Amplifiers 6 and 7 amplify signals with a second operating frequency and do not amplify (reflect) signals with other operating frequencies. Moreover, the phase difference of 90° between the output signals of the amplifiers is preserved for both amplified and non-amplified signals. This group of signals goes back to the second quadrature bridge 5, where it is added to its fourth output. The signal from the fourth output of the second quadrature bridge 5 goes further to the first output of the next quadrature bridge, where it is amplified by the next pair of single-port resonant transistor amplifiers at the next operating frequency or is not amplified if the signal frequency is not equal to the operating frequency of this pair of single-port resonant transistor amplifiers. The signal from the fourth output of the last quadrature bridge is fed to the output terminal 8. In this case, the number of quadrature bridges and pairs of single-port resonant transistor amplifiers is unlimited and is determined by the required bandwidth of the regenerative amplifier.

Таким образом, многочастотный регенеративный транзисторный усилитель сохраняет свойства резонансного усилителя, заключающиеся в высоком коэффициенте усиления и низком уровне шумов на резонансной частоте и, вместе с тем, обеспечивает широкую полосу усиления сигналов, определяемую количеством используемых квадратурных мостов и пар однопортовых резонансных усилителей.Thus, the multi-frequency regenerative transistor amplifier retains the properties of a resonant amplifier of high gain and low noise at the resonant frequency, and at the same time provides a wide signal amplification bandwidth, determined by the number of quadrature bridges and pairs of single-port resonant amplifiers used.

Народнохозяйственный эффект от использования предлагаемого изобретения связан с расширением рабочей полосы частот приемо-передающих устройств радиотехнических систем. При этом нет необходимости использовать сложные многоступенчатые частотно-согласующие входные и выходные цепи транзисторных усилителей, которые ухудшают усилительные и шумовые свойства каскада. Простота схемы, низкое энергопотребление, существенное усиление, широкая полоса пропускания, настраиваемая под необходимые задачи и низкий уровень шумов открывают новые возможности для использования такого многочастотного регенеративного транзисторного усилителя во входных каскадах приемных устройств радиотехнических систем и выходных каскадах радиопередающих систем. Требуемую частотную характеристику усилителя можно задавать не расчетом сложных согласующих цепей, а простым наращиванием числа каскадов усиления, каждый из которых имеет свою рабочую частоту.The economic effect of the use of the proposed invention is associated with the expansion of the operating frequency band of the transceivers of radio engineering systems. In this case, there is no need to use complex multi-stage frequency-matching input and output circuits of transistor amplifiers, which degrade the amplifying and noise properties of the cascade. The simplicity of the circuit, low power consumption, significant gain, wide bandwidth, customizable for the required tasks and low noise level open up new opportunities for using such a multi-frequency regenerative transistor amplifier in the input stages of receiving devices of radio engineering systems and the output stages of radio transmitting systems. The required frequency response of the amplifier can be set not by calculating complex matching circuits, but by simply increasing the number of amplification stages, each of which has its own operating frequency.

Claims

A multi-frequency regenerative transistor amplifier containing an input terminal, a quadrature bridge, a pair of single-port resonant transistor amplifiers, an output terminal, and the input terminal is connected to the first input of the quadrature bridge, the quadrature outputs of which are connected to the inputs/outputs of single-port transistor amplifiers, characterized in that the multi-frequency regenerative transistor amplifier, additional quadrature bridges and, accordingly, additional pairs of single-port transistor amplifiers are added, with the fourth terminal of the first quadrature bridge connected to the first terminal of the second quadrature bridge, and the fourth terminal of the second quadrature bridge is connected to the first terminal of the third quadrature bridge, and so on, and the fourth terminal of the last of the quadrature bridge is connected to the output terminal of the multi-frequency regenerative transistor amplifier, and the second and third quadrature terminals of each quadrature bridge are connected to the I/O pairs s single-port resonant transistor amplifiers, each pair of single-port resonant transistor amplifiers is each tuned to its operating frequency, and the number of quadrature bridges and, accordingly, pairs of single-port resonant transistor amplifiers is selected based on the required bandwidth of the multi-frequency regenerative transistor amplifier.