Компактный высоковольтный радиочастотный генератор с использованием авторезонансной катушки индуктивности Российский патент 2018 года по МПК G01N27/62 H03H11/04 H01J49/02 H03B5/08 

Предпосылки создания изобретения

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится в целом к радиочастотным (RF) генераторам, а более конкретно - к цепям радиочастотного генератора, в которых используется катушка индуктивности.

[0002] Радиочастотные генераторы производят высокочастотные сигналы, полезные для многих приложений, например, для использования в спектрометрах подвижности ионов (IMS) и спектрометрах подвижности ионов с несимметричном полем подвижности ионов (FAIMS) или дифференциальных спектрометрах подвижности (DMS). В спектрометре молекулы в пробе воздуха ионизируются и попадают в область пролета в ячейке. Ионизированные молекулы дрейфуют к противоположному концу ячейки со скоростью, зависящей от размера иона, к коллектору, что вызывает импульс тока в коллекторе. Ток в коллекторе преобразуется в напряжение и усиливается. Измеряя время пролета иона вдоль ячейки, можно распознать ион.

[0003] Предмет, обсуждаемый в данном разделе описания, не является известным уровнем техники просто в результате его упоминания в этом разделе. Аналогично, задача, сформулированная в разделе предпосылок создания изобретения или ассоциированная с сущностью раздела, относящегося к уровню техники, не предполагается поставленной ранее. Предмет изобретения, описанный в разделе предпосылок создания изобретения, просто представляет собой разные подходы, которые сами могут являться изобретениями.

Сущность изобретения

[0004] Описаны цепи радиочастотного генератора, содержащие последовательный резонансный контур. В одном варианте выполнения настоящего изобретения цепь радиочастотного генератора содержит активное устройство, приводящее в действие последовательный резонансный контур, который содержит бифилярную тороидальную двойную катушку индуктивности. Цепи радиочастотного генератора могут использоваться для создания высокого напряжения на нагрузке на высокой частоте с целью питания емкостной нагрузки.

[0005] В еще одном своем аспекте предложенный вариант выполнения цепи содержит двойную катушку индуктивности. Двойная катушка индуктивности содержит тороидальный сердечник. Цепь содержит первую обмотку на тороидальном сердечнике. Обмотка содержит вход и выход. Кроме того, цепь содержит вторую обмотку на тороидальном сердечнике. Вторая обмотка имеет вход и выход. Кроме того, цепь содержит первый конденсатор, электрически соединенный с входом первой обмотки и включенный параллельно первой обмотке. Кроме того, цепь также содержит второй конденсатор, электрически соединенный с входом второй обмотки и включенный параллельно второй обмотке. Выходы обмоток электрически соединены с емкостной нагрузкой.

[0006] В еще одном аспекте предложенный вариант выполнения цепи радиочастотного генератора содержит источник питания, активное устройство, предназначенное для выдачи сигнала, двойную катушку индуктивности, содержащую пару обмоток, намотанных на тороидальный сердечник, и конденсатор. Конденсатор электрически соединен с одной из обмоток двойной катушки индуктивности. Источник питания и активное устройство электрически соединены с конденсатором и одной из обмоток двойной катушки индуктивности. Двойная катушка индуктивности повышает напряжение сигнала из активного устройства.

[0007] Еще один вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу генерации сигнала. Способ включает подачу управляющего сигнала в активное устройство. Кроме того, способ включает обеспечение наличия источника питания. Кроме того, способ включает обеспечение наличия цепи, содержащей бифилярную тороидальную двойную катушку индуктивности и конденсатор, электрически включенный параллельно по меньшей мере одной из обмоток бифилярной тороидальной двойной катушки индуктивности. Активное устройство и источник питания электрически соединены с этой цепью. Кроме того, способ включает питание емкостной нагрузки, электрически подключенной к цепи последовательно с бифилярной тороидальной двойной катушкой индуктивности.

[0008] Настоящий раздел предназначен для изложения сущности изобретения и введения в упрощенной форме в концепции, которые подробно описаны ниже. Сущность изобретения не предполагает изложение ключевых или существенных особенностей предмета изобретения, но при этом и не ограничивает объем изобретения.

Описание чертежей

[0009] Подробное описание дано со ссылками на сопровождающие чертежи. На чертежах самая левая цифра (цифры) позиции относится к номеру чертежа, на которой эта позиция показана впервые. Использование одинаковых позиций в различных частях описания и на чертежах может указывать на аналогичные или идентичные элементы.

[0010] На фиг. 1 схематично показана авторезонансная двойная катушка индуктивности согласно варианту выполнения настоящего изобретения;

[0011] на фиг. 2 схематично показана авторезонансная двойная катушка индуктивности в последовательном резонансном контуре согласно варианту выполнения настоящего изобретения;

[0012] на фиг. 3 схематично показан вариант выполнения цепи радиочастотного генератора, включая вариант выполнения последовательного резонансного контура с авторезонансной двойной катушкой индуктивности согласно варианту выполнения настоящего изобретения;

[0013] на фиг. 4 схематично показан еще один вариант выполнения цепи радиочастотного генератора, включая вариант выполнения последовательного резонансного контура с авторезонансной двойной катушкой индуктивности согласно варианту выполнения настоящего изобретения; и

[0014] на фиг. 5 схематично показан еще один вариант выполнения цепи радиочастотного генератора, включая вариант выполнения последовательного резонансного контура с авторезонансной двойной катушкой индуктивности согласно варианту выполнения настоящего изобретения.

Подробное описание примеров выполнения изобретения

[0015] Перед тем, как обратиться к чертежам, рассмотрим один из вариантов выполнения настоящего изобретения, где имеется радиочастотный генератор, в котором используется активное устройство для управления последовательным резонансным контуром, содержащим авторезонансную двойную катушку индуктивности. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения радиочастотный генератор вырабатывает два противофазных выходных сигнала с более высоким напряжением, чем напряжение питания радиочастотного генератора, на частоте менее одного мегагерца (МГц). Такие выходные сигналы могут использоваться для подачи на емкостную нагрузку. Вначале описан вариант выполнения настоящего изобретения с использованием авторезонансной двойной катушки индуктивности.

[0016] На фиг. 1 авторезонансная двойная катушка индуктивности показана в виде бифилярной тороидальной двойной катушки 110 индуктивности. Бифилярная тороидальная двойная катушка 110 индуктивности содержит в общем случае тороидальный сердечник 112. В одном варианте выполнения настоящего изобретения сердечник 112 представляет собой сердечник с низкой магнитной проницаемостью (например, выполненный из железного порошка, феррита или других подходящих материалов). В частности, например, в одном варианте выполнения настоящего изобретения сердечник 112 выполнен из железного порошка Т 80-6.

[0017] На сердечник 112 намотаны две обмотки 114 и 116. Обмотки 114 и 116 выполнены из изолированного проводника. В одном варианте выполнения настоящего изобретения материал, изолирующий проводники, имеет низкие потери на радиочастоте и высокое напряжение пробоя, например это может быть, политетрафторэтилен (PTFE) или другие подходящие материалы. Обмотки 114 и 116 соединены. Обмотка 114 имеет вход 118 и выход 120. Аналогично, обмотка 116 имеет вход 122 и выход 124. Варианты выполнения бифилярной тороидальной двойной катушки 110 индуктивности обеспечивают низкое излучаемое магнитное поле и, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, меньшие габариты, чем в катушке индуктивности с воздушным зазором. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, бифилярная конфигурация обмотки обеспечивает сильную связь между обмотками и простоту конструкции. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения сердечник 112 является замкнутым сердечником (то есть, не имеет воздушного зазора).

[0018] Такая бифилярная тороидальная двойная катушка 110 индуктивности может использоваться в различных цепях. На фиг. 2 показан последовательный резонансный контур 248, содержащий авторезонансную двойную катушку индуктивности, такую как бифилярная тороидальная двойная катушка 210 индуктивности. Один вход 203 цепи 248 электрически связан с конденсатором 240 и входом 218 обмотки 214 бифилярной тороидальной двойной катушки 210 индуктивности. Кроме того, конденсатор 240 электрически связан с общим проводом. Другой вход 205 цепи 248 электрически соединен с другим конденсатором 242 и входом 222 обмотки 216 бифилярной тороидальной двойной катушки 210 индуктивности. Кроме того, конденсатор 242 электрически связан с общим проводом. Выход 220 обмотки 214 электрически соединен с конденсатором 244. Кроме того, конденсатор 244 электрически связан с общим проводом. Выход 224 обмотки 216 электрически соединен с конденсатором 246. Кроме того, конденсатор 246 электрически связан с общим проводом.

[0019] Два входа с фазами, сдвинутыми друг относительно друга, могут быть соединены с входами 203 и 205 последовательного резонансного контура 248. Катушки индуктивности бифилярной тороидальной двойной катушки 210 индуктивности соединены, и бифилярная тороидальная двойная катушка 210 индуктивности является авторезонансной двойной катушкой индуктивности, которая производит два выходных сигнала в противофазе. Как иллюстрируется на фиг. 1 и 2, бифилярная тороидальная катушка 210 индуктивности выполнена так, что электрический ток через обмотки 214 и 216 течет в противоположных направлениях. Межвитковая емкость бифилярной тороидальной двойной катушки 210 индуктивности обеспечивает резонанс напряжения.

[0020] На фиг. 3 схематично иллюстрируется вариант выполнения цепи радиочастотного генератора 325, содержащей авторезонансную двойную катушку индуктивности, показанную как бифилярная тороидальная двойная катушка 310 индуктивности. На фиг. 3 источник питания показан как низковольтный источник 326 постоянного тока. Источник 326 постоянного тока электрически соединен с трансформатором 328. У трансформатора 328 имеется два выхода 330 и 332. Трансформатор 328 вырабатывает на выходах 330 и 332 два выходных напряжения, которые не совпадают друг с другом по фазе.

[0021] Имеется также активное устройство, показанное как транзистор 334. Хотя на фиг. 3 транзистор 334 показан как n-канальный полевой транзистор, в других вариантах выполнения настоящего изобретения используются другие подходящие транзисторы (например, p-канальный полевой транзистор, полевой транзистор с p-n переходом, биполярный плоскостной транзистор и т.д.). Кроме того, можно использовать любое другое подходящее активное устройство. Управляющий сигнал подается на вход 336 транзистора 334. Исток транзистора 334 электрически соединен с общим проводом.

[0022] В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения выход 338 транзистора 334, т.е. сток транзистора 334, и первый выход 330 трансформатора 328 электрически соединены с входом 318 обмотки 314 бифилярной тороидальной двойной катушки 310 индуктивности и с первым конденсатором 340. Первый конденсатор 340 электрически включен параллельно обмотке 314 и также электрически соединен с общим проводом.

[0023] Второй выход 332 трансформатора 328 электрически соединен со вторым конденсатором 342 и входом 322 обмотки 316 бифилярной тороидальной катушки 310 индуктивности. Второй конденсатор 342 электрически включен параллельно обмотке 316 и также электрически соединен с общим проводом.

[0024] Катушки индуктивности бифилярной тороидальной двойной катушки 310 индуктивности являются сильно связанными. Бифилярная тороидальная двойная катушка 310 индуктивности представляет собой авторезонансную двойную катушку индуктивности, которая имеет два выхода в противофазе. Как иллюстрируется на фиг. 3, бифилярная тороидальная катушка 310 индуктивности выполнена так, что электрический ток через обмотки 314 и 316 течет в противоположных направлениях. Выходы 320 и 324 могут использоваться для питания емкостной нагрузки, показанной на фиг. 3 (наряду с любой паразитной емкостью в двойной катушке индуктивности) как конденсаторы 344 и 346.

[0025] Цепь на фиг. 3 действует так, что бифилярная тороидальная двойная катушка 310 индуктивности образует резонансный контур с емкостью нагрузки, показанной на фиг. 3 (наряду с любой паразитной емкостью в двойной катушке индуктивности) как конденсаторы 344 и 346. Последовательный резонансный контур 348 работает на собственной резонансной частоте, создавая добавочное напряжение, так что выводы 320 и 324 оказываются при более высоком напряжении, чем входы 318 и 322. При наличии высокочастотного сигнала и бифилярной тороидальной катушки 310 индуктивности, которая входит в резонанс с емкостью 344 и 346 нагрузки, можно на высоковольтных выходах 320 и 324 произвести более высокое напряжение на высокой частоте при низкой подаваемой мощности. Таким образом, имеется последовательная резонансная цепь 348 с согласованным импедансом для повышения напряжения на высокой частоте при низкой потребляемой мощности. Бифилярная тороидальная двойная катушка 310 индуктивности выполнена так, что межвитковая емкость обеспечивает резонанс напряжения и большое повышение напряжения.

[0026] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения бифилярная тороидальная двойная катушка индуктивности имеет железный сердечник Т 80-6. Сердечник имеет наружный диаметр 20 мм и имеет толщину 6 мм. Сердечник имеет две обмотки, каждая из которых содержит 35 витков. На частоте 8 МГц при напряжении питания 30 В на дифференциальном выходе достигается полная амплитуда напряжения 3 кВ.

[0027] Повышение напряжения зависит от добротности (''Q'') цепи 348 согласования импеданса последовательного резонансного контура. И добротность, и резонансная частота резонансного контура 348 могут меняться в зависимости от множества различных факторов (например, температуры, размещение компонентов и т.д.). Обратная связь, например с использованием устройства обратной связи, обеспечивает подстройку и стабилизацию выходного напряжения сети 348.

[0028] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения устройство обратной связи показано в виде небольшой обмотки 350 обратной связи, (например, из одного витка), намотанной к бифилярной тороидальной двойной катушке 310 индуктивности. Обмотка 350 обратной связи электрически соединена с входом 336 активного устройства 334. Таким образом, цепь 325 радиочастотного генератора будет с самовозбуждением, при этом активное устройство будет продолжать возбуждать цепь 348 последовательного резонансного контура на резонансной частоте. Это обеспечивает эффективную цепь 325 радиочастотного генератора.

[0029] На фиг. 4 схематично показан другой вариант выполнения цепи 425 радиочастотного генератора, содержащей авторезонансную двойную катушку индуктивности, показанную как бифилярная тороидальная двойная катушка 410 индуктивности. На фиг. 4 имеется источник питания, показанный как низковольтный источник 426 постоянного тока. Источник 426 постоянного тока электрически связан через катушку 452 индуктивности с выходом 454.

[0030] На фиг. 4 имеется также активное устройство, показанное как транзистор 434. На вход 436 транзистора 434 подается управляющий сигнал. Исток транзистора 434 электрически соединен с общим проводом. Выход 438 транзистора 434, который в показанном варианте выполнения настоящего изобретения представляет собой сток n-канального полевого транзистора, электрически соединен с включенным последовательно диодом 456.

[0031] Диод 456 и выход 454 катушки 452 индуктивности электрически соединены с входом 418 обмотки 414 бифилярной тороидальной двойной катушки 410 индуктивности и с первым конденсатором 440. Первый конденсатор 440 электрически включен параллельно обмотке 414, а кроме того соединен с общим проводом. Вход 422 обмотки 416 бифилярной тороидальной двойной катушки 410 индуктивности электрически соединен с общим проводом.

[0032] Выходы 420 и 424 соединены последовательно с емкостной нагрузкой и подают на нее сигнал. Емкостная нагрузка (наряду с паразитной емкостью бифилярной тороидальной двойной катушки 410 индуктивности) схематично показана как нагрузочные конденсаторы 444 и 446, которые соединены с выходом 420 и выходом 424 соответственно.

[0033] Цепь на фиг. 4 работает так, что бифилярная тороидальная двойная катушка 410 индуктивности входит в резонанс с нагрузочными емкостями 444 и 446 (наряду с любой паразитной емкостью в бифилярной тороидальной двойной катушке 410 индуктивности). При наличии высокочастотного сигнала и резонанса бифилярной тороидальной катушки 410 индуктивности с нагрузочной емкостью 444 и 446, малая мощность используется для создания высокого напряжения на высокой частоте на выходах 420 и 424 бифилярной тороидальной двойной катушки 410 индуктивности. Таким образом, согласованный последовательный резонансный контур 448 обеспечивает повышение высокочастотного напряжения при малых затратах мощности. Бифилярная тороидальная катушка 410 индуктивности выполнена так, что межвитковая емкость обеспечивает резонанс напряжения и большее повышение напряжения.

[0034] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения имеется устройство обратной связи, показанное в виде небольшой обмотки 450 обратной связи (например, с одним витком), добавленной к бифилярной тороидальной двойной катушке 410 индуктивности. Обмотка 450 обратной связи электрически соединена с активным устройством 434. Таким образом, цепь 425 радиочастотного генератора будет с самовозбуждением и может работать на резонансной частоте. Это обеспечивает эффективную цепь 425 радиочастотного генератора.

[0035] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения диод 456 предотвращает фиксацию уровня паразитным диодом n-канального полевого транзистора и ограничение начального колебания напряжения, которое подается на последовательный резонансный контур 448, содержащий бифилярную тороидальную двойную катушку 410 индуктивности. Кроме того, диод 456 позволяет напряжению, которое падает на последовательном резонансном контуре 448, отклоняться в сторону отрицательных значений, что обеспечивает большее выходное напряжение на последовательном резонансном контуре 448.

[0036] На фиг. 5 показан еще один вариант выполнения цепи 525 радиочастотного генератора, содержащей авторезонансную двойную катушку индуктивности, показанную как бифилярная тороидальная двойная катушка 510 индуктивности. Имеется также источник питания, показанный на фиг. 5 как низковольтный источник 526 постоянного тока. Источник 526 постоянного тока электрически соединен с трансформатором 558. Трансформатор 558 имеет два выхода 560 и 562.

[0037] Имеется также два активных устройства, показанных на фиг. 5 как транзисторы 534 и 564. На вход 536 транзистора 534 поступает управляющий сигнал. Исток транзистора 534 электрически соединен с общим проводом. Выход 538 транзистора 534 и выход 560 трансформатора 560 электрически соединены с первым конденсатором 540 и с входом 518 обмотки 514 бифилярной тороидальной двойной катушки 510 индуктивности. Первый конденсатор 540 электрически включен параллельно обмотке 514 и также электрически соединен с общим проводом.

[0038] На вход 566 транзистора 564 также подается управляющий сигнал. Исток 564 транзистора электрически соединен с общим проводом. Выход 568 транзистора 564 и выход 562 трансформатора 558 электрически соединены со вторым конденсатором 542 и с входом 522 обмотки 516 бифилярной тороидальной двойной катушки 510 индуктивности. Второй конденсатор 542 электрически включен параллельно обмотке 516 и также электрически соединен с общим проводом.

[0039] Выходы 520 и 524 обмоток 514 и 516 соединены последовательно с емкостной нагрузкой и подают сигнал на нее. Емкостная нагрузка (наряду с паразитной емкостью бифилярной тороидальной двойной катушки 510 индуктивности) схематично показана как нагрузочные конденсаторы 544 и 546, которые соединены с выходом 420 и выходом 424, соответственно.

[0040] Цепь на фиг. 5 работает так, что бифилярная тороидальная двойная катушка 510 индуктивности входит в резонанс с нагрузочными емкостями 544 и 546 (наряду с любой паразитной емкостью в бифилярной тороидальной двойной катушке 510 индуктивности). При наличии высокочастотного сигнала и резонанса бифилярной тороидальной катушки 510 индуктивности с нагрузочными емкостями 544 и 546, малая мощность используется для создания высокого напряжения на высокой частоте на выходах 520 и 524 бифилярной тороидальной двойной катушки 510 индуктивности. Таким образом, согласованный последовательный резонансный контур 548 обеспечивает повышение напряжения на высокой частоте при малых затратах мощности. Бифилярная тороидальная катушка 510 индуктивности выполнена так, что межвитковая емкость обеспечивает резонанс напряжения и большую вольтодобавку.

[0041] Для некоторых приложений может потребоваться высокочастотное синусоидальное высокое напряжение, такое как формируемое вариантами выполнения цепей радиочастотного генератора, описанными выше. Например, ионные модификаторы, такие как описаны в заявке на патент США №2011/0300638, поданной заявителем настоящего изобретения и полностью включенной в настоящее описание путем ссылки, могут использовать высокочастотное синусоидальное напряжение. Варианты выполнения цепей радиочастотного генератора, описанных в настоящем документе, могут использоваться для подачи высокочастотного синусоидального напряжения в такие ионные модификаторы. Кроме того, варианты выполнения цепей радиочастотного генератора, производящих высокочастотные синусоидальные сигналы, могут быть использованы в множестве других приложений.

[0042] Варианты выполнения радиочастотных генераторов, содержащих последовательные резонансные контуры, которые содержат бифилярную тороидальную двойную катушку индуктивности, описанную выше, могут обеспечить подачу высокого напряжения на высокой частоте (например, по меньшей мере несколько МГц). Бифилярная тороидальная двойная катушка индуктивности может обеспечить желаемую резонансную частоту при небольших габаритах и низком излучении магнитного поля. Кроме того, паразитная емкость между обмотками бифилярной тороидальной двойной катушки индуктивности может обеспечить авторезонанс. Кроме того, в одном варианте выполнения настоящего изобретения в бифилярной тороидальной двойной катушке индуктивности не требуется воздушного зазора, что обеспечивает сильную связь и простую конструкцию. Тороидальный сердечник может иметь любую кольцевую форму, которая не обязательно должна быть круглой: например она может быть квадратной, эллиптической, прямоугольной или любой другой замкнутой формой. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения тороидальный сердечник имеет форму тороида.

[0043] Хотя активные устройства в каждом из вариантов выполнения настоящего изобретения показаны как n-канальные полевые транзисторы, в других вариантах выполнения настоящего изобретения используются другие подходящие транзисторы (например, p-канальные полевые транзисторы, полевые транзисторы с p-n переходом, биполярные плоскостные транзисторы и т.д.). Кроме того, может использоваться любое другое подходящее активное устройство с управляемым импедансом.

[0044] Устройство обратной связи и диод, раскрытые в вышеописанных вариантах выполнения настоящего изобретения, могут использоваться совместно с любым из вариантов выполнения настоящего изобретения, раскрытых выше.

[0045] Хотя авторезонансная двойная катушка индуктивности показана как бифилярная тороидальная двойная катушка индуктивности, в других вариантах выполнения настоящего изобретения используются другие подходящие типы авторезонансных двойных катушек индуктивности.

[0046] В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения предложена радиочастотная цепь, предназначенная для выработки радиочастотного сигнала и содержащая: двойную катушку индуктивности, которая содержит первую обмотку, содержащую вход и выход, и вторую обмотку содержащую ввод и выход; при этом первая обмотка и вторая обмотка выполнены так, чтобы обеспечить между первой обмоткой и второй обмоткой выбранную паразитную емкость, определяющую частоту радиочастотного сигнала; при этом выходы обмоток электрически соединены с емкостной нагрузкой. Первая обмотка и вторая обмотка могут быть пространственно расположены так, что выбранная паразитная емкость и индуктивность двойной катушки индуктивности образуют резонансный контур, имеющий резонансную радиочастоту. Например резонансная частота, создаваемая индуктивностью двойной катушки индуктивности и выбранной паразитной емкостью, может составлять по меньшей мере 0,5 МГц, или по меньшей мере 1 МГц, или по меньшей мере 3 МГц. В некоторых из этих вариантов резонансная частота, создаваемая индуктивностью двойной катушки индуктивности и выбранной паразитной емкостью, может составлять менее 15 МГц или менее 50 МГц. Пространственное расположение обмоток может включать выбор длины обмоток и интервала между ними и/или диэлектрическую постоянную любого покрытия на обмотке. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения радиочастотная цепь дополнительно содержит емкостную нагрузку, а выбранная паразитная емкость, емкостная нагрузка и индуктивность двойной катушки индуктивности взаимодействуют с формированием резонансного контура, имеющего резонансную радиочастоту. Емкостная нагрузка может содержать ионный модификатор спектрометра подвижности ионов.

[0047] Двойная катушка индуктивности может содержать сердечник из феррита или железного порошка, на который намотаны обмотки. Сердечник может быть выполнен в виде замкнутого контура, такого как тороид. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения может не использоваться никакой сердечник или использоваться немагнитный сердечник.

[0048] На чертежах показаны конденсаторы: на фиг. 2 - конденсаторы 244, 246, на фиг. 3-344, 346, и на фиг. 4-444, 446. Эти конденсаторы соответствуют распределенной емкости между обмотками двойной катушки индуктивности и любой емкости нагрузки, включенной между выходами обмоток. Они не представляют собой фактически установленных конденсаторов. Поэтому очевидно, что чертежи выполнены схематично, и большая часть емкости фактически находится между выходами обмоток, а не между каждым из выходов и общим проводом. В некоторых случаях для настройки можно добавить конденсаторы в места, обозначенные позициями 244, 246 на фиг. 2, 344, 346 на фиг. 3 и 444, 446 на фиг. 4.

[0049] В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения предложена цепь модификации ионов для спектрометра подвижности ионов, содержащая: ионный модификатор для того, чтобы заставить ионы в дрейфовой трубке спектрометра двигаться под действием радиочастотного электрического поля; и двойную катушку индуктивности, которая содержит первую обмотку, содержащую вход и выход, и вторую обмотку, содержащую вход и выход; при этом первая обмотка и вторая обмотка выполнены так, чтобы обеспечить между первой обмоткой и второй обмоткой выбранную паразитную емкость, а выходы обмоток соединены с ионным модификатором, при этом паразитная емкость двойной катушки индуктивности выбрана на основе индуктивности двойной катушки индуктивности и емкости ионного модификатора с формированием резонансного контура, имеющего резонансную радиочастоту. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения резонансная частота составляет по меньшей мере 3 МГц, а в некоторых примерах этого варианта выполнения настоящего изобретения резонансная частота составляет менее 15 МГц. Этот резонансный контур может содержать признаки любой из цепей, описанных выше.

[0050] Ионный модификатор может содержать первый электрод и второй электрод, при этом указанные электроды расположены на противоположных концах дрейфовой трубки, чтобы подвергнуть ионы между электродами в дрейфовой трубке воздействию электрического радиочастотного поля.

[0051] В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения первая и вторая обмотки выполнены так, что переменный ток в первой обмотке вызывает во второй обмотке переменный ток с противоположной фазой.

[0052] Подразумевается, что использование единственного числа в контексте описания изобретения (в частности, в последующих пунктах формулы изобретения) охватывает как единственное, так и множественное число, если обратное четко не указано или четко не следует из контекста. Термины «содержит», «имеет», «включает» должны рассматриваться как открытые (то есть, они означают «содержит, но этим не ограничивается»), если не указано иное. Указание на диапазон значений служит просто способом краткого указания на каждое отдельное значение, лежащее в пределах этого диапазона, если явно не указано обратное, а каждое отдельное значение входит в описание, как будто оно описано индивидуально. Все способы, описанные здесь, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если обратное явно не указано или четко не следует из контекста. Использование любого и всех примеров или выражений типа «такой как» предназначено лишь для более наглядного изложения изобретение и не налагает ограничения на объем изобретения, если явно не заявлено обратное. Никакой языковый оборот в описании не следует рассматривать как указание на то, что элемент, не упомянутый в пунктах формулы изобретения, является важным для практического использования изобретения.

[0053] Хотя упоминаются усилители и усилительные устройства, это не означает, что усилитель или усилительное устройство ограничены единственным устройством. Напротив, предполагается, что эти термины в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения охватывают цепи, содержащие множество устройств, интегральных схем или любую другую конфигурацию, подходящую для усиления. Термины «побочная емкость» и «паразитная емкость» - взаимозаменяемые и используются здесь для описания собственной емкости, ассоциированной с токопроводящими проводниками, расположенными близко друг к другу.

[0054] Выше описаны предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения, включая наилучший вариант, известный изобретателям. После прочтения приведенного выше описания специалистам в данной области техники станут очевидны вариации этих предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения. Изобретатели ожидают, что специалисты смогут использовать такие вариации должным образом, и изобретатели подразумевают, что изобретение может быть осуществлено иначе, чем описано здесь. Соответственно,, изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета изобретения, раскрытого в пунктах формулы изобретения, как определено действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных вариациях охватывается изобретением, если обратное не указано явно или явно не следует из контекста.

[0055] Хотя изобретение было описано в приложении к конструктивным деталям и/или действиям способов, подразумевается, что изобретение, определенное в пунктах формулы изобретения, не обязательно ограничивается этими специфическими признаками или описанными действиями. Наоборот, специфические признаки и действия раскрыты как примеры формы осуществления заявленного изобретения.

Группа изобретений относится в целом к радиочастотным (RF) генераторам, а более конкретно - к цепям радиочастотного генератора, в которых используется катушка индуктивности. Раскрыты способ генерации сигналов, а также радиочастотные цепи для генерации радиочастотного сигнала, содержащие активные устройства, управляющие работой последовательных резонансных контуров. Последовательные резонансные контуры содержат авторезонансную двойную катушку индуктивности. При этом первая и вторая обмотки пространственно выполнены так, чтобы обеспечивать выбранную паразитную емкость и индуктивность двойной катушки индуктивности, которые вместе образуют резонансный контур, имеющий резонансную частоту в диапазоне радиочастот. Радиочастотные генераторы могут использоваться для подачи сигнала в емкостную нагрузку. Технический результат заключается в повышении эффективности радиочастотных генераторов. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Радиочастотная цепь для выдачи радиочастотного сигнала, содержащая:

двойную катушку индуктивности, которая содержит первую обмотку, имеющую вход и выход, и вторую обмотку, имеющую вход и выход;

при этом первая и вторая обмотки пространственно выполнены так, чтобы обеспечивать выбранную паразитную емкость и индуктивность двойной катушки индуктивности, которые вместе образуют резонансный контур, имеющий резонансную частоту в диапазоне радиочастот; и

выходы обмоток предназначены для электрического соединения с емкостной нагрузкой.

2. Радиочастотная цепь по п. 1, дополнительно содержащая емкостную нагрузку, при этом выбранная паразитная емкость, емкостная нагрузка и индуктивность двойной катушки индуктивности образуют резонансный контур, имеющий резонансную частоту в диапазоне радиочастот.

3. Радиочастотная цепь по п. 1 или 2, в которой двойная катушка индуктивности содержит сердечник из железного порошка или феррита.

4. Радиочастотная цепь по п. 3, в которой сердечник имеет замкнутую форму, а первая обмотка и вторая обмотка намотаны на этом сердечнике.

5. Радиочастотная цепь по п. 1 или 2, в которой первая обмотка и вторая обмотка выполнены так, чтобы переменный ток в первой обмотке вызывал в другой обмотке появление переменного тока в противоположной фазе.

6. Радиочастотная цепь по п. 2, в которой емкостная нагрузка содержит ионный модификатор для спектрометра подвижности ионов.

7. Радиочастотная цепь для выдачи радиочастотного сигнала, содержащая:

двойную катушку индуктивности, содержащую тороидальный сердечник, первую обмотку на тороидальном сердечнике, имеющую вход и выход, и вторую обмотку на тороидальном сердечнике, имеющую вход и выход; при этом первая и вторая обмотки пространственно выполнены так, чтобы обеспечивать выбранную паразитную емкость и индуктивность двойной катушки индуктивности, которые вместе образуют резонансный контур, имеющий резонансную частоту в диапазоне радиочастот;

первый конденсатор, электрически присоединенный между входом первой обмотки и общим проводом;

второй конденсатор, электрически присоединенный между входом второй обмотки и общим проводом;

при этом выходы обмоток предназначены для электрического соединения с емкостной нагрузкой.

8. Цепь по п. 7, дополнительно содержащая:

емкостную нагрузку, электрически соединенную с выходами обмоток двойной катушки индуктивности;

при этом указанная цепь и емкостная нагрузка образуют резонансный контур.

9. Цепь по п. 7 или 8, в которой тороидальный сердечник не имеет воздушного зазора.

10. Цепь по п. 7 или 8, в которой двойная катушка индуктивности выполнена так, что обеспечивает повышение напряжения на выходах обмоток по сравнению с входами обмоток; и

двойная катушка индуктивности выполнена так, что ток течет через обмотки двойной катушки индуктивности в противоположных направлениях.

11. Цепь по п. 7 или 8, соединенная с активным устройством, подающим сигнал;

при этом указанная цепь обеспечивает на выходах обмоток сигнал повышенного напряжения.

12. Цепь радиочастотного генератора, содержащая:

источник питания;

активное устройство, предназначенное для выдачи сигнала;

радиочастотную цепь по любому из пп. 7-11;

при этом:

источник питания и выход активного устройства электрически соединены с конденсатором и входом упомянутой одной из обмоток двойной катушки индуктивности;

двойная катушка индуктивности выдает повышенное напряжение по сравнению с сигналом активного устройства.

13. Цепь радиочастотного генератора по п. 12, в которой источник питания содержит источник постоянного тока, электрически соединенный с трансформатором, имеющим два выхода, сдвинутых по фазе относительно друг друга;

при этом один из выходов трансформатора электрически соединен с упомянутым вторым конденсатором и второй обмоткой двойной катушки индуктивности.

14. Цепь радиочастотного генератора по п. 13, в которой ток по обмоткам течет в противоположных направлениях.

15. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, в которой двойная катушка индуктивности выполнена так, что паразитная емкость между обмотками обеспечивает авторезонанс в двойной катушке индуктивности.

16. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, в которой двойная катушка индуктивности повышает напряжение на выходе обмоток по сравнению с входом обмоток.

17. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, в котором вторая обмотка двойной катушки индуктивности соединена с общим проводом.

18. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, дополнительно содержащая:

устройство обратной связи, предназначенное для осуществления обратной связи двойной катушкой индуктивности с активным устройством.

19. Цепь радиочастотного генератора по п. 18, в котором устройство обратной связи содержит обмотку на тороидальном сердечнике, электрически соединенную с активным устройством.

20. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, в котором активное устройство содержит транзистор, а высокочастотный генератор дополнительно содержит диод, соединенный последовательно с активным устройством и первой обмоткой двойной катушки индуктивности.

21. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, в котором активное устройство содержит два транзистора, при этом первый транзистор электрически соединен с первой обмоткой двойной катушки индуктивности, а второй транзистор электрически соединен со второй обмоткой двойной катушки индуктивности.

22. Цепь радиочастотного генератора по любому из пп. 12-14, электрически соединенная с ионным модификатором.

23. Способ генерации сигналов, включающий:

обеспечение наличия цепи по любому из пп. 1-11;

обеспечение наличия активного устройства и источника питания, электрически соединенных с упомянутой цепью;

подачу управляющего сигнала на активное устройство; и

подачу сигнала в емкостную нагрузку, электрически соединенную с выходом обмотки бифилярной тороидальной двойной катушкой индуктивности.

24. Способ по п. 23, дополнительно включающий:

обеспечение наличия устройства обратной связи, обеспечивающего обратную связь двойной катушки индуктивности с активным устройством.

25. Способ по п. 23 или 24, дополнительно включающий:

подачу сигнала в ионный модификатор.

26. Способ по п. 23 или 24, дополнительно включающий:

управление упомянутой цепью на ее резонансной частоте.