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解读CO2射频激光器的核心要素--射频(Radio Frequency)

阅读量: 2171次 2022-02-22

随着CO2射频激光器在激光加工中越来越广泛的应用,我们对其的了解也是日益加深。但是,我们常说的 “射频” 到底是什么,这可能就难倒大家了。

因此,今天斯派特小编就带大家深入地了解一下,CO2射频激光器的核心要素 -- “ 射频 ” 

 

1.射频的基本概念

 

射频(RF)是Radio Frequency的缩写,广义表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300KHz~30GHz之间。射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统也是采用射频传输方式的。

 

而在射频电流的应用中我们通常需要进行计算,从而得到我们所需要的数据,以下便是我们的常用公式

 

 

其中ν为频率(Hz 周/秒);λ为波长(nm、μm、cm 长度/周);

νˉ为波束(cm^(-1));τ为周期(秒/周);

h为普朗克常数(6.626*10^(-34)J.S)


2.射频功放

 

射频功放即射频功率放大器,放大器的分类有很多方法:

按照使用的频率的不同有低频放大器和高频放大器;按照处理信号的大小不同有小信号放大器和功率放大器;按照一个周期内电流的导通角的不同,可以把放大器分为甲、甲乙、乙、丙(也称为A、AB、B、C)四类。

CO2射频激光器对射频电源的要求是射频功率足够大。由于目前射频大功率晶体管单管输出功率有限,其集成化尚有困难,要获得足够大的功率增益必须进行功率叠加。

 

解决方案主要有功率合成和推挽输出两种 

 

射频推挽功率放大器与低频推挽功率放大器形式是相同的,输出功率可增加为单管输出功率的2倍。电路的谐波抑制较好,但必须工作在工作频率低于100MHz才容易实现。

功率合成式放大电路是把功率放大元件按照2n的数目经过传输线变压器逐级组合,最后输出较大的功率。

/ 图为功率放大电路 /

 

射频放大器输出功率高,必须采用多路放大器功率合成,在VHF频段使用微带线做功率合成时会由于波长问题导致PCB板体积增大,因此使用集总参数做功率分配器跟功率合成器,从而在保证结构紧密、体积小的前提下,获得满意的功率效果。

 

功率分配器和功率合成器电路中加入平衡电阻作为增加多路隔离,该技术经过大量放大电路的使用,可以获得满意的效果。

 

3.射频电源

 

射频电源采用多级放大器作为设计思路,不需要体积庞大的超大功率管,只需要一千瓦的射频管就能完成大功率的输出,结构灵活多变,结合功率分配器和功率合成器,具有良好的扩展性,可以向更大功率的放大器设计。

 

射频功率放大器一般都要采用一定的匹配电路,以使输出功率能有效的传输到负载。完成匹配、滤波、隔离功能。对于输入级和中间级应主要考虑的是它的电压输出稳定,以供给下级功放稳定的激励电压。

 

末级功率放大器主要输出大功率的信号,因此主要考虑的是效率问题。功率合成技术是利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,得到的功率就可以远大于单个功放电路的输出功率。

 

功率放大器的主要目的就是输出较大功率

 

这时候效率就成了主要因素。功率管的输出功率等于输入功率减去功率管的耗散功率。

 

而在一定条件下,一个功率管的最大耗散功率是一定的,因此功率管的效率越高意味着可以输出更大的功率。

 

 

对于激光器用射频电源,射频功率放大器其实就是要解决高功率输出和高效率输出这两个问题,这在射频放大器和低频放大器是有共同点的,就是要求输出功率大和效率高。

 

/ 图为变压器耦合乙类推挽功率放大电路 /

 

为了提高效率采用变压器耦合乙类推挽功率放大电路,输入变压器将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号,分别送两个放大器的基极,使T1、T2轮流导通,输出变压器将两个集电极输出信号合为一个信号,耦合到副边输出给负载,两个管子交替工作,输出功率合成,采用相同的两个管子很容易实现。

 

  

4.阻抗匹配

 

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。由于实际的电压源,总是有内阻的,我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。

 

假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。

 

对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。

 

 

此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。

 

如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

 

 

/ ZAMIA Q系列 CO2射频激光器 /

 

 

 

在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射。

 

传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。

 

当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢

 

① 可以考虑使用变压器来做阻抗转换。

② 可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。

③ 可以考虑使用串联/并联电阻的办法。

 

5.射频激光器于玻璃激光管的优势

 

(1)射频鼓励气体放电具有正向伏安特性,可完成继续放电,电能运用功率高。而直流气体放电具有负向伏安特性,电能功率低

 

(2)射频放电均匀安稳,可完成大面积均匀放电,输入功率密度高,而且器材的体积大为减小

/ ZAMIA F系列 CO2射频激光器 /

 

(3)作业电压低,因而有利于提髙器材寿数,而且运用安全;

 

(4)射频波可完成高频开关调制,调制频率可达100 KHz,因而输出光功率的电控程度高,并能灵敏地完成从接连到脉冲的变换以及脉宽和脉冲频率的调制等。

 

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