射频电源中的阻抗匹配研究

计算方法 :任何射频电源都有谐振回路 , 即选频网络
或低通回路 。由于此回路对基频 ( 工作频率) 谐振 ,
所以电源的输出主要有基波组成 , 输出功率也主要
体现在基频上 。由于回路对基波谐振 , 所以电路呈
纯电阻 R p ,那么回路可吸取的基频功率为[4 ]
P0
=
1 2
V
cm
I cm
=
V
2 cm
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其通解为
U = aeγz + be - γz
I = 1 ( aeγz + be -γz )
2 Rp
(8)
所需要的回路阻抗值为
R p
= V cm I cm
= V cc - υcmin
I cm
=
V
2 cm
2 RP0
(9)
图 2 输出匹配电路
但任何晶体管的输出都是复阻抗 , 另外 , 1/ 4 波 长线只能匹配晶体管复数导纳的电导分量 。所以我 们必须把晶体管复数导纳中的电纳部分调掉 。为 此 ,须在输出回路中并联电感 L , 如图二所示 , 并联 电感 L 的值可以根据晶体管的参数算出 , 也可以根 据实验结果测出 。此时 , 传输线的输入阻抗就是纯 电阻 Rp , Rp = 1/ G out 。为方便起见 , 我们假设负载 为纯阻抗 ,即 ZL = RL ,根据 (7) 式很容易算出传输线
讨 论 根据呼吸生理的特点 ,气流进入鼻腔后首先冲 击的是中鼻甲和中鼻道的前端 ,该处易受尘埃 ,污染 颗粒 ,变应原或病原体的刺激使鼻道复合体易致息 肉样变性 ,临床上对鼻息肉的治疗 ,目前采用鼻内镜 手术或激光 治疗 。我们 对 68 例鼻 息肉 患者 采用 HO : YA G 激光治疗鼻息肉的体会如下 : 1. HO : YA G 激光的波长为 2. 1μm 。接近水的 吸收峰 ,能很好地被生物组织吸收 ,热弛豫时间为 310ms ,采用脉冲式输出且脉宽度短于热弛豫时间 , HO : YA G 激光对照射组织的热凝固损伤较小 ,同时 HO : YA G 激光可以极容易地由低氢氧根的石英光 导纤维传输 ,不易产生光纤端面污染 。HO : YA G 激 光穿透组织深度约 0. 5mm ,水分吸收好 。有精细的 雕刻作用 ,对周围组织损伤轻微 ,术后组织反应小 , 术时出血少或无出血 。我们对 68 例多发性 ,大的鼻
实验与讨论 按照上述理论分析 ,我们主要做了两个实验 ,一 个以 50 欧姆的纯电阻作为负载 , (下转第 136 页)
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列矩阵方程表示
U
I
=
cosβz j Z0 si nβz
j
si nβz
Z0
cosβz
U2
I2
(5)
无耗情况下 ,R0 1 = 0 , G0 1 = 0 ,
故有 Z0 =
L 01 C01
β=ω
L 01 C01
= ω = 2πf
Vp Vp
=
2π λ
这里 ,Vp =
L
1
01
C01
为波的相速度
的特性阻抗为 Z0 = Zout ZL = R p R L ,如图 2 所示 。 理论上 ,这种阻抗匹配参数的设计方法对所有 的射频电源与阻性负载间的匹配都是适用的 。实际 上 ,在很多场合下的负载都不是纯阻性负载 , 但是任 何形式的负载都可以通过一种网络变换成纯电阻性 负载 ,例如本文实验所用的激光器[5] 。该类激光器 的放电等离子体对外表现为一个阻 容性 负载 , 文 献[5] 中介绍了一种把这个阻容性负载变换为纯电阻 负载的型阻抗匹配网络 ,另外 ,还可以通过其他的方 法来实现 ,这里不再赘述 。需要说明的是 , 本文实验 所用的激光器不是外加型阻抗匹配网络来实现的 , 而是在激光器内部实现的 。 这种波长线阻抗匹配法相对来说比较简单 ,易 于掌握 , 另外还有一种用导纳圆图匹 配输 出的 方 法[6] ,也可以用来设计计算λ/ 4 波长线阻抗匹配 。
ance matching are o btained. This result is applicable to t he impedance matching of ot her RF power. Keγ words impedance matching , 1/ 4 wave - lengt h , CO2 laser
阻 R1 和 R2 之间插入一段特性阻抗为 Z0 = R1 R2 的 1/ 4 波长线时就实现了匹配 。任何晶体管在工作 频带的中心频率下的输出都可以看作是一个电导和
一个电纳的并联等效电路 ,即γout = Gout + j B out , 输出 的阻抗匹配就是对其等效电路的匹配 。参数的具体
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λ, 为波长
。令
U2 I2
= Z2 为 Z = 0 处的阻抗 , Z2 既是后接传输线的入端
阻抗 ,若参考点 Z = 0 处接负载 ,则 Z2 既是负载阻
抗 ,那么 ,传输线上任意一点看向负载的阻抗为
Z( z)
=
U I
=
Z0
Z2 Z0
+ +
j j
Z0 Z2
t gβz t gβz
=
Zin
(6)
可见 ,当 z = λ/ 4 (或λ/ 4 的奇数倍) 时 ,有
z = λ/ 4 = Z20 / Z2
(7)
式 (7) 表明 , 如在负载 Z2 前接入一段长度为λ/ 4 , 特
性阻抗为 Z0 的传输线 ,即能将 Z2 转换成 Z(λ/ 4) 。
λ/ 4 波长线阻抗匹配
在图 2 中 , 输出电路用一段λ/ 4 波长微带线 Z0
作为匹配电路 ( Z 为负载) 。众所周知 , 当在两个电
discharge was taken as an example , based o n general impedance calculation met hod and t he p ropagation t heo ries of t he elect ro2 magnetic wave , a general formula for selecting t he parameters and a research design met hod for t he 1/ 4 wave - lengt h imped2
可进行数次治疗 ,每次治疗间隔时间为 2 - 4 周 ,按 激光治疗后创面白膜脱落情况而定 ,术时出血少 ,术 后不需要进行鼻腔填塞 。
结 果 1. 疗效判定 (1) 痊愈 :鼻塞消失 ,检查无鼻息肉 。(2) 好转 : 鼻塞好转或明显好转 ,检查息肉缩小明显 。( 3) 无 效 :鼻塞轻度好转或未改善 ,检查在鼻腔内见有残余 息肉 。 2. 疗效 68 例中治愈者 48 例 (占 70. 6 %) ,好转 20 例 (占 29. 4 %) ,所有患者术后随访一年 3 例复发 (占 4 %) 。
传输线中 RF 电磁波的传输
对图 1 (a) 所示的传输线 ,射频电压和电流均以
波动形式向前传播 ,为方便起见 ,取 Z 轴方向与电磁
波的传播方向相反 ,并取传输线上某参考点为 Z =
0 ,其等效电路如图 1 ( b) 所示 。那么 ,传输线上任意
一点 Z 处的电压和电流满足下式[3]
dU = ( R01 dz + ωj L 01 dz) I
疗效68例中治愈者48好转20根据呼吸生理的特点气流进入鼻腔后首先冲击的是中鼻甲和中鼻道的前端该处易受尘埃污染颗粒变应原或病原体的刺激使鼻道复合体易致息肉样变性临床上对鼻息肉的治疗目前采用鼻内镜手术或激光治疗
第 25 卷第 2 期 应 用 激 光 Vol. 25 ,No . 2
dU/ dz = Z01 I
dI = ( G01 dz + ωj C01 dz) U ] dI/ dz = Y01 U (1)
(a) 实际的射频传输线 图 1 (b) 射频传输线的等效电路
3 国家自然科学基金项目 (60478028) 资助. 2004 年 11 月 20 日收稿
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Research of the impedance matching in the RF Po wer f or the CO2 Lasers Cao Fengguang Zhang Deling Wang Xinbing Heγungui
( S t ate En gi neeri n g Resea rch Center of L aser P rocessi n g H uaz hon g U ni versitγ of S cience an d Technologγ, W uhan 430074) Abstract The impedance matching is verγfamiliar in t he wireless technique. It reflect s t he t ransmissio n of t he power be2 tween t he inp ut and t he outp ut circuit . It is t he keγ technique for t he power amplifier. In t his paper , a CO2 laser excited bγ RF
射频通常是指频率在 10～200M Hz 范围内的 电磁波 ,其功率的传输是一个波的过程 ,在不同的阻 抗界面将发生不同的反折射 。为了使射频功率有效 的注入到负载中 ,必须采用阻抗匹配技术 。本文主 要以射频激励 CO2 激光器为例来介绍射频电源和 负载 (放电气体) 之间的阻抗匹配问题 。目前市场上 的大功率射频电源 ,其阻抗 ZS 一般为 50 欧 (或 75 欧) ,只有当负载阻抗 ZL 与 ZS 相匹配时 ,负载上得 到的功率才能最大 。对气体激光器来说 ,其负载阻 抗与腔体结构 、工作气体气压及放电状态等均有很 大的关系 ,常可视为一个阻容性负载 ,这就需要采用 一个匹配网络来实现负载的阻抗变换 ,达到与射频 源之间的阻抗匹配 。现在国内外有许多射频激励 CO2 激光器的有关报到[1 ,2 ] ,但没给出关于阻抗匹配 参数的理论设计和分析 。本文从电磁波传播理论出 发 ,结合功放管的实际情况得出了高频电磁波传输 过程中的等效阻抗匹配的设计与计算方法 ,从而使 阻抗匹配更加简便 ,对实际研究工作更有帮助 。
(2)
Z0
r = Z01 Y01 = ( R01 + jωL 01 ) ( G01 + jωC01 ) =α+ jβ
Z0
=
Z0
γ
=
Z01 = Y01
R01 + jωL 01 G01 + jωC01
,
其中γ为传播常数 ,α为衰减常数 β, 为相位常
数 ,Z0 为传输线特性阻抗 , Z01 , Y01 分别为单位长度
上的串连阻抗和并联导纳 。设 Z = 0 处的电压和电
流分别为 U2 和 I2 ,则有
U 2
= a + b; I2
=
1 Z0
(aBiblioteka -b)(3)
(2) (3) 联立得
U = U2 ·chγz + I2 ·Z0 s hγz
I
=
U2 Z0
·s hcz +
I2
·c hγz
(4)
对理想传输线 ,α= 0 ,γ= jβ, 于是 ( 4) 式可由下
2005 年 4 月 A P PL I ED LAS ER April 2005
射频电源中的阻抗匹配研究 3
曹锋光 张德玲 王新兵 何云贵
(华中科技大学激光加工国家工程研究中心 , 武汉 ,430074)
提要 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态 ,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系 。阻抗匹配 是功率放大器的核心技术 。本文以射频激励 CO2 激光器电源为例 ,根据传输线中高频电磁波的传播理论及一般的阻抗匹配 计算方法 ,推导出 1/ 4 传输线阻抗匹配的研究设计方法及计算有关参数的普遍公式 。这一结果同样适用于其它射频电源的阻 抗匹配研究 。 关键词 阻抗匹配 波长线 CO2 激光器