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解讀CO2射頻激光器的核心要素--射頻(Radio Frequency)

閱讀量: 2727次 2022-02-22

隨著(zhù)CO2射頻激光器在激光加工中越來(lái)越廣泛的應用,我們對其的了解也是日益加深。但是,我們常說(shuō)的 “射頻” 到底是什么,這可能就難倒大家了。

因此,今天斯派特小編就帶大家深入地了解一下,CO2射頻激光器的核心要素 --?“ 射頻 ”?

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1.射頻的基本概念

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射頻(RF)是Radio Frequency的縮寫(xiě),廣義表示可以輻射到空間的電磁頻率,頻率范圍從300KHz~30GHz之間。射頻就是射頻電流,它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱(chēng)。每秒變化小于1000次的交流電稱(chēng)為低頻電流,大于10000次的稱(chēng)為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。有線(xiàn)電視系統也是采用射頻傳輸方式的。

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而在射頻電流的應用中我們通常需要進(jìn)行計算,從而得到我們所需要的數據,以下便是我們的常用公式

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其中ν為頻率(Hz 周/秒);λ為波長(cháng)(nm、μm、cm 長(cháng)度/周);

νˉ為波束(cm^(-1));τ為周期(秒/周);

h為普朗克常數(6.626*10^(-34)J.S)


2.射頻功放

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射頻功放即射頻功率放大器,放大器的分類(lèi)有很多方法:

按照使用的頻率的不同有低頻放大器和高頻放大器;按照處理信號的大小不同有小信號放大器和功率放大器;按照一個(gè)周期內電流的導通角的不同,可以把放大器分為甲、甲乙、乙、丙(也稱(chēng)為A、AB、B、C)四類(lèi)。

CO2射頻激光器對射頻電源的要求是射頻功率足夠大。由于目前射頻大功率晶體管單管輸出功率有限,其集成化尚有困難,要獲得足夠大的功率增益必須進(jìn)行功率疊加。

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解決方案主要有功率合成和推挽輸出兩種?

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射頻推挽功率放大器與低頻推挽功率放大器形式是相同的,輸出功率可增加為單管輸出功率的2倍。電路的諧波抑制較好,但必須工作在工作頻率低于100MHz才容易實(shí)現。

功率合成式放大電路是把功率放大元件按照2n的數目經(jīng)過(guò)傳輸線(xiàn)變壓器逐級組合,最后輸出較大的功率。

/ 圖為功率放大電路 /

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射頻放大器輸出功率高,必須采用多路放大器功率合成,在VHF頻段使用微帶線(xiàn)做功率合成時(shí)會(huì )由于波長(cháng)問(wèn)題導致PCB板體積增大,因此使用集總參數做功率分配器跟功率合成器,從而在保證結構緊密、體積小的前提下,獲得滿(mǎn)意的功率效果。

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功率分配器和功率合成器電路中加入平衡電阻作為增加多路隔離,該技術(shù)經(jīng)過(guò)大量放大電路的使用,可以獲得滿(mǎn)意的效果。

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3.射頻電源

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射頻電源采用多級放大器作為設計思路,不需要體積龐大的超大功率管,只需要一千瓦的射頻管就能完成大功率的輸出,結構靈活多變,結合功率分配器和功率合成器,具有良好的擴展性,可以向更大功率的放大器設計。

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射頻功率放大器一般都要采用一定的匹配電路,以使輸出功率能有效的傳輸到負載。完成匹配、濾波、隔離功能。對于輸入級和中間級應主要考慮的是它的電壓輸出穩定,以供給下級功放穩定的激勵電壓。

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末級功率放大器主要輸出大功率的信號,因此主要考慮的是效率問(wèn)題。功率合成技術(shù)是利用多個(gè)功率放大電路同時(shí)對輸入信號進(jìn)行放大,然后設法將各個(gè)功放的輸出信號相加,得到的功率就可以遠大于單個(gè)功放電路的輸出功率。

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功率放大器的主要目的就是輸出較大功率

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這時(shí)候效率就成了主要因素。功率管的輸出功率等于輸入功率減去功率管的耗散功率。

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而在一定條件下,一個(gè)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著(zhù)可以輸出更大的功率。

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對于激光器用射頻電源,射頻功率放大器其實(shí)就是要解決高功率輸出和高效率輸出這兩個(gè)問(wèn)題,這在射頻放大器和低頻放大器是有共同點(diǎn)的,就是要求輸出功率大和效率高。

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/ 圖為變壓器耦合乙類(lèi)推挽功率放大電路 /

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為了提高效率采用變壓器耦合乙類(lèi)推挽功率放大電路,輸入變壓器將輸入信號分成兩個(gè)大小相等相位相反的信號,分別送兩個(gè)放大器的基極,使T1、T2輪流導通,輸出變壓器將兩個(gè)集電極輸出信號合為一個(gè)信號,耦合到副邊輸出給負載,兩個(gè)管子交替工作,輸出功率合成,采用相同的兩個(gè)管子很容易實(shí)現。

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4.阻抗匹配

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阻抗匹配是指信號源或者傳輸線(xiàn)跟負載之間的一種合適的搭配方式。由于實(shí)際的電壓源,總是有內阻的,我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源,等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。

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假設負載電阻為R,電源電動(dòng)勢為U,內阻為r,那么我們可以計算出流過(guò)電阻R的電流為:I=U/(R+r),可以看出,負載電阻R越小,則輸出電流越大。負載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看出,負載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。

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對于一個(gè)給定的信號源,其內阻r是固定的,而負載電阻R則是由我們來(lái)選擇的。注意式中[(R-r)2/R],當R=r時(shí),[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時(shí)負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)。即,當負載電阻跟信號源內阻相等時(shí),負載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。

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此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí),結論有所改變,就是需要信號源與負載阻抗的的實(shí)部相等,虛部互為相反數,這叫做共扼匹配。

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如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的,如果負載條件改變了,則可能達不到原來(lái)的性能,這時(shí)我們也會(huì )叫做阻抗失配。

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/ ZAMIA Q系列 CO2射頻激光器 /

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在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當信號的頻率很高時(shí),則信號的波長(cháng)就很短,當波長(cháng)短得跟傳輸線(xiàn)長(cháng)度可以比擬時(shí),反射信號疊加在原信號上將會(huì )改變原信號的形狀。如果傳輸線(xiàn)的特征阻抗跟負載阻抗不相等(即不匹配)時(shí),在負載端就會(huì )產(chǎn)生反射。

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傳輸線(xiàn)的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線(xiàn)的結構以及材料決定的,而與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度,以及信號的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω,而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。

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當阻抗不匹配時(shí),有哪些辦法讓它匹配呢

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① 可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉換。

② 可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時(shí)常使用。

③ 可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。

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5.射頻激光器于玻璃激光管的優(yōu)勢

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(1)射頻鼓勵氣體放電具有正向伏安特性,可完成繼續放電,電能運用功率高。而直流氣體放電具有負向伏安特性,電能功率低

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(2)射頻放電均勻安穩,可完成大面積均勻放電,輸入功率密度高,而且器材的體積大為減小

/ ZAMIA F系列 CO2射頻激光器 /

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(3)作業(yè)電壓低,因而有利于提髙器材壽數,而且運用安全;

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(4)射頻波可完成高頻開(kāi)關(guān)調制,調制頻率可達100 KHz,因而輸出光功率的電控程度高,并能靈敏地完成從接連到脈沖的變換以及脈寬和脈沖頻率的調制等。

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