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解讀CO2射頻激光器的核心要素--射頻（Radio Frequency）

閱讀量: 4054次 2022-02-22

隨著CO2射頻激光器在激光加工中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，我們對(duì)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 ”?

1.射頻的基本概念

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。有線電視系統(tǒng)也是采用射頻傳輸方式的。

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

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

νˉ為波束（cm^(-1)）；τ為周期（秒/周）；

h為普朗克常數(shù)（6.626*10^(-34)J.S）

2.射頻功放

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(hào)的大小不同有小信號(hào)放大器和功率放大器；按照一個(gè)周期內(nèi)電流的導(dǎo)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(duì)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。

解決方案主要有功率合成和推挽輸出兩種?

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(xiàn)。

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

/ 圖為功率放大電路 /

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頻段使用微帶線做功率合成時(shí)會(huì)由于波長(zhǎng)問(wèn)題導(dǎo)致PCB板體積增大，因此使用集總參數(shù)做功率分配器跟功率合成器，從而在保證結(jié)構(gòu)緊密、體積小的前提下，獲得滿(mǎn)意的功率效果。

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。

3.射頻電源

射頻電源采用多級(jí)放大器作為設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)靈活多變，結(jié)合功率分配器和功率合成器，具有良好的擴(kuò)展性，可以向更大功率的放大器設(shè)計(jì)。

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?shù)截?fù)載。完成匹配、濾波、隔離功能。對(duì)于輸入級(jí)和中間級(jí)應(yīng)主要考慮的是它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級(jí)功放穩(wěn)定的激勵(lì)電壓。

末級(jí)功率放大器主要輸出大功率的信號(hào)，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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，然后設(shè)法將各個(gè)功放的輸出信號(hào)相加，得到的功率就可以遠(yuǎn)大于單個(gè)功放電路的輸出功率。

功率放大器的主要目的就是輸出較大功率

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。

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可以輸出更大的功率。

對(duì)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。

/ 圖為變壓器耦合乙類(lèi)推挽功率放大電路 /

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(hào)分成兩個(gè)大小相等相位相反的信號(hào)，分別送兩個(gè)放大器的基極，使T1、T2輪流導(dǎo)通，輸出變壓器將兩個(gè)集電極輸出信號(hào)合為一個(gè)信號(hào)，耦合到副邊輸出給負(fù)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(xiàn)。

4.阻抗匹配

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)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(nèi)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。

假設(shè)負(fù)載電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為U，內(nèi)阻為r，那么我們可以計(jì)算出流過(guò)電阻R的電流為：I=U/（R+r），可以看出，負(fù)載電阻R越小，則輸出電流越大。負(fù)載R上的電壓為：Uo=IR=U/［1+（r/R）］，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r是固定的，而負(fù)載電阻R則是由我們來(lái)選擇的。注意式中［（R-r）2/R］，當(dāng)R=r時(shí)，［（R-r）2/R］可取得最小值0，這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/（4×r）。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)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。

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

如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)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(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。

/ ZAMIA Q系列 CO2射頻激光器 /

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等（即不匹配）時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。

傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長(zhǎng)度，以及信號(hào)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(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢

① 可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉(zhuǎn)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(diào)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。

5.射頻激光器于玻璃激光管的優(yōu)勢(shì)

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

(2)射頻放電均勻安穩(wěn)，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