《電子技術(shù)應(yīng)用》
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RF CO2激光電源類別與原理
摘要: 文章介紹了當(dāng)前RFCO2激光器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。詳細(xì)介紹了輸出激光15W所需160W的RF電源。該RF電源由振蕩器、推挽放大器及調(diào)制器組成。具有連續(xù)輸出和c兩種方式。
Abstract:
Key words :

  1引言

  自1973年第一臺射頻(RF)波導(dǎo)激光器問世至今已26年多。最初是將線圈繞在波導(dǎo)上,實(shí)現(xiàn)了RF激勵波導(dǎo)激光器的發(fā)光。它首次顯示了低電壓激勵的優(yōu)越性。那時(shí),還有許多不完善的地方。存在的主要缺點(diǎn)是:放電不均勻,耦合效率差、線圈電感太大,限制RF頻率的提高,只能在幾MHz以下工作等。

  盡管已有26年多的研制、使用歷史,但當(dāng)前它仍處于發(fā)展與改進(jìn)階段。其總的研制方向是:降低成本、增長壽命、提高輸出功率和效率、減小體積和質(zhì)量,改進(jìn)可靠性,提高各項(xiàng)性能指標(biāo),以適應(yīng)各種用途的需要。

  RFCO2激光器工作頻率按ISM規(guī)定為27~40MHz;其主要分類如下所述:

 ?。?)按輸出方式分

  1)連續(xù)輸出;

  2)脈沖輸出——調(diào)制頻率高達(dá)1MHz;

  3)Q開關(guān)輸出——電光調(diào)Q與聲光調(diào)Q。

 ?。?)按諧振腔的工作分

  1)波導(dǎo)腔——孔徑D=1~3mm;

  2)自由空間腔——孔徑D=4~6mm。

 ?。?)按激勵極性分

  1)單相;

  2)反相。

 ?。?)按腔體結(jié)構(gòu)分

  1)單腔;

  2)多腔;

 ?。╝)折疊腔:V型——2折;Z型——3折;X型——4折。

 ?。╞)列陣腔:短肩列陣;交錯(cuò)列陣。

 ?。╟)積木式:并聯(lián)—2腔;三角組聯(lián)—3腔。

  3)大面積放電

 ?。╝)平板型,(b)同心環(huán)型。

  (5)按均恒電感分布方式分

  1)準(zhǔn)電感諧振技術(shù)—用于低電容激光頭;

  2)平行分布電感諧振技術(shù)—用于高電容激光

  頭。

 ?。?)按諧振腔材料分

  1)陶瓷—金屬混合型;2)全陶瓷型;3)全金屬型。

  (7)按冷卻方式分

  1)空氣冷卻;2)水冷卻。

 ?。?)按封裝方式分

  1)封離型;2)流動型。

  諧振腔的材料一般為:金屬—A1。陶瓷—BeO,BN、AIN、Al2O3等。

  1引言

  自1973年第一臺射頻(RF)波導(dǎo)激光器問世至今已26年多。最初是將線圈繞在波導(dǎo)上,實(shí)現(xiàn)了RF激勵波導(dǎo)激光器的發(fā)光。它首次顯示了低電壓激勵的優(yōu)越性。那時(shí),還有許多不完善的地方。存在的主要缺點(diǎn)是:放電不均勻,耦合效率差、線圈電感太大,限制RF頻率的提高,只能在幾MHz以下工作等。

  盡管已有26年多的研制、使用歷史,但當(dāng)前它仍處于發(fā)展與改進(jìn)階段。其總的研制方向是:降低成本、增長壽命、提高輸出功率和效率、減小體積和質(zhì)量,改進(jìn)可靠性,提高各項(xiàng)性能指標(biāo),以適應(yīng)各種用途的需要。

  RFCO2激光器工作頻率按ISM規(guī)定為27~40MHz;其主要分類如下所述:

 ?。?)按輸出方式分

  1)連續(xù)輸出;

  2)脈沖輸出——調(diào)制頻率高達(dá)1MHz;

  3)Q開關(guān)輸出——電光調(diào)Q與聲光調(diào)Q。

 ?。?)按諧振腔的工作分

  1)波導(dǎo)腔——孔徑D=1~3mm;

  2)自由空間腔——孔徑D=4~6mm。

 ?。?)按激勵極性分

  1)單相;

  2)反相。

 ?。?)按腔體結(jié)構(gòu)分

  1)單腔;

  2)多腔;

 ?。╝)折疊腔:V型——2折;Z型——3折;X型——4折。

 ?。╞)列陣腔:短肩列陣;交錯(cuò)列陣。

 ?。╟)積木式:并聯(lián)—2腔;三角組聯(lián)—3腔。

  3)大面積放電

 ?。╝)平板型,(b)同心環(huán)型。

  (5)按均恒電感分布方式分

  1)準(zhǔn)電感諧振技術(shù)—用于低電容激光頭;

  2)平行分布電感諧振技術(shù)—用于高電容激光

  頭。

 ?。?)按諧振腔材料分

  1)陶瓷—金屬混合型;2)全陶瓷型;3)全金屬型。

 ?。?)按冷卻方式分

  1)空氣冷卻;2)水冷卻。

 ?。?)按封裝方式分

  1)封離型;2)流動型。

  諧振腔的材料一般為:金屬—A1。陶瓷—BeO,BN、AIN、Al2O3等。

  2技術(shù)條件

  用于CO2激光器的典型工作氣體內(nèi)含有:二氧化碳、氮、氦和氙。氮?dú)夂秃庥欣诜烹姷木鶆蛐?。氙氣對RF放電激光器的功率和效率具有積極影響。添加5%氙氣可使功率提高24%。

  通常單模結(jié)構(gòu)器件,單位長度注入的連續(xù)(射頻)激勵功率限于2~6W/cm,轉(zhuǎn)換效率為10%~20%,對激光電源的一般要求為:穩(wěn)定可靠、維修方便、效率高、尺寸小、成本低。

  具體技術(shù)條件如下:

  輸入?yún)?shù):交流輸入電壓220V;交流輸入電流1.5A;開關(guān)電源輸出直流電壓30V;開關(guān)電源輸出電流8A。

  RF電源:輸入功率160W;工作頻率40MHz;輸出波形正弦波;帶寬△f±3MHz;效率70%。

  調(diào)制器:脈沖調(diào)制頻率0~100kHz方波連續(xù)可調(diào);占空比連續(xù)可調(diào);幅度調(diào)制度100%。

  3原理電路

  RFCO2激光電源由5部分組成[1],如圖1所示。

  

圖1 RF CO2激光器電源原理框圖

  圖1中第1部分為整流濾波電路,采用全波橋式整流與電容濾波將220V交流變?yōu)?11V平滑直流。第2部分為開關(guān)電源,將311V直流變?yōu)?00kHz脈沖電流,再經(jīng)電容、電感濾波后變?yōu)?0V、8A直流。第3部分包括由振蕩器與放大器兩部分組成的RF電路(如虛線框內(nèi)所示)。將輸入直流經(jīng)晶振變?yōu)?0MHz,6W射頻。再經(jīng)14.28dB增益的放大器,放大后輸出為40MHz,160W。第4部分為脈沖工作的調(diào)制器。第5部分為匹配網(wǎng)絡(luò)。

  本文將重點(diǎn)介紹第3部分和第4部分。電路如圖2所示。振蕩器由晶體管V2、電感線圈L1、電容器C5、C7、電阻R11、R12、石英晶體振蕩器G等組成。晶體振蕩電路產(chǎn)生6W、40MHz正弦振蕩波,經(jīng)3:1傳輸線變壓器T,推動推挽功率放大器。推挽功率放大器由晶體管V3、V4,電感L3、L2,電阻器R13、R14、R15,電容器C9、C10和變壓器T組成D類電流開關(guān)推挽放大器,兩個(gè)晶體管輪流導(dǎo)通。為了追求小型化,提高效率是關(guān)鍵,因而采用D類電流開關(guān)推挽放大器是一種必然結(jié)果。這一點(diǎn)可由下述工作過程的分析清楚地看出。

  當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí),C極電流的基波分量為最大,回路中點(diǎn)電壓也等于最大值Umax,在中心點(diǎn)處的電壓平均值等于電源電壓。因此(當(dāng)UCC≈30V時(shí)),

  由此得出:

  Umax=(π/2)(UCC-UCS)+UCS(2)

  C極回路兩端交流電壓峰值為:

  UCmax=2(Umax-UCS)=π(Ucc-Ucs)(3)

  基波分量振幅為:(2/π)ICC,因而回路產(chǎn)生基頻電壓振幅為:

  UCmax=(2/π)ICCR(5)

  將(3)式代入(5)式即得:

  ICC=πUCmax/2R=(π2/2R)(UCC-UCS)(6)

  則輸出功率:

  P0=U2Cmax/2R=(π2/2R)(UCC-UCS)2(7)

  DC輸出功率:

  PDC=ICC.UCC=(π2/2R)(UCC-UCS)UCC(8)

  C極耗散功率:

  PC=PDC-P0=(π2/2R)(UCC-UCS)UCS(9)

  由此得出C極效率:

  ηC=P0/PDC=(UCC-UCS)/UCC(10)

  可見,晶體管飽和壓降UCS越小、效率ηC則越高,若

  UCS→0,則ηC→100%,這是D類電流開關(guān)推挽放大電路的優(yōu)點(diǎn),為此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意盡量選取飽和壓降低的功率晶體管。

  脈沖工作由圖1中第4部分調(diào)制器控制。調(diào)制器的原理電路見圖2,它以IC1與IC2為主體,組成幅度鍵控調(diào)制器,屬于數(shù)字信號調(diào)幅的線性調(diào)制器[3]。連續(xù)工作時(shí),將圖2中S開關(guān)置于OFF關(guān)斷位置。脈沖工作時(shí),將S開關(guān)置于ON接通位置。脈沖調(diào)制的工作過程是:利用一個(gè)矩形脈沖序列的基帶信號對振蕩器晶體管V2的振蕩幅度進(jìn)行控制。由控制振蕩電路的起振與停振達(dá)到調(diào)制的目的。由電位器RP4控制調(diào)制頻率,由RP7控制脈沖寬度。所以,調(diào)制頻率與調(diào)制脈寬皆可作到連續(xù)可調(diào)。

  

圖2RF電路原理圖

  第5部分是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載阻抗匹配的目的是消除不匹配負(fù)載的反射。方法是引入電抗性元件(電容、電感或傳輸線)。人為地產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)反射波。使它與原來不匹配負(fù)載產(chǎn)生的反射波相互抵消。使激光器的輸入阻抗與RF電源的輸出阻抗互為共軛復(fù)數(shù)。匹配網(wǎng)絡(luò)一般分為兩種,一種是集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò),其主要形式有L型、T型、π型等[3]。這種匹配網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是:插入耗損大、噪聲大、體積大。另一種是分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò),是1/4波長傳輸線,這就克服了上述集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。它的理論關(guān)系比較簡單。由傳輸線任一點(diǎn)上的電壓和電流方程即可方便地導(dǎo)出下列1/4波長(或1/4波長奇數(shù)倍)阻抗交換方式為: Z0=(10)

  式中Z1——電源輸出的阻抗;

  Z2——激光器輸入的阻抗;

  Z0——1/4傳輸線的特性阻抗。

  1/4傳輸線采用SYV-50-3電纜。它一端接電源,另一端接激光頭。該RF電源如作積木式結(jié)構(gòu)應(yīng)用,同時(shí)可滿足輸出激光30W,60W等激光器的需要。

  4結(jié)束語

  最后是關(guān)于激光頭的準(zhǔn)電感諧振技術(shù)。為了使輸入射頻沿激光器長度,電壓分布均勻,加入一對電感并聯(lián)在諧振腔上下電極之間。這樣,由于電感負(fù)導(dǎo)納的補(bǔ)償作用,使激光器沿長度上的駐波比大大下降,失配角小于9°,理論計(jì)算結(jié)果電壓不均勻度小于3%。

  有關(guān)過流、過壓、過熱保護(hù)電路、顯示電路、安全延時(shí)電路、自診斷等輔助電路,本文不再一一贅述。

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