一種大功率小體積射頻電源的制作方法
【專利摘要】一種大功率小體積射頻電源，包括可編程信號源，前級信號驅動電路、一級放大電路、輸入BALUN電路、二級功率放大電路、輸出BALUN電路、功率檢測電路及單片機。單片機根據功率檢測電路輸出的檢測信號，以PWM信號對輸入所述前級信號驅動電路的射頻信號進行調制，并調節所述一級放大電路的增益實現射頻電源輸出調節。本射頻電源相較于傳統射頻電源具有體積小，輸出功率高，輸出功率穩定，頻率穩定的特點，特別適用于射頻CO2激光器的射頻激勵。
【專利說明】
_種大功率zj、體積射頻電源
技術領域
[0001]本發明涉及大功率射頻電源，尤其是一種用于射頻CO2激光器的大功率小體積射頻電源。
【背景技術】
[0002]擴散冷卻板條CO2激光器主要使用射頻電源對激光器極板間氣體進行激勵，使氣體放電產生激光。大功率射頻電源的作用是為激光器提供高頻率高功率的激勵電壓。由于傳統的大功率射頻電源由于采用電子管或者多路晶體管放大的原因，電路復雜、體積較大；同時，射頻電源通常與激光器分開放置，中間增加一條射頻電纜，射頻電纜在高功率工作條件下發熱較大，引起額外的損耗，使得激光器工作不夠穩定可靠。
【發明內容】
[0003]針對現有大功率射頻電源存在的上述問題與不足，本發明提供一種穩定性高、功率體積比大、可以安裝在激光器上的大功率小體積射頻電源。
[0004]本發明提供的一種大功率小體積射頻電源，包括:
[0005]可編程信號源，提供射頻信號；
[0006]具有PffM控制端的前級信號驅動電路，其輸入端連接所述可編程信號源的輸出端；
[0007]—級放大電路，它的輸入端連接所述前級信號驅動電路的輸出端，且輸入回路中串聯由電機帶動的可調電阻，該電機由功率控制模塊驅動；
[0008]輸入BALUN電路，用于將所述一級放大電路輸出的射頻信號分成兩路等大反相信號；
[0009]二級推挽功率放大電路，用于放大所述輸入BALUN電路輸出的兩路等大反相信號；
[0010]輸出BALUN電路，其輸出端作為射頻電源輸出端，其兩輸入端分別連接所述二級推挽功率放大電路輸出端，用于將來自所述二級推挽功率放大電路的兩路等大反相信號合成為一路輸出射頻信號提供至負載；
[0011]功率檢測電路，連接于所述輸出BALUN電路輸出端，用于檢測所述射頻電源輸出端的輸出射頻信號的功率;以及
[0012]單片機控制模塊(MCU)，其一輸入端、一輸出端、PWM信號輸出端分別連接所述功率檢測電路的輸出端、所述功率控制模塊的輸入端和所述前級信號驅動電路的PWM控制端，且通過IIC總線與所述可編程信號源的頻率控制端相連;所述單片機控制模塊根據來自所述功率檢測電路的檢測信號，以PffM信號對輸入所述前級信號驅動電路的射頻信號進行調制，并通過所述功率控制電路帶動電機調節所述可調電阻對射頻電源輸出進行調節。
[0013]上述射頻電源進一步包括直流電源組模塊，該直流電源組模塊分別對所述一級放大電路、二級放大電路、可編程信號源及單片機控制模塊進行獨立供電。
[0014]上述射頻電源還可包括若干輔助電路，用于控制整個電源電路的穩定性。如用于與上位機通信的RS232電路;連接于單片機控制模塊相應輸入端的溫度檢測電路;一級放大電路電壓檢測電路，用于檢測所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;一級放大電路電壓控制電路，用于控制所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓檢測電路，用于檢測所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓控制電路，用于控制所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓。
[0015]優選實施例中，所述可編程信號源采用PLL鎖相環電路;其輸出信號頻率在1MHz?120MHz范圍內可調，工作頻率為81.36MHz。所述前級驅動模塊采用高頻電子開關。
[0016]所述一級放大器輸入回路中的可調電阻為100 Ω，并在該可調電阻上并聯68pF電容，用于補償接入該可調電阻帶來的的相位差。
[0017]所述輸入BALUN電路采用長度為7英寸的RG178同軸線纜在鎳鋅氧鐵磁芯骨架上繞制6圈而成，用于將非平衡信號轉換為平衡信號，同時參與一級放大電路輸出端與二級放大電路輸入端之間的阻抗匹配。
[0018]所述輸出BALUN電路采用長度為11英寸的RG304同軸線纜繞I圈而成，用于將平衡信號轉換為非平衡信號，同時參與二級放大電路輸出端與50Ω負載之間的阻抗匹配。
[0019]所述功率檢測電路采用微帶感應從射頻信號輸出端提取正向射頻信號和反向射頻信號，微帶線長60mm、寬3mm，銅厚2oz，提取的信號經過檢波后，由穩壓管進行箝位，并由電阻分壓后輸出。穩壓管作用是保護MCU輸入端不被過大的電流輸入而造成損壞。
[0020]所述一級放大電路、二級放大電路、輸入BALUN電路及輸出BALUN電路均使用高頻板貼合在金屬基板上進行制作，該金屬基板為銅基板或鋁基板，尺寸為長212mm、寬136mm，厚20mmο
[0021 ]本發明射頻電源體積小，輸出功率大，輸出功率穩定，頻率穩定，特別適用于射頻CO2激光器的射頻激勵。
[0022]本射頻電源采用兩種功率調節方式，方便對輸出功率進行調節，并采用BALUN電路進行功率分配以及功率合成，還參與負載端阻抗匹配過程，有效減小了射頻電源的體積。本射頻電源輸出端與負載連接不需要傳統的附加射頻電纜，避免了射頻電纜導致的額外損耗。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明射頻電源電路框圖；
[0024]圖2為圖1中輔助電路與單片機控制模塊連接示意圖；
[0025]圖3為圖1中的直流電源組模塊示意圖；
[0026]圖4為圖1中的一級放大模塊電路圖；
[0027]圖5為圖1中的二級放大模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0028]以下結合實施例附圖做進一步說明。
[0029]參考圖1，實施例大功率小體積射頻電源主要包括:可編程信號源I，具有PWM控制端的、連接于可編程信號源I輸出端的前級信號驅動電路2;連接于前級信號驅動電路2輸出端的一級放大電路3，連接于一級放大電路3輸出端的輸入BALUN電路4，輸出BALUN電路6，連接于輸入BALUN電路4與輸出BALUN電路6之間的二級推挽功率放大電路5，連接于輸出BALUN電路6輸出端的功率檢測電路7、單片機控制模塊(MCU)8以及直流電源組模塊10。
[0030]單片機控制模塊8的一輸入端、PWM信號輸出端分別連接功率檢測電路7的輸出端和前級信號驅動電路2的PWM控制端，且通過IIC總線與可編程信號源I的頻率控制端相連，對可編程信號源I的射頻信號頻率進行可編程調節。一級放大電路3的輸入回路中串聯由電機帶動的可調電阻，該電機由連接于單片機控制模塊8的一輸出端的功率控制模塊9驅動。
[0031]可編程信號源I輸出的射頻信號，首先由前級信號驅動電路2進行放大，進而接入一級放大電路3放大，一級放大電路3輸出射頻信號接入輸入BALUN電路4將信號分為兩路等大反相信號，進而該兩路等大反相信號進而二級推挽功率功率放大電路5分別放大，然后通過輸出BALUN電路6將二級推挽功率放大電路5放大后的兩路等大反相信號合成為一路輸出射頻信號輸出至負載。
[0032]由功率檢測電路7檢測射頻電源輸出端的輸出射頻信號的功率，單片機控制模塊8根據功率檢測電路7輸出的檢測信號，以PWM信號對輸入所述前級信號驅動電路2的射頻信號進行調制，并通過所述功率控制電路9帶動電機調節所述可調電阻對射頻電源輸出進行調節。
[0033]圖2為圖1中輔助電路與單片機控制模塊連接示意圖。為了提高整個電源電路的穩定性，上述射頻電源還可配置若干輔助電路11。這些輔助電路11包括:用于與上位機通信的RS232電路13;連接于單片機控制模塊8相應輸入端的溫度檢測電路12; —級放大電路電壓檢測電路14，用于檢測所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;一級放大電路電壓控制電路15，用于控制所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓檢測電路16，用于檢測所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓控制電路17，用于控制所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓。
[0034]參考圖3，直流電源組模塊1分別對一級放大電路3、二級放大電路5、射頻信號源
1、單片機控制模塊8進行獨立供電。12.5V/2A電源為DC-DC電源，提供給一級放大器漏極、5V/1A電源和2.2V/1A電源。
[0035]一級放大電路漏極與二級放大電路漏極需要的電流較大，單獨使用一路12.5V/2A電源以及一路50V/25A電源。5V/1A電源提供給功率檢測電路，PLL鎖相環電路、時鐘驅動電路;一級放大器柵極和二級放大器柵極對電源紋波要求較高，使用2.2V/1A的LDO電源供電。
[0036]參考圖4，一級放大器電路3選擇低噪聲放大器，提高射頻電源的信噪比，其輸入輸出匹配網絡采用最小噪聲系數設計。輸入端串聯可調電阻Rl，R1阻值為100 Ω，用于調節射頻電源輸出功率，并在可調電阻Rl上并聯68pF電容C4，用于補償接入可調電阻Rl帶來的相位差。
[0037]參考圖5，二級推挽功率放大電路5選擇高功率推挽放大器，其優點是將兩路放大器集成在一個元件上，保證了功放管的參數一致性，同時也能減小體積。其輸入輸出匹配網絡采用最大增益設計。輸入BALUN 4采用長度為7英寸的RG178線材在鎳鋅氧鐵磁芯骨架繞制6圈而成，用于將非平衡信號轉換為平衡信號，同時參與一級放大電路輸出端與二級放大電路輸入端之間的阻抗匹配。輸出BALUN 6采用長度為11英寸的RG304線材繞I圈而成，用于將平衡信號轉換為非平衡信號，同時參與二級放大電路輸出端與50 Ω負載之間的阻抗匹配。
[0038]可編程信號源I采用PLL鎖相環電路，實現由單片機對其射頻信號頻率進行可編程調節。前級驅動模塊2采用高頻電子開關，單片機的PWM信號通過高頻電子開關控制端對射頻?目號進行PWM調制。
[0039]功率檢測電路7采用微帶感應從信號輸出端提取正向以及反向射頻功率信號，微帶線長60_、寬3_，銅厚2οζ，提取的信號經過檢波后，由穩壓管進行箝位，并由電阻分壓后輸出。穩壓管作用是保護單片機輸入端不被過大的電流輸入而造成損壞。
[0040]—級放大電路3與二級推挽功率放大電路5使用高頻板貼合在金屬基板上進行制作，金屬基板為銅基板或鋁基板，尺寸為長212mm、寬136mm、厚20mm。
[0041]以上通過具體實施例對本發明做了詳細的說明，這些具體的描述不能認為本發明僅僅限于這些實施例的內容。本領域技術人員根據本發明構思、這些描述并結合本領域公知常識做出的任何改進、等同替代方案，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種大功率小體積射頻電源，其特征在于，包括: 可編程信號源，提供射頻信號； 具有PffM控制端的前級信號驅動電路，它的輸入端連接所述可編程信號源的輸出端； 一級放大電路，它的輸入端連接所述前級信號驅動電路的輸出端，且輸入回路中串聯由電機帶動的可調電阻，該電機由功率控制模塊驅動； 輸入BALUN電路，用于將所述一級放大電路輸出的射頻信號分成兩路等大反相信號； 二級推挽功率放大電路，用于放大所述的兩路等大反相信號； 輸出BALUN電路，其輸出端作為射頻電源輸出端，其兩輸入端分別連接所述二級推挽功率放大電路的輸出端，用于將來自所述二級推挽功率放大電路的兩路等大反相信號合成為一路輸出射頻信號提供至負載； 功率檢測電路，連接于所述輸出BALUN電路輸出端，用于檢測所述射頻電源輸出端的輸出射頻信號的功率;以及 單片機控制模塊，其一輸入端、一輸出端、PWM信號輸出端分別連接所述功率檢測電路的輸出端、所述功率控制模塊的輸入端和所述前級信號驅動電路的PWM控制端，且通過IIC總線與所述可編程信號源的頻率控制端相連;所述單片機控制模塊根據來自所述功率檢測電路的檢測信號，以PWM信號對輸入所述前級信號驅動電路的射頻信號進行調制，并通過所述功率控制電路帶動電機調節所述可調電阻對射頻電源輸出進行調節。2.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述可編程信號源為PLL鎖相環電路，其輸出信號頻率在1MHz?120MHz范圍內可調，工作頻率為81.36MHz。3.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述前級驅動模塊為高頻電子開關。4.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述一級放大器輸入回路中的可調電阻為100 Ω，并在該可調電阻上并聯68pF電容，用于補償接入該可調電阻帶來的的相位差。5.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述輸入BALUN電路采用長度為7英寸的RG178同軸線纜在鎳鋅氧鐵磁芯骨架上繞制6圈而成。6.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述輸出BALUN電路采用長度為11英寸的RG304同軸線纜繞I圈而成，用于將平衡信號轉換為非平衡信號，同時參與所述二級放大電路輸出端與50 Ω負載之間的阻抗匹配。7.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于:所述功率檢測電路采用微帶感應從射頻信號輸出端提取正向以及反向射頻功率信號，微帶線長60mm、寬3mm，銅厚2oz，提取的信號經過檢波后，由穩壓管進行箝位，并由電阻分壓后輸出。8.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，所述一級放大電路、二級放大電路、輸入BALUN電路及輸出BALUN電路均使用高頻板貼合在金屬基板上進行制作，該金屬基板為銅基板或鋁基板，尺寸為長212_、寬136_，厚20_。9.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，進一步包括直流電源組模塊，該模塊分別對所述一級放大電路、二級放大電路、可編程信號源及單片機控制模塊進行獨立供電。10.如權利要求1所述的射頻電源，其特征在于，進一步包括:用于與上位機通信的RS232電路;溫度檢測電路;一級放大電路電壓檢測電路，用于檢測所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;一級放大電路電壓控制電路，用于控制所述一級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓檢測電路，用于檢測所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓;二級放大電路電壓控制電路，用于控制所述二級放大電路柵極電壓與漏極電壓。
【文檔編號】H01S3/097GK105846301SQ201610393366
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月4日
【發明人】劉學平, 林喜榮, 寧鋒, 胡長國
【申請人】清華大學深圳研究生院