微型RF CO2激光電源

Micro－Power Supply of CO2 Laser

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。主要內(nèi)容包括：技術(shù)要求、設(shè)計(jì)方法、原理框圖、原理電路、工作原理、工作過程。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)輸出和脈沖輸出兩種方式，連續(xù)工作頻率為40MHz，脈沖工作調(diào)制頻率為0～100kHz連續(xù)可調(diào)，電源體積僅為激光頭的1/4，電源質(zhì)量為0.2kg，λ/4波長傳輸線0.1kg。整個(gè)電源小巧緊湊、成本低，便于裝配、調(diào)試與維修。

關(guān)鍵詞:二氧化碳激光器射頻電源振蕩器放大器調(diào)制器阻抗匹配

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(lì)波導(dǎo)激光器的發(fā)光。它首次顯示了低電壓激勵(lì)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：

（1）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。

（2）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。

（3）按激勵(lì)極性分

1）單相；

2）反相。

（4）按腔體結(jié)構(gòu)分

1）單腔；

2）多腔；

（a）折疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。

（b）列陣腔：短肩列陣；交錯(cuò)列陣。

（c）積木式：并聯(lián)—2腔；三角組聯(lián)—3腔。

3）大面積放電

（a）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。

（6）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。

（8）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诜烹姷木鶆蛐浴ｋ瘹鈱F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(lì)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。

圖1RFCO2激光器電源原理框圖

　　具體技術(shù)條件如下：

　　輸入參數(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。