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射频电源中的阻抗匹配研究
第25卷第2期 应 用 激 光 Vol.25,No.2 2005年4月 APPLIEDLASER April2005
射频电源中的阻抗匹配研究3
曹锋光 张德玲 王新兵 何云贵
（华中科技大学激光加工国家工程研究中心, 武汉,430074
提要 阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态,它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。
阻抗匹配是功率放大器的核心技术。
本文以射频激励CO2激光器电源为例,根据传输线中高频电磁波的传播理论及一般的阻抗匹配计算方法,推导出1/4传输线阻抗匹配的研究设计方法及计算有关参数的普遍公式。
这一结果同样适用于其它射频电源的阻抗匹配研究。
关键词 阻抗匹配 波长线 CO2激光器
ResearchoftheimpedancematchingintheRFPowerfortheCO2Lasers
CaoFengguang ZhangDeling WangXinbing Heγungui
（StateEngineeringResearchCenterofLaserProcessingHuazhongUniversitγofScienceandTechnologγ,Wuhan430074 Abstract Theimpedancematchingisverγfamiliarinthewirelesstechnique.Itreflectsthetransmissionofthepowerbe2tweentheinputandtheoutputcircuit.Itisthekeγtechniqueforthepoweramplifier.Inthispaper,aCO2laserexcitedbγRFdischargewastakenasanexample,basedongeneralimpedancecalculationmethodandthepropagationtheoriesoftheelectro2magneticwave,ageneralformulaforselectingtheparametersandaresearchdesignmethodforthe1/4wave-lengthimped2ancematchingareobtained.ThisresultisapplicabletotheimpedancematchingofotherRFpower.
Keγwords impedancematching, 1/4wave-length, CO2laser
射频通常是指频率在10~200MHz范围内的电磁波,其功率的传输是一个波的过程,在不同的阻抗界面将发生不同的反折射。
为了使射频功率有效的注入到负载中,必须采用阻抗匹配技术。
本文主要以射频激励CO2激光器为例来介绍射频电源和负载（放电气体之间的阻抗匹配问题。
目前市场上的大功率射频电源,其阻抗ZS一般为50欧（或75欧,只有当负载阻抗ZL与ZS相匹配时,负载上得到的功率才能最大。
对气体激光器来说,其负载阻抗与腔体结构、工作气体气压及放电状态等均有很大的关系,常可视为一个阻容性负载,这就需要采用一个匹配网络来实现负载的阻抗变换,达到与射频源之间的阻抗匹配。
现在国内外有许多射频激励CO2激光器的有关报到[1,2],但没给出关于阻抗匹配参数的理论设计和分析。
本文从电磁波传播理论出发,结合功放管的实际情况得出了高频电磁波传输过程中的等效阻抗匹配的设计与计算方法,从而使阻抗匹配更加简便,对实际研究工作更有帮助。
传输线中RF电磁波的传输
对图1（a所示的传输线,射频电压和电流均以波动形式向前传播,为方便起见,取Z轴方向与电磁波的传播方向相反,并取传输线上某参考点为Z=0,其等效电路如图1（b所示。
那么,传输线上任意一点Z处的电压和电流满足下式[3]
dU=（R
01dz+j
ωL01dzI
dI=（G01dz+jωC01dzU
]dU/dz=Z01I
dI/dz=Y01U
（1
（a实际的射频传输线
图1（b 射频传输线的等效电路
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1
1
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3国家自然科学基金项目（60478028资助. 2004年11月20日收稿
其通解为
U=aeγz+be-γz
I=1
Z0
（aeγz+be-γz
（2
r=Z01Y01=（R01+jωL01（G01+jωC01=α+jβ
Z0=Z
0γ=Z01
Y01
=
R01+jωL01
G01+jωC01
其中γ为传播常数,α为衰减常数,β为相位常数,Z0为传输线特性阻抗,Z01,Y01分别为单位长度上的串连阻抗和并联导纳。
设Z=0处的电压和电流分别为U2和I2,则有
U2=a+b; I2=1
Z0
（a-b（3
（2（3联立得
U=U2
・chγz+I2・Z0shγz
I=U2
Z0
・shcz+I2・chγz
（4
对理想传输线,α=0,γ=jβ,于是（4式可由下列矩阵方程表示
U
I
=
cosβz jZ0sinβz
j
sinβz
Z0
cosβz
U2
I2
（5
无耗情况下,R01=0,G01=0,
故有Z0=L01
C01 β=ωL01C01=
ω
Vp
=
2πf
Vp
=
2π
λ
这里,Vp=1
L01C01为波的相速度,λ为波长。
令
U2
I2
=Z2为Z=0处的阻抗,Z2既是后接传输线的入端阻抗,若参考点Z=0处接负载,则Z2既是负载阻抗,那么,传输线上任意一点看向负载的阻抗为
Z（z=U
I=Z0
Z2+jZ0tgβz
Z0+jZ2tgβz
=Zin（6
可见,当z=λ/4（或λ/4的奇数倍时,有
z=λ/4=Z20/Z2（7式（7表明,如在负载Z2前接入一段长度为λ/4,特性阻抗为Z0的传输线,即能将Z2转换成Z（λ/4。
λ/4波长线阻抗匹配
在图2中,输出电路用一段λ/4波长微带线Z0作为匹配电路（Z为负载。
众所周知,当在两个电阻R1和R2之间插入一段特性阻抗为Z0=R1R2的1/4波长线时就实现了匹配。
任何晶体管在工作频带的中心频率下的输出都可以看作是一个电导和一个电纳的并联等效电路,即γout=Gout+jB
out,输出的阻抗匹配就是对其等效电路的匹配。
参数的具体计算方法:
任何射频电源都有谐振回路,即选频网络或低通回路。
由于此回路对基频（工作频率谐振,所以电源的输出主要有基波组成,输出功率也主要体现在基频上。
由于回路对基波谐振,所以电路呈纯电阻Rp,那么回路可吸取的基频功率为[4]
P0=1
2
VcmIcm=
V2cm
2Rp
（8 所需要的回路阻抗值为
Rp=Vcm
Icm
=
Vcc-υcmin
Icm
=
V2cm
2RP0
（9
图2 输出匹配电路
但任何晶体管的输出都是复阻抗,另外,1/4波长线只能匹配晶体管复数导纳的电导分量。
所以我们必须把晶体管复数导纳中的电纳部分调掉。
为此,须在输出回路中并联电感L,如图二所示,并联电感L的值可以根据晶体管的参数算出,也可以根据实验结果测出。
此时,传输线的输入阻抗就是纯电阻Rp,Rp=1/Gout。
为方便起见,我们假设负载为纯阻抗,即ZL=RL,根据（7式很容易算出传输线的特性阻抗为Z0=ZoutZL=RpRL,如图2所示。
理论上,这种阻抗匹配参数的设计方法对所有的射频电源与阻性负载间的匹配都是适用的。
实际上,在很多场合下的负载都不是纯阻性负载,但是任何形式的负载都可以通过一种网络变换成纯电阻性负载,例如本文实验所用的激光器[5]。
该类激光器的放电等离子体对外表现为一个阻容性负载,文献[5]中介绍了一种把这个阻容性负载变换为纯电阻负载的型阻抗匹配网络,另外,还可以通过其他的方法来实现,这里不再赘述。
需要说明的是,本文实验所用的激光器不是外加型阻抗匹配网络来实现的,而是在激光器内部实现的。
这种波长线阻抗匹配法相对来说比较简单,易于掌握,另外还有一种用导纳圆图匹配输出的方法[6],也可以用来设计计算λ/4波长线阻抗匹配。
实验与讨论
按照上述理论分析,我们主要做了两个实验,一个以50欧姆的纯电阻作为负载,（下转第136页
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2
1
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可进行数次治疗,每次治疗间隔时间为2-4周,按激光治疗后创面白膜脱落情况而定,术时出血少,术后不需要进行鼻腔填塞。
结 果
1.疗效判定
（1痊愈:
鼻塞消失,检查无鼻息肉。
（2好转:
鼻塞好转或明显好转,检查息肉缩小明显。
（3无效:
鼻塞轻度好转或未改善,检查在鼻腔内见有残余息肉。
2.疗效
68例中治愈者48例（占70.6%,好转20例（占29.4%,所有患者术后随访一年3例复发（占4%。
讨 论
根据呼吸生理的特点,气流进入鼻腔后首先冲击的是中鼻甲和中鼻道的前端,该处易受尘埃,污染颗粒,变应原或病原体的刺激使鼻道复合体易致息肉样变性,临床上对鼻息肉的治疗,目前采用鼻内镜手术或激光治疗。
我们对68例鼻息肉患者采用HO:
YAG激光治疗鼻息肉的体会如下:
1.HO:
YAG激光的波长为
2.1μm。
接近水的吸收峰,能很好地被生物组织吸收,热弛豫时间为310ms,采用脉冲式输出且脉宽度短于热弛豫时间,HO:
YAG激光对照射组织的热凝固损伤较小,同时HO:
YAG激光可以极容易地由低氢氧根的石英光导纤维传输,不易产生光纤端面污染。
HO:
YAG激光穿透组织深度约0.5mm,水分吸收好。
有精细的雕刻作用,对周围组织损伤轻微,术后组织反应小,术时出血少或无出血。
我们对68例多发性,大的鼻息肉患者采用HO:
YAG激光气化,见息肉组织逐渐消失,术时出血少,手术视野清晰,待气化后的坏死组织脱落,见鼻腔内息肉消失,中鼻甲粘膜恢复正常形态,使鼻腔通畅,对单个鼻息肉或中甲息肉样变病例可一次性治愈,对巨大或多发性鼻息肉将进行数次治疗后逐渐消失。
HO:
YAG激光穿透组织浅,对周围组织损伤轻,病人术后无鼻梁部组织肿胀,术时及术后无出血或少出血,术后反应轻,无痛苦,因此无须施行鼻腔填塞。
这种治疗方法治疗次数较多,治疗时间较长,故病人与医务人员在治疗时要有耐心,不能急于求成。
2.通过临床治疗后的体会,我们认为HO:
YAG激光治疗鼻息肉是一种方法简便,术后反应轻,无痛苦的较好、有效及理想的治疗方法,对患有高血压,心脏病,年老体弱或对手术产生恐惧的患者均可采用,本组68例多发性及大的鼻息肉患者,其中有26例经数次鼻息肉手术后屡次复发,其中有一例曾行8次鼻息肉手术,最少的手术次数也超过3次,6例因高血压,8例有心脏病患者而不能接受手术,28例年龄超过70岁,其中1例老年病例年龄达83岁,该患者的两侧鼻腔均被息肉填塞,直达前鼻孔,以上病例都耐心经4~8次HO:
YAG激光治疗后均有较满意的疗效,鼻腔通气良好。
3.HO:
YAG激光治疗鼻息肉,手术简便,可在门诊治疗,方便病人。
作者认为如鼻窦CT显示鼻窦内有息肉组织者,激光治疗后可复发,本组病例因随访时间较短,仅有一年,其中有3例复发,复发率达4%。
（上接第102页
测得电源的效率在60%左右,说明输出阻抗匹配的较好。
另一个就是利用Sγnrad公司生产的48-5型50瓦射频激励CO2激光器来实验,用我们自己设计的波长阻抗匹配线来代替原来的匹配线,使用效果基本无变化,投入使用的激光器返修率为零。
说明这种波长阻抗匹配线可以使用于大功率的环境下,且寿命长。
但这种波长阻抗匹配法需要预先知道负载的阻抗,电源的输出参数,且调节不灵活,设计计算时要求的精度较高,即使用实验测量参数也要保证很好的外部环境。
但是在产品精细化、集成化的今天,它仍然获得了广泛的应用。
参考文献
[1]W.Schocketal,SPIE1988,1031GCL:
76~81
[2]杨小康等,应用激光,1994,14（3:
121~124
[3]赵家升等,电磁场与微波技术,华中理工大学出版社,
1993,第六、七、十章
[4]张肃文等,高频电子线路,高等教育出版社,1993,280~
284
[5]王又青等,兵工学报,1998,19（1
[6]袁孝康等,微带功率晶体管放大器,人民邮电出版社,
1982,48~55
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