종종 접하게 되는 문제는 압전 수정 또는 용량성 부하의 단자에 높은 AC 전압을 생성하는 방법을 고안하는 것입니다. RF 전 력 증폭기 또는 신호 소스를 사용하여 용량성 부하를 구동할 때 이러한 시스템의 손실에 기여하는 세 가지 요소가 있습니다. 즉, 반응성 손실, 반사 손실 및 유전 손실입니다.
여기에서는 이러한 손실과 이를 극복하기 위한 세 가지 주요 접근 방식에 대해 설명합니다.
반응 손실: 반응 손실은 커 패시터 값의 함수입니다.
Xc =
1
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
2 * P * F * C
어디:
Xc = ‑j Ohms로 측정된 리액턴스 F = 주파수(Hz)
C = 패럿 단위의 커패시턴스
주파수가 증가하면 리액턴스가 감소합니다. 대부분의 크리스털은 불균형 부하로 구동됩니다(한 단자는 RF 핫이고 다른 단자 는 접지에 연결됨). 매우 낮은 주파수(DC ‑ 1MHz)에서 리액턴스는 신호 소스의 임피던스에 비해 높습니다. (50 Ohms) 30MHz 이상의 주파수에서(커패시턴스 값에 따라 다름) 리액턴스는 소스의 임피던스보다 작을 수 있습니다. 계속해서 주파수 를 높이면 테스트 중인 수정이 RF 발생기 또는 신호 소스의 출력 단자에 대한 단락 회로처럼 보이기 시작합니다.
반사 손실: 반사 손실 또
는 반사 계수는 임피던스의 함수입니다. 대부분의 RF 증폭기 및 신호 소스의 출력 임피던스는 50옴입니다. 50옴 동축 케이블 을 사용하고 구동하는 부하도 50옴인 경우 증폭기에서 테스트 중인 장치로 모든 에너지를 전달할 수 있습니다. 부하 임피던스 가 >50 Ohms 또는 <50 Ohms이면 에너지의 일부가 반사되거나 신호 소스로 다시 반환됩니다.
Z 부하 – Z 소스
전압 반사 계수 = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
Z 부하 + Z 소스
여기서 Z 로드와 Z 소스는 모두 복소수 벡터 값입니다.
반사 손실(–dB) = 20 * LOG(ABS(전압 반사 계수))
순방향 전력(%) = 100 * (1‑ 전압 반사 계수 ^ 2)
반사 전력(%) = 100 * 전압 반사 계수 ^ 2
예. 임피던스가 50.0 – j 50.0 Ohms인 수정 또는 커패시터가 RF 증폭기의 출력에 직접 연결된 경우 (50.0 + j
0.0 Ohms) 복소 임피던스로 인한 반사 전력으로 인해 전력의 20%가 손실됩니다. 크리스탈이나 커패시터..
DIELECTRIC LOSS: 유
전 손실은 커패시터 또는 크리스탈 재료 특성의 함수이며 정량화하기 가장 어렵습니다. 유전율, 유전 강도, 주파 수, 역률, 속도율 등 유전 손실에 기여하는 요소는 세라믹 재료의 혼합물이 독점적이기 때문에 일반적으로 공개되 지 않습니다. 고품질 세라믹 및 도자기 커패시터 제조업체 중 소수만이 유전 손실 데이터를 나열합니다.
유전 손실은 이 손실이 매우 작은 부피에서 발생하는 열로 변하기 때문에 가장 중요한 요소입니다.
"RF Capacitor Handbook"은 이 주제에 대한 좋은 참고 자료이며 American Technical Ceramics에서 구할 수 있습니다. http://www.atceramics.com/technicalnotes/order_capacitor_handbook.asp
모든 유형의 재료의 유전 특성 측정을 전문으로 하는 시설도 있습니다. http://www.damaskosinc.com/
복합 수정 임피던스: 알려지지 않은 수정 또는 커
패시터의 손실을 결정하는 간단한 방법은 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 복합 임피던스를 측정하는 것입니다. 이 계측기는 테스트 중인 구성 요소를 통해 전압과 위상을 측정하고 여러 형식으로 복잡한 임피던스를 반환합니 다. (스칼라 또는 극좌표 플롯, 반사 계수, VSWR, 실수 및 허수 옴, 전압 크기 및 각도)
이러한 벡터 값을 사용하여 전압 반사 계수를 계산하고 수정에 전달되는 순방향 전력의 백분율을 계산할 수 있으 므로 실수 및 허수 임피던스 데이터를 보는 것이 좋습니다. 네트워크 분석기가 반환하는 실수 및 허수는 직렬 등가 회로를 나타냅니다. (시리즈 C, 션트 R)
NaCl 결정에서 측정된 실제 데이터는 아래에 예시로 나와 있습니다.
| 2 | 47 | ‑3622 | 22.0 |
| 5 | 17 | ‑1817 | 21.0 |
| 10 | 10.7 | ‑915 | 21.4 |
| 15 | 4.7 | ‑460 | 21.4 |
| 30 | 3.5 | ‑229 | 21.3 |
| 60 | 2.8 | ‑112 | 23.7 |
| 125 | 1.9 | ‑50 | 25.5 |
| 250 | 0.47 | ‑12 | 53.1 |
| 300 | 0.34 | ‑0.4 | 1330 |
|
NaCl 결정의 복합 임피던스:
주파수 |
|
MHz
1 |
|
레옴임 옴 C pF 300 ‑7557 21.1
|
1MHz에서 실수부(Re = 300 Ohms)와 리액턴스(Im = Xc = ‑j 7557 Ohms)가 모두 높습니다. 50옴 시스템에서는
1% 미만의 전력이 크리스털 단자에 전달됩니다. 커패시턴스는 이 문서의 첫 번째 부분에 제공된 방정식을 사용하여 계 산됩니다. 이 두 숫자의 비율은 결정의 품질 계수 또는 "Q"를 제공합니다.
저장된 Xc 에너지
질문 =
‑‑‑ = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
재 에너지 소산
2MHz에서 실수부는 이미 47옴으로 감소했습니다. 무손실 인덕터를 사용하여 용량성 리액턴스(‑j3622 Ohms)를 공 진시키도록 공액 정합이 설계되었다고 가정해 보겠습니다. (+j3622 Ohms) 결과 RLC 네트워크는 순수한 47 Ohm 저 항처럼 보입니다. 이 네트워크는 100와트 RF 전력 증폭기에 좋은 부하를 제공합니다. 문제는 소금 결정이 100와트의 에너지를 소산할 수 없어 열 과부하로 인해 결정 구조가 파손된다는 것입니다.
250MHz에서 실수부는 1옴 미만이고 허수부는 정전용량의 실효값이 2배가 되는 지점까지 떨어졌습니다. 감소된 리액 턴스(Xc = ‑j12 Ohms)는 원치 않는 추가 반응 손실을 제공합니다. RLC 회로는 50옴 증폭기 출력의 에너지를 250MHz 에서 수정으로 효율적으로 일치시키도록 설계할 수 있지만 일반적으로 수정의 단자에 높은 AC 전압 전위를 제공하는 것 이 바람직합니다. 250MHz에서 200볼트 RMS 신호로 이 특정 수정을 구동하려면 다음과 같은 출력 전력을 가진 RF 전력 증폭기가 필요합니다.
삐져나온 =
200볼트 ^2
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
0.47옴
= 85,106와트
85kW와트를 생성하는 것이 사소한 문제가 아니기 때문에 이것은 물론 실용적인 솔루션이 아닙니다.
또한 결정 구조 고유의 열 관리 문제가 여전히 있습니다. ~ 안에
이 특이한 예에서 수정은 85KWatt를 소산하도록 설계되어야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
주파수가 300MHz 이상으로 증가하면 크리스털은 RLC 네트워크가 크리스털 양단의 전압이 0이 되도록 하는 단 락 회로처럼 보이는 직렬 공진을 거칩니다. 직렬 공진점 위의 복잡한 임피던스 데이터는 이제 수정이 인덕터처럼 보 인다는 것을 보여줍니다. (+j 옴)
50옴 종단: 이 문제에 대한 간단
|
동일한 NaCl 결정과 50 Ohm 저항의 복소 임피던스를 측정하여 아래와 같이 표시합니다.
|
|
NaCl 결정의 복합 임피던스와 병렬 50옴 부하:
|
| 주파수 | 답장 | 에서 | C pF |
| 1 | 50 | ‑0.08 | 1989440 |
| 2 | 50 | ‑0.2 | 397887 |
| 5 | 50 | ‑0.5 | 63662 |
| 10 | 50 | ‑1.0 | 15915 |
| 15 | 50 | ‑2.0 | 5305 |
| 30 | 49 | ‑4.2 | 1263 |
| 60 | 47 | ‑8.0 | 332 |
| 125 | 35 | ‑11.7 | 109 |
| 250 | 21 | ‑16.2 | 39.3 |
| 300 | 18 | ‑35.0 | 15.2 |
이 네트워크는 최대 60MHz의 RF 전력 증폭기에 좋은 종단을 제공합니다. 반응 손실은 125MHz(Im = ‑j 11.7 Ohms)에서 계수가 되기 시작합니다.
이 솔루션에는 열 문제를 고려해야 합니다. 종단 저항은 RF 전력 증폭기에서 대부분의 에너지를 소산시켜야 하며 저항은 테스트 중인 수정에 최대한 가깝게 위치해야 합니다. 증폭기에서 수정/저항 네트워크로 에너지를 효율적으 로 전송하려면 50옴 동축 케이블을 사용해야 합니다. 정격 전력이 50% 감소된 저유도 RF 유형 플랜지 장착 저항 은 방열판에 장착해야 하며 자연 대류 또는 강제 공기로 냉각해야 합니다.
STEP UP TRANSFORMER: 50
Ohm 종단의 문제는 시스템의 특성 임피던스가 50 Ohm 저항에서 생성될 수 있는 전압의 크기를 제한한다는 것 입니다. 200와트 RF 전력 증폭기는 다음만 제공합니다.
전압 = Sqrt(200와트 * 50옴) = 크리스탈 양단의 100볼트 RMS.
광대역 자동 변압기를 사용하여 선택한 변압기 토폴로지에 따라 전압을 2, 3 또는 4배 높일 수 있습니다. 동일한 염 결정은 낮은 인덕턴스 200 Ohm 저항으로 종단되었으며 복소 임피던스가 표로 작성되었습니다.
NaCl 결정의 복합 임피던스와 병렬 200옴 부하:
| 주파수 | 답장 | 에서 | C pF |
| 1 | 203 | ‑12 | 13263 |
| 2 | 203 | ‑21 | 3789 |
| 5 | 200 | ‑41 | 776 |
| 10 | 191 | ‑77 | 207 |
| 15 | 162 | ‑131 | 81.0 |
| 30 | 100 | ‑161 | 32.9 |
| 60 | 39 | ‑125 | 21.2 |
| 125 | 11 | ‑66 | 19.3 |
| 250 | 2 | ‑17 | 37.4 |
| 300 | 1 | ‑3 | 177 |
RF 전력 증폭기의 출력 임피던스는 50옴입니다. 자동 변압기는 1:2 전압 변환이지만 이것은 1:4 임피던스 변환과 같습니다. 50옴 입력 = 200옴 출력. 이 네트워크는 최대 10MHz의 RF 증폭기에 좋은 부하를 제공합니다. 200와 트 RF 전력 증폭기는 이제 다음을 제공합니다.
전압 = Sqrt(200와트 * 200옴) = 크리스탈 양단의 200볼트 RMS.
변압기 이론에 따르면 전원 입력 = 전원 출력이므로 방열판이 있는 고전력, 200옴, 낮은 인덕턴스 저항이 필요합 니다.
임피던스 매칭 네트워크: 임피던스 매칭은 인덕터와 커
패시터의 네트워크입니다. 이러한 기본 요소만을 사용하여 복잡한 임피던스를 다른 복잡한 임피던스와 일치시키는 회로를 설계하는 것이 가능합니다.
1의 주파수에서 "NaCl 결정의 복합 임피던스"라고 표시된 차트를 참조하십시오. MHz 직렬 인덕터는 +j 7557의 유도성 리액턴스(Xl)를 갖도록 선택할 수 있습니다.
‑j 7557의 용량성 리액턴스(Xc)를 취소하기 위한 옴. 션트 커패시터로 종단된 추가 직렬 인덕터를 사용하여 RF 전력 증폭기 의 50옴 출력을 수정의 300옴 저항으로 변환할 수 있습니다. 200와트 RF 전력 증폭기는 이제 다음을 제공합니다.
전압 = Sqrt(200와트 * 300옴) = 크리스탈 양단의 245볼트 RMS.
이 매칭 네트워크는 매칭 네트워크의 인덕터와 커패시터가 회로의 "Q"를 증가시키기 때문에 협대역 솔루션입니다. 주파수 변 경이 필요한 경우 수정의 복잡한 임피던스가 주파수에 따라 변하기 때문에 다른 값의 인덕터와 커패시터를 선택해야 합니다.
각 주파수 및 임피던스에 대해 조정할 수 있는 가변 인덕터 및 커패시터가 포함된 수동 매치 네트워크를 구입할 수 있습니다. 모터 구동 인덕터 및 커패시터를 사용하는 자동 정합 네트워크도 사용할 수 있습니다. 순방향 및 반사된 RF 전력의 샘플은 마이크로프로세서에 대한 피드백 신호로 사용됩니다.
결론:
40pF 용량성 부하에 걸쳐 1,800볼트 pk‑pk 이상을 생성하기 위해 10MHz에서 20와트의 RF 에너지로 공액 정합 및 구동 된 저손실 결정이 있습니다. 스펙트럼의 다른 쪽 끝에는 일치하는 경우 200W의 RF 전력을 사용하여 터미널 전체에 mVolt 만 생성하는 고손실 수정이 있습니다. 두 경우 모두 결과는 만족스러웠습니다.
디자인 단계에서 수정의 구성을 고려하십시오. 구리 손실(I^2*R)은 전체 손실의 큰 부분을 차지할 수 있습니다. 몇 옹스트롬 의 금속만으로 결정을 스퍼터링하면 표피 효과로 인해 고주파에서 구리 손실이 높아집니다.
높은 수준의 에너지로 수정을 운전할 때는 주의하십시오. 수정에 대한 켤레 매칭이 효율적인 경우 결과는 생성된 에너지의 많 은 부분이 테스트 중인 수정에 직접 전달되도록 하여 열 과부하로 인한 수정의 고장을 초래합니다.
때때로 실험을 성공적인 결론에 이르게 하는 데 필요한 것이 무엇인지 정확히 알기가 어렵습니다. 고출력 RF 증폭기를 이미 사용할 수 있는 경우 최종 목표를 달성하는 데 도움이 되는 500달러 미만으로 조사할 수 있는 몇 가지 옵션이 있습니다.
종종 접하게 되는 문제는 압전 수정 또는 용량성 부하의 단자에 높은 AC 전압을 생성하는 방법을 고안하는 것입니다. RF 전 력 증폭기 또는 신호 소스를 사용하여 용량성 부하를 구동할 때 이러한 시스템의 손실에 기여하는 세 가지 요소가 있습니다. 즉, 반응성 손실, 반사 손실 및 유전 손실입니다.
이 백서에서는 이러한 손실과 이를 극복하기 위한 세 가지 주요 접근 방식에 대해 설명합니다.
반응 손실: 반응 손실은 커 패시터 값의 함수입니다.
Xc =
1
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
2 * P * F * C
어디:
Xc = ‑j Ohms로 측정된 리액턴스 F = 주파수(Hz)
C = 패럿 단위의 커패시턴스
주파수가 증가하면 리액턴스가 감소합니다. 대부분의 크리스털은 불균형 부하로 구동됩니다(한 단자는 RF 핫이고 다른 단자 는 접지에 연결됨). 매우 낮은 주파수(DC ‑ 1MHz)에서 리액턴스는 신호 소스의 임피던스에 비해 높습니다. (50 Ohms) 30MHz 이상의 주파수에서(커패시턴스 값에 따라 다름) 리액턴스는 소스의 임피던스보다 작을 수 있습니다. 계속해서 주파수 를 높이면 테스트 중인 수정이 RF 발생기 또는 신호 소스의 출력 단자에 대한 단락 회로처럼 보이기 시작합니다.
반사 손실: 반사 손실 또
는 반사 계수는 임피던스의 함수입니다. 대부분의 RF 증폭기 및 신호 소스의 출력 임피던스는 50옴입니다. 50옴 동축 케이블 을 사용하고 구동하는 부하도 50옴인 경우 증폭기에서 테스트 중인 장치로 모든 에너지를 전달할 수 있습니다. 부하 임피던스 가 >50 Ohms 또는 <50 Ohms이면 에너지의 일부가 반사되거나 신호 소스로 다시 반환됩니다.
Z 부하 – Z 소스
전압 반사 계수 = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
Z 부하 + Z 소스
여기서 Z 로드와 Z 소스는 모두 복소수 벡터 값입니다.
반사 손실(–dB) = 20 * LOG(ABS(전압 반사 계수))
순방향 전력(%) = 100 * (1‑ 전압 반사 계수 ^ 2)
반사 전력(%) = 100 * 전압 반사 계수 ^ 2
예. 임피던스가 50.0 – j 50.0 Ohms인 수정 또는 커패시터가 RF 증폭기의 출력에 직접 연결된 경우 (50.0 + j
0.0 Ohms) 복소 임피던스로 인한 반사 전력으로 인해 전력의 20%가 손실됩니다. 크리스탈이나 커패시터..
DIELECTRIC LOSS: 유
전 손실은 커패시터 또는 크리스탈 재료 특성의 함수이며 정량화하기 가장 어렵습니다. 유전율, 유전 강도, 주파 수, 역률, 속도율 등 유전 손실에 기여하는 요소는 세라믹 재료의 혼합물이 독점적이기 때문에 일반적으로 공개되 지 않습니다. 고품질 세라믹 및 도자기 커패시터
'증폭기' 카테고리의 다른 글
| 고전류 증폭기 (0) | 2022.10.21 |
|---|---|
| 가변 이득 저잡음 전류 증폭기 DLPCA-200 (0) | 2022.10.20 |
| 임피던스메칭기 (0) | 2022.10.14 |
댓글