Impedanzanpassung an eine RLC-Schaltung (Induktivität makroskopisch auf Leiterplatte gezeichnet)

Kontext: Ich bin ein Physikstudent mit Grundkenntnissen in Schaltungen, aber Impedanzanpassung und HF-Bereich liegen außerhalb meines normalen Bereichs. Meine Leiterplatte ist tatsächlich mit Kupfer an ein Keramiksubstrat gebunden, das in meine Vakuumkammer kommt. Daher ist es wichtig, die Details dessen zu kennen, was diese Schaltung tatsächlich tut, um die Wärmeableitungsanforderungen zu berechnen, und weil ich sie danach nicht mehr ändern kann Ich installiere es in der Kammer. Es gibt kein Widerstandselement, der gesamte Widerstand stammt von den Leiterbahnen selbst.

Mein Ziel ist es also, eine Stromspitze von ~ 1 Ampere bei ~ 5 MHz durch meine PCB-Spuren zu haben, um die richtigen Magnetfelder zu haben, damit der Satz von Platinen als Falle fungiert. Die einzigen Komponenten, die ich habe, sind ein Abstimmkondensator ( hochspannungskompatibel ) und dann alles, was ich für meine Impedanzanpassung verwende. Durch die Verwendung verschiedener Abstimmkondensatoren, um die Schaltung bei unterschiedlichen Frequenzen zum Schwingen zu bringen, beträgt meine parasitäre Kapazität ungefähr 4 pF, meine Induktivität etwa 42 uH, und um die Schaltung bei 5 MHz in Resonanz zu bringen, verwende ich einen Abstimmkondensator von 20 pF.

Mein "Übertragungs" -Anschluss ist eine gewickelte Aufnahmespule, die sich auf der Platine in der Nähe der größeren gezogenen Spulen befindet. Mit einem Netzwerkanalysator habe ich ein paar verschiedene Szenarien, in denen meine Verwirrung liegt. Wenn ich die Schaltung an einen 1:1 Ringkerntransformator anschließe, ist meine Leistungskopplung ziemlich schlecht, mein Reflexionseinbruch beträgt nur -4 dB. Die Breite der Resonanz beträgt jedoch 0,1 MHz bei 5 MHz, sodass mein Q 50 beträgt Q = ω L / R Das heißt, mein Widerstand beträgt 28 Ohm. Selbst wenn ich mein Windungsverhältnis ändere, kann ich immer noch keine bessere Leistungsübertragung als einen Reflexionsabfall von ~4 dB erreichen. Warum bekomme ich keine bessere Leistungskopplung als diese? Ist die Induktivität des Ringkerntransformators das Problem? Wenn ich jedoch eine L-Anpassungsschaltung verwende (Kondensator über Eingangsport, Induktivität in Reihe mit der Last (Werte ergeben 470 nH und 560 pF), kann ich -30 dB Reflexion erhalten, aber mein Q fällt auf 25 .Was ist hier real?Ich würde denken, dass die gesamte eingekoppelte Leistung in meiner Spule abgeführt werden müsste, aber warum wird der scheinbare Widerstand durch die Verwendung der L-Match-Impedanzanpassung verdoppelt?Oder ist der Abfall von Q nur eine Funktion der Quelle Jetzt sehen Sie scheinbar 50 Ohm, fahren das aber nicht wirklich?

Jede Hilfe oder Referenz wäre sehr willkommen, ich kämpfe schon eine Weile damit und alle meine Laborkollegen sind auch Physiker, keine EEs, also haben wir nicht viel Erfahrung damit. Danke!

Bearbeiten: Hier ist das Schema für Szenario eins: Ringkerntransformator und 2: L-Match-SchaltungSchaltungszeichnung

Eine weitere Bearbeitung: die eigentlichen Spulen:Spulen auf Platinen

Erwägen Sie, einige Absatzumbrüche hinzuzufügen, um Ihre Frage leichter lesbar zu machen. Ein Schaltplan Ihrer Schaltung kann es uns auch erleichtern, zu verfolgen, was Sie tun.
Danke, ich bin neu hier. Ich habe den Beitrag aufgeräumt und Diagramme hinzugefügt.

Antworten (3)

In Bezug auf die Tatsache, dass Q bei Verwendung eines Impedanzanpassungsnetzwerks abgefallen ist:

Sie haben ein einfaches L-Anpassungsnetzwerk verwendet, das nur aus zwei Komponenten (einem Kondensator und einer Induktivität) besteht, die beide vollständig durch die Eingangs- und Ausgangsimpedanz Ihrer Situation bestimmt werden.
Dadurch bleibt Ihnen kein Parameter zur Steuerung von Q. Sie erhalten, was auch immer Q als Ergebnis der Komponentenwerte ist, die Sie für den Abgleich benötigen.

Ich nehme an, was Sie brauchen, ist ein anspruchsvolleres Anpassungsnetzwerk mit mindestens drei Komponenten (z. B. einem T- oder einem Pi-Netzwerk), das einen weiteren Freiheitsgrad aufweist, mit dem Sie nicht nur die Eingangs- und Ausgangsimpedanz, sondern auch Q steuern können.

Da Sie auch nach Referenzen fragen, empfehle ich sehr das Kapitel über Impedanzanpassung und Smith-Diagramme in Chris Bowick , "RF Circuit Design" . Es erklärt und enthält ein Beispielproblem für die Impedanzanpassung, während es sich auch um Q kümmert.

Bedeutet das Abfallen von Q, dass die Leistung notwendigerweise in der Anpassungsschaltung abfällt? Oder wird die Leistung immer noch vollständig im Hauptstromkreis abgeführt und erscheint nur aufgrund der Anpassung anders. Genau genommen ist mir Q egal, ich muss nur wissen, wohin der Strom geht. Danke für den Hinweis, ich werde versuchen, es in die Hände zu bekommen
Geht man von perfekter Induktivität und Kapazität (kein R) aus, wird keine zusätzliche Leistung im Anpassnetzwerk dissipiert. Natürlich haben auch echte Komponenten einen gewissen Widerstand, aber wenn Sie die richtigen auswählen, sollte dies kein Problem sein.
Ich dachte, ein hohes Q ist wichtig für dich.
Ich näherte mich der Q-Messung als Hinweis auf die Verluste in der Schaltung, ich weiß, dass für einen einfachen LC-Tank niedrigere Werte auf mehr Verluste zurückzuführen sind. Ich möchte die Verluste nach Möglichkeit gering halten, da die Wärmeableitung im Vakuum schwierig ist und außerdem einen größeren Verstärker erwerben muss, wenn die Anpassungsschaltung auch Verluste aufweist. Aus der von Ihnen angegebenen Referenz geht jedoch hervor, dass ich unabhängig davon, wie ich die Anpassung mit anderen Elementen durchführe, ein niedrigeres Q erhalte, selbst wenn kein weiterer Widerstand hinzugefügt wird. Bedeutet dies, dass Q im Allgemeinen Sie nicht mehr direkt über Verluste in einer komplexeren Schaltung informiert?
Ich bin mir nicht ganz sicher, aber ich denke, hier macht es keinen Sinn, Q als Maß dafür zu verwenden, wie viel Energie verschwendet wird, da Qs von Netzwerken mit unterschiedlichen Impedanzen verglichen werden (Q = X / R; es kann durch R beeinflusst werden, aber auch durch X)

Oh nein, ich bin auch Physiker. (Ich hoffe, ich kann trotzdem helfen.) Ich gehe also davon aus, dass Ihre beiden Zahlen richtig sind.
Das Q eines Resonanzkreises kann sich sicherlich ändern, wenn Sie ihn mit mehr Leistung belasten. (Ist etwas in diesen Spulen?) Es wird auch einen gewissen Widerstandsverlust im Anpassungsnetzwerk geben.
Wenn Sie Leistung bei HF einspeisen, müssen Sie etwas über die Quellenimpedanz wissen. (Was treibt es an?) Und dann vielleicht etwas über die Verbindung (Übertragungsleitung) zwischen der Quelle und der Last. 5 MHz, ist eine ziemlich niedrige Frequenz, HF-technisch, wie lange ist die Verbindung?

Der HF-Verstärker, der die Schaltung antreibt, hat eine Quellenimpedanz von 50 Ohm. Die Übertragungsleitung ist derzeit ein ~4 Fuß BNC und dann ein verdrilltes Kabelpaar von etwa 4 Zoll, obwohl das Entfernen des BNC (Einstecken in den Netzwerkanalysator ohne Kabel) das Q der Schaltung nicht merklich ändert
@AlejandraCollopy, OK, die Quellenimpedanz von 50 Ohm wird 1 Ampere schwer machen. (Glaube ich.) Und wenn man es mit 50 Ohm antreibt, spielt die Kabellänge keine Rolle. Kommen die 28 Ohm Last dem Gleichstromwiderstand Ihrer Spule nahe? (Nun, oder ist da viel Kupferleiter in der Nähe?)
Es ist ein 25-Watt-HF-Verstärker, also denke ich, dass er die notwendige Spannung für einen Verstärker bei ~25 Ohm liefern kann. Der Gleichstromwiderstand beträgt nur ~2 Ohm. Ich arbeite derzeit daran, einen weiteren Satz Platinen mit einem Material herzustellen, das eine dickere Kupferbeschichtung aufweist, um zu versuchen, den Widerstand zu senken. Ich bin jedoch immer noch verwirrt über die Anpassung der Impedanzen und was dies in Bezug auf die Leistungsübertragung auf die Schaltung bedeutet
Funktionieren HF-Verstärker als Strom- oder Spannungsquelle? Ich hatte gedacht, dass sie Spannungsquellen sind. Außerdem wurden die obigen Messungen alle bei niedriger Leistung durchgeführt, wobei der Netzwerkanalysator selbst die Schaltung ansteuerte.
Ahh, das Bild hilft. Wenn also der Gleichstromwiderstand 2 Ohm beträgt, woher kommen die 28 Ohm Verlust? Ist das eine große Leiterplatten-Kupferschicht unter den Spulen? Betreff: HF-Verstärker, ich denke, es wird angenommen, dass sie Spannungsquellen sind. (Mit ziemlicher Sicherheit, wenn es sich um eine Quellenimpedanz von 50 Ohm handelt.) (Ich bin mir nicht sicher, wo Ihr Verlust liegt, ich habe einige Vermutungen. Aber bedenken Sie, wenn es ins Vakuum geht und Wärme abgibt, wohin wird diese Wärme gehen? Was für Kappen?
Ich bin mir nicht sicher, woher der Verlust kommt, obwohl ich vermute, dass das Substrat ein Teil des Problems ist. Um den Verlust zu verringern, musste ich jede Keramik auskratzen, die sich zwischen den Spuren befand. Außerdem beträgt die Kupferummantelung 35 um, was ungefähr der Eindringtiefe von Kupfer bei 5 MHz entspricht. Das Orange zwischen den Schichten ist eine Kapton-Folie, um Lichtbögen zu verhindern. Nicht gezeigt ist eine Kupferwärmebrücke, die rechts angebracht wird, um eine Verbindung zum Außenvakuum herzustellen, aber ich habe überprüft, dass die Kupferwärmebrücke das Q des Stromkreises nicht ändert, also muss sie weit genug entfernt sein. Die Kappen sind hohe Q-hohe V-Kappen, siehe Hauptbeitrag für den Link

Bei Resonanz heben sich Kapazität und Induktivität eines Reihenschwingkreises auf, so dass es sich um einen reinen Widerstand handelt (meistens der Widerstand der Spule). Um eine maximale Leistungsübertragung zu erhalten, müssen Sie die Quellen- und Lastimpedanzen aufeinander abstimmen. Mit dem Generator bei 50 Ohm und der Last bei 28 Ohm (oder weniger) sind sie nicht einmal annähernd aufeinander abgestimmt, sodass ein großer Teil der Leistung in den Generator zurückreflektiert wird.

Das Q eines Reihenresonanzkreises ist gleich der induktiven Reaktanz (oder kapazitiven Reaktanz - sie sind gleich) bei Resonanz, dividiert durch den Gesamtwiderstand in der Reihenschaltung. Dazu gehört der Widerstand der Quelle. Wenn die Quelle und die Last richtig aufeinander abgestimmt und auf Resonanz abgestimmt sind, haben sie gleiche Widerstände. Wenn also die Schwingkreisspule und der Kondensator 28 Ohm ergeben, sollte der Gesamtwiderstand in der Reihenschaltung 56 Ohm betragen, und Q ist ( 42uH*5Mhz*2pi)/56 Ohm = 24. Dieses niedrige Q ist kein Problem, es sei denn, Sie möchten Frequenzen außerhalb der Resonanz herausfiltern.

Aber wenn der Gleichstromwiderstand der Spule nur 2 Ohm beträgt, warum ist der berechnete Widerstand dann über 10 Mal höher? Bei 5 MHz bewirkt der Skin-Effekt , dass der größte Teil des Stroms direkt unter der Oberfläche der Spulenbahnen fließt, was ihren effektiven Widerstand dramatisch erhöht. Eine dickere Verkleidung hilft nicht viel. Um einen geringeren Wechselstromwiderstand zu erhalten, müssen Sie die Oberfläche vergrößern.

Sie sagen, dass das Ändern der Windungen am Ringkerntransformator keinen Unterschied gemacht hat, aber mit dem richtigen Windungsverhältnis sollte es den Generator an die Last anpassen. Wenn die Leistungskopplung immer noch gering ist, liegt dies daran, dass der Transformator nicht für einen effizienten Betrieb bei 5 MHz und 25 W ausgelegt ist (nicht genügend Windungen, zu dünner Draht, hoher Kernverlust?).

Meine Ummantelung beträgt derzeit 35 um, was fast genau der erwarteten Skin-Tiefe von Kupfer bei 5 MHz entspricht, was mich glauben lässt, dass eine Erhöhung der Dicke etwas helfen wird. Außerdem kann das Substrat einen gewissen Dielektrizitätskoeffizienten haben, wobei das Entfernen von Material aus dem Raum zwischen den Spuren das Q ziemlich verbessert hat. Der Kern, um den ich den Transformator wickle, ist für den Einsatz von 2-10 MHz ausgelegt, aber die Drahtstärke und die Anzahl der Windungen können immer noch mein Problem sein. Ich werde versuchen, beides zu ändern. Danke!
Impedanzanpassung an eine RLC-Schaltung (Induktivität makroskopisch auf Leiterplatte gezeichnet)
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