Impedancia que coincide con un circuito RLC (inductor dibujado macroscópicamente en PCB)

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Contexto: soy un estudiante graduado de física con conocimientos básicos de circuitos, pero la coincidencia de impedancia y el dominio de RF están fuera de mi alcance normal. Mi PCB es en realidad unida a cobre a un sustrato de cerámica que está entrando en mi cámara de vacío, por lo que conocer los detalles de lo que realmente está haciendo este circuito es importante para calcular los requisitos de disipación de calor y porque no podré modificarlo después. Lo instalo en la cámara. No hay ningún elemento de resistencia, toda la resistencia proviene de las mismas trazas de cables.

Por lo tanto, mi objetivo es tener un pico de corriente de ~ 1 Amp en mis trazas de PCB a ~ 5 MHz para tener los campos magnéticos correctos para que el conjunto de tableros actúe como una trampa. Los únicos componentes que tengo son un condensador de ajuste ( compatible con alto voltaje ) y luego lo que elija para mi impedancia pareo. Al usar diferentes capacitores de sintonización para hacer que el circuito resuene a diferentes frecuencias, creo que mi capacitancia parásita es de aproximadamente 4 pF, mi inductancia es de aproximadamente 42 uH, y para que el circuito resuene a 5 MHz, utilizo un condensador de sintonización de 20pF. / p>

Mi puerto de "transmisión" es una bobina de recogida de heridas que se encuentra en la placa cerca de las bobinas dibujadas más grandes. Al usar un analizador de red, tengo un par de escenarios diferentes, donde radica mi confusión. Si conecto el circuito a un transformador toroidal 1: 1, mi acoplamiento de potencia es bastante malo, mi caída en la reflexión es de solo -4 dB. sin embargo, el ancho de la resonancia es .1 MHz a 5 MHz, por lo que mi Q es 50. Si uso \ $ Q = \ omega L / R \ $, significa que mi resistencia es de 28 ohmios. Sin embargo, aunque cambie la relación de giros, todavía no puedo obtener una mejor transferencia de potencia que una caída de ~ 4 dB en la reflexión. ¿Por qué no puedo obtener un mejor acoplamiento de potencia que esto? ¿Es la inductancia del transformador toroidal el problema? Sin embargo, si uso un circuito de L coincidente, (el condensador a través del puerto de entrada, el inductor en serie con la carga, (los valores funcionan a 470 nH y 560 pF) puedo obtener una reflexión de -30 dB, pero mi Q se reduce a 25 ¿Qué es real aquí? Pensaría que toda la potencia acoplada tendría que ser disipada en mi bobina, pero ¿por qué se duplica la resistencia aparente al usar la adaptación de impedancia de coincidencia de L? ¿O es que la caída en Q es solo una función de la fuente? ¿Ahora veo un aparente 50 ohmios, pero no realmente conduciendo eso?

Cualquier ayuda o referencia sería muy apreciada, he estado luchando con esto por un tiempo y todos mis compañeros de laboratorio también son físicos, no EE, por lo que no tenemos mucha experiencia con esto. Gracias!

Editar: aquí está el esquema para el escenario uno: transformador toroidal y circuito 2: L-match

Otraedición:lasbobinasrealesencuestión:

    

3 respuestas

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Respecto al hecho de que Q se redujo cuando usó una red de adaptación de impedancia:

Ha utilizado una red de L simple que consta de solo dos componentes (un condensador y una inductancia) que están completamente determinados por la impedancia de entrada y salida de su situación.
Esto no le deja ningún parámetro para controlar Q. Usted obtiene cualquier Q que sea el resultado de los valores de los componentes que necesita para hacer coincidir.

Supongo que lo que necesita es una red de coincidencia más sofisticada que contenga al menos tres componentes (por ejemplo, una red T o una red Pi) que tenga otro grado de libertad que le permita controlar no solo la impedancia de entrada y salida, sino también Q.

Ya que también está solicitando referencias, recomiendo mucho el capítulo sobre la concordancia de impedancia y las tablas de Smith en Chris Bowick ," RF Circuit Design ". Explica y contiene un problema de ejemplo para la coincidencia de impedancia mientras que también se preocupa por Q.

    
respondido por el Curd
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Oh no, yo también soy físico. (Espero poder ayudar.) Así que voy a adivinar que ambos números son correctos.
La Q de un circuito resonante ciertamente puede cambiar a medida que se carga con más potencia. (¿Hay algo en esas bobinas?) También habrá algunas pérdidas por resistencia en la red correspondiente.
Al imputar energía a la RF, necesita saber algo sobre la impedancia de la fuente. (¿Qué es lo que lo impulsa?) Y entonces tal vez algo sobre la conexión (línea de transmisión) entre la fuente y la carga. 5 MHz, es una frecuencia bastante baja, por RF, ¿por cuánto tiempo es la conexión?

    
respondido por el George Herold
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En la resonancia, la capacitancia y la inductancia de un circuito sintonizado en serie se cancelan, por lo que parece ser una resistencia pura (principalmente la resistencia de la bobina). Para obtener la máxima transferencia de potencia, debe coincidir con las impedancias de fuente y carga. Con el generador a 50 ohmios y la carga a 28 ohmios (o menos), ni siquiera están cerca de emparejarse, por lo que una gran cantidad de energía se reflejará nuevamente en el generador.

La Q de un circuito resonante en serie es igual a la reactancia inductiva (o reactancia capacitiva - son lo mismo) en resonancia, dividida por la resistencia total en el circuito en serie. Esto incluye la resistencia de la fuente. Si la fuente y la carga se ajustan y sintonizan correctamente a la resonancia, tendrán resistencias iguales, por lo que si la bobina y el condensador sintonizados suman 28 Ohms, entonces la resistencia total en el circuito en serie debería ser de 56 Ohms, y la Q es ( 42uH * 5Mhz * 2pi) / 56 ohmios = 24. Esta baja Q no es una preocupación a menos que desee filtrar las frecuencias no resonantes.

Pero si la resistencia de CC de la bobina es de solo 2 ohmios, ¿por qué la resistencia calculada es 10 veces mayor? A 5 MHz, efecto de piel hace que la mayor parte de la corriente fluya justo debajo de la superficie de las trazas de la bobina, lo que aumenta dramáticamente su efectividad resistencia. Un revestimiento más grueso no ayudará mucho. Para obtener una menor resistencia de CA debe aumentar el área de superficie.

Usted dice que cambiar las vueltas en el transformador toroidal no hizo ninguna diferencia, pero con la relación de vueltas correcta debería coincidir el generador con la carga. Si el acoplamiento de potencia sigue siendo bajo, es porque el transformador no está diseñado para un funcionamiento eficiente a 5MHz y 25W (no hay suficientes giros, ¿el cable es demasiado delgado, hay una gran pérdida de núcleo?).

    
respondido por el Bruce Abbott

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