一種固態射頻發生器的製作方法

2023-06-05 20:09:21

專利名稱：一種固態射頻發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於實現激發光源的技術，特別是涉及一種用於實現分析測試儀器中電感耦合等離子體原子發射光譜儀(簡稱ICP-AES)的固態射頻發生器。
背景技術：
當前，分析測試儀器的應用範圍逐步擴大，尤其是ICP-AES已廣泛應用於國民經濟的各個領域。提高分析測試儀器的性能和穩定性已成為設計者、生產者和使用者的普遍需求。尤其是對ICP-AES中的激發光源，即射頻發生器的輸出功率、壽命、穩定性、體積等提出了更高的要求。射頻發生器的穩定程度直接影響到分析測試結果的準確性，可以說，射頻發生器的穩定程度是衡量ICP-AES性能的非常重要的指標之一。然而目前，ICP-AES的射頻發生器基本上都是採用電子管式的射頻發生器。就其功率輸出形式而言，有兩種類型，一種是他激式電路，又稱他激式射頻發生器；另一種是自激式電路，又稱自激式射頻發生器。然而不管是哪一種形式的電路，射頻發生器都是由電子管作為其核心部件。電子管的工作原理是，由陰極發射電子通過柵極飛向陽極，其電子流的發射能力受陰極材料和柵極材料及工藝上的限制，穩定性較差。因此，目前的電子管式射頻發生器很難做出輸出功率高穩定性的產品。此外，電子管電路的射頻發生器體積大、笨重，電子管本身壽命只有1 000個小時左右。這些不利因素大大限制了射頻發生器性能的提高， 更影響了分析測試儀器的整體性能。隨著ICP-AES的不斷發展對射頻發生器的穩定性要求越來越高，電子管式射頻發生器很難滿足上述要求。

發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明提供一種有效提高ICP-AES射頻發生器穩定性的系統和方法，使輸出功率穩定性達到0. 以下。同時，使整機體積減小1/3，重量減少1/2，節約了幾百瓦的電子管燈絲加熱耗能，從而能夠提高射頻發生器的性能，並提高 ICP-AES的整機水平。為了達到上述目的，本發明提供一種固態射頻發生器及其功率放大器，用半導體場效應管(MOSFET)代替電子管，完成了 ICP-AES的射頻發生器重大改進，提高了射頻發生器的穩定性和整機的測試精度。本發明提供一種功率放大器及其輸出電路，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其中，功率放大器利用兩隻半導體場效應管，將接收到前級的高頻功率信號進行功率放大；定向耦合器，用來採集功率放大器的輸出功率信號(對於定向耦合器來說即是入射功率信號，以下稱該信號為入射功率信號)和阻抗不匹配時的反射功率信號，用入射功率信號進行功率的自動控制，用反射功率信號進行電路保護；阻抗匹配箱，來自功率放大器的高頻功率通過定向耦合器，在阻抗匹配箱進行阻抗匹配後，輸出穩定的高頻功率，加到石英炬管負載上。其中，兩隻半導體場效應管組成推挽式功率放大器，並以他激、推挽方式工作。
其中，功率放大器包括推動變壓器、推挽式功率放大器、輸出變壓器，其中，前級產生的射頻功率信號接入推動變壓器的初級，推動變壓器的次級連接推挽式功率放大器；推挽式功率放大器將高頻功率放大後通過輸出變壓器將功率輸出到阻抗匹配箱。其中，推挽式功率放大器包括兩個電容和兩隻半導體場效應管，推動變壓器的次級通過兩個電容分別接到兩隻半導體場效應管的柵極，兩隻半導體場效應管的源極接地、 漏極接輸出變壓器的初級。其中 ，輸出變壓器的初級中心抽頭接到直流電源上，輸出變壓器的次級一端接地，
另一端輸出高頻功率。其中，阻抗匹配箱包括一個電感線圈、一個固定電容、兩個可調電容和一個感應工作線圈，電感線圈按自耦升壓方式接入，固定電容和一個可調電容起阻抗匹配作用，另一個可調電容起調諧作用。其中，阻抗匹配箱電感線圈的一端接地，另一端接三個電容的公共端，其中起阻抗匹配作用的固定電容和一個可調電容的另一端接地，起調諧作用的另一個可調電容的另一端與感應工作線圈串聯後接地。其中，阻抗匹配箱的輸入端是電感線圈的中心抽頭，電感線圈起升壓作用。其中，定向耦合器通過採集入射高頻功率的電流和電壓信號，將電流和電壓信號經過整形濾波後通過乘法器得到輸出功率值信號，用該信號進行功率的自動控制；定向耦合器通過採集反射高頻功率的電流和電壓信號，將電流和電壓信號相位疊加後得到反射功率值信號，該反射功率值信號將對負載不匹配狀態下的反射功率過載進行電路自動保護。其中，功率放大器的輸出，用50Ω同軸電纜饋線，穿過定向耦合器，接到阻抗匹配箱的輸入端。本發明的固態射頻發生器還進一步包括對功率放大器的輸入功率的幅值用壓電控制衰減器的衰減量進行控制；對功率放大器的輸出功率失諧狀態用安全保護控制電路進行控制，第一步是控制功率放大器的柵偏壓，第二步是切斷信號源。其中，功率控制和安全保護執行電路接收定向耦合器產生的入射功率，對壓電控制衰減器的衰減量進行控制。其中，安全保護控制電路接收定向耦合器的反射功率值信號，控制功率放大器的輸出功率及切斷信號源。其中，當反射功率值信號超過設定的閾值時，安全保護控制電路向功率控制和安全保護執行電路輸出控制信號，從而進一步控制壓電控制衰減器的衰減量。本發明採用的MOSFET是半導體固態器件，因此用此器件做成的射頻發生器稱為固態射頻發生器。本發明的固態射頻發生器電路簡單、穩定可靠，採用器件少，調試方便。 最大輸出功率可達1400瓦，輸出功率穩定性可達0. 以下。完全滿足ICP-AES對射頻發生器的要求。由於採用MOSFET代替電子管完成了對射頻發生器的改造，使整機性能大大提高，同時減少了整機體積約1/3，減輕了重量的1/2，節電約30%。由電子管電路改進到固態器件電路組成的射頻發生器是一個質的飛躍，大大提高了 ICP-AES整機的性能。


為了更好地理解本發明的技術內容，將結合以下附圖做出詳細的說明。
圖1是根據本發明的一個實施例的功率放大器及其輸出電路的框圖；圖2是根據本發明圖1所示的功率放大器及其輸出電路的一個實施例的電路圖；圖3是根據本發明的 一個實施例的固態射頻發生器的框圖；圖4是根據本發明圖3所示的固態射頻發生器的一個實施例的電路圖。
具體實施例方式如圖1所示，根據本發明的一個實施例，固態射頻發生器的功率放大器及其輸出電路包括功率放大器5、定向耦合器6和阻抗匹配箱7。其中，功率放大器5是用兩隻 MOSFET管採用他激、推挽方式工作，將高頻功率信號進行放大並輸出到下一級；定向耦合器6採集功率放大器5的入射功率信號和負載不匹配狀態下的反射功率信號，用入射功率信號進行功率的自動控制，用反射功率信號進行電路保護；來自功率放大器5的高頻功率通過定向耦合器6，在阻抗匹配箱7進行阻抗匹配後，將穩定的高頻功率加到石英炬管負載上。圖2是根據本發明圖1所示的功率放大器及其輸出電路框圖的一個實施例的電路圖。高頻功率信號源產生的高頻功率信號接入功率放大器的推動變壓器T7的初級，推動變壓器T7的次級連接推挽式功率放大器。推挽式功率放大器由電容C28、C29和兩隻MOSFET管 Q8、Q9組成。推動變壓器T7的次級通過電容C28、C29分別接到Q8、Q9的柵極，Q8、Q9的源極接地，Q8、Q9的漏極接輸出變壓器T8的初級，輸出變壓器T8的初級中心抽頭接到直流電源上， 輸出變壓器T8的次級一端接地，另一端輸出高頻功率，用50Ω同軸電纜穿過定向耦合器， 接到阻抗匹配箱的輸入端。圖2中，定向耦合器用於採集功率放大器的入射功率信號和負載不匹配狀態下的反射功率信號。裝在同軸電纜饋線上的定向耦合器是由L9、C38> C39和L1(1、C41, C42, C43兩組取樣方式組成。L9、C38、C39取出入射功率電流和電壓信號，經整流濾波後，接到乘法器U1的輸入端,U1的輸出端得到輸出功率值信號，對功率放大器進行功率的自動控制。L1(i、c41、C42、 C43採集的電流和電壓信號，經相位疊加後，可得到反射功率值信號，該反射功率值信號將對負載不匹配狀態下的反射功率過載進行自動保護。圖2中，阻抗匹配箱通過定向耦合器接收來自功率放大器的高頻功率，在阻抗匹配箱進行阻抗匹配後，加到石英炬管負載上，完成點燃電感耦合等離子體(簡稱ICP)的工作。阻抗匹配箱由電感線圈T9、高頻瓷介電容C45、空氣可調電容C46、真空可調電容C47以及感應工作線圈L11組成。穿過定向耦合器的高頻功率輸出接入匹配電路的輸入端，即電感線圈T9的抽頭處。電感線圈T9的一端接地，另一端接C45、C46和C47的公共端。c45、c46另一端接地，C47的另一端與感應工作線圈L11串聯後接地。感應工作線圈L11中心插入石英炬管， 當高頻功率通過感應工作線圈L11產生交變磁場時，石英炬管內氬原子在電火花的引導下進行放電產生ICP。特別提出的是，電感線圈T9的插入起到升壓作用，從而使ICP的點燃變得很容易。根據本發明，圖3顯示了包含圖1所示的功率放大器及其輸出電路的固態射頻發生器的一個實施例。圖3中，石英晶體振蕩器1由石英晶體組成，產生一定的振蕩頻率。該振蕩頻率經由整形電路2濾除高次諧波獲得純正的正弦波傳輸給壓電控制衰減器3。壓電控制衰減器3收集來自功率控制和安全保護執行電路10的壓電控制信號，通過該壓電控制信號對來自整形電路2的高頻信號的衰減量進行控制，從而有效的控制了輸入到前置放大器4的輸入信號的幅值，並最終實現對固態射頻發生器輸出功率的控制。前置放大器4的輸出功率加到功率放大器5中，經功率放大器5進行功率放大。功率放大器5是由兩支MOSFET管組成的推挽式功率放大器。功率放大器5的輸出功率信號通過定向耦合器6時，定向耦合器6 採集功率放大器5的高頻入射功率信號和反射功率信號的數據，以產生入射和反射的控制信號。功率放大器5的高頻功率通過同軸電纜饋線穿過定向耦合器6，接入到阻抗匹配箱 7的輸入端。高頻功率在阻抗匹配箱7進行阻抗匹配後，加到石英炬管負載8上，完成點燃 ICP的工作。步進電機氣體流量等受控系統12向阻抗匹配箱7注入可變電容的控制信號， 步進電機改變可變電容的容量， 從而實現輸出阻抗的匹配和電路的諧振，確保MOSFET管在低電流安全狀態下工作。阻抗匹配箱7輸出的高頻功率加到石英炬管負載8上，在石英炬管負載8內通入氬氣，並引入電火花後，氬原子在高頻磁場下電離為正負相等的離子稱為等離子體。由於電離放電過程產生大量的熱能，在石英炬管內的氬原子電離放電過程稱為點火，點燃後的ICP就像火炬一樣，稱之為等離子炬。圖3中，定向耦合器6耦合的入射功率信號，加到功率控制和安全保護執行電路 10，控制壓電控制衰減器3的衰減量以達到控制放大器的輸出功率穩定。定向耦合器6耦合的反射功率信號加到安全保護控制電路9中，安全保護控制電路9控制功率放大器5中的MOSFET管的工作狀態，使功率放大器5的輸出功率控制在一定範圍內，此保護稱為一級保護。當反射功率信號在一級保護狀態下，仍超過設定的閥值時，安全保護控制電路9輸出另一路控制信號，通過功率控制和安全保護執行電路10加到壓電控制衰減器3上，使壓電控制衰減器3斷開頻率源的輸出。與此同時，安全保護控制電路9還輸出又一路控制信號加到微處理器和控制電路11中，使微處理器產生中斷，該中斷信號通過步進電機氣體流量等受控系統12使ICP火炬熄滅。這一保護電路稱為二級保護。微處理器和控制電路11是固態射頻發生器的控制中心，記錄固態射頻發生器的工作狀態並產生控制指令。微處理器和控制電路11產生的一路控制指令傳送到功率控制和安全保護執行電路10，完成對功率的控制操作；微處理器和控制電路11產生的另一路控制指令傳送到步進電機氣體流量等受控系統12，完成對步進電機和氣體流量的控制。圖3中的水壓氣壓溫度傳感器組13是採集發生器各部分工作狀態的傳感器電路， 包括冷卻水壓力、溫度、氬氣壓力、電源電壓和電流，水壓氣壓溫度傳感器組13將採集到的信息傳遞到微處理器和控制電路11。電源14是用於供給發生器各部分電路工作的電源，保證各部分電路正常工作。圖4是根據本發明圖3所示固態射頻發生器的一個實施例的電路圖。圖4中，石英晶體振蕩器1產生27. 12MHz的振蕩頻率。該振蕩頻率經由整形電路2濾除高次諧波獲得純正的27. 12MHz正弦波傳輸給壓電控制衰減器3。其中，整形電路2是LC諧振整形電路。壓電控制衰減器3通過來自功率控制和安全保護執行電路10的壓電控制信號對來自整形電路2的高頻信號的衰減量進行控制，從而達到對前置放大器4的輸入信號的幅值進行控制。前置放大器4由兩級前置放大器組成，來自壓電控制衰減器3的高頻功率信號經第一級Q5放大，通過傳輸變壓器T2和T3加到第2級Q6、Q7的柵極上，Q6、Q7的漏極輸出通過變壓器T4、T5和T6加到功率放大器5的變壓器T7的初級上。前置放大器4的輸出功率控制在0-50瓦。圖4中的功率放大器5是由2支MOSFET管Q8、Q9組成的推挽式功率放大器。Q8、 Q9的工作電壓為160-200伏，最大工作電流限制為12安培。從前置放大器4輸出的射頻功率信號通過變壓器T7加到Q8、Q9的柵極上，Q8、Q9的源極接地，Q8、Q9的漏極通過輸出變壓器 T8將阻抗變成50歐姆，由50歐姆同軸電纜穿過定向耦合器6加到阻抗匹配箱7上，功率放大器5的最大輸出功率為1400瓦。圖4中的定向耦合器 6用於採集功率放大器5的入射功率信號和阻抗不匹配時的反射功率信號，以產生入射和反射控制信號。裝在同軸電纜饋線上的定向耦合器6是由L9、 C38> C39和L1(1、C41、C42、C43兩組取樣方式組成。L9、C38> C39採集入射功率的電流和電壓信號， 經整流濾波後，接到乘法器U1的輸入端，U1的輸出端得到電流和電壓相乘的輸出功率值信號，通過功率控制和安全保護執行電路10加到壓電控制衰減器3上，對前置放大器4的入射功率進行自動控制。Lltl採集的電流信號和C41、C43、C42採集的電壓信號，經相位疊加後， 可得到反射功率值信號，加到安全保護控制電路9上，對反射功率過載進行自動保護。圖4中的阻抗匹配箱7接收來自前級輸出的高頻功率，進行阻抗匹配後加到石英炬管負載上，完成點燃ICP的工作。阻抗匹配箱7由升壓電感線圈T9,真空可調電容C47，空氣可調電容C46和高頻瓷介電容C45及感應工作線圈L11組成。由於點燃ICP前和點燃I CP 後的阻抗不同，可調電容C46和C47須跟蹤調整，在確保MOSFET管在低電流安全狀態下工作的同時，達到輸出阻抗的匹配。電感線圈T9是阻抗匹配箱的重要組成部分，它的作用是起到升壓功能，使點燃ICP很容易實現。圖4中石英炬管負載8是由感應線圈L11和石英炬管組成。L11既是阻抗匹配箱7 的組成部分又是石英炬管負載8的重要組成部分。高頻功率通過L11加到石英炬管上，在石英炬管內通入氬氣，並引入電火花後，氬原子在高頻磁場下電離為正負相等的離子稱為等離子體。石英炬管負載8是電路的終端負載，電路中所有功能都是圍繞著使ICP在27. 12MHz 下，輸出功率在700-1400瓦穩定的工作，以保證ICP-AES射頻發生器的穩定。圖4中的安全保護控制電路9，從定向耦合器6中取出的反射功率值信號，當該反射功率值信號達到電位器R38設定的值時，比較器將Qltl截止，切斷MOSFET管Q8、Q9的柵偏壓，降低輸出功率，完成一級保護。當反射功率值信號在一級保護狀態下，仍超過設定的閥值時，安全保護控制電路9輸出另一路控制信號，通過功率控制和安全保護執行電路10加到壓電控制衰減器3上，使壓電控制衰減器3斷開頻率源的輸出。此外，安全保護控制電路 9還將又一路控制信號輸入到微處理器和控制電路11中，使微處理器和控制電路11產生中斷，該中斷信號通過步進電機氣體流量等受控系統12使ICP火焰熄滅，完成二級保護。圖4中，步進電機氣體流量等受控系統12內的步進電機及驅動器M1連接阻抗匹配箱的空氣可調電容器C46，步進電機及驅動器M2連接阻抗匹配箱的真空可調電容器C47，當高頻功率加到阻抗匹配箱時，C46, C47兩隻電容就由微處理器和控制電路11給出指令，通過步進電機的驅動電路使步進電機轉動進行跟蹤調諧，以保持電路在諧振狀態下輸出阻抗的匹配。終端負載石英炬管內所通的氬氣流量也是由電子流量計受控微處理器和控制電路11 來完成的。以上所述僅為本發明的一種優選實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。 任何在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保 護範圍之內。
權利要求
1.一種功率放大器及其輸出電路，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其特徵在於功率放大器的功率輸出級由兩隻半導體場效應管組成，將接收到的前級高頻功率信號進行功率放大；定向耦合器，用來採集功率放大器的入射功率信號和阻抗不匹配時的反射功率信號， 用入射功率信號進行功率的自動控制，用反射功率信號進行電路保護；阻抗匹配箱，來自功率放大器的高頻功率通過定向耦合器，在阻抗匹配箱進行阻抗匹配後，輸出穩定的高頻功率加到石英炬管負載上。
2.根據權利要求1所述的 功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，所述的兩隻半導體場效應管組成推挽式功率放大器，以他激、推挽方式工作。
3.根據權利要求2所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，功率放大器包括推動變壓器(T7)、推挽式功率放大器、輸出變壓器(T8)，其中，前級產生的射頻功率信號接入推動變壓器(T7)的初級，推動變壓器(T7)的次級連接推挽式功率放大器；推挽式功率放大器將高頻功率放大後通過輸出變壓器(T8)將功率輸出到阻抗匹配箱。
4.根據權利要求3所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，推挽式功率放大器包括兩個電容(C28、C29)和兩隻半導體場效應管(Q8、Q9)，推動變壓器(T7)的次級通過兩個電容(C28、C29)分別接到兩隻半導體場效應管(Q8、Q9)的柵極，兩隻半導體場效應管(Q8、Q9) 的源極接地、漏極接輸出變壓器(T8)的初級。
5.根據權利要求3或4中任一項所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，輸出變壓器(T8)的初級中心抽頭接到直流電源上，輸出變壓器(T8)的次級一端接地，另一端輸出高頻功率。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，阻抗匹配箱包括一個電感線圈(T9)、一個固定電容(C45)、兩個可調電容(c46、c47)和一個感應工作線圈(L11),電感線圈(T9)按自耦升壓方式接入，固定電容(C45)和一個可調電容(C46)起阻抗匹配作用，另一個可調電容(C47)起調諧作用。
7.根據權利要求6所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，阻抗匹配箱電感線圈(T9)的一端接地，另一端接三個電容的公共端，其中起阻抗匹配作用的固定電容(C45)和可調電容(C46)的另一端接地，起調諧作用的另一個可調電容(C47)的另一端與感應工作線圈(L11)串聯後接地。
8.根據權利要求6所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，阻抗匹配箱的輸入端是電感線圈(T9)的中心抽頭，電感線圈起升壓作用。
9.根據權利要求1-4中任一項所述的功率放大器及其輸出電路，其特徵在於，定向耦合器通過採集入射高頻功率的電流和電壓信號，將電流和電壓信號經過整形濾波後通過乘法器得到輸出功率值信號，用該信號進行功率的自動控制；定向耦合器通過採集反射高頻功率的電流和電壓信號，將電流和電壓信號相位疊加後得到反射功率值信號，該反射功率值信號將對負載不匹配狀態下的反射功率過載進行電路自動保護。
全文摘要
本發明公開了一種功率放大器及其輸出電路，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其中，功率放大器的功率輸出級是由兩隻半導體場效應管組成，將接收前級的高頻功率信號進行功率放大；定向耦合器採集功率放大器的入射功率信號和阻抗不匹配時的反射功率信號，用入射功率信號進行功率的自動控制，用反射功率信號進行電路保護；阻抗匹配箱接收來自功率放大器的高頻功率，進行阻抗匹配後，輸出穩定的高頻功率加到石英炬管負載上，實現了在電感耦合等離子體發射光譜儀中採用固體器件做成的射頻發生器。本發明的固態射頻發生器電路簡單、穩定可靠，採用器件少，調試方便。
文檔編號H03F3/20GK102355205SQ20111017221
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者夏義峰, 沈鵬飛 申請人:夏義峰