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

Contexto: soy un estudiante de posgrado en física con conocimientos básicos de circuitos, pero la coincidencia de impedancia y el dominio de RF están más allá de mi alcance habitual. Mi PCB en realidad está unida con cobre a un sustrato de cerámica que se encuentra en mi cámara de vacío, por lo que conocer los detalles de lo que este circuito está haciendo realmente es importante para calcular los requisitos de disipación de calor, así como porque no podré modificarlo después. Lo instalo en la cámara. No hay ningún elemento de resistencia, toda la resistencia proviene de los propios hilos.

Entonces, mi objetivo es tener un pico de corriente de ~ 1 amperio a través de mis trazas de PCB a ~ 5 MHz para tener los campos magnéticos correctos para que el conjunto de placas actúe como una trampa. Los únicos componentes que tengo son un condensador de sintonización ( compatible con alto voltaje ) y luego lo que elija usar para mi adaptación de impedancia. 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, uso un capacitor de sintonización de 20pF.

Mi puerto de "transmisión" es una bobina de recogida enrollada que está en el tablero cerca de las bobinas extraídas más grandes. Usando un analizador de red, tengo un par de escenarios diferentes, que es 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 de 0,1 MHz a 5 MHz, por lo que mi Q es 50. Usando q = ω L / R eso significa que mi resistencia es de 28 ohmios. Sin embargo, incluso si cambio mi relación de giros, todavía no puedo obtener una mejor transferencia de energía que una caída de ~4 dB en la reflexión. ¿Por qué no puedo obtener un mejor acoplamiento de potencia que este? ¿Es la inductancia del transformador toroidal el problema? Sin embargo, si uso un circuito de adaptación L (condensador en el puerto de entrada, inductor en serie con la carga, (los valores funcionan a 470 nH y 560 pF) puedo obtener -30 dB en reflexión, pero mi Q cae a 25 ¿Qué es real aquí? Pensaría que toda la potencia acoplada tendría que disiparse en mi bobina, pero ¿por qué se duplica la resistencia aparente al usar la coincidencia de impedancia de coincidencia L? ¿O la caída en Q es solo una función de la fuente? ¿ahora ves 50 ohmios aparentes, pero realmente no manejas 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 2: circuito L-matchdibujo del circuito

Otra edición: las bobinas reales en cuestión:bobinas en tableros

Considere agregar algunos saltos de párrafo para que su pregunta sea más fácil de leer. Un esquema de su circuito también podría facilitarnos el seguimiento de lo que está haciendo.
Gracias, soy nuevo aquí. Limpié la publicación y agregué diagramas.

Respuestas (3)

Con respecto al hecho de que Q cayó cuando usó una red de adaptación de impedancia:

Usó una red de coincidencia L simple que consta de solo dos componentes (un capacitor 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. Obtiene cualquier Q como resultado de los valores de los componentes que necesita para la coincidencia.

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

Dado que también está solicitando referencias, le recomiendo mucho el capítulo sobre la coincidencia de impedancia y los gráficos de Smith en Chris Bowick , "Diseño de circuitos de RF" . Explica y contiene un problema de ejemplo para la igualación de impedancia mientras también se preocupa por Q.

¿La caída de Q significa que necesariamente se está cayendo energía en el circuito de adaptación? ¿O la potencia todavía se disipa en el circuito principal y simplemente parece diferente debido a la coincidencia? Estrictamente hablando, no me importa Q, solo necesito saber a dónde va la energía. Gracias por la referencia, intentaré ponerle las manos encima.
Si asume una inductancia y capacitancia perfectas (sin R), no se disipa energía adicional en la red correspondiente. Por supuesto, los componentes reales también tendrán cierta resistencia, pero si elige los correctos, no debería ser un problema.
Pensé que tener Q alto es importante para ti.
Me había estado acercando a la medida Q como indicativa de las pérdidas en el circuito, sé que para un tanque LC simple, los valores más bajos se deben a más pérdidas. Quiero mantener las pérdidas bajas si es posible porque la disipación de calor en el vacío es complicada, además de necesitar adquirir un amplificador más grande si el circuito de adaptación también tiene pérdidas. Sin embargo, según la referencia que proporcionó, parece que no importa cómo haga la combinación con otros elementos, obtendré una Q más baja, incluso si no se agrega más resistencia. ¿Significa esto que Q en general ya no le informa directamente sobre la pérdida en un circuito más complejo?
No estoy totalmente seguro, pero creo que aquí usar Q como una medida de la cantidad de energía que se desperdicia no tiene sentido porque se comparan Q de redes con diferentes impedancias (Q = X / R; puede estar influenciado por R pero también por X)

Oh no, yo también soy físico. (Espero poder seguir ayudando). Así que voy a suponer que ambos números son correctos.
La Q de un circuito resonante ciertamente puede cambiar a medida que lo carga con más potencia. (¿Hay algo en esas bobinas?) También habrá alguna pérdida resistiva en la red correspondiente.
Al imputar potencia en RF, necesita saber algo sobre la impedancia de la fuente. (¿Qué lo impulsa?) Y luego tal vez algo sobre la conexión (línea de transmisión) entre la fuente y la carga. 5 MHz, es una frecuencia bastante baja, en cuanto a RF, ¿cuánto dura la conexión?

El amplificador de RF que impulsa el circuito tiene una impedancia de fuente de 50 ohmios. La línea de transmisión es actualmente un BNC de ~4 pies y luego un par de cables trenzados de aproximadamente 4 pulgadas, aunque quitar el BNC (conectarlo al analizador de red desnudo) no cambia la Q del circuito de manera apreciable.
@AlejandraCollopy, está bien, la impedancia de la fuente de 50 ohmios hará que 1 amperio sea difícil. (Creo). Y conducirlo con 50 ohmios significa que la longitud del cable no importa. ¿Los 28 ohmios de carga se acercan a la resistencia de CC de su bobina? (bueno, ¿o hay mucho conductor de cobre cerca?)
Es un amplificador de RF de 25 vatios, por lo que creo que puede suministrar el voltaje necesario para un amplificador a ~25 ohmios. La resistencia de CC es de solo ~ 2 ohmios, actualmente estoy trabajando en la fabricación de otro conjunto de placas con un material que tiene un revestimiento de cobre más grueso para tratar de reducir la resistencia. Sin embargo, todavía estoy desconcertado acerca de la coincidencia de impedancias y lo que eso significa con respecto a la transferencia de energía al circuito.
¿Los amplificadores de RF funcionan como fuentes de corriente o voltaje? Había estado pensando que son fuentes de voltaje. Además, todas las mediciones anteriores se realizaron a baja potencia, con el propio analizador de red impulsando el circuito.
Ahh, la imagen ayuda. Entonces, si la resistencia de CC es de 2 ohmios, ¿de dónde provienen los 28 ohmios de pérdida? ¿Es esa una gran capa de cobre de pcb debajo de las bobinas? Re: amplificadores de RF, supongo que se supone que son fuentes de voltaje. (casi seguro si se trata de una impedancia de fuente de 50 ohmios). (No estoy realmente seguro de dónde está su pérdida, tengo algunas conjeturas. Pero considere esto, si va en el vacío y disipa el calor, ¿a dónde irá ese calor? ¿Qué tipo de gorras?
No estoy seguro de dónde proviene la pérdida, aunque sospecho que el sustrato es parte del problema. Para reducir la pérdida, tuve que raspar cualquier cerámica que hubiera entre trazos. Además, el revestimiento de cobre es de 35 um, que es aproximadamente la profundidad de la piel del cobre a 5 MHz. El naranja entre las capas es una película de Kapton para evitar la formación de arcos. No se muestra un enlace de calor de cobre que se conecta a la derecha para conectarse al vacío exterior, pero he verificado que el enlace de calor de cobre no cambia la Q del circuito, por lo que debe estar lo suficientemente lejos. Las tapas son tapas de alto Q alto V, vea la publicación principal para el enlace

En 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 hacer coincidir las impedancias de la fuente y la carga. Con el generador a 50 ohmios y la carga a 28 ohmios (o menos), ni siquiera están cerca de igualarse, por lo que una gran cantidad de energía se reflejará de regreso al 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 coinciden correctamente y están ajustadas a la resonancia, tendrán resistencias iguales, por lo que si la bobina del circuito sintonizado y el condensador suman 28 ohmios, entonces la resistencia total en el circuito en serie debe ser de 56 ohmios, y la Q es ( 42uH*5Mhz*2pi)/56 ohmios = 24. Este Q bajo 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, el efecto pelicular hace que la mayor parte de la corriente fluya justo debajo de la superficie de las pistas de la bobina, lo que aumenta drásticamente su resistencia efectiva. Un revestimiento más grueso no ayudará mucho. Para obtener una resistencia de CA más baja, 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 hacer coincidir el generador con la carga. Si el acoplamiento de potencia sigue siendo bajo, se debe a que el transformador no está diseñado para un funcionamiento eficiente a 5 MHz y 25 W (no hay suficientes vueltas, el cable es demasiado delgado, ¿altas pérdidas en el núcleo?).

Mi revestimiento es actualmente de 35 um, que es casi exactamente la profundidad esperada de la piel del cobre a 5 MHz, lo que me hace pensar que aumentar el grosor ayudará un poco. Además, el sustrato puede tener algún coeficiente dieléctrico, la eliminación de material del espacio entre las trazas mejoró bastante la Q. El núcleo alrededor del cual estoy envolviendo el transformador está diseñado para usarse de 2 a 10 MHz, pero el grosor del cable y la cantidad de vueltas pueden seguir siendo mi problema. Intentaré cambiar ambos. ¡Gracias!
Impedancia que coincide con un circuito RLC (inductor dibujado macroscópicamente en PCB)
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