一种多通道高压射频采样器件

1.本发明涉及离子阱质谱技术领域，更具体地说，涉及一种多通道高压射频 采样器件，可实现高压射频信号的快速实时在线取样。


背景技术：

2.对射频信号进行采样测量通常有电容分压式和电阻分压式两种方法。为了 对上千伏的高压射频信号进行测量，通常会使用电容分压电路，其优点在于采 样电路对主要电路影响较小，同时安全性较高。目前，现有通常用来测量射频 高压信号的电容分压采样电路，如图1所示，一般通过在测量处并联一路两个 串联的电容(图1的c1和c2)，当有射频信号流过主电路时，两电容之间可 以感应出一个较小的同频率采样信号。然而，现有的电路设计中会使用两个不 同电容值的商用耐高压电容(如瓷片电容)来构成电容分压电路，这样会导致 成本增加，同时也会占据更大的空间，当需要多个高压射频采样时，所需成本 和器件空间也会随之增加。
3.因此，如何简化采样电路的结构及降低生产成本成为本领域技术人员解决 的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有的电路设计中会 使用两个不同电容值的商用耐高压电容(如瓷片电容)来构成电容分压电路， 这样会导致成本增加，同时也会占据更大的空间的缺陷，提供一种结构较为简 单且稳定的多通道高压射频采样器件。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多通道高压射频采 样器件，具备：
6.一pcb电路板，在所述pcb电路板上直接蚀刻出两条长度相等、距离接 近的平行铜导线，以构成电容结构；
7.在所述pcb电路板设有一高压射频输入与输出接口及一采样输出接口； 其中，
8.所述高压射频接口与所述采样输出接口通过平行铜导线耦合；
9.所述高压射频接口的一端通过爪簧针座连接高压射频电源，其用于接收高 压射频信号，另外一端通过爪簧插孔与电极端连接；
10.所述采样输出接口连接的平行铜导线用于感应所述高压射频信号，并形成 一与所述高压射频信号相同频率的低压射频信号，通过检测所述低压射频信号 以对所述高压射频信号进行分析与测量；或
11.且可重复多个上述结构，形成多通道采样器件。
12.在一些实施方式中，在所述pcb电路板上蚀刻出两条长度相等、距离接 近的平行铜导线，构成的电容结构为第一电容。
13.在一些实施方式中，所述第一电容的两条铜导线长设为10mm
‑
15mm、 导线间距设
为1.300mm
‑
1.420mm。
14.在一些实施方式中，在所述pcb电路板上还设有第二电容，所述第二电 容的一端与所述第一电容的一端及所述采样输出接口的一端共同连接，所述第 二电容的另一端与公共端连接。
15.在一些实施方式中，所述第一电容两端的电压设为u1，所述第二电容两 端的电压设为u2，
16.需要测试的电压设为u，根据公式：
[0017][0018]
可知：
[0019][0020]
故而测量的电压与实际输出电压的比例为：
[0021][0022]
在一些实施方式中，所述第一电容可以测量频率在1khz至100mhz范围 内的射频信号，且采样电压信号与实际电压信号的比例不随射频信号的频率发 生明显变化。
[0023]
在一些实施方式中，所述第一电容的容量大小可设在pf量级，所述第一 电容内的绝缘介质为绝缘材料。
[0024]
在本发明所述的多通道高压射频采样器件中，包括pcb电路板，在pcb 电路板上蚀刻出两条长度相等、距离接近的平行铜导线，以构成电容结构；高 压射频接口与采样输出接口通过平行铜导线耦合；高压射频接口的一端通过爪 簧针座连接高压射频电源，其用于接收高压射频信号；采样输出接口用于感应 高压射频信号，并形成一与高压射频信号相同频率的低压射频信号，通过检测 低压射频信号以对高压射频信号进行分析与测量。与现有技术相比，通过直接 在pcb电路板中蚀刻出两条平行导线，构成高压电容结构，一方面，可以实 现对高压射频信号进行无干扰的信号采样，代替通常的电容元件、简化电路复 杂度及降低成本；
[0025]
另一方面，同时根据电路结构参数不同，可以测量频率大致在1khz至 100mhz范围内的高压射频信号，测量电压范围能达到几千伏，测量的采样信 号强度为实际电压信号强度的0.1％至5％。
[0026]
在pcb板上重复多个类似电路结构，可形成多通道高压射频信号采样器 件。
附图说明
[0027]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0028]
图1是通用射频高压电路一实施例的电路原理图；
[0029]
图2是本发明提供的多通道高压射频采样器件一实施例的电路原理图；
[0030]
图3a是本发明提供的pcb电路板一实施例的正面结构原理图；
[0031]
图3b是本发明提供的pcb电路板一实施例的反面结构原理图；
[0032]
图4a是本发明提供的多通道高压射频采样器件一实施例的信号获取流程 图(包括高压射频信号产生的示例图)；
[0033]
图4b是本发明提供的多通道高压射频采样器件一实施例的实际电压与采 样信号之比的波形图；
[0034]
图4c是依照图4b所得各实际电压与采样信号之比的均值图；
[0035]
图4d是本发明提供的外部输入为0.27vpp时，获取的高压信号与示波器 测试到的波形图；
[0036]
图5a是本发明提供的多通道高压射频采样器件一实施例的采集信号频率 范围测试流程图；
[0037]
图5b是本发明提供的不同电压频率下的实际电压与采样信号之比的曲线 图；
[0038]
图5c是本发明提供的6400hz时示波器测试到的一实施例的波形图。
具体实施方式
[0039]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图 详细说明本发明的具体实施方式。
[0040]
如图1
‑
图5c所示，在本发明的多通道高压射频采样器件的第一实施例中， 多通道高压射频采样器件包括一pcb电路板(对应采样电路200)。
[0041]
需要说明的是，图1为现有技术的电容分压式采样电路。
[0042]
具体而言，电路中采用的两个电容的分压结构等同于电阻分压电路，分压 的原理为当某一个交流信号输入后两个电容将会产生容抗，两个容抗就等同于 之前的阻抗对电压产生分压作用。
[0043]
由于电容分压电路的局限性在于其只能进行交流信号的分压，而无法进 行直流信号的分压，因为电容在直流信号电路中是相当于断路状态。
[0044]
据上述电容分压电路应用于交流信号的分压中，其优点在于相对于电 阻，电容对交流信号的衰减作用更小，对原始信号的破坏能力低，可以较好 的保持原始信号的特性。然而，现有的采样电路通过在测量处并联一路两个串 联的电容，当有射频信号流过采样电路时，两电容之间可以感应出一个较小 的同频率采样信号，电路设计中会使用两个不同电容值的商用耐高压电容(如 瓷片电容)来构成电容分压电路，采样电路的测量范围较窄且不稳定，同时也 会占据更大的空间。
[0045]
因此，为了实现高压射频信号采样的测量范围及简化电路结构，可在pcb 电路板上蚀刻出两条长度相等、距离接近的平行铜导线，以构成电容结构，该 电容结构对应第一电容c101(对应图2)，以替换现有采样电路101中的电容 c1。
[0046]
需要说明的是，铜导线的间距接近可以理解为：两根铜导线的间距，其通 过间距的远近以获取不同的电压值。
[0047]
例如：将两根铜导线的间距设置为0.5mm
‑
3mm，此时，该电容的电压 值为400v
‑
450v(此为高压)。
[0048]
因此，铜导线的距离根据采样电路的具体需求而定，以毫米为单位。
[0049]
如图2
‑
图3b所示，在pcb电路板200上设有一高压射频接口(对应 electrode端)及一采样输出接口(对应sampcon端)。
[0050]
其中，高压射频接口(对应electrode端)与采样输出接口(对应sampcon 端)通过平行铜导线耦合，以使得输入的射频信号感应出一个低压信号输出。
[0051]
具体地，高压射频接口(对应electrode端)的另一端通过爪簧针座连接 高压射频电源(对应hv
‑
rf)，其用于接收高压射频电源(对应hv
‑
rf)输出 的高压射频信号。
[0052]
采样输出接口(对应sampcon端)用于感应高压射频信号，并形成一 与该高压射频信号相同频率的低压射频信号(对应采样信号)，通过检测低压 射频信号以对高压射频信号进行分析与测量。
[0053]
需要说明的是，在pcb电路板200上蚀刻出两条长度且距离接近的平行 铜导线，构成的电容结构为第一电容c101。
[0054]
第一电容c101可以测量频率大致在1khz至100mhz范围内的射频信号。
[0055]
第一电容c101的容量大小可设在pf量级，第一电容c101内的绝缘介质 为绝缘材料。
[0056]
在一些实施方式中，为了提高低压射频信号获取的准确度，可在pcb电 路板200设置上第二电容c102，其中，第二电容c102的一端与第一电容c101 的一端及采样输出接口(对应sampcon端)的一端共同连接，第一电容c101 的另一端耦接于高压射频接口(对应electrode端)的一端。
[0057]
第二电容c102的另一端与公共端gnd连接。
[0058]
具体而言，采样电路板(对应300a和300b)和测量仪器端构成了电容 分压电路，采样比例由整个回路的特性决定，但采样比例数值也可以通过理论 数值计算进行估值(数值上存在一定误差，以实际测量结果为准)，采样比例 的理论数值计算方法如下：
[0059]
b1处的电容(对应第一电容c101)由两条pcb板上的导线代替，将第 一电容c101两端的电压设为u1，第二电容c102两端的电压为测量电压，设 为u2，实际电压为u，根据公式：
[0060][0061]
可知：
[0062][0063]
故而测量电压与实际输出电压的比例为：
[0064][0065]
进一步地，请参考图3a
‑
图3b，在本实施例中，通过在pcb(印刷电路板)制板工序中在线路里将第一电容c101的两条铜导线长设为10mm
‑
15mm、导 线间距设为1.300mm
‑
1.420mm的平行导线构成一个小电容(设计思路可参考 两片靠的很近、相互平行、同样大小的金属板构成的电容器模型)。
[0066]
如图3a
‑
图3b所示，针座处可以接高压射频电源，接口类型可以更换为高 压bnc或其他适配接口，sma处接示波器或万用表。
[0067]
优选为，第一电容c101的两条10mm长、间距1.392mm的平行导线构 成一个小电容。
[0068]
进一步地，请参考图4a
‑
图4d，其中，图4b是依照图4a电路图，输入不 同信号源电
压时各实际电压(实际电压范围约60v～2kv)与采样信号之比； 图4c是依照图4b所得各实际电压与采样信号之比的均值及其95％置信区间； 图4d输入为0.27vpp时示波器测试到的信号源输入电压(信号1)；
[0069]
射频耦合器的coupler电压(信号2)；
[0070]
实际电压信号(信号3，实际数值为平均值20.1
×
100(高压探头衰减)＝2010vpp)；
[0071]
测量电压(信号4，即采样信号)。
[0072]
在本实施例中，可以利用示波器直接读取采样信号，根据本特例进行测试， 测量的电压上限与导线间距等有关，这里的典型值可达2kvpp或以上(如图 4b和4d)。采样信号与实际电压信号的比例与整个电路结构有关，这里的典型 值为0.44％(如图4c和5b)，实际电压约是测量电压的226.06倍(如图4c)， 其95％的置信区间是225.3～226.81，所以测量电压与实际电压的比值≈ (1/226.06)
×
100％＝0.44％。
[0073]
请参考图5a
‑
图5c，其中，
[0074]
图5a是测试不同电压频率的采样电路图；
[0075]
图5b电压一定时，不同电压频率下的实际电压与采样信号之比；
[0076]
图5c 6400hz时示波器测试到的信号源输入电压(信号1)、实际电压信 号(信号3)和测量电压(信号4，即采样信号)。
[0077]
在本实施例中，根据图5a所示设计电路中，测量的射频信号的频率范围 与平行导线的结构有关，这里的典型值为6.4khz到30mhz或以上(如图5b所示，此时的实际电压/测量电压＝225.5，在95％置信区间内，属于可信数据)。 上述参数可以在一定范围内通过更改平行导线结构的设计进行更动，以符合不 同的使用需求。
[0078]
使用本技术方案，通过直接在pcb上蚀刻平行导线作为高压电容，一方 面，可以实现对高压射频信号进行几乎无干扰的信号采样，代替通常的电容元 件，简化电路复杂度，降低成本，节约空间；
[0079]
另一方面，同时根据电路结构参数不同，可以测量频率大致在1khz至 100mhz范围内的高压射频信号，测量电压范围能达到几千伏，测量的采样信 号强度为实际电压信号强度的0.1％至5％。
[0080]
上述电子器件可根据实际所需，适当增加上述电路结构，制备多个采样信 号通道。并且可直接接入到高压射频电路中，对高压射频电路进行多通道信号 采集。同时，接入射频电路中不会明显改变原先射频电路的阻抗特性，可以方 便地集成到高压射频设备中。
[0081]
综上所述，本发明提出的结构简单的高压射频采样电路，通过在pcb设 计时内置平行导线替代商业电容，可以实现高压射频信号的采样，同时降低了 电路成本，节约了电路板空间。
[0082]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上 述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性 的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利 要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之 内。