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轨道炮电流数据,去除检流电阻的寄生电感的影响
三水合番2025/01/31电磁炮 IP:黑龙江

前段时间,我们推出了一款轨道炮产品:

https://www.kechuang.org/t/90735

产品帖子的20楼里,给出了“可以代表电流波形的数据”,如下图

image.png

它是一根导线上的电压波形,这根导线用来将轨道连接到电路板上。测试时的场景如下图,示波器探头接在右下角的红线上

image.png

导线电阻是1mΩ,所以每1V电压对应1kA的电流,把电压波形的数值乘以一千,就得到对应的电流波形。

但是这个对应关系只适用于直流和低频信号,对于高频分量是很不准的。这是因为该导线上带有寄生电感,所以测量到的高频信号幅度会严重偏大。在上面的电压波形图里,这主要体现在两个红圈处:一个是,在刚触发时,电压波形瞬间跳变到了5V,这显然不对应正确的电流波形,因为回路电感不可能允许如此快速的电流上升。另一个是,在接触不良时,会出现负的电压,而该电路拓扑不可能出现反向的电流。



想要得到正确的电流波形,需要对上述电压波形进行处理:将“寄生电感+检流电阻”的总的电压波形里的“寄生电感”的分量去掉,变成“只有检流电阻”的电压波形,简称为“去电感”。因为“寄生电感+检流电阻”的系统是一个线性时不变系统,且可以用低阶微分方程描述,所以可以通过解析公式,实现去电感。实际操作时,先将示波器测到的原始电压波形保存为表格文件,然后将“去电感公式”以代码的形式施加到这个文件上。

可以用ai来实现上述操作。我的做法是,与ai(openai的o1模型)进行三场对话。第一场对话里,让它推导去电感的解析公式。第二场对话里,让它写一个适配示波器文件格式的,导入数据用的脚本。然后在第三场对话里,让它把解析公式变成代码,并且和导入数据的脚本结合起来,再加上绘图,保存文件等细节功能。

三场对话如下:

https://poe.com/s/BUZBl7q7qpBLyCxEl8QT

image.png


https://poe.com/s/rQ6jtTGMTrwB8kwR7qrC

image.png


https://poe.com/s/1JGW9WMuZdjxtikSzqpT

image.png


之后会得到两个python脚本。运行其中的“de_Indc.py”,即可得到去电感后的电流波形,如下图

image.png

实验数据和脚本如下:

attachment icon实验数据去电感.zip9.39MBZIP1次下载

上图里,红线是原始的示波器电压波形除以1mΩ,橙线是去电感后的电流波形。

接触不良时的波形如下:

image.png

image.png


上述操作都是ai完成的,存在胡说八道的可能。所以我用仿真进行了验证:在仿真里,令一个已知的电流波形通过“电感+电阻”,然后将得到的电压波形导入到上述脚本里,对其进行去电感操作,再将“去电感后的波形”和已知波形进行比较,看它们是否一致。

仿真用的电路如下,用了一个输出chirp信号的电流源。

image.png


脚本输出的结果如下:

image.png

红线是“电感+电阻”的波形,蓝线是去电感后的波形,绿色点线是输入波形。蓝线和绿线基本重合,所以上述去电感脚本应该是正确的。不过蓝线和绿线之间还是存在一点微妙的不同,表现为蓝线的幅度略大一点,原因不明,可能脚本不是那么正确。但至少比没修正之前准太多了,还是够用的。

验证用的仿真文件和脚本如下。仿真用的是multisim 14。

attachment icon仿真验证.zip401.18KBZIP1次下载


[修改于 3个月2天前 - 2025/01/31 21:29:16]

来自:物理高能技术 / 电磁炮严肃内容:专著/论述
28
 
10
新版本公告
~~空空如也
三水合番 作者
3个月1天前 修改于 3个月1天前 IP:黑龙江
941756

去电感后的电流的积分(电荷量)和导数(di/dt):

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_000_ALL.png

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_000_ALL_derivative.png

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_000_ALL_integral.png


接触不良时的波形如下:

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_002_ALL.png

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_002_ALL_derivative.png

current_kc5080.02 Vcap Irail 1mR_002_ALL_integral.png


最大di/dt基本都在110A/us附近,电荷量基本在1.7C附近。

储能电容的容量,按标称值算是0.22F。1.7C的电荷量,对应7.7V的电压变化,即从15V降到7.3V。示波器测到的发射后电压是7V左右,差别不大


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BSP
3个月1天前 IP:广东
941765

酷啊,三水是加入科创论坛了吗1f60d

这个校准的思路感觉有点像去嵌,这个准确性是不是得依赖于精确测得的寄生电感值,nH量级的电感是用的啥表测的

我看这个带宽大约在10MHz量级,是否可以用经过校准的罗氏圈或者电阻式电流探头验证一下最终的结果


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三水合番作者
3个月1天前 修改于 3个月0天前 IP:黑龙江
941773
引用BSP发表于2楼的内容
酷啊,三水是加入科创论坛了吗这个校准的思路感觉有点像去嵌,这个准确性是不是得依赖于精确测得的寄生电感

酷啊,三水是加入科创论坛了吗

没,我现在还在上学1f62d

这个轨道炮的项目算是各取所需的合作:科创得到一个轨道炮的设计,我则是得到一个“以产品的形式公开发表”的成果。

这个轨道炮在我手里也是拖得太久了。最初的版本应该是19年就做出来了,当时就曾经做到过对穿铝易拉罐。但是我严重缺乏生产力,一直没能做到足以发表的完成度,就一直拖了下去。后来23年在武汉的那次电炮会议上,我带了个和现在的版本比较接近的东西,这个炮才算是“私下”发表了。然后以此为契机,24年初科创收到了一个小订单,于是我把这个炮的设计细化到了和现在基本一样的形式,量产了一小批。

上述“轨道炮”都是指炮体本身,不包括其它部分,比如电容,开关。我的生产力极为有限,像是 #940072 里的那种电路板,我是没有精力去做完的。24年初的那一小批,电源用的是淘宝上现成的“电池储能的点焊机”。这种操作是最省心的,但是不适合作为产品,毕竟点焊机的成本还是太高了。所以之后在24年底,由科创那边出力,设计了PCB,并且微调了各种细节,才形成了适合发售的产品,也就是 #940072 。要是没有科创提供生产力的话,这个炮恐怕还要在我手里继续鸽下去,时间长了就要消失在历史长河中了


这个校准的思路感觉有点像去嵌,这个准确性是不是得依赖于精确测得的寄生电感值,nH量级的电感是用的啥表测的

是的,需要有准确的电感量。这应该是 @书呆子 测的,我不了解细节。估计就是用lcr电桥夹了一下。

他发给我的电感量是65nH,顶楼里“去电感”的脚本里用的电感量是40nH。

这个电感量除了事先测量,还可以反过来,根据去电感后的结果修正。因为这个电流波形是存在一些预先知道的特征的,比如它在弹丸出膛后,会迅速下降到零。同时根据电路结构,它又不会出现负值。所以在弹丸出膛后,它应该是以刚好不会出现负值的速度,迅速下降到零,可以据此调整算法里的电感量——若算法用的电感量过小,则会出现负电流;过大则会在弹丸出膛后,出现看起来很不合理的拖尾。

这个路子比较野,最好不要这么做,至少也应该用其他手段来验证结果准确性,比如你提到的各种探头。不过这些都还没做


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RodTech
3个月1天前 IP:美国
941776

考虑到罗氏线圈要积分,检流电阻有电感问题和差分探头共模性能差,光纤隔离差分探头太贵等问题,古人发明了一种直读式分布式补偿电流变压器。频率和相位响应平直,是一个CT接一个电阻所不能比拟的。


https://www.pearsonelectronics.com/


里面是许多绕组和许多RC元件堆起来的,就连低带宽的版本拆解也较为复杂。

https://highvoltageforum.net/index.php?topic=2997.0


有人尝试DIY,我们也尝试diy,效果不佳。

https://highvoltageforum.net/index.php?topic=914.0


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量子隧道
3个月0天前 IP:广东
941797
引用三水合番发表于3楼的内容
酷啊,三水是加入科创论坛了吗没,我现在还在上学这个轨道炮的项目算是各取所需的合作:科创得到一个轨道炮

很不错的应用,尤其是考虑到借用了LLM AI的力量。从65nH到40nH是自己逐渐试出来的吗?

btw,我也买了一个同款轨道炮玩了一下,挺不错,能轻松穿快递纸壳子。我根据出口速度60m/s,和磁场强度1T估算了一下,发现出口瞬间动子反电动势大约是零点几伏。具体值不记得了,大概吧。我在想,这是否说明此炮的效率还有很大提升空间。原理上是电枢反电动势占剩余电容电压的比例越大,效率越高。我在想,如果把炮管加长到几十厘米,同时加大总电容量,让电枢在运动的后半截达到一个可观的(更高的)速度,让反电动势达到一个可观的总比例,例如,达到几伏/15V,可否让此炮表现更为惊艳。


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BSP
3个月0天前 IP:广东
941809
引用RodTech发表于4楼的内容
考虑到罗氏线圈要积分,检流电阻有电感问题和差分探头共模性能差,光纤隔离差分探头太贵等问题,古人发明了

看错横坐标了,频率是10kHz数量级,上升时间5us,峰值电流2kA,那其实用符合量程的任意电流探头就可以验证了吧,除了电流大点别的参数都不是很极限


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BSP
3个月0天前 IP:广东
941810

话说像泰克ticp系列这种电阻式电流探头,看说明书也没给配分流器,是让用户直接用普通电流检测电阻吗,是不是有别的选配电流检测电阻的款式,公司没有这种需求没机会玩到这种好东西,

之前展会有看到国产电阻式电流探头用了个什么“同轴电阻”宣称能减小寄生电感,当时没在意,现在也找不到叫什么名字了


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BSP
3个月0天前 IP:广东
941812
引用三水合番发表于3楼的内容
酷啊,三水是加入科创论坛了吗没,我现在还在上学这个轨道炮的项目算是各取所需的合作:科创得到一个轨道炮

你不会读博了吧我刚上大学你在上学我都毕业上班了你还在上学1f643

像是 #90735 里的那种电路板

你你引用的俩文号都是晶体养成的老老老帖子里面的一层回复帖,是贴错了吗还是有bug

后来23年在武汉的那次电炮会议上

艹,啥时候开的电炮会议,我没成果居然不邀请我,下次要带我啊

是的,需要有准确的电感量。这应该是 @书呆子 测的,我不了解细节。估计就是用lcr电桥夹了一下

这个电感量除了事先测量,还可以反过来,根据去电感后的结果修正。因为这个电流波形是存在一些预先知道的特征的

这么说来,其实这篇帖子测到的波形也相当于一个“lcr电桥”在测量时注入激励后测到的电压波形,能够使用算法还原也是自然而然的事情了,根据已知的波形特征也能像lcr电桥一样“测量”寄生电感。

这个路子比较野,最好不要这么做,至少也应该用其他手段来验证结果准确性,比如你提到的各种探头。不过这些都还没做

做嘞做嘞,这样一套下来就变成一个完美的实验了

还好没有消失在历史的长河中。。



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三水合番作者
3个月0天前 IP:黑龙江
941828
引用量子隧道发表于5楼的内容
很不错的应用,尤其是考虑到借用了LLM AI的力量。从65nH到40nH是自己逐渐试出来的吗?btw

从65nH到40nH是自己逐渐试出来的吗?

是的


我在想,这是否说明此炮的效率还有很大提升空间。原理上是电枢反电动势占剩余电容电压的比例越大,效率越高。

是的。永磁轨道炮里,只有消耗在反电动势上的电能,才会变成机械能。所以提高效率的核心就是提高“反电动势占电源电压的比例”。如果没有摩擦力的话,这个比例就是效率。

这个反电动势的影响也能在顶楼的波形图里看出来:

image.png

波形在最后会有一个小的上升。这个就是因为弹丸已经脱离了磁场区域,所以反电动势消失,但是依然和轨道保持接触,所以电流会有所上升。


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三水合番作者
3个月0天前 IP:黑龙江
941829
引用BSP发表于8楼的内容
你不会读博了吧我刚上大学你在上学我都毕业上班了你还在上学像是 #90735 里的那种电路板你你引用的

看错横坐标了,频率是10kHz数量级,上升时间5us,峰值电流2kA

去电感后的电流上升时间是80多us


你不会读博了吧我刚上大学你在上学我都毕业上班了你还在上学

是啊1f623


你你引用的俩文号都是晶体养成的老老老帖子里面的一层回复帖,是贴错了吗还是有bug

刚改过来了,我之前以为文号就是链接后面那一串数字……


艹,啥时候开的电炮会议,我没成果居然不邀请我,下次要带我啊

这有个会议报道:

https://www.kechuang.org/t/89166

下次就不好说是啥时候了1f602 曾经科创还有年会呢,但最后一次都已经是2018年的事了


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lzz
1个月11天前 IP:浙江
942902

可以在测试阶段加入无感同轴电阻,或者用泰克新出的电流探头TICP系列,也是加电阻采样的形式,但是精度和带宽都高很多,最低都有250M带宽,用这个探头测出来的数据校准你的波形还是可以的


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三水合番作者
1个月10天前 修改于 1个月9天前 IP:四川
942929
引用lzz发表于11楼的内容
可以在测试阶段加入无感同轴电阻,或者用泰克新出的电流探头TICP系列,也是加电阻采样的形式,但是精度

"无感同轴电阻"的寄生电感也不可能小到直接支持250M的电流测量的。


这个世界上很有趣的一点是,大凡强调“无xxx”,“低xxx”的东西,它的那个参数反而往往是高的。或者反过来,强调“高xxx”,“强xxx”的时候,对应的参数往往是低的,是弱的。

如果某个指标真的低到了(或者高到了)没有影响的程度,那它反而不会被强调了。就好像现在的超市不会在门口挂一个牌子,强调自己“绝不无故打骂顾客”一样。现在的超市和旧时代那些特意强调“绝不无故打骂顾客”的供销社比,究竟谁更不会打骂顾客呢?答案是显而易见的。


电阻采样的电流探头,如果不加上“抵消寄生电感影响”的操作的话,估计最高能做到1MHz级别,再往上就要受寄生电感的影响,导致波形失真了。比如一个0.1Ω的采样电阻,它的寄生电感是1nH,那在1MHz的时候,它的感抗就有6.3mΩ,占电阻的6.3%,算是可忽略和不可忽略的边缘。寄生电感是不可能在制造采样电阻的时候就完全消除的,它是受“信息不可能超光速传播”限制的,如果一个采样电阻没有寄生电感,那把一系列这种电阻串在一起,就能得到一根超光速传输线1f923

TICP系列的探头我看了一下说明, 它本身还是一个测量“电压”的差分探头,只不过它针对测量电流的场景进行了特化,表现为量程小(比如±0.5v),噪声低,共模抑制比高。它没有消除寄生电感影响的功能,它在这方面是假设用户拥有一种“魔法电阻”,真的没有寄生电感。或者用户能像顶楼里那样,自行编写代码处理数据。


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OliverKung
1个月9天前 IP:四川
942941
引用三水合番发表于12楼的内容
"无感同轴电阻"的寄生电感也不可能小到直接支持250M的电流测量的。这个世界上很有趣的一点是,大凡强

11楼说的电阻应该是类似T&M的SDN 414系列这种电阻。大概长成这样

image.png

比较大电流的型号中心导体是用螺丝锁到PCB上的。这种电阻的标称带宽最高可以到2G或者180ps的上升沿,实际当中经常拿来测量功率器件的开关波形,边沿表现还挺不错的。

image.png


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三水合番作者
1个月9天前 IP:四川
942945
引用OliverKung发表于13楼的内容
11楼说的电阻应该是类似T&M的SDN 414系列这种电阻。大概长成这样比较大电流的型号中心导体是用

这些电阻的电感也是很大的,不能“不做处理的”得到正确的电流波形。


你提到的这个型号好像还挺出名。刚好搜到一篇论文,里面有这个型号的电阻和电感的测试结果,他们测到的电感有6.6nH。这是远远大于能不做处理的测量高频信号的程度的,10MHz的测量结果都会严重失真,更不要说2GHz了。

image.png

attachment iconIECON2019_INSA_final_V2.pdf2.47MBPDF57次下载预览


类似的还有下面这篇论文里,作者们“惊讶地”发现直接用同轴电阻上的压降作为电流的话,则完全没法工作到标称频率。要测高频信号的话,他们给出的解决方案也是写去电感的脚本1f923

attachment iconReview_and_Bandwidth_Measurement_of_Coaxial_Shunt_Resistors_for_Wide-Bandgap_Devices_Dynamic_Characterization.pdf1.49MBPDF73次下载预览


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OliverKung
1个月9天前 IP:四川
942948
引用三水合番发表于14楼的内容
这些电阻的电感也是很大的,不能“不做处理的”得到正确的电流波形。你提到的这个型号好像还挺出名。刚好搜

woc大受震撼,半导体的这边几乎没关注过这东西的实际性能啥样。

那这下物理学的限制还是问问的存在了(


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OliverKung
1个月9天前 IP:四川
942950

image.png

image.png

说来还有一种这样的电阻,手册给出来了串联电感的实测数据,看起来好像还不错。但是手边也没得设备测测,不知道真假了



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三水合番作者
1个月9天前 修改于 1个月9天前 IP:四川
942951
引用OliverKung发表于16楼的内容
说来还有一种这样的电阻,手册给出来了串联电感的实测数据,看起来好像还不错。但是手边也没得设备测测,不

500pH其实也挺大的,100MHz的时候有0.3欧姆了。他这里纵轴用的是电感,还显得没那么大,得算一下才知道影响大。他要是把纵轴的单位换成欧姆,那就变成电抗曲线高高在上,而电阻曲线匍匐在底部,扫一眼就知道影响大得爆炸了。总之还是得做“去电感”的操作。

除了像顶楼那样用软件做“去电感”,还可以用硬件实现,比如搭一个具有特定响应曲线的低通滤波器,刚好把电感的影响抵消掉。代价是,测量到的波形虽然没有失真,但是会有一点延迟,和其他波形可能在横轴上对不齐。

还有抵消的精度的问题,比如电阻10mohm,而电抗有0.3ohm的话,那电抗比电阻大30倍,抵消后就不太容易刚好精准的剩下那1/30的电阻。


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虎哥
1个月8天前 修改于 1个月8天前 IP:四川
942959
引用三水合番发表于17楼的内容
500pH其实也挺大的,100MHz的时候有0.3欧姆了。他这里纵轴用的是电感,还显得没那么大,得算

我猜测,这个电阻太小,同轴似乎并没有带来什么好处——无论如何,同轴都没法在现实中搞出如此小的特征阻抗。所以它属于想法很好,对测量似乎没有什么卵用的设计,并不能构成传输线。

当然,同轴能充分利用体积,较明显的减小电感,从而减少电感对被测电流的影响,有利于一些需要高上升率的实验。


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肖特基的救赎
1个月4天前 IP:内蒙古
943014

不知罗氏线圈探头在这种场景下效果如何?最近正在复刻github上那个罗氏线圈项目


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BSP
25天10时前 IP:广东
943177
引用三水合番发表于14楼的内容
这些电阻的电感也是很大的,不能“不做处理的”得到正确的电流波形。你提到的这个型号好像还挺出名。刚好搜

以前单知道同轴分流器的2G高带宽,一直想搞一个试试双脉冲,没想到这玩意也是不理想的,不知道实际使用同轴分流器的双脉冲测试台是怎么做的去电感的处理,这种频率参数又要怎么去做校准呢


我看到威世有一些贴片的高频电阻产品比如chcp系列,给出了阻抗频率曲线,曲线看着挺漂亮,这些高频电阻是用了什么佐料逼近了光速的限制还是也虚标了参数1f925


还有也看到一些陶瓷的射频终端电阻也有标明是“高带宽”但是也没用过也不知道实际是啥样


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BSP
25天10时前 IP:广东
943178
引用OliverKung发表于16楼的内容
说来还有一种这样的电阻,手册给出来了串联电感的实测数据,看起来好像还不错。但是手边也没得设备测测,不

开步睿思,我在翻威世的资料的时候也翻到了这家公司,不知道他们在技术上是不是有啥py交易


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BSP
25天10时前 IP:广东
943179

上次去听论坛正好顺手拍了国产探头厂商做的功率器件双脉冲测试的治具,上面直接锁了一个同轴分流器测电流MVIMG_20250329_102047.jpgMVIMG_20250329_101936.jpg


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三水合番作者
25天3时前 IP:四川
943181
引用BSP发表于20楼的内容
以前单知道同轴分流器的2G高带宽,一直想搞一个试试双脉冲,没想到这玩意也是不理想的,不知道实际使用同

厂家标“2G高带宽”可能是带宽的定义有问题。比如可能标的是“和直流增益相比,增益下降3db的带宽”,这个定义下的带宽确实可以到2g,因为寄生电感的影响是让增益升高,而不是下降。

如果要校准,可以先用矢网测s21,再根据测量结果用算法补偿


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OliverKung
25天2时前 IP:四川
943182
引用BSP发表于21楼的内容
开步睿思,我在翻威世的资料的时候也翻到了这家公司,不知道他们在技术上是不是有啥py交易

这家公司听说有一部分的箔电阻是直接用的VPG的技术生产的,有一部分他们不生产的值你订货他们会直接转到VPG去订货,剩下的普通的电阻应该是他们自己来的


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lzz
24天18时前 IP:浙江
943189
引用三水合番发表于14楼的内容
这些电阻的电感也是很大的,不能“不做处理的”得到正确的电流波形。你提到的这个型号好像还挺出名。刚好搜

是的我之前说的就是这个同轴分流器,因为在做一些碳化硅MOSFET测试的时候我们用的是罗氏线圈,带宽已经明显不够了,

供应商给的办法就是加同轴分流器配合TK新出的电流探头(实际是电压探头)去测试电流,实际上我并没有去试过,因为供应商没给我样机,TK的电流探头配合的分流器只是和T&M家的接口形式不一样,原理还是类似的,也有可能是TK在示波器里面内置了对应探头和分流器的参数在重建波形的时候有修正


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BSP
24天16时前 IP:广东
943194

昨天夜里记错名字了,威世的这个系列是叫hchp,宣称能到GHz,我记得当时翻的时候还找到一款能到77GHz,但是我忘记名字了,,,威世的系列可真多


这个系列给了个频率阻抗图,当时翻的时候很意外因为跟以前的刻板印象不同,较高阻值的型号的阻抗在高频不是上升而是下降,当时查到了有另一篇解释是说电阻除了有串联寄生电感之外还有寄生电容,可能较高阻值的型号是寄生电容占主导,没搞过射频从没接触过这么高频的东西。

Screenshot_2025-04-09-19-45-57-298_cn.wps.moffice_eng-edit.jpg

还有就是那些陶瓷封装的射频电阻在高频时如果阻抗变化也很大,那实际怎么使用呢,如果变化不大的话,同轴分流器里面藏的那颗电阻是不是也能用相同的工艺,有点难相信同轴分流器是不理想的,这玩意已经像是事实标准了


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Ma3.02的守望
24天13时前 IP:中国
943201
引用BSP发表于20楼的内容
以前单知道同轴分流器的2G高带宽,一直想搞一个试试双脉冲,没想到这玩意也是不理想的,不知道实际使用同

关于把普通贴片电阻翻过来焊接,以提高高频性能的操作:

image.png



来源:

https://ims-resistors.com/passive-smt-mounting-techniques-face-vs-facedown-performance-trade-offs/


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OliverKung
21天18时前 IP:四川
943258
引用BSP发表于26楼的内容
昨天夜里记错名字了,威世的这个系列是叫hchp,宣称能到GHz,我记得当时翻的时候还找到一款能到77

这里有一个点啊,这HCHP系列的电阻最小直到100mΩ,图中的更是只有1Ω的测试数据。

同样1nH的电感在1GHz下产生的电抗为1Ω,这个电阻对于100Ω的电阻来说只会产生一点点的影响,但是对于100mΩ甚至10mΩ的电阻来说影响就巨大了


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