一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统及方法及应用技术方案

本发明专利技术涉及一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统及方法及应用，匹配系统包括匹配网络，反射计模块及控制模块。所述反射计模块串联在匹配网络与射频电源之间，所述反射计模块用于测量射频电源输出端的反射系数，所述反射系数包括幅值和相位两部分信息；所述控制模块串联在反射计模块与匹配网络之间，所述控制模块通过调节所述匹配网络进而改变反射系数在Smith圆图上的位置，使其无限接近Smith圆图的原点，射频电源显示反射功率为0，实现阻抗匹配。本发明专利技术提供了一种快速、便捷、准确的等离子体激发装置匹配方法。此方法避免了盲目的操作，简化了等离子体激发装置的匹配过程。简化了等离子体激发装置的匹配过程。简化了等离子体激发装置的匹配过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统及方法及应用


[0001]本专利技术属于射频电路的阻抗匹配
，尤其是一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统及方法及应用。

技术介绍

[0002]在等离子体激发过程中，射频功率通过阻抗匹配器将电能耦合至等离子体激发装置，进而传递给电子。电子与中性气体粒子发生非弹性碰撞，产生等离子体。因此，合理的阻抗匹配可以实现射频功率的最大化输入、提高电离程度。
[0003]阻抗匹配的核心是由参数可调的电抗元件组成的匹配网络。在不同的加工条件下，等离子体激发装置的阻抗特性往往不同。这就需要对匹配网络中元件的参数进行调节，以适应线路中不同的阻抗状态，实现良好的匹配。对匹配网络参数的调节通常有手动和自动两种方式。在手动匹配中，需要使用者凭借经验，并现场测量线路中的反射系数、负载与信源的阻抗等参数作为依据，人为调节匹配网络中的元件参数。手动匹配所费时间长、匹配精度低，且无法实现在线动态调节，在复杂的负载情况下难以实现稳定、高效的匹配，最终会对等离子体加工过程和加工质量造成影响。相比之下，设计合理的自动匹配器可以进行实时、高效、精确的阻抗匹配，提高等离子体放电的稳定性，实现高质量的加工。
[0004]反射系数可以表征阻抗匹配程度，在对调节匹配网络有重要的指导意义。实时测量反射系数并作为参考能够大幅简化调节匹配网络的过程。等离子体激发装置作为大功率有源射频器件，很难应用传统的反射系数测量方法对其进行测量，如使用网络分析仪或驻波表测量。
[0005]结合反射系数进行阻抗匹配是一种常见的思路。现有的相关专利大部分应用了这样的思路，但是并未提供包含完整幅值与相位信息的反射系数的测量方法，且由于缺乏反射系数的相位信息不得不采用复杂的控制方法和调节算法实现对匹配网络的调节，所适用的阻抗网络也比较单一。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有方法的不足，提供一种基于反射系数测量的阻抗匹配方法，能够快速、准确地实现阻抗匹配。
[0007]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：
[0008]本专利技术的第一方面是提供了一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统，包括匹配网络，反射计模块及控制模块。所述反射计模块串联在匹配网络与射频电源之间，所述反射计模块用于测量射频电源输出端的反射系数，所述反射系数包括幅值和相位两部分信息；所述控制模块串联在反射计模块与匹配网络之间，所述控制模块通过调节所述匹配网络进而改变反射系数在Smith圆图上的位置，使其无限接近Smith圆图的原点，射频电源显示反射功率为0，实现阻抗匹配。
[0009]进一步地，所述反射计模块包括：定向耦合器、衰减器、移相器、功率分配器、矢量
功率计及第一单片机，所述定向耦合器从线路中耦合出两路入射信号及一路反射信号；所述衰减器用于压缩第一路入射信号及反射信号的幅值；所述移相器将第二路入射信号改变为相移信号；所述功率分配器将相移信号、衰减过的入射信号和反射信号一分为二；所述矢量功率计连接在功率分配器的信号输出端，用于鉴别两路信号的幅值比和相位差；所述第一单片机控制模数转换器读取矢量功率计的测量结果，经处理后得到反射系数，通过显示屏显示结果，或发送给调节匹配网络的自动控制模块。
[0010]进一步地，所述控制模块包括：电机、驱动器、第二单片机、控制面板及显示屏，所述驱动器连接电机；所述第二单片机连接驱动器，所述第二单片机接收反射计模块的测量结果，并通过驱动器控制电机带动所述匹配网络中的可变原件参数调节旋钮转动，进而调节可变原件的参数；所述控制面板连接所述第二单片机，使用者通过控制面板上的按钮控制开始/停止匹配；所述显示屏上显示Smith圆图、测量得到的反射系数以及控制模块当前的工作状态。
[0011]本专利技术的第二方面是提供了一种基于反射系数测量的等离子体激发装置自动阻抗匹配方法，利用反射计模块实时地测量线路在射偏电源输出端的反射系数，并将反射系数在Smith圆图上标注出来，调节匹配网络，使反射系数发生变化，反射系数在圆图上的位置也随之变化；当对匹配网络中某一个单独的可变元件(如可变电容、可变电感)调节时，反射系数在圆图上位置移动的轨迹接近圆或椭圆的一部分，调节匹配网络中不同的元件时，反射系数在不同的圆或椭圆上移动；反射系数在Smith圆图上的移动轨迹受到多个可调元件共同影响，即其他的可变元件被调整前后，调整同一个可变元件所对应的反射系数的移动轨迹也不同；整个阻抗匹配就是调节匹配网络，使反射系数在经过多段不同的近似圆或椭圆的轨迹后最终到达Smith圆图的原点，消除反射的过程；该方法既可以由人工操作，也可以由自动控制模块实现。
[0012]进一步地，所述反射计模块从线路中分离出反射信号和入射信号，对两信号调整后进行幅相检测，进一步处理检测结果后得到包含完整信息的、准确的反射系数。
[0013]进一步地，所述相移信号、衰减过的入射信号和反射信号分别被功率分配器等大小地一分为二，分成第一入射信号、第二入射信号、第一反射信号、第二反射信号、第一相移信号、第二相移信号，所述矢量功率计为三个，分别为：矢量功率计A、矢量功率计B、矢量功率计C，所述矢量功率计A检测第一相移信号和第一入射信号的相位差，得到移相器提供的相移大小；矢量功率计B检测第二入射信号和第一反射信号，得到反射信号与入射信号的幅值比和相位差；矢量功率计C检测第二相移信号和第二反射信号，得到反射信号和相移信号间的相位差。
[0014]反射信号与入射信号的幅值比为：
[0015][0016]其中，V
i
为入射信号的幅值、V
r
为反射信号的幅值。
[0017]反射信号与入射信号的相位差为：
[0018]其中为入射信号的相位、为反射信号的相位。
[0019]本专利技术的第三方面是提供了一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统在等离子激发装置上的应用。所述等离子体激发装置的参数为：功率0
‑
10kW，工作频率1MHz
‑
2.7GHz，耦合方式为电感耦合或电容耦合。
[0020]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0021]1、本专利技术提供了一种快速、便捷、准确的可用于包括等离子体激发装置在内的射频负载的匹配方法。此方法避免了盲目的操作，简化了匹配过程。
[0022]2、本专利技术同时提供了一种用于大功率有源射频器件的反射系数测量方法，可以获得包含完整的幅值和相位信息的反射系数，实现对大功率有源射频器件阻抗特性的准确分析。
[0023]3、本专利技术提出的方法可用于较大频率、功率范围内的射频电路、多种类型的匹配网络和多种形式的等离子体激发装置。
附图说明
[0024]图1为基于反射系数测量的等离子体激发装置自动匹配方法技术方案原理图。
[0025]图2为基于反射系数测量的等离子体激发装置自动匹配方法实施流程图。
[0026]图3为反射计模块幅值及相位测量技术方案原理图。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统，包括匹配网络，其特征在于，还包括：反射计模块及控制模块，所述反射计模块串联在匹配网络与射频电源之间，所述反射计模块用于测量射频电源输出端的反射系数，所述反射系数包括幅值和相位两部分信息；所述控制模块通过调节所述匹配网络进而改变反射系数在Smith圆图上的位置，使其无限接近Smith圆图的原点，射频电源显示反射功率为0，实现阻抗匹配。2.根据权利要求1所述的基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述反射计模块包括：定向耦合器、所述定向耦合器从线路中耦合出两路入射信号及一路反射信号；衰减器、所述衰减器用于压缩第一路入射信号及反射信号的幅值；移相器、所述移相器将第二路入射信号改变为相移信号；功率分配器、所述功率分配器将相移信号、衰减过的入射信号和反射信号一分为二；矢量功率计、所述矢量功率计连接在功率分配器的信号输出端，用于鉴别两路信号的幅值比和相位差；及第一单片机，所述第一单片机控制模数转换器读取矢量功率计的测量结果，经处理后得到反射系数，通过显示屏显示结果，或发送给调节匹配网络的自动控制模块。3.根据权利要求2所述的基于反射系数测量的自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述控制模块包括：电机；驱动器，所述驱动器连接电机；第二单片机，所述第二单片机连接驱动器，所述第二单片机接收反射计模块的测量结果，并通过驱动器控制电机带动所述匹配网络中的可变原件参数调节旋钮转动，进而调节可变原件的参数；控制面板，所述控制面板连接所述第二单片机，使用者通过控制面板上的按钮控制开始/停止匹配；显示屏，所述显示屏上显示Smith圆图、测量得到的反射系数以及控制模块当前的工作状态。4.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，张晨华，吕鹏，杨昕航，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：