CN111417248B - 匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源*** - Google Patents

匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种匹配箱的输入端的阻抗匹配方法，该方案考虑到在匹配箱的输入端的阻抗没有达到目标阻抗之前，匹配箱的输入端的阻抗在调节过程中其相位角是发生变化的，且越靠近目标阻抗，阻抗的相位角的数值越小，基于此，本申请将相位角引入阻抗匹配过程中，使得匹配过程中步长随着相位角发生变化，实现当前频率远离最优频率时增大步长，当前频率在接近最优频率时减小步长，使得越靠近最优频率，频率的变化率越小，提高了阻抗匹配的速度及精度。本发明还公开了一种匹配箱的输入端的阻抗匹配装置及射频电源***，具有与上述阻抗匹配方法相同的有益效果。

Description

匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源***
技术领域
本发明涉及射频技术领域，特别是涉及一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源***。
背景技术
射频电源***包括射频电源和等离子体腔室。一般来讲，由于等离子体腔室中的非线性负载的阻抗是时变的，而射频电源的输出阻抗是恒定的。因此，这将造成射频电源和等离子体腔室之间出现严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射效率，射频电源产生的功率无法全部输送到等离子体腔室，功率损耗较大。
为解决该问题，射频电源和等离子体腔室之间通常还设置有匹配箱，匹配箱包括由电感和电容构成的匹配网络。现有技术中的匹配方式是通过调节射频电源的工作频率来改变匹配箱的输入端的阻抗，从而实现阻抗匹配。但是这种调节方法是通过固定了调节频率的步长，然后在一个频率范围内往返进行扫频，直到找到合适的频率为止。虽然与传统的机械调节方法相比在一定程度上节省了匹配时间，但是对初始扫频范围要求高，容易出现无法找到最优频率的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源***，提高了阻抗匹配的速度及精度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法，包括：
S11：按照当前扫频周期的频率设定射频电源的工作频率；
S12：确定当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗；
S13：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，判断所述驻波比是否小于匹配阈值，如果是，进入S15；否则，进入S14；
S14：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗确定下一扫频周期的频率增加的步长Sstep_up，并返回S11；其中，Sstep_up＝Sstep·Gset·sinθ，Sstep为基本步长，Gset为增益，θ为匹配箱的输入端的阻抗的相位角；
S15：确定所述当前扫频周期的频率为所述射频电源实现阻抗匹配的最优频率。
优选地，S11之前还包括：
设定迭代次数N＝0；
S14中返回S11之前，还包括：
迭代次数N加1；
判断N是否大于迭代阈值，若是，判定本次匹配失败，否则，进入返回S11的步骤。
优选地，所述匹配阈值为1.06。
优选地，S12包括：
获取射频电源与匹配箱之间的同轴电缆的输入端的电压Vgen和电流Igen；
确定所述同轴电缆的ABCD矩阵；
基于所述电压Vgen、电流Igen及ABCD矩阵得到当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch；
其中，
Figure BDA0002450600050000021
f为当前扫频周期的频率，l为所述同轴电缆的长度，m为常数；
Figure BDA0002450600050000022
Figure BDA0002450600050000023
优选地，基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，包括：
基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch及目标阻抗Zo得到当前扫频周期的反射系数K；
基于所述当前扫频周期的反射系数K得到当前扫频周期的驻波比VSWR0；
其中，
Figure BDA0002450600050000031
Figure BDA0002450600050000032
根据所述当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch得到当前扫频周期的驻波比；
其中，
Figure BDA0002450600050000033
优选地，所述目标阻抗Zo＝50Ω。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种匹配箱的输入端的阻抗调节装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述匹配箱的输入端的阻抗调节方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种射频电源***，包括射频电源、匹配箱及设置于所述射频电源与所述匹配箱之间的同轴电缆，还包括如上述所述的匹配箱的输入端的阻抗调节装置。
本发明提供了一种匹配箱的输入端的阻抗匹配方法，该方案考虑到在匹配箱的输入端的阻抗没有达到目标阻抗之前，匹配箱的输入端的阻抗在调节过程中其相位角是发生变化的，且越靠近目标阻抗，阻抗的相位角的数值越小，基于此，本申请将相位角引入阻抗匹配过程中，使得匹配过程中步长随着相位角发生变化，实现当前频率远离最优频率时增大步长，当前频率在接近最优频率时减小步长，使得越靠近最优频率，频率的变化率越小，提高了阻抗匹配的速度及精度。
本发明提供了一种匹配箱的输入端的阻抗匹配装置及射频电源***，具有与上述阻抗匹配方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法的过程流程图；
图2为本发明提供的一种sinθ与扫频周期的频率的对应关系图；
图3为本发明提供的一种匹配过程中驻波比与扫频周期的频率的对应关系图；
图4为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗调节***的原理图；
图5为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗和同轴电缆的输入端的阻抗的史密斯圆图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法、装置及射频电源***，提高了阻抗匹配的速度及精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法的过程流程图。
该方法包括：
S11：按照当前扫频周期的频率设定射频电源的工作频率；
S12：确定当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗；
S13：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，判断驻波比是否小于匹配阈值，如果是，进入S15；否则，进入S14；
S14：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗确定下一扫频周期的频率增加的步长Sstep_up，并返回S11；其中，Sstep_up＝Sstep·Gset·sinθ，Sstep为基本步长，Gset为增益，θ为匹配箱的输入端的阻抗的相位角；
S15：确定当前扫频周期的频率为射频电源实现阻抗匹配的最优频率。
首先需要说明的是，本申请中，匹配箱的输入端的阻抗指的是匹配箱的射频电源侧的端口阻抗。
在对匹配箱的输入端的阻抗进行调节时，本申请采用对射频电源的频率进行调节的方式。具体地，本申请考虑到匹配箱中的匹配网络由电容和电感构成，在射频电源的频率发生变化时，电容的容抗和电感的感抗也会发生变化，基于此，本申请通过对射频电源的频率进行调节从而改变匹配箱的输入端的阻抗，使得匹配箱输入端的阻抗(也即等离子体腔室与匹配箱的阻抗之和)与射频电源的阻抗相等。而匹配箱输入端的阻抗是否与射频电源的阻抗相等，本申请中通过射频电源的驻波比去进行判断，如果驻波比足够小，也即小于匹配阈值，则说明此时匹配箱输入端的阻抗与射频电源的阻抗相等。
具体地，在对匹配箱的输入端的阻抗进行调节时，可以先设定射频电源扫频的初始值及扫频周期，并控制射频电源以初始值为起点、扫频周期为周期开始输出射频信号，每个扫频周期的频率不同，匹配箱的输入端的阻抗也是不同的。则在控制射频电源输出当前扫频周期的频率的射频信号后，确定当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗，并基于匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，判断驻波比是否小于匹配阈值，若小于，则说明当前扫频周期的频率即为最优频率，此时匹配箱的输入端的阻抗与射频电源的阻抗相等。若不小于，则说明当前扫频周期的频率不符合要求，需要继续扫频，因此，需要确定下一扫频周期的频率。作为一种优选地实施例，这里的匹配阈值为1.06。当然，这里的匹配阈值还可以为其他数值，本申请在此不作特别的限定。
为得到下一扫频周期的频率，可以基于匹配箱的输入端的阻抗确定下一扫频周期的频率增加的步长Sstep_up，其中，Sstep_up＝Sstep·Gset·sinθ，这里的θ为匹配箱的输入端的阻抗的相位角，也即
Figure BDA0002450600050000061
Zmatch＝Rmatch+jXmatch，Zmatch为匹配箱的输入端的阻抗，Rmatch为匹配箱的电阻，Xmatch为匹配箱的电抗。由于射频电源的阻抗通常为50Ω，因此，在匹配箱的输入端的阻抗向射频电源的阻抗靠近时，θ的数值变小，在匹配箱的输入端的阻抗远离射频电源的阻抗时，θ的数值变大。基于这一规律，本申请将匹配箱的输入端的阻抗的相位角引入到频率的步长的调整中，θ的数值越小，则说明匹配箱的输入端的阻抗向射频电源的阻抗靠近，此时减小下一扫频周期的频率增加的步长；θ的数值越大，则说明匹配箱的输入端的阻抗远离射频电源的阻抗，此时增大下一扫频周期的频率增加的步长，通过该种方式来动态调整步长，以实现对匹配箱的输入端的阻抗的调整，加快了阻抗匹配的速度，也提高了阻抗匹配的精度。
请参照图2和图3，其中，图2为本发明提供的一种sinθ与扫频周期的频率的对应关系图，其中，Y轴为sinθ，X轴为扫频周期的频率。图3为本发明提供的一种匹配过程中驻波比与扫频周期的频率的对应关系图，其中，Y轴为驻波比，X轴为扫频周期的频率。
综上，本发明中虑到在匹配箱的输入端的阻抗没有达到目标阻抗之前，匹配箱的输入端的阻抗在调节过程中其相位角是发生变化的，且越靠近目标阻抗，阻抗的相位角的数值越小，基于此，本申请将相位角引入阻抗匹配过程中，使得匹配过程中步长随着相位角发生变化，实现当前频率远离最优频率时增大步长，当前频率在接近最优频率时减小步长，使得越靠近最优频率，频率的变化率越小，提高了阻抗匹配的速度及精度。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，S11之前还包括：
设定迭代次数N＝0；
S14中返回S11之前，还包括：
迭代次数N加1；
判断N是否大于迭代阈值，若是，判定本次匹配失败，否则，进入返回S11的步骤。
具体地，考虑到在实际应用中，虽然大部分情况下能够实现匹配箱的输入端的阻抗的匹配，但是也存在一些特殊情况下，匹配箱的输入端的阻抗无法与射频电源实现匹配，为了能够在适当的时候及时结束，本实施例中，还设置了迭代阈值，如果经过了N个扫频周期还是没有实现阻抗匹配，则判定本次匹配失败，便于工作人员及时查找失败原因，提高了阻抗匹配的效率。
这里的N可以但不仅限为4，本实施例对于N的具体数值不作特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，S12包括：
获取射频电源与匹配箱之间的同轴电缆的输入端的电压Vgen和电流Igen；
确定同轴电缆的ABCD矩阵；
基于电压Vgen、电流Igen及ABCD矩阵得到当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch；
其中，
Figure BDA0002450600050000071
f为当前扫频周期的频率，l为同轴电缆的长度，m为常数；
Figure BDA0002450600050000072
Figure BDA0002450600050000073
本申请考虑到无法直接通过传感器来直接得到匹配箱的输入端的阻抗，因此，通过同轴电缆来间接得到。具体地，本申请考虑到同轴电缆作为一种典型的二端口网络，可以通过ABCD矩阵来表征同轴电缆的特性，其中，ABCD矩阵便于研究二端口网络的级联，但矩阵中各元素没有明确的物理意义。
请参照图4和图5，其中，图4为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗调节***的原理图，图5为本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗和同轴电缆的输入端的阻抗的史密斯圆图。在不同的频率下，同轴电缆具有不同的电长度，因此，同轴电缆的输入端的阻抗Zgen在史密斯圆上的轨迹是旋转的，与呈现纯阻性的线存在多个交点。以射频电源的阻抗为50Ω为例，在匹配箱输入端的阻抗与射频电源的阻抗匹配时，匹配箱的输入端的阻抗的轨迹与同轴电缆的输入端的阻抗的轨迹在史密斯圆上的50Ω纯阻性线处相交。
为得到匹配箱的输入端的阻抗，获取射频电源与匹配箱之间的同轴电缆的输入端的电压Vgen和电流Igen，其对应的阻抗为Zgen，然后确定同轴电缆的ABCD矩阵，电压Vgen和电流Igen和ABCD矩阵的乘积即为匹配箱的输入端的电压Vmatch和电流Imatch，基于匹配箱的输入端的电压Vmatch和电流Imatch便可得到匹配箱的输入端的阻抗Zmatch。
可见，通过该种方式便可得到匹配箱的输入端的阻抗，精度高。
作为一种优选地实施例，基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，包括：
基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch及目标阻抗Zo得到当前扫频周期的反射系数K；
基于当前扫频周期的反射系数K得到当前扫频周期的驻波比VSWR0；
其中，
Figure BDA0002450600050000081
Figure BDA0002450600050000082
根据当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗Zmatch得到当前扫频周期的驻波比；
其中，
Figure BDA0002450600050000083
在得到匹配箱的输入端的阻抗后，便可以基于匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，从而实现对当前匹配箱的输入端的阻抗是否与射频电源的阻抗是否匹配的判断，可靠性高。
作为一种优选地实施例，目标阻抗Zo＝50Ω。
当然，这里的目标阻抗还可以为其他数值，例如75Ω，由射频电源的阻抗来决定。
本发明还提供了一种匹配箱的输入端的阻抗调节装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述匹配箱的输入端的阻抗调节方法的步骤。
本发明还提供了一种射频电源***，包括射频电源、匹配箱及设置于射频电源与匹配箱之间的同轴电缆，还包括如上述的匹配箱的输入端的阻抗调节装置。
对于本发明提供的一种匹配箱的输入端的阻抗调节装置及射频电源***的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，包括：
S11：按照当前扫频周期的频率设定射频电源的工作频率；
S12：确定当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗；
S13：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，判断所述驻波比是否小于匹配阈值，如果是，进入S15；否则，进入S14；
S14：基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗确定下一扫频周期的频率增加的步长
Figure 513161DEST_PATH_IMAGE001
，并返回S11；其中，
Figure 507662DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 117635DEST_PATH_IMAGE003
为基本步长，
Figure 130459DEST_PATH_IMAGE004
为增益，
Figure 167685DEST_PATH_IMAGE005
为匹配箱的输入端的阻抗的相位角；
S15：确定所述当前扫频周期的频率为所述射频电源实现阻抗匹配的最优频率。
2.如权利要求1所述的匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，S11之前还包括：
设定迭代次数N=0；
S14中返回S11之前，还包括：
迭代次数N加1；
判断N是否大于迭代阈值，若是，判定本次匹配失败，否则，进入返回S11的步骤。
3.如权利要求1所述的匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，所述匹配阈值为1.06。
4.如权利要求1至3任一项所述的匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，S12包括：
获取射频电源与匹配箱之间的同轴电缆的输入端的电压
Figure 649482DEST_PATH_IMAGE006
和电流
Figure 797567DEST_PATH_IMAGE007
；
确定所述同轴电缆的ABCD矩阵；
基于所述电压
Figure 681209DEST_PATH_IMAGE006
、电流
Figure 889337DEST_PATH_IMAGE007
及ABCD矩阵得到当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗
Figure 609162DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 295358DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 33507DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 678115DEST_PATH_IMAGE011
为当前扫频周期的频率，
Figure 868925DEST_PATH_IMAGE012
为所述同轴电缆的长度，
Figure 873659DEST_PATH_IMAGE013
为常数；
Figure 200735DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 16245DEST_PATH_IMAGE015
。
5.如权利要求4所述的匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗得到当前扫频周期的驻波比，包括：
基于当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗
Figure 694351DEST_PATH_IMAGE016
及目标阻抗
Figure 332136DEST_PATH_IMAGE017
得到当前扫频周期的反射系数
Figure 779298DEST_PATH_IMAGE018
；
基于所述当前扫频周期的反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
得到当前扫频周期的驻波比
Figure 765709DEST_PATH_IMAGE020
；
其中，
Figure 445958DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 339964DEST_PATH_IMAGE022
；
根据所述当前扫频周期的匹配箱的输入端的阻抗
Figure 907212DEST_PATH_IMAGE023
得到当前扫频周期的驻波比；
其中，
Figure 549677DEST_PATH_IMAGE024
。
6.如权利要求5所述的匹配箱的输入端的阻抗调节方法，其特征在于，所述目标阻抗
Figure 202375DEST_PATH_IMAGE025
。
7.一种匹配箱的输入端的阻抗调节装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述匹配箱的输入端的阻抗调节方法的步骤。
8.一种射频电源***，其特征在于，包括射频电源、匹配箱及设置于所述射频电源与所述匹配箱之间的同轴电缆，还包括如权利要求7所述的匹配箱的输入端的阻抗调节装置。
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