KR100895689B1 - 임피던스 매칭 방법 및 이 방법을 위한 전기 장치 - Google Patents

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Abstract

임피던스 매칭 방법 및 이 방법을 위한 매칭 시스템을 제공한다. 이 방법은 전원, 부하, 전송선 및 매칭 시스템을 포함하는 전기 장치의 매칭 방법에 있어서, 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계, 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계, 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계, 및 제어 파라미터를 사용하여 매칭 시스템을 제어하는 단계를 포함하되, 매칭 시스템은 펄스 모드에 따라 다르게 제어된다.
플라즈마, 펄스 매칭, 매칭

Description

임피던스 매칭 방법 및 이 방법을 위한 전기 장치{Impedance Matching Methods And Electric Apparatus Performing The Same}
본 발명은 임피던스 매칭에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플라즈마 시스템, 핵자기 공명 시스템, 통신 시스템 및 송전선 등의 전기 시스템에서 사용될 수 있는 임피던스 매칭 방법 및 이러한 임피던스 매칭을 구현하는 시스템에 관한 것이다.
전원(power source) 및 부하(load) 사이의 임피던스가 매칭되지 않으면(mismatched), 부하로 공급되는 전력(power)은 최대화되지 않을 뿐만 아니라, 부하로 전달되는 전력을 정밀하게 제어하기 어렵다. 이에 따라, 플라즈마 시스템, 핵자기 공명(NMR) 시스템, 통신 시스템 및 송전선 등과 같은 전기 시스템은 이러한 임피던스 미스매칭을 해결하기 위해 전원과 부하 사이에 배치되는 임피던스 매칭 네트워크를 구비한다. 예를 들면, 반도체 장치의 제조에 사용되는 플라즈마 챔버 시스템은 RF 전원에 연결된 RF 전극 및 상기 RF 전원과 상기 RF 전극 사이에 배치되는 임피던스 매칭 네트워크를 포함한다. 임피던스 매칭에 관한 일반적인 내용은 David M. Pozar에 의해 쓰여진 "Microwave Engineering" (Addison-Wesley 출판사)의 281-328쪽에 설명되고 있으며, 플라즈마 시스템의 임피던스 매칭과 관련된 기술들은 미국특허공보 제3,569,777호, 제4,112,395호, 제4,557,819호, 제5,187,454호, 제5,585,766호, 제5,621,331호 및 제5,689,215호, 그리고 국제출원공보 W09724748호 등에 개시되고 있다.
도 1은 일반적인 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 임피던스 매칭은 전송선의 전기적 특성(예를 들면, 전류, 전압 및 위상)을 측정(S1)하고, 측정된 전기적 특성으로부터 매칭 네트워크를 제어하기 위한 제어 파라미터를 추출(S2)한 후, 추출된 제어 파라미터를 이용하여 매칭 네트워크를 제어(S3)하는 단계를 포함한다.
종래 기술들에 따르면, 상기 매칭 네트워크는 일반적으로, 제어 모터의 동작을 통해 커패시턴스가 제어될 수 있는, 복수개의 가변 커패시터들을 포함한다. 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계(S2)는 상기 전송선의 측정된 전류, 전압 및 이들 사이의 위상차로부터 상기 전송선의 임피던스의 크기(magnitude) 및 위상(phase)에 대한 정보를 추출한 후, 이를 이용하여 임피던스 매칭을 위해 요구되는 상기 가변 커패시터들의 커패시턴스를 계산하는 단계를 포함한다.
하지만, 이러한 종래의 방법은, (1) 초기 상태에 대한 과도한 민감성(Brute dependency on initial state)에 따른 매칭 상태로의 수렴 실패 (2) 매칭 점 근방에서의 불안정(instability near matching position)에 따른 매칭 지연 (3) 부하 및 전송선 임피던스에 대한 높은 의존성에 따른 출몰 문제(haunting issue)와 같은, 다양한 기술적 어려움들을 초래할 수 있다. 종래의 매칭 방법에 따르면, 매 칭을 위해 요구되는 커패시턴스들의 크기가 규격화되지 않은 임피던스의 크기에 기초하여 결정되기 때문에, 후술할 것처럼, 이러한 기술적 어려움들은 종래의 매칭 방법을 통해서는 극복되기 어렵다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서 발생하는 초기 상태에 대한 과도한 민감성을 설명하기 위한 다이어그램들이다.
앞서 설명한 것처럼, 종래의 임피던스 매칭 방법은 매칭을 위해 요구되는 커패시턴스들을 측정된 임피던스의 크기 및 위상에 기초하여 계산하는 단계를 포함한다. 이때, 도 2 및 도 3은 각각, 이러한 종래의 매칭 방법에 따른 계산을 위해 사용되는, 커패시턴스 공간에서의 매핑 방법을 설명하기 위한 다이어그램들이다. 보다 구체적으로, 도 2 및 도 3은, C1 및 C2 좌표들에 의해 표현되는 커패시턴스 공간(capacitance space)에서, 전송선의 임피던스의 크기(magnitude of impedance) 및 임피던스의 위상(phase of impedance)을 도시한 다이어그램들이다. 이때, 도 2 및 도 3은 부하의 임피던스가 5+50j인 경우에 대한 시뮬레이션의 결과이며, C1 및 C2는 상기 가변 커패시터들의 커패시턴스들을 나타낸다.
한편, 도 2의 실선은 매칭을 위해 요구되는 50옴의 임피던스를 갖는 점들을 연결한 등고선(contour line)이고, 도 3의 실선은 매칭을 위해 요구되는 0도의 위상을 갖는 점들을 연결한 등고선을 나타낸다. 따라서, 매칭된 상태에 해당하는 점은 도 2 및 도 3의 실선들이 교차하는 점에 해당하며, 이러한 매칭된 점은 도 2 및 도 3에서 작은 사각형으로 도시되었다. 한편, 도면들에서 별표에 해당하는 점은 초기 상태를 나타낸다.
종래의 매칭 방법에 따르면, 상기 가변 커패시터들의 변화량들(즉, ΔC1 및 ΔC2)은 각각 측정된 임피던스의 크기 및 위상에 의해 결정된다. 즉, 도 2에 도시된 것처럼, 측정된 임피던스가 화살표 A1에 의해 표현된 50옴 이상인 경우 C1을 증가시키도록 해당 모터를 구동시키고, 화살표 A2 또는 A3에 의해 표현된 50옴 이하인 경우 C1을 감소시키도록 해당 모터를 구동시킨다. 이러한 매칭 방법에 따르면, 화살표 A1 및 A2에 해당하는 점들은 매칭된 상태(즉, 실선)로 접근될 수 있지만, 화살표 A3에 해당하는 점은 매칭된 상태로부터 멀어지게 된다. 즉, 상술한 종래의 매칭 방법에 따르면, 매칭된 상태로 수렴되지 못하는 영역(예를 들면, FR)이 존재할 수 있다는 점에서, 매칭의 수렴성(convergence)은 커패시턴스 공간에서의 초기 위치에 의존적이다. 이러한 매칭의 발산 문제(diverging issue of matching)은 임피던스 위상에서도 동일하게 발생할 수 있다(도 3의 화살표 A6 참조). 특히, 도 2에 도시된 것처럼, 종래 기술에서는 상기 매칭 실패 영역(FR)이 과도하게 넓을 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 영역 R1 내에서는, 하나의 C1 좌표에 대해 두 개의 매칭된 점들이 존재한다. 이처럼 커패시턴스 공간을 이용할 경우, C1 좌표가 매칭된 점에 일대일(1 to 1) 관계로 대응되지 않을 수 있기 때문에, 매칭 궤적의 방향 결정에서의 모호성이 존재한다. 이러한 모호성은 상술한 매칭의 발산을 유발하는 또 다른 이유일 수 있다.
도 4은 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서 발생하는 매칭 점 근방에서의 불안정을 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 4를 참조하면, 매칭 궤적이 매칭된 상태로 다가갈수록 임피던스 매칭을 위해 요구되는 가변 커패시터들의 변화량은 미세하게 제어돼야 한다. 하지만, 종래의 매칭 방법은 임피던스의 크기 및 위상에 기초하여 단지 매칭 궤적의 방향을 결정하기 때문에, C1 및 C2는 매칭 점 근방에서 정밀하게 조절되기 어렵다. 그 결과, 종래의 매칭 방법에서는, 도 4에 도시된 것처럼, 매칭에 도달하기까지의 시간을 지연시키는 나사선 모양의 매칭 궤적(spiral matching trajectory)이 나타날 수 있다. 아래에서 설명될 커패시턴스 공간에서의 임피던스의 물매(gradient)가 큰 경우, 이러한 매칭 시간의 지연은 더욱 심화될 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서 발견되는, 부하의 임피던스에 대한 높은 의존성을 설명하기 위한 다이어그램이다. 보다 구체적으로, 도 5는 부하의 임피던스가 1+50j인 경우에 대한 임피던스의 크기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5를 부하의 임피던스가 5+50j인 경우에 대한 도 2와 비교하면, 부하의 임피던스의 실수부가 감소함에 따라, 매칭된 등고선(matched contour line)이 커패시턴스 공간의 좁은 영역으로 축소(shrink)되었으며, 임피던스 크기의 물매(gradient of impedance magnitude)가 상기 매칭된 등고선 주변에서 급격하게 증가하였다. 이러한 물매의 값 증가는 상술한 매칭 점 근방에서의 커패시턴스의 미세한 제어를 어렵게 만든다. 그 결과, 도 6에 도시된 것처럼, 매칭된 점 주변에서 비정상적으로 움직이는 매칭 궤적이 나타날 수 있다(즉, 출몰 문제(haunting issue)).
종래의 또 다른 연속 모드에서의 임피던스 매칭 방법을 설명한다. 즉, 측정 위치에서 임피던스를 측정하거나 또는 계산한다. 측정위치의 임피던스와 매칭 시스템의 가변 소자들의 리액턴스를 알고 있으면, 부하의 임피던스를 계산할 수 있다. 결국, 부하의 임피던스를 이용하여, 매칭 조건을 찾을 수 있고, 이에 따라 제어 파라미터를 결정할 수 있다.
RF 전원은 시간에 따라 주기적으로 턴온/턴오프되는 펄스 모드(pulse mode)로 동작할 수 있다. 이 경우, 종래에는 연속(continuous wave, CW) 모드에서 일시적으로 동작시켜, 매칭 조건을 찾은 후, 상기 매칭 조건을 펄스 모드에 적용하였다. 그러나, 부하가 시간에 따라 변하는 경우, 이러한 종래기술은 반사파를 완전히 제거할 수 없는 문제점이 있다. 이에 따라, 종래의 CW 모드 매칭 방법은 펄스 매칭을 위하여 펄스 모드 방법에서 변형되거나 새로운 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 펄스 모드에서 안정적으로 동작하는 임피던스 매칭 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 수 Hz 및/또는 듀티 비(duty ratio)가 10퍼센트 이하의 펄스 모드에서도 동작하는 임피던스 매칭 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 펄스 모드에서 안정적으로 동작하는 매칭 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 수 Hz 및/또는 듀티 비(duty ratio)가 10퍼센트 이하의 펄스 모드에서도 동작하는 매칭 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 매칭 방법은 전원, 부하, 전송선 및 매칭 시스템을 포함하는 전기 장치의 매칭 방법에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계, 상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계, 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계, 및 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 매칭 시스템은 상기 펄스 모드에 따라 다르게 제어된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는 상기 전원이 온 상태(on state)인 온 타임(on time) 구간과 상기 전원이 오프 상태(off state)인 오프 타임(off time) 구간을 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 온타임 구간과 오프타임 구간의 판별은 상기 전원의 동작을 제어하는 전원 트리거 신호를 이용하거나 상기 전기적 특성을 이용하여 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는 상기 전원이 i번째 온타임 상태에서 i+1번째 온타임 상태가 되는 시간 사이의 간격으로 정의되는 펄스 주기를 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 펄스 주기에 따라 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여, 상기 매칭 시스템을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는 상기 펄스 주기가 소정의 시간 보다 큰 경우 슬로우 펄스 모드로 판단하고, 상기 펄스주기가 상기 소정의 시간보다 작은 경우 패스트 펄스 모드로 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 전원의 펄스 모드에 따라 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여 상기 매칭 시스템을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 모드가 상기 슬로우 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프 타임 구간에 있는 동안 상기 매칭 시스템을 유휴 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 모드가 상기 패스트 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프 타임 구간에 있는 동안 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원의 오프타임이 임계오프타임(C_OFF_T) 이상 지속되면 상기 제어파라미터를 프리셋 상태로 설정하여 상기 매칭 시스템을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전원의 펄스 모드를 처리하는 단계는 상기 전원의 펄스 모드의 발생 전에 일정 시간의 연속 모드를 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계는 상기 전송선의 노이즈를 제거하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송선의 노이즈를 제거하는 것은 록인 감지(Lock-in detection)을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계는 전송선의 전기적 특성을 규격화된 특성 벡터로 변환하는 단계, 분석좌표계에서 특성 벡터를 분석하여 변위 벡터를 추출하는 단계, 변위 벡터를 환산된 소자 벡터로 변환하는 단계, 및 상기 환산된 소자 벡터를 구동 벡터로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계는 임피던스의 절대값을 특성 임피던스와 비교하여 제어파라미터를 추출하는 단계, 및 임피던스의 위상을 기준값과 비교하여 제어 파라미터를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피턴 스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계는 임피턴스를 이용하여 부하의 임피던스를 계산하는 단계, 상기 부하의 임피던스를 이용하여 제어파라미터를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 매칭 장치는 전원, 부하, 전송선 및 매칭 시스템을 포함하는 전기 장치에 있어서, 상기 전송선의 전기적 특성을 측정하는 센서부, 상기 전기적 특성을 처리하는 측정결과 분석부, 상기 전원에 따라 펄스 모드를 처리하는 펄스 모드 처리부, 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 제어파라미터 추출부, 및 상기 펄스 모드에 따라 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 모드 처리부는 상기 전원이 온 상태(on state)인 온 타임(on time)구간과 상기 전원이 오프 상태(off state)인 오프 타임(off time) 구간을 판별하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 모드 처리부는 펄스의 주기가 소정의 시간보다 큰 경우 슬로우 모드로 판단하고, 상기 펄스의 주가가 소정의 시간보다 작은 경우 패스트 모드로 판단하고, 상기 전원의 펄스 모드에 따라 다르게 제어 파라미터를 설정하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 결과 분석부는 상기 전송선의 전기적 특성에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 매칭 시스템이 RF 전원으로부터 별도의 트리 거 신호(trigger signal)를 입력받지 않아도 자체적으로 입사전력을 측정하여 펄스 모드 및/또는 연속 모드에서 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서 상기 매칭 시스템은 수 Hz 및/또는 듀티 비(duty ratio)가 10퍼센트 이하의 펄스 모드에서도 동작이 가능하다.
본 발명은 펄스 모드의 매칭 방법에 관한 것이다. 이러한 펄스 모드의 매칭 방법은 종래의 모든 CW 모드의 매칭 방법과 결합할 수 있다. 또한 상세한 설명에서 설명할 새로운 CW 모드 매칭과 본 펄스 모드의 매칭 방법은 결합할 수 있다.
전원이 펄스 모드에서 동작하는 경우, 전원이 온 상태인 온타임(ON TIME) 구간의 매칭 시스템의 동작 방법과 상기 RF 전원이 오프 상태인 오프타임(OFF TIME) 구간의 매칭 시스템의 동작 방법을 다르게 한다. 구체적으로, 펄스 모드를 슬로우 펄스 모드(slow pulse mode)와 패스트 펄스 모드(fast pulse mode)로 구분하여 매칭을 수행한다.
즉, 슬로우 펄스 모드(예를 들어 500 Hz 이하)의 경우, 상기 전원의 온타임 구간에만 매칭 네트워크의 가변 소자들의 값이 변경되고, 상기 전원의 오프타임 구간에는 매칭 네트워크의 가변소자들의 값이 변경되지 않는다. 따라서, 상기 오프타임 구간에 상기 매칭 네트워크의 상기 가변소자들의 값이 다음 온타임 구간의 매칭조건에서 심하게 벗어나지 않아 빠른 매칭을 구현할 수 있다.
한편, 패스트 펄스 모드(예를 들어 500 Hz 이상)의 경우, 온타임 구간에 매 칭 네트워크의 가변소자들의 값을 변경시키고, 오프타임 구간에서도 직전 온타임 구간의 정보를 가지고 가변소자들의 값을 계속 변경시킬 수 있다. 펄스 주기가 짧은 경우에 오프타임 구간에서 상기 가변소자들을 유휴 상태로 두면, 잦은 가감속으로 인한 모터의 수명 감소 및 다음 온타임에서의 속도 제어가 빠르게 이루어지지 않을 수 있다. 한편, 본 발명에 따르면, 펄스 주기가 짧은 경우 온타임과 다음 온타임 사이에 매칭 조건이 크게 변동하지 않을 수 있으므로, 오프 타임 구간에도 가변소자들의 값을 계속 변경하여 빠른 매칭을 이룰 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 매칭 시스템을 구비하는 전기 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전기 장치(100)는 부하(101), 상기 부하(101)에 전력을 공급하는 전원(102), 상기 부하(101)와 상기 전원(102) 사이에 배치되는 전송선(103) 및 매칭 시스템(104)을 구비한다. 상기 전원(102)은 상기 전송선(103) 상의 입력단들(N1, N2)에 접속되며, 상기 부하(101)는 상기 전송선(103) 상의 부하단들(N3, N4)에 접속된다. 후술할 전송선의 입력 임피던스는 상기 입력단(N1)에서 측정되는 상기 매칭 시스템(104) 및 상기 부하(101)를 포함하는 시스템의 임피던스를 의미한다. 이때, 상기 부하(101)는 플라즈마 시스템, 핵자기 공명 시스템, 통신 시스템 및 송전선 중의 한가지일 수 있다.
상기 매칭 시스템(104)은 상기 전기 장치(100)의 임피던스 매칭을 위해, 그 리액턴스를 가변적으로 제어할 수 있는 적어도 하나의 가변 리액티브 소자를 구비한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매칭 시스템(104)은, 상기 가변 리액티브 소자에 더하여, 고정된 리액턴스를 제공하는 수동 소자들을 더 포함할 수도 있다. 한편, 상기 매칭 시스템(104)은 초기 상태에 대한 과도한 민감성, 매칭 점 근방에서의 불안정함 및 부하 및 전송선 임피던스에 대한 높은 의존성과 같은 종래 기술의 문제를 극복할 수 있도록 구성된다. 이러한 기술적 효과들은 후술할 본 발명에 따른 임피던스 매칭 방법들을 통해 달성될 수 있으며, 상기 매칭 시스템(104)은 본 발명에 따른 임피던스 매칭 방법의 단계들을 수행하는 처리부(도 27의 200 참조)를 더 포함한다. 상기 처리부(200)는 아래에서 도 27을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 가변 리액티브 소자는 가변적인 커패시턴스를 제공하는 가변 커패시터, 가변적인 인덕턴스를 제공하는 가변 인덕터 및 가변적인 저항을 제공하는 가변 저항 중의 한가지일 수 있다. 상기 가변 리액티브 소자들은 모터에 의하여 구동되거나, 전압을 인가하여 리액티브 소자의 리액턴스가 변할 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 아래에서는, 본 발명의 기술적 특징들은 상기 가변 리액티브 소자로서 가변 커패시터를 사용하는 실시예들에 기초하여 설명될 것이다. 하지만, 이러한 본 발명의 기술적 특징들은 다른 종류의 가변 리액티브 소자를 구비하는 실시예들에서도, 잘 알려진 전자기 이론에 기초하여, 과도한 노력없이 쉽게 변형되어 실시될 수 있음을 자명하다. 이에 더하여, 설명의 간결함을 위해, 아래에서는, 본 발명의 기술적 특징들은 두 개의 가변 리액티브 소자들을 구비하는 실시예들에 기초하여 설명될 것이다. 하지만, 본 발명의 기술적 특징들은 더 많은 수의 가변 리액티브 소자를 구비하는 실시예들 및 상기 수동 소자들이 추가된 실시예들에서도, 잘 알려진 전자기 이론에 기초하여, 과도한 노력없이 쉽게 변형되어 실시될 수 있음은 자명하다. 상기 전원(102)는 CW 모드로 동작하는 것에 한하지 않으며, 펄스 모드로 동작할 수 있다.
[여러 유형의 매칭 시스템들]
한편, 상기 매칭 시스템(104)은 상기 가변 리액티브 소자 또는 상기 수동 소자들이 상기 전송선(103)에 연결되는 방식에 따라, 다양한 유형으로 분류될 수 있다. 예를 들면, 설명의 간결함을 위한 상술한 전제들에 따라 상기 매칭 시스템(104)이 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112)을 갖는다고 하면, 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112)이 상기 전송선(103)에 연결되는 방식에 따라, L-형(L-type), 역 L-형(inverted L-type), T-형(T-type) 및 파이형 (π-type) 등으로 구분될 수 있다.
도 8 내지 도 11은 상기 매칭 시스템(104)의 유형을 예시적으로 보여주는 회로도들이다.
도 8을 참조하면, 상기 L-형의 매칭 시스템에 따르면, 상기 제 1 가변 커패 시터(111)는 상기 전송선(103)의 소정 위치(P)에 연결되고, 상기 제 2 가변 커패시터(112)는 상기 부하(101)와 상기 위치(P) 사이에 배치된다. 도 9를 참조하면, 상기 역 L-형의 매칭 시스템에 따르면, 상기 제 1 가변 커패시터(111)는 상기 전송선(103)의 소정 위치(P)에 연결되고, 상기 제 2 가변 커패시터(112)는 상기 전원(102)과 상기 위치(P) 사이에 배치된다.
도 10을 참조하면, 상기 T-형의 매칭 시스템에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112)은 상기 전송선(103) 상에서 상기 전원(102) 및 상기 부하(101)을 직렬로 연결한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112) 사이의 전송선(103)(즉, 점 P)에는 소정의 수동 소자(예를 들면, 인덕터)(115)가 연결될 수 있다. 도 11을 참조하면, 상기 파이형의 매칭 시스템에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112)은 각각 상기 전송선(103)에 병렬로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들(111, 112) 사이에는 소정의 수동 소자(예를 들면, 인덕터)(115)가 직렬로 연결될 수 있다.
상기 전송선(103)의 점 P에 연결되는 소자들은, 도 8 내지 도 12에 도시된 것처럼, 접지된 또다른 전송선에 연결될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 매칭 시스템은 다양하게 변형된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 12 및 도 13에 도시된 것처럼, 상기 전송선(103)에 병렬 또는 직렬로 연결되는 적어도 하나의 수동 소자를 더 구비할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 L-형의 매칭 시스템은 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼 보조적으로 부가된 수동 소자들(즉, 커패시터(116) 또는 인덕 터(117, 118))을 더 포함할 수 있다.
한편, 도 8 내지 15는 상기 매칭 시스템(104)을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이며, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 매칭 시스템(104)을 구성하는 상기 가변 리액티브 소자들 및 수동 소자들의 종류, 수 및 위치들은 다양하게 변형될 수 있다.
[매칭 방법]
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 이 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법은 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계(S20), 상기 전송선의 측정된 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계(S30) 및 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 전기적 특성은 상기 전송선의 전류, 전압 및 이들 사이의 위상차일 수 있으며, 이들 물리량들은 소정의 센서 장치를 통해 실시간 또는 주기적으로 측정된다. 상기 위상차는 상기 전송선의 전류 및 전압의 측정 결과를 분석함으로써 계산될 수 있다.
한편, 상기 전기적 특성의 측정 단계(S20) 전에, 소정의 매칭 파라미터들이 설정될 수 있다(S10). 상기 매칭 파라미터들은 본 발명에 따른 임피던스 매칭 과정에 사용되는 다양한 파라미터들로서, 보다 구체적으로는 해당 전기 장치와 관련된 물리적/전기적 파라미터들, 상기 측정 단계(S20)를 위한 파라미터들, 상기 제어 파 라미터의 추출 단계(S30)를 위한 파라미터들 및 상기 시스템의 제어 단계(S40)를 위한 파라미터들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 매칭 파라미터들은 다른 단계에서 설정될 수도 있으며, 후술할 것처럼 매칭 파라미터들의 일부는 임피던스 매칭을 수행하는 동안 필요에 따라 변경될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계(S30)는 상기 전송선의 측정된 전기적 특성을 특성 벡터(characteristic vector)로 변환하는 단계(S31), 상기 특성 벡터를 소정의 분석 좌표계(analysis coordinate system)에서 분석함으로써 임피던스 매칭을 위한 변위 벡터를 추출하는 단계(S32) 및 상기 변위 벡터를 시스템 제어 단계(S40)를 위한 제어 파라미터로 변환하는 단계(S33)를 포함한다.
이때, 상기 분석 좌표계는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성을 정량적으로 관계짓는 소정의 위상 공간을 표현하도록 선택된다. 즉, 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성 사이의 정량적 관계는 상기 분석 좌표계를 통해 표현될 수 있다. 상기 변위 벡터는 상기 분석 좌표계에서 상기 특성 벡터가 매칭된 상태에 해당하는 점으로 이동하기 위해 필요한 좌표 변화의 크기를 성분으로 갖는다. 상기 분석 좌표계 및 상기 변위 벡터는 이후 보다 상세하게 설명될 것이다.
[펄스 매칭 방법]
도 29은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 29을 참조하면, 이 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법은 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계(S120), 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계(S130), 상기 전송선의 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계(S150) 및 상기 제어 파라미터를 사용하여 매칭 시스템을 제어하는 단계(S160)를 포함하되, 매칭 시스템은 상기 펄스 모드에 따라 다르게 제어된다.
본 발명에 따르면, 상기 전기적 특성은 상기 전송선의 전류, 전압 및 이들 사이의 위상차일 수 있으며, 이들 물리량들은 소정의 센서 장치를 통해 실시간 또는 주기적으로 측정된다. 상기 위상차는 상기 전송선의 전류 및 전압의 측정 결과를 분석함으로써 계산될 수 있다.
한편, 상기 전기적 특성의 측정 단계(S120) 전에, 소정의 매칭 파라미터들이 설정될 수 있다(S110). 상기 매칭 파라미터들은 본 발명에 따른 임피던스 매칭 과정에 사용되는 다양한 파라미터들로서, 보다 구체적으로는 해당 전기 장치와 관련된 물리적/전기적 파라미터들, 상기 측정 단계(S120)를 위한 파라미터들, 상기 제어 파라미터의 추출 단계(S150)를 위한 파라미터들 및 상기 시스템의 제어 단계(S160)를 위한 파라미터들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 매칭 파라미터들은 다른 단계에서 설정될 수도 있으며, 후술할 것처럼 매칭 파라미터들의 일부는 임피던스 매칭을 수행하는 동안 필요에 따라 변경될 수도 있다.
도 30는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 처리 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 30를 참조하면, 상기 펄스 모드 판단 단계(S130)는 전원이 온 상태인 온 타임 구간과 상기 전원이 오프 상태인 오프타임 구간을 판별하는 단계(S131), 펄스 주기를 판단하는 단계(S132), 및 상기 펄스 주기에 따라 슬로우 펄스 모드와 패스트 펄스 모드로 판단하는 단계(S133)를 포함한다.
상기 온타임 구간과 오프 타임 구간의 판별(S131)은 상기 전원의 동작을 제어하는 전원 트리거 신호를 이용하거나 상기 전기적 특성을 이용하여 판단할 수 있다. 즉, 상기 전기적 특성을 이용하여 입사전력을 계산하여 상기 온타임 구간과 상기 오프타임 구간을 구별할 수 있다. 또는 상기 전원은 펄스 모드로 동작하므로, 상기 전원의 전력과 동기화된 전원 트리거 신호를 입력 받아, 온타임구간을 판별할 수 있다.
상기 펄스 주기는 상기 전원의 i번째 온타임 상태에서 i+1번째 온타임 상태가 되는 시간 사이의 간격으로 정의된다. 상기 펄스 주기에 따라, 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여, 상기 매칭 시스템을 다르게 제어한다. 상기 펄스 주기가 소정의 시간 보다 큰 경우 슬로우 펄스 모드로 판단하고, 상기 펄스 주기가 소정의 시간 보다 작은 경우 패스트 펄스 모드로 판단하고, 상기 전원의 펄스 모드에 따라 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여 상기 매칭 시스템을 다르게 제어한다. 상기 소정의 시간은 1/500 sec 일 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 모드가 상기 슬로우 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프타임 구간에 있는 동안 상기 매칭 시스템을 유휴 상태(idle state)로 만들 수 있다. 상기 유휴 상태는 매칭 시스탬의 가변 리액티브 소자의 값이 변하지 않는 상태일 수 있다. 즉, 상기 가변 리액티브 소자에 연결된 모터가 상기 오프타임 구간 동안은 정지할 수 있다.
상기 펄스 모드가 상기 패스트 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프 타임 구간에 있는 동안 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어할 수 있다. 상기 오프 타임 구간의 상기 제어 파라미터는 상기 온타임 구간에서 사용된 최후의 제어 파라미터일 수 있다. 즉, 상기 오프 타임 구간에서 매칭 시스템의 가변 리액티브 소자의 값은 변할 수 있다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 파라미터를 추출하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 31을 참조하면, 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계(S150)는 상기 전송선의 측정된 전기적 특성을 특성 벡터(characteristic vector)로 변환하는 단계(S151), 상기 특성 벡터를 소정의 분석 좌표계(analysis coordinate system)에서 분석함으로써 임피던스 매칭을 위한 변위 벡터를 추출하는 단계(S152) 및 상기 변위 벡터를 시스템 제어 단계(S160)를 위한 제어 파라미터로 변환하는 단계(S153)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계(S150)는 임피턴스의 절대값(또는 크기)이 소정의 특성 임피턴스(통상 50 오옴) 이상 또는 미만인지 여부에 따라 제어 파라미터를 추출하는 단계 및 상기 임피턴스의 위상이 소정의 값 이상 또는 미만인지 여부에 따라 제어파라미터를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계(S150)는 측정 위치에서 임피던스를 측정하는 계산하는 단계, 측정 위치의 임 피던스와 매칭 시스템의 가변 소자들의 리액턴스를 이용하여 부하의 임피던스를 계산하는 단계, 및 부하의 임피던스를 이용하여 제어 파라미터를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제어파라미터를 추출하는 단계는 반사계수를 이용하여 구할 수 있다. 이러한 상기 제어파라미터를 추출하는 단계는 당업자에게 다양하게 변형될 수 있다.
[특성 벡터의 선택]
본 발명에 일 실시예에 따르면, 상기 특성 벡터는 상기 전송선의 측정된 전기적 특성에 기초하여 정의되되, 규격화된 크기를 갖는 물리량일 수 있다. 이처럼 상기 전송선의 측정된 전기적 특성이 규격화된 물리량에 의해 표현되기 때문에, 아래에서 보다 상세하게 설명될 것처럼, 본 발명에 따른 매칭 방법은 상술한 종래 기술적 문제들을 극복하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 특성 벡터는 상기 전송선의 반사 계수(S11)으로부터 정의될 수 있다. 알려진 것처럼, 상기 전송선의 반사계수(S11)은, 아래의 식 1과 같이, 전송선의 특성 임피던스(Z0) 및 전송선의 입력단의 임피던스(즉, 입력 임피던스)(Z)에 의해 정의되며,
Figure 112007081642079-pat00001
그 크기(즉, S=|S11|)은 0과 1 사이의 한 값일 수 있다. (이때, 상기 전송선의 입력 임피던스(Z)는 상기 입력단(N1, N2)에서 측정되는 상기 매칭 시스템 및 상기 부하를 포함하는 시스템의 임피던스를 나타낸다.)
한편, 상술한 것처럼, 상기 매칭 시스템(104)은 적어도 두 개의 가변 리액티브 소자들을 포함할 수 있다. 이 경우, 각 가변 리액티브 소자들의 리액턴스를 분명하게(explicitly) 결정하기 위해서는, 상기 특성 벡터는 적어도 두 개의 성분들을 포함하는 물리량이어야 한다. 예를 들면, 상기 특성 벡터(Q)는 아래 식 2와 같이 상기 반사 계수의 실수부(Re{S11}) 및 허수부(Im{S11})를 성분으로 갖는 이차원 벡터로 정의될 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00002
[분석 좌표계의 선택]
상술한 것처럼, 상기 분석 좌표계는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성을 정량적으로 관계짓는 소정의 위상 공간을 표현하도록 선택된다. 이를 위해, 상기 분석 좌표계의 좌표는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 관련된 물리량들 중에서 선택되며, 상기 전송선의 전기적 특성은 이렇게 선택된 분 석 좌표계에서의 한 점으로 표현된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분석 좌표계의 좌표(이하, 분석 좌표)는 상기 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자들의 전기적 특성(예를 들면, 리액턴스)의 함수로 표현될 수 있으며, 상기 전송선의 측정된 전기적 특성을 표현하는 상기 특성 벡터는 이러한 분석 좌표계 상의 한 점으로 표현될 수 있다.
한편, 상기 분석 좌표계는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성 사이의 정량적 관계를 단사함수적(injectively)으로 매핑(mapping)하도록 선택되는 것이 바람직하다. (이때, 본 출원에서 사용되는 "단사함수적 매핑(injective mapping)"의 의미는 아래에서 도 17 및 도 18을 참조하여 더 상세하게 정의될 것이다.) 이처럼 단사함수적 매핑을 가능하게 만들기 위해, 상기 분석 좌표는 상기 매칭 시스템의 측정가능한 전기적 특성(예를 들면, 리액턴스)을 소정의 변환 행렬(T)을 이용하여 변환함으로써 얻어지는 물리량들일 수 있다. 예를 들면, 상기 분석 좌표(G)는 아래의 식 3에 의해 표현된 것처럼 소정의 변환 행렬(T)와 소정의 소자 벡터(device vector)(X)의 내적(inner product)을 통해 얻어질 수 있다.
G= TX
이때, 상기 변환 행렬(T) 및 상기 소자 벡터(X)는 상술한 단사함수적 매핑과 관련된 상기 분석 좌표에 대한 기술적 요구를 충족시키도록 선택되는 것이 바람직하며, 이러한 선택은 상기 매칭 시스템의 유형(type)에 의존적이다. 구체적으로, 상기 소 자 벡터(X)는 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자들 각각의 전기적 특성과 관련된 물리량들을 성분으로 가지면서, 상기 매칭 시스템의 유형에 따라 선택될 수 있다. 또한, 상기 변환 행렬(T)은 상기 매칭 시스템의 유형 및 상기 소자 벡터(X)의 물리량에 따라 선택될 수 있다. 결과적으로, 상기 분석 좌표(G) 역시 상기 매칭 시스템의 유형에 따라 선택된다.
보다 구체적으로, 상기 매칭 시스템은 두 개의 가변 리액티브 소자들을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 분석 좌표(G1, G2)는, 아래 식 4에 의해 표현된 것처럼, 상기 가변 리액티브 소자들 각각의 전기적 특성과 관련된 물리량들(X1, X2)과 소정의 2차 정방 행렬(T)의 내적을 통해 얻어질 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 변환 행렬의 요소들(elements)(즉, a11, a12, a21, a22)는 -1 내지 1 사이의 값들 중에서 선택될 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00003
Figure 112007081642079-pat00004
,
한편, 상기 변환 행렬(T)은 다양한 방법을 통해 준비될 수 있다. 예를 들면, 상기 변환 행렬은 이론적 접근을 통한 분석, 컴퓨터를 사용하는 시뮬레이션 분석 및 매칭 과정에 대한 경험적 데이터에 대한 분석 중의 적어도 한가지 분석 방법을 통해 얻어질 수 있다. 이러한 분석은 상기 매칭 시스템의 유형 및 상기 소자 벡터(X)의 물리량에 기초하여 이루어진다. 또한, 상기 변환 행렬(T)의 모양 및 차수(rank)는 상기 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자의 개수에 의해 결정 된다. 즉, 상기 매칭 시스템이 더 많은 수의 가변 리액티브 소자들을 구비하는 경우, 상기 변환 행렬의 모양 및 차수는 증가할 수 있다.
상술한 것처럼, 상기 매칭 시스템은 두 개의 가변 커패시터들을 구비할 수 있으며, 이러한 매칭 시스템은 도 8 및 도 9를 참조하여 각각 설명한 것처럼 L형 또는 역-L형일 수 있다. 이 경우, 상기 변환 행렬(T) 및 상기 소자 벡터(X)는 상기 가변 커패시터들의 커패시턴스의 함수로 표현될 수 있다. 즉, 도 8를 참조하여 설명된 L형의 매칭 시스템의 경우, 상기 소자 벡터(X)는 아래 식 5과 같이 주어질 수 있으며, 도 9를 참조하여 설명된 역-L형의 매칭 시스템인 경우 상기 소자 벡터(X)은 아래 식 6와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00005
Figure 112007081642079-pat00006
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 좌표계 및 이를 이용한 변위 벡터의 추출을 설명하기 위한 다이어그램들이다. 보다 구체적으로, 이 실시예는 두 개의 가변 커패시터들을 갖는 L형의 매칭 시스템에 관한 것이며, 상기 분석 좌표계의 좌표들은 이들 가변 커패시터들의 커패시턴스들을 위 식들 4 및 5를 사용하여 변환한 물리량들이다. 이때, 상기 특성 벡터의 성분(component)은 위 식 2에 서 주어진 것처럼, 상기 전송선의 반사 계수의 실수부 및 허수부로 선택되었다.
도 17은 이러한 분석 좌표계로 매핑된 상기 특성 벡터의 일 성분(즉, 반사 계수의 실수부)을 보여주고, 도 18은 이러한 분석 좌표계로 매핑된 상기 특성 벡터의 다른 성분(즉, 반사 계수의 허수부)을 보여준다. 또한, 도 17 및 도 18의 실선들 각각은 Re{S11}=0 및 Re{S11}=0의 조건을 충족시키는 특성 벡터들의 위치를 보여주는 등고선들(이하, 매칭 선(matching line))이다. 이런 점에서, 매칭된 상태에 해당하는 점(이하, 매칭 점)은 도 17 및 도 18의 실선들이 교차하는 점에 해당하며, 이러한 매칭 점은 도 17 및 도 18에서 각각 작은 사각형으로 도시되었다. 한편, 도면들에서 별표에 해당하는 점은 초기 상태를 나타낸다.
상기 분석 좌표들(G1, G2)은 상기 식 4의 변환을 통해 상술한 분석 좌표계에 관한 기술적 요구를 충족시키도록 준비되었기 때문에, 도 17 및 도 18에서, 상기 매칭 라인 상의 점들은 상기 분석 좌표의 함수로 표현될 수 있다. 즉, 도 17을 참조하면, 소정의 영역에서, 상기 G1 좌표의 임의의 한 값(an arbitrary value of G1 coordinate)은 상기 매칭 라인의 한 점에 대응된다. 유사하게, 도 18을 참조하면, 소정의 영역에서, 상기 G2 좌표의 임의의 한 값은 상기 매칭 라인의 한 점에 대응된다. 상술한 "단사함수적 매핑(injective mapping)"의 용어는 이처럼 하나의 분석 좌표에 하나의 매칭된 점이 대응되는 관계를 의미한다. 이런 점에서, 도 17에 도시된 것처럼, 상기 G1 좌표는 상기 특성 벡터의 일 성분(즉, 반사 계수의 실수부)에 단사함수적으로 매핑되고, 도 18에 도시된 것처럼, 상기 G2 좌표는 상기 특성 벡터 의 다른 성분(즉, 반사 계수의 허수부)에 단사함수적으로 매핑된다.
이러한 단사함수적 매핑에 의해, 본 발명에 따른 매칭 방법은 분석 좌표계의 전 영역에서 유효한 매칭 궤적을 찾는 것을 가능하게 한다. 다시 말해, 도 17 및 도 18에 도시된 것처럼, 이러한 단사함수적 매핑에 의해, 분석 좌표계의 모든 점들에 대해 유효한 매칭 궤적이 발견될 수 있으며, 종래 기술에서의 매칭 실패 영역(도 2의 FR 참조)은 상기 분석 좌표계 내에서는 나타나지 않는다. 즉, (종래 기술에서 나타나는) 매칭 궤적의 방향 결정에서의 모호성은 (본 발명에서와 같이) 분석 좌표계를 이용하는 매칭 궤적의 분석에서는 나타나지 않는다.
[변위 벡터의 결정]
상기 변위 벡터를 결정하는 단계(S32)는 상기 분석 좌표계에서 상기 전송선의 측정된 상태에 해당하는 특성 벡터(이하, 측정된 특성 벡터)의 크기 또는 위치를 분석하는 단계를 포함한다. 앞서 정의된 것처럼, 상기 변위 벡터의 크기는 상기 분석 좌표계에서 상기 측정된 특성 벡터를 상기 매칭 라인으로 이동시키기 위해 요구되는 좌표 이동의 크기를 표현한다. 즉, 상기 변위 벡터의 길이는 상기 측정된 특성 벡터의 위치와 상기 매칭된 점 사이의 거리에 해당한다.
하지만, 실제의 매칭 과정에서는, 측정된 전기적 상태에 대한 정보(즉, 임피던스) 만이 알려지기 때문에, 현재의 측정된 상태가 매칭된 상태인지 아닌지를 판단할 수는 있지만, 대개의 경우 매칭된 점의 위치가 정확히 어디인지는 알 수 없다. 그 결과, 상기 변위 벡터의 방향(즉, 매칭 궤적의 진행 방향)은 결정될 수 있지만, 상기 변위 벡터의 크기는 정확하게 결정되기 어렵다. 이러한 기술적 제약 때문에, 종래 기술에서는, 측정된 임피던스의 크기에 기초하여 가변 커패시터들의 커패시턴스를 결정한다. 하지만, 상기 임피던스는 규격화되지 않은 물리량이기 때문에, 이러한 종래의 방법에서는 커패시턴스의 변화량을 정밀하게 제어하기 어렵다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 변위 벡터의 성분은, 아래 식 7에 의해 주어지는 것처럼, 상기 특성 벡터의 성분들에 의해 정의될 수 있으며, 상기 변위 벡터에 대한 이러한 선택은 상술한 종래의 기술적 문제를 극복하는데 기여한다.
보다 구체적으로, 도 17을 다시 참조하면, 음영(tone of color)을 통해 표현된 각 점들의 크기는 반사 계수의 실수부(Re{S11})의 값을 나타내며, 실선에 의해 표현된 매칭 라인은 Re{S11}=0의 조건을 충족시키는 점들을 나타낸다. 또한, B2의 화살표가 배치된 상기 매칭 라인 아래의 영역(이하, 제 1 영역)은 Re{S11}>0인 영역을 나타내고, B1 및 B3의 화살표들이 배치된 상기 매칭 라인 위쪽의 영역(이하, 제 2 영역)은 Re{S11}<0인 영역을 나타낸다. 마찬가지로, 도 18을 참조하면, 실선에 의해 표현된 매칭 라인은 Im{S11}=0의 조건을 충족시키는 점들을 나타낸다. 또한, B5의 화살표가 배치된 상기 매칭 라인 우측의 영역(이하, 제 3 영역)은 Im{S11}>0인 영역을 나타내고, B4 및 B6의 화살표들이 배치된 상기 매칭 라인 좌측의 영역( 이하, 제 4 영역)은 Im{S11}<0인 영역을 나타낸다.
따라서, 매칭 점으로의 접근을 위해서는, 상기 제 1 영역의 점들의 G2 좌표값은 증가되어야 하고, 상기 제 2 영역의 점들의 G2 좌표값은 감소되어야 하고, 상기 제 3 영역의 점들의 G1 좌표값은 감소되어야 하고, 상기 제 4 영역의 점들의 G1 좌표값은 증가되어야 한다. 예를 들면, 별표로 표현된 초기 상태는 매칭 점으로 접근하기 위해 그 G1 및 G2 좌표값들을 감소시키는 것이 필요하다. 따라서, G1 및 G2 좌표들의 변화량들(dG1, dG2)을 -Im{S11} 및 Re{S11}로 정의한다면, 매칭 점으로의 접근을 위한 상술한 요건들을 충족시킬 수 있다. 즉, 이러한 정의에 의하면, 매칭 점에 도달하기 위하여 현재의 위치에서 Im{S11}은 양의 값을 가지고 있으므로 G1 좌표값을 감소시키기 위하여 Im{S11}에 음의 부호를 곱한다. 한편, 매칭점에 도달하기 위하여 현재의 위치에서 Re{S11}은 음의 값을 가지고 있으므로 G2 좌표값을 감소시키기 위하여 Re{S11}에 양의 부호를 곱한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 사실들에 기초하여, 상기 변위 벡터(dG)의 성분(dG1, dG2)은 아래 식 7과 같이 정의될 수 있다. (하지만, 아래 식 7은 상기 변위 벡터를 정의하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 변위 벡터의 이러한 정의는 매칭 시스템의 유형 및 선택된 분석 좌표계의 종류 등에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다.)
Figure 112007081642079-pat00007
식 1에 따르면, 매칭 점으로 다가갈수록, 상기 전송선의 반사 계수의 크기는 0에 가까워진다. 이때, 상기 변위 벡터(dG)의 성분들과 상기 반사 계수(S11)의 성분들은 위 식 7에 의해 주어지는 정량적 관계를 갖기 때문에, 이 실시예에 따른 매칭 방법은 상기 매칭 점으로 빠르게 수렴하는 궤적을 찾을 수 있도록 만든다. 즉, 본 발명에 따르면, 상기 측정된 특성 벡터의 위치와 매칭 점 사이의 거리가 증가할 경우 상기 반사 계수가 증가하기 때문에, 상기 변위 벡터(dG)의 크기 역시 더불어 증가한다. 이는 매칭 궤적을 짧은 시간 안에 매칭 점 근방으로 이동시키는 것을 가능하게 만든다. 또한, 상기 측정된 특성 벡터의 위치가 매칭 점 근방에 위치하는 경우, 상기 반사 계수가 작기 때문에 상기 변위 벡터(dG) 역시 작은 크기를 갖게 된다. 이는 매칭 점 근방에서 매칭 궤적을 미세하게 제어하는 것을 가능하게 만든다. 이에 따라, 도 4를 참조하여 설명한 매칭 시간의 지연 및 도 6을 참조하여 설명한 출몰의 문제는 예방될 수 있다.
또한, 상술한 것처럼, 상기 G1 및 G2 좌표들은 단사함수적 매핑에 관한 요구를 충족시키도록 변환되었기 때문에, 도 2를 참조하여 설명된 종래 기술에서의 좌표 이동 방향(즉, 매칭 궤적의 진행 방향)의 선택에 관련된 모호성은 본 발명에서는 나타나지 않는다.
[제어 파라미터의 결정]
본 발명에 따르면, 상기 변위 벡터(dG)는 상기 분석 좌표계에서의 분석을 위해, 상기 가변 리액티브 소자의 리액턴스 또는 어드미턴스를 변환한 물리량이다. 따라서, 매칭 시스템의 제어를 위해서는, 상기 변위 벡터를 상기 매칭 시스템을 구성하는 소자들의 전기적 특성의 크기(즉, 상기 가변 리액티브 소자의 리액턴스) 또는 이와 관련된 물리량으로 변환하는 과정이 필요하다. 상술한 상기 변위 벡터(dG)를 제어 파라미터로 변환하는 단계(S33)는 이러한 변환 단계에 해당한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 단계(S33)는 상기 변위 벡터(dG)를 상기 가변 리액티브 소자의 가변적인 물리량의 차원을 갖는 환산된 소자 벡터(dX')(reduced device vector)로 역변환(inverse transformation)하는 단계(S331) 및 상기 환산된 소자 벡터(dX')를 상기 가변 리액티브 소자들의 구동을 제어하는 구동 벡터(V)로 변환하는 단계(S332)를 포함할 수 있다.
상기 분석 좌표(G1, G2)가 상기 식들 3 및 4의 변환 행렬(T)을 통해 얻어진다는 점을 고려할 때, 상기 환산된 소자 벡터(dX')는 아래 식 8 및 식 9에서와 같이 상기 변환 행렬의 역행렬(T-1)과 상기 변위 벡터(dG)의 내적을 통해 구할 수 있다.
dX'=T-1 dG
Figure 112007081642079-pat00008
한편, 상기 매칭 시스템이 상기 가변 리액티브 소자로서 가변 커패시터를 사용하는 L형인 경우, 상기 환산된 소자 벡터(dX')는 위 식 5에 의해 아래 식 10과 같이 쓰여질 수 있고, 역-L형인 경우, 상기 환산된 소자 벡터(dX')는 위 식 6에 의해 아래 식 11과 같이 쓰여질 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00009
Figure 112007081642079-pat00010
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가변 리액티브 소자의 리액턴스는 소정의 구동 모터의 회전에 의해 제어될 수 있다. 이 경우, 상기 구동 벡터(V)는 상기 구동 모터의 수치적 제어(numerical control)를 위한 값들을 성분으로 가질 수 있으며, 그 크기(magnitude) 및 물리적 차원(dimension)은 상기 수치 제어의 방법 및 구동 모터 등의 종류에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 구동 벡터(V)는 아래 식 12과 같이 상기 환산된 소자 벡터(dX')와 소정의 수치 제어 인수(M)의 스칼라 곱(scalar product)으로 주어질 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00011
이때, V1 및 V2는 각각 상기 제 1 및 제 2 가변 커패시터들에 연결된 구동 모터들의 구동을 위해 입력되는 제어 파라미터들을 나타낸다. 또한, 상기 수치 제어 인수(M)은 상기 수치 제어의 기준 크기(예를 들면, 모터의 기준 구동 속력(standard speed of operating motor))일 수 있으며, 상기 환산된 소자 벡터(dX')가 상기 구동 벡터(V)와 같은 차원을 갖도록 선택된다.
한편, 식 5 및 식 6에서의 정의에 의해, 상기 환산된 소자 벡터(dX')는 리액턴스 또는 어드미턴스의 차원을 갖는다. 따라서, 상기 가변 리액티브 소자를 실제로 제어하기 위해서는, 상기 환산 소자 벡터(dX')를 상기 가변 리액티브 소자의 1차적인 물리량(예를 들면, 커패시턴스 또는 인덕턴스)로 변환하는 과정이 더 필요할 수 있다. 즉, 상기 매칭 시스템이 L형인 경우, 위 식 10에 주어진 것처럼, 상기 환산 소자 벡터(dX')는 커패시턴스와 다른 차원을 갖기 때문에, 상기 구동 벡터(V)는 위 식 10을 이용하여 상기 환산된 소자 벡터(dX')를 커패시턴스 차원으로 변환된다. 이 경우, 식 10에 의해 상기 수치 제어 인수(M)은 상기 가변 커패시터들의 현재 커패시턴스들(Ci)의 함수로 표현될 수 있다. 하지만, 상기 매칭 시스템이 역-L형인 경우, 위 식 11에 주어진 것처럼, 상기 환산 소자 벡터(dX')는 커패시턴스와 같은 차원을 갖기 때문에, 이러한 추가적인 변환 과정은 불필요하다.
한편, 위 식들 7 및 9에 따르면, 위 식 12는 아래 식 13과 같이 쓰여질 수 있다. 즉, 이 실시예에 따르면, 상기 매칭 시스템의 제 1 및 제 2 가변 커패시터들의 변 화(즉, 이들에 연결된 구동 모터들의 회전)는 상기 전송선의 반사 계수(더 자세하게는, 이것의 실수부 및 허수부의 크기들)에 의해 결정된다.
Figure 112007081642079-pat00012
상기 매칭 시스템을 제어하는 단계(S40)는 상기 구동 벡터(V)를 이용하여 상기 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자들의 리액턴스를 조절하는 단계를 포함한다.
[매칭 상태 검사]
도 19 및 도 20는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이 실시예는 상기 전기적 특성을 측정(S20)한 후, 상기 매칭 시스템이 허용가능한 매칭 상태에 있는지를 판단하는 매칭 상태 검사(S22)를 실시하는 단계를 더 포함한다. 이러한 매칭 상태 검사(S22)의 단계를 제외하면, 이 실시예는 앞서 설명된 실시예들과 동일하므로, 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 상기 전기적 특성을 측정(S20)하여 상기 전송선의 임피던스를 구한 후(S21), 상기 매칭 시스템이 허용가능한 매칭 상태(allowable matching state)에 있는지를 판단하는 매칭 상태 검사(S22)를 더 실시한다. 이 단계(S22)에서 상기 매칭 시스템이 허용가능한 매칭 상태에 있지 않을 경우, 상기 제어 파라미터 추출의 단계(S30) 및 상기 매칭 시스템 제어의 단계(S40)를 앞선 실시예에서 설명한 방법을 통해 실시한다. 또한, 이 단계(S22)에서 상기 매칭 시스템이 허용가능한 매칭 상태에 있는 경우, 상기 제어 파라미터 추출의 단계(S30) 및 상기 매칭 시스템 제어의 단계(S40)없이 상기 전송선의 전기적 특성을 측정한다. 이러한 매칭 상태 검사(S22)에 의해, 매칭된 상태에 도달한 매칭 시스템이 불필요하게 교란되는 문제는 예방될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매칭 파라미터의 설정값들이 적절한지를 평가하는 단계(S23) 및 (그 평가 결과가 부정적인 경우) 상기 매칭 파라미터들의 일부를 변경하는 단계(S24)를 더 포함할 수 있다. 상기 매칭 파라미터의 적절성 평가 단계(S23)는 상기 전송선의 전기적 특성을 측정하는 단계(S10)에서부터 상기 시스템을 제어하는 단계(S40)에 이르는 한 주기의 과정이 소정의 횟수(n) 동안 반복적으로 실시되었는지를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)는 상기 한 주기의 과정을 소정 회수 동안 반복하였음에도 불구하고 상기 전기 장치(100)이 매칭된 상태에 도달하지 못할 경우 실시된다. 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)에서 변경되는 매칭 파라미터의 종류 및 변경 방법 등에 대해서는 아래에서 다시 설명된다.
[매칭 상태 파라미터]
한편, 본 발명에 따르면, 상기 매칭 상태 검사(S22)는 아래 식 14에 의해 정의된 상태 파라미터(P)(또는 정상파비율(standing-wave ratio, SWR))를 이용하여 실시될 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00013
(이때, S는 상기 전송선의 반사 계수(S11)의 크기(즉, 절대값)를 나타낸다.) 이러한 정의에 따르면, 상기 상태 파라미터(P)는 매칭된 경우(즉, S=0)에는 단위 값(1)을 갖고, 극단적으로 미스매칭된 경우(즉, S=1)에는 무한대의 크기를 갖는다. 이에 더하여, 도 21에 도시된 것처럼, 상기 상태 파라미터(P)의 변화율은 매칭된 상태에 가까운 영역(LR)에서는 작고, 매칭된 상태로부터 먼 영역(HR)에서는 급격하게 증가한다. 즉, 임피던스 그 자체보다는 위 식 14에 의해 정의된 상기 상태 파라미터에 기초하여 매칭 상태를 판단할 경우, 매칭 점 근방에서의 매칭 상태를 더 정밀하게 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매칭 상태 검사(S22)는 앞선 단계의 상태 파라미터(P-)(이하, 전 파라미터) 및 현재 단계의 상태 파라미터(P0)(이하, 현 파라미터)를 상태 파라미터의 허용가능한 최소값(P1)(이하, 최소 수준) 및 최대값(P2)(이하, 최대 수준)과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 아래 표 1 및 도 22를 참조하면, 현 파라미터(P0)가 최소 수준(P1)보다 작은 경우(Case I)는 전 파라미터(P-)에 상관없이 매칭된 상태로 평가된다. 또한, 현 파라미터(P0)가 최소 수준(P1)과 최대 수준(P2) 사이에 있으면서 전 파라미터(P-)가 최소 수준(P1)보다 작은 경우(Case II)는 매칭된 상태로 평가된다. 현 파 라미터(P0)가 최소 수준(P1)과 최대 수준(P2) 사이에 있으면서 전 파라미터(P-)가 최소 수준(P1)보다 큰 경우(Case III)는 미스매칭된 상태로 평가되며, 전체 시스템을 매칭된 상태로 만들기 위해 상기 제어 파라미터 추출(S30) 및 매칭 시스템 제어(S40)의 단계들을 실시한다. 또한, 현 파라미터(P0)가 최대 수준(P2)보다 큰 경우(Case IV)는 전 파라미터(P-)에 상관없이 미스매칭된 상태로 평가되며, 상기 전기 장치(100)을 매칭된 상태로 만들기 위해 상기 제어 파라미터 추출(S30) 및 매칭 시스템 제어(S40)의 단계들을 실시한다.
Figure 112007081642079-pat00014
이처럼, 상태 파라미터의 허용가능한 최소값(P1) 및 최대값(P2)에 기초하여 매칭 상태 검사를 실시할 경우, 불필요한 매칭 상태의 변경을 최소화할 수 있기 때문에, 정밀하면서 효율적인 매칭 특성을 얻을 수 있다.
[회전 행렬]
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 특성 벡터(Q)는, 아래 식 15에 주어진 것처럼, 상기 반사 계수의 실수부(Re{S11}) 및 허수부(Im{S11})를 소정의 회전 행렬(R)로 회전시킨 물리량들로 선택될 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00015
이때, 상기 회전 행렬(R)의 각도(θ)는 -90도 내지 90도 사이의 한 값일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전 행렬의 각도(θ)는 상기 매칭 파라미터의 설정 단계(S10)에서 0도로 설정될 수 있다. 한편, 최초 선택된 각도에 기초하여 수행된 매칭을 통해 상기 전기 장치(100)가 소정 회수 내에 매칭 상태에 도달하지 못하면, 상기 회전 행렬의 각도(θ)는 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)에서 -90도 내지 90도 사이의 한 값으로 변경될 수 있다. 상기 회전 행렬(R)의 각도 변경은 상기 전송선의 길이를 연장하는 효과를 제공하며, 상기 반사 계수의 절대값을 변화시키지 않고 그 위상값 만을 변화시킨다. 이에 따라, 상기 회전 행렬(R)의 각도 변경은 매칭 경로의 진행 방향의 변경 및 이에 따른 매칭 실패의 방지를 위해 선택될 수 있는 매칭 파라미터의 변경 방법이다.
[게인 인수(gain factor)]
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구동 벡터(V)는 아래 식 16에서와 같이 상기 수치 제어 인수(numerical control factor, M), 상기 환산된 소자 벡터(dX') 및 게인 인수(g)의 스칼라 곱으로 주어질 수 있다. 이때, 상기 게인 인수(g)는 아래 식 17에서 정의된 것처럼 기준 게인 인수(standard gain factor)(g0) 및 제 1 게인 인수(g1)의 곱일 수 있다.
V=M·g·dX'
g= g0·g1
상기 기준 게인 인수(g0)는 상기 게인 인수(g)의 기준 크기로서 상수일 수 있다. 또한, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 상기 구동 벡터(V)의 크기가 상기 측정된 특성 벡터에 동적인 관련성(dynamic correlation)을 갖도록 설정된다. 즉, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 상기 측정된 특성 벡터에 의존하는 변수로서, 매칭을 위해 요구되는 상기 분석 좌표계에서의 좌표 이동의 크기(즉, 상기 변위 벡터의 크기)가 클수록 큰 값을 갖도록 정의된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 아래 식 18과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112007081642079-pat00016
이때, 상기 S는 상기 반사 계수의 크기를 나타낸다. 또한, 상기 gmax, gmin, S0 및 m는 상기 매칭 시스템의 물리적/전기적 특성과 같은 환경적인 요인들을 고려하여 결정되는 매칭 파라미터들로서, 상술한 것처럼 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)에서 변경될 수 있다. 구체적으로, gmax 및 gmin는 각각 상기 제 1 게인 인수의 최대값 및 최소값을 나타내고, S0는 제 1 게인 인수의 기준 크기를 나타낸다. 또한, m은 상기 제 1 게인 인수의 크기를 결정짓는 특성 파라미터로서 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)에서 작업자 또는 컴퓨터에 의해 변경될 수 있다. 이에 더하여, 위 수학식 1은 상기 제 1 게인 인수(g1)를 정의하는 방법의 한 예를 설명하는 것일 뿐이며, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 다른 다양한 방법을 통해 정의될 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 인수(특히, 상기 제 1 게인 인수(g1))와 상기 반사 계수의 크기(S) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다. 이 실시예에서, 상기 제 1 게인 인수는 위 식 18에 의해 정의되며, 이 경우, 상기 gmax 및 gmin는 각각 1 및 0.2로 주어졌다.
도 23을 참조하면, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 상기 반사 계수의 크기(S)가 작은 영역(MR)에서 상기 gmin에 가까운 크기를 갖고, 상기 반사 계수의 크기(S)가 큰 영역(UMR)에서 상기 gmax에 가까운 크기를 갖는다. 상기 전기 장치(100)가 매칭된 상태에 가까운 수준(이하, 매칭 수준)은 상기 반사 계수의 크기(S)에 반비례한다. 따 라서, 위 식들 16 내지 18을 참조하면, 도 23와 같이 정의되는 상기 제 1 게인 인수(g1)는 매칭 수준이 낮을 때 상기 구동 벡터(V)의 크기를 증가시키고, 매칭 수준이 높을 때에는 상기 구동 벡터(V)의 크기를 감소시키는데 기여한다. 다시 말해, 상기 제 1 게인 인수(g1)는 상기 매칭 수준이 높을 때(즉, 매칭 점 근방)에는 매칭 궤적을 미세하게 제어하고, 상기 매칭 수준이 낮을 때에는 짧은 시간 내에 매칭 궤적은 매칭 점 근방으로 이동시키는 것을 가능하게 한다. 상기 제 1 게인 인수(g1)에 의한 이러한 효과는 (식 7에 의해 정의되는) 변위 벡터로부터 얻을 수 있는 기술적 효과를 더욱 증대시키는데 기여한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 게인 인수(g)는 아래 식 19에서 정의된 것처럼 상기 기준 게인 인수 (g0) 및 제 2 게인 인수(g2)의 곱 또는 아래 식 20에서 정의된 것처럼 상기 기준 게인 인수 (g0), 상기 제 1 게인 인수(g1) 및 제 2 게인 인수(g2)의 곱 일 수 있다.
g= g0·g2
g= g0·g1·g2
상기 제 2 게인 인수(g2)는 매칭 궤적의 변화가 요구되는 상황에서 매칭 실 패를 예방하기 위한 방법을 제공하도록 정의될 수 있다. 예를 들면, 상기 가변 리액티브 소자들 중의 적어도 하나의 리액턴스 또는 어드미턴스가 구현가능한 극값들(feasible extreme value)에 도달하는 경우, 매칭 실패를 예방하기 위해서는 매칭 궤적을 변화시키는 것이 필요하다. 상기 제 2 게인 인수(g2)는 이러한 매칭 궤적의 변화를 초래하도록 정의될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 게인 인수(g2)는, 아래 식 21에 의해 주어지는 것처럼, 매칭 궤적의 변화가 불필요한 정상적인 경우에는 1이고, 매칭 궤적의 변화가 요구되는 비정상적인 경우에는 -1로 설정될 수 있다.
g2 = +1 (정상적인 경우)
g2 = -1 (비정상적인 경우)
한편, 상기 매칭 궤적이 소정의 조건에 의해 규정된 정도로 변경된 후, 상기 제 2 게인 인수(g2)는 정상적인 매칭 과정을 수행하기 위해 다시 +1로 설정되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제 2 게인 인수(g2)의 복원을 위한 조건은 필요에 따라 다양하게 정의될 수 있다. 예를 들면, 소정의 회수 동안 -1로 정의된 제 2 게인 인수(g2)의 조건 하에서 상술한 매칭 과정을 수행한 후, +1로 정의된 제 2 게인 인수(g2)의 조건 하에서 상술한 정상적인 매칭 과정을 수행할 수 있다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 임피던스 매칭의 결과들을 보 여주는 다이어그램들이다. 상술한 것처럼, 이 실시예들에 따른 임피던스 매칭은 상술한 것처럼 분석 좌표계를 이용하여 수행되었다. 하지만, 종래 기술과의 비교를 위해, 도 24 및 도 25는 이 실시예에 따른 임피던스 매칭 궤적을 도 2에서와 같이 커패시턴스 공간에서 도시한 다이어그램들이다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 이 실시예들에서 초기 상태(도 24의 우측 아래의 별표 및 도 25의 좌측 아래의 별표 참조)는 두 개의 가변 커패시터들이 구현가능한 극값들을 갖는 경우에 해당한다. 이러한 초기 상태들에서 출발할 경우, 종래의 방법에서는 상기 매칭 시스템이 매칭된 상태에 도달할 수 없었다. 하지만, 이러한 취약한 초기 조건에도 불구하고, 도 24 및 도 25에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 매칭 방법은 매칭 시스템을 매칭된 상태로 만들었다. 즉, 본 발명에 따른 매칭 방법은 초기 상태에 대한 감소된 의존성을 제공한다.
특히, 도 25에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 매칭 방법은 처음에 빗나간 매칭 경로가 선택되었을지라도, 우측 아래에 도시된 전환점(T)에서 매칭 궤적의 방향을 바꾸어 매칭된 상태에 도달할 수 있었다. 상술한 매칭 파라미터의 변경(특히, 상기 제 2 게인 인수(g2)의 변경)은 이러한 매칭 궤적의 방향 전환에 기여한다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭의 결과를 보여주는 다이어그램이다.
도 26을 참조하면, 본 발명에 따른 매칭 방법은, 종래 기술에서의 나타나는 나선형 매칭 궤적 또는 출몰 등의 문제없이, 매칭 점 근방에서도 안정적으로 매칭 점에 도달하는 매칭 궤적을 만들었다. 즉, 본 발명에 따름 매칭 방법은 향상한 매칭 수렴성 및 매칭 점 근방에서 향상된 매칭 특성을 제공한다.
[펄스 모드의 매칭 방법]
본 발명의 일 실시예에 따른 매칭 방법은 슬로우 펄스 모드 또는 패스트 펄스 모드로 동작할 수 있다. 상기 슬로우 펄스 모드는 펄스의 주파수가 500 Hz 이하일 수 있고, 상기 패스트 펄스 모드는 펄스의 주파수가 500 Hz 초과일 수 있다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이 실시예는 종래의 CW 모드의 매칭 방법을 본 발명의 펄스 매칭 방법에 적용한 것이다.
이 실시예에서 상기 전기적 특성을 측정한 후, 전원이 펄스 모드로 동작하는 경우 이를 처리하는 펄스 모드 판단 단계를 더 포함한다. 이러한 펄스 모드 처리 단계를 제외하면, 도 16에서 설명한 실시예들과 동일하므로, 중복되는 내용은 생략한다.
도 32를 참조하면, 상기 전기적 특성을 측정하는 단계(120)는 상기 전기적 특성을 측정하기 전에 노이즈 제거 단계(S112), 상기 전송선의 임피턴스을 계산하는 단계(S121) 및 순방향 전력(P_AVG)을 계산하는 단계(S122)을 더 포함할 수 있다. 상기 노이즈 제거는 밴드 패스 필터 또는 록인 감지기(lock-in detector)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 록인 감지기는 전원의 구동 주파수 성분만을 추출할 수 있다. 상기 순방향 전력(또는 입사전력)의 계산(S122)은 상기 전기적 특성(전류, 전압, 위상)을 이용하여 계산할 수 있다. 상기 순방향 전력(P_AVG)을 상기 전기적 특성을 이용하여 계산하는 경우, 상기 순방향 전력이 문턱 전력(P_th) 이상인 경우와 상기 순방향 전력이 문턱 전력 이하인 경우에 따라 파워 트리거 신호(P_TRIG)를 생성할 수 있다. 상기 문턱 전력은 상기 전원의 입사 전력의 수십 퍼센트로 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 매칭 시스템은 전원과 독립적으로 동작할 수 있다.
펄스 모드 판단 단계(130)는 온타임 여부를 검사하는 단계(S131), 펄스 주기을 판단하는 단계(S132) 및 패스트 펄스 모드와 슬로우 펄스 모드를 판단하는 단계(S133)를 포함할 수 있다. 상기 온타임 여부를 검사하는 단계(S131)는 상기 순방향 전력이 문턱 전력 이상이거나 또는 상기 전원 트리거 신호(RF_TRIG)가 하이(high)(즉, on time)인지를 판단한다.
온타임의 경우, 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있는지를 판단하는 매칭 상태 검사(S140)를 수행한다. 상기 매칭 상태 검사(S140) 단계(S140)에서 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있지 않을 경우, 상기 제어 파라미터 추출 단계(S150) 및 상기 매칭 시스템의 제어 단계(S160)를 실시한다. 또한, 매칭 상태 검사 단계(S140)에서 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있는 경우, 상기 제어 파라미터 추출의 단계(S150) 및 상기 매칭 시스템 제어 단계(S160) 없이 상기 노이즈 제거(S112) 및 상기 전송선의 전기적 특성을 측정(S120)한다. 상기 제어 파라미터 추출 단계(S150)는 임피던스의 크기가 특성임피턴스(통상 50 오옴)이상 인지 여부에 따라 제어 파라미터를 추출(S150a)하고, 임피던스의 위상이 0도 이상인지 여부에 따라 제어 파라미터를 추출(S150b)할 수 있다. 상기 제어 파라미터를 추 출하는 단계(S150)은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 펄스 모드 판단하는 단계(S130)은 펄스 주기를 판단하는 단계(S131)를 포함할 수 있다. 상기 펄스 주기는 상기 순방향 전력이 상기 문턱 전력 이상인 경우에 하이를 출력하는 전력 트리거 신호(P_TRIG)를 이용하거나 상기 전원 트리거 신호(RF_TRIG)신호를 이용하여 펄스 주기를 계산할 수 있다. 상기 펄스 주기에 따라 패스트 펄스 모드와 슬로우 펄스 모드로 구분(S133)될 수 있다. 각 펄스 모드에 따라 제어 파라미터를 설정하는 할 수 있다. 상기 제어 파라미터는 오프타임 동안 매칭 시스템 제어에 사용된다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 패스트 펄스 모드와 슬로우 펄스 모드는 외부에서 설정하여 줄 수 있다.
상기 패스트 펄스 모드인 경우, 이전의 온타임 상태의 제어 파라미터를 이용하여 오프타임 동안 매칭 시스템을 구동시킨다. 예를 들면, 상기 제어 파라미터는 상기 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자들의 리액턴스를 제어하는 변수일 수 있다. 상기 제어 파라미터는 상기 가변 리액티브 소자들의 리액턴스를 조절하는 모터 제어 장치의 입력변수일 수 있다. 상기 패스트 펄스 모드의 경우, 오프타임 동안에도 모터를 구동하게 하여 빈번한 구동/정지에 기인한 상기 모터의 내구성 저하를 방지하고 상기 모터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 펄스 주기가 짧음으로 인해 온타임과 다음 온타임의 매칭조건이 크게 벗어나지 않음으로 제어파라미터가 크게 차이 나지 않을 수 있다. 이에 따라, 더 빠른 시간에, 매칭 조건에 도달할 수 있다. 한편, 슬로우 모드인 경우, 상기 매칭 시스템은 유휴 상태(idle state)로 제어된다. 예를 들면, 상기 가변 리액티브 소자의 값이 변하지 않도록 상기 매칭 시스템의 제어 파라미터를 제어한다. 이에 따라, 슬로우 펄스 모드에서, 오프타임 동안 상기 모터가 정지할 수 있다. 이에 따라, 오프 타임 동안, 상기 매칭 시스템의 가변 리액티브 소자의 값은 매칭 점에서 과도하게 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
전원이 임계 오프 시간(critical off time, C_OFF_T) 동안 상기 오프타임 상태에 계속 있었는지 판단(S134)할 수 있다. 상기 임계 오프 시간은 대략 2초로 설정될 수 있다. 상기 오프타임 상태가 상기 임계 오프 시간을 초과이면, 상기 전원은 계속해서 오프된 것으로 취급할 수 있다. 즉, 상기 매칭 시스템은 프리셋(preset) 상태로 이동할 수 있다. 상기 프리셋 상태는 상기 전원이 공급되지 않는 경우의 상기 매칭 시스템의 상태이고, 상기 제어 파라미터를 프리셋 상태로 설정(S135)하고, 이에 따라 상기 매칭 시스템을 제어한다.
도 33는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 위의 실시예와 중복되는 부분의 설명은 생략한다.
온타임의 경우, 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있는지를 판단하는 매칭 상태 검사(S140)를 수행한다. 이 단계(S140)에서 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있지 않을 경우, 상기 제어 파라미터 추출 단계(S150) 및 상기 매칭 시스템의 제어 단계(S160)를 실시한다. 또한, 매칭 상태 검사 단계(S140)에서 상기 매칭 시스템이 허용 가능한 상태에 있는 경우, 상기 제어 파라미터 추출의 단계(S150) 및 상기 매칭 시스템 제어 단계(S160) 없이 상기 노이즈 제거(S112) 및 상기 전송선의 전기적 특성을 측정(S120)한다. 상기 제어 파라미터 추출 단계(S150)는 전송선의 전기적 특성을 규격화된 특성 벡터로 변환하는 단계(151), 분석좌표계에서 특성 벡터를 분석하여 변위벡터를 추출하는 단계(152), 및 상기 변위 벡터를 제어파라미터로 변환하는 단계(S153)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 변위 벡터를 제어파라미터로 변환하는 단계(S153)는 변위 벡터를 환산된 소자 벡터로 변환하는 단계(S1531), 환산된 소자 벡터를 구동벡터로 변환하는 단계(S1532)를 포함할 수 있다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 패스트 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
전송선의 전압(RF_V)은 시간에 따라 주기적으로 온/오프(ON/OFF)된다. 이에 따라, 입사 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 전원이 커지면서 상승하고, 상기 전원이 꺼지면서 하강한다. 상기 입사 전력이 상기 문턱 전력(P_th) 이상이면 전력 트리거 신호(P_TRIG)가 발생된다. 매칭 시스템의 모터를 구동하는 제어 파라미터(CP)는 상기 입사 전력이 상기 문턱 전력(P_th) 이상이면 생성된다. 상기 제어 파라미터(CP)가 모터 구동 시스템에 입력되면 모터가 움직이게 된다. 온타임 동안 상기 제어 파라미터는 매칭 상태에 도달하기 전까지 임피턴스 또는 반사계수에 따라 시간에 변할 수 있다. 오프타임 동안 상기 제어 파라미터는 상기 온타임 상태의 상기 제어 파라미터의 최종값을 계속 유지할 수 있다. 이에 따라, 상기 매칭 시스템의 모터는 계속 움직일 수 있다. 매칭 상태를 검사하여 매칭된 상태(MAT=1)에 도달하면, 상기 제어 파라미터는 리셋된다. 이에 따라, 상기 모터는 정지하게 된다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 패스트 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
전송선의 전압 (RF_V)은 시간에 따라 주기적으로 온/오프(ON/OFF)된다. 이에 따라, 입사 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 전원이 커지면서 상승하고, RF 전원이 꺼지면서 하강한다. 전원은 온/오프(ON/OFF)에 동기된 전원 트리거 신호(RF_TRIG)를 출력한다. 상기 전원 트리거 신호(RF_TRIG)를 이용하여 전원의 펄스 주기 및 온타임 구간/오프타임 구간을 구별한다. 패스트 펄스 모드의 오프타임 동안 제어 파라미터(CP)는 이전의 온타임 상태의 제어 파라미터와 같은 값을 유지한다. 매칭 상태를 검사하여 매칭된 상태(MAT=1)에 도달하면, 상기 제어 파라미터는 리셋된다. 이에 따라, 상기 모터는 정지하게 된다.
도 36는 본 발명의 일 실시예에 따른 패스트 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 36을 참조하면, 전송선의 전압(RF_V)은 시간에 따라 주기적으로 온/오프(ON/OFF)된다. 이에 따라, 입사 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 전원이 커지면서 상승하고, 상기 전원이 꺼지면서 하강한다. 이에 따라, 입력 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 RF 전원이 커지면서 상승하고, RF 전원이 꺼지면서 하강한다. 상기 입사 전력이 문턱 전력(P_th) 이상이면 전력 트리거 신호(P_TRIG)가 발생된다. 제어 파라미터(CP)는 임계 오프 시간(C_OFF_T)이상 오프타임 상태가 지속되면, 상기 전원이 계속 오프 상태에 있는 것으로 취급하여, 제어 파라미터를 프리셋(PRESET) 상태로 설정할 수 있다. 상기 임계 오프 시간(C_OFF_T)는 2초의 범위 일 수 있다.
도 37는 본 발명의 일 실시예에 따른 패스트 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 37을 참조하면, 전송선의 전압(RF_V)는 시간에 따라 주기적으로 온/오프(ON/OFF)되기 전에 연속 모드 지속시간(CW TIME) 동안, 전원이 연속 모드에서 동작할 수 있다. 입사 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 전원이 커지면서 상승하고, 상기 전원이 꺼지면서 하강한다. 상기 입력 전력이 문턱 전력(P_th) 이상이면 전력 트리거 신호(P_TRIG)가 발생된다. 상기 연속 모드 지속시간(CW TIME) 동안, 상기 매칭 시스템은 매칭 상태에 도달하거나 도달하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 연속 모드 지속 시간 동안(CW TIME) 동안 매칭 상태에 도달하지 않은 경우, 펄스 모드 상태에서 제어 파라미터(CP)는 변경될 수 있다. 상기 연속 모드 지속 시간이 경과 후, 펄스 모드로 동작하는 경우, 상술한 패스트 모드 방식에 의하여 매칭 상태(MAT=1)에 도달하면, 상기 제어 파라미터(CP)는 리셋된다. 한편, 매칭 상태(MAT=1)에 도달 후, 시간이 지남에 따라 매칭 상태를 벗어난 경우, 다시 제어 파라미터(CP)는 변경되어 다시 매칭 상태(MAT=1)에 도달할 수 있다. 즉, 매칭 상태에 도달한 후에, 플라즈마의 특성이 변경되어 매칭 상태에서 벗어난 경우에도 다시 매칭 상태에 도달할 수 있다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로우 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 38을 참조하면, 전송선의 전압(RF_V)는 시간에 따라 주기적으로 온/ 오프(ON/OFF)된다. 이에 따라, 입사 전력(또는 순방향 전력, P_AVG)는 전원이 커지면서 상승하고, 상기 전원이 꺼지면서 하강한다. 상기 입력 전력이 문턱 전력(P_th) 이상이면 전력 트리거 신호(P_TRIG)가 발생된다. 매칭 시스템의 모터를 구동하는 제어 파라미터(CP)는 상기 평균 입력 전력이 상기 문턱 전력(P_th) 이상이면 생성된다. 상기 제어 파라미터(CP)가 모터 구동 시스템에 입력되면 모터가 움직이게 된다. 온타임 상태에서 상기 제어 파라미터는 매칭 상태에 도달하기 전까지 임피턴스 또는 반사계수에 따라 시간에 변할 수 있다. 오프타임 상태에서, 상기 제어 파라미터는 리셋된다. 이에 따라, 상기 매칭 시스템의 모터는 정지한다. 한편, 매칭 상태를 검사하여 매칭된 상태(MAT=1)에 도달하면, 상기 제어 파라미터는 리셋된다. 이에 따라, 상기 모터는 정지하게 된다.
[매칭 시스템]
도 27은 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 27은 도 7을 참조하여 설명한 전기 장치(100)의 매칭 시스템을 보다 상세하게 설명하기 위해 제공된다.
도 7 및 도 27을 참조하면, 본 발명에 따른 매칭 시스템(104)는 상술한 매칭의 각 단계들을 수행하는 처리부(processing unit)(200) 및 가변 리액티브 소자들(301, 302)을 포함한다. 상기 매칭 시스템(104)은 전송선(103)의 전기적 특성을 측정하는 센서부(141)를 더 포함할 수도 있다.
상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)은 상기 전기 장치(100)의 임피던스를 매칭시키기 위해 그 리액턴스를 가변적으로 제어할 수 있는 소자일 수 있다. 예를 들면, 가변 커패시터 또는 가변 인덕터가 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)로 사용될 수 있다. 또한, 상술한 것처럼, 상기 매칭 시스템(104)은 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)에 더하여 고정된 리액턴스를 제공하는 수동 소자들을 더 포함할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매칭 시스템(104)은 상기 가변 리액티브 소자로서 가변 커패시터들을 사용하는 (도 8을 참조하여 설명된) L형일 수 있다.
기능적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 측정 결과 분석부(201), 특성 벡터 추출부(202), 변위 벡터 추출부(203) 및 구동 벡터 추출부(204)를 포함할 수 있다. 형식적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 상기 기능적 부분들(201, 202, 203, 204)의 기능들을 수행하도록 제작된 적어도 하나의 칩(chip) 또는 전자 보드(electronic board)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 형식적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 상기 기능적 부분들(201, 202, 203, 204)의 기능들을 수행하도록 준비된 소프트웨어가 설치된(installed) 컴퓨터일 수 있다.
상기 측정 결과 분석부(201)는 상기 센서부(141)에서 측정된 상기 전송선(103)의 전기적 특성을 분석하여, 상기 특성 벡터 추출부(202)의 입력 정보로 사용되는 출력 정보를 생성하도록 구성된다. 상기 측정 결과 분석부(201)의 출력 정보는 상기 전송선(103)의 복소수 임피던스(complex impedance) 및 복소수 반사 계수(complex reflection coefficient)일 수 있다. 상기 센서부(141)에서 측정되는 상기 전송선(103)의 전기적 특성은 상기 전송선(103)의 전류, 전압 및 위상차일 수 있다.
상기 특성 벡터 추출부(202)는 도 16, 도 19 및 도 20을 참조하여 설명된 전송선의 전기적 특성을 규격화된 특성 벡터(Q)로 변환하는 과정(S31)을 처리하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 측정 결과 분석부(201)의 출력 정보는 상기 특성 벡터 추출부(202)의 입력 정보로 사용된다. 또한, 상기 특성 벡터(Q)는 상기 전송선의 전기적 특성과 관련되면서 규격화된 크기를 갖는 적어도 두 개의 독립된 물리량들을 성분으로 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 특성 벡터(Q)는, 위 [특성 벡터의 선택]에서 설명된 것처럼 또한 위 식 2에서 주어진 것처럼, 상기 반사 계수의 실수부(Re{S11}) 및 허수부(Im{S11})를 성분으로 갖는 이차원 벡터로 정의될 수 있다.
상기 변위 벡터 추출부(203)는 도 16, 도 19 및 도 20을 참조하여 설명된 것처럼 소정의 분석 좌표계에서 상기 특성 벡터(Q)를 분석하여 변위 벡터(dG)를 추출하는 과정(S32)을 처리하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 특성 벡터 추출부(202)의 출력 정보는 상기 변위 벡터 추출부(203)의 입력 정보로 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 변위 벡터(dG)는, 위 [변위 벡터의 결정]에서 설명된 것처럼 또한 위 식 7에서 주어진 것처럼, 상기 반사 계수의 허수부(-Im{S11}) 및 실수부(Re{S11})를 성분으로 갖는 이차원 벡터로 정의될 수 있다. 한편, 식 2와 식 7을 비교하면, 상기 특성 벡터(Q)와 상기 변위 벡터(dG)는 그 성분들 위치의 역전을 제외하면 실질적으로 동일하므로, 상기 특성 벡터(Q)와 상기 변위 벡터(dG)는 상기 매칭 과정 및 이를 구현하는 매칭 시스템에서 실질적으로 동일한 하나의 처리 과정 및 하나의 처리 장치를 통해 추출될 수 있다.
상기 구동 벡터 추출부(204)는 도 19 및 도 20을 참조하여 설명된 상기 변위 벡터(dG)를 환산된 소자 벡터(dX')로 변환하는 과정(S331) 및 상기 환산된 소자 벡터(dX')를 구동 벡터(V)로 변환하는 과정(S332)을 처리하도록 구성된다.
상기 변위 벡터(dG)를 환산된 소자 벡터(dX')로 변환하는 과정(S331)은 식 8 및 식 9에서 주어진 것처럼 상기 변위 벡터(dG)를 소정의 행렬(즉, 상기 변환 행렬의 역행렬(T-1))을 이용하여 변환하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 변환 행렬(T)는 소정의 분석 좌표계에서 상기 특성 벡터(Q)를 다룰 수 있는 위상 공간을 제공하기 위해 제공되며, 상기 [분석 좌표계의 선택]에서 설명된 방법에 따라 준비될 수 있다. 즉, 상기 분석 좌표계는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성을 정량적으로 관계짓는 소정의 위상 공간을 표현하도록 선택된다. 이를 위해, 상기 분석 좌표계의 좌표는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 관련된 물리량들 중에서 선택되며, 상기 전송선의 전기적 특성은 이렇게 선택된 분석 좌표계에서의 한 점으로 표현된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분석 좌표계의 좌표(이하, 분석 좌표)는 상기 매칭 시스템을 구성하는 가변 리액티브 소자들의 리액턴스 또는 어드미턴스의 함수로 표현될 수 있으며, 상기 특성 벡터(Q)는 이렇게 준비된 리액턴스 공간 또는 어드미턴스 공간의 한 점으로 표현될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분석 좌표계는 상기 매칭 시스템의 전기적 특성과 상기 전송선의 전기적 특성 사이의 정량적 관계를 단사함수적(injectively)으로 매핑(mapping)하도록 선택된다.
상기 환산된 소자 벡터(dX')를 구동 벡터(V)로 변환하는 과정(S332)은 위 식 12 또는 식 16에 의해 주어진 것처럼 수치 제어 인수(M) 및 상기 환산된 소자 벡터(dX') 및 게인 인수(g)의 스칼라 곱 또는 상기 제어 인수(M), 상기 환산된 소자 벡터(dX') 및 상기 게인 인수(g)의 스칼라 곱으로 주어질 수 있다. 이때, 상기 게인 인수(g)는 위 식들 17, 19 및 20에서 정의된 값일 수 있다.
상기 처리부(200)는 제어부(controller)(205), 입출력 신호 처리부(I/O signal processing unit)(206) 및 데이터 저장소(207)을 더 포함할 수 있다. 상기 입출력 신호 처리기(206)는 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)을 제어하기 위한 수치 제어 신호를 처리하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 입출력 신호 처리기(206)는 일반적으로 사용되는, (RS232C와 같은 직렬 인터페이스 또는 센트로닉스 인터페이스와 같은 병렬 인터페이스를 포함하는) 다양한 입출력 인터페이스들 중의 한가지를 포함할 수 있다. 상기 수치 제어 신호는 상기 구동 벡터(V) 그 자체 또는 이로부터 생성되는 정보를 포함할 수 있다. 상기 데이터 저장소(207)은 상기 수치 제어 신호를 생성하기 위한 상술한 일련의 과정에서 사용되는 매칭 파라미터들 또는 이 과정들에서 생성되는 정보들을 임시적으로 저장한다. 이를 위해, 상기 데이터 저장소(207)는 플래시 메모리와 같은 메모리 반도체 칩 또는 하드 디스크일 수 있다. 상기 제어부(205)는 상기 측정 결과 분석부(201), 상기 특성 벡터 추출부(202), 상기 변위 벡터 추출부(203), 상기 구동 벡터 추출부(204), 상기 입출력 신호 처리부(206) 및 상기 데이터 저장소(207)의 동작을 제어하도록 구성된다. 이에 더하여, 상기 제어부(205)는 이들 사이의 정보 전달 및 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 처리부(200)는 도 19를 참조하여 설명된 상기 매칭 상태 검사의 단계(S22, S23) 및 상기 매칭 파라미터의 변경 단계(S24)를 처리하도록 구성된 적어도 하나의 보조부를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 이 보조부는 상기 매칭 상태 검사를 위한 상태 파라미터의 계산, 상기 매칭 파라미터의 적절성 평가, 상기 회전 행렬의 각도 변경 및 상기 게인 인수들의 변경 등의 과정을 처리하도록 구성될 수 있다.
상기 매칭 시스템(104) 또는 상기 처리부(200)를 구성하는 부분들은 앞서 설명한 본 발명에 따른 매칭 방법들 중의 하나를 구현하도록 구성된다. 하지만, 이러한 구성은 도 27을 참조하여 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 이 실시예로부터 다양하게 변형될 수 있다.
[펄스 매칭 시스템]
도 39은 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 39를 참조하면, 본 발명에 따른 매칭 시스템(104)는 상술한 매칭의 각 단계들을 수행하는 처리부(processing unit)(200) 및 가변 리액티브 소자들(301, 302)을 포함한다. 상기 매칭 시스템(104)은 전송선(103)의 전기적 특성을 측정하는 센서부(141)를 더 포함할 수도 있다. 전원(102)은 펄스 모드로 동작할 수 있다.
상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)은 상기 전기 장치(100)의 임피던스를 매칭시키기 위해 그 리액턴스를 가변적으로 제어할 수 있는 소자일 수 있다. 예를 들면, 가변 커패시터 또는 가변 인덕터가 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)로 사용될 수 있다. 또한, 상술한 것처럼, 상기 매칭 시스템(104)은 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)에 더하여 고정된 리액턴스를 제공하는 수동 소자들을 더 포함할 수도 있다. 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)은 상기 가변 리액터브 소자들의 값을 변경하는 모터와 모터 제어 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 매칭 시스템(104)은 상기 가변 리액티브 소자로서 가변 커패시터들을 사용하는 (도 8을 참조하여 설명된) L형일 수 있다.
기능적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 노이즈 제거부(210), 측정 결과 분석부(201), 펄스 모드 처리부(211), 및 제어 파라미터 추출부(212)를 포함할 수 있다. 형식적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 상기 기능적 부분들(210, 201, 211, 212)의 기능들을 수행하도록 제작된 적어도 하나의 칩(chip) 또는 전자 보드(electronic board)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 형식적인 측면에서, 상기 처리부(200)는 상기 기능적 부분들(210, 201, 211, 212)의 기능들을 수행하도록 준비된 소프트웨어가 설치된(installed) 컴퓨터일 수 있다.
상기 측정 결과 분석부(201)는 상기 센서부(141)에서 측정된 상기 전송선(103)의 전기적 특성을 분석하여, 상기 제어 파라미터 추출부(212)의 입력 정보로 사용되는 출력 정보를 생성하도록 구성된다. 상기 측정 결과 분석부(201)의 출력 정보는 상기 전송선(103)의 복소수 임피던스(complex impedance), 복소수 반사 계수(complex reflection coefficient), 및 입사 전력(P_AVG)일 수 있다. 상기 센서부(141)에서 측정되는 상기 전송선(103)의 전기적 특성은 상기 전송선(103)의 전류, 전압 및 위 상차일 수 있다. 상기 노이즈 제거부(210)는 밴드 패스 필터 또는 록인 감지기(lock-in detector)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 록인 감지기는 전원의 구동 주파수 성분만을 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어 파라미터 추출부(212)는 특성 벡터 추출부, 변위 벡터 추출부, 구동벡터 추출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제어 파라미터 추출부(212)는 도 32에서 설명된 것처럼 임피턴스의 절대값과 위상을 이용하여 제어 파라미터를 추출하는 장치일 수 있다.
상기 처리부(200)는 제어부(controller)(205), 입출력 신호 처리부(I/O signal processing unit)(206) 및 데이터 저장소(207)을 더 포함할 수 있다. 상기 입출력 신호 처리기(206)는 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)을 제어하기 위한 수치 제어 신호를 처리하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 입출력 신호 처리기(206)는 일반적으로 사용되는, (RS232C와 같은 직렬 인터페이스 또는 센트로닉스 인터페이스와 같은 병렬 인터페이스를 포함하는) 다양한 입출력 인터페이스들 중의 한가지를 포함할 수 있다. 상기 수치 제어 신호는 상기 구동 벡터(V) 또는 상기 제어 파라미터 그 자체 또는 이로부터 생성되는 정보를 포함할 수 있다. 상기 데이터 저장소(207)은 상기 수치 제어 신호를 생성하기 위한 상술한 일련의 과정에서 사용되는 매칭 파라미터들 또는 이 과정들에서 생성되는 정보들을 임시적으로 저장한다. 이를 위해, 상기 데이터 저장소(207)는 플래시 메모리와 같은 메모리 반도체 칩 또는 하드 디스크일 수 있다. 상기 제어부(205)는 상기 측정 결과 분석부(201), 상기 펄스모드 처리부(211), 상기 제어파라미터 추출부(212), 상기 입출력 신호 처리부(206) 및 상기 데이터 저장소(207)의 동작을 제어하도록 구성된다. 이에 더하여, 상기 제어부(205)는 이들 사이의 정보 전달 및 상기 가변 리액티브 소자들(301, 302)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 40는 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 40를 참조하면, 본 발명에 따른 매칭 시스템은 하나의 부하(101)에 연결된 적어도 제1 매칭 시스템(104a) 및 제2 매칭 시스템(104b)을 포함할 수 있다. 각 매칭 시스템(104a, 104b)에 연결된 전원의 주파수는 서로 다를 수 있다. 또한 각 전원은 펄스 모드 및 연속 모드 중에서 적어도 하나의 모드로 동작할 수 있다. 각 매칭 시스템은 중복되므로 생략한다.
도 41는 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 41를 참조하면, 본 발명에 따른 매칭 시스템은 제1 부하(101a)에 연결된 적어도 제1 매칭 시스템(104a) 및 제2 부하 (101b)에 연결된 제2 매칭 시스템(104b)을 포함할 수 있다. 각 매칭 시스템(104a, 104b)에 연결된 전원의 주파수는 서로 다를 수 있다. 또한 각 전원은 펄스 모드 및 연속 모드 중에서 적어도 하나의 모드로 동작할 수 있다. 각 매칭 시스템은 중복되므로 생략한다.
[플라즈마 챔버 시스템]
도 7을 참조하여 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 매칭 시스템(104)는 플라즈마 시스템, 핵자기 공명 시스템, 통신 시스템 및 송전선 중의 한가지를 부하(101) 로 갖는 전기 장치(100)의 임피던스 매칭을 위해 사용될 수 있다. 아래에서는, 이러한 다양한 응용 분야들 중, 반도체 장치의 제조 공정에서 사용되는 플라즈마 챔버 장치에 관한 본 발명의 일 실시예를 도 28을 참조하여 설명할 것이다. 하지만, 본 발명에 따른 매칭 시스템을 구비하는 전기 장치는 이러한 예시에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 매칭 시스템은, 상술한 임피던스 매칭 방법 또는 그것의 간단한 변형 방법을 통해, 임피던스 매칭이 요구되는 모든 전기 장치들을 위해 사용될 수 있다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 시스템을 구비하는 플라즈마 챔버 장치를 보여주는 도면이다.
도 7 및 도 28을 참조하면, 이 실시예에 따른 플라즈마 챔버 장치(900)는 반도체기판이 로딩될 수 있는 공간을 제공하는 챔버(901), 상기 챔버(901) 내에서의 플라즈마 생성 및 제어에 기여하는 상부 전극(911) 및 하부 전극(912), 그리고 상기 상부 및 하부 전극들(911, 912) 각각에 전력을 공급하는 상부 전원(921) 및 하부 전원(922)을 포함한다. 상기 상부 전극(911)과 상기 상부 전원(921) 사이에는, 이들을 연결하는 상부 전송선(931)이 배치되고, 상기 하부 전극(912)과 상기 하부 전원(922) 사이에는, 이들을 연결하는 하부 전송선(932)이 배치된다. 상기 상부 및 하부 전송선들(931, 932) 상에는 각각 이들의 전기적 특성을 측정하는 상부 센서부(941) 및 하부 센서부(942)가 배치된다. 이에 더하여, 상기 상부 및 하부 전송선들(931, 932) 상에는 각각 상기 상부 및 하부 전극(911, 912)으로 전송되는 전력들을 최대화시키기 위한 상부 및 하부 매칭 시스템들(951, 952)이 배치된다. 이 에 더하여, 상기 챔버 장치(900)는 상기 센서부들, 상기 매칭 시스템들 및 상기 전원들을 제어하기 위한 제어부(960)를 더 구비할 수 있다.
상기 상부 및 하부 매칭 시스템들(951, 952) 중의 적어도 하나는 상술한 본 발명에 따른 매칭 방법들 중의 한가지를 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 및 하부 매칭 시스템들(951, 952)는 앞서 도 27을 참조하여 설명된 것과 같은 상기 처리부(200)를 구비하는 매칭 시스템(104)일 수 있다.
도 1은 일반적인 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서 나타나는 초기 상태에 대한 과도한 민감성을 설명하기 위한 다이어그램들이다.
도 4은 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서 나타나는 매칭 점 근방에서의 불안정을 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 5는 종래 기술에 따른 임피던스 매칭에서의 부하 임피던스에 대한 높은 의존성을 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 6은 매칭 궤적이 매칭된 점 주변에서 비정상적으로 움직이는, 종래 기술에서의 출몰 문제(haunting issue)를 보여주는 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 매칭 시스템을 구비하는 전기 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 매칭 시스템의 유형을 예시적으로 보여주는 회로도들이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 매칭 시스템의 변형된 유형들을 예시적으로 설명하기 위한 회로도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 분석 좌표계 및 이를 이용한 변위 벡터의 추출을 설명하기 위한 다이어그램들이다.
도 19는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 매칭 상태 검사의 방법을 설명하기 위한 다이어그램들이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 인수의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 24 내지 도 26는 본 발명의 실시예들에 따른 임피던스 매칭의 결과들을 보여주는 다이어그램들이다.
도 27은 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 시스템을 구비하는 플라즈마 챔버 장치를 보여주는 도면이다.
도 29은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 30는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 처리 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 파라미터를 추출하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 33는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 모드 매칭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 34 내지 도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 패스트 또는 슬로우 모드 펄스 매칭 방법을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 39 내지 도 41은 본 발명에 따른 매칭 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (18)

  1. 전원, 부하, 전송선 및 매칭 시스템을 포함하는 전기 장치의 임피던스 매칭 방법에 있어서,
    상기 전송선의 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 단계;
    상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계;
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 단계; 및
    상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 매칭 시스템은 상기 펄스 모드에 따라 다르게 제어되는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는
    상기 전원이 온 상태(on state)인 온 타임(on time) 구간과 상기 전원이 오프 상태(off state)인 오프 타임(off time) 구간을 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온타임 구간과 오프타임 구간의 판별은 상기 전원의 동작을 제어하는 전원 트리거 신호를 이용하거나 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성을 이용하여 판단하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는
    상기 전원이 i번째 온타임 상태에서 i+1번째 온타임 상태가 되는 시간 사이의 간격으로 정의되는 펄스 주기를 판단하는 단계를 더 포함하되,
    상기 펄스 주기에 따라 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여, 상기 매칭 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전원의 펄스 모드를 판단하는 단계는
    상기 펄스 주기가 소정의 시간 보다 큰 경우 슬로우 펄스 모드로 판단하고, 상기 펄스주기가 상기 소정의 시간보다 작은 경우 패스트 펄스 모드로 판단하는 단계를 더 포함하되,
    상기 전원의 펄스 모드에 따라 상기 제어 파라미터를 다르게 설정하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 모드가 상기 슬로우 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프 타임 구간에 있는 동안 상기 매칭 시스템을 유휴 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 모드가 상기 패스트 펄스 모드인 경우, 상기 전원이 오프 타임 구간에 있는 동안 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원의 오프타임이 임계오프타임(C_OFF_T) 이상 지속되면 상기 제어파라미터를 프리셋 상태로 설정하여 상기 매칭 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원의 상기 펄스 모드의 발생 전에 일정 시간의 연속(CW) 모드를 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성을 측정하는 단계는
    상기 전송선의 노이즈를 제거하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전송선의 노이즈를 제거하는 것은 록인 감지(Lock-in detection)을 이용하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계는
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성을 규격화된 특성 벡터로 변환하는 단계;
    분석좌표계에서 상기 특성 벡터를 분석하여 변위 벡터를 추출하는 단계;
    상기 변위 벡터를 환산된 소자 벡터로 변환하는 단계; 및
    상기 환산된 소자 벡터를 구동 벡터로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계는
    임피던스의 절대값을 특성 임피던스와 비교하여 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계; 및
    상기 임피던스의 위상을 기준값과 비교하여 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선의 상기 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 상기 전기적 특성으로부터 임피턴스 매칭을 위한 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계는
    임피턴스를 이용하여 부하의 임피던스를 계산하는 단계; 및
    상기 부하의 임피던스를 이용하여 상기 제어 파라미터를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
  15. 전원, 부하, 전송선 및 매칭 시스템을 포함하는 전기 장치에 있어서,
    상기 전송선의 전류, 전압, 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 센서부;
    상기 전기적 특성을 처리하는 측정결과 분석부;
    상기 전원에 따라 펄스 모드를 처리하는 펄스 모드 처리부;
    상기 전송선의 상기 전기적 특성으로부터 임피던스 매칭을 위한 제어 파라미터를 추출하는 제어파라미터 추출부; 및
    상기 펄스 모드에 따라 상기 제어 파라미터를 사용하여 상기 매칭 시스템 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 펄스 모드 처리부는
    상기 전원이 온 상태(on state)인 온 타임(on time)구간과 상기 전원이 오프 상태(off state)인 오프 타임(off time) 구간을 판별하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 펄스 모드 처리부는
    펄스의 주기가 소정의 시간보다 큰 경우 슬로우 모드로 판단하고, 상기 펄스의 주가가 소정의 시간보다 작은 경우 패스트 모드로 판단하고,
    상기 전원의 펄스 모드에 따라 다르게 제어 파라미터를 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정 결과 분석부는
    상기 전송선의 상기 전기적 특성에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
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