专利名称：用于生成微波激发的微等离子体的便携式电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及便携式电源装置，并且更具体地，其涉及用于生成微波等离子体的便 携式电源装置，通过使用具有特殊频率的微波生成等离子体、在生成等离子体之后监控从 等离子体生成装置反射的功率、检测改变的阻抗匹配条件并校正频率，该便携式电源装置 能够使从等离子体生成装置反射的功率最小化并改善等离子体生成装置的功耗。
背景技术：
最近，等离子体处理已经被开发用于生物医学领域中的各种应用，例如血液凝 固、消毒、巴氏杀菌、牙齿美白和癌症治疗。为了将等离子体用于生物医学领域中的各种应 用，需要开发可操作以在常压下生成等离子体的等离子体生成装置，而不是在半导体加工 中使用的、在真空室中低压生成等离子体的等离子体生成装置。通常，在常压下生成等离子体所需的功率高于在真空室中低压生成等离子体所需 的功率。图1示出了生成等离子体时气压与点火功率之间的关系的图形。参照图1，可看出，在低压(例如在真空室中可实现的约1托(Torr)的气压)情况 下生成等离子体需要约0.25W的点火功率。相反地，可看出，在高压(例如约760托的大气 压)情况下需要约2. 5W的点火功率生成等离子体。图1的图形说明了根据包含常压的气压情况在等离子体生成装置中生成等离子 体所需的功率的测量结果。特别地，该测量是在没有任何气体流入等离子体生成装置的情 况下进行的。在气体流入等离子体生成装置以生成等离子体射流的情况下，生成等离子体 的功率进一步增加。因此，在传统的常压等离子体生成装置中，在常压的情况下生成等离子体需要更 高的功率。因此，存在电源装置的体积和尺寸太大而难以携带的问题。图2是示出了在微波等离子体生成装置中生成等离子体之前和之后的反射系数 的图形。在下文中，微波等离子体生成装置表示通过将微波用作电源以生成等离子的装置。在图2中，图形(a)示出了在生成等离子体之前，更确切地说，在未加载点火之前， 从微波等离子体生成装置反射的功率，而图形(b)示出了在生成等离子体之后，更确切地 说，在点火之后，从微波等离子体生成装置出反射的功率，其中，等离子体是用IW的功率、 由气压为760托的氩气(Ar)或氦气(He)生成的。参照在生成等离子体之前的图(a)，可理 解到，微波等离子体生成装置被设计为在对应于最小反射系数的频率875MHz时是最优的。然而，还可从示出了生成等离子体之后的反射系数的图(b)中理解到，使用在频 率875MHz时是最优的微波等离子体生成装置在常压下生成等离子体之后，反射系数被改 变。通常，由于常压下的电容的改变，工作频率变为略低于初始频率875MHz，如图(b) 所示。如存在于生成的等离子体中的离子和电子等带电微粒会影响电场，以使等离子体生成装置的电容变得不同于初始设计的值。由于该原因，在微波等离子体生成装置中生成 等离子体之后，初始设计的阻抗匹配被改变。因此，如果在没有任何校正的情况下将微波的初始设计频率提供给微波等离子体生成装置，那么将不能控制由于工作频率的减小导致的反射功率的增加。因此，存在的问题 在于由于不必要的功率消耗而使功率的效率被降低。
发明内容
本发明提供了这样的便携式电源装置，该便携式电源装置能够通过使用微波生成 具有低功率的常压等离子体、在生成等离子体之后监控从等离子体生成装置反射的功率和 根据反射功率的变化校正频率以使从等离子体生成装置反射的功率最小化。本发明还提供 了这样的便携式电源装置，其能够通过安装在印刷电路板或一个芯片上以大大地减小其体 积和重量并改善其便携性。根据本发明的一个方面，提供了一种便携式电源装置，该便携式电源装置用于给 生成微波等离子体的微波等离子体生成装置提供功率，该便携式电源装置包括振荡放大 单元，其具有连接到微波等离子体生成装置的输出级并具有提供放大的微波的振荡器；和 反射功率反馈单元，其一个级被连接到微波等离子体生成装置以接收在生成等离子体时从 微波等离子体生成装置100反射的反射功率作为反馈并测量该反射功率的梯度，并且所述 反射功率反馈单元的另一个级被连接到振荡放大单元以生成开关控制信号并提供该开关 控制信号，该开关控制信号用于将微波的频率调节为适合于改变后的反射功率的频率。
在参照附图详细地描述了本发明的示例性实施方式后，本发明的上述性质和优点 以及其它性质和优点将更加显而易见，其中图1是示出了生成等离子体时压力与点火功率之间的关系的图形；图2是示出了在微波等离子体生成装置生成等离子体之前和之后的反射系数的 图形；图3是示出了根据本发明的用于生成微波等离子体的便携式电源装置的结构的 示意性方框图；图4是示出了根据本发明的用于生成微波等离子体的便携式电源装置的振荡放 大单元的结构的示意性方框图；图5是示出了根据本发明的具有反射功率反馈单元的便携式电源装置的结构的 示意性方框图；和图6是示出了根据本发明的便携式电源装置的结构的示意性方框图，其中反射功 率反馈单元的组件被构造在一个芯片中。
具体实施例方式在下文中，将通过参照附图解释本发明的示例性实施方式对本发明进行详细描 述。图3是示出了根据本发明的用于生成微波等离子体的便携式电源装置的结构的示意性方框图。参照图3，用于生成微波等离子体的便携式电源装置包括振荡放大单元200，其 具有振荡器和输出级，振荡器用于提供具有生成微波等离子体的能量的放大微波，输出级 被连接到微波等离子体生成装置100 ；和反射功率反馈单元300，其具有被连接到微波等离 子体生成装置100以接收从微波等离子体生成装置100反射的反射功率作为反馈的一个 级、以及被连接到振荡放大单元200以生成开关控制信号并将该开关控制信号提供至电源 装置的另一级，所述开关控制信号用于将微波的振荡频率调节为适于在生成等离子体时被 改变的反射系数的频率。
通过使用由振荡放大单元200生成的微波，微波等离子体生成装置100可在常压 下用较低功率生成微波等离子体。微波等离子体生成装置100可由普通的等离子体生成装 置构成。如由本发明人提交的第10-2008-83364号韩国专利申请所公开的，微波等离子体 生成装置100优选地由具有同轴电缆、外部导体、连接器和排放尖端的振荡器构成以改善 其便携性。图4是示出了根据本发明的用于生成微波等离子体的便携式电源装置的振荡放 大单元的结构的示意性方框图。参照图4，振荡放大单元200包括晶体振荡器210、小数分频锁相环(fractional PLL) 220、功率放大器240、驱动放大器230、第一调节器(regulator) 250、第二调节器260和 电池270。除了电池270以外，晶体振荡器210、小数分频PLL 220、功率放大器240和驱动 放大器230都优选地安装在印刷电路板(PCB)上。因此，电源装置的体积可被最小化，从而 能够改善其便携性。晶体振荡器210由包括振荡电路的振荡器构成，用于生成微波以用作生成等离子 体的电源。晶体振荡器210被设计为使频率24MHz的信号振荡。小数分频PLL 220使用分频器接收具有较低参考频率的信号并生成具有较高输 出频率的信号。小数分频PLL 220由小数N分频PLL(fracti0nal-N PLL)构成，与整数分频 方案相比，其在带内噪声、锁定时间和参考频率的杂散效应方面均具有优势。小数分频PLL 220被连接到晶体振荡器210的输出级以接收由振荡电路生成的频率为24MHz的信号。小 数分频PLL 220将该信号变为能量为微波等离子体生成装置100需要的、具有如900MHz或 2. 45GHz等期望频率的信号。功率放大器240接收具有预定频率的信号，即，由小数分频PLL220生成的900MHz 或2. 45GHz的信号，并将该信号放大至约5W，以便将该放大信号提供给微波等离子体生成 装置100。微波等离子体生成装置100生成具有由功率放大器240提供的例如5W或者更低 的低功率的常压等离子体射流(APPJ)。优选地，将用于阻抗匹配的驱动放大器230进一步提供在小数分频PLL 220的输 出级与功率放大器240的输入级之间。此外，优选地，稍后将描述的定向耦合器310被连接 到功率放大器240的输出级以检测由微波等离子体生成装置100反射的反射功率。因此， 优选地，可通过定向耦合器310将微波提供给微波等离子体生成装置100。电池270被构造为具有小体积并且是可重复充电的。此外，优选地，电池270由可 为安装在PCB上的组件提供约IOV或15V电压的可重复充电电池构成。第一调节器250将电池270提供的电压调节为稳定的恒压并且将该恒压提供给晶体振荡器210和小数分频PLL 220。第二调节器260将电池270提供的电压调节为稳定的 恒压并且将该恒压提供给功率放大器240和驱动放大器230。图5是示出了根据本发明的具有反射功率反馈单元的便携式电源装置的结构的 示意性方框图。因为图5所示的电源装置的振荡放大单元与图4所示的振荡放大器是相同 的，因此将只描述反射功率反馈单元。参照图5，反射功率反馈单元300包括定向耦合器310、包络检波器320、梯度计算 器330和数字滤波器340。优选地，定向耦合器310、包络检波器320、梯度计算器330和数 字滤波器340与除了电池270之外的振荡放大单元200 —起被安装在单个PCB上，以使电 源装置的体积最小化。
此外，优选地，振荡放大单元200的小数分频PLL 220和驱动放大器230与反射功 率反馈单元300的包络检波器320、梯度计算器330和数字滤波器340被构造在一个芯片 中，以使电源装置的体积和重量最小化并改善其便携性。定向耦合器310被连接到微波等离子体生成装置100的一个级以测量生成等离子 体之后从微波等离子生成装置100反射的反射功率。因此，定向耦合器310被连接到为微 波等离子体生成装置100提供功率的、振荡放大单元200的功率放大器240的输出级，以使 定向耦合器310能够接收反射功率作为反馈并监控反射功率的变化。包络检波器320被连接到定向耦合器310以将通过定向耦合器310反馈的反射功 率与预定的参考电压(如先前的反射功率)进行比较，以使包络检波器320能够识别反射 功率的变化。梯度计算器330被连接到包络检波器320以计算从微波等离子体生成装置100反 射的反射功率的梯度，以使梯度计算器330能够根据反射功率的梯度计算对应于最低反射 系数的频率。数字滤波器340的一个级连接到梯度计算器330以接收计算的频率。此外，数字 滤波器340的另一个级被连接到振荡放大单元200的小数分频PLL 220以向小数分频PLL 220提供开关控制信号用于调节分频比，从而将提供给微波等离子体生成装置100的微波 频率变为由梯度计算器330根据反射功率的梯度计算出的对应于最低反射系数的频率。按照这种方式，在反射功率反馈单元中，可根据由振荡放大单元生成并被提供给 微波等离子体生成装置的微波的频率对反射功率进行监控，并且可将根据监控的结果检测 到的反射功率的变化直接用于生成振荡频率的频率并进行准确的频率校准。因此，可实现 能够在常压下工作并且能大大地改进微波等离子体生成装置的功耗效率的便携式电源装 置。图6是示出了根据本发明的便携式电源装置的结构的示意性方框图，其组件被构 造在一个芯片中。参照图6，用于生成微波等离子体的便携式电源装置包括振荡放大器，其为微波 等离子体生成装置100提供微波；和反射功率反馈单元300，其被连接到振荡放大单元的输 出级以测量生成等离子体之后反射功率的变化、生成用于将振荡放大单元的频率调节为对 应于最低反射系数的值的开关控制信号、以及将该开关控制信号反馈作为振荡频率以校准 微波的频率。振荡放大单元包括晶体振荡器210、小数分频PLL 220、功率放大器240、混频器280、第一调节器250、第二调节器260和电池270。晶体振荡器、小数分频PLL、功率放大器、 第一调节器、第二调节器和电池均与参照图4和图5所描述的器件相同。混频器280被放 置在小数分频PLL 220的输出级与功率放大器240的输入级之间，从而能够根据外部输入 的控制信号的逻辑状态控制混频器280的操作。振荡放大单元的小数分频PLL 220和混频器280以及反射功率反馈单元300的包 络检波器320、梯度计算器330以及数字滤波器340被构造在一个芯片中，从而可将电源装 置的体积和重量最小化并改善其便携性。此外，可将微控制器和微温度计进一步包含在微波等离子体生成装置100中以根据反射功率的变化控制气流率并调节微波频率。在这种情况下，微温度计测量微波等离子体生成装置100生成的等离子体的实时 温度并将测量值传递给微控制器。微控制器将从微温度计传递的等离子体温度与预定的温 度进行比较，并自动调节电源和气流率以维持恒定的温度值。更具体地说，如果微温度计的测量温度高于预定温度值，那么微控制器将减小或 暂时阻止由振荡放大单元提供给微等离子体生成装置的功率并自动地调节气流率，以使等 离子体的温度能够维持在恒定值。相反地，如果微温度计的测量温度低于预定值，那么微控 制器将增加由振荡放大单元提供给微等离子体生成装置的功率并自动地调节气流率，以使 等离子体的温度能够维持在恒定值。因为微波等离子体生成装置可由这样的电源装置提供功率，该电源装置能够使功 率效率最大化、使其体积和重量最小化以改善其便携性、以及能够在常压下工作，因此能够 将该微波等离子体装置在战场中作为便携式凝血装置使用，以及在如医院等固定场所的作 为固定装置使用。此外，能够提高其作为家庭医疗产品的可用性。因此，自动地监控阻抗匹配条件的改变并且在生成等离子体之后以及在等离子体 生成的初始时刻调节微波频率，以能够连续地给微波等离子体生成装置提供最大功率。因此，与传统电源装置相比，由该微波等离子体生成装置反射的功率能够减少 10%或者更多。此外，因为功耗可被最小化，因此能够通过使用电池大大地改善电源装置的 便携性。虽然已经结合示例性的实施方式示出和描述了本发明，但是本领域相关技术人员 将理解到，在不偏离由附加权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下可进行修改和改变。
权利要求
一种用于为生成微波等离子体的微波等离子体生成装置提供功率的便携式电源装置，其包括振荡放大单元，其具有输出级和振荡器，所述输出级被连接到所述微波等离子体生成装置，所述振荡器用于提供放大的微波；和反射功率反馈单元，其具有的一个级被连接到所述微波等离子体生成装置，以在生成所述等离子体时接收从所述微波等离子体生成装置100反射的反射功率作为反馈并测量所述反射功率的梯度，所述反射功率反馈单元具有的另一个级被连接到所述振荡放大单元，以生成开关控制信号并提供所述开关控制信号，所述开关控制信号用于将所述微波的频率调节为适于改变后的反射功率的频率。
2.根据权利要求1所述的便携式电源装置，其中所述振荡放大单元包括 晶体振荡器，其具有振荡器，所述振荡器包含用于生成所述微波的振荡电路；小数分频PLL，其接收由所述晶体振荡器振荡的信号并生成在小数分频方案中的高频 率信号；功率放大器，其将由所述小数分频PLL生成的所述高频率信号放大至5W并将放大后的 信号提供给所述微波等离子体生成装置；驱动放大器，其被放置在所述小数分频PLL的输出级与所述功率放大器的输入级之间 以匹配阻抗；电池，其提供用于生成所述微波和操作所述电源装置的功率； 第一调节器，其将由所述电池提供的电压调节为稳定的恒定电压并将该恒定电压提供 给所述晶体振荡器和所述小数分频PLL ；和第二调节器，其将由所述电池提供的电压调节为稳定的恒定电压并将该恒定电压提供 给所述功率放大器和所述驱动放大器。
3.根据权利要求2所述的便携式电源装置，其中所述晶体振荡器使频率为24MHz的信 号振荡，并且其中所述小数分频PLL接收所述信号并将所述信号改变为具有所述微波等离子体生 成装置所需的能量的、频率为900MHz或2. 45GHz的信号。
4.根据权利要求3所述的便携式电源装置，其中所述功率放大器被构造为将所述小数 分频PLL输出的所述信号放大至51
5.根据权利要求2所述的便携式电源装置，其中所述晶体振荡器、所述小数分频PLL、 所述功率放大器和所述驱动放大器被安装在印刷电路板上。
6.根据权利要求2所述的便携式电源装置，其中所述反射功率反馈单元包括定向耦合器，其被连接到所述微波等离子体生成装置的一个级以对生成所述等离子体 之后由所述微波等离子体生成装置100反射的反射功率进行测量和监控；包络检波器，其一个级被连接到所述定向耦合器以将由所述定向耦合器测量的所述反 射功率与参考电压进行比较以识别所述反射功率的变化；梯度计算器，其一个级被连接到所述包络检波器以计算所述反射功率的梯度并根据所 述梯度计算对应于所述最低反射系数的频率；和数字滤波器，其一个级被连接到所述梯度计算器以接收计算出的频率值，所述数字滤 波器的另一个级被连接到所述振荡放大单元的所述小数分频PLL以向所述小数分频PLL提供用于调节分频比的开关控制信号，从而将提供给所述微波等离子体生成装置的所述微波 的频率改变为由所述梯度计算器根据所述反射功率的所述梯度计算出的对应于所述最低 反射系数的频率。
7.根据权利要求6所述的便携式电源装置，其中所述定向耦合器、所述包络检波器、所 述梯度计算器和所述数字滤波器与所述振荡放大单元一起被安装在单个PCB上。
8.根据权利要求7所述的便携式电源装置，其中所述小数分频PLL、所述驱动放大器、 所述包络检波器、所述梯度计算器和所述数字滤波器被构造在一个芯片中。
9.根据权利要求1所述的便携式电源装置，其中所述振荡放大单元包括 晶体振荡器，其具有振荡器，所述振荡器包含用于生成所述微波的振荡电路；小数分频PLL，其接收由所述晶体振荡器振荡的信号并生成小数分频方案中的高频率 信号；功率放大器，其将由所述小数分频PLL生成的所述高频率信号放大至5W并将放大后的 信号提供给所述微波等离子体生成装置；混频器，其被放置在所述小数分频PLL的输出级与所述功率放大器的输入级之间，并 且所述混频器的操作根据外部输入的控制信号的逻辑状态受到控制； 电池，其提供用于生成所述微波和操作所述电源装置的功率； 第一调节器，其将由所述电池提供的电压调节为稳定的恒定电压并将该恒定电压提供 给所述晶体振荡器和小数分频PLL ；和第二调节器，其将由所述电池提供的电压调节为稳定的恒定电压并将该恒定电压提供 给所述功率放大器和所述驱动放大器；并且 其中所述反射功率反馈单元包括定向耦合器，其被连接到所述微波等离子体生成装置的一个级以对生成所述等离子体 之后从所述微波等离子体生成装置100反射的反射功率进行测量和监控；包络检波器，其一个级被连接到所述定向耦合器以将由所述定向耦合器测量的所述反 射功率与参考电压进行比较以识别所述反射功率的变化；梯度计算器，其一个级被连接到所述包络检波器以计算所述反射功率的梯度并根据所 述梯度计算对应于最低反射系数的频率；和数字滤波器，其一个级被连接到所述梯度计算器以接收计算出的频率值，并且所述数 字滤波器的另一级被连接到所述振荡放大单元中的所述小数分频PLL，以向所述小数分频 PLL提供用于调节分频比的开关控制信号，从而将提供给所述微波等离子体生成装置的所 述微波的频率改变为对应于由所述梯度计算器根据所述反射功率的所述梯度计算出的所 述最低反射系数的频率。
10.根据权利要求9所述的便携式电源装置，其中所述小数分频PLL、所述混频器、所述 包络检波器、所述梯度计算器和所述数字滤波器被构造在一个芯片中。
11.根据权利要求10所述的便携式电源装置，其进一步包括微温度计，其测量由所述微波等离子体生成装置生成的所述等离子体的温度并将所述 温度传递给所述微控制器，其中所述微控制器将从所述微温度计传递的所述等离子体的所述温度与预定温度值 进行比较并且自动调节所述电源和所述气流率以维持恒定的温度值。
全文摘要
提供了一种用于生成微波等离子体的便携式电源装置，通过使用具有特殊频率的微波生成等离子体、在生成等离子体之后监控从等离子体生成装置反射的功率、检测改变的阻抗匹配条件并校正频率，该便携式电源装置能够使从等离子生成装置反射的功率最小化并能够改善等离子体生成装置的功耗。
文档编号H05H1/46GK101808458SQ20091014641
公开日2010年8月18日 申请日期2009年6月2日 优先权日2009年2月18日
发明者崔峻, 李在九, 沈载润 申请人:浦项工科大学校产学协力团