微波功率源、微波等离子体装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月18日提交中国专利局、申请号为2020101914439的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

本实用新型涉及等离子体物理技术领域，尤其涉及一种微波功率源、微波等离子体装置。

背景技术：

微波等离子是指通过电磁波传输能量激发气体产生电离形成等离子体，相较于其他方式激励等离子体，微波等离子体具备以下优势：1、较高的电离与分解程度，2、电子温度较高，从而达到较低的等离子温度，3、没有电极，不会产生因为电极损耗产生的污染，4、工作气压范围宽、可应用在多种气体；因此微波等离子技术广泛应用在材料合成、材料分析、表面处理、医疗美容、半导体材料制备等多个工业领域，取得了良好的应用效果。

但是，传统的微波等离子炬至少存在以下几个缺点：

1)难以实现自动点火：根据微波等离子炬的原理，微波功率源的输出频率必须处于炬管的最佳激励响应频带中，传统微波等离子体炬采用磁控管作为微波功率源，磁控管的频率不稳定而且无法控制，难以激励炬管自动点火；

2)无法做到自动点火与自动维持状态的统一：等离子炬炬管在产生等离子体前与成功激励等离子体后，其负载匹配状态差异较大，一旦自动点火成功后，微波功率源需要能够快速跟踪并且适应负载的变化，传统等离子炬的微波功率源无法自动寻优匹配，造成点火后，微波能量耦合效率低，需要手工调节传输匹配；

3)时变调节性较差：在整个微波等离子体炬工作过程中，随着温度、气流、气体的变化，需要实时调节微波功率源至炬炬管的传输匹配达到较好的能量耦合效果，传统的微波等离子炬，较难实现这一点，当工作状态发生变化是会出现中断现象。

上述缺陷也是传统微波等离子炬在实际应用中较难实现规模化产业化的根本原因。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种微波功率源、微波等离子体装置，能够实现自动点火、自动跟踪炬炬管负载状态并实时优化负载匹配，可适用于各类应用的全新的半导体微波功率源以及相应的等离子炬。所述技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种微波功率源，包括：

微波信号发生器，用于根据指令产生相应发射频率的微波信号；

信号调节单元，用于对所述微波信号发生器产生的微波信号的幅度、相位进行调节，并用于加载不同频率与占空比的脉冲信号；

半导体放大单元，用于对所述信号调节单元调节的微波信号进行放大；

信号传输与负载检测单元，用于将所述半导体放大单元放大的微波信号发送至负载，并对发送至所述负载的微波信号以及由负载失配产生的微波反射信号进行检测，得到检测采样信号；

控制单元，用于控制所述微波信号发生器的信号发射频率。

进一步地，所述信号调节单元包括可控衰减器、可控移相器、可控高速射频开关，其中，所述可控衰减器用于接收所述控制单元的控制指令并根据所述控制指令对微波信号进行衰减；所述可控移相器用于接收所述控制单元的控制指令并根据所述控制指令对微波信号的相位进行调节；所述可控高速射频开关用于接收所述控制单元的控制指令并根据所述控制指令对微波信号进行脉冲调制。

进一步地，所述信号传输与负载检测单元包括传输定向耦合器、环形器、反射定向耦合器、传输功率检波模块和反射功率检波模块，其中，所述传输定向耦合器、环形器和反射定向耦合器用于将所述放大的微波信号传输至负载，所述传输功率检波模块用于对传输至负载的微波信号进行耦合取样检波并将得到的第一检波电压信号发送至所述控制单元，所述反射功率检波模块用于对由负载失配产生的微波反射信号进行耦合取样检波并将得到的第二检波电压信号发送至所述控制单元。

进一步地，所述微波信号发生器包括分立设置或集成设置的压控振荡器和锁相环，以实现产生的微波信号在25-3000mhz频率范围内可调。

进一步地，所述负载为等离子体发生装置。

另一方面，本实用新型提供了一种微波等离子体装置，包括等离子体发生装置及如上所述的微波功率源，所述等离子体发生装置接收所述微波功率源的信号传输与负载检测单元传输的微波信号，以在所述等离子体发生装置的管口产生能够击穿气体而产生等离子体的电场。

本实用新型具有以下技术效果：

a.炬全半导体技术，可以对微波信号的频率、功率、相位精确控制；

b.高可靠性的稳定工作减少频繁地点火操作，延长使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的微波等离子体装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的信号调节单元的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的信号传输与负载检测单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种微波功率源，参见图1，所述微波功率源包括：

微波信号发生器，用于根据指令产生相应发射频率的微波信号；

信号调节单元，用于对所述微波信号发生器产生的微波信号的幅度、相位进行调节，并用于加载不同频率与占空比的脉冲信号；

半导体放大单元，用于对所述信号调节单元调节的微波信号进行放大；

信号传输与负载检测单元，用于将所述半导体放大单元放大的微波信号发送至负载，并对发送至所述负载的微波信号以及由负载失配产生的微波反射信号进行检测，得到检测采样信号，具体地，所述负载为等离子体发生装置(以下称等离子炬管)；

控制单元，用于接收并分析所述信号传输与负载检测单元的检测采样信号，以根据分析结果生成第一控制指令和/或第二控制指令，所述第一控制指令用于控制所述微波信号发生器的信号发射频率，所述第二控制指令用于控制所述信号调节单元对微波信号的幅度、相位和/或脉冲调制方式的调节。

图1也同时提供了一种微波等离子体装置，包括等离子体发生装置(等离子炬管)及如上所述的微波功率源，其中微波功率源负责产生适当频率、功率的微波信号并传输至等离子炬炬管，激发等离子体生产并维持等离子体稳定的工作；所述等离子体发生装置接收所述微波功率源的信号传输与负载检测单元传输的微波信号，以在所述等离子体发生装置的管口产生能够击穿气体而产生等离子体的电场。

概括地说，所述微波信号发生器根据控制单元指令产生一个制定频率f的微波信号并传输至信号控制单元，信号调节单元可以对该信号的幅度、相位进行调节，并且可以加载不同频率与占空比的脉冲信号；经过信号控制单元调节的微波信号传输至半导体放大单元放大，并且传输至信号传输与负载检测单元，信号传输与负载检测单元将放大后的微波信号发送至等离子炬炬管，同时可以将对微波发射信号以及炬炬管负载失配产生的微波反射信号进行检测，将检测采样信号传输至控制单元，控制单元对发射信号采样电压以及反射信号采样电压进行计算分析，并根据分析结果控制微波信号发射单元的信号发射频率，同时控制信号控制单元，对信号的幅度、相位、脉冲调制方式进行控制，实现微波等离子炬管的自点火、自维持、以及针对不同电离气体的自动优化。下面对各个单元分别作出详细的说明：

微波信号发生器为可控频率发生器，其可以按照装置控制单元的设定，产生设定要求平路的微波信号，微波信号发生器可以用分立的压控振荡器和锁相环来实现，也可以采用集成的ic来设计，本实施例中采用集成的芯片hmc832来设计，该芯片将压控振荡器和锁相环集成在一起，能够覆盖25mhz～3000mhz的频率范围，可以实现等离子体激发所需的频段，在装置工作过程中，微波信号发生器可以根据装置控制单元的指令，实时调节信号频率。

参见图2，所述信号调节单元由可控衰减器、可控移相器、可控高速射频开关组成，其中可控衰减器可以接受装置控制单元的设定指令，对微波信号发生器产生的微波信号进行衰减、可控移相器可以接受装置控制单元的设定指令对微波信号发生器产生的微波信号的相位进行0～360°的调节；可控高速射频开关可以接受装置控制单元的设定指令，对微波信号发生器产生的微波信号进行脉冲调制；整体来说，信号调节单元可以通过装置控制单元的指令，对微波信号发生器产生的微波信号进行幅度、相位、脉冲调制调节，并且将经过调节的微波信号传输至半导体放大单元。

半导体放大单元由多级半导体放大器组成，可以将用于对经过信号调节后后的微波信号进行信号放大后输出。

参见图3，所述信号传输与负载检测单元由传输定向耦合器、环形器、反射定向耦合器、传输功率检波模块、反射功率检波模块，其中传输定向耦合器、环形器、反射定向耦合器可以将经过放大的微波信号传输至发射端，同时可以将传输的微波信号、输出负载失配产生的反射信号进行耦合取样检波，并且将检波电压传输至装置控制单元进行分析计算。其中从正向功率耦合器耦合的功率经过功率检波器检波后可以得到正向功率检波电压vdf，经过环形器耦合的反向功率经过功率检波器检波后可以得到反向功率检波电压vdr，vdf以及vdr将被传输至装置监控单元，经过电压采样以及计算后可以得到正向功率p_f以及反向功率p_r，单位为dbm，那么同样可以计算出功放工作状态下的输出回波损耗rl＝p_r-p_f，单位为db，rl越小，功放输出的微波能量反射越小，负载吸收能量越高，rl越高，表示反射微波能量越大，负载吸收能量越低。

装置控制单元由微处理器实现，装置控制单元可以对微波信号发生器、信号调节单元、半导体功放单元、以及微波传输和负载检测单元进行控制，可以对输出微波信号的频率调节、功率调节；各种参数的提取，包括模块温度的监测、正向功率的提取、反向功率的提取；回波损耗的计算、告警机制的建立，包括过温度告警、正向功率告警、反向功率告警、负载驻波比告警等。

等离子炬炬管是等离子体的产生部件，当微波功率源将微波能量传输至等离子炬炬管，在炬炬管开口产生一定场强的电场，可以击穿炬炬管内管喷出的气体，产生等离子体。等离子炬炬管在点火成功前，和点火成功后，其输入端的频率响应有较大差异，这是难以激励炬炬管自动点火、难以自动调节传输匹配的痛点，导致等离子炬管的工作过程中总是会出现中断现象。

本实用新型可以实现等离子炬炬管点火前，通过负载检测，找到点火最佳频点，发射微波能量产生等离子体，并且在等离子体产生后，炬炬管匹配频率发生大幅度变化后，自动跟踪匹配频率，优化微波信号发射频率，达到最佳的点火维持效果，同时在炬炬管工作条件发生变化时，保持自动优化状态，维持微波功率的最佳耦合状态，让等离子炬管的工作始终保持稳定，具体实施方式如下：

本实用新型实施例中微波等离子体装置的工作过程如下：

s401、启动微波等离子体装置的微波功率源；

s402、启动点火频率寻优程序，找到最小回波损耗对应的微波发生器发射频率，将该发射频率作为点火频点；

s403、启动等离子点火流程，包括在点火频点处调节所述微波发生器的发射功率，直至回波损耗变化值达到预设的回波损耗突变阈值，则判定为点火成功；

s404、启动自调谐流程，扫描查找所述微波发生器的调谐频率；

s405、对所述微波等离子体装置进行失配监测，若监测到微波功率源的实时回波损耗值大于预设的告警损耗阈值，则发出提示信息和/或返回执行步骤s402-s405。

步骤s402中的点火频率寻优程序具体如下：首先预先设置一个扫描频率范围(该频率范围可以根据静态下炬炬管的输入回波拟定)，以及一个频率步进和扫描功率。可以在小功率下对扫描频率范围按照频率步进全频段扫描，计算并且记录每个频点的回波损耗rl＝p_r-p_f，选取rl最低的频点记录为点火频率点。具体步骤如下：

s101、微波功率源的微波信号发生器根据初始发射频率指令产生微波信号；

s102、所述微波功率源的信号传输与负载检测单元将经过放大处理的微波信号传输至等离子体发生装置，并对传输至等离子体发生装置的微波信号进行耦合取样检波以得到第一检波电压信号，以及对由等离子体发生装置失配产生的微波反射信号进行耦合取样检波以得到第二检波电压信号；

s103、对当前的第一检波电压信号和第二检波电压信号进行电压采样，计算微波功率源对应的回波损耗值；

s104、调节对所述微波信号发生器发出的发射频率指令，并重复执行s01和s103，直至对所述微波信号发生器的发射频率范围扫描完毕；

s105、从扫描过程中的多个回波损耗值中查找最小回波损耗，并确定最小回波损耗对应的发射频率，将该发射频率作为点火频点。

进一步地，步骤s103中计算微波功率源对应的回波损耗值的工作流程如下：

根据第一检波电压信号及发射信号采样电压，所述微波功率源的控制单元计算得到正向功率；根据第二检波电压信号及反射信号采样电压，所述控制单元计算得到反向功率；所述回波损耗值通过以下公式计算得到：

rl＝p_r-p_f，其中，rl为回波损耗，p_r为反向功率，p_f为正向功率。

s403中的等离子点火流程具体如下：当搜索到等离子炬点火频率后，微波功率源发射信号，等离子激发需要足够的电场场强激发，产生等离子体，当电场足够电离气体产生等离子体后，等离子体将在炬口形成一个负载，改变了炬炬管的输出匹配，其具体表现为点火前，微波功率源的输出回波损耗较好，而在点火成功后，输出负载变化，匹配频点变化，导致点火频率下输出回波损耗瞬间恶化，通过判断这个瞬间变化状态，判定点火是否成功，等离子自动点火流程可以设定一个功率增加步进，以及反射损耗突变阈值，每次增加功率后的反射损耗rl’与增加功率前的反射损耗的差值结果超过阈值，及判断为反射损耗产生突变，点火成功。具体步骤如下：

s501、所述微波信号发生器根据当前的发射功率指令产生微波信号；

s502、所述控制单元计算所述微波信号发生器当前发射功率所对应的微波功率源的回波损耗以及回波损耗变化值；

s503、将所述回波损耗变化值与预设的回波损耗突变阈值作比较，若所述回波损耗变化值小于回波损耗突变阈值，则增加对所述微波信号发生器发出的发射功率指令中的功率值，并重复执行s501-s503，否则执行s504；

s504、判定点火成功，并记录当前微波信号发生器的发射功率作为点火功率。

在点火成功后，微波功率源的输出频率与工作状态下的等离子炬的最佳功率频点不匹配，需要自调谐至最佳频率点，本实用新型实施例设计自调谐流程使微波功率源可以自调谐至微波等离子炬的最佳工作状态，即微波功率源的输出最佳匹配状态，保持等离子炬的工作稳定。本实用新型还提供了两种微波等离子体装置的自调谐工作流程，以使在微波等离子装置点火后调谐至稳定工作状态。

第一种自调谐工作流程的具体步骤如下：

s201、计算微波功率源的微波信号发生器在初始发射频率所对应的微波功率源的初始回波损耗值；

s202、分别降低和升高所述微波信号发生器的发射频率，并分别计算降低发射频率状态下的第一回波损耗值及升高发射频率状态下的第二回波损耗值；

s203、比较初始回波损耗值、第一回波损耗值、第二回波损耗值的大小，以判定频率收敛趋势，若所述频率收敛趋势为频率向下收敛趋势，则执行s204，若所述频率收敛趋势为频率向上收敛趋势，则执行s205；

s204、逐步降低所述微波信号发生器的发射频率，直至找到回波损耗最小值，并将其对应的发射频率作为所述微波信号发生器的调谐频率；

s205、逐步提高所述微波信号发生器的发射频率，直至找到回波损耗最小值，并将其对应的发射频率作为所述微波信号发生器的调谐频率。

进一步地，步骤s203包括：

若所述第一回波损耗值小于初始回波损耗值且小于第二回波损耗值，则判定所述频率收敛趋势为频率向下收敛趋势；

若所述第二回波损耗值小于初始回波损耗值且小于第一回波损耗值，则判定所述频率收敛趋势为频率向上收敛趋势；

若所述初始回波损耗值小于第一回波损耗值且小于第二回波损耗值，则降低步骤s202中发射频率的调节幅值，并返回执行步骤s202和s203。

第二种自调谐工作流程的具体步骤如下：

s301、计算微波功率源的微波信号发生器在初始发射频率所对应的微波功率源的初始回波损耗值；

s302、向第一方向调节(比如调小)所述微波信号发生器的发射频率，并计算调节发射频率后的第一回波损耗值；

s303、比较初始回波损耗值和第一回波损耗值的大小，若所述第一回波损耗值小于初始回波损耗值，则执行s304，否则执行s305-s306；

s304、继续沿所述第一方向调节所述微波信号发生器的发射频率，直至找到回波损耗最小值，并将其对应的发射频率作为所述微波信号发生器的调谐频率；

s305、沿与第一方向相反的第二方向调节(对应为调大)所述微波信号发生器的发射频率，并计算调节发射频率后的第二回波损耗值；

s306、比较初始回波损耗值和第二回波损耗值的大小，若所述第二回波损耗值小于初始回波损耗值，则执行s307，否则执行s308；

s307、继续沿所述第二方向调节所述微波信号发生器的发射频率，直至找到回波损耗最小值，并将其对应的发射频率作为所述微波信号发生器的调谐频率；

s308、降低发射频率的调节幅值，返回执行s302-s306。

需要说明的是，需要执行s308时，则说明往第一方向和第二方向调节发射频率后的回波损耗值均大于初始回波损耗值，则说明无法判断回波损耗的收敛趋势，这时候，需要调小发射频率的调节幅值(调节步进)。显然，这里的发射频率的调节幅值需要设定一个最小值，避免自协调流程无线循环；若经过若干次循环，调节幅值达到设定的最小值，依然无法判断回波损耗的收敛趋势，则将所述初始回波损耗值作为所述微波信号发生器的调谐频率。

以上两种自调谐工作流程的思想是相同的，即以初始频率为基准，左右试探回波损耗最小时候的微波信号发生器的调谐频率。需要说明的是，步骤s302中第一方向也可以是先调大，则步骤s305中第二方向对应为调小。每次调节的幅值称为调节步进，调节步进最小，则找到回波损耗最小值的精度就越高，调节步进可以人为设置。

如上所述，根据所述发射频率获取所对应的微波功率源的回波损耗值的工作流程如下：

微波功率源的微波信号发生器根据初始发射频率指令产生微波信号；

所述微波功率源的信号传输与负载检测单元将经过放大处理的微波信号传输至等离子体发生装置，并对传输至等离子体发生装置的微波信号进行耦合取样检波以得到第一检波电压信号(即正向功率检波电压vdf)，以及对由等离子体发生装置失配产生的微波反射信号进行耦合取样检波以得到第二检波电压信号(即反向功率检波电压vdr)；

vdf以及vdr将被传输至装置监控单元，对当前的第一检波电压信号和第二检波电压信号进行电压采样，根据第一检波电压信号及发射信号采样电压，所述微波功率源的控制单元计算得到正向功率p_f；根据第二检波电压信号及反射信号采样电压，所述控制单元计算得到反向功率p_r，根据采样的幅度电压计算正向功率/反向功率为常规工作流程；所述回波损耗值通过以下公式计算得到：

rl＝p_r-p_f，其中，rl为回波损耗，p_r为反向功率，p_f为正向功率。

此外，当等离子炬的工作状态发生变化时，例如气体变化、流量变化、温度变化，都有可能使等离子炬中断点火，此时等离子炬将处于失配状态，即微波功率源的输出回波损耗突变致较高的值，本实用新型实施例中，步骤s105中设置一个告警门限rl＝a，当微波功率源的实时rl’＞a时，判断为点火中断告警，等离子炬的工作流程将重新回到自动点火频点搜索流程，重启自动点火及自调谐程序。

上述本实用新型实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。