阻抗匹配网络调节方法与流程

1.本技术涉及阻抗匹配网络调节技术领域，特别是涉及一种阻抗匹配网络调节方法。


背景技术：

2.射频电源系统包括射频电源，射频电源是等离子体腔室的配套电源，应用于射频溅镀、pecvd化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域中。在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：
3.等离子体腔室中的非线性负载的阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，故在射频电源和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射功率，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。
4.为解决这种问题，通过对射频电源系统中的阻抗匹配网络进行调节，以使匹配网络的阻抗与等离子体腔室中的非线性负载的阻抗之和等于射频电源的阻抗，从而实现阻抗匹配，达到最大的输出功率。现有技术中，通常采用改变匹配箱中的电容值来实现阻抗匹配，常见的有通过伺服步进电机改变电容两个极板之间的距离，以此来改变电容的值，这种调节方法对伺服步进电机的精度要求极高，而且调节速度不够快。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够加快调节速度的阻抗匹配网络调节方法。
6.一种阻抗匹配网络调节方法，应用于射频电源系统，所述射频电源系统包括射频电源、阻抗匹配网络、阻抗调节网络和负载阻抗，所述阻抗匹配网络分别与所述射频电源、所述阻抗调节网络、所述负载阻抗电性连接，所述阻抗调节网络还与所述负载阻抗电性连接，所述方法包括：
7.所述阻抗调节网络根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络，其中，所述入射信号为所述阻抗匹配网络传递至所述负载阻抗的信号，所述反射信号为所述负载阻抗返回至所述阻抗匹配网络的信号；
8.所述阻抗匹配网络根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗；其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗之和等于所述射频电源的电源阻抗。
9.可选的，所述阻抗调节网络包括定向耦合器、幅相测量芯片和控制模块，所述幅相测量芯片分别与所述定向耦合器、所述控制模块电性连接，所述控制模块与所述阻抗匹配网络电性连接。
10.可选的，所述阻抗调节网络根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络，包括：
11.所述定向耦合器采集所述阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号；
12.所述幅相测量芯片对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果，并在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间存在差异时，根据所述入射信号和所述反射信号生成差异电压，其中，所述差异电压包括幅值差异电压和相角差异电压；
13.所述控制模块根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
14.可选的，所述幅相测量芯片对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果之后，所述方法还包括：
15.所述幅相测量芯片在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间不存在差异时，停止生成所述差异电压；
16.执行所述定向耦合器采集阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号的步骤。
17.可选的，所述控制模块包括主控模组和受控电压源，所述控制模块根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络，包括：
18.所述主控模组根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制信号；
19.所述受控电压源将所述控制信号转换生成相应的所述控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
20.可选的，所述阻抗匹配网络包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的第一端与所述第四支路的第一端电性连接于第一节点，所述第一支路的第二端与所述第二支路的第一端电性连接于第二节点，所述第二支路的第二端与所述第三支路的第一端电性连接于第三节点，所述第三支路的第二端与所述第四支路的第二端电性连接于第四节点，所述第一节点与所述射频电源的第一端电性连接，所述第二节点与所述射频电源的第二端电性连接，所述第三节点与所述定向耦合器电性连接，所述第四节点与所述负载阻抗电性连接。
21.可选的，所述第一支路和所述第三支路为电感支路，所述电感支路包括串联的第一电容和第一电感。
22.可选的，所述第二支路和所述第四支路为电容支路，所述电容支路包括串联的第二电容和第三电容。
23.可选的，所述控制电压包括第一电压和第二电压，所述第一电压和所述第二电压分别对应不同的所述控制信号，所述将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络，包括：
24.所述受控电压源将所述第一电压传输至所述阻抗匹配网络中的电感支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第一电压调节所述电感支路的阻抗；
25.所述受控电压源将所述第二电压传输至所述阻抗匹配网络中的电容支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第二电压调节所述电容支路的阻抗。
26.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
27.阻抗调节网络根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号与反射信号来确定信号传输功率的损耗程度，进而生成至少一个控制电压，并将控制电压发送至阻抗匹配网络进行阻抗调节，通过控制电压来调节阻抗匹配网络的阻抗，无需通过伺服步进电机来改
变阻抗匹配网络的阻抗，缩短了阻抗匹配的流程，从而大大提高了阻抗匹配的速度。
附图说明
28.图1为本技术实施例中射频电源系统的结构框图。
29.图2为本技术实施例中阻抗匹配网络调节方法的流程示意图。
30.图3为本技术实施例中射频电源系统的结构框图。
31.图4为本技术实施例中射频电源系统的结构框图。
32.图5为本技术实施例中射频电源系统的结构框图。
33.图6为本技术实施例中受控电压源的结构框图。
34.图7为本技术实施例中射频电源系统的结构框图。
35.图8为本技术实施例中压控电容的结构框图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.本技术提供的阻抗匹配网络调节方法，可以应用于如图1所示的射频电源系统中。其中，所述射频电源系统包括射频电源110、阻抗匹配网络120、阻抗调节网络130和负载阻抗140，所述阻抗匹配网络120分别与所述射频电源110、所述阻抗调节网络130、所述负载阻抗140电性连接，所述阻抗调节网络130还与所述负载阻抗140电性连接。
38.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种阻抗匹配网络调节方法，以该方法应用于图1中的射频电源系统为例进行说明，包括以下步骤：
39.步骤210，所述阻抗调节网络130根据阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络120。
40.其中，所述入射信号为所述阻抗匹配网络120传递至所述负载阻抗140的信号，所述反射信号为所述负载阻抗140返回至所述阻抗匹配网络120的信号。
41.具体的，根据入射信号和反射信号即可确定阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的信号传输功率的损耗程度，即判断射频电源110产生的功率是否全部传输至负载阻抗140，若入射信号与反射信号相同不存在差异，则表示射频电源110产生的功率全部传输至负载阻抗140了；若入射信号与反射信号之间存在差异，则表示射频电源110产生的功率并未全部传输至负载阻抗140，因此需要调节阻抗匹配网络120的阻抗，则利用入射信号和反射信号生成相应的控制电压，控制电压可以为一个或多个，各个控制电压之间存在关联关系。
42.步骤220，所述阻抗匹配网络120根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗。
43.其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗140之和等于所述射频电源110的电源阻抗。
44.具体的，阻抗匹配网络120是由电容和电感组合而成的网络，控制电压用于调节阻抗匹配网络120中电容的容量和/或电感的电感量，根据调节后的电容量和电感量计算生成
相应的匹配阻抗，通过控制电压直接调节阻抗匹配网络120中的电容量和电感量，无需通过伺服步进电机来改变阻抗匹配网络120的阻抗，从而缩短了阻抗匹配的流程，以提高阻抗匹配的速度，调节后得到的匹配阻抗与负载阻抗140之和等于射频电源110的电源阻抗，使得阻抗调节之后射频电源110产生的功率能够全部传输至负载阻抗140，以降低信号传输功率的损耗。
45.在一个实施例中，如图3所示，所述阻抗调节网络130包括定向耦合器131、幅相测量芯片132和控制模块133，所述幅相测量芯片132分别与所述定向耦合器131、所述控制模块133电性连接，所述控制模块133与所述阻抗匹配网络120电性连接。
46.具体的，定向耦合器131包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器用于采集入射信号，第二耦合器用于采集反射信号，第一耦合器分别与阻抗匹配网络120、负载阻抗140电性连接，第二耦合器分别与阻抗匹配网络120、负载阻抗140电性连接，幅相测量芯片132可以采用任何能同时测量指定频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差的芯片，在本实施例中选用型号为ad8302的芯片作为幅相测量芯片132。
47.在一个实施例中，所述阻抗调节网络130根据阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络120，包括：所述定向耦合器131采集所述阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号；所述幅相测量芯片132对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果，并在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间存在差异时，根据所述入射信号和所述反射信号生成差异电压，其中，所述差异电压包括幅值差异电压和相角差异电压；所述控制模块133根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120。
48.具体的，定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号，如图4所示，定向耦合器将入射信号和反射信号发送至衰减网络134进行衰减处理，从而得到衰减处理后的入射信号和反射信号，衰减网络134再将衰减处理后的入射信号和反射信号发送至幅相测量芯片132进行比对处理，幅相测量芯片132对入射信号和反射信号之间的幅度和相位进行比对，从而得到比对结果，比对结果用于指示入射信号和反射信号之间的幅值差异以及相位差异，在比对结果指示入射信号和反射信号之间存在幅值差异和相位差异时，则根据入射信号和反射信号生成相应的幅值差异电压和相角差异电压，幅值差异电压记为v
mag
，相角差异电压记为v
phs
，幅值差异电压、相角差异电压与入射信号、反射信号之间的关系式如下：
[0049][0050]vphs
＝v
φ
[φ(v
inpa
)-φ(v
inpb
)]
[0051]
其中，v
inpa
为入射信号的幅度，v
inpb
为反射信号的幅度，φ(v
inpa
)为入射信号的相位，φ(v
inpb
)为反射信号的相位，v
lsp
用于指示幅相测量芯片132的输入信号的幅度比变化为1db时其输出电压的改变量，v
φ
用于指示幅相测量芯片132的输入信号的相位变化为1
°
时其输出电压的改变量。
[0052]
幅相测量芯片132将幅值差异电压和相角差异电压发送至主控模块进行处理，从而得到衰减处理后的入射信号和反射信号，控制模块133根据幅值差异电压和相角差异电
压确定阻抗匹配网络120需要调节的阻抗量，进而根据需要调节的阻抗量生成对应的控制电压，控制电压记为v
ctr
，若生成一个控制电压，则根据该控制电压控制阻抗匹配网络120中全部或部分电容的容量，即通过一个控制电压调节阻抗匹配网络120中全部或部分电容的容量，使得根据调节后电容的容量得到阻抗匹配网络120的匹配阻抗，匹配阻抗与负载阻抗140之和等于电源阻抗；若生成两个或两个以上的控制电压，则每个控制电压可以用于调节阻抗匹配网络120中一个或多个电容的容量，使得根据调节后电容的容量得到阻抗匹配网络120的匹配阻抗，令匹配阻抗与负载阻抗140之和等于电源阻抗。
[0053]
在一个实施例中，所述幅相测量芯片132对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果之后，所述方法还包括：所述幅相测量芯片132在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间不存在差异时，停止生成所述差异电压；执行所述定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号的步骤。
[0054]
具体的，若比对结果指示入射信号与反射信号之间不存在幅值差异以及相位差异，则停止根据入射信号与反射信号生成对应的幅值差异电压和相角差异电压，并返回至继续通过定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号的步骤。
[0055]
在一个实施例中，如图5所示，所述控制模块133包括主控模组1331和受控电压源1332，所述控制模块133根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120，包括：所述主控模组1331根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制信号；所述受控电压源1332将所述控制信号转换生成相应的所述控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120。
[0056]
具体的，主控模组1331可以为任意能够实现数据处理的芯片或设备，例如，型号为stm32、msp430、tms的单片机，主控模组1331根据幅值差异电压和相角差异电压计算生成阻抗匹配网络120阻抗调节所需的控制信号，主控模组1331将控制信号发送至受控电压源1332，受控电压源1332将控制信号转成生成相应的控制电压，再将控制电压发送至阻抗匹配网络120中一个或多个待调节的电容，以调节电容的容量。
[0057]
其中，如图6所示，受控电压源1332包括第一电阻r1、第二电阻r2和比较器，以此形成运算放大器的结构，将输入受控电压源1332的控制信号v
ctr
转换为控制电压v1输出至阻抗匹配网络120。
[0058]
在一个实施例中，如图7所示，所述阻抗匹配网络120包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的第一端与所述第四支路的第一端电性连接于第一节点，所述第一支路的第二端与所述第二支路的第一端电性连接于第二节点，所述第二支路的第二端与所述第三支路的第一端电性连接于第三节点，所述第三支路的第二端与所述第四支路的第二端电性连接于第四节点，所述第一节点与所述射频电源110的第一端电性连接，所述第二节点与所述射频电源110的第二端电性连接，所述第三节点与所述定向耦合器131电性连接，所述第四节点与所述负载阻抗140电性连接。
[0059]
具体的，以此方式阻抗匹配网络120采用对称x型匹配网络，相较于传统的π型、l型、γ型网络，对称x型匹配网络中增加了可变电容以及可变电感的数量，在控制信号不变的情况下，扩大了阻抗的调节范围。
[0060]
在一个实施例中，所述第一支路和所述第三支路为电感支路，所述电感支路包括
串联的第一电容和第一电感。
[0061]
具体的，如图7所示，第一支路中的第一电容为c1，第一支路中的第一电感为l1，第一支路中第一电容c1的第一端作为第一支路的第一端，第一支路中第一电容c1的第二端与第一电感l1的第一端电性连接，第一支路中第一电感l1的第二端作为第一支路的第二端。第三支路中的第一电容为c2，第三支路中的第一电感为l2，第三支路中第一电容c2的第一端作为第三支路的第一端，第三支路中第一电容c2的第二端与第一电感l2的第一端电性连接，第三支路中第一电感l2的第二端作为第三支路的第二端。
[0062]
在一个实施例中，所述第二支路和所述第四支路为电容支路，所述电容支路包括串联的第二电容和第三电容。
[0063]
具体的，如图7所示，第二支路中的第二电容为c4，第二支路中的第三电容为c5，第二支路中第二电容c4的第一端作为第二支路的第一端，第二支路中第二电容c4的第二端与第三电容c5的第一端电性连接，第二支路中第三电容c5的第二端作为第二支路的第二端。第四支路中的第二电容为c3，第四支路中的第三电容为c6，第四支路中第二电容c3的第一端作为第四支路的第一端，第四支路中第二电容c3的第二端与第三电容c6的第一端电性连接，第四支路中第三电容c6的第二端作为第四支路的第二端。
[0064]
在一个实施例中，所述控制电压包括第一电压和第二电压，所述第一电压和所述第二电压分别对应不同的所述控制信号，所述将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120，包括：所述受控电压源1332将所述第一电压传输至所述阻抗匹配网络120中的电感支路，令所述阻抗匹配网络120根据所述第一电压调节所述电感支路的阻抗；所述受控电压源1332将所述第二电压传输至所述阻抗匹配网络120中的电容支路，令所述阻抗匹配网络120根据所述第二电压调节所述电容支路的阻抗。
[0065]
具体的，控制电压包括第一电压v
ctr1
和第二电压v
ctr2
，如图7所示，第一电压用于调节第一支路和第三支路的阻抗，以实现对可变电感的电感量调节，第二电压用于调节第二支路和第四支路的阻抗，以实现对可变电容的容量调节，从而得到调节后的匹配阻抗，以实现最佳阻抗匹配关系，最佳阻抗匹配关系如下式：
[0066]zin
＝zs[0067]
考虑到负载阻抗140和阻抗匹配网络120的输入阻抗表达式如下：
[0068][0069]
其中，zs用于指示负载阻抗140，
[0070]
以此通过调节阻抗匹配网络120中的电容和电感来实现最佳阻抗匹配关系。
[0071]
阻抗匹配网络120中的电容均为压控电容，如图8所示，压控电容是由ab和bc两部分并联组成，电容值c是ac两端的电容值，等效成ab的电容值c
ab
和bc的电容值c
bc
相并列，通过改变u
ab
和/或u
bc
来改变电容值c，由于ab和bc采用不同介电常数的电介质构成以及相互并联的关系，电容值c主要是由容量较小的部分所决定，若c
ab
＞c
bc
，则通过改变u
bc
来改变电
容值c；若c
bc
＞c
ab
，则通过改变u
ab
来改变电容值c。
[0072]
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0073]
关于阻抗匹配网络120调节装置的具体限定可以参见上文中对于阻抗匹配网络调节方法的限定，在此不再赘述。上述阻抗匹配网络120调节装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0074]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0075]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。