射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究--《东北大学》2008年硕士论文
射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究
【摘要】：随着射频技术进入镀膜工艺之后,射频匹配也随之成为需要解决的问题。射频电源的功率应尽可能的用于镀膜工艺中,系统的输入功率直接影响到等离子体的浓度和压力,也就直接影响了镀膜的质量,关系到工艺水平的好坏。在一定条件下,镀膜系统负载是随时间发生变化的,这使得阻抗的自动匹配变得更为必要。而国内现在都是以手动匹配为主,射频电源自动阻抗匹配器的发展是一个瓶颈。因此,自动匹配技术的研究有很重要的意义。
本文以真空实验室的射频RF-500型射频等离子体增强CVD镀膜机相配套的射频电源阻抗匹配器RS-500为研究对象,对射频电源的手动阻抗匹配器的原理和设计进行研究,并把传入电表的信号传入计算机中进行自动控制,实现自动匹配。本文以功率检测模块的详尽设计和对系统建立的数学模型进行控制仿真为重点研究内容,结合功能较为完善、技术相对成熟的其他模块如传动模块、信号转换模块等的分析研究,提出了射频电源自动阻抗匹配器较为完善的设计方法,在总体结构设计原理上有一个相对完整的认识。
本文电路的设计是基于匹配原理的,即随着镀膜过程中等离子体阻抗的变化,通过阻抗匹配器来实现整体传输电路的共轭阻抗匹配,使得入射功率始终达到最大,反射功率达到最小,以保证镀膜的质量。等离子体的变化,可以等视为电路中的一个阻抗,匹配器通过调节自身模块中的两个可变电容,来实现整个传输电路的共轭匹配。确定共轭匹配的方法是通过检测入射功率和反射功率,使得入射功率达到最大,反射功率达到最小为宜。功率可由电流、电压和两者之间的相位来表征,即P=U*I*cos￠。在功率检测模块,测量电流的电流互感器选用性能优于传统线圈的Rogowski线圈,测量电压的电压互感器选用电容式电压互感器,由于两者的相位在镀膜过程中固定,因此两者的相位角不变,不用测量。由电流互感器和电压互感器组成的定向耦合装置,是功率检测模块的核心部分。本文着重分析了功率检测模块的电路,提出了合理的设计方案。然后通过对其他各个模块的分析,得出可行性的设计方案。最后对传输电路进行数学模型的建立,并用MATLAB对信号进行PID控制仿真,得出了有效的控制方法。
【关键词】：
【学位授予单位】：东北大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TN86【目录】：
中文摘要5-6ABSTRACT6-10第1章 绪论10-20 1.1 研究背景10-11 1.2 课题的主要研究内容11-12 1.3 阻抗匹配技术的发展与应用12-19
1.3.1 射频电源阻抗匹配器的技术动态12-13
1.3.2 国外匹配器的技术的发展状况13-17
1.3.3 国内匹配器的技术的发展状况17-19 1.4 本文的内容简介19-20第2章 阻抗匹配器的设计20-32 2.1 阻抗匹配技术概述20-26
2.1.1 匹配的原理和分类20-22
2.1.2 Smith圆图设计的介绍22-26 2.2 匹配网络的分类及匹配原理26-29
2.2.1 L型匹配网络27
2.2.2 π型匹配网络27-28
2.2.3 T型匹配网络28-29 2.3 各个模块设计原理29-32第3章 功率检测模块的电路设计和分析32-62 3.1 射频和功率检测电路的设计概要32-35
3.1.1 射频电路的设计32-33
3.1.2 功率计测量原理与技术现状33-34
3.1.3 射频通过式功率计电路的设计概要34-35 3.2 互感器的设计35-44
3.2.1 电流互感器35-40
3.2.2 电压互感器40-44 3.3 功率检测装置44-56
3.3.1 定向耦合器44-50
3.3.2 检波电路50-55
3.3.3 滤波器55-56 3.4 匹配装置涉及的其他参数及部件56-62
3.4.1 自偏压56-57
3.4.2 驻波比SWER57-59
3.4.3 同轴电缆及连接头59-62第4章 匹配器的其他模块的设计和分析62-72 4.1 匹配器的电感62-63 4.2 匹配器的电容63-65 4.3 信号转换模块65-68
4.3.1 A/D转换接口电路65-67
4.3.2 D/A转换接口电路67-68 4.4 传动模块68-69 4.5 计算机算法69-72第5章 PID数学模型的建立72-86 5.1 PID的介绍72-74 5.2 课题被控对象的数学模型的建立74-82
5.2.1 匹配器参数的定性和定量关系分析研究74-75
5.2.2 传递函数的推导75-82 5.3 匹配网络的PID控制82-85
5.3.1 PID算法和MATLAB编程82-84
5.3.2 图形和模型84-85 5.4 小结85-86第6章 结论86-88参考文献88-94致谢94-95硕士期间发表的论文95
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怎样理解阻抗匹配?
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。
我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的(请参看输出阻抗一问)，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U*[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：
P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)
=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]
=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}
对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)*(R-r)/R]，当R=r时，[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U*U/(4*r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共厄匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是&短线&，反射可以不考虑(可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的)。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。
在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配(相等)时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75欧，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50欧的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300欧的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75欧，所以300欧的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300欧到75欧的阻抗转换器(一个塑料包装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大的)?它里面其实就是一个传输线变压器，将300欧的阻抗，变换成75欧的，这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱)，导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。
当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢?第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。
为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：假设你在练习拳击&&打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了&&这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了&&这就是负载过轻的情况。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现&负载不匹配&这样的感觉了。当然，也许这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。
==========================================================================
作者：老杨(武汉)
由于普通的传输线阻抗Z0通常在 50&O左右，而负载阻抗通常在几千欧姆到几十千欧姆。因此，在负载端实现阻抗匹配比较困难。然而，由于信号源端(输出)阻抗通常比较小，大致为十几欧姆。因此在源端实现阻抗匹配要容易的多。如果在负载端并接电阻，电阻会吸收部分信号对传输不利(我的理解).
当选择TTL/CMOS标准 24mA驱动电流时，其输出阻抗大致为13&O。若传输线阻抗Z0=50&O，那么应该加一个33&O的源端匹配电阻。13&O+33&O=46&O (近似于50&O，弱的欠阻尼有助于信号的setup时间)
当选择其他传输标准和驱动电流时，匹配阻抗会有差异。在高速的逻辑和电路设计时，对一些关键的信号，如时钟、控制信号等，我们建议一定要加源端匹配电阻。
这样接了信号还会从负载端反射回来，因为源端阻抗匹配，反射回来的信号不会再反射回去。
==========================================================================
书上说： 当 RL == R0 时 ，RL上可以得到最大功率， 但从电源效率考虑，这时负载RL 的效率只有 50% 呀(R0 效率 占另外的50%对吧) ，在实际的电路设计中时必须做到阻抗匹配吗??要是这样的话那 对电源的利用率不是太小了莫??
我说的对吗
大家的看法是怎样的??
作者 IC921
不同场合的&匹配&要求不一样
如果要求电源使用效率高，阻抗应该尽量小---此处的关键要求是耗电所做出的功。
如果要求发出功率高，如题----此处的关键是负载获得功率要尽量大。
如果是高频传输线，要求不能有反射，则线路阻抗(阻性)和终端阻抗相等(阻性)----此处的关键目标是不能有或尽量减少反射。
如果是放大器，往往要求不影响源---此时特别要求低输入电流(输入阻抗尽量大)
你看看还有什么?提出来大家集中认识一下。我想偏离了上述环境要求，无从谈起&匹配&是何物。
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射频功放阻抗匹配及工作原理
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本帖最后由 sioca 于
22:08 编辑
这个图发了好几遍了，感谢footpppp，guosr等大虾的帮助，通过你们的讲解，我已经进步了很多，现在我已经可以通过DATASHEET的S参数计算输入输出阻抗并且借助SMITH CHART来计算简单匹配网络参数，但是还是没有完全搞透彻，请大家再帮忙看几个问题，谢谢。
注:经过软件帮助，我知道L3大小在77nH左右。
直流工作点：433M&&VDS=6V&&IDQ=180mA
在433M工作频率下S参数 S11: |0.841| -178度， S22:|0.843| -175度。
1.R1的作用应该是输入网络阻抗匹配，但是由于栅极并没有直流通路，那么那R2的作用是什么呢？
2.VDS是6V，DATASHEET写的输入25dBm, 输出37dBm， 那么输出功率经过计算，电压应该比6V大，L3电感是不是有升压作用？
3.书上说简单的输入阻抗匹配网络是L型，一个并联一个串联，我也做了几个例题，L型阻抗匹配理论上可以在SMITH图上转到任何位置（我目前的浅显理解），那么这个图上的输入输出是怎么匹配起来的呢，输入端都是并联原件，在SMITH图上转来转去老是那几个地方。输出就更不好转了，一开始我认为输出端所有的原件都是阻抗匹配作用，我从50欧姆在SMITH CHART上往前推（有专门模拟SMITH图的软件，出错的几率很低），推到功放管输出端，发现和Z0并不相同，我又从功放输出端开始往右推，由于Z0= -0.* - j0.*，这个点在SMITH图上接近0的地方，第一个匹配原件是并联，翻转SMITH图后，发现这个点跑到接近无穷大的地方去了，并联的元器件几乎不旋转了（-_-!）
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R1不是阻抗匹配，它对于50欧姆来说相当于无穷大，是对交流信号形成一个高阻态，而直流偏置电流可以正常的加到栅极，从这个意义上说，它和R2是一样的作用，不同点 ...
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顶一下，尚未解决
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其它，我对那些理论知道，并不是很好，其实你用网络分仪一看，不就什么都知道了吗？
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R1不是阻抗匹配，它对于50欧姆来说相当于无穷大，是对交流信号形成一个高阻态，而直流偏置电流可以正常的加到栅极，从这个意义上说，它和R2是一样的作用，不同点在于R2电阻值较大，其热噪声会比较大，因此两个电阻之间用100p电容旁路，避免热噪声进入栅极。
& & 丙类放大器，充分利用其潜力，漏极的波形幅度应当是电源电压减去饱和压降，估计在5伏左右。匹配网络就是实现高阻/低阻间的变换，不要以为漏极的电压幅度等于负载上的电压幅度。
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多谢guosr，确实是5V左右，但还想请问一个问题，输出阻抗匹配网络是不是L3 C8组成的？如果是的话，两个并联的电抗可以把功率管输出阻抗的电抗部分抵消掉，那么阻抗如何匹配到50欧姆呢？
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L1、L2、L3、C8、C9、C10共同构成输出匹配，具体如何匹配的，随便弄本《高频电路》的教材，看看Pi型匹配和L型匹配的原理。
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S参数不懂？？找本小日本写的高频设计的书（翻译的），看了就懂了
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L3好像不是匹配作用吧，L3起到偏置作用啊。
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顶个先 。。学习。
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狂顶。。。。。。
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请问下怎么通过DATASHEET的S参数计算输入输出阻抗，可以详细说说嘛？或者发到我的邮箱。可以嘛？谢谢
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