專利名稱：降低對電纜長度的敏感性的射頻功率發生器的控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于射頻(RF)功率發生器的控制器，特別是涉及降低對電纜長度的敏感性的射頻功率發生器的控制器。
背景技術：
許多射頻功率發生器都含有控制器，用以調節射頻輸出功率，同時防止由于負載不匹配、過高的供電電壓以及過高的工作溫度而導致的放大器損壞。這些控制器還能夠在一個或多個功率器件發生失效之后，使故障最小化。圖1示出了一個典型的射頻(RF)功率發生器10，它包括一個功率模塊11以及一個控制器12。功率模塊11接收來自射頻激勵器14的信號，對信號進行放大，并將信號送往負載16。功率模塊11包括一個驅動器18以及一個末級放大器20。功率模塊11通過電纜24接收直流功率，電纜24連接到具有接地回路的較遠距離處的電池26。電纜24具有基本上為分布式的阻抗。控制器12包括一個放大器30、一個頻率補償電容器34以及一個緩沖器38。控制器12接收控制輸入40和反饋信號42，并產生控制電壓44，控制電壓44改變驅動器18的增益。
在正常情況下，控制器12調節輸出功率，而在異常情況下，則保護功率模塊11。控制器12通過采用負反饋來減少最大反饋信號與參考輸入信號之間的誤差，該參考輸入信號是根據各反饋傳感器的標稱工作電平來選擇的。來自功率模塊11的反饋信號包括由射頻檢測器54和56產生的正向和反向功率信號50和52。檢測器54和56一般被連接到定向耦合器60的兩個采樣臂上。其他反饋信號包括來自熱敏電阻64的溫度信號62，熱敏電阻64與末級放大器20熱耦合。差分電壓反饋信號66和70與(經由電流采樣電阻器72)送往功率模塊11的直流輸入電流成正比。驅動信號74將驅動電流反饋到末級放大器20。反饋信號76反饋送往驅動器18的控制電壓44。
在正常情況下，除了正向功率信號50以外，所有反饋信號都是很小的。控制器12使控制信號44增大，直到正向功率信號50變為近似地等于參考設置點為止。在異常情況下，其他各種反饋信號都增大，并且超過正向功率信號50。例如，當負載16不匹配或者被撤除時，反向功率信號52將增大。若驅動信號44增加而正向功率信號50沒有相應的增加，則表示末級放大器20負載不匹配或出現故障。對于給定的輸出功率，過高的控制電壓一般對應于驅動器18中的問題。直流輸入電流低表示負載不匹配、驅動器18的故障或者末級放大器20的故障。直流輸入電流高或者末級放大器20的溫度高表示控制器12應當降低功率模塊11的正向功率需求。當出現這些情況中的一種或多種時，控制器12就降低送往功率模塊11的驅動信號44，以便使最大反饋信號保持近似于參考設置點。
用于保護射頻功率發生器10的常規方法一般還使用一組已測量的發生器參數以及對每一種參數的硬性設置點限值。例如，最大反射功率被限制為600瓦(W)，功率放大器(PA)最大電流被限制為40安(A)，功率放大器(PA)最大功率耗散被限制為1800W。這種保護技術在射頻功率發生器10避免逆向負載方面是有效的，但是當射頻功率發生器10與負載16之間的電纜長度發生改變時，就不具備可重復的性能。
現在參看圖2，該圖示出了根據現有技術的一種簡化的功率發生器控制系統100。射頻功率發生器控制系統100包括一個功率模塊102，一個射頻傳感器104，一個負載106以及一個控制器108。功率模塊102產生功率模塊反饋信號109(如功率放大器供電電流110以及裝置溫度114)。射頻傳感器104產生射頻傳感器反饋信號115(如正向和反向功率116和118)。功率模塊反饋信號109，射頻傳感器反饋信號115以及外部設置點信號120都被輸入到控制器108。控制器108產生功率模塊設置點信號124，后者被輸入到功率模塊102。功率模塊設置點信號124通過功率模塊102控制正向功率輸出。
基本的控制技術是提供來自多個檢測器的負反饋信號(如正向功率116，反向功率118，功率放大器供電電流110以及裝置溫度114)。在正常運行過程中，除了正向功率信號以外，所有反饋信號都是相對小的。在這種情況下，控制器108增大或降低功率模塊設置點信號124，以調節功率模塊102的正向功率116。在負載不匹配的情況下，另一個反饋信號，例如是送往功率模塊102中功率放大器的供電電流110，強于正向功率反饋信號116。這將導致控制器108降低功率模塊設置點124。功率模塊102降低向負載106提供的正向功率。
這種控制技術在保護發生器避免逆向負載方面是有效的，但是當功率模塊102(射頻傳感器104)與負載106之間的電纜長度L發生改變時，就不具備可重復的性能。電纜長度L的改變會引起一個相位偏移，這可能導致一個高阻抗負載被轉換為一個低阻抗負載。負載阻抗的改變導致在功率模塊102中的功率放大器所抽取電流的增加或減少。阻抗的變化導致功率放大器的供電電流限制環路降低或增大功率模塊設置點124。這又導致即使在電壓駐波比(VSWR)沒有發生改變的情況下，射頻功率發生器控制系統100仍然提供比無相移時較小或較大的功率。
在可重復性十分重要的應用場合，例如半導體制造，很需要有一種對電纜長度或負載相位敏感性降低的射頻發生器。例如，等離子體供電系統要求精確控制的條件和可重復性。某些裝置從離子腔到發生器機架之間可能具有比其他裝置更長的距離。因此，這些系統的工作情況將有所不同。
發明內容
根據本發明的一種射頻(RF)功率發生器系統，包括一個產生輸出到負載的射頻功率信號的功率發生器。射頻發生器產生一個正向功率反饋信號以及一個反向功率反饋信號。一個控制器接收該正向功率反饋信號以及反向功率反饋信號。該控制器產生一個設置點信號，該信號被輸出到功率發生器。一個設置點修改器接收正向反饋信號、反向反饋信號以及外部設置點信號。設置點修改器基于正向和反向功率反饋信號來計算一個正向功率限值。設置點修改器基于正向功率限值和外部設置點信號其中之一，向控制器輸出一個已修改的設置點信號。
在本發明的其他特征中，控制器在正向功率限值以及外部設置點信號中，選擇一個較小的數值。功率發生器包括一個射頻傳感器，后者產生正向功率反饋信號以及反向功率反饋信號。功率發生器包括一個功率模塊，該模塊產生供電電流反饋信號以及溫度反饋信號，這兩種信號都被輸出到控制器。
在本發明的另一些其他特征中，設置點修改器以及控制器被集成在一起。設置點修改器包括一份一覽表和一項公式中的一個，用以計算正向功率限值。該公式根據正向和反向功率反饋信號以及最大功率耗散，來確定正向功率限值。
通過下文所提供的詳細說明，本發明的其它適用領域是顯而易見的。應當理解，在說明本發明的優選實施例時，詳細說明和特例僅用于說明目的，并不限制本發明的范圍。
通過以下的詳細說明和附圖，將能更充分地理解本發明，在附圖中圖1是根據現有技術其中包括一個控制器的一種射頻功率發生器的框圖；圖2是根據現有技術的一種射頻功率發生器的簡化框圖；圖3A是根據本發明的一種射頻功率發生器控制系統的框圖；圖3B是將控制器與外部設置點修改模塊合并到一起的一種射頻功率發生器控制系統的框圖；圖4表示確定隨Γ或VSWR變化的正向功率的各步驟；圖5A是一份數據表，表示當VSWR＝2∶1時，隨負載相位和功率設置點變化的功率耗散；圖5B是表示在不同的VSWR下，隨負載相位變化的功率耗散的示圖；圖6是表示當VSWR＝1∶1時，隨正向功率變化的功率耗散的示圖；圖7是表示當VSWR＝2∶1時，隨正向功率變化的功率耗散的示圖；圖8是表示當VSWR＝3∶1時，隨正向功率變化的功率耗散的示圖；圖9是表示當VSWR＝∞∶1時，隨正向功率變化的功率耗散的示圖；圖10A是一份數據表，包含在不同的VSWR下，針對最壞情況負載的二次及線性模型參數；圖10B是一份圖，它將功率耗散參數”m”參數化為Γ的一個函數；圖11是一份史密斯圓圖，表示在不同的VSWR下，射頻功率發生器控制系統的有效正向功率與負載的關系。
具體實施例方式
下面的關于各優選實施例的說明實際上僅是示例性的，并且無論如何不能被用來限制本發明及其應用或用途。
現在參看圖2，該圖示出了根據現有技術的功率發生器控制系統100。功率發生器控制系統100包括功率模塊102、射頻傳感器104、負載106以及控制器108。功率模塊102產生功率模塊反饋信號109(如功率放大器供電電流110以及裝置溫度114)。射頻傳感器104產生射頻傳感器反饋信號115(如正向和反向功率116和118)。功率模塊反饋信號109、射頻傳感器反饋信號115以及外部設置點信號120都被輸入到控制器108。控制器108產生功率模塊設置點信號124，后者被輸入到功率模塊102。
現在參看圖3A和3B，圖2的參考數字在適當的地方被用來標識相同的單元。一個改進了的射頻功率發生器控制系統200包括一個外部設置點修改模塊204，它根據VSWR或Γ來計算正向功率限值，并且從正向功率限值以及外部設置點中選出較小者。外部設置點信號120被輸入到外部設置點修改模塊204。正向和反向功率反饋信號116和118都被輸入到外部設置點修改模塊204。外部設置點修改模塊204產生已修改的外部設置點信號208，后者被輸入到控制器210。已修改的外部設置點信號208等于正向功率限值和外部設置點中的較小者。
外部設置點修改模塊204最好由一個處理器和存儲器所執行的一種算法來實現。外部設置點修改模塊204還可以被實現為一個硬件電路和/或跟控制器210集成在一起(如圖3B所示)。外部設置點修改模塊204使用從SPICE仿真程序或限值測試數據導出的一個公式或一覽表，這將在下面作進一步的說明。該公式或一覽表對于給定的VSWR(或Γ)定義正向功率限值。該公式或一覽表被用來根據實際的VSWR(或Γ)，來實時地計算正向功率限值。通過下列公式來表示Γ和VSWR跟正向和反向功率的關系|伽馬|＝|Γ|＝sqrt(Prev/Pfwd)VSWR＝(|Γ|+1)/(1-|Γ|)計算出的正向功率限值被用于反饋控制系統的輸入端。設置點修改模塊204選擇外部設置點信號與正向功率限值中的較小者作為射頻發生器控制系統200的設置點。另一種方法是，設置點修改模塊204可以計算正向功率限值并向控制器210發送正向功率限值以及外部設置點以供選擇。功率放大器(PA)供電電流110、裝置溫度114以及其他信號被保留，以便讓控制器210對諸如組件失效那樣的異常情況作出反應。在射頻發生器控制系統200中，不管功率模塊102與負載106之間的電纜長度如何改變，對給定的VSWR來說，正向功率限值都保持恒定。要注意的是，由于功率模塊102與射頻傳感器104之間的距離為固定，所以距離L表示射頻傳感器104與負載106之間的距離。
本發明改善了不管電纜長度L或者其他相位如何改變，由射頻發生器提供的正向功率的可重復性。射頻發生器被限制為提供能應付最壞情況負載的功率。由于負載阻抗比諸如被送往功率放大器的供電電流110以及裝置溫度114這樣的變量變化得快，所以射頻發生器控制系統200應能對負載106作出更快的反應。其結果是，射頻發生器看上去降低了送往功率放大器的供電電流并且降低了裝置的溫度，這就提高了射頻發生器的長期可靠性。
圖4示出了確定該公式或一覽表的一種適當的方法。專業人士知道，在不離開本發明的實質和范圍的前提下，也可以使用其他各種方法。在步驟250，隨功率設置點和負載變化的最壞情況的重點數據被收集。為了對每個VSWR確定一個最壞情況的重點數據，采用各種電纜長度以確定功率放大器的最大功率耗散。當具有最大功率耗散的電纜長度被確定之后，該功率耗散就被標示為正向功率的一個函數值。專業人士應當知道，除了功率耗散以外，還可以使用其他的系統電壓和電流來確定最壞情況的重點數據。例如，可以使用功率放大器的電流，功率放大器的供電電壓，功率放大器的晶體管峰值輸出電壓以及其他系統電壓和電流。
例如，圖5A示出了VSWR＝2時的一個數據表。負載相位指的是繞史密斯圓圖的度數。繞史密斯圓圖360°對應于半波長。為了確定不同類型電纜的電纜長度，采用了電纜材料的工作頻率以及速度因子。當使用聚四氟乙烯電纜時，環繞史密斯圓圖1圈等于25.19英尺。對于聚丙烯電纜來說，半波長距離等于23.95英尺(24英尺通常是一個良好的近似值)。圖5A表示在VSWR＝2的條件下，處于額定功率的功率放大器的功率耗散隨負載相位變化的情況。圖5B表示在不同的電壓駐波比下，隨負載相位變化的功率耗散的示圖。在這個實例中，最壞的功率耗散出現在0°附近。不同的功率放大器將會有不同的結果。
在確定最壞情況的功率耗散之后，已確定的負載被用來表示隨正向功率變化的功率耗散。在步驟254，擬合功率耗散對正向功率數據的方程式。被擬合的方程式可以是線性方程式、二次方程式，或者任何其他適當的方程式。不過最好是，在每一個VSWR下所擬合的方程式的形式都是相同的。在圖6，7，8和9所示的各實例中，針對電壓駐波比VSWR＝1，2，3和∞這幾種情況，以y＝mx+b的形式，為最壞情況的數據擬合了一個線性方程式。
在步驟258，方程組的各系數被參數化為VSWR的一個函數。如同在圖10中所能看到的那樣，各線性方程式的”m”參數定義了作為正向功率和VSWR(或Γ)的函數的一個3維函數-Pdiss。接著，在步驟262，產生公式或一覽表。
通過一個實例，在VSWR負載分別為1∶1，1`5∶1，2∶1，3∶1，5∶1和∞∶1這幾種情況下，針對最壞相位功率耗散來產生Pdiss對Pfwd的圖形。其次，如圖10A所示，為每一種圖形擬合一根直線，并且提取其斜率(m)和截部(b)。在本例中，對于電壓駐波比為1∶1和1.5∶1的情形來說，二次擬合得較好，而對于更高的VSWR數值來說，直線擬合也很好。在本例中，選擇直線擬合。
其次，如圖10B所示，斜率(m)被圖示為隨反射系數(Γ)而變化，并且為這些數據擬合一根曲線，以產生函數m(Γ)。參數b不太隨Γ而發生改變，因此，b可以保持恒定，還可以通過調節b使得模型變得更保守一些，并且提供更多的功率耗散凈空。
函數Pdmax(Pfwd，Γ)產生一組直線，用以在給定的VSWR(或Γ)史密斯圓圖中，估計功率放大器的最大功率耗散。在給定的VSWR下，還有具有更低功率耗散的其他電纜長度，但是目標是確定在功率放大器中功率耗散的最壞情形。使用b＝100，就能給出在負載為1.5∶1以外的情況下的最佳擬合。然而，在1.5∶1的情況下，b＝200也給出了保守的數值。
斜率函數m(Γ)＝1.2760*Γ2-0.0311*Γ+0.2701線性方程組，y＝mx+bPdmax(Pfwd，Γ)＝Pfwd*m(Γ)+b下面的數據表明該模型跟實際數據的滿意的比對Pdmax(3000，0)＝1010W-在3000W下進入50Ω負載的估計的最大功率耗散(實際為822W)。Pdmax(3000，0.2)＝1144W-在3000W下進入VSWR為1.5∶1的估計的最大功率耗散(實際為1189W)。Pdmax(2400，0.333)＝1162W-在2400W下進入VSWR為2∶1的估計的最大功率耗散(實際為1100W)。Pdmax(1800，0.5)＝1230W-在1800W下進入VSWR為3∶1的估計的最大功率耗散(實際為1131W)。Pdmax(600，1)＝1106W-在600W下進入VSWR為無窮大的估計的最大功率耗散(實際為991W)。
為了找出功率耗散等于1200W時的正向功率，令Pdmax＝1200Pfmax(Γ)＝-1*(Pdmax-200)/(-1.2760*Γ2+0.0311*Γ-0.2701)降格函數與3000W正向功率規格有滿意的比對Pfmax(0)＝3702W(規格為進入1∶1的3kW)；Pfmax(0.2)＝3178W(規格為進入2∶1的2400W)；Pfmax(0.3333)＝2494W(規格為進入3∶1的1800W)；Pfmax(0.5)＝1748W(規格為進入3∶1的1800W)；以及，Pfmax(1)＝662.4W(規格為進入∞∶1的600W)。參看圖11，一份史密斯圓圖表示當使用根據本發明的射頻發生器控制系統時，在不同的VSWR下，正向功率對負載的關系。“+”號表示電纜長度采樣。中心環對應于VSWR＝1.5∶1。標記為“8000”的環對應于VSWR＝2∶1。標記為“6000”的環對應于VSWR＝3∶1。標記為“4000”的環對應于VSWR＝5∶1。外環對應于電壓駐波比＝∞∶1。正如可以理解的那樣，這種射頻發生器對相位變化不敏感。
專業人士都知道，可以通過如圖1所示的定向耦合器，一個電壓/電流探頭或者任何其他適當的信號源，來提供正向的和反射的功率信號。可以使用SPICE仿真程序或實驗測量來確定用于確定公式或一覽表的輸入數據。此外，還可以通過使用多種線性擬合技術，諸如最小均方或非線性擬合技術，來確定公式或一覽表。可以通過使用一個模擬的或數字的信號處理器(DSP)，數字計算機或任何其他適當的裝置，來計算正向功率限值。類似地，閉環控制可以是模擬的或數字的。
通過以上的說明，專業人士都能理解，可以按照多種形式來實現本發明的廣義內容。因此，在結合特定的實例來說明本發明的同時，通過研究諸附圖、說明書以及下面的權利要求書，使得各項修改對專業人士來說將變得顯而易見，本發明的實際范圍不應受到那些實例的限制。
權利要求
1.一種射頻(RF)功率發生器系統，包括一個功率發生器，它產生被輸出到負載的一個射頻功率信號、一個正向功率反饋信號以及一個反向功率反饋信號；一個控制器，它接收所述正向功率反饋信號以及所述反向功率反饋信號，并產生一個設置點信號，該設置點信號被輸出到所述功率發生器；以及一個設置點修改器，它接收所述正向功率反饋信號、所述反向功率反饋信號以及一個外部設置點信號，其中，所述設置點修改器基于所述正向和反向反饋信號來計算一個正向功率限值，并基于所述正向功率限值和所述外部設置點信號其中之一，向所述控制器輸出一個已修改的設置點信號。
2.根據權利要求1所述的射頻功率發生器系統，其中，所述控制器從所述正向功率限值以及所述外部設置點信號中，選擇一個較小的數值作為所述已修改的設置點信號。
3.根據權利要求2所述的射頻功率發生器系統，其中，所述功率發生器包括一個射頻傳感器，它產生所述正向功率反饋信號以及所述反向功率反饋信號。
4.根據權利要求3所述的射頻功率發生器系統，其中，功率發生器包括一個功率模塊，它產生供電電流反饋信號以及溫度反饋信號，這兩種信號都被輸出到所述控制器。
5.根據權利要求3所述的射頻功率發生器系統，其中，所述設置點修改器以及所述控制器被集成在一起。
6.根據權利要求5所述的射頻功率發生器系統，其中，所述設置點修改器包括一份一覽表和一個公式其中之一，以便從所述正向和反向反饋信號計算所述正向功率限值。
7.根據權利要求6所述的射頻功率發生器系統，其中，所述功率發生器包括一個功率放大器，并且其中，所述公式根據Γ以及所述功率放大器的最大功率耗散、供電電流、供電電壓及輸出電壓中至少一個，來確定所述正向功率限值。
8.一種用于控制為一個負載產生射頻功率信號的射頻(RF)功率發生器的方法，包括下列各步驟傳感一個正向功率反饋信號；傳感一個反向功率反饋信號；接收一個外部設置點信號；基于所述正向和反向功率反饋信號來計算一個正向功率限值；以及基于所述正向功率限值和所述外部設置點信號其中之一，來控制所述射頻功率發生器。
9.根據權利要求8所述的方法還包括下列步驟從所述正向功率限值和所述外部設置點信號中，選擇一個較小的數值；以及將所述較小的數值傳送給一個功率模塊。
10.根據權利要求9所述的方法還包括下列步驟在所述射頻功率發生器中，使用一個射頻傳感器來產生所述正向功率反饋信號和所述反向功率反饋信號。
11.根據權利要求10所述的方法還包括下列步驟使用所述射頻功率發生器的所述功率模塊，來產生供電電流反饋信號以及溫度反饋信號。
12.根據權利要求8所述的方法，其中，使用一份一覽表和一項公式其中之一來計算所述正向功率限值。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述功率發生器包括一個功率放大器，并且其中，所述公式定義Γ、所述正向功率限值，以及所述功率放大器的功率耗散、供電電流、供電電壓和輸出電壓中至少一個之間的關系。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，通過下列各步驟來計算所述公式a)在第一電壓駐波比下，確定介于0與半波長之間具有最大功率耗散的電纜長度；b)對于多個電壓駐波比數值，重復執行步驟(a)；c)對于每一個所述電壓駐波比數值，為具有所述最大功率耗散的所述電纜長度，確定隨正向功率變化的功率耗散的數學近似值；d)將所述數學近似值參數化為電壓駐波比和Γ其中之一的一個函數。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述數學近似為線性近似。
16.為了降低對所述射頻功率發生器與所述負載之間的電纜長度變化的敏感性，一種用于控制為一個負載產生射頻(RF)功率信號的射頻功率發生器的方法，包括下列各步驟a)在第一電壓駐波比下，確定介于0與半波長之間具有最大功率耗散的電纜長度；b)對于多個電壓駐波比數值，重復執行步驟(a)；c)對于每一個所述電壓駐波比數值，為具有所述最大功率耗散的所述電纜長度，確定隨正向功率變化的功率耗散的數學近似值；d)將所述數學近似值參數化為Γ的一個函數。e)基于所述參數化，定義一個正向功率限值公式；以及f)用所述正向功率限值公式對控制器進行編程。
17.根據權利要求16所述的方法還包括下列步驟傳感一個正向功率反饋信號；以及傳感一個反向功率反饋信號。
18.根據權利要求17所述的方法還包括下列步驟接收一個外部設置點信號；以及基于所述正向功率限值公式，計算一個正向功率限值。
19.根據權利要求18所述的方法還包括下列步驟基于所述正向功率限值以及所述外部設置點信號，來控制所述射頻功率發生器。
20.根據權利要求19所述的方法還包括下列步驟產生一個已修改的設置點信號，它等于所述正向功率限值和所述外部設置點信號中較小的數值。
全文摘要
一種射頻(RF)功率發生器系統,包括一個功率發生器,它產生被輸出到負載的射頻功率信號。該射頻發生器產生一個正向功率反饋信號以及一個反向功率反饋信號。一個控制器接收正向功率反饋信號以及反向功率反饋信號。該控制器產生一個設置點信號,后者被輸出到功率發生器。一個設置點修改器接收正向功率反饋信號、反向功率反饋信號以及一個外部設置點信號。設置點修改器基于正向和反向功率反饋信號來計算一個正向功率限值。設置點修改器基于正向功率限值和外部設置點信號其中之一,向控制器輸出一個已修改的設置點信號。設置點修改器和控制器可以被集成在一起。
文檔編號H03F3/20GK1380744SQ02105328
公開日2002年11月20日 申請日期2002年2月26日 優先權日2001年4月6日
發明者凱文·P·納斯曼, 艾倫·T·拉多姆斯基 申請人:Eni技術公司