數字化射頻電源網絡自動匹配器的研制

摘 要：針對國產射頻匹配器只有模擬電路控制式產品并與國外數字化產品有很大性能差距的現狀，研制了一種數字化射頻電源網絡自動匹配器。其原理是通過調節Γ型網絡的電容值來實現電源與負載的動態匹配，由反射系數檢測器、數字信號處理器、電容位置傳感器和電機驅動電路等組成一個閉環系統，控制電機來調節電容以實現上述原理。測試表明其可匹配阻抗范圍增大、端對端匹配時間小于12s，綜合性能顯著優于模擬電路控制式匹配器。

關鍵詞：射頻；阻抗匹配；自動控制

工業上使用大功率電源激發氣體可獲得等離子體，再利用離子束濺射沉積原理可進行真空鍍膜、集成電路刻蝕等工作。如果采用直流濺射方法，當靶的材料是絕緣體時轟擊到靶上的離子會使靶帶上正電荷且電位上升，從而導致離子不能繼續轟擊靶。交流濺射可以消除由離子引起的靶帶電現象，該交流頻率經理論計算約為10MHz。所以現在常用頻率13.56MHz、內阻50Ω的射頻電源，其功率由負載的大小決定[1、2]。由于離子腔室內負載的阻抗值隨著時間和腔室內環境參數的改變發生非線性變化，若直接將射頻電源與負載相連接， 必然導致阻抗失配而產生大功率反射，造成負載能量不足、射頻電源過熱、泄露的電磁輻射危害人體等后果[2]。為此必須在電源與負載之間串聯自動調節的匹配網絡以保證射頻電源正常、高效、安全地工作[2]。

調研發現國內有些單位做過射頻電源網絡匹配的研究，但目前只有幾種國產的模擬電路控制式的射頻電源網絡自動匹配器產品，在性能上與國外數字化的產品有較大差距，文章在國產VENA-1000型匹配器基礎上研制了數字式控制電路及智能算法，使其變成一個數字化的射頻電源網絡自動匹配系統。

1 射頻電源網絡匹配原理

圖2中ZL為負載阻抗（復阻抗），Γ型的可調諧匹配網絡安裝在射頻電源與負載之間，由固定電感L、可調電容CT及與L并聯的可調電容CL組成。從電源端看出去的阻抗Zin=1/j？棕CL

||（j？棕L+1/j？棕CT+ZL），反射系數？祝L=（Zin-RS）/（Zin+RS）。若Zin=RS或反射系數？祝L=0，則射頻系統阻抗將會達到完全匹配。

據文獻[3]，當負載阻抗ZL在（5→50？贅）-j（0→3600？贅）范圍內變，取電感L=47？滋H，只要調節電容CL（2→100pF）及CT（50→1200pF）的值，均可使射頻系統達到阻抗匹配狀態，由射頻電源發出的功率能夠最大限度地輸送到負載， 不會被匹配網絡消耗而轉變成熱能。

2 射頻電源網絡自動匹配控制系統的設計

2.1 系統結構和實現匹配原理的方法

射頻電源工作系統的結構如圖3所示，無色部分就是射頻電源網絡自動匹配控制器。其中由匹配電感L、可調真空電容CTune和CLoad構成的Γ型匹配網絡可匹配電源與負載的阻抗，反射系數檢測器實時采集電路的匹配狀態信息經過放大濾波后送至數字信號處理器電路進行A/D變換，通過后者的智能化算法處理后輸出2路PWM波驅動2個直流電機對2個電容施加調節，以實現電源與負載之間阻抗的動態匹配。文章新設計制作了放大、數字信號處理器和驅動電路等，系統的其他部分仍沿用原模擬型匹配器的裝置，這構成一個閉環的自動控制系統。

2.2 自動控制電路的設計

自動控制電路由傳感信號放大、數字信號處理、電機驅動和電源電路等構成。放大電路采用了多級的高阻抗精密運放實現傳感器信號的阻抗變換、放大、濾波和電平偏置；采用1片32位數字信號處理器TMS320F28035執行A/D變換、人機交互、通信、算法處理和PWM調制等多種功能；用集成H橋電路芯片L298驅動直流電機；開關型直流穩壓電源提供±12V、+5V和+3.3V等多組DC輸出，除為數字系統供電外還為模擬電路提供大的動態工作范圍。此外為了防止CPU死機造成機械裝置沖出極限位置的情況，在L298控制端上增加了極限位置傳感和制動電路。要求達到的關鍵指標：（1）A/D精度12位；（2）A/D采樣率512次/秒；（3）PWM分辨率10位；（4）RS-485通信波特率115200；（5）人機接口：4按鍵鍵盤輸入，4行×20字符/行LCD輸出。

2.3 控制程序的組成和設計

控制程序包括信號采集、信號噪聲處理、匹配算法、電機驅動控制、系統保護、上位機通訊、人機交互和系統調試等功能模塊。其中核心的匹配算法模塊的工作流程如圖4所示，這是實現匹配原理的具體方法。

3 原型樣機測試

系統樣機的控制電路安裝在一塊4層的印制線路板，其中A/D轉換速率、PWM控制的直流電機轉速等參數需要非常仔細地反復測試和修改，整機的主要性能指標列于表1。

4 結束語

在現有模擬式匹配器基礎上，基于Γ型無損網絡匹配原理研制了一種的數字化射頻電源網絡自動匹配器，該匹配器在匹配范圍、準確度、匹配時間、穩定性等關鍵指標上顯著優于模擬式匹配器。

參考文獻

[1]黃啟耀，姜翠寧.射頻電源有關問題的探討[J].真空，2007，44（5）：76-78.

[2]汪洪波，陳長琦，汪金新.真空射頻阻抗自動匹配方法分析[J].真空，2010，47（6）：49-52.

[3]汪洪波，黃穩，陳長琦.基于遺傳算法的真空磁控濺射射頻阻抗匹配仿真研究[J].真空科學與技術學報，2011，31（4）：500-504.

作者簡介：林桂軍（1991，6-），男，籍貫：廣東，學位：理學學士，學歷：大學本科，工作單位：廣東技術師范學院，職務：工業電氣自動化助理工程師，研究方向：自動控制。