數(shù)字化射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配器的研制

摘 要：針對(duì)國(guó)產(chǎn)射頻匹配器只有模擬電路控制式產(chǎn)品并與國(guó)外數(shù)字化產(chǎn)品有很大性能差距的現(xiàn)狀，研制了一種數(shù)字化射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配器。其原理是通過(guò)調(diào)節(jié)Γ型網(wǎng)絡(luò)的電容值來(lái)實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的動(dòng)態(tài)匹配，由反射系數(shù)檢測(cè)器、數(shù)字信號(hào)處理器、電容位置傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，控制電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)電容以實(shí)現(xiàn)上述原理。測(cè)試表明其可匹配阻抗范圍增大、端對(duì)端匹配時(shí)間小于12s，綜合性能顯著優(yōu)于模擬電路控制式匹配器。

關(guān)鍵詞：射頻；阻抗匹配；自動(dòng)控制

工業(yè)上使用大功率電源激發(fā)氣體可獲得等離子體，再利用離子束濺射沉積原理可進(jìn)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(dāng)靶的材料是絕緣體時(shí)轟擊到靶上的離子會(huì)使靶帶上正電荷且電位上升，從而導(dǎo)致離子不能繼續(xù)轟擊靶。交流濺射可以消除由離子引起的靶帶電現(xiàn)象，該交流頻率經(jīng)理論計(jì)算約為10MHz。所以現(xiàn)在常用頻率13.56MHz、內(nèi)阻50Ω的射頻電源，其功率由負(fù)載的大小決定[1、2]。由于離子腔室內(nèi)負(fù)載的阻抗值隨著時(shí)間和腔室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的改變發(fā)生非線性變化，若直接將射頻電源與負(fù)載相連接， 必然導(dǎo)致阻抗失配而產(chǎn)生大功率反射，造成負(fù)載能量不足、射頻電源過(guò)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(fù)載之間串聯(lián)自動(dòng)調(diào)節(jié)的匹配網(wǎng)絡(luò)以保證射頻電源正常、高效、安全地工作[2]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)有些單位做過(guò)射頻電源網(wǎng)絡(luò)匹配的研究，但目前只有幾種國(guó)產(chǎn)的模擬電路控制式的射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配器產(chǎn)品，在性能上與國(guó)外數(shù)字化的產(chǎn)品有較大差距，文章在國(guó)產(chǎn)VENA-1000型匹配器基礎(chǔ)上研制了數(shù)字式控制電路及智能算法，使其變成一個(gè)數(shù)字化的射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配系統(tǒng)。

1 射頻電源網(wǎng)絡(luò)匹配原理

圖2中ZL為負(fù)載阻抗（復(fù)阻抗），Γ型的可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)安裝在射頻電源與負(fù)載之間，由固定電感L、可調(diào)電容CT及與L并聯(lián)的可調(diào)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(shù)？祝L=（Zin-RS）/（Zin+RS）。若Zin=RS或反射系數(shù)？祝L=0，則射頻系統(tǒng)阻抗將會(huì)達(dá)到完全匹配。

據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)負(fù)載阻抗ZL在（5→50？贅）-j（0→3600？贅）范圍內(nèi)變，取電感L=47？滋H，只要調(diào)節(jié)電容CL（2→100pF）及CT（50→1200pF）的值，均可使射頻系統(tǒng)達(dá)到阻抗匹配狀態(tài)，由射頻電源發(fā)出的功率能夠最大限度地輸送到負(fù)載， 不會(huì)被匹配網(wǎng)絡(luò)消耗而轉(zhuǎn)變成熱能。

2 射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)匹配原理的方法

射頻電源工作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，無(wú)色部分就是射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配控制器。其中由匹配電感L、可調(diào)真空電容CTune和CLoad構(gòu)成的Γ型匹配網(wǎng)絡(luò)可匹配電源與負(fù)載的阻抗，反射系數(shù)檢測(cè)器實(shí)時(shí)采集電路的匹配狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)放大濾波后送至數(shù)字信號(hào)處理器電路進(jìn)行A/D變換，通過(guò)后者的智能化算法處理后輸出2路PWM波驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)對(duì)2個(gè)電容施加調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載之間阻抗的動(dòng)態(tài)匹配。文章新設(shè)計(jì)制作了放大、數(shù)字信號(hào)處理器和驅(qū)動(dòng)電路等，系統(tǒng)的其他部分仍沿用原模擬型匹配器的裝置，這構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2 自動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制電路由傳感信號(hào)放大、數(shù)字信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源電路等構(gòu)成。放大電路采用了多級(jí)的高阻抗精密運(yùn)放實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的阻抗變換、放大、濾波和電平偏置；采用1片32位數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28035執(zhí)行A/D變換、人機(jī)交互、通信、算法處理和PWM調(diào)制等多種功能；用集成H橋電路芯片L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)；開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源提供±12V、+5V和+3.3V等多組DC輸出，除為數(shù)字系統(tǒng)供電外還為模擬電路提供大的動(dòng)態(tài)工作范圍。此外為了防止CPU死機(jī)造成機(jī)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(dòng)電路。要求達(dá)到的關(guān)鍵指標(biāo)：（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(jī)接口：4按鍵鍵盤(pán)輸入，4行×20字符/行LCD輸出。

2.3 控制程序的組成和設(shè)計(jì)

控制程序包括信號(hào)采集、信號(hào)噪聲處理、匹配算法、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、系統(tǒng)保護(hù)、上位機(jī)通訊、人機(jī)交互和系統(tǒng)調(diào)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(shí)現(xiàn)匹配原理的具體方法。

3 原型樣機(jī)測(cè)試

系統(tǒng)樣機(jī)的控制電路安裝在一塊4層的印制線路板，其中A/D轉(zhuǎn)換速率、PWM控制的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)需要非常仔細(xì)地反復(fù)測(cè)試和修改，整機(jī)的主要性能指標(biāo)列于表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)有模擬式匹配器基礎(chǔ)上，基于Γ型無(wú)損網(wǎng)絡(luò)匹配原理研制了一種的數(shù)字化射頻電源網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)匹配器，該匹配器在匹配范圍、準(zhǔn)確度、匹配時(shí)間、穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)上顯著優(yōu)于模擬式匹配器。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]汪洪波，黃穩(wěn)，陳長(zhǎng)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(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，31（4）：500-504.

作者簡(jiǎn)介：林桂軍（1991，6-），男，籍貫：廣東，學(xué)位：理學(xué)學(xué)士，學(xué)歷：大學(xué)本科，工作單位：廣東技術(shù)師范學(xué)院，職務(wù)：工業(yè)電氣自動(dòng)化助理工程師，研究方向：自動(dòng)控制。