反射係數相位檢測器的製作方法
2023-07-08 00:54:01 1
專利名稱：反射係數相位檢測器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及相位檢測器，具體地說涉及用於供電系統的一種相位檢測器，它使用兩個基頻相等的時變信號來確定反射係數的相位。
為了對不匹配現象進行量化，常規的系統在等離子體腔的輸入端引入一個探頭，以便檢測被施加到等離子體腔的射頻信號的電壓和電流。精確地測量最接近等離子體腔處的電壓和電流能更好地顯示等離子體的品質。對等離子體的品質的更好的顯示又使得能夠對等離子體腔內進行的刻蝕或澱積過程進行更好地控制。常規的探頭限於監測被施加到等離子體腔的電壓、電流和相位角。
被放置在等離子體腔附近的另一種類型的傳感器，僅提供有關被施加到等離子體腔的功率，即正向功率，以及從等離子體腔反射回來的功率，即反射功率的大小的信息。當為了向等離子體腔傳送最佳的射頻信號而控制射頻電源時，正向和反射功率都是極其有用的，而測量正向和反射功率的常規傳感器不能現成地提供相位信息。正如專業人士所熟知的那樣，相位信息有助於對反射係數進行確定。常規的功率傳感器都是定向傳感器，不能確定正向與反射功率之間的相對相位。
因此，希望能提供一種相位檢測器，它與定向傳感器配合使用，能提供正向功率、反射功率，以及相位信息。
為了更完整地理解本發明及其目的和各項優點，參見下列說明以及附圖。
圖1是根據本發明原理的一種供電系統的框圖；以及圖2是圖1中的相位檢測器的框圖。
等離子體控制器20利用來自等離子體腔12的輸入。這些輸入包括一個真空信號22，它指示腔內的真空度；一個電壓信號24，它指示產生於等離子體腔內的電壓；以及一個流量比信號26，它指示入口與出口氣體流量的比值。專業人員將會認同，其它輸入/輸出都可以由等離子體控制器20接收/產生。等離子體控制器20確定期望的輸入功率，即由供電系統30施加到等離子體腔的功率。
供電系統30包括一個微處理器或控制器32，它從等離子體控制器20接收輸入信號34。微處理器32產生多個控制信號，送至電源36。電源36的電壓輸出被輸入到匹配網絡38。匹配網絡38對供電系統30與等離子體腔12之間的阻抗加以匹配，以便電源36驅動一個預定的阻抗，最好是50Ω(歐姆)，但可以改變。
定向或功率耦合器44也稱為定向或功率探頭，被插入到匹配網絡38和等離子體腔12之間。功率耦合器或探頭44輸出一對時變信號，這對信號與正向功率Vf和反射功率Vr相稱。正向功率Vf和反射功率Vr被輸入到相位檢測器46，相位檢測器46確定介於正向功率信號Vf和反射功率信號Vr之間的相位。相位檢測器46輸出一個與Vf和Vr之間的相位相稱的信號。該相位被稱為Γ相位，連同正向功率Vf和反射功率Vr一起被輸入到處理器48。處理器48接收這些信號並有選擇地測定幅度及相位值，以便獲得隨後可能被用來導出其它所需數值的多種數值。
圖2示出了相位檢測器46的展開框圖。在操作中，正向功率Vf和反射功率Vr來自於功率耦合器44，並分別被施加到硬體限幅器50、52，這兩個限幅器規定信號Vf和Vr的上限和下限。硬體限幅器50、52分別對正向功率Vf和反射功率Vr進行規一化，以去除信號間的任何幅度變異。硬體限幅器50、52的輸出被施加到相位幅度檢測器54。相位幅度檢測器54包括一個混合器56，混合器56輸出正向功率Vf和反射功率Vr的積以確定一個混合信號。此混合信號被施加到一個低通濾波器(LFP)62。低通濾波器62削弱包含在混合信號中的與時間有關的信息。削弱與時間有關的信息後僅保留直流(DC)信號，該DC信號與正向功率Vf和反射功率Vr之間的相位相稱。
相位檢測器46還包括一對轉換電路58、60，轉換電路58、60將正向功率Vf和反射功率Vr分別轉換為直流(DC)信號。這樣的轉換可以使用一種峰值與保持電路或使用更為複雜的平方和檢測器。轉換電路58、60的輸出被輸入到模數轉換器(ADC)64。
正向功率Vf，反射功率Vr以及濾波後的信號分別被輸入到ADC 64，模數轉換器(ADC)64對各輸入信號進行有選擇地採樣並輸出一個數位訊號，該數位訊號分別與被採樣信號的模擬值相對應。這些數位化的信號被輸入到處理器66。
除了相位幅度檢測器54以外，相位檢測器46還包括一個相位符號鑑別器70。符號鑑別器70接收硬體限幅器50、52的輸出作為輸入，硬體限幅器50、52的輸出表示正向功率Vf和反射功率Vr經過硬體限幅的信號。經過硬體限幅的信號被輸入到一個與非門(NAND)72，同時也分別被輸入到一對延遲部件74、76的時鐘輸入端。一個電壓Vcc被施加到延遲部件74、76的D輸入端。與非門72的輸出被施加到延遲部件74和76的清零輸入端(C)。延遲部件74和76的輸出分別被送到各自的低通濾波器78和80。低通濾波器78和80的輸出被送到比較器82。比較器82輸出一個符號位，該符號位被輸入到處理器66。
符號位確定正向功率Vf與反射功率Vr之間相對相位的符號。相位符號鑑別器70可以判定是正向功率Vf超前於反射功率Vr還是相反。在操作中，分別使延遲部件74和76通過加在D輸入端的電壓，同時也使另一個延遲部件復位，這樣，一個延遲部件輸出一個高電平信號，而另一個延遲部件則輸出一個低電平信號。比較器82檢測哪一個延遲部件輸出高電平信號，哪一個延遲部件輸出低電平信號，並相應地設置符號位。
處理器66可以採用任何一種處理器，很多處理器已為業界所熟知。在一個優選實施例中，處理器66採用一個場可編程門陣列(FPGA)。處理器66確定對ADC 64的哪個輸入進行模數轉換並且施加到處理器66。可選地，處理器66把來自ADC 64的輸入和從比較器82接收到的符號位組合在一起，打成信息包以傳送給處理器48或其它系統部件。因此處理器66在相位檢測器46中起著控制器作用，也用作與處理器48或者其它裝置進行通信的一個可選接口單元。
來自處理器66的輸出被送到處理器48，處理器48可以執行各種各樣的處理功能。這些功能包括校準、濾波、附加值計算或者其它所需的功能。例如，處理器48可以確定耦合器所受的複數負載阻抗，正向與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度。
在操作中，一個單一的時變信號本身是很複雜的，既包括幅度也包括相對於某個參考點的相位。當面臨兩個這樣的信號時，每個信號的相位可以被描述為由一個數學差值來表示的一個相對量。若這兩個信號的幅度以及這兩個信號之間的相對相位已知，如上所述的與原始信號相關的其它大部分有用的數值可以被推導出來並加以分析。
相位檢測器46能檢測復反射係數，該係數也被稱為Γ相位，其方法是利用具有同一基頻的兩個時變信號，已知該基頻與功率耦合器44輸出的正向功率和反射功率相稱。利用復反射係數的相位，即Γ相位以及正向功率與反射功率兩者的幅度，就能導出其它感興趣的參數，如施加到耦合器的複數負載阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波、無功功率以及耦合器上的電壓和電流的幅度。
相位檢測器46的操作可以如下面討論那樣來建模。若函數Acos(X)表示第一正弦波，如正向功率Vf或者反射功率Vr，其中A是所選信號的幅度。同樣令Bcos(y)代表正向功率Vf和反射功率Vr中的另一個，其中B是該信號的幅度。混合信號可表示為如方程式(1)中所示。
s＝Acos(x)*Bcos(y) (1)利用眾所周知的恆等式，混合信號可進一步地表示為如方程式(2)中所示。
s＝1/2(A*B)*[cos(x+y)+cos(x-y)](2)現在令x＝ωt且y＝ωt+P其中ω是頻率，t是時間，P是正向功率Vf和反射功率Vr之間的相位。通過代入x和y，方程式(1)可以被改寫成如下方程式(3)。
s＝Acos(ωt)*Bcos(ωt+P) (3)同樣，方程式(2)可以被改寫成方程式(4)s＝1/2(A*B)*[cos(2ωt+P)+cos(P)] (4)由方程式(4)我們注意到，如果原始正向功率Vf和反射功率Vr信號具有一個基頻ω＝fs，那麼這兩個信號相乘就形成一個含有兩個分量的信號。一個分量的頻率為2fs而另一個分量是直流信號。因此，將圖2中的低通濾波器62選用為具有截止頻率fc＝(2*fs)/10的三階低通濾波器，可對混合信號中的時變部分提供約60分貝(dB)的衰減。這樣就只剩下基本上未改變的直流分量。在對混合信號s進行濾波後，經過濾波的s可以表示為如方程式(5)中所示。
s＝1/2(A*B)*cos(P) (5)因此，根據如下關係可以確定相位PP=arccos(2sAB)---(6)]]>這樣，處理器48可以根據方程式(5)來確定相位P。
專業人士會認同，為了實現在此討論的相位檢測還有其它一些方法。特別是，圖2中的混合器56可以換成一個高速異或(XOR)門以及一個濾波器，以確定相位差的幅度。另一種辦法是，正向功率Vf和反射功率Vr可以被數位化採樣並被轉換成頻域以便提取相位。在另一個方法中，一個鎖相環(PLL)可以同時鎖定正向功率Vf和反射功率Vr兩個信號，並確定這兩個信號之間的相位差。在另一種配置中，一個過零檢測器可以確定哪一個信號領先或滯後，並計算兩個信號邊沿之間的時間。
此外，專業人士會認同，在本文中所描述的原理不必限於檢測正向功率與反射功率之間的相位。本發明的原理可以推廣到一個供電系統的任何工作參數對，其中希望確定參數對之間的相位。
以上已經按照其目前的優選實施方式對本發明進行了說明，但應當理解，本發明還有許多應用場合和實施方式。因此，在不背離所附權利要求書中所述的本發明實質的前提下，可以對本發明作出修改和變更。
權利要求
1.一種供電系統，用來接收輸入功率並產生輸出功率送往負載，該系統包括一個功率發生器，該功率發生器接收輸入功率並產生輸出功率，功率發生器的輸出被施加到負載上；一個定向耦合器，它被插入到負載與功率發生器之間，用於傳感正向功率和反射功率；以及一個相位檢測器，用於確定正向功率與反射功率之間的相對相位。
2.根據權利要求1所述的供電系統，其中，相位檢測器還包括一個幅度發生器，該幅度發生器接收正向功率和反射功率，並產生一個隨正向與反射功率之間的相位的幅度而變化的信號。
3.根據權利要求1所述的供電系統，其中，幅度發生器還包括一個混合器，用於將正向功率和反射功率加以混合，以確定一個混合信號；以及一個低通濾波器，用於讓混合信號中的直流(DC)分量通過，該低通濾波器去除混合信號中與時間有關的分量，其中，直流分量與正向功率與反射功率之間的相位相稱。
4.根據權利要求1所述的供電系統，其中，相位檢測器還包括一個符號發生器，該符號發生器接收正向功率和反射功率，並產生一個隨正向與反射功率之間的相位的符號而變化的信號。
5.根據權利要求1所述的供電系統還包括一個處理器，該處理器對正向功率、反射功率以及幅度中至少一項進行測定。
6.根據權利要求5所述的供電系統，其中，處理器確定複數負載阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度等參數中的至少一項。
7.根據權利要求1所述的供電系統，還包括一個被插入到功率發生器模塊與負載之間的阻抗匹配網絡。
8.根據權利要求1所述的供電系統，其中，相位檢測器還包括一個幅度發生器，該幅度發生器接收正向功率和反射功率，並產生一個隨正向功率與反射功率之間的相位的幅度而變化的信號；以及一個符號發生器，該符號發生器接收正向功率和反射功率，並產生一個隨正向功率與反射功率之間的相位的符號而變化的信號。
9.根據權利要求8所述的供電系統，其中，幅度發生器還包括一個混合器，用於將正向功率和反射功率加以混合，以確定一個混合信號；以及一個低通濾波器，用於讓混合信號中的直流(DC)分量通過，該低通濾波器去除混合信號中與時間有關的分量，其中，直流分量與正向功率與反射功率之間的相位相稱。
10.根據權利要求8所述的供電系統，還包括一個處理器，該處理器對正向功率、反射功率以及幅度中至少一項進行測定。
11.根據權利要求10所述的供電系統，其中，處理器確定複數負載阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度等參數中的至少一項。
12.根據權利要求8所述的供電系統，還包括一個被插入到功率發生器模塊與負載之間的阻抗匹配網絡。
13.一種裝置，其中包括一個供電系統耦合器，它接收功率發生器的輸出，用來檢測第一參數和第二參數，該耦合器分別產生第一信號和第二信號，這兩個信號分別隨第一和第二參數而變化；以及一個相位檢測器，該相位檢測器接收來自耦合器的第一信號和第二信號，該相位檢測器根據第一參數和第二參數來確定第一信號與第二信號之間的相對相位。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中，相位檢測器還包括一個幅度發生器，該幅度發生器接收第一信號和第二信號，並產生一個隨第一參數與第二參數之間的相位的幅度而變化的幅度信號。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中，幅度發生器還包括一個混合器，用於將第一信號和第二信號加以混合，以確定一個混合信號；以及一個低通濾波器，用於讓混合信號中的直流(DC)分量通過，該低通濾波器去除混合信號中與時間有關的分量，其中，直流分量與第一參數與第二參數之間的相位相稱。
16.根據權利要求13所述的裝置，其中，相位檢測器還包括一個符號發生器，該符號發生器接收第一信號和第二信號，並產生一個隨第一參數和第二參數之間的相位的符號而變化的信號。
17.根據權利要求13所述的裝置，還包括一個處理器，該處理器對第一信號、第二信號以及幅度中至少一項進行測定。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中，處理器確定複數負載阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度等參數中的至少一項。
19.根據權利要求13所述的裝置，其中，相位檢測器還包括一個幅度發生器，該幅度發生器接收第一信號和第二信號，並產生一個隨第一參數和第二參數之間的相位的幅度而變化的信號；以及一個符號發生器，該符號發生器接收第一信號和第二信號，並產生一個隨第一參數和第二參數之間的相位的符號而變化的信號。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中，幅度發生器還包括一個混合器，用於將第一信號和第二信號加以混合，以確定一個混合信號；以及一個低通濾波器，用於讓混合信號中的直流(DC)分量通過，該低通濾波器去除混合信號中與時間有關的分量，其中，直流分量與第一參數與第二參數之間的相位相稱。
21.根據權利要求19所述的裝置，還包括一個處理器，該處理器對第一信號、第二信號以及幅度中至少一項進行測定。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中，處理器確定複數阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度等參數中的至少一項。
23.根據權利要求13所述的相位檢測器，其中，第一信號為正弦信號，以及第二信號為正弦信號。
24.根據權利要求13所述的相位檢測器，其中，第一信號與第二信號中一個被表示為Acos(ωt)，另一個被表示為Acos(ωt+P)，其中，ω表示第一與第二參數信號的頻率，t表示時間，P表示相位，A和B為常數，其中，混合信號被表示為s=(AB)2[cos(2t+P)+cos(P)],]]>並且其中，與相位相稱的直流分量被表示為(AB)2cos(P).]]>
25.根據權利要求24所述的相位檢測器，其中，相位P被表示為P=arccos(2sAB).]]>
26.一種用於相位檢測的方法，包括下列步驟提供一個具有耦合器的供電系統，其中耦合器接收功率發生器的輸出；使用功率耦合器來檢測第一參數和第二參數；分別基於第一參數與第二參數產生第一信號與第二信號，這兩個信號分別隨第一參數與第二參數而變化；以及根據第一參數和第二參數來確定第一信號與第二信號之間的相對相位。
27.根據權利要求26所述的方法，還包括產生一個幅度信號的步驟，該幅度信號隨第一參數與第二參數之間的相位的幅度而變化。
28.根據權利要求26所述的方法，還包括產生一個隨第一參數與第二參數之間的相位的符號而變化的信號的步驟。
29.根據權利要求26所述的方法，還包括對第一信號、第二信號以及幅度中至少一項進行測定的步驟。
30.根據權利要求26所述的方法，還包括確定複數負載阻抗、正向功率與反射功率之和的駐波比、無功功率、耦合器上的電壓幅度以及耦合器上的電流幅度等參數中至少一項的步驟。
全文摘要
一種基於一個功率耦合器的輸出信號來確定相位的相位檢測器。該功率耦合器輸出第一信號與第二信號。第一信號及第二信號被輸入到一個幅度檢測器,後者確定第一信號與第二信號之間的相對相位的幅度。第一信號與第二信號還被輸入到一個符號鑑別器,後者確定第一信號與第二信號之間的相位的符號。
文檔編號H05H1/00GK1380730SQ02106429
公開日2002年11月20日 申請日期2002年2月28日 優先權日2001年4月6日
發明者凱文·P·納斯曼 申請人:Eni技術公司