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射频匹配器的原理与设计
射频匹配器的原理与设计
应用物理系电子信息工程专业00级4班学生：
刘京华
指导教师：
曾旺辉
摘要
众所周知，功率在传输进程中终究是有损耗的。
关于日趋普及的芯片也不例外。
在芯片的生产进程中，为使其射频电源的功率传输最大化，咱们设计一个匹配器，用来使负载阻抗与射频电源的阻抗匹配，从而减少反射功率，传输功率达到最大。
在那个地址咱们所设计的确实是射频匹配器。
[关键词]：
射频匹配，传输功率，反射功率，调谐部份
Abstract
Asisknowntous,thereisinevitablepowerconsumptionduringthepowertransmission.Thesameistruewithchipswhichisincreasinglypopular.Intheprocessofmanufacturingchips,wedesignamatchtomaximizethetransmittedpower.Thetheoryisthatthematchwouldmatchtheimpedancesofradiofrequencyloadtotheradiofrequencygenerator.Sothatminimumthereflectedpowerandmaximizetheforwardpower.Andthentherateoftheforwardtothereflectedvalueismaximized.Herewhatwearedoingistheradiofrequencymatch——RFMATCH.
[Keyword]:
RFMATCH.Forwardpower.Reflectedpower.Tuningelements
1引言
随着社会的进步和科技的迅猛进展，愈来愈多的电路都集成起来，作为芯片完善着一个个神奇的功能。
电源语音IC,闪灯IC,仪器仪表、智能抄表、黑匣子等等方面。
同时，芯片也已经渗透到人类日常生活中，在咱们身旁触目皆是。
玩具集成电路，报警声、IC卡、各类电器，等等方面。
那么芯片是如何生产的呢？
它是在一个超净室圆筒腔体里，采纳物理气相沉积法，将高电荷态的离子溅镀到纯硅晶圆上来加以实现的。
此刻咱们要给那个腔体提供射频电源。
为了使得电源功率取得最大传输，咱们采纳射频匹配器，来匹配射频发生器和负载腔体的阻抗。
本课题所设计的即为射频匹配器（RadioFrequencyMatch）。
射频匹配器的作用是将的信号从高功率射频发生器耦合到负载，如腔体。
那个负载的特点是：
它的阻抗随腔体中运行进程的参数而转变的。
那个匹配器检测腔体负载的状态，调剂可变电容和可变电感的位置，以提供最大功率给腔体，也确实是说，反射回到射频发生器的功率最小化了。
本匹配器的性能要求如下：
（1）检测板中，从射频发生器出来的信号其传输功率在0～1000W之间，其反射功率也在0～1000W之间。
（2）操纵板中，从射频发生器出来的传输信号的电压在-12～+12V之间，其反射信号在0～之间。
（3）电源有严格的电压输入值。
（4）可变电感调谐的预设置为-5V～+5V
（5）可变电感调谐电位器设置为-12V～+12V
（6）在组装如此的匹配器时，在注意很多关键步骤。
如可变电容的叶片和可变电感电感刀片系统的结构原理
2RF匹配器的结构原理
RF匹配器是把来自高功率RF信号发器的13．56MHz的能量耦合到—个负载上去，比如一个加工室。
那个负载是一个可变的阻抗，其阻抗是随着加工室中加工的运作而转变的。
RF匹配器自动检测那个负载的情形，通过调整它内部的调谐元件的位置使被耦合到加工室里的功率最大。
固然，如此反射回RF信号发生器的功率也就最小。
RF匹配器的工作原理方框图如图2-1所示。
图2-1RF匹配器方框图
注意：
调谐元件是两个特殊的可调的电抗元件：
一个是可调电感，一个是可调电容。
在传输途径中，RF功率分成两部份：
传输功率（Pf）和反射功率（Pr）。
理想状
态是Pr／Pr的比值高。
只要信号源和负载的阻抗匹配，就能够够达到理想状态。
RF匹配器的目的确实是通过适本地调整调谐元件以改变阻抗，使负载与RF信号源产生匹配。
匹配器是由检波板（DECETOR）、探测板（PROBE）、操纵板（CONTROL）和调谐元件（TUNINGELEMENTS）组成。
当RF信号发生器输出一个RF（13．56MHz）的信号时，一方面由RF匹配器的检测板将该信号耦合到调谐元件上，通过调谐元件最终传输到RF负载上。
另一方面，由于RF负载是可变的阻抗，这必然会显现RF负载与RF信号源不相匹配的情形，而使RF负载取得的功率不是最大，并产生一个反射回RF信号源的功率信号。
因此，检测板自动检测传输信号和反射信号并产生相位误差和幅度误差信号，将这两个误差信号送到操纵板中。
操纵板依照这两个误差信号的大小去驱动两个电机（一个是调谐电动机带动可调电感的转柄，一个是负载电动机带动可调电容的转柄）。
这两个电动机依照两个误差信号的大小来调整两个调谐元件动片的位置，以改变这两个元件的电抗值，使其尽可能地接近RF负载的条件，让RF负载取得的功率最大。
这两个误差信号越小，调谐元件越容易调整到位，而且容易谐振。
当匹配器产生调谐时，反射功率最小，所有的传输功率全数耦合到RF负载上。
在检测板检测信号的同时，还有一个探测板在RF匹配的输入端探测传输的反射信号，并将其送入到操纵板中，通过操纵板的放大处置，由公共诊断总线送入另一系统。
3检测板
检测板的作用
检测板检测负载的状态，调剂内部电感刀片和电容叶片的位置，以提供最大功率给腔体，也确实是说，反射回到射频发生器的功率最小。
具体地说，检测板的作用是：
检测负载状态，产生操纵和误差信号，这些信号随后被用来调整RF匹配器的调谐元件（刀片和叶片）。
这些信号传到射频匹配器的操纵板，再驱动刀片和叶片以使误差信号最小化。
因此，检测板就相当于在一个深度循环电路里充当传感器的作用。
此回路包括：
电感刀片和电容叶片，操纵板，固然还有射频匹配器的负载（腔体）。
检测板功能与原理
检测板检测出信号发生器产生的传输功率和负载产生的反射功率，在这两个输入信号Pf和Pr之间，检波板通过比较振幅和相位的关系（这些关系是由负载的RF阻抗决定的），产生幅度和相位误差信号，此误差信号取决于射频匹配器的调剂周密度。
误差越小，说明射频匹配器调剂得越周密度。
传输功率和反射功率的幅度也作为匹配器的状态和操纵信号。
调剂好匹配器后，反射功率最小，传输功率最大，即大体上所有的传输功率都接入负载。
相位误差信号由操纵板来处置，以操纵可变电感（可变电感调谐），幅度误差信号也由操纵板来处置，但它是操纵可变电容（可变电容负载）。
传输信号产生的信号在操纵板上既是操纵信号，又是状态信号。
若是传输功率超过任何一个设置值，那么就有一个LED会亮，同时操纵调谐。
反射信号产生的信号作为状态指示，反映反射功率何时超过阈值。
检测板在射频匹配器的输入端，用来连接和分离传输信号及反射信号。
分离的传输及反射信号及状态信号由相似电路来处置，检测板通过比较两个输入信号的辐度关系，相位关系，从而产生相位和辐度误差信号。
这些关系都由腔体负载的射频阻抗和射频匹配器的调谐程度决定；检测板还会产生传输和反射的操纵信号及状态信号。
检测板在匹配器的输入端通过耦合分离出Pf和Pr信号。
这两个分离的信号在相似的电路中被处置成相位和幅度误差信号，及FORW和REFL操纵或状态信号。
处置这些信号的电路包括定向耦合器，低通滤波器，功率分派器，移相器，鉴相器和信号检波器。
如图3-1所示。
图3-1
图中英文的说明如下：
⑴RFFROMGEN.——从射频发生器来的射频信号。
⑵DIRECTIONALCOUPLE——分向耦合器。
分开传输及反射功率。
即T1。
⑶Pforward——传输功率信号
⑷RFTOMATCH——送往匹配器原射频信号。
⑸Forward——传输信号。
⑹Reflected——反射回来的信号。
⑺LOWPASSFILTER——低通滤波器。
因为腔体负载是非线性的，会产生谐波。
它是用来抑制这些谐波的。
⑻DET——检测器的检测部份。
⑼FORW.——传输信号。
是FORWARD的缩写形式。
⑽REFL——反射信号。
是REFLECTED的缩写形式。
⑾MAG.——辐度信号。
⑿PHASE——相位信号。
⒀POWERSPLITTER——等功率分派器。
即U3。
辐度信号和相位信号的功率是相等的。
⒁PHASEDETECTOR——相位检测器
⒂PHASESHIFTER——移相器。
别离是U7和U2。
上面的移相器产生辐度及相位检测器的工作点
（l）定向耦合器（T1）（DIRECTIONALCOUPLER）
定向耦合器T1的作用是将传输功率Pf和反射功率Pr分开，别离转换成传输信号和反射信号。
T1与C7、C17是可调谐的。
T1的低级是RF通道。
Pf的一部份被耦合到次级电路的中点。
次级组成差动输出方式，对在T1中分离的盯和h进矢量合成，产生传输信号和反射信号。
分离这两个信号的功率的能力就叫做指向性（DIRECTIVITY），可通过C7和C17调到最正确。
能分开这两个功率就叫做方向性。
那个方向性能够通过C7和C17的调谐来达到最优。
（2）低通滤波器（LOWPASSFILTERING）
RF匹配的负载（腔体负载）是非线性的，因此，就会产生13．56MHz的谐波。
其功率的大小町以与取得的低反射功率的大小相较拟。
当匹配器处于调谐区时，这就会阻碍最正确调谐。
低通滤波器U1和U3确实是要抑制掉这些谐波。
（3）传输和反射（FORWANDREFL）
FORWANDREFL肛凡射频匹配器要紧包括了检测板，操纵板和调谐部份三个要紧部份。
见上图3-1所示。
其硬件原理和作用分述如下：
传输和反射电压信号被检测和被滤波后，别离产生FORW和REFL信号。
FORW信号足由操纵板处置成一个操纵信号和一个状态信号，REFL信号只处置成状态信号。
（4）鉴相器（PHASEDETECTORS）
有两个相同的鉴相器U5和U10，一个是要输出PHASE（U10），另一个是要输出MAG（U5），它们是双平稳混合器。
每一个鉴相器有两个输入端和一个输出端。
每一个鉴相器的——个输入都是由功率分派器产生的传输信号，它们的振幅和相位相等的。
它们的另一个输入是经低通滤波、移相后形成的反射信号。
在这两个鉴相器中，这两输入信号的振幅和相位也相同，但是在相位通道里有一个附加移相器。
鉴相器的相位和幅度输出信号经达滤波后送到操纵板作进一步的处置。
一个输入是由功率分派器分离出来的，过滤了的，传输信号，该信号的幅度和相位的功率相等。
另一个输入是通过过滤，相位移相的，被分离出来的反射信号。
此输入在两个检波器中幅度相等。
在相位通道里还有一相位移相器。
相位检波器输出来的相位及幅度信号，通过过滤后，传给操纵板进行下一步处置。
（5）功率分派器（POWERSPLITTERS）
在检测板顶用了两个功率分派器U3和U8。
它们在检波器中分离出的幅度和相位信号的功率输出相等。
（6）移相器（PHASESHIFTERS）
第—个移相器U7确信幅度斗目位鉴相器的工作点，第二个移相器U12被连到相位通道早的鉴相器。
移相器的值取决于应用而且与匹配器的操作有关。
每一个移相器工作在13．56MHz最优化。
在0．1VDC-6．0VDC之间，通过改变电压Vcm和Vcp的值，能够取得相位移180度。
这些操纵电压来自R19和R22及6．9VDC稳压管U13组成的电路。
相位移相值取决于操作，而且与匹配器的运行有复杂的关系，已超出本文件的讨论范围。
检测板的原理图如图3-2所示。
图3-2检测板原理图
4操纵板
操纵板的作用
操纵板有两个要紧功能：
第一个是对来自检测板的两个误差信号进行操作并提供信号处置。
随后驱动两个电动机，各自操纵一个内部可变的电感器和电容器（两个调谐元件）的位置，直到来自检测板的误差信号为零为止；第二个功能是为调谐元件确信初始或复位条件提供一种手腕。
在发送RJ能量的初始期间，处置室会引发很高的可变负载阻抗。
若是调谐元件能够被预置初始条件值，那么RP匹配器的调谐处置就会加速。
预置值的大小依如实际应用来定，在RP匹配器中，预置（复位）一方面是内部设置的；另一方面是由外部系统操纵。
这确实是说人工调谐RP匹配器也是第二项操纵功能。
其他功能还有：
功率转换和分派、互锁信号的发送，状态的指示和诊断信号的处置。
显示负载直流偏置条件，RF电流、电压和盯匹配器的输出相位。
因此，检测板，操纵板，和可变电感的刀片和可变电容的叶片组成了一个循环。
（1）可变电感的刀片和可变电容的叶片设置初始状态，进行预设置。
在射频第一次应用的进程中，负载腔体在运行时，其负载阻抗转变专门大。
若是可变电感的刀片和可变电容的叶片的状态能够预设置的话，可变电感的刀片和可变电容的叶片就能够加速调剂。
预设置的量在不同应用中是不同的，有时预设置是内部设置，有时由外部操纵器来设置。
手动操纵也是一种。
（2）它功能包括功率和分派，传输互锁信号，状态显示，处置诊断信号（该诊断信号说明匹配器内部负载的直流偏置状态），和射频输出的电流，电压，相位。
操纵板工作原理
4.2.1射频匹配器元件及系统的接口
接口能够分成两个要紧部份，连接到RF匹配器的接口是操作的核心。
第二部份是由两个外接口组成。
接口框图如图4-1所示。
检测板自动检测负载条件并产生相位和幅度误差信号，使RF匹配器调谐尽可能地接近负载条件。
误差信号越小，匹配器越接近调谐。
FORW和REFL的幅度也被检测和传递以作进一步的处置。
当匹配器调谐时，反射功率最小，传输功率全数被耦合到负载上。
RF探测板在匹配器的RF信号的输出端检测RF功率的参数：
Vp，Ip相位和DC偏置。
这些参数被传送到操纵板上。
RF互锁功能是一个两线环，它自动检测过温开关的情形和匹配器中RF通道的有平安的RF连接。
当那个环路闭合时，所有的连接都做好而且RF的通道是平安的。
当它开路时，那么说明一些连接没有接好，情形是不平安的。
附加到互锁装罾上的还有操纵板上的风扇互锁，它自动检测风扇是不是插上电源及它们的电流是不是正常。
这些都是人员平安职责，免于电击及受灼热。
其它的要紧接口是RF匹配的外部接口，这些是系统和公共诊断总线，系统总线传送功率和操纵信号到操纵板上，而且同意返回的状态情形。
平安互锁环也被送到那个总线上。
公共诊断输出总线包括被处置的FORW和REFL功率，负载位置和RF探测信号。
图4-1操纵板接口图
图中对应英文作说明如下：
⑴射频匹配器CONTROL——射频匹配器的操纵PCB板。
⑵DETECTOR——检测器。
如前所述，它的作用是检测负载状态；产生误差信号。
当射频匹配器调剂好以后，反射功率最小。
⑶可变电感调谐MOTOR——电感调谐的驱动电机
⑷可变电感调谐POT——电感调谐的电位器，能够测出电感刀片的位置
⑸VARIABLEINDUCTOR——可变电感。
它通过电感刀片和转轴来改变电感。
⑹可变电容负载MOTOR——电容负载的驱动电机
⑺可变电容负载POT——电容负载的电位器
⑻AIRVARIABLECAP——空气可变电容。
它也通过其电容叶片和转轴来改变电容值。
⑼射频&OTINTERLOCKS——射频与过温互锁。
⑽射频PROBE——射频探测器。
它在匹配器的射频输出端检测出射频功率的参数，如峰值电压Vp，峰值电流等Ip，并送入操纵板内。
⑾FANS——风扇.
⑿SYSTEMBUS——系统总线。
通过系统总线向操纵板输入电源和操纵信号，并接收状态返回信息及互锁信号。
⒀COMMONDIAGNOSTICSBUS——公共诊断总线路。
通过它输出已处置事后的传输
及反射功率，可变电容负载位置，和射频探测的信息。
4.2.2第一项操纵功能
在操纵板上操纵功能是由两个相同而独立的电路组成这确实是调谐和负载操纵电
路。
如图4-2所示。
图4-2操纵板要紧功能图
图中对应英文的说明如下：
1MAGNITUDE——辐度信号。
从检测板里出来，它提供辐度误差信号,送往放大器中.
2AMPL——放大器。
原理图中的U5-A
3ANALOGMUX.——模拟多路复用器。
即U-10
4GAINSWITCHINGAMPL.——增益开关放大器。
U7-A。
5MOTORDRIVER——电机驱动器。
6可变电容负载MOTOR
7DUALMODEFEEDBACK
8OVERSHOOTLIMITING
9RANGELIMITINGCONTROL
10MODESELECT
⑾FWDPWR（AUTO）
⑿可变电容负载POTWIPERPOWITIONSIGNAL
在运行（自动）模式期间，来自检测板的幅度信号提供误差信号对负载进行处置。
那个误差信号通过一个增益可调放大器U5-A、模拟转换开关U10的一部份和一个增益自动转换放大器U7-A到差动双向驱动器。
该驱动器是由Q3-6和U7-B组成而连到负载电机上。
模拟转换开关是通过一个模式选择被切换到运行模式的，当FWDPWR（传输功率）信号或AUTO信号是当前状态时，就许诺误差信号被处置。
1）电动机驱动器
Q3和Q4是一对，Q5和Q6也是。
它们是由增益转换放大器来驱动的。
Q3／Q4对的输出被送到增益为1为U7-B，然后U7-B驱动Q5和Q6。
这两对管是以差动的方式别离驱动电动机线圈的两头，这种结构一样被称为“H”型左右对称电动机驱动。
2）增益转换放大器（U7-A）
增益转换放大器有多种增益模式。
在调谐范围内，有两种作用，一种是限制过冲量，另一种是限制调谐范围。
在RF匹配器里，通过总操纵环的动力，这多种增益功能需要被显示。
在凋谐区内，要求高的增益，误差信号最小，同时考虑到稳固因素，在其它区域那么要求较小的增益。
当放大器工作在调谐范围内时，它的反馈来自于Q3和Q4的连接点。
当幅度误差信号小而产生很小的输出到电动机时，CR33和CR34反偏。
这致使反馈打开。
因此在这时期，增益最大。
关于大的误差信号，电动机电压增加，这两个二极管中有一个是正偏，现在，增益减小，关于后者来讲，现在的增益是由R8和R20来操纵的。
另一个增益的减小是用来操纵输出电压的冲激的，冲激产生于电动机线圈的自感应系数。
CR6和CR7形成——个背对背的稳压二极管。
当通过这对管的电压超过±6．8V时，这两个二极管就将R101接入分流形成反馈，增益就减小。
4）调谐范围的限制．
在调谐范围的边界处，增益要被减小，以避免损坏或是调谐元件的误操作。
一个负载电位器与负载电动机同步转动，检测负载电动机的位置。
这位置信号来自于负载电位器的滑线电阻触头。
通过U5--D的缓冲，对门限开关对（U6-A和B）起作用。
这对电路的门限电平设为+5V，符合调谐元件的调谐范围的限制。
当任一门限开关工作时，二极管CRl0或CRll就被连接在U7-A放大器的输入和输出之间。
这不仅减少放大器的增益，而且降低了它的阻抗，驱动信号被大大地减弱，电动机停止转动。
调谐电路也是一样，但它们是由来自检测板的相位信号驱动的。
负载和调谐电路的不同的地方在于调谐范围限制是如何处置的。
调谐电动机的总范围比负载电动机小得多。
为了补偿，负载电位器的滑线电阻触头信号被R13和R14衰减，而调谐电位器的滑线电阻触头信号由U9-D放大。
4.2.3第二项操纵功能
这项操纵功能是许诺调谐元件被预置到任意初始位置或人工调谐。
这预置功能或能够用作系统操作或用来测试。
人工调谐通经常使用作工厂测试。
模式选择提供是选择第一项仍是第二项操纵功能。
如图4-３所示。
1）预置模式
模拟转换开关的当前工作部份决定于内部跳线设置和系统总线的操纵信号。
预置模式对照系统中的预期的预置信号通过缓冲U9-A送到一个加法放大器U5—C的一个输入端。
负载位置信号通过U5-D送到加法放大器的另一输入端。
然后负载电动机由它的增益驱动，驱动电路将加法放大器的输出减小到零。
当它等于零时，负载位置就等于预置的条件。
负载预置条件有三种，它们是由跳线W3的配置来决定的，当它处于位置1和2时，预置条件是由外部设置的。
当跳线被拿掉时，预置值是由R25作为内部负载预置来决定的。
图4-3操纵板第二项功能
调谐预置操作方式与此相同，由跳线W4来决定是外部设置（位置1）仍是内部设置（位置2）。
预置发光二极管变亮指示两个调谐元件处于预置。
门限开关U11-A～D检测加法放大器U5-C和U9-C的输出。
当两个调谐元件都达到预置条件时，加法放大器的输出为零，那个门限开关点亮发光二极管（LED）。
2）人工模式
人工操纵信号切换模拟转换开关让人工调谐和人工负载两种信号通过，到它们各自对应的电动机增益和驱动电路中。
人工操纵模式不考虑运行（自动）和预置模式。
人工模式是为了测试和诊断。
3）模式选择
模式选择是通过操纵模拟转换开关U10的逻辑输入来完成的。
逻辑输入是人工操纵、FWDPWR和AVTO／（PRESET）信号。
跳线W2操纵是将FWRPWR仍是AUTO／（PRESET）
被选作为操纵信号。
见表：
MODESELECT
MANUAL
CONTROL
（A1）
FWDPWRORAUTO/（PESET）
（A0）
OPERATION
SECTION
MODE
L
L
S1
PESET
L
H
S2
RUN（AUTO）
H
L
S3
MANUAL
H
H
S4
MANUAL
当运行模式为当前模式时，AUTOLED变亮，而PRSETLED只有当调谐元件处于它们的预置位置时才变亮。
注意只要MANUAL操纵线是高电平，MANUAL模式确实是优先选中。
这是因为TUNE
MANUAL和LOADMANUAL信号是被连到转换开关的第3第4这两部份上。
尽管仍显示在原理图上，可是输入到转换开关的使能端的ENABLE／（HOLD）（低电平有效）是被强迫“老是使能”。
4.2.４其它功能
1）互锁
操纵板的一个重要功能是将互锁状态传送到系统总线上。
互锁环通过系统总线和操纵板运行。
当那个环持续时，所有的互锁是“平安的”。
若是它是打开的，系统是“不平安的”而且RF信号发生器连同RF匹配器都将停止工作。
跳线W1能够确信是选择+24V仍是24VCOM涉及那个环的互锁线。
操纵那个环的有：
RF输入的固定的终端和输出连接器、在这板前面的直流电压、风扇是不是插上电源、风扇电流的值和在RF匹配器中的过热开关的状态。
风扇插上电源是在P5上检测。
RF电缆输入的存在、输出电缆的特有的端和过热开关的状态是通过P1检测。
2）传输功率和反射功率信号是由检测板产生的。
当RF匹配器中的RF功率电平超过某个门限时，它们通过U13放大送到门限开关U4-B和C，发光二极管指示器DS4-A和B变亮。
那个功率电平门限在U13-A和C中调剂。
当传输功率超过它的门限电平常，门限开关的输出产生高电平并产生FWDPWR操纵信号，为了一些应用，靠跳线W2的位置，将RF匹配器设为运行模式去调谐RF匹配器。
3）诊断处置
诊断信号Vp、Ip、相位和DCBIAS信号由RF探测板产生，被操纵板上的缓冲罪U14-A-D缓冲。
这些信号被送到公共诊断总线上。
依托这种应用，Vp、Ip或DCBIAS信号能够通过跳线W5来选择任一个送到系统总线上。
当有足够的信号时，由W5选择的信号将点
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