一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法 |
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| 申请号 | CN202410171941.5 | 申请日 | 2024-02-07 | 公开(公告)号 | CN117742441A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 深圳市广能达半导体科技有限公司; | 发明人 | 陈志辉; 邓顶阳; 张振伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，射频电源的功率 放大器 的末端 电路 中，在 功率放大器 与输出负载之间设置仅包括电感与电容的多级 滤波器 ；将功率放大器的末端电路输入仿真 软件 ，根据需求设置输出阻抗、带宽需求、元件优化范围及优化运行次数，仿真软件按照设定参数执行仿真优化，确定多级滤波器中电感与电容的优化参数。本发明提供一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，在不对原射频电源设计进行改动的情况下，在原射频电源功率放大器的末级电路中增加多级滤波器，拓宽射频电源的带宽，以适应射频电源的变频幅度，从而令射频电源能够在更宽的 频率 范围内实现扫频匹配，从而输出额定功率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，其特征在于，射频电源的功率放大器的末端电路中，在功率放大器与输出负载之间设置仅包括电感与电容的多级滤波器； |
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| 说明书全文 | 一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法技术领域背景技术[0002] 在半导体等离子体的应用中，阻抗匹配是确保等离子体在真空腔体内稳定运行的关键因素之一，若阻抗匹配不良会导致等离子体的不稳定，甚至导致设备损坏。在实际应用中，由于各种因素的影响，等离子体的阻抗可能会发生变化，半导体等离子体采用阻抗匹配的方式，增加阻抗匹配器完成阻抗匹配。具体操作为，先让射频电源检测入射功率与反射功率，然后通过计算得到功率反射系数，最终得出频率调整量，然后再固定射频电源的工作频率，调整阻抗匹配器，完成阻抗匹配，消除等离子体的阻抗变化影响，使得设备性能稳定。然而，使用阻抗匹配的方式时，由于射频电源是通过判断功率反射系数与工作频率的关系来进行射频电源的输出频率调节，即应用射频电源的调频方式以寻找射频电源合适的工作频率点，因此在射频电源进行扫频匹配时需要保证线路中的功率反射系数和射频电源的工作频率是一一对应的变化关系。 [0003] 但在实际阻抗匹配过程中，由于使用的射频电源都是针对单一固定频率进行设计的，射频电源的负载阻抗固定，当阻抗发生变化时，射频电源的负载阻抗不合适，射频电源的工作频率在一定区域中会出现震荡，从而使得反射功率与入射功率之间的比例关系无法固定，导致射频电源扫频匹配失败，输出功率因为阻抗失配无法输出额定功率，真空腔体无法实现快速阻抗匹配，导致等离子体的不稳定和设备性能的下降。 [0004] 具体的，常见的射频电源的中，当射频电源的功率放大器的输出阻抗z_pa_o和外接的阻抗z_o（一般为50欧姆）通过匹配电路共轭匹配时，功率放大器能够满功率输出，令射频电源能够输出额定功率，当他们不匹配的时候，射频电源的功率无法传输出去，反射功率和他们的阻抗反射系数/增益gamma(G)的平方成正比。尤其是当匹配网络为单一网络时，作为固定设计的单频射频电源，增益（反射系数）会在中心频率点外迅速衰落，因此在射频电源调频过程中，偏离中心频率点外的频率点无法输出足够定额的功率。 发明内容[0005] 为了解决针对单一频率设计的大功率电源在变频环境下无法输出额定功率的问题，本发明提供一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，在不对原射频电源设计进行改动的情况下，在原射频电源功率放大器的末级电路中增加多级滤波器，拓宽射频电源的带宽，以适应射频电源的变频幅度，从而令射频电源能够在更宽的频率范围内实现扫频匹配，从而输出额定功率。 [0006] 本发明技术方案如下所述：一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，射频电源的功率放大器的末端电路中，在功率放大器与输出负载之间设置仅包括电感与电容的多级滤波器； 将功率放大器的末端电路输入仿真软件，根据需求设置输出阻抗、带宽需求、元件优化范围及优化运行次数，仿真软件按照设定参数执行仿真优化，确定多级滤波器中电感与电容的优化参数。 [0007] 上述的一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，功率放大器包括第一场效应管、第四电容及第四电感，射频电源的输出端口与第四电感的一端连接，第四电感的另一端分别连接多级滤波器、第四电容的一端及第一场效应管的漏极，第一场效应管的源极与第四电容的另一端接地。 [0008] 上述的一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，多级滤波器包括多个滤波电路组成，滤波电路之间串联，滤波电路包括一个电感与一个电容，电感经电容接地，滤波电路之间的电感串联。 [0009] 进一步的，多级滤波器为三级滤波器，多级滤波器包括三个滤波电路，功率放大器连接第一滤波电路的第一电感的一端，第一滤波电路的第一电感的另一端分别连接第一滤波电路的第一电容的一端与第二滤波电路的第二电感的一端，第一电容的另一端接地，第二电感的另一端分别连接第二滤波电路的第二电容的一端与第三滤波电路的第三电感的一端，第二电容的另一端接地，第三电感的另一端分别连接第三滤波电路的第三电容的一端与输出负载的一端，第三电容的另一端接地，输出负载的另一端接地。 [0010] 进一步的，多级滤波器为三级滤波器，多级滤波器包括三个滤波电路，功率放大器的末端端口分别连接交流电源的正极、输入负载的一端及第一电感的一端，第一电感的另一端连接第三电容的一端与第二电感的一端，第三电容的另一端接地，第二电感的另一端分别连接的第二电容的一端与第三电感的一端，第二电容的另一端接地，第三电感的另一端分别连接第一电容的一端、输出负载的一端及输出端口，第三电容的另一端接地，输出负载的另一端接地。 [0011] 上述的一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，仿真软件为ADS仿真软件，仿真软件的使用步骤包括：步骤S1.打开ADS仿真软件，进入原理图编辑界面，根据末端电路结构搭建仿真电路，放置仿真电路元件，并对元件进行属性设置； 步骤S2.在原理图界面中设置频率扫描范围； 步骤S3.选择优化选项卡设置优化目标； 步骤S4.设置仿真优化运行次数； 步骤S5.开始仿真优化，得到目标元件仿真数值。 [0012] 进一步的，在步骤S1中，根据设计需求，优先搭建4极或6极的滤波器，后根据元件仿真数值进行极数的删减。 [0013] 进一步的，在步骤S1中，输出负载的阻抗设置为射频电源的输出阻抗。 [0014] 进一步的，在步骤S2中，频率扫描范围为设计需求的射频电源的带宽范围。 [0015] 进一步的，在步骤S4之前，根据设计需求设置目标元件优化范围。 [0016] 根据上述方案的本发明，其有益效果在于，1.不对原有设置的射频电源电路进行改动，而是选择增添的方式增加本发明的多级滤波器，且确定是在射频电路末端电路设置，无需对现有的射频电源进行任何改动，可以成功地对现有的针对单一频率设计的大功率射频电源进行改动，令其能够在变频环境中输出额定功率。 [0017] 2.本发明的电路结构简单，采用元件少，实行可行性高，成本低。 [0018] 3.本发明采用ADS仿真软件确定增加的多级滤波器的方式实行的可行性，其中针对本发明的目的，明确了多级滤波器的频率扫描范围等于射频电源的设计带宽范围，以令最终优化选择的元件参数满足射频电源能够在变频环境中输出额定功率的目的。附图说明 [0019] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0020] 图1为本发明的实施例一的电路结构示意图。 [0021] 图2为本发明的实施例二的电路结构示意图。 具体实施方式[0022] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0023] 一种令大功率射频电源在变频环境下输出额定功率的方法，射频电源的功率放大器的末端电路中，在功率放大器与输出负载之间设置仅包括电感与电容的多级滤波器.在本实施例中，如图1所示，在功率放大器的末端电路中，功率放大器与输出负载之间设置三级滤波器。功率放大器的末端端口分别连接交流电源的正极、输入负载的一端及第一电感的一端，第一电感的另一端连接第三电容的一端与第二电感的一端，第三电容的另一端接地，第二电感的另一端分别连接的第二电容的一端与第三电感的一端，第二电容的另一端接地，第三电感的另一端分别连接第一电容的一端、输出负载的一端及输出端口，第三电容的另一端接地，输出负载的另一端接地。 [0024] 在另一种实施例中，如图2所示，在功率放大器的末端电路中，功率放大器与输出负载之间设置三级滤波器，三级滤波器包括三个滤波电路，功率放大器连接第一滤波电路的第一电感的一端，第一滤波电路的第一电感的另一端分别连接第一滤波电路的第一电容的一端与第二滤波电路的第二电感的一端，第一电容的另一端接地，第二电感的另一端分别连接第二滤波电路的第二电容的一端与第三滤波电路的第三电感的一端，第二电容的另一端接地，第三电感的另一端分别连接第三滤波电路的第三电容的一端与输出负载的一端，第三电容的另一端接地，输出负载的另一端接地。 [0025] 将功率放大器的末端电路输入仿真软件，根据需求设置输出阻抗、带宽需求、元件优化范围及优化运行次数，仿真软件按照设定参数执行仿真优化，确定多级滤波器中电感与电容的优化参数。 [0026] 仿真软件为ADS仿真软件，仿真软件的使用步骤包括：步骤S1.打开ADS仿真软件，进入原理图编辑界面，根据末端电路结构搭建仿真电路，放置仿真电路元件，并对元件进行属性设置。 [0027] 打开ADS软件，进入原理图编辑界面。从元件库中选择适当的电感元件与电容元件，在本实施例中，设置三级滤波器，设置三个电感元件与三个电容原件爱你，根据电路的配置放置好电感元件与电容元件。同样的，从元件库中选择其他的电子元件，设置好末端电路。通常情况下，优先搭建4极或6极的滤波器，然后通过步骤S5得出的仿真数值进行删除或增加滤波器的极数。 [0028] 根据末端电路配置好电子元件后，双击每个元件以进入其属性设置，设置每个元件的值与封装。其中，在原理图编辑界面中找到并点击“工具”菜单中的“电路参数扫描”，然后选择“设置输出阻抗”和“设置输入阻抗”，输入功率放大器的输出阻抗与射频电源的输出阻抗。对于输入阻抗，末端电路的输入阻抗应设置为功率放大器的输出阻抗，需要自行测量或根据功率放大器的规格书设定此值；对于输出阻抗，通常设置为50ohm，可根据应用需求调整输出阻抗数值。 [0029] 步骤S2.在原理图界面中设置频率扫描范围。 [0030] 在原理图编辑界面中找到并点击“仿真控制器”。在仿真控制器界面，找到“sweep”选项并设置起始频率与终止频率。在本实施例中，设置起始频率为57MHz，终止频率为63MHz。此处的频率范围即为射频电源频率扫描范围，也等于射频电源末端设置多级滤波器的带宽。如果需要更精确的控制，可以通过百分比调整，例如设置为60MHz±5%。 [0031] 步骤S3.选择优化选项卡设置优化目标。 [0032] 在仿真控制器界面设定优化目标，选择“优化”选项卡，设置优化目标的最小值与最大值。在本实施例中，设置射频电源为优化目标，设置射频电源第一网络端口的入射波与反射波的比值，也称为反射系数，最小值为‑35db，最大值为‑30db。在其他实施例中，可以使用其他S参数作为优化目标，如射频电源的其他网络端口的反射系数，射频电源网络端口的正向传输系数与反向传输系数。 [0033] 在步骤S4之前，根据设计需求设置目标元件优化范围。 [0034] 为了提高优化速度，可以先进行初步的估计或计算一个大致的优化范围。在元件列表中，选择您想要优化的LC元件。在“优化”选项卡中，找到并点击“变量”选项，输入所估计或预测的优化范围，减少仿真软件运行的计算量，令优化数值更为精确。另一方面，可以通过可选的元件参数范围作为优化范围，或者是计算其他项目式，为了计算出可选择范围最优解，输入存在限制的元件参数范围作为优化范围。 [0035] 步骤S4.设置仿真优化运行次数。 [0036] 在“优化”选项卡中，设定优化运行次数，对仿真优化运算次数进行限制。运行次数的设置决定于电路的收敛速度与需求目标的严格程度，必要时进行多次迭代运行。常见的运行次数为1000至10000次，本实施例中，由于多级滤波器的元件简单，同时扫频需求精度为5%的数值要求，严格程度小，因此运行次数采用1000次，减少仿真运行时间与降低计算硬件需求标准。 [0037] 步骤S5.开始仿真优化，得到目标元件仿真数值。 [0038] 点击“开始”按钮开始优化过程。在此过程中，软件将尝试找到满足所有设定条件的最佳元件值，优化完成后，软件将提供一个或多个优化后的元件数值，这些元件数值是理论上的最优解，实际应用中可能需要进行进一步的调整和验证。 [0039] 故而，在得到目标元件仿真数值后，将优化后的元件值复制到原理图中，并重新运行仿真以验证性能，同时考虑到寄生效应与PCB布局的影响，根据以往统计的校正数值对元件值进行微调，再进行进一步的测试和验证。 |
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