CN104062492B - 射频功率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种射频功率测量系统，包括：用于传输射频功率信号的同轴功率传输装置，包括内导体棒和外导体环，内导体棒套设在外导体环内；电压探头，设置在外导体环上，用于检测同轴功率传输装置的射频电压信号；第一电流探头和第二电流探头，设置在外导体环上且沿内导体棒的轴向分布在电压探头的两侧；信号采集与处理器，分别与电压探头、第一电流探头和第二电流探头相连，以根据电压探头检测到的射频电压信号、第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定射频功率信号的射频功率。本发明的射频功率测量系统，能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，且该系统结构简单、可靠。

Description

射频功率测量系统

技术领域

本发明涉及电工技术领域，特别涉及一种射频功率测量系统。

背景技术

射频等离子体被广泛应用于等离子体材料处理工艺中，如半导体材料的刻蚀和等离子体增强化学气相沉积等。在这些工艺过程中，由电极耦合到等离子体的射频功率是一个非常重要的控制参数，需要对其进行准确测量。通常采用一个电压探头和一个电流分别测量电极处的电压波形和电流波形，再由以下公式计算射频耦合功率P(入射功率与反射功率之差)

P＝|V||I|cosθ

其中|V|为电压有效值，|I|为电流有效值，θ为电压波形与电流波形的相位差。该方法的主要误差来自于θ的误差。

当负载为匹配负载时，以上方法可以给出耦合功率的准确结果。然而对于常见的两种射频等离子体——电感耦合等离子体和电容耦合等离子体来说，以上方法会存在较大误差。这是因为在这两种放电中，等离子体等效阻抗的电抗部分远大于电阻部分。对于射频功率来说，等离子体是一个极不匹配负载，θ≈±90°。此时，θ的微小误差会给功率测量带来很大的误差。例如，cos89.5°≈0.0087，cos89°≈0.0174，因此当θ≈89°时，0.5°的相位测量误差会给功率测量带来100％的误差。对于频率为60MHz的射频信号来说，1cm的距离所对应的相位差约为0.72°。因此，电压探头和电流探头的间距必须足够小以减少相位差测量的误差。实际情况中，电压探头和电流探头的距离为几个厘米。因此以上方法难以在高频情况下使用。

另一方面，由探头间距引起的相位差还依赖于负载的阻抗。例如，当负载为匹配负载时，入射的射频信号均被负载吸收，反射信号为零。假设入射射频信号先到达电压探头而后到达电流探头，则电流探头处的电流信号比电压探头处的电流信号滞后，即存在相位差。而当负载为开路负载时，入射的射频信号完全被反射，且反射信号与入射信号幅值相同。在这种情况下，入射信号首先到达电压探头而反射信号首先到达电流探头。对于两个方向的射频信号，探头间距引起的相位差大小相等方向相反，两者互相抵消。此时，电流探头处的电流信号与电压探头处的电流信号是同相位的，即不存在相位差。因此，对探头间距引起的相位差的确定还需要知道负载的准确阻抗。而射频等离子体等效负载的阻抗通常难以确定，给功率测量带来了很大的误差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种射频功率测量系统，该系统能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，并且该系统结构简单、可靠。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种射频功率测量系统，包括：用于传输射频功率信号的同轴功率传输装置，所述同轴功率传输装置包括内导体棒和外导体环，所述内导体棒套设在所述外导体环内；电压探头，所述电压探头设置在所述外导体环上，用于检测所述同轴功率传输装置的射频电压信号；第一电流探头和第二电流探头，所述第一电流探头和第二电流探头设置在所述外导体环上且沿所述内导体棒的轴向上分布在所述电压探头的两侧；信号采集与处理器，所述信号采集与处理器分别与所述电压探头、所述第一电流探头和第二电流探头相连，以根据所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定所述射频功率信号的射频功率。

根据本发明实施例的射频功率测量系统，能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，并且该系统结构简单、可靠。从而该系统可用于准确测量射频等离子体材料处理工艺中的耦合功率，从而可能有利于改进工艺参数。同时，该系统可应用于不同负载情况下，在各种射频功率测量领域均有广泛的应用前景。

另外，根据本发明上述实施例的射频功率测量系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述第一电流探头和所述电压探头之间的距离与所述第二电流探头和所述电压探头之间的距离相同。

在一些示例中，所述第一电流探头和所述电压探头的距离以及所述第二电流探头与所述电压探头的距离均为1cm。

在一些示例中，所述信号采集与处理器通过同轴电缆采集所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和所述第二电流探头检测到的射频电流信号。

在一些示例中，所述同轴电缆的特征阻抗和所述信号采集与处理器的内阻均为50欧姆。

在一些示例中，所述电压头探为容性探头。

在一些示例中，还包括：标定模块，所述标定模块用于通过网络分析仪对所述电压探头、所述第一电流探头和所述第二电流探头进行标定，以得到所述电压探头与所述内导体棒之间的电容，以及所述第一电流探头或所述第二电流探头所在处的电感。

在一些示例中，所述根据所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定所述射频功率信号的射频功率，进一步包括：

根据所述射频电压信号计算所述电压波形，所述电压波形为：

其中，V_m(x,t)为所述电压探头检测到的射频电压信号，R为所述信号采集与处理器的内阻，C为所述电压探头与所述内导体棒之间的电容；

根据所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号计算所述电压探头处的电流波形，电压探头处的电流波形为：

其中，I_m(x,t)为所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号的平均值，L为所述第一电流探头或所述第二电流探头所在处的电感；

根据所述电压波形和所述电压探头处的电流波形计算所述射频功率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的射频功率测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的射频功率测量系统。

图1为根据本发明一个实施例的射频功率测量系统的结构示意图。如图1所示，根据本发明一个实施例的射频功率测量系统100(图中未示出)，包括：同轴功率传输装置110(图中未示出)、电压探头120、第一电流探头130、第二电流探头140和信号采集与处理器150。

具体而言，同轴功率传输装置110用于传输射频功率信号，且包括内导体棒111和外导体环112，内导体棒111套设在外导体环112内。在具体地实施过程中，将同轴功率传输装置110串联进待测量的回路。

电压探头120设置在外导体环112上，用于检测同轴功率传输装置110的射频电压信号。在本发明的一个实施例中，电压探头120例如为容性探头。

第一电流探头130和第二电流探头140设置在外导体环112上且沿内导体棒111的轴向分布在电压探头120的两侧。在本发明的一个实施例中，第一电流探头130和电压探头120之间的距离与第二电流探头140和电压探头120之间的距离相同。更为具体地，在本发明的一个实施例中，第一电流探头130和电压探头120之间的距离以及第二电流探头140和电压探头120之间的距离例如均为1cm。

信号采集与处理器150分别与电压探头120、第一电流探头130和第二电流探头140相连，以根据电压探头120检测到的射频电压信号、第一电流探头130和第二电流探头140检测到的射频电流信号确定射频功率信号的射频功率。其中，在该过程中，信号采集与处理器150例如通过同轴电缆采集电压探头120检测到的射频电压信号、第一电流探头130和第二电流探头140检测到的射频电流信号。并且，更为具体地，在一些示例中，同轴电缆的特征阻抗和信号采集与处理器150的内阻例如均为50欧姆。

进一步地，信号采集与处理器150根据电压探头120检测到的射频电压信号、第一电流探头130和第二电流探头140检测到的射频电流信号确定射频功率信号的射频功率，进一步包括：

首先根据射频电压信号计算电压探头120的电压波形，具体而言，电压波形为：

其中，V_m(x,t)为电压探头120检测到的射频电压信号，R为信号采集与处理器150的内阻(例如为50欧姆)，C为电压探头120与内导体棒111之间的电容。具体而言，信号采集与处理器150采集的的射频电压信号V_m(x,t)为真实电压波形V(x,t)的微分结果，因此，为了得到真实的电压波形，需要对射频电压信号V_m(x,t)进行积分运算。

进一步地，根据第一电流探头130和第二电流探头140检测到的射频电流信号计算电压探头120处的电流波形。具体而言，电压探头120处的电流波形为：

其中，I_m(x,t)为第一电流探头130和第二电流探头140检测到的射频电流信号的平均值，L为第一电流探头130或第二电流探头140所在处的电感。具体而言，在一些示例中，第一电流探头130和第二电流探头140测量的是外导体环112中的一个环形凹槽内表面电感上的压降，信号采集与处理器150采集的射频电流信号I_m(x,t)是真实电流波形I(x,t)的微分结果，因此，为了得到真实的电流波形，需要对射频电流信号I_m(x,t)进行积分运算。

最后，根据上述计算得到的电压波形和电压探头120处的电流波形计算射频功率信号的射频功率。作为一个具体示例，例如通过如下公式计算射频功率：

P＝|V||I|cosθ，

其中，P为射频功率信号的射频功率，|V|为电压波形的电压有效值，|I|为电压探头120处的电流波形的电流有效值，θ电压波形与电流波形的相位差。

另外，在本发明的一个实施例中，上述的射频功率测量系统100还包括标定模块160(图1中未示出)。标定模块160用于通过网络分析仪对电压探头120、第一电流探头130和第二电流探头140进行标定，以得到电压探头120与内导体棒111之间的电容，以及第一电流探头130或第二电流探头140所在处的电感。

作为一个具体示例，标定模块160通过网络分析仪对电压探头120、第一电流探头130和第二电流探头140进行标定，具体过程如下：

1.将同轴功率传输装置的一端接入网络分析仪的一个端口，将同轴功率传输装置的另一端接匹配负载。

2.将电压探头或电流探头(包括第一电流探头和第二电流探头)的输出端接入网络分析仪的另一个端口。

3.测量网络分析仪的两个端口之间的电压反射系数随频率的变化曲线。

4.对于电压探头，该电压反射系数为2πfRC，其中f为射频频率。

5.对于电流探头，该电压反射系数为2πfL/R。

根据步骤4和5中得到的电压反射系统可分别计算电压探头与内导体棒之间的电容C的值和第一电流探头或第二电流探头所在处的电感L的值。

作为一个具体示例，本发明上述实施例的射频功率测量系统100的主要结构和工作原理概括如下：

该系统在射频功率传输装置的通路上安装有一个电压探头和两个电流探头，并且两个电流探头对称地分布在电压探头的两侧。假设电压探头位置x处的电流波形为I(x,t)，一个电流探头位置x+Δx处的电流波形为I(x+Δx,t)，另一个电流探头位置x-Δx处的电流波形为I(x-Δx,t)。电压探头与电流探头的间距约为1cm，远小于射频信号的波长(约为1-100m)。因此，两个电流探头处的电流波形可以近似为：

则进一步地，满足以下公式：

综上可知，两个电流探头处的电流波形的平均值近似为电压探头处的电流波形。并且，以上关系对于入射信号和反射信号都成立，因此与负载阻抗没有关系，因此，本系统可以应用于不同负载情况下的功率测量。

根据本发明实施例的射频功率测量系统，能够消除电压探头和电流探头的空间距离导致的相位误差，对射频等离子体耦合功率具有较高的测量精度，并且该系统结构简单、可靠。从而该系统可用于准确测量射频等离子体材料处理工艺中的耦合功率，从而可能有利于改进工艺参数，同时，该系统可应用于不同负载情况下，在各种射频功率测量领域均有广泛的应用前景。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种射频功率测量系统，其特征在于，包括：

用于传输射频功率信号的同轴功率传输装置，所述同轴功率传输装置包括内导体棒和外导体环，所述内导体棒套设在所述外导体环内；

电压探头，所述电压探头设置在所述外导体环上，用于检测所述同轴功率传输装置的射频电压信号；

第一电流探头和第二电流探头，所述第一电流探头和第二电流探头设置在所述外导体环上且沿所述内导体棒的轴向分布在所述电压探头的两侧，其中，所述第一电流探头和所述电压探头之间的距离与所述第二电流探头和所述电压探头之间的距离相同；

信号采集与处理器，所述信号采集与处理器分别与所述电压探头、所述第一电流探头和第二电流探头相连，以根据所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定所述射频功率信号的射频功率，其中，所述信号采集与处理器通过同轴电缆采集所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和所述第二电流探头检测到的射频电流信号；

标定模块，所述标定模块用于通过网络分析仪对所述电压探头、所述第一电流探头和所述第二电流探头进行标定，以得到所述电压探头与所述内导体棒之间的电容，以及所述第一电流探头或所述第二电流探头所在处的电感。

2.根据权利要求1所述的射频功率测量系统，其特征在于，所述第一电流探头和所述电压探头之间的距离以及所述第二电流探头和所述电压探头之间的距离均为1cm。

3.根据权利要求1所述的射频功率测量系统，其特征在于，所述电压探头、第一电流探头和第二电流探头在外导体环中的特征阻抗等于同轴电缆的特征阻抗和所述信号采集与处理器的内阻，均为50欧姆。

4.根据权利要求1所述的射频功率测量系统，其特征在于，所述电压探头为同轴结构的容性探头。

5.根据权利要求1所述的射频功率测量系统，其特征在于，所述信号采集与处理器根据所述电压探头检测到的射频电压信号、所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号确定所述射频功率信号的射频功率，进一步包括：

根据所述射频电压信号计算同轴功率传输装置中电压探头处的电压波形，所述电压波形为：

$V(x,t)=\frac{1}{RC}\∫V_m(x,t)dt,$

其中，V_m(x,t)为所述电压探头检测到的射频电压信号，R为所述信号采集与处理器的内阻，C为所述电压探头与所述内导体棒之间的电容；

根据所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号计算所述电压探头处的电流波形，电压探头处的电流波形为：

$I(x,t)=\frac{1}{L}\∫I_m(x,t)dt,$

其中，I_m(x,t)为所述第一电流探头和第二电流探头检测到的射频电流信号的平均值，L为所述第一电流探头或所述第二电流探头所在处的电感；

根据所述电压波形和所述电压探头处的电流波形计算所述射频功率。