CN110456136A - 一种射频匹配网络及射频电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频匹配网络，在获取L/C网络输出的射频交流电时，充分考虑到环境温度对信号采集的影响，恒温采样模块会先对自身所处的环境温度进行调整，以将环境温度调整至预设温度范围内，然后采集L/C网络输出端的射频交流电，以便后续第一处理器根据射频交流电通过所述驱动电路对L/C网络进行阻抗调整，实现L/C网络及负载的网络匹配。可见，由于恒温采样模块实现的是恒温采集，从而保证了自身静态工作点的稳定，使得采样信号不会发生失真，提高了采样信号的采样精度及后续的阻抗匹配精度，提高了射频电源系统的工作效率。本发明还公开了一种射频电源系统，具有与上述射频匹配网络相同的优点。
Description
技术领域
本发明涉及射频电源技术领域，特别是涉及一种射频匹配网络及射频电源系统。
背景技术
射频电源系统中的射频电源的负载可以为等离子体，考虑到等离子体的阻抗随时变化，为了实现阻抗匹配，提高射频电源系统的工作效率，现有的射频电源系统除了包括射频电源，还包括设置于射频电源与负载之间的射频匹配网络，以通过对射频匹配网络中L/C匹配网络的阻抗的调整来实现L/C匹配网络与负载的阻抗之和与射频电源的阻抗的匹配。在对L/C匹配网络的阻抗调整的过程中，通常要对经过射频匹配网络阻抗匹配后输出至负载的输出电源进行采样，现有的采样电路受所处环境温度的影响，在环境温度发生变化时其静态工作点也发生变化，从而造成采样信号的失真，降低了阻抗匹配的精度，降低了射频电源系统的工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频匹配网络及射频电源系统，提高了采样信号的采样精度及后续的阻抗匹配精度，提高了射频电源系统的工作效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种射频匹配网络，包括：
输入端与射频电源连接、输出端与负载连接的L/C网络；
与所述L/C网络的控制端连接的驱动电路；
与所述L/C网络的输出端连接的恒温采样模块，用于将自身所处环境温度调整在预设温度范围内，并采集所述L/C网络输出端的射频交流电；
分别与所述恒温采样模块及所述驱动电路连接的第一处理器，用于根据所述射频交流电通过所述驱动电路对所述L/C网络进行阻抗调整，以实现所述L/C网络及负载的网络匹配。
优选地，所述恒温采样模块包括：
电压采样模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电压；
电流采样模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电流；
温度传感器，用于采集自身所处的环境温度；
加热模块和制冷模块；
分别与所述电压采样模块、所述电流采样模、所述温度传感器、所述加热模块和所述制冷模块连接的第二处理器，用于通过控制所述加热模块和所述制冷模块将所述环境温度保持在预设温度范围内并输出所述射频交流电压和所述射频交流电流。
优选地，所述恒温采样模块还包括：
ARC弧检测模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电压采样率和射频交流电流采样率；
所述第二处理器与所述ARC弧检测模块连接，还用于输出所述射频交流电压采样率和射频交流电流采样率，以便所述第一处理器以所述电压采样率不超过电压采样率阈值以及电流采样率不超过电流采样率阈值为约束条件对所述L/C网络进行阻抗调整。
优选地，所述加热模块包括：
控制端与所述第二处理器连接的第一开关；
加热器件及第一电源，所述加热器件、第一电源及所述第一开关构成串联回路。
优选地，所述制冷模块包括：
控制端与所述第二处理器连接的第二开关；
制冷器件及第二电源，所述制冷器件、所述第二电源及所述第二开关构成串联回路。
优选地，所述电压采样模块包括：
用于采集射频交流电压的电压传感器；
所述电流采样模块包括：
用于采集射频交流电流的电流传感器；
所述ARC弧检测模块包括：
用于采集射频交流电压采样率和射频交流电流采样率的ARC传感器；
所述电压采样模块、所述电流采样模块及所述ARC传感器均还包括：
与各自对应传感器连接的低通滤波器，用于滤除各自采样信号中的高频分量；
与所述低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的采样信号衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；
与所述衰减器连接的单转双模块，用于将衰减后的采样信号由单端信号转换为差模信号；
分别与所述单转双模块及所述第二处理器连接的ADC，用于将所述差模信号由模拟量转换为数字量。
优选地，所述驱动电路包括：
步进马达；
与所述步进马达连接的角位移传感器；
分别与所述步进马达及所述角位移传感器连接的马达驱动电路，用于根据所述第一处理器的控制信号对所述步进马达进行闭环控制。
优选地，所述第一处理器为DSP，所述第二处理器为FPGA。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种射频电源系统，包括射频电源，还包括如上述所述的射频匹配网络。
本发明提供了一种射频匹配网络，在获取L/C网络输出的射频交流电时，充分考虑到环境温度对信号采集的影响，恒温采样模块会先对自身所处的环境温度进行调整，以将环境温度调整至预设温度范围内，然后采集L/C网络输出端的射频交流电，以便后续第一处理器根据射频交流电通过所述驱动电路对L/C网络进行阻抗调整，实现L/C网络及负载的网络匹配。可见，由于恒温采样模块实现的是恒温采集，从而保证了自身静态工作点的稳定，使得采样信号不会发生失真，提高了采样信号的采样精度及后续的阻抗匹配精度，提高了射频电源系统的工作效率。
本发明还提供了一种射频电源系统，具有与上述射频匹配网络相同的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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。
图1为本发明提供的一种射频匹配网络的结构示意图；
图2为本发明提供的一种恒温采样电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种射频匹配网络及射频电源系统，提高了采样信号的采样精度及后续的阻抗匹配精度，提高了射频电源系统的工作效率。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种射频匹配网络的结构示意图，该射频匹配网络包括：
输入端与射频电源连接、输出端与负载连接的L/C网络1；
与L/C网络1的控制端连接的驱动电路2；
与L/C网络1的输出端连接的恒温采样模块3，用于将自身所处环境温度调整在预设温度范围内，并采集L/C网络1输出端的射频交流电；
分别与恒温采样模块3及驱动电路2连接的第一处理器4，用于根据射频交流电通过驱动电路2对L/C网络1进行阻抗调整，以实现L/C网络1及负载的网络匹配。
具体地，在负载的阻抗发生变化时，负载的输入端的射频交流电也会发生变化，为了实现对负载的阻抗的跟随，需要对L/C网络1输出端的射频交流电进行采集。
与现有技术中的采样模块的采样精度容易受到环境影响不同的是，本申请采用恒温采样模块3，恒温采样模块3会将自身所处环境温度保持在预设温度范围内后再进行射频交流电的采集，从而保证了射频交流电的采集精度。具体地，在环境温度升高时，恒温采样模块3会对环境温度进行降温，以将环境温度调整至预设温度范围内，在环境温度降低时，恒温采样模块3会对环境温度进行升温，以将环境温度调整至预设温度范围内。
本申请对于这里的预设温度范围不作特别的限定，其可以通过恒温采样模块3中的采样器件的适温范围来进行确定，本申请在此不作特别的限定。
第一处理器4在获取到射频交流电时，会根据射频交流电生成相应的控制信号来通过驱动电路2控制L/C网络1的阻抗，具体地，可以通过驱动电路2改变L/C网络1中的电感和/或电容值来改变L/C网络1的阻抗，进而实现L/C网络1的阻抗与负载的阻抗之和(例如可以为50Ω)与射频电源的阻抗相匹配。
综上，本发明提供的射频匹配网络，在获取L/C网络1输出的射频交流电时，充分考虑到环境温度对信号采集的影响，恒温采样模块3会先对自身所处的环境温度进行调整，以将环境温度调整至预设温度范围内，然后采集L/C网络1输出端的射频交流电，以便后续第一处理器4根据射频交流电通过驱动电路2对L/C网络1进行阻抗调整，实现L/C网络1及负载的网络匹配。可见，由于恒温采样模块3实现的是恒温采集，从而保证了自身静态工作点的稳定，使得采样信号不会发生失真，提高了采样信号的采样精度及后续的阻抗匹配精度，提高了射频电源系统的工作效率。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，恒温采样模块3包括：
电压采样模块31，用于采集L/C网络1的输出端的射频交流电压；
电流采样模块32，用于采集L/C网络1的输出端的射频交流电流；
温度传感器33，用于采集自身所处的环境温度；
加热模块34和制冷模块35；
分别与电压采样模块31、电流采样模、温度传感器33、加热模块34和制冷模块35连接的第二处理器36，用于通过控制加热模块34和制冷模块35将环境温度保持在预设温度范围内并输出射频交流电压和射频交流电流。
具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种恒温采样电路的结构示意图。
恒温采样模块3包括电压采样模块31、电流采样模块32、温度传感器33、加热模块34、制冷模块35及第二处理器36，电压采样模块31用于采集射频交流电压，电流采样模块32用来采集射频交流电流，温度传感器33用来采集第二处理器36自身所处的环境温度，第二处理器36在接收到温度传感器33采集的环境温度后，判断环境温度是否在预设温度范围内，如果环境温度小于预设温度范围的下限阈值，则说明此时环境温度较低，第二处理器36控制加热模块34进行加热，以将温度提升至预设温度范围内，如果环境温度大于预设温度范围的上限阈值，则说明此时环境温度较高，第二处理器36控制制冷模块35进行制冷，以将温度降低至预设温度范围内，通过该种方式便可将环境温度保持在预设温度范围内，从而减小环境温度对电压采样模块31和电流采样模块32的影响，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。在将环境温度保持在预设温度范围内时，第二处理器36输出射频交流电压和射频交流电流至第一处理器4。
这里的温度传感器33可以为热电偶传感器或者热电阻传感器或者为其他类型的温度传感器33，本申请在此不作特别的限定。
作为一种优选地实施例，恒温采样模块3还包括：
ARC弧检测模块37，用于采集L/C网络1的输出端的射频交流电压采样率和射频交流电流采样率；
第二处理器36与ARC弧检测模块37连接，还用于输出射频交流电压采样率和射频交流电流采样率，以便第一处理器4以电压采样率不超过电压采样率阈值以及电流采样率不超过电流采样率阈值为约束条件对L/C网络1进行阻抗调整。
具体地，当负载的阻抗剧烈变化时，负载与L/C网络1的输出端之间会产生电弧，为了减小电话，本实施例中，恒温采样模块3还包括ARC弧检测模块37，用于采集L/C网络1的输出端的射频交流电压采样率和射频交流电流采样率，射频交流电压采样率和射频交流电流采样率能够表征电弧的大小，具体地，电弧越大，射频交流电压采样率和射频交流电流采样率越大。第二处理器36在接收到ARC弧检测模块37检测到的射频交流电压采样率和射频交流电流采样率时将其输出至第一处理器4，第一处理器4在对L/C网络1进行阻抗调整时会以电压采样率不超过电压采样率阈值以及电流采样率不超过电流采样率阈值为约束条件，从而减小甚至消除电弧，提高了射频匹配网络的安全性和可靠性。
作为一种优选地实施例，加热模块34包括：
控制端与第二处理器36连接的第一开关K1；
加热器件341及第一电源E1，加热器件341、第一电源E1及第一开关K1构成串联回路。
在第二处理器36判定环境温度小于预设温度范围的下限阈值时，则说明此时环境温度较低，第二处理器36控制加热模块34进行加热，具体地，第二处理器36控制第一开关K1闭合，此时加热器件341得电，产生热量，进而提高恒温采样模块3所处的环境温度。在判定环境温度升高至预设温度范围时，控制第一开关K1断开，停止加热。这里的加热器件341可以但不仅限为电阻丝，第一开关K1可以但不仅限为MOS管。本实施例提供的加热模块34在实现对环境温度升温的基础上，结构简单且成本低。
作为一种优选地实施例，制冷模块35包括：
控制端与第二处理器36连接的第二开关K2；
制冷器件351及第二电源E2，制冷器件351、第二电源E2及第二开关K2构成串联回路。
在第二处理器36判定环境温度高于预设温度范围的上限阈值时，则说明此时环境温度较高，第二处理器36控制制冷模块35进行制冷，具体地，第二处理器36控制第二开关K2闭合，此时制冷器件351得电，进行制冷，进而降低恒温采样模块3所处的环境温度。在判定环境温度降低至预设温度范围时，控制第二开关K2断开，停止制冷。这里的制冷器件351可以但不仅限为风扇，第二开关K2可以但不仅限为MOS管。本实施例提供的制冷模块35在实现对环境温度降温的基础上，结构简单且成本低。
作为一种优选地实施例，电压采样模块31包括：
用于采集射频交流电压的电压传感器；
电流采样模块32包括：
用于采集射频交流电流的电流传感器；
ARC弧检测模块37包括：
用于采集射频交流电压采样率和射频交流电流采样率的ARC传感器；
电压采样模块31、电流采样模块32及ARC传感器均还包括：
与各自对应传感器连接的低通滤波器，用于滤除各自采样信号中的高频分量；
与低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的采样信号衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；
与衰减器连接的单转双模块，用于将衰减后的采样信号由单端信号转换为差模信号；
分别与单转双模块及第二处理器36连接的ADC，用于将差模信号由模拟量转换为数字量。
为了进一步提高电压采样模块31、电流采样模块32及ARC弧检测模块37采集到的信号精度，本申请中，电压采样模块31包括电压传感器、低通滤波器、衰减器、单转双模块及ADC；电流采样模块32包括电流传感器、低通滤波器、衰减器、单转双模块及ADC；ARC弧检测模块37包括ARC传感器、低通滤波器、衰减器、单转双模块及ADC。
具体地，各个传感器用来采集各自对应的信号，低通滤波器用来将采样信号(射频交流电压或者射频交流电流或者射频交流电压采样率或者射频交流电流采样率)中的高频信号(具体为频率超过1/2采样频率的高频分量)滤除掉，衰减器用来将滤波后采样信号衰减至单转双模块的输入信号处理范围内，单转双模块将衰减后的采样信号由单端信号转换为差模信号，以便ADC将采样信号由模拟量转换为数字量。可见，本申请对采集到的采样信号进行低通滤波，且采用数字采集的方式，进一步提高了采样信号的采集精度。
作为一种优选地实施例，驱动电路2包括：
步进马达；
与步进马达连接的角位移传感器；
分别与步进马达及角位移传感器连接的马达驱动电路2，用于根据第一处理器4的控制信号对步进马达进行闭环控制。
具体地，在实际应用功能中，步进马达可以通过控制L/C网络1中的电容的板间距离来实现对L/C网络1的阻抗的调整，为了提高对L/C网络1的阻抗控制精度，本申请中，驱动电路2除了包括步进马达和马达驱动电路2外，还包括角位移传感器，用于检测步进马达的角位移，马达驱动电路2后续便可以根据角位移来实现对步进马达的闭环控制，从而保证了步进马达在高速工作条件下不丢失步进，提高了L/C网络1的阻抗控制精度。
作为一种优选地实施例，第一处理器4为DSP，第二处理器36为FPGA。
这里的第一处理器4可以但不仅限为DSP(Digital Signal Processing，信号数字化处理)处理器，与CPU相比，DSP处理器的电路处理能力更强，速度更快，能够实现射频匹配网络的闭环快速调节。这里的第二处理器36可以但不仅限为FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程逻辑门阵列)，FPGA具有处理速度快，可编程的优点。
本发明还提供了一种射频电源系统，包括射频电源，还包括如上述的射频匹配网络。
对于本发明提供的射频电源系统的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种射频匹配网络，其特征在于，包括：
输入端与射频电源连接、输出端与负载连接的L/C网络；
与所述L/C网络的控制端连接的驱动电路；
与所述L/C网络的输出端连接的恒温采样模块，用于将自身所处环境温度调整在预设温度范围内，并采集所述L/C网络输出端的射频交流电；
分别与所述恒温采样模块及所述驱动电路连接的第一处理器，用于根据所述射频交流电通过所述驱动电路对所述L/C网络进行阻抗调整，以实现所述L/C网络及负载的网络匹配。
2.如权利要求1所述的射频匹配网络，其特征在于，所述恒温采样模块包括：
电压采样模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电压；
电流采样模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电流；
温度传感器，用于采集自身所处的环境温度；
加热模块和制冷模块；
分别与所述电压采样模块、所述电流采样模、所述温度传感器、所述加热模块和所述制冷模块连接的第二处理器，用于通过控制所述加热模块和所述制冷模块将所述环境温度保持在预设温度范围内并输出所述射频交流电压和所述射频交流电流。
3.如权利要求2所述的射频匹配网络，其特征在于，所述恒温采样模块还包括：
ARC弧检测模块，用于采集所述L/C网络的输出端的射频交流电压采样率和射频交流电流采样率；
所述第二处理器与所述ARC弧检测模块连接，还用于输出所述射频交流电压采样率和射频交流电流采样率，以便所述第一处理器以所述电压采样率不超过电压采样率阈值以及电流采样率不超过电流采样率阈值为约束条件对所述L/C网络进行阻抗调整。
4.如权利要求2所述的射频匹配网络，其特征在于，所述加热模块包括：
控制端与所述第二处理器连接的第一开关；
加热器件及第一电源，所述加热器件、第一电源及所述第一开关构成串联回路。
5.如权利要求2所述的射频匹配网络，其特征在于，所述制冷模块包括：
控制端与所述第二处理器连接的第二开关；
制冷器件及第二电源，所述制冷器件、所述第二电源及所述第二开关构成串联回路。
6.如权利要求2所述的射频匹配网络，其特征在于，所述电压采样模块包括：
用于采集射频交流电压的电压传感器；
所述电流采样模块包括：
用于采集射频交流电流的电流传感器；
所述ARC弧检测模块包括：
用于采集射频交流电压采样率和射频交流电流采样率的ARC传感器；
所述电压采样模块、所述电流采样模块及所述ARC传感器均还包括：
与各自对应传感器连接的低通滤波器，用于滤除各自采样信号中的高频分量；
与所述低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的采样信号衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；
与所述衰减器连接的单转双模块，用于将衰减后的采样信号由单端信号转换为差模信号；
分别与所述单转双模块及所述第二处理器连接的ADC，用于将所述差模信号由模拟量转换为数字量。
7.如权利要求1至6任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，所述驱动电路包括：
步进马达；
与所述步进马达连接的角位移传感器；
分别与所述步进马达及所述角位移传感器连接的马达驱动电路，用于根据所述第一处理器的控制信号对所述步进马达进行闭环控制。
8.如权利要求7所述的射频匹配网络，其特征在于，所述第一处理器为DSP，所述第二处理器为FPGA。
9.一种射频电源系统，包括射频电源，其特征在于，还包括如权利要求1至8任一项所述的射频匹配网络。
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