CN113065237B - 一种自动设置调频边界的方法和射频电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电源领域，特别涉及一种自动设置调频边界的方法和射频电源。本发明的方法对射频电源的输出电压和电流进行跳频采样，然后计算负载降阶模型参数矩阵，得到负载模型幅频曲线多项式方程，对多项式方程进行偏导求解，由此构建负载频率关系函数；求得使所述负载频率关系函数的值小于零的频率范围，所述频率范围的边界即调频边界；在调频边界内进行频率微调查找匹配频率。本发明能够自动计算调谐的频率边界，在边界内微调频率，能够快速实现频率调谐达到阻抗匹配，大大缩短了调谐时间，且不需要人工干预，可靠性高。

Description

一种自动设置调频边界的方法和射频电源
技术领域
本发明涉及电源领域，特别涉及一种自动设置调频边界的方法和射频电源。
背景技术
射频电源是可以产生固定频率的正弦波电压，频率在射频范围(约3KHz～300GHz)内、具有一定功率的电源，常用于半导体工艺设备、等离子发生器、医疗美容等产业。射频电源常用的工作频率为2MHz、13.56MHz、27.12Mhz、40.68MHz、64MHz、162MHz等，当切换射频电源的工作频率时，所连接负载的负载阻抗会发生变化，为了使射频电源与负载的阻抗进行匹配，现有技术中通常采用的办法为，射频电源采用扫频的方式逐步调整射频电源的频率，当射频电源的阻抗与负载的阻抗匹配时的频率则为匹配频率，扫频的方式则是以预设的方向和预设的步长以步进的方式逐渐调整射频电源的频率，虽然能够达到频率调谐阻抗匹配的目的，但这种频率调谐的时间较长，通常在毫秒级，不能满足对时间要求更高的微秒级的高级应用的需求。为了能够加快调谐时间，可以通过人工的方式先设置一个调频边界，然后再在边界内进行频率的微调，确认匹配频率，但这种方式需要操作人员具备完备的射频理论知识，并且还需要进行多次试验，因此费时费力。因此，亟待一种能够自动快速确定调频边界的方法来满足对时间要求更高、微秒级的高级应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中逐步调节频率达到阻抗匹配的时间太长的问题，提供一种时间更短、能快速实现阻抗匹配的自动设置调频边界方法和射频电源。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种自动设置调频边界的方法，包括以下步骤，
步骤1，构建负载频率关系函数；
步骤2，求得使所述负载频率关系函数的值小于零的频率范围，所述频率范围的边界即调频边界；
步骤3，在调频边界内进行频率微调查找匹配频率。
进一步的，所述构建负载频率关系函数包括以下步骤，
步骤11，在带宽内以指定间隔的频率对输出电压的幅值和相位以及输出电流的幅值和相位进行跳频采样；
步骤12，由所述电压、电流的采样值，得到负载阻抗的降阶模型参数矩阵；
步骤13，由负载阻抗的降阶模型参数矩阵，得到负载模型幅频曲线多项式方程；
步骤14，对所述负载模型幅频曲线多项式方程进行偏导求解，得到负载阻抗关于频率的导函数，所述负载阻抗关于频率的导函数即为所述负载频率关系函数。
进一步的，步骤12具体包括以下步骤，
步骤121，将所述电压、电流的采样值转换为电压的矩阵X和电流的矩阵Y，负载阻抗的降阶模型参数矩阵A与矩阵X、矩阵Y的关系为Y＝XA；
步骤122，求解最接近真实的负载阻抗的降阶模型参数矩阵
Figure BDA0002984540360000031
将计算出的
Figure BDA0002984540360000032
作为所述负载阻抗的降阶模型参数矩阵。
进一步的，在步骤122中，所述最接近真实的负载阻抗的降阶模型参数矩阵
Figure BDA0002984540360000033
的计算公式为
Figure BDA0002984540360000034
其中XT表示矩阵X的转置。
优选的，在调频边界内，利用矢量值电抗来确定频率调谐的方向。
进一步的，利用矢量值电抗来确定频率调谐的方向的具体方法为，由输出电压的幅值和相位得到复电压，由输出电流的幅值和相位得到复电流，用复电压除以复电流得到阻抗，阻抗的虚部即为电抗，当电抗为正时，增大频率，当电抗为负时，减小频率。
优选的，所述进行频率微调查找匹配频率的方法为使用预设的微调步长进行扫频，当阻抗匹配时的频率即为匹配频率。
一种自动设置调频边界的射频电源，执行上述任一项所述的方法设置调频边界。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本方案通过一种自动设置调频边界的方法，可以快速计算出调频边界，在确定边界后，在边界内进行扫频和频率调谐，相对于现有技术来说，扫频的频点更少，确定匹配频率的时间更快。
2、本方案通过算法自动计算调频边界，不需人工干预和多次实验，易用性和可靠性更高。
附图说明：
图1为自动设置调频边界的方法流程图；
图2为实施例1的负载模型幅频曲线；
图3为实施例1的负载模型幅频曲线多项式方程所对应负载频率关系函数的曲线；
图4为一种收敛较快的负载频率关系函数的曲线以及对应的负载模型幅频曲线多项式方程的曲线。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种自动设置调频边界的方法，将射频电源连接匹配箱，匹配箱连接负载腔体。在本实施例中，匹配箱内匹配元器件值不做调整，并且保证匹配箱可以通过调谐射频电源频率实现阻抗匹配。本实施例中射频电源频率设置为13.56MHz。
设定射频输出功率100W，在带宽内以指定间隔频率0.2MHz对电压、电流信号的幅度和相位进行跳频采样，得到如下表1的采样数据：
表1采样数据表
频率(MHz) 电压(V) 电流(A) 相位(°)
12.88 96.38 2.44 44.73
1308 9997 227 4114
13.28 102.68 2.11 32.72
13.48 104.23 1.99 22.26
13.68 104.45 1.93 10.04
13.88 102.99 1.94 -2.94
14.08 99.9 2.04 -15.27
14.28 95.32 2.19 -25.86
由采样数据求得负载阻抗的降阶模型参数矩阵，具体步骤为：
由于系统的输出方程为y(t)＝x(t)A，其中x(t)为系统的输入向量，是射频电源的输出电压矢量；y(t)为系统的输出向量，是射频电源的输出电流矢量；A为待求解的负载阻抗的降阶模型参数矩阵；
令x(t)等于矩阵X：
Figure BDA0002984540360000051
令y(t)等于矩阵Y，其中当i的取值1～8时矩阵中的yi取值代表上述表1中电流列第1行至第8行的值：
Figure BDA0002984540360000061
如果矩阵
Figure BDA0002984540360000062
为估算的负载阻抗的降阶模型参数矩阵，当
Figure BDA0002984540360000063
取得最小值时，即
Figure BDA0002984540360000064
取得最小值时，
Figure BDA0002984540360000065
最接近真实的负载阻抗的降阶模型参数矩阵A。将
Figure BDA0002984540360000066
展开，
Figure BDA0002984540360000067
其中XT表示矩阵X的转置，YT表示矩阵Y的转置；对等式两边求导：
Figure BDA0002984540360000068
当上式值为0时，即
Figure BDA0002984540360000069
时，
Figure BDA00029845403600000610
取得最小值。将表1中的电压和电流值代入
Figure BDA00029845403600000611
可以求得矩阵
Figure BDA00029845403600000612
为：
Figure BDA00029845403600000613
将计算出的
Figure BDA00029845403600000614
作为所述负载阻抗的降阶模型参数矩阵A。
由矩阵A得到负载模型幅频曲线多项式方程A(f)如以下公式所示，该多项式方程直接反映负载阻抗和频率的关系，所对应的曲线如图2所示：
A(f)＝0.0908×f4-1.3793×f3+5.6605×f2-10.2965×f1+35.7181
对上述多项式方程求导得到导函数
Figure BDA0002984540360000071
所述导函数即为负载频率关系函数，该导函数a(f)对应的曲线如图3所示，其中直角坐标轴中的X轴上数据依次对应表1中记录的第几行频率值。由导函数可求得带宽内使导函数值小于零的频率范围，该频率范围的边界即为调频边界，由图3可知，本实施例中，当导函数值小于零时，所对应的频率范围为表1中第1行至第7行记录的频率值，即12.88～14.08MHz，调频边界为12.88和14.08MHz。
确定调频边界后，在调频边界内，以预设的步长调整频率大小，利用矢量值电抗来确定频率调谐的方向，其中由输出电压的幅值和相位得到复电压，输出电流的幅值和相位得到复电流，用复电压除以复电流得到阻抗，阻抗的虚部即为电抗，当电抗为正时，增大频率，当电抗为负时，减小频率；当达到阻抗匹配时，此时的频率即为匹配频率。
一种自动设置调频边界的射频电源，执行上述的方法设置调频边界和查找匹配频率。
在本实施例中，仅仅列举了如何确定调频边界的方法，具体数值不受本实施例的限制。在实际操作中，负载阻抗经常在变化，获取的负载频率关系函数通常收敛较快，扫频边界所确定的频率范围常小于上述实施例的12.88～14.08MHz，如图4所示，图4左边为某一次测试的负载模型幅频曲线多项式方程x(f)，右边为对应的负载频率关系函数b(f)，可以看出当负载频率关系函数b(f)的值小于0时，调频边界所确定的频率范围较小，对应于图4左边两竖直虚线之间13.814MHz～14.096MHz的频率范围，在该频率范围中能够快速找到匹配频率，即x(f)的曲线上纵坐标为0的点。
本发明的方法通过先确定调频边界再进行频率微调，相对于现有技术中粗调频率后进行扫频来确定匹配频率来说，大大减少了频率调谐和阻抗匹配的时间，时间可控制在微秒级别，满足对时间要求更高的高级应用的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自动设置调频边界的方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，构建负载频率关系函数；
步骤2，求得使所述负载频率关系函数的值小于零的频率范围，所述频率范围的边界即调频边界；
步骤3，在所述调频边界内进行频率微调，查找匹配频率；
所述构建负载频率关系函数包括以下步骤，
步骤11，在带宽内以指定间隔的频率对输出电压的幅值和相位以及输出电流的幅值和相位进行跳频采样；
步骤12，由所述电压、电流的采样值，得到负载阻抗的降阶模型参数矩阵；
步骤13，由所述负载阻抗的降阶模型参数矩阵，得到负载模型幅频曲线多项式方程；
步骤14，对所述负载模型幅频曲线多项式方程进行偏导求解，得到负载阻抗关于频率的导函数，所述负载阻抗关于频率的导函数即为所述负载频率关系函数；
其中，步骤12具体包括以下步骤，
步骤121，将所述电压、电流的采样值转换为电压的矩阵X和电流的矩阵Y，负载阻抗的降阶模型参数矩阵A与矩阵X、矩阵Y的关系为Y＝XA；
步骤122，求解最接近真实的负载阻抗的降阶模型参数矩阵将计算出的作为所述负载阻抗的降阶模型参数矩阵。
2.如权利要求1所述的一种自动设置调频边界的方法，其特征在于，在步骤122中，所述最接近真实的负载阻抗的降阶模型参数矩阵
Figure FDA0003869218470000011
的计算公式为：
Figure FDA0003869218470000012
其中XT表示矩阵X的转置。
3.如权利要求1所述的一种自动设置调频边界的方法，其特征在于，在所述调频边界内，利用矢量值电抗来确定频率调谐的方向。
4.如权利要求3所述的一种自动设置调频边界的方法，其特征在于，利用矢量值电抗来确定频率调谐的方向的具体方法为，由输出电压的幅值和相位得到复电压，由输出电流的幅值和相位得到复电流，用复电压除以复电流得到阻抗，阻抗的虚部即为电抗，当电抗为正时，增大频率，当电抗为负时，减小频率。
5.如权利要求1所述的一种自动设置调频边界的方法，其特征在于，所述进行频率微调查找匹配频率的方法为使用预设的微调步长进行扫频，当阻抗匹配时的频率即为匹配频率。
6.一种自动设置调频边界的射频电源，其特征在于，执行如权利要求1至5任一项所述的自动设置调频边界的方法。
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