CN117074771A - 一种射频电量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种射频电量测量装置及测量方法，电压信号通过非接触式电压取样单元采集，电流信号通过非侵入式电流取样单元采集，利用三路乘法器电路分别进行有功功率、无功功率和电流有效值平方的计算，AD转换芯片对有功功率、无功功率和电流有效值平方三个信号进行模数转换并传输至控制器，控制器根据三个信号计算得到负载阻抗、反射系数、入射功率和反射功率信息，最终射频系统根据入射功率信息进行功率闭环控制，根据反射功率信息实现故障监测及报警。该发明能够实时测量射频功率，频率范围宽，可通过简单地更换电压取样单元和电流取样单元参数改变测量范围，并且体积小，可靠性高。

Description

一种射频电量测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于射频领域，具体为一种射频电量测量装置及测量方法。

背景技术

射频电源在医学美容、质谱分析仪、化学气相沉积、射频溅射镀膜工艺以及离子刻蚀等场景有广泛的应用。

实时、准确的测量系统是设备稳定高效运行的前提。一方面，射频电源需要测量装置提供准确的功率信息以实现功率闭环，另一方面，测量装置向系统提供反射功率信息作为保护阈值，以实施快速的反射功率过功率保护。

目前基于定向耦合器的功率检测方法工艺复杂，可测频带窄，通用性不高，并且体积相对较大，对参数要求高。等效热损耗功率检测方法精度高但无法实时在线测量，并且所获取电量信息少。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种射频电量测量装置及测量方法，通过非接触式电压、非侵入式电流取样单元提取射频电压电流信号，利用三路乘法器电路进行信号处理，该装置体积小，通用性强，能够实时在线测量阻抗、反射功率、入射功率、反射系数以及驻波比信息，对设备监测、功率调节和阻抗匹配等方面意义重大。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种射频电量测量装置，由射频信号取样模块、信号处理模块和信号传输及计算模块组成，所述信号处理模块用于对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理；所述信号传输及计算模块用于对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方进行模数转换、数据传输及计算；

所述射频信号取样模块包括射频电压信号取样单元和射频电流信号取样单元；

所述射频电压信号取样单元利用非接触式电容分压实现，铜环和同轴电缆内导体之间构成空气介质电容C₁，两者没有物理连接，铜环与印刷电路板上实质电容C₂连接；

所述射频电流信号取样单元利用非侵入式电流取样单元实现，线圈固定在圆环外侧的环形塑料骨架上，构成匝比为1:n的电流互感器，电流取样单元一端接地，一端与采样电阻相连，将电流信号转变为电压信号；

所述信号处理模块用于对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理，其输入为射频信号取样模块所提取的电压电流信号，输出为待测点有功功率、无功功率和电流有效值平方三个信息。

所述信号传输及计算模块用于对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号进行模数转换、数据传输及计算，AD转换芯片将由信号处理模块所得的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号转换为数字信号，控制器进行数据运算最终得到入射功率、反射功率等信息。

作为本发明结构进一步改进，所述信号处理模块分为三个子模块，第一个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，第二个子模块由90°移相电路、乘法器电路和低通滤波电路组成，第三个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成。所述90°移相电路通过电阻电容串联电路和电容电阻串联电路实现。

作为本发明结构进一步改进，所述AD芯片由控制器内部采样通道实现。

本发明所述的射频电量测量装置测量方法，具体步骤如下；

1)对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理；

电压采样信号和待测点电压之间关系为：

其中，u_{u_samp}为电压采样信号，u_load为待测点电压，C₁为空气介质电容，C₂为印刷电路板上外加电容；

射频电流信号取样单元利用非侵入式电流取样单元实现，线圈固定在圆环外侧的环形塑料骨架上，构成原副边匝比为1:n的电流互感器，电流取样单元一端接地，一端与采样电阻相连，将电流信号转变为电压信号，电流信号和待测点电流之间的关系为：

其中，u_{i_samp}为电流采样信号，i_load为待测点电流，R_s为电流采样电阻，n为互感器匝比；

2)信号传输及计算模块对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方进行模数转换、数据传输及计算；

信号处理模块分为三个子模块，第一个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，实现有功功率信号的提取；第二个子模块由90°移相电路、乘法器电路和低通滤波电路组成，实现无功功率信号的提取；第三个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，实现电流有效值平方信号的提取；

所述90°移相电路通过电阻电容串联电路和电容电阻串联电路实现，射频电压信号经过电阻电容串联电路提取电容电压，射频电流信号经过电容电阻串联电路提取电阻电压，能实现全频段90°相移；

三路乘法器输出信号通过低通滤波器滤除二倍频分量后得到有功功率、无功功率和电流有效值平方的信号；

AD转换芯片将由信号处理模块所得的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号转换为数字信号；

3)信号传输及计算模块的控制器进行数据运算最终得到入射功率和反射功率信息；

数据运算包括阻抗计算、反射系数计算和功率计算，根据功率和阻抗的关系式得到阻抗表达式：

其中，Z为阻抗，P为有功功率，Q为无功功率，I²为电流有效值平方；

根据阻抗和反射系数的关系式得到反射系数表达式：

其中，Z₀为特征阻抗，Γ为反射系数；

根据入射功率和反射系数及功率的关系式得到入射功率和反射系数表达式：

其中，P_C为入射功率，P_r为反射功率。

与现有技术相比，本发明的技术方案将有以下的有益效果：

本发明提出的一种射频电量测量装置及测量方法，使用非接触式结构进行信号采样，可靠性高、方便调节测量范围，空气介质电容耐受电压高，能够测量的电压等级高。该装置能够获取包括阻抗、反射系数、入射功率和反射功率等多种信息，能够有效提供给射频系统用于功率控制、故障监测、阻抗匹配等。信号处理得到的直流量，因此不需要高速模数转换，简单的测量装置只需要射频信号取样模块和信号处理模块，模数转换和数据计算功能由射频整机系统完成可以进一步降低成本和体积。所提的射频功率测量装置能够实时在线测量、测量范围大、测量频带宽、通用性强。

附图说明

图1本发明实施例提供的系统框图；

图2本发明实施例提供的电压取样单元模型示意图；

图3本发明实施例提供的射频功率测量装置原理框图；

图4本发明实施例提供的移相电路伯德图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种射频电量测量装置及测量方法，可测量频带宽、功率范围大，体积小并且便于安装，能够实时测量，通用性强。

本发明提出的系统框图如图1所示，射频电量测量装置，由射频信号取样模块、信号处理模块和信号传输及计算模块组成。射频信号取样模块用于提取待测点射频电压、电流信号；信号处理模块用于对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理；信号传输及计算模块用于对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方进行模数转换、数据传输及计算。

图2为本发明电压取样单元模型示意图，箭头方向表示射频功率流向，同轴电缆作为射频功率传输载体，铜环和同轴电缆内导体之间形成空气介质电容，耐压等级高，该电容值和圆环尺寸及到同轴电缆内导体的距离有关，距离大小由待测点电压等级决定，空气介质使得其很容易测量kV及以上等级电压，圆环尺寸包括内径、厚度和长度，内径与到同轴电缆内导体的距离选取原则一致，长度的选取一般10mm左右为宜，这样整体体积小并且尺寸远小于待测射频信号波长，寄生电容较为精确的值可以通过软件仿真模拟或者利用仪器测量得到。

图3为本发明的射频电量测量装置及测量方法原理框图，利用非接触结构提取待测点电压和电流并转换为电压信号，所提取的电压电流信号经过乘法器电路和低通滤波电路实现有功功率信号的提取；所提取的电压电流信号经过90°移相电路、乘法器电路和低通滤波电路实现无功功率信号的提取；所提取的电流信号经过乘法器电路和低通滤波电路实现电流有效值平方信号的提取。

图4为本发明所采用的移相电路伯德图。90°移相电路通过电阻电容串联电路和电容电阻串联电路实现，射频电压信号经过电阻电容串联电路提取电容电压，射频电流信号经过电容电阻串联电路提取电阻电压。从图中可以看出，该移相电路能实现全频段90°相移。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种射频电量测量装置，由射频信号取样模块、信号处理模块和信号传输及计算模块组成，其特征在于，所述信号处理模块用于对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理；所述信号传输及计算模块用于对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方进行模数转换、数据传输及计算；

所述射频信号取样模块包括射频电压信号取样单元和射频电流信号取样单元；

所述射频电压信号取样单元利用非接触式电容分压实现，铜环和同轴电缆内导体之间构成空气介质电容C₁，两者没有物理连接，铜环与印刷电路板上实质电容C₂连接；

所述射频电流信号取样单元利用非侵入式电流取样单元实现，线圈固定在圆环外侧的环形塑料骨架上，构成匝比为1:n的电流互感器，电流取样单元一端接地，一端与采样电阻相连，将电流信号转变为电压信号；

所述信号处理模块用于对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理，其输入为射频信号取样模块所提取的电压电流信号，输出为待测点有功功率、无功功率和电流有效值平方三个信息；

所述信号传输及计算模块用于对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号进行模数转换、数据传输及计算，AD转换芯片将由信号处理模块所得的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号转换为数字信号，控制器进行数据运算最终得到入射功率、反射功率等信息。

2.根据权利要求1所述的一种射频电量测量装置，其特征在于，所述信号处理模块分为三个子模块，第一个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，第二个子模块由90°移相电路、乘法器电路和低通滤波电路组成，第三个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，所述90°移相电路通过电阻电容串联电路和电容电阻串联电路实现。

3.根据权利要求1所述的一种射频电量测量装置，其特征在于，所述AD芯片可由控制器内部采样通道实现。

4.利用权利要求1-3任意一项所述的射频电量测量装置测量方法，其特征在于，具体步骤如下；

1)对取样电压电流信号进行乘法及滤波处理；

电压采样信号和待测点电压之间关系为：

其中，u_{u_samp}为电压采样信号，u_load为待测点电压，C₁为空气介质电容，C₂为印刷电路板上外加电容；

射频电流信号取样单元利用非侵入式电流取样单元实现，线圈固定在圆环外侧的环形塑料骨架上，构成原副边匝比为1:n的电流互感器，电流取样单元一端接地，一端与采样电阻相连，将电流信号转变为电压信号，电流信号和待测点电流之间的关系为：

其中，u_{i_samp}为电流采样信号，i_load为待测点电流，R_s为电流采样电阻，n为互感器匝比；

2)信号传输及计算模块对所提取的有功功率、无功功率、电流有效值的平方进行模数转换、数据传输及计算；

信号处理模块分为三个子模块，第一个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，实现有功功率信号的提取；第二个子模块由90°移相电路、乘法器电路和低通滤波电路组成，实现无功功率信号的提取；第三个子模块由乘法器电路和低通滤波电路组成，实现电流有效值平方信号的提取；

所述90°移相电路通过电阻电容串联电路和电容电阻串联电路实现，射频电压信号经过电阻电容串联电路提取电容电压，射频电流信号经过电容电阻串联电路提取电阻电压，能实现全频段90°相移；

三路乘法器输出信号通过低通滤波器滤除二倍频分量后得到有功功率、无功功率和电流有效值平方的信号；

AD转换芯片将由信号处理模块所得的有功功率、无功功率、电流有效值的平方信号转换为数字信号；

3)信号传输及计算模块的控制器进行数据运算最终得到入射功率和反射功率信息；

数据运算包括阻抗计算、反射系数计算和功率计算，根据功率和阻抗的关系式得到阻抗表达式：

其中，Z为阻抗，P为有功功率，Q为无功功率，I²为电流有效值平方；

根据阻抗和反射系数的关系式得到反射系数表达式：

其中，Z₀为特征阻抗，Γ为反射系数；

根据入射功率和反射系数及功率的关系式得到入射功率和反射系数表达式：

其中，P_C为入射功率，P_r为反射功率。