CN117375540A - 一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法包括：所述装置包括：壳体，所述壳体两端设有内导体及射频接头，所述内导体及射频接头部分延伸至壳体内并相互连接；所述壳体内设有内导体管，内导体和壳体的内腔构成同轴传输线，用于传递大功率射频能量；采样板，设置在所述壳体上，所述采样板上设有铜螺钉，用于将采样板与内导体管和内导体连接起来，进行采集电压信号；所述采样板上还设有电感，用于通过壳体内腔耦合电流信号；耦合板，设置在所述壳体侧部，包括与壳体连接的由耦合杆安装板及与所述耦合杆安装板连接的耦合杆组成，用于与内导体构成耦合结构，实现射频耦合取样功能。

Description

一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装 置和方法

技术领域

本发明涉及输出匹配检测装置和方法，具体是一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法。

背景技术

射频系统应用于工业设备、粒子加速器等行业的时候，存在适应复杂动态负载阻抗的实际需求。

这些负载阻抗的动态范围大、变化速度快，对射频系统，尤其是射频放大器的输出匹配提出了严苛的要求。

射频放大器的输出阻抗匹配的主要目的是通过合理的调整负载等效阻抗，使放大器输出阻抗与负载阻抗达到匹配状态，保证功率能够最大有效的从射频放大器传送到负载。

比如一般射频放大器的输出阻抗为50欧姆，如果负载阻抗不等于50欧姆，那么其中一部分能量将反射回射频放大器，可能会造成射频放大器的损坏，同时负载上得到的射频能量将降低，造成射频能量的浪费，那么通过实时调整负载阻抗使其阻抗匹配至放大器阻抗对整个系统显得尤为重要。

通过检测射频放大器输出匹配可以作为实时调整负载匹配网络阻抗的依据，从而保证射频能量能够最大有效的被负载所利用。

因此，如何检测入射电压和反射电压的数值，提供反馈控制测量信号用于实现负载的输出匹配，是目前需要解决的问题。

发明内容

发明目的：提供一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置，包括：

壳体，所述壳体两端设有内导体及射频接头，所述内导体及射频接头部分延伸至壳体内并相互连接；所述壳体内设有内导体管，内导体和壳体的内腔构成同轴传输线，用于传递大功率射频能量；

采样板，设置在所述壳体上，所述采样板上设有铜螺钉，用于将采样板与内导体管和内导体连接起来，进行采集电压信号；

所述采样板上还设有电感，用于通过壳体内腔耦合电流信号；

耦合板，设置在所述壳体侧部，包括与壳体连接的由耦合杆安装板及与所述耦合杆安装板连接的耦合杆组成，用于与内导体构成耦合结构，实现射频耦合取样功能。

在进一步实施例中，所述耦合板外侧还设有盖板；

所述壳体位于内导体一端还设有绝缘盖。

在进一步实施例中，所述采样板内置电流取样电路及电压取样电路；

所述电压取样电路包括构成电容分压器的高耐压电容C₁与C₂；

本发明公开了一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法，本发明设计检测装置，将射频放大器输出通过检测装置传输至负载；

装置一部分通过电感耦合取样入射和反射功率经过二极管检波后送入乘法器自乘后经过调理电路完成入射功率和反射功率幅度校准输出，方便控制系统进行功率显示线性拟合以及后续反射过大保护处理；

另一部分通过电感耦合和电容耦合完成射频电流和射频电压取样，经过滤波后分别功分成两路；

其中一路射频电流和射频电压进行鉴相输出射频电流和电压相位差供控制系统进行后续负载阻抗调整，如果负载阻抗为纯阻，则射频电压和电流相位差为0，如果负载阻抗为感性，则电流相位滞后电压相位，如果负载阻抗为容性，则电流相位超前电压相位；

另外一路射频电流和射频电压经过二极管检波后分别进行加运算和减运算，最后进行除运算得到反射系数；

控制系统可以根据反射系数可以进行驻波比保护和相应的负载调整，根据反射系数进行负载阻抗粗调，根据相位差完成负载阻抗精调。

同时所有检测电路均为硬件模拟电路，具备灵敏度高，响应速度快、和结构配合集成度等优点；

相较于传统的定向耦合器实现更易于调节的高精度的入射信号和反射信号的高隔离，避免传统定向耦合器不可避免存在的隔离度对于精确测量的影响；

基于这种方法，可以获取更高精度的入射电压和反射电压的数值，提供反馈控制测量信号用于实现负载的输出匹配。

一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测方法，包括：

步骤1、设入射电压为U_f，反射电压为U_r，传输线特性阻抗为Z₀，角频率为ω，电磁波在内导体中的传输速度为V；

当射频放大器输出端到射频电流、射频电压取样线圈处的馈管长度为X米时，X点的电压U_X，电流I_X信号分别为：

式中，j表示虚部；

步骤2、假设馈管内芯与电感T之间的互感为M，电感T的电感量为L，当馈管内芯上有高频电流I_X流过时，在电感T上产生的感应电动势为e，这个感应电动势为：

e＝jωMI_X＝(jωL+jωC//R)I₁

这个电动势e在L和R、C构成的网络中形成高频电流I₁，R表示电阻；C表示电容；

步骤3、选择jωL+jωC//R，则有：

电流取样输出的电压信号为：

步骤4、分析高耐压电容C₂上获得的电压U_{c_pickup}；

由于L和高耐压电容C₁，高耐压电容C₂为可以调整的设计参数，可知：

步骤5、调整参数，使k₁＝k₂，则有：

U_{f_pickup}表示前向功率的取样，U_{r_-pickup}表示反向功率的取样。

有益效果：本发明公开了一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法，相较于传统的定向耦合器实现更易于调节的高精度的入射信号和反射信号的高隔离，避免传统定向耦合器不可避免存在的隔离度对于精确测量的影响；

基于这种方法，可以获取更高精度的入射电压和反射电压的数值，提供反馈控制测量信号用于实现负载的输出匹配。

附图说明

图1是射频放大器系统原理框图。

图2是射频放大器输出匹配检测方法和装置的原理图。

图3是本发明检测装置的结构示意图。

图4是本发明检测装置的剖面一示意图。

图5是本发明检测装置的剖面二示意图。

图6是本发明检测装置的剖面三示意图。

图7是本发明检测装置的耦合板示意图。

图8是本发明检测装置的内导体和内导体管示意图。

图9是本发明电流取样电路示意图。

图10是本发明电压取样电路示意图。

附图标记为：

1、射频接头；2、采样板；3、壳体；4、铜螺钉；5、内导体；6、绝缘盖；7、盖板；8、耦合板；81、耦合杆安装板；82、耦合杆；9、内导体管；10、电感。

具体实施方式

本申请涉及一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法，下面通过具体实施方式进行详细解释。

一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置，包括：

壳体3，所述壳体3两端设有内导体5及射频接头1，所述内导体5及射频接头1部分延伸至壳体3内并相互连接；所述壳体3内设有内导体管9，内导体5和壳体3的内腔构成同轴传输线，用于传递大功率射频能量；

采样板2，设置在所述壳体3上，所述采样板2上设有铜螺钉4，用于将采样板2与内导体管9和内导体5连接起来，进行采集电压信号；

所述采样板2上还设有电感10，用于通过壳体3内腔耦合电流信号；

耦合板8，设置在所述壳体3侧部，包括与壳体3连接的由耦合杆安装板81及与所述耦合杆安装板81连接的耦合杆82组成，用于与内导体5构成耦合结构，实现射频耦合取样功能。

所述耦合板8外侧还设有盖板7；

所述壳体3位于内导体5一端还设有绝缘盖6。

所述采样板2内置电流取样电路及电压取样电路；

所述电压取样电路包括构成电容分压器的高耐压电容C_1与C_2；

本发明公开了一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置和方法，本发明设计检测装置，如附图1所示，可以看出输出匹配检测装置位于射频放大器和负载之间，输出匹配检测装置输出信号送入控制，控制系统完成负载阻抗调整从而匹配射频放大器输出阻抗；

如附图2所示，装置一部分通过电感10耦合取样入射和反射功率经过二极管检波后送入乘法器自乘后经过调理电路完成入射功率和反射功率幅度校准输出，方便控制系统进行功率显示线性拟合以及后续反射过大保护处理；

另一部分通过电感10耦合和电容耦合完成射频电流和射频电压取样，经过滤波后分别功分成两路；

其中一路射频电流和射频电压进行鉴相输出射频电流和电压相位差供控制系统进行后续负载阻抗调整，如果负载阻抗为纯阻，则射频电压和电流相位差为0，如果负载阻抗为感性，则电流相位滞后电压相位，如果负载阻抗为容性，则电流相位超前电压相位；

另外一路射频电流和射频电压经过二极管检波后分别进行加运算和减运算，最后进行除运算得到反射系数；

控制系统可以根据反射系数可以进行驻波比保护和相应的负载调整，根据反射系数进行负载阻抗粗调，根据相位差完成负载阻抗精调。

同时所有检测电路均为硬件模拟电路，具备灵敏度高，响应速度快、和结构配合集成度等优点；

相较于传统的定向耦合器实现更易于调节的高精度的入射信号和反射信号的高隔离，避免传统定向耦合器不可避免存在的隔离度对于精确测量的影响；

基于这种方法，可以获取更高精度的入射电压和反射电压的数值，提供反馈控制测量信号用于实现负载的输出匹配。

一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测方法，包括：

步骤1、设入射电压为U_f，反射电压为U_r，传输线特性阻抗为Z₀，角频率为ω，电磁波在内导体中的传输速度为V；

当射频放大器输出端到射频电流、射频电压取样线圈处的馈管长度为X米时，X点的电压U_X，电流I_X的信号分别为：

其中U_X为电压信号，I_X为电流信号；

步骤2、假设馈管内芯与电感T之间的互感为M，电感T的电感量为L，当馈管内芯上有高频电流I_X流过时，在电感T上产生的感应电动势为e，这个感应电动势为：

e＝jωMI_X＝(jωL+jωC//R)I₁

这个电动势e在L和R、C构成的网络中形成高频电流I₁；

步骤3、选择jωL+jωC//R，则有：

电流取样输出的电压信号为：

步骤4、分析高耐压电容C₂上获得的电压U_{c_pickup}；

由于L和高耐压电容C₁，高耐压电容C₂为可以调整的设计参数，可知：

步骤5、调整参数，使k₁＝k₂，则有：

基于上述方法实现的入射信号、反射信号的监测机制，可以相较于传统的定向耦合器实现更易于调节的高精度的入射信号和反射信号的高隔离，避免传统定向耦合器不可避免存在的隔离度对于精确测量的影响。

基于这种方法，可以获取更高精度的入射电压和反射电压的数值，提供反馈控制测量信号用于实现负载的输出匹配。

基于该类输出匹配检测方法，可以用于实现太阳能光伏、半导体、镀膜等多种工业场景应用下的动态负载的检测机制。

该方法同时获得电压和电流瞬时信息，可以实现亚us时间级别的高分辨率，进而去实现打火现象的探测，可以用于判断等离子体应用中微放电的机制。

当装置采样得到的电压瞬态值超过预设的阈值的时候(指预设的幅度门限和时间门限)，表明检测到这种打火，可以用于分析这种打火的现象以及确定在此时负载设备的工艺参数。

举例来讲，等离子体发生中典型的打火现象包括：

1、电压、电流的突然跌落，这个造成的原因可能是等离子工艺中的电荷积累；

2、电压和电流的尖峰突跳，这个造成的可能原因是等离子体的灭弧。

该装置能检测到us的打火，用于判断打火类型，评估打火的幅度。

同时，可以信息去对反应腔进行必要的维护性操作，可以用于诊断反应腔的状态和工况。

该方法可以用于建立一种反应腔的早期检测机制，可能会出现等离子体动态变化等瞬时变化，控制系统可以根据此装置检测输出参数存储反应负载变化的长期运行参数及规律。

工作原理说明：

设入射电压为U_f，反射电压为U_r，传输线特性阻抗为Z₀，角频率为ω，电磁波在内导体中的传输速度为V；

当射频放大器输出端到射频电流、射频电压取样线圈处的馈管长度为X米时，X点的电压U_X，电流I_X的信号分别为：

其中U_X为电压信号，I_X为电流信号；

假设馈管内芯与电感T之间的互感为M，电感T的电感量为L，当馈管内芯上有高频电流I_X流过时，在电感T上产生的感应电动势为e，这个感应电动势为：

e＝jωMI_X＝(jωL+jωC//R)I₁

这个电动势e在L和R、C构成的网络中形成高频电流I₁；

选择jωL+jωC//R，则有：

电流取样输出的电压信号为：

分析高耐压电容C₂上获得的电压U_{c_pickup}；

由于L和高耐压电容C₁，高耐压电容C₂为可以调整的设计参数，可知：

调整参数，使k₁＝k₂，则有：

以上结合附图详细描述了本发明的优选具体实施方式，但是，本发明并不限于上述具体实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体两端设有内导体及射频接头，所述内导体及射频接头部分延伸至壳体内并相互连接；所述壳体内设有内导体管，内导体和壳体的内腔构成同轴传输线，用于传递射频能量；

采样板，设置在所述壳体上，所述采样板上设有铜螺钉，用于将采样板与内导体管和内导体连接起来，进行采集电压信号；

所述采样板上还设有电感，用于通过壳体内腔耦合电流信号；

耦合板，设置在所述壳体侧部，包括与壳体连接的由耦合杆安装板及与所述耦合杆安装板连接的耦合杆组成，用于与内导体构成耦合结构，实现射频耦合取样功能。

2.根据权利要求1所述的一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置，其特征是：所述耦合板外侧还设有盖板；

所述壳体位于内导体一端还设有绝缘盖。

3.根据权利要求1所述的一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测装置，其特征是：所述采样板内置电流取样电路及电压取样电路；

所述电压取样电路包括构成电容分压器的高耐压电容C₁与C₂。

4.一种适应复杂动态阻抗的射频放大器系统的输出匹配检测方法，基于权利要求1-3任意一项所述的检测装置进行实现，其特征在于，包括：

步骤1、设入射电压为U_f，反射电压为U_r，传输线特性阻抗为Z₀，角频率为ω，电磁波在内导体中的传输速度为V；

当射频放大器输出端到射频电流、射频电压取样线圈处的馈管长度为X米时，X点的电压U_X，电流I_X的信号分别为：

式中，j表示虚部；

步骤2、假设馈管内芯与电感T之间的互感为M，电感T的电感量为L，当馈管内芯上有高频电流I_X流过时，在电感T上产生的感应电动势为e，这个感应电动势为：

e＝jωMI_X＝(jωL+jωC//R)I₁

这个电动势e在L和R、C构成的网络中形成高频电流I₁；

步骤3、选择jωL+jωC//R，则有：

电流取样输出的电压信号为：

步骤4、分析高耐压电容C₂上获得的电压U_{c_pixkup}；

由于L和高耐压电容C₁，高耐压电容C₂为可以调整的设计参数，可知：

步骤5、调整参数，使k₁＝k₂，则有：

U_{f_pickup}表示前向功率的取样，U_{r_-pickup}表示反向功率的取样。