DE102017008001A1 - Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerk, seine Verwendung sowie ein Verfahren zur Hochfrequenz-lmpedanz - Anpassung - Google Patents

Abstract

Die Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk, umfassend einen Eingangsport und einen Ausgangsport, wobei der Eingangsport als Eingang für ein Signal eines Hochfrequenz - Generators G, der Ausgangsport als Ausgang für ein Signal zu einer Last L ausgebildet ist und Eingangsport und Ausgangsport mittels einer Kettenschaltung von zwei oder mehr Kettenelementen gekoppelt sind, kennzeichnet sich dadurch aus, dass- jedes Kettenelement einen Serienzweig (Z, Z, Z) mit einer Serienzweig-Reaktanz (X, X, X) und einen Parallelzweig (Z, Z, Z, Z) mit einer Parallelzweig-Reaktanz (X, X, X, X) sowie einen ersten Schalter (S, S, S, S, S, S, S) umfasst, der als Drain- Source Strecke eines Transistors ausgebildet ist, wobei- mittels des ersten Schalters (S, S, S,) eine Überbrückung der Serienzweig-Reaktanz (X, X, X) schaltbar ist oder- der erste Schalter (S, S, S, S) im Parallelzweig (Z, Z, Z, Z) in Serie mit der Parallelzweig-Reaktanz X, X, X, Xgeschaltet ist.Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Anpassungsnetzwerk bei einer Plasmaanregung für Oberflächenbehandlungen, oder für die Lichterzeugung, zur elektrischen oder induktiven Erwärmung von Werkstücken oder bei einem nachrichtentechnischen Sender, einschließlich Basisstationen, Amateurfunk, Fernsehen und Radio, Radar, Richtfunk sowie bei Messungen nach dem Load- Pull- Verfahren oder dem Source-Pull Verfahren.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Hochfrequenz-Impedanz - Anpassung eines Hochfrequenz-Generators G an die Impedanz einer Last, wobei ein Anpassungsnetzwert umfassend eine Kettenschaltung von n (n > 1) Kettenelementen zwischen einen Eingangsport und einen Ausgangsport geschaltet wird, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Kettenelemente jeweils elektronisch geschaltet 2 verschiedene 2-Tor Zustände annehmen können und durch eine digitales Signal mit n Bit Länge angesteuert werden, um die zur Anpassung erforderlichen Streuparameter des Gesamtzweitors einzustellen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz - Impedanz - Anpassungsnetzwerk, seine Verwendung und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
• Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerke für die Zuführung von hochfrequenter Energie von einer Quelle zu einem Verbraucher, beispielsweise Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmaanregungen, nachrichtentechnische Sender oder Teilchenbeschleunigern sind bekannt. Mit derartigen Netzwerken erfolgt eine Anpassung der Impedanz zwischen der Quelle für hochfrequente Signale, insbesondere einem Hochfrequenzgenerator, und dem Verbraucher, der im Folgenden auch als „Last“ bezeichnet wird. Die mittels des Anpassungsnetzwerks angepasste Impedanz soll grundsätzlich im Wesentlichen der Impedanz der Last entsprechen, da andernfalls ein Teil der von der Quelle produzierten Welle reflektiert wird und dadurch nicht die volle verfügbare Leistung in der Last umgesetzt werden kann. Die Last weist bei den oben aufgeführten sowie auch weiteren Anwendungsfällen häufig eine innerhalb kurzer Zeiten sich ändernde Impedanz auf. Beispielsweise variiert bei Magnetron-Sputterkathoden - Plasmaanregungen in einer Plasmakammer die komplexe Impedanz typischerweise zwischen 1 und 10 Ohm und -j 5 Ohm und j 20 Ohm.
• Bekannte Netzwerke enthalten Netzwerke mit Reaktanzen, also Induktivitäten und Kapazitäten, wobei verschiedene Netzwerk- oder Schaltungstopologien eingesetzt werden. Netzwerke mit zeitlich konstanten Reaktanzen oder Topologien (Fixed Match) können nur in einem kleinen Prozessfenster eine ausreichend genaue Impedanz- Anpassung der Quelle hin zu einer zeitlich variablen Last realisieren.
• Ferner sind Netzwerke bekannt, die mechanisch verstellbare Bauteile, insbesondere Kondensatoren und fast immer mindestens auch eine Induktivität, aufweisen. Beispielsweise kann man die Anpassung mittels mechanisch verstellbaren Vakuumkondensatoren verbessern, wobei der Abgleich meistens automatisch über eine Impedanz- Messeinrichtung, einen Regelkreis und Motoren zum Antrieb der Kondensatoren erfolgt.
• Bei Plasmaanregungen eingesetzte Anpassungsnetzwerke mit variierbaren Reaktanzen sind bei 13,56 MHz typischerweise ausgelegt für Ausgangsströme zwischen 25 A und 300 A.
• Ähnliche Anpassungsnetzwerke werden auch für den Betrieb von Beschleunigern für die Teilchenphysik mit Pulsleistungen bis über 500 kW eingesetzt, beispielsweise beim SIS 100 der Gesellschaft für Schwerionen Forschung, Darmstadt.
• Da die Kapazitäten der Vakuumkondensatoren mechanisch eingestellt werden, kann die sogenannte Tuning- Zeit (Zeitdauer der Abstimmung des Netzwerks bis die Impedanz hin zur Last im Wesentlichen der Impedanz der Last entspricht) bei ungünstigen Startwerten einige Sekunden betragen. Auch bei optimierten Startwerten ist die Tuning- Zeit mit derartigen Kondensatoren nur schwer unter einer Schwelle von 1 Sekunde zu bringen. Da der technologische Trend hin zu kürzeren Prozesszeiten geht, insbesondere bei Plasmaanregungen, die bei manchen Anwendungen in der Größenordnung von 1 Sekunde liegen, ist eine Tuning- Zeit in der Größenordnung von 1 Sekunde unakzeptabel groß. Gewünscht sind vielmehr Einstellzeiten des Netzwerks im Millisekunden Bereich, die mit mechanisch verstellbaren Vakuumkondensatoren nicht mehr realisierbar sind.
• Ein weiteres Problem bei den bekannten Netzwerken mit mechanisch verstellbaren Reaktanzen, ist die relativ zu den Anforderungen der Anwender niedrige Abstimmgenauigkeit. Bei großen Ausgangsströmen sind große Vakuumkondensatoren mit hoher Stromtragfähigkeit notwendig, die für die Verstellung hohe Drehmomente benötigen. Slip- Stick- Effekte und die bei vielen Anwendungen sehr spitze Resonanzcharakteristiken der entsprechenden Antriebe, schränken die Abstimmgenauigkeit der Netzwerke ein. Für eine gute Reproduzierbarkeit von Produktionsprozessen wird jedoch in vielen Fällen eine relativ präzise Hochfrequenz Abstimmung von < -20 dB gefordert.
• Spezielle, durch das Schalten von Relais abgestimmte, geschaltete Anpassungsnetzwerke gibt es schon seit einiger Zeit Im Bereich der Funktechnik, insbesondere im Amateurfunk, wobei in der Funkanwendung meist nur relativ kleine Leistungen gefordert werden und nur bei einem Frequenzwechsel ein Tuning notwendig ist, was nicht allzu häufig auftritt.
• Für Plasmaanwendungen sind jedoch Relais nicht geeignet, da die geforderten Leistungsklassen der Relais nicht verfügbar sind und bei Plasmaprozessen durch die inhärent dynamische Last ein permanentes Nachtunen notwendig ist - anders als bei den üblichen Funkanwendungen. Häufiges Nachtunen würde viele Schaltzyklen und damit eine zu geringe Lebensdauer der Relais zur Folge haben.
• Für geschaltete Anpassungsnetzwerke ist die Verwendung von PIN-Dioden vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird die Verwendung von PIN-Dioden für geschaltete Anpassungsnetzwerke in den Dokumenten EP 1 236 275 B1 , US 6,677,828 ,B1, EP 1 182 686 A2 , US 0,2008,028,453,7 A1 , US 0,2010,008,512,9 A1 , US 0,2010,022,541,1 A1 , US ,542,076 B2 , KR10 2013 115 826 A , JP 00 2012 142 285 A , DE 10 2005 058 875 A1 vorgeschlagen.
• Anpassungsnetzwerke mit bipolaren Schalttransistoren werden in der US 8 416 008 B2 und US 9,124,248 B2 diskutiert, die jedoch durch zu geringe Stromfestigkeit und zu hohe Verluste nur eine geringe Praxistauglichkeit aufweisen.
• Aus der WO 2016/100841 A1 sind ferner schaltbare Anpassungsnetzwerke mit phase- switched Elementen bekannt, in der als Schalter neben CMOS- Komponenten verschiedene andere Halbleiterkomponenten vorgeschlagen werden, wie FETs (Field Effect Transistor) und HEMTs (High- Electron- Mobility- Transistor).
• Ferner ist beim sogenannten Load- Pull- Tuning und Source- Pull- Tuning der Einsatz von sogenannten Impedanz- Tunern üblich, um die Impedanz einer nichtlinearen HF- Komponente, beispielsweise eines RF- oder MW Leistungsverstärkers oder eines Transistors zu messen. Dabei wird die Last- Impedanz bzw. Source- Impedanz gegenüber der HF- Komponente mechanisch so manipuliert, dass sie einen von 50 Ohm abweichenden Wert annimmt, wobei die HF- Komponente auf die verschiedenen Impedanzen reagiert. Load-Pull- Tuning und Source-Pull- Tuning werden mittels der änderbaren Impedanz des Impedanz- Tuners realisiert. Ein automatischer frequenzselektiver Mikrowellen- Tuner für Load- Pull- Transistor- Tests ist aus der US 7248866 B1 bekannt, wobei unabhängig voneinander steuerbare Reflexionsfaktoren erzeugt werden. Grundsätzlich umfasst ein derartiger Tuner elektro- mechanische Komponenten, für die durch Positionierung von Teilkomponenten relativ zueinander in einem weiten Bereich variable Impedanz realisiert werden kann. In dem bekannten Tuner werden beispielsweise horizontal und vertikal einstellbare High- Q- Resonanz- Sonden eingesetzt. Insbesondere umfasst der Tuner eine Präzisions- Stableitung mit 50 Ohm, zwei parallele Platten, einem dazwischenliegenden Leiter sowie eine metallische Messsonde. Durch Positionierung der Sonde kann die zu untersuchende Komponente mit nahezu jeder Impedanz beaufschlagt werden und alle in einem Smith-Diagramm enthaltenen Werte realisierbar sind.
• Grundsätzlich weisen die bekannten auf mechanischen Manipulationen basierenden Impedanz-Tuner die gleichen Probleme hinsichtlich Tuning- Zeit und Genauigkeit auf, die bei den herkömmlichen Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerken schon angesprochen worden sind.
• Aufgabe der Erfindung ist ein elektronisches Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk zu schaffen mit dem in einem relativen breiten Leistungsbereich kurze Anpassungszeiten von <10 ms (Millisekunden) bei einer hohen Abstimmungsgenauigkeit von < - 20 dB (Dezibel) erreicht werden können. Bevorzugt sind Leistungen im Bereich von 1W bis 50 kW, grundsätzlich auch höhere Leistungen bis 500kW denkbar.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorsorglich werden nachfolgend einige Ausdrücke und Begriffe erläutert, die in der Beschreibung und den Ansprüchen des vorliegenden Schutzrechtes verwendet werden.
• Als Port wird der Zugang zu einem Bauteil bezeichnet, an dem elektromagnetische Energie abgegeben oder aufgenommen werden kann.
• Als Leitung wird eine Einrichtung bezeichnet, die zwei Punkte zur Übertragung elektromagnetischer Energie zwischen diesen Punkten elektrisch verbindet, insbesondere eine Kabelverbindung. Es versteht sich, dass die Energie auch in der Form von Mikrowellen oder in anderer hochfrequenter elektromagnetischer Form vorliegen kann. Als Überbrückung eines Bauteils wird ein temporärer alternativer Strompfad mit gleicher oder größerer Stromübertragungskapazität bezeichnet. Als Stichleitung wird ein Abschnitt einer Übertragungsleitung mit einstellbarer Länge bezeichnet, dessen eines Ende kurzgeschlossen oder offen und dessen anderes Ende parallel oder in Serie mit einer Hauptleitung verbunden ist.
• Als Reaktanz wird der Imaginär- Teil einer Impedanz bezeichnet. Eine kapazitive Reaktanz ist eine Reaktanz mit einem negativen Wert. Eine induktive Reaktanz ist eine Reaktanz mit einem positiven Wert bezeichnet. Als Kondensator wird ein Zweipol bezeichnet, der im Wesentlichen durch seine Kapazität gekennzeichnet ist. Als induktives Element wird ein passives zweipoliges Netzwerkelement bezeichnet, bei dem aufgenommene elektrische Energie magnetisch gespeichert und vollständig zurückgewinnbar ist.
• Richtungsbezogene Ausdrücke, wie beispielsweise „parallel“ oder „zwischen“, werden lediglich als Hilfsmittel verwendet um die Erfindung zu beschreiben und sind nicht im wortwörtlichen Sinn einschränkend zu interpretieren.
• Als Kettenschaltung wird eine Verbindung von Zweitoren bezeichnet, bei der das Ausgangstor jedes Zweitors, aus des letzten, mit dem Eingangstor des nächsten verbunden ist.
• Unter „Reihenschaltung“ oder „in Serie geschaltet“ wird die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Bauelemente in dem Netzwerk verstanden, sodass sie einen einzigen Strompfad bilden. Als „Parallelschaltung“ oder „parallel geschaltet“ wird die Verbindung mehrerer zweipoliger Netzwerke bezeichnet, sodass ihre Pole mit einem gemeinsamen Polpaar verbunden sind.
• Die Ausdrücke „geschaltet“, „Kopplung“, „gekoppelt“ etc. beziehen sich auf jegliche Mittel, durch die ein Energietransfer zwischen zwei oder mehr Elementen ermöglicht wird, wobei die Anordnung eines oder mehrerer zusätzlicher Elemente vorstellbar ist aber nicht zwingend verlangt ist. Die Ausdrücke „direkt gekoppelt, direkt verbunden etc.“ beinhalten die Abwesenheit derartiger zusätzlicher Elemente.
• Die Ausdrücke „gegen Masse geschaltet“ oder „an Masse liegend“ beziehen sich auf das Bestehen einer elektrischen Verbindung zwischen einem gegebenen Punkt in dem Netzwerk und der örtlichen Erde.
• Die Ausdrücke „Drain“, „Source“ und „Gain“ werden ihrer üblichen Bedeutung in der Halbleitertechnik verwendet.
• Als ISM (Industrial, Scientific and Medical) -Frequenzen werden insbesondere folgende Frequenzen bezeichnet 6,765 MHz, 13,553 MHz, 26,957 MHz, 40,66 MHz, 433,05 MHz, 902 MHz, 2,45 GHz.
• Das erfindungsgemäße Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk, umfassend einen Eingangsport und einen Ausgangsport, wobei der Eingangsport als Eingang für ein Signal eines Hochfrequenz - Generators G, der Ausgangsport als Ausgang für ein Signal zu einer Last L ausgebildet ist und Eingangsport und Ausgangsport mittels einer Kettenschaltung von zwei oder mehr Kettenelementen gekoppelt sind, zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Kettenelement einen Serienzweig Z_s , Z_s1 , Z_s2 mit einer Serienzweig-Reaktanz X_s , X_s1 , X_s2 und einen Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 mit einer Parallelzweig-Reaktanz X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 sowie einen ersten Schalter S_s , S_s1 , S_s2 , S_s3, S_p , S_p1 , S_p2 , S_p3 umfasst, der als Drain- Source Strecke eines Transistors ausgebildet ist, wobei mittels des ersten Schalters S_s , S_s1 , S_s2 , eine Überbrückung der Serienzweig-Reaktanz X_s , X_s1 , X_s2 schaltbar ist oder der erste Schalter S_p , S _p1, S_p2 , S_p3 im Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 in Serie mit der Parallelzweig-Reaktanz X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 geschaltet ist.
• Vorteilhaft werden mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schalter hohe Schaltgeschwindigkeiten möglich, die sich aus dem verfügbaren Gatestrom und der Gate-Source Kapazität des Transistors ergeben. Erfindungsgemäß ist durch derartig ausgebildete Schalter im geöffneten Schaltzustand die erforderliche Isolation für die Hochfrequenzspannung und zusätzlich im geschlossenem Schaltzustand ein hoher Hochfrequenzstrom bei kleinen Verlusten realisierbar. Durch den Wegfall von mechanischen Teilen erhöht sich die Genauigkeit der Abstimmung des Netzwerks.
• Das Anpassungsnetzwerk ist bevorzugt ausgelegt für hochfrequente elektromagnetische Energie im Bereich 1 kHz bis 100 GHz, insbesondere für Frequenzen von 100 kHz, 100 MHz, 1 GHz und 100 GHz. Besonders bevorzugt ist das Anpassungsnetzwerk für ISM Frequenzen ausgelegt, wie sie weiter oben angeführt worden sind.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Kettenelement zusätzlich zum ersten Schalter einen zweiten Schalter umfasst, wobei der zweite Schalter im Parallelzweig geschaltet ist, falls mittels des ersten Schalters eine Überbrückung der der Serienzweig-Reaktanz schaltbar ist oder wobei mittels des zweiten Schalters eine Überbrückung der Serienreaktanz schaltbar ist, falls der erste Schalter im Parallelzweig geschaltet ist.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Transistor ein Verbindunghalbleiter-Transistor, insbesondere ein GaN- oder ein SiC- Transistor ist. Ferner kann der Transistor auch ein GaAs/ AIGaAs oder InGaAs oder InP/ GalnAs Transistor sein. Es versteht sich, dass die Transistoren entsprechend beschaltet sind, damit die Drain-Source Strecke als Schalter mit den gewünschten Eigenschaften fungiert, insbesondere zeitlich stabil definierte Zustände annimmt und schnell ändern kann. Bei den heutigen Transistoren ist vorsorglich ein Bias oder eine interne oder extern geschaltete Diode vorgesehen, um die Schaltzustände zu stabilisieren.
• Erfindungsgemäß sind die Transistoren ausgelegt auf hochfrequente elektromagnetische Energie bis mindestens 100 GHz, bevorzugt im Bereich der ISM-Frequenzen.
• Bei der Anwendung des Netzwerks im Bereich von Plasmaanregungen sind erfindungsgemäß folgende Auslegungsparameter der Transistoren zu berücksichtigen:
• - Maximale Spannungsfestigkeit der Drain-Source Strecke
• - Maximale Stromtragfähigkeit (HF) Drain-Source Strecke
• - Ron Widerstand
• - Kapazität der Drain-Source Strecke (mit und ohne Bias)
• Entsprechend wie im Fall des Einsatzes der Erfindung im Bereich von Plasmaanregungen erfolgt erfindungsgemäß die Auslegung der Transistoren und Anpassung der Topologie des Netzwerks bei anderen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise elektrischer und induktiver Erwärmung sowie den anderen angegebenen Anwendungsbereichen.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 gegen Masse geschaltet ist.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der im Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 geschalteter erste Schalter S_p , S _p1, S_p2 , S_p3 mit seiner Source an Masse liegt, wodurch eine massebezogene Drain- Einspeisung ermöglicht wird.
• Bevorzugt weisen die Transistoren ein hochgelegtes Potential auf, da im offenen Zustand keine Nulldurchgänge des Potentials zulässig sind, wodurch die Transistoren leitfähig würden. Ein entsprechender DC-Drain-Bias kann extern angelegt oder durch eine Diode gebildet sein. Bei Transistoren mit integrierter Freilaufdiode muss eine derartige Diode nicht extern vorgesehen sein.
• Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der Transistoren über einen optischen Link, was die schnelle Steuerung der Transistoren unabhängig von deren Bezugspotential ermöglicht. Dies ist bevorzugt, falls die Source auf HF-Potential liegt, wie beispielsweise bei einem Transistor in im Reihenzweig S_s . Die Gate-Steuerspannung muss dann zur Source-HF-Spannung addiert werden, was bei hohen Spannungen problematisch beziehungsweise wegen dem notwendigen Einsatz eines HF-Übertragers aufwendig sein kann.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Parallelzweig - Reaktanz X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 an Masse liegt.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Parallelzweig-Reaktanz X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 als Kondensator C_p , C_p1 , C_p2 , C_p3 oder als induktives Element ausgebildet ist, womit ein einfach strukturiertes und leicht skalierbares Anpassungsnetzwerk geschaffen werden kann.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Serienzweig - Reaktanz X_s , X_s1 , X_s2 als Kondensator oder als induktives Element L_s1 , L_s2 L_s3 ausgebildet ist, womit ein einfach strukturiertes und leicht skalierbares Anpassungsnetzwerk geschaffen werden kann.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass parallel oder in Serie zu dem im Serienzweig Z_s Z_s1 , Z_s2 geschalteten Schalter S_s , S_s1 , S_s2 eine weitere Reaktanz geschaltet ist.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass parallel oder in Serie zu dem im Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 geschalteten Schalter S_p , S_p1 , S_p2 , S_p3 eine weitere Reaktanz geschaltet ist.
• Mit einer derartigen Schaltung weiterer Reaktanzen kann eine Kompensation der Drain-Source Kapazität durch eine Induktivität oder erzeugen einer besser definierten Drain-Source-Kapazität durch eine externe weitere Kapazität erfolgen.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anpassungsnetzwerk für Frequenzen größer als 1 GHz ausgelegt ist, wobei die Reaktanzen der Reihenschaltung Z_s und/ oder die Reaktanzen der Parallelzweig- Reihenschaltung Z_p als Leitungsstücke oder als Stichleitungen ausgebildet sind.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anpassungsnetzwerk bei Betrieb einer Plasmaanregung, beispielsweise Plasmaanregungen für Oberflächenbehandlungen, Lichterzeugung, oder zur elektrischen oder induktiven Erwärmung von Werkstücken sowie bei nachrichtentechnischen Sendern, einschließlich Basisstationen, Amateurfunk, Fernsehen und Radio, Radar, Richtfunk eingesetzt wird.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Anpassungsnetzwerk bei der Einkopplung von Hochfrequenzleistung bei einem Teilchenbeschleuniger oder einer Synchrotonstrahlungsquelle eingesetzt wird.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung bei Messungen nach dem Load- Pull- Verfahren oder dem Source-Pull Verfahren. Dabei wird eine Last- oder Quell Impedanz unter ständiger Messung der Ausgangsleistung bzw. Eingangsleistung der Last variiert. Nach den Gesetzen der Leistungsanpassung wird ein Maximum der Leistung dann erreicht, wenn die Ausgangsimpedanz des HF- Generators dem konjugiert Komplexen der Lastimpedanz gleich ist.
• Es versteht sich, dass zum Betrieb des Anpassungsnetzwerks entsprechende Treiber für die Ansteuerung der Transistoren, messtechnische Vorrichtungen sowie eine, vorzugsweise digitale Steuerung oder Regelung des Anpassungsnetzwerks vorgesehen sind. Derartige Komponenten sind grundsätzlich dem Fachmann bekannt.
• Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anpassungsnetzwerks für Hochfrequenz-Plasmaanwendungen hat folgende Eckdaten

  Leistung:	1 kW	5 kW	10 kW	20 kW
  Max. Ausgangsstrom		20 A	50 A	100 A	200 A
  Min. Lastimpedanz (Realteil)			2,5 Ω	2 Ω	1 Ω	0,5 Ω
  Eingangs-Nennimpedanz			50 Ω
  Abstimmgeschwindigkeit			< 50 ms
  Abstimmungsgenauigkeit			< 0,05 bzw. < - 26 dB (Pr/Pv < 0,25 %)

• Die Kosten für diese Anpassungsnetzwerke sollen dabei geringer sein als diejenigen der derzeitig erhältlichen Anpassungsnetzwerke gleicher Leistungsklasse. Die Abstimmgeschwindigkeit < 50 ms ist um mehr als 1 Größenordnung schneller als diejenige der heute üblichen Anpassungsnetzwerke mit mechanisch verstellten Kondensatoren. Dadurch wird der definierte Prozess-Arbeitspunkt schneller erreicht und die Zeit der undefinierten Hochfrequenzverhältnisse deutlich verkürzt. Dies ist insbesondere für empfindliche Prozesse mit chemischen Reaktionen (Reaktivsputtern, PECVD, Ätzen), Prozesse mit kurzen Prozesszeiten und für gepulste Prozesse von hoher Bedeutung. Die Abstimmgenauigkeit ist mindestens eine Größenordnung höher als bei konventionellen Anpassungsnetzwerken, da keine mechanische Positionierungspräzision von Kondensatoren mehr im Spiel ist. Zusammen mit einer präzisen Messtechnik und leistungsfähigen Abstimmungsalgorithmen kann so eine wesentlich präzisere Prozessstabilität und - reproduzierbarkeit erzielt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hochfrequenz-Impedanz - Anpassung eines Hochfrequenz-Generators G and die Impedanz einer Last, wobei ein Anpassungsnetzwert umfassend eine Kettenschaltung von n (n > 1) Kettenelementen zwischen einen Eingangsport und einen Ausgangsport geschaltet wird, zeichnet sich dadurch, dass die Kettenelemente jeweils elektronisch geschaltet 2 verschiedene 2-Tor Zustände annehmen können und durch eine digitales Signal mit n Bit Länge angesteuert werden, um die zur Anpassung erforderlichen Streuparameter des Gesamtzweitors einzustellen. Dieses Verfahren weist die entsprechenden Vorteile wie das analoge Anpassungsnetzwerk auf.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Im Einzelnen zeigt beispielhaft:
• 1: Ein Ausführungsbeispiel des Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerks
• 2: Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Impedanz- Anpassungsnetzwerks.
• 3a: Ein Smith Diagramm mit der Darstellung des anpassbaren Impedanz- Bereichs eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• 3b: Ein Smith Diagramm mit des anpassbaren Impedanz- Bereichs einer L-Schaltung nach dem Stand der Technik.
• In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei G einen Hochfrequenzgenerator und L eine Last beispielsweise eine Plasmaanregungsvorrichtung bezeichnet.
• Das Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk, umfasst einen Eingangsport und einen Ausgangsport, wobei der Eingangsport als Eingang für ein Signal des Hochfrequenz - Generators G, der Ausgangsport als Ausgang für das Signal zur Last L ausgebildet ist.
• Zwischen Eingangsport und Ausgangsport ist eine Kettenschaltung von zwei oder mehr Kettenelementen angeordnet, wobei jedes Kettenelement einen Serienzweig Z_s, Z_s1 Z_s2 mit einer Serienzweig-Reaktanz X_s , X_s1 , X_s2 und einen Parallelzweig Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 mit einer Parallelzweig-Reaktanz X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 sowie einen Schalter S_s , S_s1 , S_s2 , S_s3, S_p , S_p1 , S_p2 , S_p3 aufweist. Zumindest einer der Schalter ist als Drain- Source Strecke eines Transistors ausgebildet.
• Mittels der Schalter S_s , S_s1 , S_s2 , kann eine Überbrückung der Serienzweig-Reaktanz X_s , X_s1 , X_s2 , X_s3 geschaltet werden.
• In den Parallelzweigen Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 sind jeweils Schalter S_p , S _p1, S_p2 , S_p3 in Serie mit den Parallelzweig-Reaktanzen X_p , X_p1 , X_p2 , X_p3 geschaltet.
• Die dargestellten Komponenten sind durch Leitungsabschnitte L_n verbunden.
• Erfindungsgemäß ist zumindest einer der, vorzugsweise sind jedoch alle Schalter S_s1 , S_s2 , S_s3 , S_p1 , S_p2 , S_p3 als Drain- Source- Strecke eines Verbindunghalbleiter - Transistors ausgebildet.
• Bevorzugt handelt es sich bei den Transistoren um Galliumnitrid- oder Siliziumkarbid-Transistoren. Die Parallelzweige Z_p , Z_p1 , Z_p2 , Z_p3 sind gegen Masse geschaltet, wobei die Schalter S_p , S_p1 , S_p2 mit ihrer Source an Masse liegend geschaltet sind.
• In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei die Reaktanzen der aus Vereinfachungsgründen nicht einzeln bezeichneten Serienzweige als Induktivitäten L_s1 , L_s2 , L_s3 ausgebildet sind.
• Die Reaktanzen der aus Vereinfachungsgründen nicht einzeln bezeichneten Parallelzweige sind in 2 als Kondensatoren C_p , C_p1 , C_p2 , C_p3 ausgebildet.
• In 3a und 3b sind jeweils der auf eine Impedanz Z₀= 50 Ohm normierte Imaginärteil und Realteil der anpassbaren Impedanz von Anpassungsnetzwerken in einem Smith - Diagramm dargestellt.
• Derartige Diagramme sind bei beispielsweise bekannt aus den Veröffentlichungen P. H. Smith: Transmission Line- Calculator, Electronics Volume 12, No1, pp 29 bis 31 January 1939 und improved Transmission Line- Calculator Electronics Volume 17, No 01, pp 130 bis 133, 318 bis 325, January 1944.
• In 3a ist das Smith Diagramm einer Simulation der Impedanz- Werte eines erfindungsgemäßen Netzwerk dargestellt. Wie bei Smith Diagrammen üblich, ist der Realteil der Impedanz geschlossenen Kreisen und ihr Imaginärteil offenen Kreisabschnitten zugeordnet.
• Dunkle Punkte in der Darstellung sind die anpassbaren Lastimpedanzen bei verschiedenen Schalterstellungs-Kombinationen..
• Das Diagramm der 3a überdeckt den insbesondere für viele Plasmaanwendungen wichtigen Anpassbereich von 1 Ohm bis 10 Ohm reel und von -j 5 Ohm bis -j 20 Ohm imaginär.
• In den Resultaten der 3a ist das Verhältnis von reflektierter Leistung P_r zu P_i < 15 %. Die Leistungsbelastbarkeit ist < 2000 W und der Wirkungsgrad > 65 %, wobei daraufhin zu weisen ist, dass diese Werte in den meisten Bereichen des Diagramms weit übertroffen werden.
• In der 3b ist zum Vergleich ein Smith- Chart- Leitungsdiagramm einer aus dem Stand der Technik bekannten L- Schaltung mit einer verstellbaren Kapazität zwischen 200pF und 1000pF im Parallelzweig sowie im Serienzweig einer verstellbaren Kapaziät zwischen 155pF und 500pF und einer Induktivität von 1000nH dargestellt, wobei der von einer durchgehenden Linie umrandete Bereich den anpassbaren Impedanz- Bereich dieser Schaltung zeigt. Der Vergleich von 3a mit 3b zeigt, dass das Smith Diagramm eines erfindungsgemäßen Netzwerks den anpassbaren Impedanz- Bereich einer typischen L- Schaltung- Matchbox überdecken kann.
• Bezugszeichenliste

G

Generator

L

Last

L_n

Leitungsabschnitte n

S_s

Schalter s

S_s1

Schalter s1

S_s2

Schalter s2

S_p

Schalter p

S_p1

Schalter p1

S_p2

Schalter p2

S_p3

Schalter p3

X_s

Serienzweig- Reaktanz s

X_s1

Serienzweig- Reaktanz s1

X_s2

Serienzweig- Reaktanz s2

X_p

Parallelzweig- Reaktanz p

X_p1

Parallelzweig- Reaktanz p1

X_p2

Parallelzweig- Reaktanz p2

X_p3

Parallelzweig- Reaktanz p3

L_s1

Spule s1

L_s2

Spule s2

L_s3

Spule s3

C_p

Kondensator p

C_p1

Kondensator p1

C_p2

Kondensator p2

C_p3

Kondensator p3

Z_s

Serienzweig s

Z_s1

Serienzweig s1

Z_s2

Serienzweig s2

Z_p

Parallelzweig p

Z_p1

Parallelzweig p1

Z_p2

Parallelzweig p2

Z_p3

Parallelzweig p3

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1236275 B1 [0011]
• US 6677828 [0011]
• EP 1182686 A2 [0011]
• US 020080284537 A1 [0011]
• US 020100085129 A1 [0011]
• US 020100225411 A1 [0011]
• US 542076 B2 [0011]
• KR 102013115826 A [0011]
• JP 002012142285 A [0011]
• DE 102005058875 A1 [0011]
• US 8416008 B2 [0012]
• US 9124248 B2 [0012]
• WO 2016/100841 A1 [0013]
• US 7248866 B1 [0014]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• P. H. Smith: Transmission Line- Calculator, Electronics Volume 12, No1, pp 29 bis 31 January 1939 [0068]

Claims (14)

1. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk, umfassend einen Eingangsport und einen Ausgangsport, wobei der Eingangsport als Eingang für ein Signal eines Hochfrequenz - Generators G, der Ausgangsport als Ausgang für ein Signal zu einer Last L ausgebildet ist und Eingangsport und Ausgangsport mittels einer Kettenschaltung von zwei oder mehr Kettenelementen gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass - jedes Kettenelement einen Serienzweig (Z_s, Z_s1 Z_s2) mit einer Serienzweig-Reaktanz (X_s, X_s1, X_s2) und einen Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) mit einer Parallelzweig-Reaktanz (X_p, X_p1, X_p2, X_p3) sowie einen ersten Schalter (S_s, S_s1, S_s2, S_s3, S_p, S_p1, S_p2, S_p3) umfasst, der als Drain- Source Strecke eines Transistors ausgebildet ist, wobei - mittels des ersten Schalters (S_s, S_s1, S_s2) eine Überbrückung der Serienzweig-Reaktanz (X_s, X_s1, X_s2) schaltbar ist oder - der erste Schalter (S_p, S_p1, S_p2, S_p3) im Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) in Serie mit der Parallelzweig-Reaktanz X_p, X_p1, X_p2, X_p3 geschaltet ist.
2. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenelement zusätzlich zum ersten Schalter einen zweiten Schalter umfasst, wobei der zweite Schalter im Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) geschaltet ist, falls mittels des ersten Schalters eine Überbrückung der Serienzweig-Reaktanz (X_s, X_s1, X_s2) schaltbar ist oder wobei mittels des zweiten Schalters eine Überbrückung der Serienreaktanz (X_s, X_s1, X_s2) schaltbar ist, falls der erste Schalter im Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2) geschaltet ist.
3. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor ein GaN-, SiC-, GaAs/AlGaAs-, InGaAs- oder InP/GaInAs- Transistor ist.
4. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) gegen Masse geschaltet ist.
5. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) geschaltete erste Schalter (S_p, S _p1, S_p2, S_p3) mit seiner Source an Masse liegt.
6. Hochfrequenz- Impedanz- Anpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelzweig-Reaktanz (X_p, X_p1, X_p2, X_p3) als Kondensator (C_p, C_p1, C_p2, C_p3) oder als induktives Element ausgebildet ist.
7. Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienzweig - Reaktanz (X_s, X_s1, X_s2) als Kondensator oder als induktives Element (L_s1, L_s2, L_s3) ausgebildet ist.
8. Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel oder in Serie zu dem im Serienzweig (Z_s, Z_s1, Z_s2, )geschalteten Schalter (S_s, S_s1, S_s2) eine weitere Reaktanz geschaltet ist.
9. Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel oder in Serie zu dem im Parallelzweig (Z_p, Z_p1, Z_p2, Z_p3) geschalteten Schalter (S_p, S_p1, S_p2, S_p3) eine weitere Reaktanz geschaltet ist.
10. Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsnetzwerk für Frequenzen größer als 1 GHz ausgelegt ist, wobei die Reaktanzen (X_s, X_s1, X_s2, ) des Serienzweiges (Z_s, Z_s1 Z_s2) und/oder die Reaktanzen (X_p, X_p1, X_p2, X_p3) des Parallelzweiges (X_s, X_s1, X_s2, X_s3) als Leitungsstücke oder als Stichleitungen ausgebildet sind.
11. Verwendung eines Hochfrequenz- Impedanz Anpassungsnetzwerkes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsnetzwerk bei einer Plasmaanregung für Oberflächenbehandlungen, oder für die Lichterzeugung, zur elektrischen oder induktiven Erwärmung von Werkstücken oder bei einem nachrichtentechnischen Sender, einschließlich Basisstationen, Amateurfunk, Fernsehen und Radio, Radar, Richtfunk eingesetzt wird.
12. Verwendung eines Hochfrequenzen- Impedanz Anpassungsnetzwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsnetzwerk bei der Einkopplung von Hochfrequenzleistung bei einem Teilchenbeschleuniger oder einer Synchrotonstrahlungsquelle eingesetzt wird.
13. Verwendung eines Hochfrequenzen- Impedanz Anpassungsnetzwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungsnetzwerk bei Messungen nach dem Load- Pull- Verfahren oder dem Source-Pull Verfahren eingesetzt wird.
14. Verfahren zur Hochfrequenz-Impedanz - Anpassung eines Hochfrequenz-Generators G an die Impedanz einer Last, wobei ein Anpassungsnetzwert umfassend eine Kettenschaltung von n (n > 1) Kettenelementen zwischen einen Eingangsport und einen Ausgangsport geschaltet wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Kettenelemente jeweils elektronisch geschaltet 2 verschiedene 2-Tor Zustände annehmen können und durch eine digitales Signal mit n Bit Länge angesteuert werden, um die zur Anpassung erforderlichen Streuparameter des Gesamtzweitors einzustellen.

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