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Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung mit einer Signalverarbeitung und einem Richtkoppler.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgabesignals aus Signalen, die durch jeweils eine Nebenleitung eines Richtkopplers, der eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekoppelte Nebenleitungen aufweist, ausgegeben werden.
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Hochfrequenzgeneratoren werden dafür eingesetzt, eine Hochfrequenzleistung zu erzeugen und an eine Last zu liefern. Als Last kommen beispielsweise Plasmaprozesse, wie Plasma beschichten und Plasma ätzen, oder Laserprozesse (Laseranregung) in Frage. Da sich die Impedanz der Last ändern kann und es somit bei Fehlanpassung zur (teilweisen) Reflektion der von dem Hochfrequenzgenerator gelieferten Leistung kommen kann, wird häufig nicht die gesamte von dem Hochfrequenzgenerator gelieferte Leistung in der Last (dem Plasma) absorbiert. Um die in die Last gelieferte Hochfrequenzleistung genau einstellen bzw. regeln zu können, ist es wünschenswert, die in der Last absorbierte Leistung zu bestimmen.
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Um sowohl die in Richtung Last gelieferte Hochfrequenzleistung als auch die reflektierte Leistung erfassen zu können, ist es bekannt, Richtkoppler einzusetzen, die neben einer Hauptleitung, über die die Hochfrequenzleistung in Richtung Last gesendet wird, zwei Nebenleitungen aufweisen. Über eine Nebenleitung kann dabei die in Richtung Last gelieferte Leistung gemessen werden und über die andere Nebenleitung kann die reflektierte Leistung gemessen werden. Aufgrund der Lieferung der Hochfrequenzleistung über die Hautleitung entstehen elektromagnetische Felder, die auf die Nebenleitungen gekoppelt werden, so dass an den Nebenleitungen ein Messsignal erfasst werden kann, weiches mit der Leistung auf der Hauptleitung in Beziehung steht. Mit dem Begriff Richtschärfe (gleichbedeutend mit Richtwirkung, directivity) wird die Qualität der Messung beschrieben. Ziel ist es, auf der einen Nebenleitung möglichst nur Anteile der in Richtung Last gelieferten Leistung zu detektieren und mit der anderen Nebenleitung möglichst nur Anteile der reflektierten Leistung zu detektieren. In der Praxis wird dies jedoch nicht vollständig erreicht. Das bedeutet, dass mit der einen Nebenleitung, mit der nur die in Richtung Last gelieferte Leistung detektiert werden soll, auch immer ein kleiner Anteil der reflektierten Leistung detektiert wird. Mit der Richtschärfe wird das Verhältnis von der Leistungsdetektion des gewünschten Signals zu der Leistungsdetektion des unerwünschten Signals bezeichnet. Die Richtschärfe sollte möglichst groß sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung bereit zu stellen, mit der das auf einer Hauptleitung übertragene Signal genauer und zuverlässiger erfasst werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung mit einer Signalverarbeitung und einem Richtkoppler, aufweisend eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptleitung in einem Koppelbereich elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitungen, die jeweils einen Ausgang aufweisen, wobei der Richtkoppler ausgelegt ist, dass an jedem Ausgang ein Signal ausgegeben wird, das mit einem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung steht, wobei die Ausgänge der Nebenleitungen mit der Signalverarbeitung verbunden sind, die ausgelegt ist, ein Ausgabesignal auszugeben und einen Signalkombinierer und eine Signalveränderungseinrichtung aufweist.
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Mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann eine verbesserte Koppeldämpfung erreicht werden. Insbesondere kann eine verbessert abgleichbare Koppeldämpfung erreicht werden. Die Koppeldämpfung ist dabei das Übertragungsverhältnis von der in der Hauptleitung übertragenen Leistung zu der in der Nebenleitung eingekoppelten Leistung. Mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann außerdem eine verbesserte Richtwirkung erzielt werden. Die Richtwirkung ist dabei das Verhältnis von der Koppeldämpfung der gewünschten Welle zu der Koppeldämpfung der ungewünschten Welle.
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Die Signalverarbeitung kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, elektrische Signale zu verarbeiten, das bedeutet, beispielsweise zu speichern, arithmetisch zu kombinieren, auszuwerten, in Abhängigkeit der Auswertung neue Signale zu generieren, etc.. Die Signalverarbeitung kann dabei analog und/oder digital ausgelegt sein. Die Signalverarbeitung kann hierfür insbesondere aufweisen:
- - einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADC),
- - eine oder mehrere Digital-Analog-Wandler (DAC),
- - programmierbare Logikbausteine (PLD)
- - Mikrokontroller (µC)
- - analoge und/oder digitale Mischer, Filter, Addierer, Frequenzerzeuger.
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Die Signalveränderungseinrichtung kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, wenigstens ein Eingangssignal zu einem Ausgangssignal zu verändern. Dieser Baustein kann ausgelegt sein, diese Veränderung analog und/oder digital durchzuführen. Die Veränderung kann eine Multiplikation mit einem Faktor, auch mit einem komplexen Faktor, sein. Die Veränderung kann auch eine Integration oder Ableitung sein. Die Signalveränderungseinrichtung kann insbesondere einen Amplitudenbeeinflusser und/oder einen Phasenschieber umfassen. So kann die Amplitude und/oder die Phase des Eingangssignals um einen jeweils vorgebbaren Wert verändert werden. Die vorgebbaren Werte können veränderlich, einstellbar und/oder automatisch steuerbar sein. Insbesondere kann die Signalveränderungseinrichtung auch nur ein Stück verlängerte Leitung zur Phasenverschiebung des Signals sein.
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Der Amplitudenbeeinflusser kann einen Spannungsteiler und/oder einen Verstärker umfassen.
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Das Eingangssignal einer Signalveränderungseinrichtung kann hier insbesondere ein Signal von einem der Ausgänge der Nebenleitungen des Richtkopplers sein, das mit dem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung steht.
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Der Signalkombinierer kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, wenigstens zwei Eingangssignale zu einem Ausgangssignal zu kombinieren. Dieser Baustein kann ausgelegt sein, die Kombination analog und/oder digital durchzuführen. Dabei können die beiden Eingangssignale zu einem Ausgangssignal addiert, multipliziert, voneinander subtrahiert, dividiert und/oder auf andere Weise kombiniert werden. Der Signalkombinierer kann insbesondere einen Addierer zur Addition der wenigstens zwei Eingangssignale umfassen. Dadurch können Signale besonders einfach und zuverlässig zusammengefasst werden. Die wenigstens zwei Eingangssignale können hier insbesondere die Signale an den Ausgängen der Nebenleitungen des Richtkopplers sein, die mit dem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung stehen. Ein oder die wenigstens zwei Eingangssignale können hier insbesondere auch die Signale an den Ausgängen einer oder mehrerer Signalveränderungseinrichtungen sein.
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Wenn zwei oder mehr Koppelleitungen, d.h. Nebenleitungen, für eine Signalrichtung vorhanden sind, kann eine Zusammenschaltung der Koppelleitungen erfolgen. Das Zusammenschalten kann mit Spannungsteilern und/oder Verstärkern geschehen, um die Signale gleichphasig oder gegenphasig mit gleichen oder unterschiedlichen Amplitudenverhältnissen zu wichten. Weiterhin kann eine Zusammenschaltung, d.h. Signalkombination, mit Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Verzögerungsgliedern erfolgen, um eine Phasenverschiebung der unterschiedlichen Signale und so die gewünschten Koppeleigenschaften zu erreichen. Die unterschiedlichen Maßnahmen können beliebig kombiniert werden. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.
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Der Signalkombinierer kann als analoger oder digitaler Signalkombinierer ausgebildet sein. Wenn ein analoger Signalkombinierer vorgesehen ist, kann dieser einen oder mehrere Widerstände und/oder einen Verstärker aufweisen. So können die Messwerte noch schneller, genauer und zuverlässiger erfasst werden. Ein digitaler Signalkombinierer kann die Messwerte exakter, zuverlässiger und weniger störanfällig ermitteln.
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Wenn die Signalverarbeitung digital erfolgen soll, kann eine A/D-Wandleranordnung vorgesehen sein. Im digitalen Bereich stehen weitere und alternative Möglichkeiten zur Signalkombination und Signalveränderung zur Verfügung. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.
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Insbesondere im digitalen Bereich kann die Signalveränderungseinrichtung einen Multiplikator zur Multiplikation, insbesondere zur komplexen Multiplikation, zumindest eines Signals mit einem vorgegebenen Faktor, insbesondere einem komplexen Faktor, aufweisen. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.
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Weiterhin kann ein Umsetzer zum Umsetzen eines oder mehrerer Signale in das Basisband vorgesehen sein.
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Weiterhin kann eine digitale Weiterverarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, die dem Signalkombinierer nachgeschaltet ist. Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise die Umsetzung in das Basisband sein.
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Insbesondere im Falle der digitalen Signalverarbeitung kann zunächst eine Analog-Digital-Wandlung von mindestens zwei Signalen vorgesehen sein. Dabei können unmittelbar die Signale, die aus den Nebenleitungen ausgegeben werden, digitalisiert werden. Alternativ können die Signale, die direkt den Nebenleitungen entnommen werden, vorbehandelt werden, beispielsweise addiert, phasenverzögert, verstärkt und/oder mit weiteren Signalen kombiniert werden und dann digitalisiert werden. Anschließend kann eine komplexe Kombination dieser Signale im Digitalen erfolgen. Dabei kann eine Phasenverschiebung und/oder eine Gewichtung der Signale zueinander durch eine digitale Struktur erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Umsetzung der Signale in das Basisband (komplexe Mischung mit einem LO-Signal (von einem lokalen Oszillator stammendes Signal) und Tiefpassfilterung) erfolgen. Anschließend kann die Multiplikation mindestens eines der digitalisierten Signale mit einem komplexen Faktor erfolgen. Weiterhin können mindestens zwei Signale addiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann insbesondere vorgesehen sein, dass zum Erfassen eines in eine Richtung auf der Hauptleitung übertragenen Signals zwei Nebenleitungen vorgesehen sind.
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Es können Nebenleitungen mit zugeordneter Signalverarbeitung jeweils zur Erfassung eines in einer ersten Richtung auf der Hauptleitung übertragenen Signals und eines in entgegengesetzter Richtung übertragenen Signals vorgesehen sein. Somit können Signale, die in beiden Richtungen auf der Hauptleitung übertragen werden, unabhängig voneinander erfasst werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgabesignals aus Signalen, die durch jeweils eine Nebenleitung eines Richtkopplers, der eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptleitung eletromagnetisch gekoppelte Nebenleitungen aufweist, ausgegeben werden, mit den Verfahrensschritten:
- a. Veränderung zumindest eines Signals
- b. Kombination der Signale zu dem Ausgabesignal
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Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, ein Maß für ein auf der Hauptleitung übertragenes Signal nicht durch lediglich eine Nebenleitung zu erfassen, sondern durch mindestens zwei Nebenleitungen zu erfassen. Zumindest eines der von den Nebenleitungen ausgegebenen Signalen wird dabei verändert. Dann werden die Signale zu einem Ausgabesignal kombiniert, welches als Maß für das auf der Hauptleitung übertragene Signal verwendet wird. Durch diese Vorgehensweise kann das auf der Hauptleitung übertragene Signal sehr viel genauer bestimmt werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Phase und/oder Amplitude zumindest eines Signals verändert wird. Beispielsweise kann zumindest eines der Signale phasenverzögert werden und/oder zumindest eines der Signale kann verstärkt werden, wodurch sich eine Amplitudenänderung ergibt. Außerdem ist es denkbar, zumindest eines der Signale zu dämpfen. Auch dadurch ergibt sich eine Amplitudenänderung.
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Die Phase und/oder Amplitude kann in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Richtkopplers, insbesondere in Abhängigkeit der übertragenen Leistung auf der Hauptleitung oder in Abhängigkeit der Temperatur verändert werden. Es wurde festgestellt, dass Richtwirkung und Koppeldämpfung temperaturabhängig sein können. Dies insbesondere dann, wenn eine Nebenleitung unter der Hauptleitung liegt. Die Hauptleitung kann bei hohen Leistungen selbst Wärme erzeugen. Das Substrat- bzw. Platinenmaterial kann sich aufgrund der Wärmeentwicklung ausdehnen. Da der Abstand zwischen Haupt- und Nebenleitung einen direkten Einfluss auf die Koppeldämpfung und auf die Richtwirkung haben, verändern sich diese bei veränderter Temperatur. Dieser Einfluss macht sich in der Nebenleitung, die neben der Hauptleitung liegt, kaum bemerkbar. Hier überwiegt die magnetische Kopplung gegenüber der elektrischen Kopplung. Eine Abstandsänderung fällt, wenn sie überhaupt auftritt, dabei nicht so ins Gewicht wie bei einer Nebenleitung unterhalb der Hauptleitung.
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Die Signale können durch Addition und/oder mittels eines Verstärkers kombiniert werden. Die Addition und/oder die Verstärkung können analog oder digital erfolgen.
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Eine digitale Signalverarbeitung wird möglich, wenn die Signale digitalisiert werden. Die Digitalisierung kann dabei an unterschiedlichen Stellen der Signalverarbeitung erfolgen. Insbesondere ist es denkbar, die Signale zunächst analog zu bearbeiten und anschließend zu digitalisieren und digital weiter zu verarbeiten.
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Zumindest ein digitalisiertes Signal kann multipliziert, insbesondere komplex multipliziert werden, um dessen Amplitude und/oder Phase zu verändern. Hieraus wird deutlich, dass die Veränderung eines Signals sowohl eine Phasenänderung als auch eine Amplitudenänderung nach sich ziehen kann. Es ist jedoch auch denkbar, lediglich die Phase oder lediglich die Amplitude zu verändern.
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Das Signal kann vor der Multiplikation in sein Basisband umgesetzt werden. Dadurch erleichtert sich die nachfolgende Signalverarbeitung.
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Das Ausgangssignal des Signalkombinierers kann digital weiterverarbeitet werden, insbesondere in das Basisband umgesetzt werden. Die Umsetzung in das Basisband kann somit am Ende der Signalverarbeitung durchgeführt werden. Die Umsetzung kann jedoch auch zu einem früheren Zeitpunkt durchgeführt werden und das in das Basisband umgesetzte Signal kann anschließend weiterverarbeitet werden.
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Die Veränderung eines Signals kann in Abhängigkeit von während einer Kalibrierung erfassten Eigenschaften des Richtkopplers erfolgen. Somit kann ein Richtkoppler werksseitig einmal eingestellt werden und ist somit zukünftig für die akkurate Messung von Signalen, die auf der Hauptleitung übertragen werden, einsatzbereit.
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Der Richtkoppler kann eine Hauptleitung aufweisen, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, insbesondere einer Leistung größer oder gleich 1 KW, und insbesondere einer Spannung größer oder gleich 200 V zu übertragen. Insbesondere für Richtkoppler dieser Art können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.
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Die Abmessungen des Richtkopplers können um mehr als den Faktor 10 kleiner sein als die Wellenlänge der Frequenz, bei der der Richtkoppler betrieben wird. Dadurch ergibt sich eine kompakte Ausgestaltung des Richtkopplers. Zudem fallen Ungenauigkeiten beim Herstellungsprozess weniger ins Gewicht. Außerdem wird eine ungleichmäßige Temperaturverteilung reduziert. So kann die Messgenauigkeit des Richtkopplers weiter verbessert werden.
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Dieses von der Hauptleitung übertragene Signal kann insbesondere für eine elektrische Leistungsübertragung zur Anregung eines Plasmas verwendet werden. Der Richtkoppler kann dazu zwischen einem HF-Leistungserzeuger und einer Plasmakammer angeordnet sein und insbesondere als Teil des HF-Leistungserzeugers für dessen Steuerung verwendet werden.
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Die Nebenleitungen sind mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekoppelt. Dabei kann sich die die Hauptleitung im Koppelbereich in einer Längsrichtung geradlinig erstrecken, und insbesondere die Hauptleitung in einer zur Längsrichtung senkrechten Breitenrichtung eine Breite von mindestens 3 mm aufweisen, und die Längsrichtung und die Breitenrichtung eine Hauptleitungsebene definieren, und insbesondere eine erste Nebenleitung und eine zweiten Nebenleitung aufweisen, die insbesondere in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sein können, und insbesondere die erste Nebenleitung in einer von der Hauptleistungsebene beabstandeten zur Hauptleitungsebene parallelen Ebene angeordnet sein. Das Vorsehen mehrerer Nebenleitungen, die in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, führt dazu, dass eine Nebenleitung für eine überwiegend elektrische Kopplung und eine weitere Nebenleitung für eine überwiegend magnetische Kopplung eingesetzt werden kann. Die Ausgänge dieser beiden Nebenleitungen können dann wie zuvor beschrieben mit der Signalverarbeitung verbunden sein. Dadurch lässt sich eine sehr hohe Richtschärfe realisieren. Würde nur eine Nebenleitung für eine elektrische Kopplung vorgesehen, so würde nur eine sehr schlechte Richtschärfe erzielt werden, da die magnetische Kopplung zu gering ist. Würde andererseits die Nebenleitung so positioniert, dass eine überwiegend magnetische Kopplung erfolgt, so wäre die elektrische Kopplung zu klein und auch so keine gute Richtschärfe erzielbar. Durch die Kombination der Signale von zwei Nebenleitungen in unterschiedlichen Höhenebenen des Richtkopplers, können die beiden Vorteile miteinander kombiniert und die Nachteile minimiert werden. Für einen Richtkoppler mit hoher Richtschärfe ist es vorteilhaft, wenn die elektrische und magnetische Feldkopplung, die auf die Nebenleitung wirken, im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Zwischen Hauptleitung und Masse bildet sich das elektromagnetische Feld aus und es gilt eine Geometrie für die Nebenleitung zu finden und zu platzieren, die zur gewünschten Kopplung und einer hohen Richtschärfe führt. Bei Richtkopplern für große Leistungen (größer oder gleich 1 kW) sind die Felder sehr stark und die Kopplungsgeometrie kann vorteilhafter Weise entsprechend klein gewählt werden. So können die Messwerte gerade bei Richtkopplern dieser Bauart noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.
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Die zweite Nebenleitung kann in der Hauptleitungsebene beabstandet von der Hauptleitung angeordnet sein. Die zweite Nebenleitung kann sich somit in derselben Ebene wie die Hauptleitung befinden und verläuft insbesondere parallel zur Hauptleitung. Dadurch kann eine überwiegend magnetische Kopplung realisiert werden.
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Die erste Nebenleitung kann zumindest abschnittsweise zur Hauptleitung überlappend angeordnet sein. Die zweite Nebenleitung kann sich somit im Bereich der Hauptleitung über oder unter der Hauptleitung befinden. Dadurch kann eine überwiegend elektrische Kopplung realisiert werden.
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Eine Verbesserung der Richtschärfe kann weiterhin dadurch erreicht werden, dass zumindest eine Nebenleitung, insbesondere die erste Nebenleitung, in der Breitenrichtung eine geringere Breite aufweist als die Hauptleitung. Durch die Wahl des Breitenverhältnisses von Hauptleitung und Nebenleitung kann insbesondere die kapazitive Kopplung eingestellt werden.
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Die Nebenleitung(en) können ausgelegt sein, weniger als ein Hundertstel, insbesondere weniger als ein Tausendstel, vorzugsweise weniger als ein Zehntausendstel der auf der Hauptleitung übertragenen Leistung auszukoppeln. Somit entsteht ein am Richtkoppler ausgegebenes sehr genaues Messsignal, welches gut weiterverarbeitet werden kann.
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Der Richtkoppler kann ein Substrat aufweisen und die Hauptleitung kann zumindest im Koppelbereich im Inneren des Substrats angeordnet sein. Als Substrat kann beispielsweise eine Leiterkarte (PCB), insbesondere eine mehrlagige Leiterkarte, vorgesehen sein. Eine hohe Spannung auf der Hauptleitung gegenüber Masse kann zu hohen elektrischen Feldstärken an den Kanten der Hauptleitung führen. Bei einer Verlegung der Hauptleitung auf der Ober- oder Unterseite des Substrats kann an den Kanten der Hauptleitung, verursacht durch die hohen Feldstärken, eine KoronaEntladung, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit auswirkt, auftreten. Außerdem führt sie zur Zerstörung des Substrats und der Hauptleitung selbst, was weiter zu einer Messwertverfälschung führt. Um die Feldstärke zu reduzieren, können die Kanten abgerundet werden. Dies kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, ist aber ein aufwändiger und teurer Prozess. Die oben beschriebenen Probleme können vermieden werden, wenn die Hauptleitung im Inneren des Substrats angeordnet ist, also umfangsmäßig von Substratmaterial umgeben ist.
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Eine Nebenleitung kann zumindest im Koppelbereich schleifenfrei verlaufen. Mit dem Begriff „schleifenfrei“ ist gemeint, dass eine Nebenleitung keinen rücklaufenden Anteil aufweist. Ein schleifenförmiger Verlauf wäre ein Verlauf der Nebenleitung in eine Richtung entlang der Hauptleitung und dann die Richtung wechselnd, um in entgegengesetzter Richtung weiterzulaufen, um dann evtl. wieder in die erste Richtung zu verlaufen. Eine schleifenfreie Nebenleitung muss dabei nicht zwingend geradlinig verlaufen, sie kann auch kurvenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verlaufen.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn eine der Nebenleitungen überwiegend elektrisch und eine der Nebenleitungen überwiegend magnetisch mit der Hauptleitung gekoppelt ist. Dadurch können die Vorteile sowohl einer elektrischen als auch einer magnetischen Kopplung vereint werden. Insbesondere mit der Kombination dieser Nebenleitungen und der oben beschriebenen, insbesondere jeweils getrennt und individuell vorgebbaren Veränderung der gemessenen Signale in der Signalveränderungsvorrichtung und der Kombination der entsprechend veränderten Signale ergibt eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit.
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Wie bereits erwähnt, kann der Richtkoppler auf einer mehrlagigen Leiterkarte realisiert sein. Der Lagenaufbau könnte dabei folgendermaßen aussehen: Als unterste Lage kann eine Masselage vorgesehen sein. In der darüber liegenden Lage kann eine erste Nebenleitung angeordnet sein. In einer weiteren Lage können eine zweite Nebenleitung und die Hauptleitung angeordnet sein. Darüber kann wiederum eine Masse- und Schaltungslage vorgesehen sein. Mit einem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.
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Als Basismaterial für die Leiterkarten kann beispielsweise eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte mit der Materialkennung FR4 vorgesehen sein. FR4 hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier mit der Materialkennung FR2. Verwendung finden kann auch ein Basismaterial mit noch besseren Hochfrequenzeigenschaften wie z.B. Teflon, Aluminiumoxid oder Keramik in LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, dt.: Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken) und HTCC (High Temperature Cofired Ceramics dt. Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik) z.B. mit den Firmenbezeichnungen: Rogers RO4350, RO4835 oder ArlonTC350. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Leiterkartenmaterialen denkbar. Mit einem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.
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Eine besonders gute Wärmeabführung und damit hohe Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit kann mit Basismaterialien mit Metallkernen wie Aluminium oder Kupfer erzielt werden.
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Die Dicke der Leiterkarte kann weniger als 6 mm, vorzugsweise 4-5 mm, betragen. Die Breite der Nebenleitung beträgt vorzugsweise mehr als 100 µm. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Nebenleitung bei einem Ätzprozess nicht versehentlich aufgrund üblicher Ätztoleranzen zu schmal ausgeführt wird bzw. vollständig unterbrochen wird. Mit einem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.
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Die Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann als Leistungsmessvorrichtung in einem Leistungsgenerator, insbesondere zur Versorgung eines Plasmas, verwendet werden, wobei vorzugsweise ein Signal bei einer Frequenz in einem Bereich von 1-200 MHz, einer Leistung ≥ 1 KW und einer Spannung ≥ 200 V gemessen werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Stadien der Benutzung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung;
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung;
- 3 eine dritte Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung;
- 4a eine perspektivische Darstellung eines Richtkopplers;
- 4b eine Draufsicht auf den Richtkoppler gemäß der 4a.
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Die 1 zeigt eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung 100 mit einem Richtkoppler 10. Der Richtkoppler 10 umfasst eine Hauptleitung 1 und zwei mit der Hauptleitung 1 in einem Koppelbereich K elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitungen 2a, 3a, die jeweils einen Ausgang 7, 8 aufweisen. Die Nebenleitungen 2a, 3a dienen der Erfassung eines Signals, welches in einer ersten Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird. Weiterhin sind Nebenleitungen 2b, 3b vorgesehen, die zur Erfassung eines Signals, welches in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, vorgesehen sind.
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Die Ausgänge 7, 8 sind an eine Signalverarbeitung 11 angeschlossen. Die Signalverarbeitung 11 ist ausgelegt, an der Stelle 20 ein Ausgabesignal auszugeben. Eine der Signalverarbeitung 11 entsprechende Signalverarbeitung kann auch an die Nebenleitungen 2b, 3b angeschlossen sein. Es kann alternativ auch eine der in den 2, 3 dargestellten Signalverarbeitungen an die Ausgänge der Nebenleitung 2b, 3b angeschlossen sein.
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Die Signalverarbeitung 11 weist einen Signalkombinierer 12 und eine Signalveränderungseinrichtung 13 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Signalveränderungseinrichtung 13 Phasenschieber 4, 5 auf, um die Phase der Signale, die an den Ausgängen 7, 8 ausgegeben werden, zu verändern und insbesondere die Signale, die an den Ausgängen 7, 8 ausgegeben werden, in ihrer Phasenbeziehung einzustellen.
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Dem Phasenschieber 5 vorgelagert ist ein Amplitudenbeeinflusser 5a. Der Amplitudenbeeinflusser 5a kann einen Spannungsteiler und/oder einen Verstärker umfassen. Der Amplitudenbeeinflusser 5a könnte auch dem Phasenschieber 5 nachgeordnet sein. Es wäre auch denkbar, ein an einem der Ausgänge 7, 8 ausgegebenes Signal lediglich in der Amplitude zu beeinflussen und nicht in der Phase zu beeinflussen. Insbesondere ist es auch denkbar, eines der Signale 7, 8 in der Signalveränderungseinrichtung 13 überhaupt nicht zu verändern, sondern nur eines der Signale, die an den Ausgängen 7, 8 ausgegeben werden, in der Amplitude und/oder Phase zu beeinflussen. Weiterhin ist es denkbar, dass mehr als zwei Nebenleitungen 2a, 3a vorgesehen sind und entsprechend mehr Ausgänge als die Ausgänge 7, 8 der Signalverarbeitung 11 und somit der Signalveränderungseinrichtung 13 zugeführt werden.
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Der Signalkombinierer 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Addierer 15 ausgebildet. Insbesondere ist der Signalkombinierer 12 als analoger Addierer 15 ausgebildet. Zu diesem Zweck weist er Widerstände 6a, 6b auf, die an einem Knotenpunkt 21 zusammengeführt sind. Alternativ oder zusätzlich könnte der Addierer 15 auch einen Verstärker mit mehreren Eingängen oder weitere Elemente aufweisen. Durch die Signalverarbeitung 11 können die Ausgangssignale an den Ausgängen 7, 8 gewichtet werden. Dadurch kann die Leistung des Richtkopplers 10 erhöht werden. Insbesondere kann die Richtwirkung verbessert werden.
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Bei der Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung 200 gemäß der 2 ist der Richtkoppler 10 nur angedeutet. Der Richtkoppler 10 weist die Ausgänge 7, 8 auf, die auch hier einer Signalverarbeitung 211 zugeführt sind. Die Signalverarbeitung 211 weist ebenfalls ein Signalkombinierer 212 und eine Signalveränderungseinrichtung 213 auf. An der Stelle 220 wird ein Ausgabesignal ausgegeben, das als Maß für die auf der Hauptleitung 1 übertragene Leistung dient.
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Der Signalveränderungseinrichtung 213 vorgelagert ist eine A/D-Wandleranordnung 222, die A/D-Wandler 223, 224 aufweist. Insbesondere ist jedem Ausgang 7, 8 ein A/D-Wandler 223, 224 zugeordnet.
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Die so digitalisierten Signale gelangen an die Signalveränderungseinrichtung 213, die Signalbeeinflusser 215a, 215b umfasst. Die Signalbeeinflusser 215a, 215b können als Amplitudenbeeinflusser und/oder Phasenschieber ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Signalbeeinflusser 215a, 215b sowohl die Amplitude als auch die Phase eines digitalisierten Signals beeinflussen. Dies kann beispielsweise durch Multiplikation der digitalisierten Signale mit einem vorgegebenen Faktor erfolgen.
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Die so beeinflussten Signale werden dem Signalkombinierer 212 zugeführt, der einen Addierer 216 umfasst.
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Das addierte Signal wird einer Weiterverarbeitungseinrichtung 225 zugeführt, wo eine Umsetzung des Signals in das Basisband erfolgt. Dies geschieht, in dem ein LO-Signal in dem Multiplizierer 226 mit dem Ausgangssignal des Addierers 216 multipliziert wird und anschließend mit einem Tiefpassfilter 227 tiefpassgefiltert wird. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 227 entspricht dem Ausgabesignal an der Stelle 220. In der Signalverarbeitung 211 könnte jedoch auch eine anders ausgebildete Weiterverarbeitungseinrichtung 225 vorgesehen sein.
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Bei der dritten Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung 300 gemäß der 3 ist der Richtkoppler 10 wiederum lediglich schematisch dargestellt. Die Ausgänge 7, 8 sind einer Signalverarbeitung 311 zugeführt, die wiederum einen Signalkombinierer 312 und eine Signalveränderungseinrichtung 313 aufweist. Die Ausgänge 7, 8 werden auch in diesem Fall zunächst einer A/D-Wandleranordnung 322 mit A/D-Wandlern 323, 324 zugeführt. Ehe die digitalisierten Signale an die Signalveränderungseinrichtung 313 gelangen, werden diese jedoch einem Umsetzer 350 zugeführt, wo eine Umsetzung der digitalisierten Signale in das Basisband erfolgt. Zu diesem Zweck weist der Umsetzer 350 Multiplizierer 351, 352 auf, wo ein LO-Signal mit den Ausgangssignalen der A/D-Wandler 323, 324 multipliziert wird. Die multiplizierten Signale werden Tiefpassfiltern 353, 354 zugeführt.
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Die gefilterten Signale gelangen an die Signalveränderungseinrichtung 313. Dort werden die Signale verändert, indem sie in Multiplikatoren 355, 356 mit einem insbesondere komplexen Faktor 357, 358 multipliziert werden.
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Die multiplizierten Signale werden dem Signalkombinierer 312 zugeführt und dort durch einen Addierer 315 komplex addiert. Auf diese Weise wird das an der Stelle 320 ausgegebene Ausgabesignal erzeugt, welches als Maß für das auf der Hauptleitung 1 übertragene Signal verwendet werden kann.
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Die 4a zeigt eine detaillierte Darstellung des Richtkopplers 10, der auf einer gedruckten Leiterkarte (PCB) angeordnet ist. Der Richtkoppler 10 weist die Hauptleitung 1 auf, die sich in einer Längsrichtung L erstreckt. Die Hauptleitung 1 weist eine Breite von mindestens 3mm auf. Im Koppelbereich K sind die Nebenleitungen 2a, 3a angeordnet, die die Ausgänge 7, 8 aufweisen. Insbesondere sind die Nebenleitungen 2a, 3a parallel zur Längsrichtung L ausgerichtet.
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Die Längsrichtung L und die Breitenrichtung B spannen eine Hauptleitungsebene auf, in der die Hauptleitung 1 angeordnet ist. Die Nebenleitung 2a ist in einer Ebene angeordnet, die beabstandet parallel zu der Hauptleitungsebene angeordnet ist. Insbesondere befindet sich die Nebenleitung 2a unterhalb der Hauptleitung 1, insbesondere in einer anderen Lage einer Leiterkarte, jedoch überlappend zur Hauptleitung 1. Dadurch hat die Nebenleitung 2a eine überwiegend elektrische Kopplung zur Hauptleitung 1. Die Nebenleitung 3a befindet sich in der Hauptleitungsebene in einem Abstand in Breitenrichtung B von der Hauptleitung 1. Die Nebenleitung 3a weist somit eine im Wesentlichen magnetische Kopplung zur Hauptleitung 1 auf. Sowohl die Hauptleitung 1 als auch die Nebenleitungen 2a, 3a sind in einem Substrat 30, insbesondere einer Leiterkarte angeordnet. Unterseitig weist der Richtkoppler 10 eine Masseplatte 31 auf.
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Die 4b zeigt eine Draufsicht auf den Richtkoppler 10. Hier ist nochmal deutlich zu erkennen, dass die Nebenleitung 2a überlappend zur Hauptleitung 1 angeordnet ist und die Nebenleitung 3a neben der Hauptleitung 1 angeordnet ist. Dadurch entstehen unterschiedliche Kopplungseffekte zur Hauptleitung 1. Hier ist auch zu erkennen, dass für eine Auskopplung eines in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragenen Signals Nebenleitungen 2b, 3b vorgesehen sind. Die Anordnung der Nebenleitungen 2b, 3b entspricht der Anordnung der Nebenleitungen 2a, 3a.
