EP2545648A1

EP2545648A1 - Plasmaversorgungsanordnung mit quadraturkoppler

Info

Publication number: EP2545648A1
Application number: EP11707855A
Authority: EP
Inventors: Anton Labanc
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2013-01-16
Also published as: CN102792589A; DE102010002754B4; JP2013527642A; WO2011110654A1; US20130038226A1; KR20130004581A; DE102010002754A1

Abstract

Eine Plasmaversorgungsanordnung zur Leistungsversorgung einer Plasmalast weist einen Quadraturkoppler auf, der zumindest eine Kapazität und zumindest eine Induktivität aufweist und zum Zusammenkoppeln von zwei HF-Leistungssignalen derselben Frequenz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, wobei jeweils ein HF-Leistungssignal an einem ersten Nutzsignalanschluss und an einen zweiten Nutzsignalanschluss des Quadraturkopplers als Nutzsignal zugeführt wird, zu einer an einen dritten Nutzsignalanschluss als Nutzsignal auszugebenden gekoppelten HF-Leistung geeignet ist, wobei zumindest ein Nutzsignalanschluss für eine erste Impedanz ausgelegt ist. Der Quadraturkoppler (150) weist einen vierten Nutzsignalanschluss auf, der für eine zweite Impedanz ausgelegt ist, die höher ist als die erste Impedanz oder weist lediglich drei Nutzsignalanschlüsse (1, 2, 3) auf.

Description

Plasmaversorgungsanordnuntj mit Quadraturkoppier

Die Erfindung betrifft eine Plasmaversorgungsanordnung zur

Leistungsversorgung einer Piasmalast, wobei die

Piasmaversorgungsanordnung zumindest einen Quadraturkoppier aufweist, der zumindest eine Kapazität und zumindest eine Induktivität zum

Zusammenkoppeln von zwei HF-Leistungssignalen derselben Frequenz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind wobei jeweils ein HF- Leistungssignal an einem ersten Nutzsignaianschluss und an einem zweiten

Nutzsignalanschluss des Quadraturkopplers als Nutzsignai zugeführt wird, zu einer an einem dritten Nutzsignalanschluss als Nutzsignai auszugebenden gekoppelten HF-Leistung aufweist, wobei zumindest ein Nutzsignalanschluss für eine erste Impedanz ausgelegt ist. industrielle Plasmaprozesse dienen zur Materialbearbeitung (z. B. Beschichten oder Ätzen von Oberflächen) sowie zum Betrieb von Gaslasern. Sie sind gekennzeichnet durch plötzliche Impedanzänderungen, insbesondere beim Zünden, beim Verlöschen oder bei Bogenentladungen (Ares). Solche für Plasmaprozesse typischen Impedanzänderungen führen zu Fehlanpassung und damit zu Reflexion von Hochfrequenzleistung. Zur Erzeugung der für den Plasmaprozess geforderten hohen Hochfrequenzleistung im Kilowattbereich werden oft die HF-Leistungssignale mehrerer HF-Leistungsqueilen

zusammengekoppelt.

Quadraturkoppler sind grundsätzlich bekannt. Bei korrekter Dimensionierung und korrektem Abschiuss des Quadraturkopplers wird ein an einem

Nutzsignalanschluss, zum Beispiel am Nutzsignalanschluss 3 eingespeistes Hochfrequenzsigna! um einen Phasenwinkei φ nachlaufend, bzw. um einen

Phasenwinkel -90^c + <p voreilend, auf die Nutzsignalanschlüsse 1 und 2 aufgeteilt, an denen die Teil-Hochfrequenzsignale somit mit einer

Phasenverschiebung von 90° zueinander austreten. Umgekehrt treten zwei um 90° phasenverschobene Hochfrequenzsignale gleicher Leistung, die an den Nutzsignalanschlüssen 1 und 2 anliegen, an Nutzsignalanschluss 3 überlagert aus. Am Nutzsignalanschluss 4 liegt nur dann ein Ausgangssignai an, wenn die Phasenbeziehung oder die Leistungsbeziehung der eingespeisten

Hochfrequenzsignale zueinander nicht exakt eingehalten wird. In vielen

Anwendungen wird dieser Nutzsignalanschluss mit einem Abschlusswiderstand mit dem Nennwert der Systemimpedanz (oft 50 Ω) versehen. Durch Kopplung (Kombination, Zusammenführen) von Einzeile istungen

{Hochfrequenzqueilsignalen) zweier Hochfrequenzquellen mit

Quadraturkopp lern lassen sich höhere Gesamtausgangsleistungen erzielen. Weitere Leistungssteigerungen ergeben sich durch die Kaskadierung von Kopplern. Diese Art der Zusammenschaltung von Hochfrequenzquellen durch Quadraturkoppier oder Kaskaden von Quadraturkoppiern ist zum Beispiel in EP1701376B1 beschrieben.

Sollen zum Erreichen höherer Leistungen mehrere Leistungskopplungsstufen kaskadiert werden, fällt allerdings der Aufwand an notwendigen Bauteilen (Anzahl der diskreten Bauelemente) oder Leiterkartenplatz bzw. Substratfläche bei integrierten Bauelementen zur Realisierung der Quadraturkoppier ins Gewicht, insbesondere in der letzten Leistungskopplungsstufe, wo ein Koppler die Gesamtleistung verarbeiten muss, sind die benötigten Bauteile teuer.

Es ist Aufgabe der Erfändung, den erforderlichen Aufwand an Bauteilen in der Plasmaversorgungsanordnung, insbesondere bei der kaskadierten Anwendung von Leistungskopplem, deutlich zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Plasmaversorgungs- anordnung der eingangs genannten Art, wobei ein vierter Nutzsignalanschluss zumindest eines Quadraturkopplers dieser Plasmaversorgungsanordnung für eine zweite Impedanz ausgelegt ist, die höher ist als die erste Impedanz, oder wobei mindestens ein Quadraturkoppier dieser Plasmaversorgungsanordnung lediglich drei Nutzsignalanschiüsse aufweist.

Quadraturkoppier sind üblicherweise so ausgelegt, dass mindestens einer ihrer Nutzsignalanschiüsse für eine erste Impedanz ausgelegt ist, die im

Allgemeinen der äußeren Beschaitung, beispielsweise der Systemimpedanz, entspricht. In einer erfindungsgemäßen Plasmaversorgungsanordnung ist bei mindestens einem Quadraturkoppier ein vierter Nutzsignalanschluss für eine Impedanz ausgelegt, die höher ist als die erste Impedanz. Die zu diesem Nutzsignalanschiuss führenden internen Zweige des Quadraturkopplers sowie die äußere Beschallung an diesem Nutzsignalanschiuss brauchen dann nicht für die volle Hochfrequenzleistung ausgelegt sein. Im Grenzfall geht die

Impedanz, für die der vierte Nutzsignalanschiuss ausgelegt ist, gegen unendlich, das heißt, die Admittanz wird null. In diesem Fall gehen die

Reaktanzen der internen Zweige, die zu diesem Nutzsignalanschiuss führen, gegen unendlich, es kann kein Strom mehr fließen, und der vierte

Nutzsignalanschiuss fällt damit fort.

Der zumindest eine Quadraturkoppler der erfindungsgemäßen

Plasmaversorgungsanordnung ist vorzugsweise für den Frequenzbereich zwischen 3 MHz und 30 IvlHz ausgelegt und üblicherweise aus diskreten Reaktanzen aufgebaut. Unter diskreten Reaktanzen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Kapazitäten und Induktivitäten verstanden, die

beispielsweise in T- oder in π-Form als Phasenleitungen eingesetzt werden können, wobei der Ausdruck„diskrete Reaktanzen" sowohl diskrete

Bauelemente als auch Reaktanzen umfasst, die in Planartechnik auf einer Leiterkarte realisiert sind, sowie Mischformen davon. Eine Mischform einer Induktivität könnte beispielsweise eine planare Spule und eine diskrete auf eine Leiterplatte gelötete oder gebondete Spule umfassen. Dabei können parallel oder seriell geschaltete Reaktanzen nach den bekannten Regeln der

Elektrotechnik zusammengefasst werden, um die Gesamtschaitung zu vereinfachen. Eine weitere Schaltungsvereinfachung ist durch die Kopplung der verwendeten Induktivitäten zu einem Übertrager möglich.

Ein bekannter Quadraturkoppler besteht aus einem Übertrager mit zwei Wicklungen Ni, z, einem Übersetzungsverhältnis von V = N1/N2 = 1 und einer Kopplung von k = 1 , mindestens einer parallel zu einer Wicklung geschalteten Induktivität L, die auch implizit im Übertrager, beispielsweise in N realisiert sein kann, sowie zwei Kapazitäten Gi , C2, die die Wicklungen des Übertragers an den beiden Seiten miteinander verbinden. Der Wert der Induktiviät ist 7

ω

für eine übliche Frequenz von 13,56 MHz und eine Systemimpedanz von Z₀ = 50 Ω ist L = 586,9 nH; der Wert der beiden Kapazitäten ist

C * C = ¹

2^■ ω · Z ₀

für f = ω/2π = 13,56 MHz und ZQ = 50 Ω ist C1 = C2 = 1 17,4 pF. Die vier Anschüsse des Übertragers mit dort verbundenen beschriebenen Bauteilen bilden die vier Nutzsignalanschfüsse des Kopplers, die für vorliegendes Beispiel auf 50 Ω ausgelegt sind.

Zwei um 90° phasenverschobene gleichgroße Hochfrequenzsignale, die an den Nutzsignalanschlüssen 1 und 2 angelegt werden, treten am

Nutzsignalanschluss 3 überlagert aus. Nutzsignalanschluss 4 ist isoliert.

Ebenso wird ein an dem dritten Nutzsignalanschluss eingespeistes

Hochfrequenzsignal in zwei Teil-Hochfrequenzsignale mit einer

Phasenverschiebung von 90° zueinander aufgespalten, die an den

Nutzsignaianschiüssen 1 und 2 austreten, während der vierte

Nutzsignalanschluss vom eingespeisten Hochfrequenzsignal wieder isoliert ist.

Gegenüber dem bekannten Quadraturkoppler kann der Quadraturkoppler erfindungsgemäß stark vereinfacht werden:

Da am vierten Nutzsignalanschluss kein Signal erwartet wird, kann der Betrag seiner charakteristischen Impedanz verändert werden, ohne dass sich die Eigenschaft des Guadraturkopplers bei dem beschriebenen Betrieb ändert. Dafür kann die an diesem Nutzsignalanschluss angeschlossene Kapazität (z. B. C₂) entsprechend verringert werden, während im Gegenzug die andere Kapazität Ci entsprechend erhöht werden kann, um die effektive Kapazität an den anderen drei Nutzsignaianschiüssen zu erhalten. Die Induktivität sowie das Übersetzungsverhältnis des Übertragers können der neuen charakteristischen Impedanz entsprechend erhöht werden. Ist die Induktivität parallel zu oder implizit in der Wicklung realisiert, die nicht mit dem vierten Nuizsignaianschiuss verbunden ist (z. B. Ni), genügt eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses V, da sich der transformierte Wert der Induktivität an N2 ebenfalls entsprechend erhöht. In diesem Fall sind die neuen Werte der Bauelemente

C,

- C,

ω · Ζ_η

7

^■4

wobei Z₄ die charakteristische Impedanz des vierten Nutzsignaianschlusses ist, d.h. die Impedanz, für die er ausgelegt ist

Wird der vierte Nuizsignaianschiuss für eine charakteristische Impedanz von Z₄ = 200 O ausgelegt, so sind C₂ ^■- 29,3 pF; d = 205,4 pF; V ~ 1 :4. Wird der vierte Nuizsignaianschiuss für eine charakteristische Impedanz von Z4 = 500 Ω ausgelegt, so sind C2 - 1 1 ,7 pF; C1 ~ 223 pF; V - 1 :10. Der koppierinterne Hochfrequenzstrom über die Bauteile am vierten Nuizsignaianschiuss (C2, N₂) wird entsprechend geringer, so dass diese für eine kleinere Belastung ausgelegt werden können.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Admittanz 1/ Z₄ gegen null geht, das heißt Z₄— > ⁰⁰ (V—» 0). In diesem Fall wird kein Strom über die

kopplerinternen Bauelemente C₂ und 2 erwartet, so dass diese entfallen können. Zur Realisierung des Quadraturkopplers genügen nunmehr die

1 Z

Kapazität , = = C und die Induktivität Z, =— . Der Quadraturkoppler ω · Ζ₀ ω

kann also lediglich eine Kapazität und eine Induktivität aufweisen. Bei einem derartig modifizierten Quadraturkoppler bleibt dessen primäre Funktion, nämlich die Kopplung von Leistungen, die am Nutzsignalanschluss 1 und Nutzsignalanschluss 2 mit korrekter Phasenverschiebung eingespeist werden, zur Ausgabe am Nutzsignalanschluss 3, erhalten.

Ein solcher Quadraturkoppler lässt sich vorteilhaft aufbauen, wenn mindestens eine seiner Induktivitäten eine planare Spule umfasst, also zumindest teilweise durch eine planare Spule ausgebildet ist, die ohne aufwändiges Wickeln hergestellt werden kann. Diese kann beispielsweise durch eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte realisiert werden. Für solche planaren Spulen gibt es bewährte industrielle Herstellungsprozesse. Ein Ferritkern oder ein ähnliches Magnetfeldverstärkungselement können der Induktivität zugeordnet sein, um die notwendige Leitungslänge beziehungsweise Wicklungszahl, die für den Frequenzbereich der jeweiligen Anwendung an sich nötig wäre, zu verringern. Damit können auch die elektrischen Verluste verringert werden.

Ebenso ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Kapazität des

Quadraturkappiers eine planare Struktur umfasst, die ebenfalls auf einer bevorzugt mehrlagigen Leiterkarte ausgeführt werden kann. Eine Kapazität des Quadraturkopplers kann also als planare Struktur ausgeführt sein oder eine Teil-Kapazität kann durch eine planare Struktur realisiert sein.

Die gemeinsame Ausführung bzw. Anordnung von pfanaren Strukturen für eine Kapazität und eine Induktiviät auf mindestens einer gemeinsamen Leiterkarte bedeutet eine weitere Optimierung, da damit die Herstellungskosten weiter gesenkt werden können.

Ist V = 0 und damit der Nutzsignalanschluss 4 überflüssig, kann der komplette Quadraturkoppler mit pianparallelen Flächen für die Kapazität und einer Windungsschnecke für die Induktivität auf einer einzigen mindestens doppellagigen Leiterplatte ausgeführt und industriell leicht hergestellt werden. Eine Ausführungsform mit einem Hochfrequenztransformator mit bifilarer Wicklung, dessen Anschlüsse an jeder Seite durch Kondensatoren verbunden sind, ist ebenfalls möglich.

Solange die am Nutzsignalanschluss 1 und am Nutzsignalanschluss 2 des zumindest einen Quadraturkopplers der erfindungsgemäßen

Plasmaversorgungsanordnung eingespeisten Hochfrequenzleistungen gleich sind, sind vorzugsweise auch die Reaktanzen der Induktivität XL = L-ω bzw. der Kapazität Xc=-1/(u)-C) vom Betrag gleich. Sollen jedoch unterschiedliche Leistungen zusammengekoppelt werden, so ist dies im Fall V = 0 durch eine einfache Anpassung der Reaktanzen möglich. Die Reaktanz der Kapazität kann erfindungsgemäß im Verhältnis der Wurzel des Leistungsverhältnisses PL (Hochfrequenzquelie an dem Nutzsignalanschluss, der kopplerintern mit L verbunden ist = P₂) und Pc (Hochfrequenzquelle an dem

Nutzsignalanschluss, der kopplerintern mit C verbunden ist = Pi) angepasst

Die Reaktanz der Induktivität zwischen Nutzsignalanschluss 2 und

Nutzsignalanschluss 3 kann im Verhältnis der Wurzel des

Pc und Pi angepasst werden:

Je höher der Leistungsanteii einer Hochfrequenzquelie an einem

Nutzsignalanschluss ist, desto geringer muss der Blindwiderstand (Reaktanz) zwischen diesem Nutzsignalanschluss und dem Nutzsignalanschluss 3 sein.

Die Phasenverschiebungen der eingspeisten Hochfrequenzsignale zum

Ausgangssignal mit der Ausgangsleistung 3 betragen

Eine optimale Leistungskopplung findet statt, wenn an die Nutzsignalanschüsse 1 und 2 des Quadraturkopp!ers jeweils eine der Impedanz des jeweiligen Nutzsignalanschiusses angepasste Hochfrequenzquelie angeschlossen ist; die gekoppelte Leistung steht dann am Nutzsignalanschluss 3 zur Verfügung.

Die Anordnung von jeweils zwei Hochfrequenzquelien, zum Beispiel zwei Invertem, zusammen mit einem herkömmlichen Quadraturkoppler mit gleicher Nennimpedanz an seinen vier Nutzsignalanschüssen (V ~ 1), bei dem ein Abschlusswiderstand an den Nutzsignalanschluss 4 angeschlossen ist, kann für sich als reflexionsarme, impedanzangepasste Hochfrequenzquelie aufgefassf werden. Zwei derartige reflexionsarme, impedanzangepasste Hochfrequenzquellen können dann an Nutzsignalanschluss 1 bzw. 2 eines Quadraturkopplers mit V < 1 bzw. V— > 0 angeschlossen werden.

Um höhere Leistungen zu erzielen, können Leistungskopplungsstufen mit Quadraturkoppiern mit V < 1 bzw. V— 0 kaskadiert werden. Das ist

insbesondere bei den in den weiteren Leistungskopplungsstufen vorliegenden höheren Hochfrequenzieistungen von Vorteil, da die einfacheren Strukturen teure Bauelemente und wertvollen Platz sparen.

Somit iässt sich eine erfindungsgemäße Plasmaversorgungsanordnung verwirklichen, die mehrere Hochfrequenzquellen aufweist, die jeweils eine Hochfrequenzleistung von > 500 W bei einer Frequenz im Bereich von 3 MHz bis 30 MHz erzeugen, und die weiterhin eine Leistungskoppleranordnung aufweist, die kaskadenförmig auf mehrere Leistungskopplungsstufen aufgeteilt ist. Die Hochfrequenzquellen sollten entweder impedanzangepasst sein oder ihrerseits zwei weitere Hochfrequenzqueiien umfassen, deren Leistung durch einen bekannten Quadraturkoppler, der an allen Nutzsignalanschlüssen für dieselbe Impedanz ausgelegt ist, und an einem Nutzsignalanschluss mit einem Abschlüsswiderstand verbunden ist, zusammengekoppeft wird.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Quadraturkoppler, der zumindest eine Kapazität und zumindest eine Induktivität aufweist und zum Zusammenkoppeln von zwei HF-Leistungssignalen derselben Frequenz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, wobei jeweils ein HF- Leistungssignal an einem ersten Nutzsignalanschluss und an einem zweiten Nutzsignalanschluss des Quadraturkopplers als Nutzsignal zugeführt wird, zu einer an einem dritten Nutzsignalanschluss als Nutzsignal auszugebenden gekoppelten HF-Leistung geeignet ist, wobei zumindest ein

Nutzsignalanschluss für eine erste Impedanz ausgelegt ist. Der zumindest eine Quadraturkoppler weist einen vierten Nutzsignalanschluss auf, der für eine zweite Impedanz ausgelegt ist, die höher ist als die erste Impedanz. Alternativ weist der zumindest eine Quadraturkoppler lediglich drei Nutzsignaianschlüsse auf.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Quadraturkoppler auf einer einzigen Leiterkarte ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau bei Verwendung weniger Bauteile. Durch die Ausgestaltung eines

Quadraturkopplers auf einer einzigen Leiterkarte, kann eine hohe

Reproduzierbarkeit sichergestellt werden. Außerdem werden die

Fertigungskosten gering gehalten.

Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei der Leiterkarte um eine mehrlagige Leiterkarte handelt. Dadurch wird ein noch kompakterer Aufbau des Quadraturkopplers möglich. Geringe Kosten können verursacht werden, wenn die Letterkarte eine zweiseitige Leiterkarte ist. Dies bedeutet, dass Strukturen auf der Ober- und Unterseite der Leiterkarte ausgebildet werden können.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Kapazität und/oder zumindest eine Induktivität in

Planartechnoiogie ausgebildet sind. Auch ein solcher Quadraturkoppler zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau aus. Es müssen nur wenige Bauteiie verwendet werden. Ein solcher Quadraturkoppler kann mit einer hohen und genauen Reproduzierbarkeit gefertigt werden. Die Fertigungskosten können gering gehalten werden.

Diese Vorteile können auch dadurch erzielt werden, dass die Abmessungen des Quadraturkoppiers kleiner sind ais ein fünftel der Wellenlänge der

Frequenz der HF-Leistungssignale.

Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung eine Kaskade von

erfindungsgemäßen Quadraturkopplern. Dabei kann die Kaskade zumindest einen Quadraturkoppler aufweisen, der mit der größten als Nutzsignal auszugebenden gekoppelten HF-Leistung betreibbar ist. Auf diese Art und Weise kann ein Ausgieichswiderstand eingespart werden, der ansonsten für besonders hohe Leistungen ausgelegt werden müsste. Dadurch entsteht eine erhebliche Kosteneinsparung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der

nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentiiche Einzelheiten zeigen, sowie aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Variationen der Erfindung

verwirklicht sein. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines

Quadraturkopplereinsatzes;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der

Funktionsweise eines Quadraturkopplers;

Fig. 3 eine Darstellung eines bekannten Quadraturkopplers, der mit

diskreten Reaktanzen aufgebaut ist;

Fig. 4 eine Darstellung eines Quadraturkopplers, bei dem: zwei

Kapazitäten zusammengefasst wurden;

Fig. 5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Quadraturkopplers;

Fig. 6 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des

erfindungsgemäßen Quadraturkopplers bei unterschiedlich starken HF-Leistungssignalen;

Fig. 7 eine Plasmaversorgungsanordnung mit mehreren

Leistungskopplungsstufen;

Fig. 8 eine weitere Ausgestaltung einer Plasmaversorgungsanordnung;

Fig. 9 eine Realisierungsmöglichkeit eines Quadraturkopplers mit drei

Nutzsignaianschlüssen.

Die Figur 1 zeigt beispielhaft einen Quadraturkoppler 50 mit vier

Nutzsignaianschlüssen 1 , 2, 3, 4. An die Nutzsignaianschfüsse 1 , 2 ist jeweils eine Hochfrequenzquelle 10, 20 angeschlossen, Haben die Hochfrequenzquellsignale der Hochfrequenzquellen 10, 20 eine Phasenverschiebung von 90°, so überlagern sich diese konstruktiv am

Nutzsignaianschiuss 3 und löschen sich am Nutzsignaianschiuss 4 aus. Somit liegt am Nutzsignaianschiuss 3 die Summe der beiden Einzeileistungen zum Verbrauch in der Senke 30 an. Die Senke 30 kann eine Plasmalast,

beispielsweise eine Plasmakammer oder ein Gaslaser, sein. Zwischen dem Nutzsignaianschiuss 3 und der Senke 30 kann eine Impedanzanpassungsschaltung 60 angeordnet sein.

Ist die Phasenverschiebung der Hochfrequenzquellsignale—90°, überlagern sich die Hochfrequenzqueilsignale konstruktiv am Nutzsignaianschiuss 4 und löschen sich am Nutzsignaianschiuss 3 aus.

Da der Quadraturkoppler 50 ein reziprokes Bauteil ist, wird

Hochfrequenzleistung, die von der Senke 30, beispielsweise einer

Plasmakammer, zurückkommt, da sie dort wegen Fehlanpassung reflektiert wird, auf die beiden Nutzsignalanschlüsse 1 und 2 aufgeteilt. Diese beiden Signale sind in Quadratur zueinander (90° Phasenverschiebung). Am

Nutzsignaianschiuss 4, an dem der Abschiusswiderstand 40 angeschlossen ist, kommt zunächst kein Signal an. Die reflektierten und aufgeteilten Signale laufen zu den Hochfrequenzquellen 10, 20, wo sie wiederum reflektiert werden. Sie laufen dann zurück zu den Nutzsägnalanschlüssen 1 und 2. Allerdings hat sich durch die Reflexion an den HF-Quellen 10, 20 die Phaseniage so verändert, dass sich die Signale konstruktiv am Nutzsignaianschiuss 4 überlagern und somit in den Abschiusswiderstand 40 geleitet werden. Dadurch wird verhindert, dass die reflektierte Leistung wieder zurück zur Senke 30 geleitet wird.

Die Funktionsweise des Quadraturkopplers 50 soll anhand der Figur 2 erläutert werden. Um eine Phasenverschiebung von 90° zu erhalten, kann ein Signal von Nutzsignaianschiuss 1 nach Nutzsignaianschiuss 3 in der Phase um 45° verzögert werden, von Nutzsignaianschiuss 1 nach Nutzsignaianschiuss 4 in der Phase um 45° vorauseilen. Gleiches gilt für die gegenüberliegenden Nutzsignalanschlusspaare. Für die Phasenleitungen 5-8 können beispielsweise Reaktanzen in T- oder n-Anordnung eingesetzt werden. Bei der einfachsten Realisierung werden die beiden Zweige mit +45° Phasenverschiebung je durch eine Induktivität die beiden Zweige mit -45° Phasenverschiebung je durch eine Kapazität realisiert. Der Quadraturkoppier weist in diesem Fall also zwei Induktivitäten und zwei Kapazitäten auf.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung des Quadraturkopplers 50 nach dem Stand der Technik mit diskreten Reaktanzen für den Frequenzbereich zwischen 3 MHz und 30 MHz. Die Phasenleitungen 5 bis 8 zwischen den vier

Nutzsignalanschüssen 1 bis 4 sind in zwei Kapazitäten Ci, C₂ und zwei gekoppelten Induktivitäten Li , L₂ zusammengefasst. Bei einer Kopplung von K=1 zwischen den beiden Induktivitäten Li, L₂ ist die Spannung zwischen den Punkten a und c gleich der zwischen den Punkten d und b, und es ist die Spannung V_ad zwischen den Punkten a und d gleich der Spannung V_bc zwischen den Punkten c und b. Impedanzwerte sind

K = i

wobei Z₀ die Systemimpedanz (oft 50 Ö) und K der Koppeifaktor zwischen £, und Z, ist.

Da bei den genannten Voraussetzungen zu jedem Zeitpunkt V_ad - V_bc ist, können die beiden Kapazitäten C, und C, des als Quadraturkoppier ausgebildeten Quadraturkopplers 50 zu einer einzigen Kapazität C, ^r mit dem

1

doppeltem Kapazitätswert ( ■ ) zusammengefasst werden, s. Fig. 4. Wenn beide Hochfrequenzqueilen 10, 20 angepasst sind und mit der korrekten Phasenverschiebung arbeiten, wird die komplette gekoppelte

Hochfrequenzleistung am Nutzsignaianschiuss 3 zur Verfügung stehen. Ein bei Fehlanpassung der Last 30 von dort reflektiertes Signal wird vom

Quadraturkoppler 50 gleichmäßig auf die Nutzsignalanschüsse 1 und 2 verteilt, so dass die Reflexion ebenfalls kein Signal am Nutzsignaianschiuss 4 verursacht, solange die beiden Hochfrequenzqueilen 10, 20, an denen die reflektierten Teilleistungen nun ankommen, impedanzangepasst sind. Unter dieser Voraussetzung kann daher der komplette Zweig mit Nutzsignaianschiuss 4 und dem Abschiusswiderstand 40 entfernt werden. Diese erfindungsgemäße Form des Quadraturkopplers mit V = 0 erfordert nur noch die Hälfte der

Bauelemente beziehungsweise einen deutlich reduzierten Platz auf der

Leiterkart Fig. 5 zu sehen ist. Der Reaktanz der Induktivität beträgt d und die Reaktanz der Kapazität C beträgt dann

X ^~ -Z₀ n Leistungen Pi, P₂ der Hochfrequenzqueilen 10, 20

beträgt somit XL = Z₀ und X_C = -Z₀.

Die Kapazität(en) können als Flächenkondensatoren auf einer Leiterplatte, die Induktivität(en) können als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildet sein, wobei Ferrite oder andere magnetfeldverstärkende Materialien die Induktivität und Kopplung der Leiterbahnen verstärken können.

Die Funktionsweise eines Quadraturkopplers 150 wird anhand der Fig. 6 erläutert, der für unterschiedlich starke HF-Leistungssignale ausgelegt ist. in der Fig. 6 ist ein Vektordiagramm der Eingangsleistungen Pi, P und der Ausgangsleistung Pg gezeigt. Die Phase der Ausgangsleistung P₃ beträgt 0°. Die Eingangsleistung Pi eilt dagegen um φ-ι vor, P₂ um - φ₂ nach, wobei I φι I ; I 21 * 45° sind. V_{1 f} V₂ sind die Spannungen an den

Nutzsignalanschlüssen 1 bzw. 2 und 1₁, ic sind die Ströme durch L bzw. C,

Sind die an Nutzsignaianschluss 1 und Nutzsignaianschluss 2 eines

erfindungsgemäßen Quadraturkoppiers 150 mit V = D eingespeisten

Hochfrequenzleästungen nicht gleich, müssen auch die Reaktanzen der Induktivität L bzw. der Kapazität C angepasst werden. Die Reaktanzen müssen im Verhältnis der Würze! des Leistungsverhältnisses Pi - Vi · l_L

(Hochfrequenzqueiie 10 an Nutzsignaianschluss 1) und P₂ - V₂ ^■ Ic

(Hochfrequenzquelle 20 an Nutzsignaianschluss 2) angepasst werden, wobei die Reaktanz der Kapazität C zwischen Nutzsignaianschluss 1 und

Nutzsignaianschluss 3

und die Reaktanz der Induktivität zwischen Nutzsignaianschluss 2 und

schluss 3

beträgt.

Die Phasenverschiebung zwischen den beiden an den Nutsignalanschüssen 1 und 2 eingespeisten HF-Leistungssignale Pi, P2 beträgt weiterhin 90°, während die Phasenbeziehung dieser beiden HF-Leistungssignale zum Ausgangssignal am Nutzsignaianschluss 3 des Quadraturkoppiers nicht mehr unbedingt +/-45⁰ beträgt, sondern vom Leistungsverhäitnis abhängt.

Die Figur 7 zeigt eine Piasmaversorgungsanordnung 200, die vier

Hochfrequenzquellen 210, 220, 230, 240 aufweist. Die Hochfrequenzquellen 210, 220 sind an einen ersten Quadraturkoppler 250 angeschlossen, der drei Nutzsignaianschlüsse 251 , 252, 253 aufweist. Die von den

Hochfrequenzquellen 210, 220 gelieferten Hochfrequenzleistungssignale sind um 90° phasenverschoben und werden durch den Quadraturkoppler 250 zu einem doppelt so großen Hochfrequenzieistungssignal gekoppelt, welches am Nutzsignalanschluss 253 anliegt. Die Hochfrequenzquelien 230, 240 sind an einen Quadraturkoppier 260 angeschlossen, der drei Nutzsignalanschlüsse 261, 262, 263 aufweist. Auch die von den Hochfrequenzquelien 230, 240 ausgegebene Hochfrequenzieistungssignaie sind um 90° phasenverschoben, sodass sie im Quadraturkoppier 260 zu einem doppelt so großen

Hochfrequenzleistungssignal gekoppelt werden, weiches am

Nutzsignalanschluss 263 anliegt.

Die Quadraturkoppier 250, 260 sind in einer ersten Leistungskopplungsstufe 270 angeordnet, in einer zweiten Leistungskopplungsstufe 280 ist wiederum ein Quadraturkoppier 290 angeordnet, der drei Nutzsignaianschlüsse 291 , 292, 293 aufweist. Die Ausgangssignale der Quadraturkoppier 250, 260 sind ebenfalls um 90° phasenverschoben und werden den Nutzsignalanschlüssen 291 , 292 des Quadraturkoppiers 290 zugeführt. Diese Signale werden somit durch den Quadraturkoppier 290 zu einem Hochfrequenzieistungssignal gekoppelt, welches am Nutzsignalanschluss 293 anliegt und einer Plasmalast 30 zugeführt wird. Alle Quadraturkoppier 250, 260, 290 des in der Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiels weisen lediglich zwei diskrete Reaktanzen, nämüch eine Kapazität C und eine Induktivität L auf,

Wenn man unterstellt, dass jede Hochfrequenzqueile 210, 220, 230, 240 eine Hochfrequenzleistung P abgibt, so liegt an jedem der Nutzsignalanschlüsse 253, 263 eine Leistung 2*P und am Nutzsignalanschluss 293 eine Leistung 4-P an.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Plasmaversorgungsanordnung 400 ist in der Figur 8 gezeigt. Die Plasmaversorgungsanordnung 400 weist acht Hochfrequenzquelien 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480 auf. In einer ersten Leistungskopplungsstufe 500 (zwischen den ersten beiden gestncheiten Linien von links) sind ausschließlich bekannte Quadraturkoppier 510, 520, 530, 540 vorgesehen, die jeweils vier Nutzsignalanschlüsse 511 bis 514, 521 bis 524, 531 bis 534 und 541 bis 544 aufweisen, die alle für dieselbe Nennimpedanz ausgelegt sind. In einer zweiten Leistungskopplungsstufe 600 sind Quadraturkoppler 610, 620 vorgesehen, die jeweils drei

Nutzsignalanschlüsse 611 bis 613 bzw. 621 bis 623 aufweisen. In einer dritten Leistungskopplungsstufe 700 ist ein Quadraturkoppler 710 mit drei

Nutzleistungsanschlüssen 711 bis 713 angeordnet. Der Nutzsignalanschluss 713 ist mit einer Piasmalast 30 verbunden.

Durch die Leistungskopplungsstufen 500, 600, 700 wird die von den

Hochfrequenzquellen 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480 abgegebene Leistung somit gekoppelt und die Summe der Hochfrequenzieistungen der Plasmalast 30 zugeführt. Die durch die strichpunktierten Linien eingerahmten Anordnungen 8 0, 820, 830, 840 können wiederum selbst als

Hochfrequenzquellen aufgefasst werden. Diese Hochfrequenzqueilen 810, 820, 830, 840 sind so ausgebildet, dass sie die reflektierte Leistung nicht wieder rereflektieren, also an ihrem Ausgang eine Impedanz gleich der

System impedanz zeigen. Hierzu sind die Hochfrequenzquellen 810, 820, 830, 840 ihrerseits wieder jeweils aus einem bekannten Quadraturkoppler 510, 520, 530, 540 mit jeweils vier Nutzsignalanschlüssen ausgebildet. An den vierten Nutzsignalanschluss 514, 524, 534, 544 ist jeweils ein Abschlusswiderstand 811, 821, 831 , 841 angeschlossen. Von der Last 30 zu den

Hochfrequenzqueilen 810, 820, 830, 840 reflektierte und von den weiteren Hochfrequenzquellen 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480 rereflektierte Signale haben danach eine solche Phasenbeziehung, dass sie an den

Nutzsignalanschiüssen 514, 524, 534, 544 konstruktiv überlagern und in den jeweiligen Abschlusswiderständen 811 , 821, 831 , 841 absorbiert werden. Damit sind die Hochfrequenzqueilen 810, 820, 830, 840 reflektionsfrei und spiegeln an ihren Ausgängen (Nutzsignalanschlüsse 513, 523, 533, 543) die Impedanz des Abschiusswiderstands 811 , 821 , 831 , 841 wider, der eine impedanz gleich der Systemimpedanz haben kann. Die Hochfrequenzqueilen 410 bis 480 können beispielsweise als Generatoren, Inverter, Verstärker oder eine gekoppelte Mehrzahl solcher Einheiten ausgebildet sein.

Die Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf eine Realisierung eines Quadraturkoppiers mit drei Nutzsignalanschlüssen 1 , 2, 3, 150, wie er im Schaltbild der Fig. 5 dargestellt ist. Der Quadraturkoppler 150 ist auf einer einzigen Leiterkarte 151 ausgebildet in Planartechnologie ist eine Spule L und eine Kapazität C realisiert. Die Spule L weist dabei lediglich eine Leiterbahn 152 auf, die in mehreren Windungen angeordnet ist. Die Kapazität C weist parallele (Leiter- )F!ächen auf, wobei lediglich die Fläche 153 zu sehen ist. Darunter ist eine zweite Fläche angeordnet, die durch die Fläche 153 verdeckt ist. Die

Leiterkarte 151 ist doppellagig ausgeführt, um die zweite Fläche realisieren zu können. Die Flächen 153 steilen planare Strukturen dar.

Claims

Patentansprüche

1, Piasmaversorgungsanordnung zur Leistungsversorgung einer

Plasmalast, wobei die Plasmaversorgungsanordnung zumindest einen Quadraturkoppler aufweist, der zumindest eine Kapazität und zumindest eine Induktivität aufweist und zum Zusammenkoppeln von zwei HF- Leistungssignalen derselben Frequenz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, wobei jeweils ein HF-Leistungssignai an einem ersten Nutzsignalanschluss und an einem zweiten Nutzsignalanschluss des Quadraturkopplers als Nutzsignal zugeführt wird, zu einer an einem dritten Nutzsignalanschluss als Nutzsignal auszugebenden gekoppelten HF-Leistung geeignet ist, wobei zumindest ein Nutzsignalanschluss für eine erste Impedanz ausgelegt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Quadraturkoppler einen vierten Nutzsignaianschluss aufweist, der für eine zweite

Impedanz ausgelegt ist, die höher ist als die erste Impedanz, oder dass der zumindest eine Quadraturkoppler (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) lediglich drei Nutzsignaianschiüsse (1, 2, 3, 251-253, 261-263, 291- 293, 611-613, 621-623, 711-713) aufweist.

2. Plasmaversorgungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch

gekennzeichnet, dass die zweite Impedanz mindestens das Vierfache, bevorzugt mindestens das Zehnfache der ersten Impedanz beträgt.

3. Plasmaversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass der vierte Nutzsignalanschluss des

Quadraturkopplers für eine Admittanz ausgelegt ist, die gegen null geht.

4, Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quadraturkoppler (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) lediglich eine Kapazität (C) und eine Induktivität (L) aufweist.

5. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Induktivität (L) des Quadraturkoppiers (150, 250, 260, 290, 610. 620, 710) eine pianare Spule umfasst.

6. Plasmaversorgungsanordnung nach Anspruch 5, bei dem die Induktivität (L) mindestens eine Leiterbahn (152) auf einer Leiterkarte (151) umfasst.

7. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Induktivität ein Magnetfeidverstärkungselement zugeordnet ist.

8. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kapazität (C) des Quadraturkoppiers (150) eine pianare Struktur umfasst.

9. Plasmaversorgungsanordnung nach Anspruch 8, bei dem die Kapazität (G) eine pianare Struktur auf einer Leiterkarte (151) umfasst.

10. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, bei dem mindestens eine Induktivität (L) und mindestens eine Kapazität (C) eine pianare Struktur umfassen, die auf einer gemeinsamen Leiterkarte ( 51) angeordnet sind.

11. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanz einer Kapazität (C) des Quadraturkoppiers (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) gleich der negativen Reaktanz einer Induktivität (L) des Quadraturkoppiers (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) ist.

2. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanz einer

6 0, 620, 710)

beträgt.

13. Piasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei Nutzsignalanschüsse (61 1 , 612, 621 , 622) jeweils eine impedanzangepasste

Hochfrequenzquelle (810-840) angeschlossen ist.

14, Piasmaversorgungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet, dass die impedanzangepassten Hoehfrequenzqueilen (810-840) jeweils einen zweiten Quadraturkoppier (510, 520, 530, 540) mit vier Nutzsignalanschüssen (511-514, 521-524, 531 -534, 541-544), zwei weitere Hochfrequenzquellen (410-480) und einen

Abschlusswiderstand (81 1 , 821 , 831 , 841) umfassen, wobei an zwei Nutzsignalanschüsse (511 , 512, 521 , 522, 531 , 532, 541 , 542) der zweiten Quadraturkoppier (510, 520, 530, 540) jeweiis eine der weiteren Hoehfrequenzqueilen (410-480), an die dritten Nutzsignalanschüsse (513, 523, 533, 543) der zweiten Quadraturkoppier (510, 520, 530, 540) je ein Nutzsignalanschuss (51 1 , 612, 621 , 622) des ersten

Quadraturkoppiers (610, 620) und an die vierten Nutzsignaianschüsse (514, 524, 534, 544), der zweiten Quadraturkoppier (510, 520, 530, 540) die Abschiusswiderstande (811 , 821 , 831 , 841) angeschiossen sind. 5, Piasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Quadraturkoppier (250, 260, 290, 510, 520, 530, 540, 610, 620, 710) kaskadiert

angeordnet sind. 6. Plasmaversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere

Hochfrequenzquelien (210, 220, 230, 240, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 810, 820, 830, 840) vorgesehen sind, die jeweils eine

Hochfrequenzieistung von > 500 W bei einer Frequenz im Bereich von 3 MHz bis 30 MHz erzeugen.

17. Quadraturkoppier, der zumindest eine Kapazität und zumindest eine Induktivität aufweist und zum Zusammenkoppeln von zwei HF- Leistungssignalen derselben Frequenz, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, wobei jeweils ein HF-Leistungssignal an einem ersten Nutzsägnalanschluss und an einem zweiten

Nutzungssignalanschluss des Quadraturkopplers als Nutzsignal zugeführt wird, zu einer an einem dritten Nutzsignalanschiuss als Nutzsignal auszugebenden gekoppelten HF-Leistung geeignet ist, wobei zumindest ein Nutzsignalanschiuss für eine erste Impedanz ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Quadraturkoppier einen vierten Nutzsignalanschiuss aufweist, der für eine zweite

Impedanz ausgelegt ist, die höher ist als die erste Impedanz, oder dass der zumindest eine Quadraturkoppier (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) lediglich drei Nutzsignalanschiüsse (1 , 2, 3, 251-253, 261-263, 291 , 293, 611-613, 621-623, 711-713) aufweist.

18. Quadraturkopper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Quadraturkopper (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) auf einer einzigen Leiterkarte (151) ausgebildet ist.

19. Quadraturkippern nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte (151 ) eine mehriagige Leiterkarte ist.

20. Quadraturkoppler nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte (151) eine mehrlagige Leiterkarte ist.

21. Quadraturkoppler nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch

gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kapazität und/oder zumindest eine Induktivität in Pianartechnologie ausgebildet sind.

22. Quadraturkoppler nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch

gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Quadraturkopplers (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) kleiner als ein fünftel der Weilenlänge der Frequenz der HF-Leistungssignale sind.

23. Kaskade von Quadraiurkopplem (150, 250, 260, 290, 610, 620, 710) bei denen zumindest einer nach einem der Ansprüche 17 bis 22 ausgeführt ist.

24. Kaskade von Quadraiurkopplem nach Anspruch 23, dadurch

gekennzeichnet, dass zumindest ein Quadraturkoppler mit der größten als Nutzsigna! auszugebenden gekoppelten HF-Leistung betreibbar ist.