KR102667166B1 - in-situ tunable resonator with high quality factor - Google Patents

in-situ tunable resonator with high quality factor Download PDF

Info

Publication number
KR102667166B1
KR102667166B1 KR1020210151956A KR20210151956A KR102667166B1 KR 102667166 B1 KR102667166 B1 KR 102667166B1 KR 1020210151956 A KR1020210151956 A KR 1020210151956A KR 20210151956 A KR20210151956 A KR 20210151956A KR 102667166 B1 KR102667166 B1 KR 102667166B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
impedance matching
transmission line
resonator
electrode
tuning
Prior art date
Application number
KR1020210151956A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230066699A (en
Inventor
윤건수
이지모
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020210151956A priority Critical patent/KR102667166B1/en
Publication of KR20230066699A publication Critical patent/KR20230066699A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102667166B1 publication Critical patent/KR102667166B1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/3222—Antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling

Abstract

본 발명은 고 큐 인자를 가지며, 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 임피던스 매칭이 가능하도록 고안된 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기에 대한 것이다.
본 발명에 따른 공진기에 의하면 한 주기 동안 전극에 저장되는 에너지를 높여 고큐 인자를 가지며 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 임피던스 매칭이 가능한 효과가 있다. 또한, 종래의 마이크로파 플라즈마 발생기의 경우, 동축 구조로 제한되어 있지만 본 발명은 동축, 평면, 평판 구조 등 구조적으로 제한을 받지 않으며, 이로 인해 플라즈마 전극에 국한되지 않고 안테나 또는 유사한 전극의 형태로써 적용 가능한 분야의 폭이 넓은 장점이 있다. The present invention relates to a resonator that has a high cue factor and is capable of real-time impedance matching of the cue factor, which is designed to enable real-time impedance matching even in situations with unspecified load impedance.
The resonator according to the present invention has the effect of increasing the energy stored in the electrode during one cycle, has a high cue factor, and enables real-time impedance matching even in situations with an unspecified load impedance. In addition, in the case of a conventional microwave plasma generator, it is limited to a coaxial structure, but the present invention is not structurally limited such as a coaxial, flat, or flat structure, and as a result, it is not limited to a plasma electrode and can be applied in the form of an antenna or similar electrode. It has the advantage of being a broad field.

Description

고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기{in-situ tunable resonator with high quality factor}Resonator capable of high cue factor real-time impedance matching {in-situ tunable resonator with high quality factor}

본 발명은 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고 큐 인자를 가지며, 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 임피던스 매칭이 가능하도록 고안된 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기에 대한 것이다.The present invention relates to a resonator, and more specifically, to a resonator capable of real-time impedance matching with a high cue factor and designed to enable real-time impedance matching even in situations with an unspecified load impedance.

종래의 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생장치는 주로 마그네트론을 이용한 100 와트(Watts) 이상의 전력을 소모하는 경우가 대부분이다. 구형 도파관(rectangular waveguide)으로 구현된 플라즈마 발생장치는 부피가 크기 때문에 휴대하기가 어렵다는 단점이 있다. Conventional plasma generators using microwaves mostly use magnetrons and consume more than 100 Watts of power. A plasma generator implemented with a spherical waveguide has the disadvantage of being difficult to carry because it is bulky.

안테나 구조를 이용한 방전관을 사용하는 동축형(coaxial) 마이크로파 플라즈마 토치가 제안되기는 하였지만, 이 발명도 단지 종래의 구형 도파관으로 구현된 발생장치를 대신하는 정도에 불과하였고, 여전히 휴대하기가 어렵다는 단점이 있었다.Although a coaxial microwave plasma torch using a discharge tube using an antenna structure was proposed, this invention was only a replacement for a generator implemented with a conventional spherical waveguide, and still had the disadvantage of being difficult to carry. .

이에 종래로부터 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기가 사용되어 왔다.Accordingly, portable microwave plasma generators have been used conventionally.

종래의 휴대용 플라즈마 발생기는, 소형이고 대기압에서 낮은 소비전력으로 플라즈마를 생성시킬 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기이다. 이는 길이가 10cm 미만의 소형이고, 소비전력이 적으며, 마이크로파를 공급하는 발진기와의 임피던스 정합도 별도의 정합장치 없이 가능하고 대기압 분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. The conventional portable plasma generator is a small, low-power portable microwave plasma generator that can generate plasma with low power consumption at atmospheric pressure. This has the advantage of being small (less than 10 cm in length), consuming less power, enabling impedance matching with an oscillator that supplies microwaves without a separate matching device, and being able to generate plasma in an atmospheric pressure atmosphere.

그러나 종래의 플라즈마 발생기는 자체적으로 튜닝할 수 없으므로 고 큐 인자를 갖지 못할뿐더러 플라즈마와 같이 불특정 부하 임피던스를 가진 상태에서는 전극의 효율이 급격하게 떨어지는 문제가 있다.However, since conventional plasma generators cannot tune themselves, they not only do not have a high cue factor, but also have a problem in that the efficiency of the electrode drops sharply in a state with an unspecified load impedance such as plasma.

또한, 종래의 마이크로파 플라즈마 발생기의 경우, 동축 구조로 제한되는 문제가 있다.Additionally, in the case of conventional microwave plasma generators, there is a problem that they are limited to a coaxial structure.

한국 특허 등록 제10-1012345호(2011.01.26.)Korean Patent Registration No. 10-1012345 (2011.01.26.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 한 주기 동안 전극에 저장되는 에너지를 높여 고 큐 인자를 가지며 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 임피던스 매칭이 가능한 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a resonator capable of real-time impedance matching with a high cue factor by increasing the energy stored in the electrode during one cycle and capable of real-time impedance matching even in situations with an unspecified load impedance. there is.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기는, 전력을 공급하는 신호선인 제1 전송선; 상기 제1 전송선에 평행하게 배치되며 접지선인 제2 전송선; 상기 제1 전송선과 상기 제2 전송선을 단락(short)시키는 단락 부재; 및 상기 제1 전송선과 상기 제2 전송선 사이의 거리를 조정하는 튜닝 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above problem, a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention includes a first transmission line, which is a signal line that supplies power; a second transmission line disposed parallel to the first transmission line and serving as a ground line; a shorting member that shorts the first transmission line and the second transmission line; and a tuning member that adjusts the distance between the first transmission line and the second transmission line.

상기 단락 부재는 플라즈마가 발생되는 전극의 끝단으로부터, 타겟으로 정한 마이크로파 파장의 1/4 길이와 전극간 거리의 차가 되는 단락 지점에 설치된다. The short-circuiting member is installed at a short-circuiting point that is the difference between the distance between the electrodes and 1/4 the length of the microwave wavelength set as the target from the end of the electrode where plasma is generated.

상기 튜닝부재는 플라즈마가 발생되는 전극의 끝단으로부터, 상기 단락 지점의 3배가 되는 튜닝 지점에 설치되는 것이 바람직하다.The tuning member is preferably installed at a tuning point that is three times the short-circuit point from the end of the electrode where plasma is generated.

상기 튜닝부재는 한 쌍의 금속 부품으로 형성될 수 있다.The tuning member may be formed of a pair of metal parts.

상기 튜닝부재는 상기 단락 지점의 3배가 되는 지점에 상기 한 쌍의 금속 부품을 이용하여 상기 제1 전송선과 제2 전송선 사이의 거리를 조정함으로써 임피던스 매칭이 가능하도록 한다.The tuning member enables impedance matching by adjusting the distance between the first and second transmission lines using the pair of metal parts at a point that is three times the short-circuit point.

상기 공진기는 플라즈마와 같은 불특정 임피던스를 가진 부하에도 적용 가능하다.The resonator can also be applied to loads with unspecified impedance, such as plasma.

상기 제1 전송선 및 상기 제2 전송선 사이의 유전체의 유전율이 1보다 높은 경우, 상기 유전체의 속도계수를 파장에 곱하여 상기 단락 지점과 상기 튜닝 지점을 결정할 수 있다.When the dielectric constant of the dielectric between the first and second transmission lines is higher than 1, the short-circuit point and the tuning point can be determined by multiplying the wavelength by the velocity coefficient of the dielectric.

본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기는 한 주기 동안 전극에 저장되는 에너지를 높여 고 큐 인자를 가지며 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 임피던스 매칭이 가능한 효과가 있다.The resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention has a high cue factor by increasing the energy stored in the electrode during one cycle, and has the effect of enabling real-time impedance matching even in situations with an unspecified load impedance.

또한, 종래의 마이크로파 플라즈마 발생기의 경우, 동축 구조로 제한되어 있지만 본 발명은 동축, 평면, 평판 구조 등 구조적으로 제한을 받지 않으며, 이로 인해 플라즈마 전극에 국한되지 않고 안테나 또는 유사한 전극의 형태로써 적용 가능한 분야의 폭이 넓은 장점이 있다. In addition, in the case of a conventional microwave plasma generator, it is limited to a coaxial structure, but the present invention is not structurally limited such as a coaxial, flat, or flat structure, and as a result, it is not limited to a plasma electrode and can be applied in the form of an antenna or similar electrode. It has the advantage of being a broad field.

도 1은 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기를 포함하는 마이크로파 플라즈마 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 등가회로 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 튜닝 성능을 나타내는 도면이다.
도 5는 튜닝 부재를 사용할 때와 사용하지 않을 때의 밴드 폭을 나타내는 도면이다.
도 6은 넓은 주파수 범위에서 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 효율을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a microwave plasma system including a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.
Figure 2 is a diagram showing an equivalent circuit model of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.
Figure 3 is a diagram showing simulation results of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.
Figure 4 is a diagram showing the tuning performance of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.
Figure 5 is a diagram showing the band width when using and not using the tuning member.
Figure 6 is a diagram showing the efficiency of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention over a wide frequency range.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다.Hereinafter, specific details of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기를 포함하는 마이크로파 플라즈마 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 등가회로 모델을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a microwave plasma system including a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit model of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention. am.

도 1 및 도 2를 참고하면 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기를 포함하는 마이크로파 플라즈마 시스템(100)은, 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기(110), 마이크로파 발생기(120), 방향성 커플러(130), 스펙트럼 분석기(140), 가스 실린더(150) 및 질량유량계(160)을 포함하여 구성된다.1 and 2, the microwave plasma system 100 including a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention includes a resonator 110 capable of high cue factor real-time impedance matching, and a microwave generator 120. , a directional coupler 130, a spectrum analyzer 140, a gas cylinder 150, and a mass flow meter 160.

마이크로파 발생기(120)로부터 고 전력의 신호가 특정 길이의 동축 케이블을 통해 전극의 하부로 전달된다. A high-power signal from the microwave generator 120 is transmitted to the bottom of the electrode through a coaxial cable of a specific length.

방향성 커플러(130)는 순방향 전력(Pforward)과 반사된 전력(Preflected)의 일부분을 바이패스 시키도록 전송선 내에 직렬로 배치된다.The directional coupler 130 is placed in series in the transmission line to bypass a portion of the forward power (P forward ) and the reflected power (P reflected ).

바이패스된 신호는 스펙트럼 분석기(140)에 의해 조정되고 측정된다.The bypassed signal is conditioned and measured by spectrum analyzer 140.

본 발명에 따른 공진기(110)는 제1 전송선(111) 및 제2 전송선(112)을 포함하여 이루어진다.The resonator 110 according to the present invention includes a first transmission line 111 and a second transmission line 112.

공진기(110)는 전극의 끝단으로부터 거리 인 단락 지점에 한 쌍의 단락 부재(113a, 113b)를 구비한다. 상기 한 쌍의 단락 부재(113a, 113b)는 제1전송선(111) 및 제2 전송선(112)을 단락(short)시킨다. 로 거리 은 타겟 마이크로파 () 파장의 1/4 길이와 중심 전극과 외부 전극 사이의 간격(d)의 차가 되는 거리에 해당된다.The resonator 110 is located at a distance from the end of the electrode. A pair of short-circuiting members 113a and 113b are provided at the short-circuiting point. The pair of shorting members 113a and 113b shorts the first transmission line 111 and the second transmission line 112. by distance is a target microwave ( ) Corresponds to the distance that is the difference between the length of 1/4 of the wavelength and the gap (d) between the center electrode and the external electrode.

또한 공진기(110)는 제1 전송선(111)과 제2 전송선(112)이 단락(short)된 지점으로부터 거리 2인 지점에 한 쌍의 튜닝 부재(114a, 114b)를 더 포함한다.In addition, the resonator 110 is located at a distance of 2 from the point where the first transmission line 111 and the second transmission line 112 are shorted. It further includes a pair of tuning members 114a and 114b at the in point.

한 쌍의 튜닝 부재(114a, 114b)는 전기장 에너지 및 자기장 에너지의 최대 용량을 증가시키기 위해 전극의 끝단으로부터 3 지점에 설치되며, 이는 대략 3λ/4의 파장 지점에 해당된다.A pair of tuning members 114a, 114b is positioned 3 times from the end of the electrode to increase the maximum capacity of electric field energy and magnetic field energy. It is installed at a point, which corresponds to approximately the wavelength point of 3λ/4.

본 발명은 한 주기 동안 전극에 저장되는 에너지를 높여 고 큐 인자를 가지며 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 (in-situ) 임피던스 매칭이 가능한 소형 공진기를 디자인하는 기법이다. The present invention increases the energy stored in the electrode during one cycle, enabling real-time ( in-situ ) operation even in situations with a high cue factor and unspecified load impedance. This is a technique to design a small resonator capable of impedance matching.

본 디자인은 TEM(Transverse Electro Magnetic) 전자기파의 전압이 최대가 되는 두 파장 지점을 사용한다. 전송선에서 TEM(Transverse Electro Magnetic) 전자기파의 전압이 최대가 되는 지점은 마이크로파 파장의 1/4, 3/4, ... [(1+2n)/4, n=1,2,3…]이 되는 지점이다.This design uses two wavelength points where the voltage of TEM (Transverse Electro Magnetic) electromagnetic waves is maximum. The point where the voltage of the TEM (Transverse Electro Magnetic) electromagnetic wave is maximum on the transmission line is 1/4, 3/4, ... [(1+2n)/4, n=1,2,3...] of the microwave wavelength. ] is the point.

사용 가능한 1/4 파장의 홀수는 따로 정해져 있지 않지만 공진기의 소형화를 위해서 전극 끝단으로부터 가장 짧은 1/4 과 3/4 파장 두 지점을 사용하는 것이 바람직하다. 지점에서 전자기파의 신호선(signal line)인 제1 전송선과 접지선(ground line)인 제2 전송선의 일부분을 단락시키고 3 지점에는 신호선과 접지선 사이의 거리 조절이 가능한 튜닝 부재를 연결하여 임피던스 매칭을 시킨다. 사용 가능한 전자기파의 주파수도 국한되어 있지 않지만 소형화를 위해서는 파장이 비교적 짧은 마이크로파가 적절하다.There is no set odd number of 1/4 wavelengths that can be used, but in order to miniaturize the resonator, it is desirable to use the two shortest 1/4 and 3/4 wavelength points from the tip of the electrode. Short-circuit a portion of the first transmission line, which is the signal line of electromagnetic waves, and the second transmission line, which is the ground line, at point 3. At this point, a tuning member that can adjust the distance between the signal line and the ground line is connected to achieve impedance matching. The frequencies of electromagnetic waves that can be used are not limited, but microwaves with relatively short wavelengths are appropriate for miniaturization.

기본적으로 고 효율 장치 디자인을 위해 전극의 특성 임피던스 (characteristic impedance)를 전력원의 출력 임피던스와 맞춰준다. 전극 끝단으로부터 상기 단락 지점의 길이와 전자기파의 신호선과 접지선의 단락 길이의 합이 λ/4의 파장에 해당된다. 전극 사이에 위치하는 유전체의 유전율이 1보다 높을 경우, 해당 유전체의 속도계수 (velocity factor)를 파장에 곱하여 단락 지점과 튜닝 지점을 설정해줄 수 있다.Basically, to design a high-efficiency device, the characteristic impedance of the electrode is matched to the output impedance of the power source. The sum of the length of the short-circuit point from the tip of the electrode and the short-circuit length of the signal line of the electromagnetic wave and the ground line corresponds to the wavelength of λ/4. If the dielectric constant of the dielectric located between the electrodes is higher than 1, the short-circuit point and tuning point can be set by multiplying the wavelength by the velocity factor of the dielectric.

고 큐 인자 전극은 송수신에 사용되는 안테나나 필터 등에 주로 사용되지만, 실시간(in situ) 매칭 기능이 추가됨으로써 플라즈마와 같이 불특정 임피던스를 가진 부하에도 적용될 수 있다.High cue factor electrodes are mainly used in antennas and filters used for transmission and reception, but with the addition of a real-time ( in situ ) matching function, they can also be applied to loads with unspecified impedance such as plasma.

플라즈마 전극의 경우, 플라즈마가 방전될 때 순간적으로 임피던스의 값이 달라져 대부분의 입사파가 반사된다. 이를 보완하기 위해 전력원과 전극 사이에 매칭 네트워크를 설치하지만 시스템이 커질 뿐더러 사용이 극히 제한적이게 된다. In the case of a plasma electrode, when the plasma is discharged, the impedance value changes momentarily and most of the incident waves are reflected. To compensate for this, a matching network is installed between the power source and the electrodes, but the system becomes larger and its use is extremely limited.

이에 비해 본 발명에서는 3 파장 지점에 볼트와 같은 금속 부품인 튜닝 부재를 연결하여 조절함으로써 임피던스 매칭이 가능하도록 하였다. 본 발명에서 임피던스 미스 매칭에 대응할 수 있는 리액턴스의 값은 전극 사이의 간격과 운전주파수에 의해 결정된다. 또한, 본 발명은 TEM 전자기파의 특성을 기반으로 하기 때문에 전극의 형태나 재질에 구애받지 않는 장점이 있다.In contrast, in the present invention, 3 Impedance matching was made possible by connecting and adjusting tuning members, which are metal parts such as bolts, to the wavelength point. In the present invention, the value of reactance that can respond to impedance mismatching is determined by the spacing between electrodes and the operating frequency. Additionally, since the present invention is based on the characteristics of TEM electromagnetic waves, it has the advantage of not being limited by the shape or material of the electrode.

본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 공진 주파수는 거리 d에 의해 결정된다. 거리 d는 중심 전극과 외부 전극 사이의 간격에 해당된다.The resonant frequency of the resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention is determined by the distance d. The distance d corresponds to the gap between the center electrode and the outer electrode.

튜닝 부재는 전기장 에너지 및 자기장 에너지의 최대 용량을 증가시키기 위해 전극의 끝단으로부터 3 지점에 설치되며, 이는 대략 3λ/4의 파장 지점에 해당된다. The tuning member is positioned 3 times from the end of the electrode to increase the maximum capacity of electric field energy and magnetic field energy. It is installed at a point, which corresponds to approximately the wavelength point of 3λ/4.

본 발명에 따른 공진기의 입력 임피던스를 나타내는 수학적 모델은 다음과 같다.The mathematical model representing the input impedance of the resonator according to the present invention is as follows.

여기서, 는 복합 파수로 는 실파수이고 는 감쇠 정수이다. Ztuner는 3 지점에서 바라본 튜너 부재의 임피던스, Zshort와 Zopen은 단락 지점에서 바라본 단락 회로(short circuit)의 임피던스와 개방 회로(open circuit)의 임피던스이다. Zo는 전송 선로의 특성(characteristic) 임피던스, ZLT는 실효 튜너 부재의 임피던스, ZLS는 실효 단락 부재의 임피던스, j는 허수, d는 중심 전극과 외부 전극 사이의 간격을 뜻한다. ZLT는 튜닝 부재의 깊이 (x)에 대한 함수이며 ZLS는 Zo보다 매우 작은 값으로 식을 간소화하기 위해 무시할 수 있다.here, is a composite sentinel is the real wave number is the attenuation constant. Z tuner is 3 The impedance of the tuner member as seen from the point, Z short and Z open , are the impedance of the short circuit and the impedance of the open circuit as seen from the point of short circuit. Z o is the characteristic impedance of the transmission line, Z LT is the impedance of the effective tuner member, Z LS is the impedance of the effective short-circuit member, j is an imaginary number, and d is the gap between the center electrode and the external electrode. Z LT is a function of the depth (x) of the tuning member, and Z LS is a much smaller value than Z o and can be ignored to simplify the equation.

3 지점에서 바라본 결합된 단락 회로와 개방 회로의 임피던스는 다음과 같이 나타낼 수 있다:3 The impedance of the combined short circuit and open circuit as seen from the point can be expressed as:

Figure 112021128198927-pat00018
는 병렬로 이루어진 단락 회로와 개방 회로의 임피던스이며 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112021128198927-pat00018
is the impedance of a short circuit and an open circuit in parallel and can be expressed as follows:

Figure 112021128198927-pat00020
와
Figure 112021128198927-pat00021
는 각각
Figure 112021128198927-pat00022
의 실수, 허수 부분이다.
Figure 112021128198927-pat00020
and
Figure 112021128198927-pat00021
are respectively
Figure 112021128198927-pat00022
The real and imaginary parts of .

그리고 제1 전송선에 인가되는 마이크로파가 전극이 타겟으로 하는 마이크로파에 가까울 시 , 로 나타낼 수 있고 본 발명에 따른 공진기의 입력 임피던스는 다음과 같이 주어진다.And when the microwave applied to the first transmission line is close to the microwave targeted by the electrode, , It can be expressed as and the input impedance of the resonator according to the present invention is given as follows.

도 3은 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. Figure 3 is a diagram showing simulation results of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.

즉, 서로 다른 조건에서 전극의 성능을 비교하기 위하여 지점과 3 지점의 상태를 달리하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.That is, to compare the performance of electrodes under different conditions. branch and 3 This is a diagram showing the results of a simulation performed by varying the state of the point.

도 3의 configuration A에서는 지점은 단락(short)되고, 3 지점은 개방(open)된 상태이고, B에서는 지점은 단락(short)되고, 3 지점은 약 단락(slightly shorted)된, 즉 튜닝된(tuned) 상태이고, C에서는 지점은 개방(open)되고, 3 지점은 단락(short)된 상태이며, D에서는 지점은 약 단락(slightly shorted)되고, 즉 튜닝(tuned)되고, 3 지점은 단락(short)된 상태이다.In configuration A of Figure 3, The branch is shorted, 3 The branch is open, and at B The branch is shorted, 3 The point is slightly shorted, i.e. tuned, and in C Branch is open, 3 The point is shorted, and at D The points are slightly shorted, i.e. tuned, and 3 The branch is shorted.

본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기는 configuration A인 경우, 튜닝 부재 없이 -25dB의 반사계수(reflection coefficient)의 성능을 나타낸다. Configuration B인 경우 3 지점에서 20 dB 이상 감소된 결과를 나타낸다. 이때 A와 B 사이에 주파수 쉬프트는 매우 적음을 알 수 있다.In the case of configuration A, the resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention exhibits a reflection coefficient of -25 dB without any tuning elements. For Configuration B, 3 This results in a reduction of more than 20 dB at this point. At this time, it can be seen that the frequency shift between A and B is very small.

Configuration C와 D의 반사계수를 참고하면 단락 부재 앞에 튜닝 부재를 위치시키는 것만으로는 네트워크 매칭에 큰 효과가 없으며, 튜닝 부재의 위치를 조정하여 공진 주파수를 대폭 쉬프트 시킬 수 있음을 알 수 있다.Referring to the reflection coefficients of Configurations C and D, it can be seen that simply placing the tuning member in front of the shorting member does not have a significant effect on network matching, and that the resonance frequency can be significantly shifted by adjusting the position of the tuning member.

도 4는 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 튜닝 성능을 나타내는 도면이다. Figure 4 is a diagram showing the tuning performance of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention.

도 4에는 측정을 통해 한 쌍의 튜닝 부재 중에서 하나의 튜닝 부재를 최적의 위치에 고정시키고 다른 튜닝 부재를 이용하여 튜닝 위치를 0.8 mm 내지 2.0 mm로 변경시키면서 반사계수를 측정한 결과가 도시되어 있다. 한편, 비교를 위해 튜닝 부재 없이(이때 튜닝 뎁스(tuned depth)는 0.0 mm에 해당됨) 측정된 반사계수도 함께 도시되어 있다. 튜닝 부재를 사용하는 경우는 튜닝 부재를 사용하지 않는 경우와 비교하여 약간의 주파수 이동이 일어남을 알 수 있다.Figure 4 shows the results of measuring the reflection coefficient while fixing one tuning member among a pair of tuning members at the optimal position and changing the tuning position from 0.8 mm to 2.0 mm using the other tuning member. . Meanwhile, for comparison, the reflection coefficient measured without a tuning member (in this case, the tuned depth corresponds to 0.0 mm) is also shown. It can be seen that when a tuning member is used, a slight frequency shift occurs compared to when a tuning member is not used.

튜닝 부재가 중심 전극(center electrode)을 물리적으로 터치하는 경우(이때 튜닝 뎁스(tuned depth)는 2.0mm에 해당됨), 공진기의 운전주파수는 다른 전자기 스텍트럼 영역으로 점프하고, 그 결과 타겟 주파수에 근접하게 완전한 반사가 이루어진다.When the tuning member physically touches the center electrode (tuned depth in this case is 2.0 mm), the operating frequency of the resonator jumps to another region of the electromagnetic spectrum, resulting in close to the target frequency. Complete reflection occurs.

튜닝 뎁스(tuned depth)가 1.8mm인 경우에는 -46dB의 상당한 성능을 나타낸다. 한편, 튜닝 뎁스(tuned depth)가 짧아짐에 따라 반사계수가 감소하며, -20dB에서 포화됨을 알 수 있다.When the tuned depth is 1.8mm, it shows a significant performance of -46dB. Meanwhile, it can be seen that as the tuning depth becomes shorter, the reflection coefficient decreases and saturates at -20dB.

도 5는 튜닝 부재와 단락 부재의 위치를 변경했을 때의 밴드 폭을 나타내는 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the band width when the positions of the tuning member and the shorting member are changed.

고 큐 인자를 갖는 공진기를 설계함에 있어서, 밴드폭(bandwidth)은 트레이드-오프에 따라 대체로 감소하게 된다. 단일 주파수에서 동작하는 전형적인 공진기의 제한된 사용은 본 발명에 따른 공진기를 사용함으로써, 개선될 수 있다.In designing a resonator with a high cue factor, the bandwidth is generally reduced as a trade-off. The limited use of typical resonators operating at a single frequency can be improved by using a resonator according to the invention.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공진기의 경우 넓은 동작 주파수 범위를 나타낸다. 단 하나의 공진기에 여러 튜닝 부재와 단락 부재의 위치를 정하고 이를 변경하여 넓은 밴드폭 내에서 원하는 주파수에 조절하여 사용할 수 있다는 것을 보여준다.As shown in Figure 5, the resonator according to the present invention exhibits a wide operating frequency range. It shows that it is possible to adjust the positions of several tuning members and short-circuiting members to a single resonator and change them to adjust the desired frequency within a wide bandwidth.

도 6은 넓은 주파수 범위에서 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기의 효율을 나타내는 도면이다.Figure 6 is a diagram showing the efficiency of a resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention over a wide frequency range.

공진기의 효율은 다음과 같이 표현될 수 있다.The efficiency of the resonator can be expressed as follows.

이때, Pfwd는 순방향 전력(Pforward)을 의미하고, Prefl은 반사된 전력(Preflected)을 의미한다.At this time, P fwd means forward power (P forward ), and P refl means reflected power (P reflected ).

반사계수의 광범위한 드롭(drop)은 높은 에너지 효율과 전극의 용이한 방전 특성을 나타낸다. 그러나 플라즈마 부하의 존재 하에 임피던스의 변화의 정도가 매우 커짐에 따라 일단 장치가 방전이 되면 이런한 특성을 더 이상 유지될 수 없다. 즉, 플라즈마 점화의 순간에 임피던스 미스 매치가 일어나고, 그 결과 입력 전원의 일부만이 플라즈마에 전달된다.The wide drop in reflection coefficient indicates high energy efficiency and easy discharge characteristics of the electrode. However, once the device is discharged, these characteristics can no longer be maintained as the degree of impedance change in the presence of a plasma load becomes very large. That is, an impedance mismatch occurs at the moment of plasma ignition, and as a result, only a portion of the input power is transmitted to the plasma.

도 6은 장치의 동작 밴드폭(bandwidth)을 관찰하기 위해 지점과 3 지점을 고정시킨 상태에서, 2450 MHz 근처의 다른 주파수에서 구동된 플라즈마 부하 임피던스를 갖는 공진기의 장치 효율을 나타낸다.Figure 6 shows the operating bandwidth of the device. branch and 3 With the point fixed, the device efficiency of the resonator with driven plasma load impedance at different frequencies near 2450 MHz is shown.

본 발명에 따른 공진기는 일반적으로 80% 이상의 효율을 유지한다. 그러나 상부 주파수 영역에서의 효율은 임피던스의 변화의 정도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하여 결과적으로 미스 매치와 장치 효율의 감소를 가져온다. The resonator according to the present invention generally maintains an efficiency of 80% or more. However, the efficiency in the upper frequency range decreases linearly as the degree of impedance change increases, resulting in mismatch and reduced device efficiency.

도 6을 참고하면, 2430 MHz의 주파수에서 상대적으로 높은 96%의 효율을 나타내고, 2498 MHz의 주파수에서 상대적으로 낮은 36%의 효율을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 차이는 전극의 기하학적인 구조, 튜닝 부재의 위치 및 갭 거리 등에 기인한 것으로, 전극의 기하학적인 구조, 튜닝 부재의 위치 및 갭 거리의 조정을 통해 특정 주파수에서의 낮은 효율을 보상할 수 있다.Referring to Figure 6, it can be seen that the frequency of 2430 MHz shows a relatively high efficiency of 96%, and the frequency of 2498 MHz shows a relatively low efficiency of 36%. This difference is due to the geometry of the electrode, the position of the tuning member, and the gap distance. Low efficiency at a specific frequency can be compensated for by adjusting the geometry of the electrode, the position of the tuning member, and the gap distance.

살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기에 의하면 고 큐 인자를 가지며 불특정 부하 임피던스를 가진 상황에서도 실시간 (in-situ) 임피던스 매칭이 가능한 효과가 있다. 또한, 본 발명은 구조적으로 제한을 받지 않으므로 동축, 평면 및 평판 구조 등에 적용 가능하며, 이로 인해 플라즈마 전극에 국한되지 않고 안테나 또는 유사한 전극의 형태로써 적용 가능한 분야의 폭이 넓은 장점이 있다.As seen, according to the resonator capable of high cue factor real-time impedance matching according to the present invention, real-time ( in-situ ) even in a situation with a high cue factor and unspecified load impedance. This has the effect of enabling impedance matching. In addition, since the present invention is not structurally limited, it can be applied to coaxial, planar, and flat structures, and as a result, it has the advantage of being applicable to a wide range of fields in the form of antennas or similar electrodes rather than being limited to plasma electrodes.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본문에 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used in the text, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

Claims (7)

전력을 공급하는 신호선인 제1 전송선;
상기 제1 전송선에 평행하게 배치되며 접지선인 제2 전송선;
상기 제1 전송선과 상기 제2 전송선을 단락(short)시키는 단락 부재; 및
상기 제1 전송선과 상기 제2 전송선 사이의 거리를 조정하는 튜닝 부재;를 포함하되,
상기 단락 부재는
플라즈마가 발생되는 전극의 끝단으로부터 타겟으로 정한 마이크로파 파장의 1/4 길이와 전극간 거리의 차가 되는 단락 지점에 설치되며,
상기 튜닝 부재는
플라즈마가 발생되는 전극의 끝단으로부터 상기 단락 지점의 3배가 되는 튜닝 지점에 설치된 것을 특징으로 하는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기.A first transmission line, which is a signal line that supplies power;
a second transmission line disposed parallel to the first transmission line and serving as a ground line;
a shorting member that shorts the first transmission line and the second transmission line; and
Including a tuning member that adjusts the distance between the first transmission line and the second transmission line,
The short-circuiting member is
It is installed at the short-circuit point where the difference between the distance between the electrodes and 1/4 the length of the target microwave wavelength from the end of the electrode where plasma is generated is installed.
The tuning member is
A resonator capable of high cue factor real-time impedance matching, characterized in that it is installed at a tuning point that is three times the short-circuit point from the end of the electrode where plasma is generated. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 튜닝 부재는
한 쌍의 금속 부품으로 형성된 것을 특징으로 하는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기.The method of claim 1, wherein the tuning member is
A resonator capable of high cue factor real-time impedance matching, characterized by being formed from a pair of metal parts. 제 1항에 있어서, 상기 튜닝 부재는
플라즈마가 발생되는 전극의 끝단으로부터 상기 단락 지점의 3배가 되는 튜닝 지점에 한 쌍의 금속 부품을 이용하여 상기 한 쌍의 금속 부품 사이의 거리를 조정함으로써 임피던스 매칭이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기.The method of claim 1, wherein the tuning member is
Go Q, characterized in that impedance matching is possible by adjusting the distance between the pair of metal parts using a pair of metal parts at a tuning point that is three times the short-circuit point from the end of the electrode where plasma is generated. A resonator capable of real-time impedance matching. 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 공진기는
플라즈마와 같은 불특정 임피던스를 가진 부하에도 적용 가능한 것을 특징으로 하는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기.The method of any one of claims 1, 4, and 5, wherein the resonator
A resonator capable of high cue factor real-time impedance matching that can be applied to loads with unspecified impedance such as plasma. 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1 전송선 및 상기 제2 전송선 사이의 유전체의 유전율이 1보다 높은 경우, 상기 유전체의 속도계수를 파장에 곱하여 상기 단락 지점과 상기 튜닝 지점을 결정하는 것을 특징으로 하는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기.According to any one of claims 1, 4, and 5,
When the dielectric constant of the dielectric between the first transmission line and the second transmission line is higher than 1, high cue factor real-time impedance matching is characterized in that the short-circuit point and the tuning point are determined by multiplying the velocity coefficient of the dielectric by the wavelength. Possible resonator.
KR1020210151956A 2021-11-08 in-situ tunable resonator with high quality factor KR102667166B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210151956A KR102667166B1 (en) 2021-11-08 in-situ tunable resonator with high quality factor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210151956A KR102667166B1 (en) 2021-11-08 in-situ tunable resonator with high quality factor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230066699A KR20230066699A (en) 2023-05-16
KR102667166B1 true KR102667166B1 (en) 2024-05-17

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Arya et al. Defected ground structure in the perspective of microstrip antennas: a review
Singh et al. Miniaturized multiband microstrip patch antenna using metamaterial loading for wireless application
CN105870553B (en) A kind of restructural substrate integration wave-guide bandpass filter and its reconfigurable method
Kasparek et al. A fast switch, combiner and narrow-band filter for high-power millimetre wave beams
Liang et al. Quasi-reflectionless tunable filtering antenna for multicarrier transceiver
CN115588831A (en) Band-pass filter with tunable stop band and hollowed-out bow-tie cell plasma excimer
Leung et al. Frequency-tunable designs of the linearly and circularly polarized dielectric resonator antennas using a parasitic slot
CN110854515A (en) High-gain beam scanning antenna based on composite left-right-hand transmission line
Villanen et al. Optimum dual‐resonant impedance matching of coupling element based mobile terminal antenna structures
KR102667166B1 (en) in-situ tunable resonator with high quality factor
Ren et al. A compact single-layer filtering patch antenna with wide harmonic suppression and enhanced bandwidth
Mallat et al. Out-of-band suppressed SIW-DRA based filter-antenna subsystem with flexible bandwidth and transmission zeros
Joshi et al. Design of coaxial cavity for high power magnetron
Abdalla et al. CPW dual-band antenna based on asymmetric generalized metamaterial π NRI transmission line for ultra compact applications
KR20230066699A (en) in-situ tunable resonator with high quality factor
RU2645298C2 (en) Broadband multiport klystron with a multilink filter system
Kang et al. Miniaturized MIM CRLH transmission line structure and application to backfire-to-endfire leaky-wave antenna
Qiu et al. Dual-band filtering antenna with independent predetermined frequencies and low cross-polarization levels
Nayak et al. A dual-band antenna using idc based crlh-tl cell with non-uniform finger width
CN115249603A (en) U-shaped microwave pulse compression device applied to magnetron
Halim et al. Design and improvement a novel microstrip antenna using array of composite right/left handed transmission line (CRLH-TL) technique for multiband applications
Varshney et al. Design of Metamaterial Inspired Miniaturized Microstrip Antennas Based on Zero Order Resonators
Wahba et al. Experimental verification of a compact zeroth order metamaterial substrate integrated waveguide antenna
Siddiqui et al. Compact differentially fed inverted microstrip circular patch with an integrated coupler
CN112421226B (en) Dual-frequency dual-polarization high-power antenna