KR19990029245A - 무선 주파수 정합 회로망의 퍼지 논리 동조 - Google Patents

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Abstract

주어진 임피던스 예를 들면 50 Ω 에서 무선 주파수 전력(RF power)의 소스(12)와, 무선 주파수 플라스마(RF plasma)와 같이 임피던스에서 크기와 위상 등이 다양한 비-선형 로드(20)(non-linear load) 등의 사이에서 전형적으로 이용되는 형(型)의 임피던스 정합 회로망을 위하여, 퍼지 논리 제어 배치(26)(fuzzy logic control a- rrangement)를 공급한다. 퍼지 논리 제어 장치(26)는 위상과 크기 오차 신호(ΔΦ,ΔZ) 등을 퍼지화한다(모호화한다). 다수의 퍼지 집합(30, 32, 34)에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수(29)(fuzzy logic inference function)에 오차 신호를 적용한다. 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)의 값은 하나 이상의 퍼지 집합에서 얼마간의 멤버쉽(membership)을 가진다. 퍼지 논리 규칙(fuzzy logic rule)은 위상과 크기 오차 신호 등에 적용된다. 비(非)-퍼지화 단계(37)(defuzzification stage)에서, 가변 임피던스(variable impedance)의 동조 소자를 작동시킬 목적으로 구동 신호 값을 얻는다. 구동 신호 값(drive signal value)은 각각의 퍼지 추론 함수에 따라서 조절되며, 이 함수를 위하여 오차 신호는 멤버쉽을 가진다. 그 다음에, 조절된 구동 신호 값(weighted drive signal value)은 출력 구동 신호(CS1, CS2, CS3) 등을 생산시키기 위하여 결합된다.

Description

무선 주파수 정합 회로망의 퍼지 논리 동조.
본 발명은 플라스마 생성 기구(plasma generation equipment)에 관한 것으로써, 상세하게 무선 주파수 생성기(RF generator) 또는 비슷한 무선 주파수 소스 등의 일정한 임피던스 출력(예를 들면 50 Ω)에, 반작용 플라스마 체임버(reactive plasma chamber) 또는 비슷한 비-선형 로드(non-linear load) 등의 임피던스에 정합시킬 목적인, 자동 무선 주파수 정합 회로망(automatic RF matching network)에 관한 것이다. 보다 더 상세하게 정합 회로망과 관계 있는 위상 오차(phase error) 신호와 크기 오차(magnitude error) 신호 등에서 둘 다를 이용하는 정합 회로망에서 두 개 이상의 동조 가능 소자(tunable element)를 제어할 수 있는 퍼지 논리 기술에 관한 것이다.
전형적인 무선 주파수 플라스마 생성기 배치에서, 높은 전력 무선 주파수 소스는 프리셋(preset) 주파수, 즉 13.56 ㎒ 에서 무선 주파수 파(波)를 생성하고, 이것은 전력 도관을 따라서 플라스마 체임버에 공급된다. 또한 무선 주파수 전력은 일반적으로 고정되고 공지된 임피던스, 예를 들면 50 Ω에서 공급한다. 일반적으로 무선 주파수 전력 소스와 플라스마 체임버 등의 사이에서 심각한 임피던스 비-정합이 있기 때문에, 임피던스 정합 회로망(impedance matching network)은 두 개 사이에 넣어 진다. 단순하게 플라스마 처리를 위한 고정된 위치에서 임피던스 정합 회로망을 설치하는 것을 어렵게 하는 비선형성이 플라스마 체임버(plasma chamber)에 있다. 정합 회로망으로의 입력에서, 임피던스의 크기 오차와 위상 오차 등을 대표하는 두 개 이상의 신호를 생성하는 위상과 크기 오차 탐지기(detector)가 위치해 있다. 명목 입력 임피던스(일반적으로 50 Ω)의 크기와 실질 입력 임피던스의 크기 등의 사이에서의 차이는 크기 오차(magnitude error)이다. 명목 입력 임피던스의 위상(일반적으로 0 도)과 실질 입력 임피던스의 위상 등의 사이에서의 편차는 위상 오차(phase error)이다. 또한 오차 신호(error signal)는 크기 오차와 위상 오차 등의 방향 또는 부호( + 또는 - )를 가리킨다.
종래의 정합 회로망은 두 개의 변수(가변) 동조 소자를 제어하도록 상기 두 개의 오차 신호를 이용하며, 위상 오차는 하나의 동조 소자를 제어하도록 이용되고, 크기 오차는 다른 동조 소자를 제어하도록 이용된다. 위상 그리고 크기 오차 신호는 가변 축전기 또는 아마도 가변 인덕터의 동조 슬러그(tuning slug) 등과 관계가 있는 모터를 구동한다. 정합된 조건이 달성되면, 오차 신호는 낮은 또는 제로 레벨로 떨어진다.
종래의 시스템은 다수의 조건에서 정합된 조건에 재빨리 달성하는 것이 어렵다는 것이 경험된다. 각각의 동조 소자(tuning element)는 두 개의 오차 신호에 영향을 미친다는 사실에, 전류 설계는 역점을 두지 않는다는 것이 제 1 문제이다. 상기 효과 때문에, 오차 신호는 정합 또는 동조 포인트의 먼 곳에서 하나나 두 개의 동조 소자(tuning element)를 구동할 수 있다. 상기는 동조 처리를 연장하고, 느리고 신용할 수 없는 동조를 일으킨다. 위상 오차 또는 크기 오차 신호 등은, 동조 포인트(tuning point)에서 정합 회로망을 구동하기 위한 충분한 정보를 혼자서는 항상 공급하지 않는다는 또 하나의 문제는 일어난다. 이것은, 임피던스 정합에 도달하는 것이 불가능할 때, 정합 회로망은 조건 상실(lost condition)에 있다는 것을 의미한다. 제 3 문제는 동조 소자의 주어진 작동에 의하여 생성된 오차 신호는 동조 소자의 위치에서 다양하다는 것이다. 다시 말하면, 동조 소자가 그 움직임의 최소 끝(minimum end) 근처에 있을 때, 위치에서 10 % 의 변화는 오차 신호 증폭에서 50 % 변화를 생성하지만, 동조 소자가 그 움직임의 최대 끝(maximum end) 근처에 있을 때, 위치에서 같은 10 % 의 변화는 오차 신호 증폭에서 단지 5 % 변화를 생성한다. 이것은 동조 소자의 위치에 의존하면서 변화하는 제어 폐로 안정성(control loop stability)의 원인이 된다. 하지만, 요즈음에는 어떠한 실제적인 시스템도 입력으로써 동조 소자(예를 들면 회전자(rotor)) 위치를 따라갈 수 없다.
제 1 - 언급된 문제에 역점을 두는 교차 - 포인트 접근(cross-point approa- ch)은 앞에서 제안되었지만, 아직도 두 개의 동조 소자에서 각각에 대한 단 하나의 오차 신호만을 이용한다. 또 하나의 문제는 상기 접근은 점진적인 천이(transition)보다도 오히려 어렵고, 고정된 문턱(threshold)을 필요로 한다는 것이다.
상실 - 회복 접근(lost-recovery approach)은 조건 상실(lost condition) 문제라 불리는 상기에서 언급된 제 2 문제에 역점을 두도록 제안되었다. 이 접근에서, 임피던스 정합을 잃고 그 다음에 미리 결정된 상실 - 회복 위치로 동조 소자를 움직이며, 여기에서 정합되게 동조시킬 수 있다는 것을 시스템은 탐지할 수 있다. 상기 접근은 임피던스 정합을 회복하는데 상당한 시간을 낭비하고, 동조 범위에서 각각의 로드에서 작동할 수 없다.
산업에서 동조 범위를 가로지르는 오차 신호의 비-선형성에서 일어나는 제 3 문제를 인식하지 못하는 것처럼 보인다. 또한, 각각의 동조 소자를 제어하도록 하나 이상의 오차 신호를 이용하는 바람직함을 인식하지 못하며, 또한 임피던스 정합 회로망과 관계 있는 동조 소자에서 각각을 제어하는 다수의 오차 신호를 결합하도록 어떠한 처리도 제안되지 아니 하였다.
퍼지 논리(fuzzy logic)는 많은 응용에서 제어 알고리즘(control algorithm)로써 이용되어 왔으며, 복잡한 다중-차원 처리를 단순한 규칙의 집합에 근거를 둔 직접적인 알고리즘으로 줄이는 이점을 가지고 있다. 1960 연대에 교수 Lotfi A. Zadeh 에 의하여 개발된 수학의 한 분야인 퍼지 논리(fuzzy logic)는 퍼지 집합 이론(FUZZY SET THEORY)에 근거를 둔다. 퍼지 논리(fuzzy logic)는 코드(암호)의 최소 양을 이용하는 출력에 입력을 사상(寫像)하는 것에 의하여 제어에 대하여 확고한, 비-선형적, 충분한 접근을 공급한다. 퍼지 논리(fuzzy logic)와 퍼지 제어(fuzzy control) 등의 근거는 수학 서적과 공학 서적 등의 많은 부분에서 설명되어왔다. 기본적으로 퍼지 논리 제어 처리는 적은 수의 단계로써 기술(記述)될 수 있다. 먼저, 처리 제어 공학자는 포개어지는 다수의 퍼지 집합, 예를 들면 고 파저티브(high positive), 중간 파저티브(medium positive), 제로(zero) 또는 스몰(small) 중간 네거티브(medium negative) 및 고 네거티브(high negative) 등을 만든다. 제 1 단계에서, 즉 퍼지화(fuzzification)에서 또렷또렷한 그리고 불연속적인 입력 값은 퍼지화되며, 즉 포개어지는 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)에 적합한 정도로 변환된다. 그 다음에, 규칙 응용 단계(rule application stage)에서, 입력 변수와 출력 변수 등의 사이에서 관계를 정의하는데 응용된다. 상기 규칙은 퍼지 추론 함수(fuzzy inference function)에 관하여 공급되고, 처리 공학자에게 직관적인 관계를 대표한다. 이것은 일련의 IF-AND-THEN 명령문일 수 있거나, 또는 직접적인 테이블, 모눈(grid) 또는 행렬 등으로써 구축될 수 있다. 출력(output) 또는 비(非)-퍼지화(defuzzification) 단계는, 제어 값과 신호로써, 가변 축전기의 회전자와 같은 제어 장치에 적용되는 또렷또렷한 출력 값으로, 퍼지 변수를 변환한다.
임피던스 정합 회로망의 동조를 제어하는 퍼지 논리(fuzzy logic)를 이용하는 것을 종래에는 고려하지 않았고, 퍼지 논리(fuzzy logic)의 응용은 상기에서 언급된 세 개의 문제를 해결하는데 있어서 종래에는 진가를 인정하지 않았다.
동조 소자의 단 하나의 변수 제어, 조건 상실, 동조 범위에 걸친 비-선형성 등의 문제를 피하는 무선 주파수 정합 회로(RF matching network)의 동조를 제어할 목적으로, 계획을 공급하는 것이 본 발명의 목적이고, 이것은 빠르고, 신뢰성 있고, 쉽게 구현되고, 쉽게 조절된다.
본 발명의 하나의 양상에 따라서, 주어진 주파수에서 그리고 주어진 임피던스 등에서 무선 주파수 전력에 적합한 입력, 일정하지 않은 임피던스 예를 들면, 무선 주파수 플라스마 체임버를 가지는 무선 주파수 로드에 상기 전력을 적용시키는 출력 등을 가지는 형(型)의 무선 주파수 정합 회로망을 동조시킬 목적으로, 퍼지 논리(fuzzy logic) 방법을 이용한다. 명목과 실질 입력의 위상 각도 등에서의 차이ΔΦ 와 명목과 실질 임피던스 등에서의 차이ΔZ 등에 각각 관계 있는 위상 오차 신호와 크기 오차 신호 등을 공급하는 위상-크기 오차 탐지기를, 정합 회로망(matching network)은 가진다. 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 1 변수 임피던스(first variable impedance)를 정합 회로망(matching network)은 적어도 가지며, 그리고 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 2 변수 임피던스(second variable impedance)를 가진다. 퍼지 논리 제어 기술(技術)은 퍼지 논리 제어 장치(fuzzy logic controller)에 위상과 크기 오차 신호를 공급하는 단계를 포함하며, 각각의 오차 신호는 크기와 방향을 가진다. 그 다음에, 하나 이상의 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수(fuzzy logic inference function)에 각각의 오차 신호는 공급되며, 이 신호는 퍼지 집합에서 포개어진다. 오차 신호에서 각각의 크기와 방향, 즉 값은 두 개 이상의 포개어지는 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)을 가진다. 퍼지 논리 규칙은 퍼지 집합에 따르는 위상 오차 신호와 크기 오차 신호 등에 적용되며, 상기 제 1 과 제 2 오차 신호 등은 멤버쉽(membership)을 가진다. 다수의 구동 신호 값은 얻어지며, 위상 오차 신호와 크기 오차 신호 등의 각각에 대한 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔다. 구동 신호 값은 각각 퍼지 추론 함수에 따르게 조절되며, 오차 신호는 멤버쉽(membership)을 가진다. 그 다음에 조절된 구동 신호 값은, 제 1 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자를 위하여 출력 구동 신호를 생성하도록 결합된다. 비슷한 처리는 제 2 변수 임피던스를 위한 출력 구동 신호를 만든다. 퍼지 논리 규칙에 따라서, 각각의 출력 구동 신호를 얻는데 위상 오차 신호와 크기 오차 신호 등을 같이 이용한다.
퍼지 논리 규칙은 구동 전류 값을 N x M 의 행렬로써 표현할 수 있으며, N 은 상기 제 1 오차 신호의 퍼지 집합의 수이고, M 은 상기 제 2 오차 신호의 퍼지 집합의 수이다. 여기서, 각각의 구동 전류 값을 얻기 위하여 제 1 오차 신호와 제 2 오차 신호 등을 적용하는 규칙의 주어진 집합이 있다.
무선 주파수 정합 회로망을 동조시키기 위한 본 발명의 또 다른 양상에 따르도록 퍼지 논리 제어 장치를 공급하며, 주어진 주파수와 주어진 임피던스에서 가해진 무선 주파수 전력의 소스와, 일정치 않은 임피던스를 가지는 무선 주파수 플라스마 체임버와 같은 무선 주파수 로드(RF load) 등의 사이에서 정합 회로망을 배치한다. 일찍이 논의되었듯이, 위상-크기 오차 탐지기(phase-magnitude error detector)는 입력 임피던스에서 위상 오차와 크기 오차와 각각 관계있는 위상 오차 신호와 크기 오차 신호 등을 생성시킨다. 또한, 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 1 변수 임피던스(first variable impedance)를 정합 회로망(matching network)은 적어도 가지며, 그리고 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 2 변수 임피던스(second variable impedance)를 가진다. 퍼지 논리 제어 장치는 위상과 크기 오차 신호 등의 값을 받아들이는 입력을 가진다. 제어 장치는 다수의 포개어지는 퍼지 집합에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수에 오차 신호의 상기 값을 적용한다. 오차 신호의 값은 하나, 둘, 또는 그 이상의 포개어지는 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)을 가진다. 오차 신호가 멤버쉽을 가지게 되는 퍼지 집합에 규칙은 의존하면서, 퍼지 논리 규칙은 위상과 크기 오차 신호에 적용된다. 오차 신호가 멤버쉽을 가지게 되는 각각의 퍼지 집합에 대한 퍼지 논리 규칙에 따라서 구동 신호 값(drive signal value)을 얻는다. 상기 오차 신호의 값에 대한 각각의 퍼지 추론 함수에 따라서 구동 신호 값은 조절된다. 그 다음에 조절된 구동 신호 값은, 제 1 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자를 위한 출력 구동 신호를 생성시키도록 결합된다. 추가의 구동 신호 값은 위상 오차 신호와 크기 오차 신호에서 각각을 위하여 추가의 퍼지 논리 규칙에 근거를 두어서 얻어진다. 그 다음에 상기 추가의 구동 신호 값은 각각의 추가된 퍼지 추론 함수에 따라서 조절되고, 조절된 구동 신호 값은 제 2 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자를 위한 출력 구동 신호를 생성시키도록 결합된다.
퍼지 논리 제어 장치는 정합된 임피던스 상태로 동조 소자를 재빨리 구동하고, 조건-상실 문제를 피한다. 퍼지 논리 제어 장치는 하드웨어에서 구현될 수 있으며, 또한 디지털 신호 처리기(DSP)나 마이크로프로세서 등과 같은 프로그램된 장치에 근거를 둔다. 퍼지 논리 제어 장치 함수는 배경에서 작동될 수 있으며, 또한 신호 처리, 모터 구동, 유저 접속기 또는 다른 함수 따위를 위한 디지털 신호 처리기에 구속되지 않도록 분리된 하드웨어 장치를 이용할 수 있다. 분리된 독립된 개인 컴퓨터는 퍼지 논리 동조를 수행하도록 이용할 수 있다.
수행에 있어서 향상은 추가의 입력을 이용하는 것에 의하여 얻어질 수 있다. 예를 들면, 위치의 함수로써 폐로 이득(loop gain)을 선형화하도록 입력으로써 동조 소자 위치를 이용할 수 있다. 이것은 더 높은 전체적인 폐로 이득과 더 빠른 폐로 동조 속도 등을 성취할 수 있다. 조건 상실의 줄임 또는 제거 등은 추가의 센서, 예를 들면 무선 주파수 플라스마 체임버에서 전압과 전류를 이용하는 것에 의하여, 그리고 그 다음에 퍼지 논리 제어 장치로의 추가의 입력으로써 탐지된 수준(detected level)을 적용하는 것에 의하여 성취할 수 있다.
다중 입력을 분석하는, 그리고 다중 동조 소자를 구동하는 신호를 생성시키는 실제적인 방법을 공급할 목적으로, 본 발명의 개선은 퍼지 논리를 이용한다. 최소 시스템(minimal system)에서, 퍼지 제어 장치 입력은 위상과 크기 오차 등으로 이루어질 수 있고, 퍼지 출력은 동조 소자를 위한 구동 신호의 하나나 양쪽 다로 이루어질 수 있다.
세 개나 그 이상의 가변 동조 장치(variable tuning device)의 제어까지 본 발명은 쉽게 확장될 수 있다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점 등은 선호되는 실시예의 잇따른 기술(記述)에서 분명해질 것이며, 동반되는 도면과 결합하여 읽혀진다.
도 1 은, 본 발명의 하나의 실시예에 따라서, 퍼지 논리 제어 시스템(fuzzy logic control system)을 임피던스 정합 회로망(impedance match net)에 합체(合體)시키는 무선 주파수 플라스마 처리(RF plasma process)의 시스템 블록 도표(system block diagram)이다.
도 2 는, 도식적으로 본 실시예의 정합 회로망(match net)과 제어 시스템(control system)의 확장된 블록(block)이다.
도 3 과 도 4 등은, 임피던스 크기 오차(magnitude error)와 임피던스 위상 각도 오차(phase angle error) 등 각각의 퍼지 세트에 관한, 퍼지 논리 추론 함수(fuzzy logic inference function) 또는 멤버쉽 함수(membership function)의 도표(chart)이다.
도 5A 와 도 5B 등은, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 가변 임피던스 동조 구동 신호(first variable impedance tuning drive signal)와 제 2 가변 임피던스 동조 구동 신호(second variable impedance tuning drive signal) 등을 위한 퍼지 논리 규칙 응용 행렬이다.
도 6A 와 도 6B 등은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제 1 가변 임피던스 동조 구동 신호(first variable impedance tuning drive signal)와 제 2 가변 임피던스 동조 구동 신호(second variable impedance tuning drive signal) 등을 위한 퍼지 논리 규칙 응용 행렬(fuzzy logic rule application matrix)이다.
도 7 은, 본 발명의 추가의 실시예에서 이용될 수 있는 3 차원 퍼지 논리 규칙 응용 행렬을 설명한다.
*부호 설명
10 : 무선 주파수 플라스마 처리 시스템(RF plasma processing system)
12 : 플라스마 생성기(plasma generator)
14 : 고조파/서브-고조파 필터(harmonice/subharmonic filter)
16 : 임피던스 정합 회로망(impedance matching network)
18 : 전압/전류 센서 시스템(voltage/current sensor system)
20 : 플라스마 체임버(plasma chamber)
22 : 임피던스 정합 유닛(impedance matching unit)
24 : 위상/크기 센서(phase/magnitude sensor)
29 : 퍼지화 단계(fuzzification stage)
30, 32, 34 : 퍼지 추론 함수(fuzzy inference function)
35 : 규칙을 찾는 단계(rule evaluation stage)
37 : 비(非)-퍼지화 단계(defuzzification stage)
도면에 관하여, 그리고 처음의 도 1 에 관하여, 무선(無線) 주파수 플라스마 처리 시스템(10)(RF plasma processing system)은 예의 목적을 위하여 보여진다. 플라스마 생성기(12)(plasma generator)는 미리 결정된 주파수, 즉 13.56 ㎒ 에서 무선 주파수 전력(RF electric power)을 공급한다. 고조파/서브-고조파 필터(14)(harmonice/subharmonic filter)는 생성기(12)(generator)의 출력에 뒤따르고, 그 다음에 임피던스 정합 회로망(16)(impedance matching network)은 상기 필터(14)에 뒤따르고, 이 정합 회로(16)는 플라스마 체임버(20)(plasma chamber)의 입력에 전압/전류 센서 시스템(18)(voltage/current sensor system)을 통하여 전력을 공급한다. 정합 회로망(16)은 제어할 수 있는 임피던스 정합 유닛(22)(impedance matching unit)을 포함하면서, 위상/크기 센서(24)(phase/magnitude sensor)는 정합 유닛 입력에 연결된다. 센서는 임피던스 정합 유닛(impedance matching unit)의 명목 입력 임피던스 위상 각도와 실질 위상 각도 등의 사이에서 차이(Φ-Φo) 에 비례하는 위상 오차 신호(phase error signal)ΔΦ 를 공급하고, 또한 센서는 명목 입력 임피던스와 실질 입력 임피던스 등의 사이에서 차이(Z-Zo) 에 비례하는 크기 오차 신호(magnitude error signal)ΔZ 를 공급한다.
퍼지 논리 제어 장치(26)(fuzzy logic controller)는 위상 오차 신호(phase error signal)ΔΦ 를 받아들이는, 그리고 크기 오차 신호(magnitude error signal)ΔZ 를 받아들이는 입력을 가지며, 유닛(22) 내에서 제 1 가변 임피던스 장치와 제 2 가변 임피던스 장치 등을 각각 제어할 목적으로, 각각의 제어 신호는 CS1 과 CS2 등을 출력한다. 선택적으로 제 3 제어 신호 출력 CS3는 고우스트-라인으로 보여진다. 추가의 센서(28)는 추가의 입력 신호, 즉 위상 오차의 시간 변화 속도를 갖춘 퍼지 논리 제어 장치(26)를 선택적으로 공급한다. 퍼지 논리 제어 장치는 분리된 유닛일 수 있지만, 또한 상기 퍼지 논리 제어 장치는 임피던스 정합 회로망(16)의 하우징에 합체(合體)될 수 있다. 퍼지 논리 규칙 행렬(fuzzy logic rule matrix)과 퍼지 논리 추론 함수 알고리즘(fuzzy logic inference function algorithm) 등을 포함하는 작동 코드(operating code)는 제어 장치(26)의 기억 장치(보이지 않음)에 기억될 수 있다. 상기 기억 장치는 예를 들면 E-PROM 과 같은 프로그램 가능 롬(programmable read-only-memory)일 수 있으며, 다운 적재(downloaded)된 프로그램 코드를 기억할 수 있고, 그리고 정합 회로망(16)의 동조(tuning)를 최적화하는 코드의 개정을 위하여 공급될 수 있다. 또한 고정된 정합(fixed match) 배치를 이용하는 것이 가능하고, 플라스마 생성기(12)의 주파수를 제어하도록 오차 신호(error signal)ΔΦ,ΔZ 등을 이용하는 것이 가능하다.
도 2 는, 본 발명의 작동을 위하여 설명되는 정합 회로망 유닛(22)(match net unit)과 퍼지 논리 제어 장치(26)(fuzzy logic controller) 등을 자세하게 보여준다. 50Ω 의 무선 주파수 생성기(12)와 미지(未知) 임피던스의 플라스마 체임버(20) 등의 사이에서 임피던스 정합을 만들도록 동조(tuning)에 효과를 줄 목적으로 다수의 가변 임피던스 장치를 정합 회로망 유닛(22)은 포함한다. 고정된(불변) 임피던스(보이지 않음)에 추가로, 제 1 동조 축전기(first tuning capacitor) C1 과 제 2 동조 축전기(second capacitor) C2 등이 있을 수 있다. 선택적으로, 또한 제 3 동조 축전기 C3 와 동조 가능 인덕터(tunable inductor) L 등이 있을 수 있다. 제 1 과 제 2 동조 축전기 등에서 각각은 동조 소자 모터(tuning element motor) M1, M2 등을 각각 가진다. 추가의 동조 소자가 요구된다면, 제 3 동조 소자 모터 M3 을 제 3 축전기 C3 에 공급한다. 또한, 모터(보이지 않음)를 동조 가능 인덕터의 동조 슬러그(slug)에 공급한다.
여기서 퍼지 논리 제어 장치(26)는 입력 신호에서 세 개의 동작을 수행하며, 여기서 입력 신호는 위상 오차 신호ΔΦ, 임피던스 크기 오차 신호ΔZ 및 추가의 오차 신호 즉, 다른 센서(28)에서 신호 등으로써 보여진다. 먼저 오차 신호는 퍼지화 단계(29)(fuzzification stage)에 가해지며, 이 단계에서 오차 신호는 각각의 퍼지 추론 함수(30, 32, 34)(fuzzy inference function)에 적용된다. 상기 함수는 삼각 또는 사다리꼴 램프 함수(ramp function)를 포개는 것의 결과로써 보여지며, 상기 함수는 자세하게 짧게 설명될 것이다. 그 다음에 규칙을 찾는 단계(35)(rule evaluation stage)에서 미리-결정된 규칙이 적용되며, 이 규칙이 퍼지화 단계(29)에서 퍼지(모호) 집합(fuzzy set)에 의존하며, 각각의 오차 신호는 멤버쉽을 가지고 있다. 예를 들면 (IF) 위상오차(phase error)가 부(負)부호이고 크기가 크다면, (AND IF) 또한 크기 오차(magnitude error)가 양(陽)부호이고 크기가 중간이면, (THEN) 그렇다면 CS1 에 양(陽)부호이고 크기가 큰 구동 신호를 그리고 CS2 에 부(負)부호 크기가 중간인 구동 신호 등을 공급한다와 같은, IF-AND-THEN 논리 명령문으로써 표현할 수 있다. 위상 오차와 크기 오차 등의 퍼지(모호) 집합 멤버쉽의 모든 결합을 위한 규칙은 N x M 행렬 규칙의 행렬로써 고려될 수 있으며, 여기서 N 은 위상 오차의 퍼지 집합의 수이고, M 은 크기 오차의 퍼지 집합의 수이다. 그 다음에 규칙을 찾는 단계(35)(rule evaluation stage)에서 얻어지는 몇몇의 구동 신호 값은, 비(非)-퍼지화 단계(37)(defuzzification stage)에서 불연속(discrete) 구동 신호 값 CS1, CS2, CS3 따위로 변환된다.
퍼지화 단계(29)(fuzzification stage)에서, 램프-모양의 멤버쉽 함수 또는 퍼지 추론 함수(32, 30) 등은, 도 3 과 도 4 등에서 보여지는 것처럼 임피던스 크기 오차 신호ΔZ 와 위상 오차 신호ΔΦ 등에서 각각을 위하여 이용된다. 보여지는 것처럼 여기서는 포개어지는 함수이기 때문에, 각각의 오차 신호 값은 부분적으로 하나(one)의 퍼지 집합의 멤버이고, 또한 각각의 오차 신호 값은 부분적으로 포개어지는(overlapping) 퍼지 집합의 멤버이다. 도 3 에서 여기서 보여지는 예에서, 크기 오차ΔZ 는 양(陽)부호 값이고, 제로 오차(zero error)의 35 %, 양(陽)부호 중간 에러의 65 % 등의 멤버쉽을 가진다. 동시에, 도 4 에서 보여지는 것처럼, 위상 오차ΔΦ 는 부(負)부호 값을 가지고, 제로 오차 퍼지 집합에서 25 % 의 멤버쉽, 그리고 부(負)부호 중간 퍼지 집합에서 75 % 의 멤버쉽 등을 가진다. 퍼지 규칙 응용 단계(35)에 따라서 얻어지는 각각의 구동 신호 값을 조절하고 결합할 목적으로, 상기 멤버쉽 값은 이용된다.
비(非)-퍼지화 단계(37)(defuzzification stage)에서, 크기 오차는 양(陽)부호로 크기가 중간, 위상 오차는 부(負)부호로 크기는 중간 ; 크기 오차는 양(陽)부호로 크기가 중간, 위상 오차는 제로 ; 크기 오차는 제로, 위상 오차는 부(負)부호로 크기는 중간 ; 그리고 크기 오차는 제로, 위상 오차도 제로 (예를 들면 도 3 과 도 4 등에서) 등의 조건에 기초를 두며, 얻어지는 구동 신호 값에 조절 인자(weighting factor)는 적용된다. 상기의 각각의 멤버쉽 값에 따라서 상기 인자는 조절되며, 각각의 구동 신호 CS1, CS2 및 CS3 따위 등에 대하여 상기 인자는 결합된다. 상기의 결과는 각각의 동조 장치를 재빨리 동조된 조건이 되게 하고, 위상 오차와 크기 오차 신호 등에서 각각의 장치의 효과를 설명한다. 또한 각각 동조 장치에 대한 작동의 양은, 위상 또는 크기 오차 등의 크기와 부호(양(陽) 또는 부(負)) 등에 의존한다. 그러므로, 앞에서 언급한 것처럼 상기 시스템은 종래 기술의 임피던스 정합 회로망에 있어서 주요한 함정을 피한다.
도 5A 와 도 5B 등은, 주어진 임피던스 정합 회로망(impedance match network)에 대한 전형적인 퍼지 논리 규칙의 행렬이다. 여기서, 모눈 사각형에서 이용되는 기호는, 제 1 동조 축전기(first tuning capacitor)(도 5A)에 가해지는 그리고 제 2 동조 축전기(second tuning capacitor)(도 5B)에 가해지는 모터 전류의 크기와 방향 등을 가리킨다. 여기서, PL - 양(陽)부호로 크기는 큼(positive large) ; PM - 양(陽)부호로 크기는 중간 ; Ze - 제로 ; NM - 부(負)부호로 크기는 중간 ; 그리고 NL - 부(負)부호로 크기는 큼 등이다. 상기에서 기술(記述)되었듯이, 비(非)-선형, 크로스-오버(cross-over), 조건 상실(lost condition) 등의 문제를 설명해야만 하였듯이, 분명하게 상기 행렬은 다소 비대칭이고 불균형이다. 상기 행렬은 처리 공학자(process engineer)에 의하여 오히려 빨리 얻을 수 있으며, 직교 또는 균형 행렬에서 시작하며, 구동 전류 값은 단지 하나의 오차 신호에 의존한다. 한 쌍의 균형 행렬은 도 6A 와 도 6B 등에서 보여진다. 공학자의 경험에 근거를 두어서, 그리고 행렬에 직관적인 조절을 가하는 것에 의하여, 특히 크로스-오버 또는 조건 상실 등이 일어나기 쉬운 조건에서, 처리 공학자는 종합적인 하중에 반(反)하여 수정된 규칙 집합(modified rule set)을 시도할 수 있다. 동조 알고리즘의 결과를 얻는 것에 의하여, 각각의 반복에 대하여 필요하다면, 행렬은 점진적으로 변화한다. 시도의 합리적인 횟수 내에서, 도 5A 와 도 5B 등의 행렬처럼, 처리 공학자는 규칙 집합 행렬의 최적의 쌍에 도달할 수 있다.
부당한 탐구(undue hunting) 없이 그리고 상기에서 주목받은 문제에 부닥침 없이 본 발명의 퍼지 논리 동조 처리는 좋은 임피던스 정합을 빠르게 성취할 수 있다.
또한 더 복잡한 환경에서 제어를 위한 세 개 이상의 변수의 규칙 집합을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 7 은 크기 오차(magnitude error), 위상 오차(phase error) 및 위상 오차 시간 변화(time rate of change of phase error) 등의 세 개의 축을 따라서 오차 신호 변수를 보여 주는 가능한 규칙 행렬(possible rules matrix)을 설명한다. 물론, 많은 다른 가능성이 있고, 입력 변수의 수는 단지 세 개로 한정되어 있지 않다. 동조 소자 위치(tuning element position)가 다양한 오차 신호에서 차이를 설명할 목적으로, 동조 축전기 C1, C2 및 C3 등의 회전 위치는 퍼지 논리 제어 장치로의 입력으로써 포함된다. 여기에서 보여지듯이, 또한 포개어지는 퍼지 집합보다는, 오히려 몇 개 이상의 퍼지 집합 등은 포개어지지 않을 가능성이 있으며, 또는 세 개 이상의 퍼지 집합에서 변수는 멤버쉽을 가질 가능성이 있다.

Claims (8)

  1. 주어진 주파수에서 그리고 주어진 임피던스 등에서 무선 주파수 전력에 적합한 입력과, 일정하지 않은 임피던스를 가지는 무선 주파수 로드(20)(RF load)에 상기 전력을 적용시키는 출력 등을 가지는 형(型)의, 임피던스 위상 각도 오차와 임피던스 크기 오차 등과 각각 관계 있는 위상 오차 신호(ΔΦ)(phase error signal)와 크기 오차 신호(ΔZ)(magnitude error signal) 등을 공급하는 위상-크기 오차 탐지기 수단(24)(phase-magnitude error detector means)을 포함하는, 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 1 변수 임피던스(C1)(first variable impedance)를 적어도 가지는, 그리고 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 2 변수 임피던스(C2)(second variable impedance)를 가지는 무선 주파수 정합 회로망(22)(RF matching network)을 동조시키는 퍼지 논리 방법(fuzzy logic method)에 있어서,
    상기 위상 오차 신호(ΔΦ)와 상기 크기 오차 신호(ΔZ) 등을 퍼지 논리 제어 장치(26)(fuzzy logic controller)에 공급하고, 여기서 각각의 상기 오차 신호는 크기와 방향을 가지며 ;
    다수의 포개어지는 퍼지 집합(overlapping fuzzy set)에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수(fuzzy logic inference function)에 각각의 상기 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)를 공급하고, 하나 이상의 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)을 오차 신호 값(error signal value)은 가지고 ;
    멤버쉽(membership)을 가지는 상기 제 1 과 제 2 오차 신호에 있어서, 퍼지 집합에 따르는 상기 위상과 크기 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)에 퍼지 논리 규칙(fuzzy logic rule)을 적용하고 ;
    상기 위상 오차 신호와 상기 크기 오차 신호의 각각에 대한 상기 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔 구동 신호 값(drive signal value)은 얻고 ;
    멤버쉽(membership)을 가지는 상기 오차 신호 값에 있어서 각각의 퍼지 추론 함수에 따라서 상기 구동 신호 값을 조절하고 ; 그리고
    상기 제 1 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(M1)(driven element)에 대하여 출력 구동 신호(CS1)를 생성하도록 상기 조절된 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 정합 회로망(22)을 동조시키는 퍼지 논리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기의 제 1 과 제 2 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)의 각각에 대하여 추가의 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔 구동 신호 값을 얻고 ;
    각각의 추가의 퍼지 추론 함수에 따르는 상기 구동 신호 값을 조절하고 ; 그리고
    상기 제 2 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(C2)에 대하여 출력 구동 신호(CS2)를 생성하도록 조절된 상기 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 정합 회로망을 동조시키는 퍼지 논리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 퍼지 논리 규칙은 N x M 구동 신호 값의 행렬로 이루어져 있으며, N 은 상기 제 1 오차 신호의 퍼지 집합의 수이며, M 은 상기 제 2 오차 신호의 퍼지 집합의 수이며, 그리고 각각의 구동 신호 값은, 상기 제 1 오차 신호의 주어진 집합과 상기 제 2 오차 신호의 주어진 집합에 일치하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 정합 회로망을 동조시키는 퍼지 논리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 집합은 제로(zero), 중간 크기의 양(陽)부호 값, 중간 크기의 부(負)부호 값, 큰 크기의 양(陽)부호 값 및 큰 크기의 부(負)부호 값 등에 관하여 각각 중심을 이루는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 정합 회로망을 동조시키는 퍼지 논리 방법.
  5. 주어진 주파수에서 그리고 주어진 임피던스 등에서 적합한 무선 주파수 전력(12)의 소스(source)와 일정하지 않은 임피던스를 가지는 무선 주파수 로드(20)(RF load) 등의 사이에 설치된, 임피던스 위상 각도 오차와 임피던스 크기 오차 등과 각각 관계 있는 위상 오차 신호(ΔΦ)(phase error signal)와 크기 오차 신호(ΔZ)(magnitude error signal) 등을 공급하는 위상-크기 오차 탐지기 수단(24)(phase-magnitude error detector means)을 포함하는, 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 1 변수 임피던스(C1)(first variable impedance)를 적어도 가지는, 그리고 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 2 변수 임피던스(C2)(second variable impedance)를 가지는 무선 주파수 정합 회로망(22)(RF matching network)을 동조시키는 퍼지 논리 제어 장치(26)(fuzzy logic controller)에 있어서,
    퍼지 논리 제어 장치는 상기 위상 오차 신호와 상기 크기 오차 신호 등의 값을 받아들이는 입력 수단을 포함하고 ; 다수의 포개어지는 퍼지 집합(overlapping fuzzy set)(30, 32, 34)에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수(fuzzy logic inference function)에, 상기 오차 신호 값을 입력 섹션(29)(input section)은 적용시키고 ; 오차 신호(ΔΦ,ΔZ) 값(error signal value)은 하나 이상의 퍼지 집합에서 멤버쉽(membership)을 가지고 ; 멤버쉽(membership)을 가지는 상기 오차 신호에 있어서, 퍼지 집합에 따르는 상기 위상과 크기 오차 신호에, 퍼지 논리 규칙(fuzzy logic rule)을 제 2 섹션(34)(second scetion)은 적용하고 ; 멤버쉽(membership)을 가지는 상기 오차 신호에 있어서, 각각에 대한 상기 퍼지 논리 규칙에 따라서 구동 신호 값(drive signal value)을 제 3 섹션(35)(third section)은 얻고 ; 상기 오차 신호 값에 대한 각각의 퍼지 추론 함수에 따라서 상기 구동 신호 값을 조절하고 ; 그리고 상기 제 1 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(driven element)에 대하여 출력 구동 신호(CS1)를 생성하도록 상기 조절된 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 정합 회로망(22)을 동조시키는 퍼지 논리 제어 장치(26).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기의 위상과 크기 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)의 각각에 대하여 추가의 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔 추가의 구동 신호 값(CS2)을 얻기 위한 수단을 더 포함하고 ; 제 3 섹션(third section)은 각각의 추가의 퍼지 추론 함수에 따르는 상기 추가의 구동 신호 값을 조절하고 ; 그리고 상기 제 2 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(C2)에 대하여 출력 구동 신호를 생성하도록 조절된 상기 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 퍼지 논리 제어 장치.
  7. 주어진 주파수에서 그리고 주어진 임피던스 등에서 무선 주파수 전력에 적합한 입력과, 출력 등을 가지는 형(型)의, 제 1 오차 신호와 제 2 오차 신호 등을 공급하는 오차 탐지기 수단(error detector means)을 포함하는, 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 1 변수 임피던스(first variable impedance)를 적어도 가지는, 그리고 임피던스가 다양하도록 구동된 소자(driven element)를 가지는 제 2 변수 임피던스(second variable impedance)를 가지는 동조 무선 주파수 장치(tunable RF device)를 동조시키는 퍼지 논리 방법(fuzzy logic method)에 있어서,
    상기 제 1 오차 신호(ΔΦ)와 상기 제 2 오차 신호(ΔZ) 등을 퍼지 논리 제어 장치(26)(fuzzy logic controller)에 공급하고, 여기서 각각의 상기 오차 신호는 크기와 방향을 가지며 ;
    다수의 포개어지는 퍼지 집합(overlapping fuzzy set)에 근거를 둔 퍼지 논리 추론 함수(fuzzy logic inference function)에 각각의 상기 오차 신호를 공급하고, 하나 이상의 퍼지 집합에서
    오차 신호 값(error signal value)의 포개어지는 멤버쉽(membership)의 총계에 일치하는 멤버쉽(membership) 값을 생성시키고 ;
    멤버쉽(membership)을 가지는 상기 제 1 과 제 2 오차 신호에 있어서, 퍼지 집합에 따르는 상기 제 1 과 제 2 오차 신호에 퍼지 논리 규칙(35)을 적용하고 ;
    상기 제 1 과 제 2 오차 신호에서 각각에 대해 상기 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔 다수의 구동 신호 값을 얻고 ;
    상기 오차 신호에 대한 각각이 멤버쉽 값에 따르는 상기 구동 신호 값을 조절하고 ;
    상기 제 1 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(driven element)에 대하여 출력 구동 신호를 생성하도록 상기 조절된 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 동조 무선 주파수 장치(tunable RF device)를 동조시키는 퍼지 논리 방법(fuzzy logic method).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기의 제 1 과 제 2 오차 신호(ΔΦ,ΔZ)의 각각에 대하여 추가의 퍼지 논리 규칙에 근거를 둔 다수의 추가의 구동 신호 값을 얻고 ;
    각각의 추가의 퍼지 추론 함수에 따르는 상기 추가의 구동 신호 값을 조절하고 ; 그리고
    상기 제 2 변수 임피던스 장치에서 구동된 소자(C2)에 대하여 출력 구동 신호(CS2)를 생성하도록 조절된 추가의 상기 구동 신호 값을 결합하는 것을 특징으로 하는 동조 무선 주파수 장치(tunable RF device)를 동조시키는 퍼지 논리 방법(fuzzy logic method).
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