KR20200077450A - 비선형 디바이스를 사용하는 아크 방지가 있는 rf 장치 - Google Patents

비선형 디바이스를 사용하는 아크 방지가 있는 rf 장치 Download PDF

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KR20200077450A
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Abstract

RF 시스템은 RF 신호원 및 단일 종단형 또는 이중 종단형 임피던스 매칭 네트워크를 포함한다. 가스 방전 튜브와 같은 비선형 디바이스는 임피던스 매칭 네트워크의 구성요소들과 병렬로 결합된다. 비선형 디바이스는 항복 전압 아래에서 절연 상태이고 항복 전압 위에서 전도 상태이다. 시스템은 임피던스 매칭 네트워크의 임피던스 변화를 반영하는 하나 이상의 파라미터를 측정하도록 구성된 측정 회로도 포함한다. 시스템 제어기는 모니터링된 파라미터(들) 중 임의의 파라미터의 변화율이 사전결정된 임계값을 초과할 때 시스템의 동작을 수정한다.

Description

비선형 디바이스를 사용하는 아크 방지가 있는 RF 장치{RF APPARATUS WITH ARC PREVENTION USING NON-LINEAR DEVICES}
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 일반적으로 무선 주파수(RF) 시스템에서 아크 이벤트를 방지 및/또는 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
높은 RF 전압을 생성할 수 있는 다양한 유형의 종래의 무선 주파수(RF) 시스템은 시스템에 결합되거나 시스템 내에 포함된 부하 내에서 및 시스템 자체 내에서 아크 발생 가능성이 있다. 이러한 종래의 RF 시스템에서, 아크는 디바이스 회로 내의 고전압 노드 또는 지점에서 발생할 수 있으며, 이는 회로 구성요소 또는 접지된 구조물에 잠재적으로 돌이킬 수 없는 손상을 초래할 수 있다. 이 아크는 오랜 시구간 동안 지속될 수 있으며 이로 인해 시스템 성능이 저하될 수 있다. 또한, 지속되는 전기적 아크는 회로 구성요소를 손상시키고 추가 문제를 발생시킬 수 있다. 일부 경우에, 이러한 아크는 시스템 기능을 영구적으로 손상시킬 가능성이 있다. RF 시스템 또는 장치에서 발생하는 전기적 아크를 초래할 수 있는 상태를 검출하고, 시스템 구성요소들 사이에서, 시스템 구성요소들을 가로질러서 또는 통해 아크를 방지하기 위한 사전 조치를 취하는 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명의 청구대상의 보다 완전한 이해는 이하의 도면들과 함께 고려될 때에 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써 도출될 수 있으며, 여기서 동일한 참조번호는 도면들 전체에 걸쳐서 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 제상 기기의 사시도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 불균형(unbalanced) 제상 장치의 단순화된 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 단일 종단형(single-ended) 가변 인덕턴스 매칭 네트워크의 개략도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 단일 종단형 가변 용량성 매칭 네트워크의 개략도이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 균형(balanced) 제상 장치의 단순화된 블록도이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 가변 인덕턴스를 갖는 이중 종단형(double-ended) 가변 임피던스 매칭 네트워크의 개략도이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 가변 캐패시턴스를 갖는 이중 종단형 가변 임피던스 네트워크의 개략도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따라 동적 부하 매칭을 이용하여 제상 시스템을 동작시키는 방법의 흐름도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따라 매칭 네트워크에서 과전압 상태를 검출하고 이에 응답하여 RF 신호원의 동작을 수정하여 전기적 아크를 방지하는 방법의 흐름도이다.
이하의 상세한 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 실시예 또는 이러한 실시예의 응용 및 사용을 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예시적인" 및 "예"라는 단어는 "예, 실례, 또는 예시로서 제공하는 것"을 의미한다. 예시 또는 예로서 본 명세서에서 설명되는 임의의 구현예는 반드시 다른 구현예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 또한, 선행 기술 분야, 배경, 또는 이하의 상세한 설명에 제시된 임의의 명시적 또는 묵시적 이론에 얽매이고자 하는 의도는 없다.
본 명세서에 설명된 발명의 청구대상의 실시예는 높은 무선 주파수(RF) 전압을 생성할 수 있는 시스템(본 명세서에서는 "RF 시스템"으로 지칭됨) 내의 전기 아크를 검출 및 방지하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에서 상세하게 설명된 예시적인 시스템은 고체 상태의 제상 장치를 포함하지만, 당업자는 본 명세서의 설명에 기초하여 아크 방지 실시예가 고체 상태의 제상 및 조리 장치, 송신기 안테나 튜너, 플라즈마 발생기 부하 매칭 장치 및 시스템 구성요소들 간에 전기적 아크가 발생하기 쉬운 다른 RF 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 RF 시스템 중 임의의 시스템에서 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다양한 실시예에 따르면, 아크 검출 및 방지는 아크 검출 서브 시스템을 통해 달성되며, 아크 검출 서브 시스템은 RF 시스템 내의 다양한 위치에서 및 보다 구체적으로 시스템 내의 고전압 응력 지점을 가로질러 전략적으로 접속된 비선형 디바이스(들)를 포함한다. 비선형 디바이스(들)는 바람직하게는 시스템에 대한 영향을 최소화하기 위해 기생 용량이 낮다. 또한, 일부 실시예에서, 비선형 디바이스(들)는 시스템 제어기에 직접 접속되지 않으며, 이는 높은 공통 모드 RF 전압 검출에 의한 검출 문제를 해결한다. 시스템의 실시예는 부하 및 RF 시스템 요소 모두를 보호할 수 있다.
실시예에 따르면, 아크 검출 서브 시스템은 RF 입력 매칭, S11, 전압 정재파 비(VSWR) 또는 전류를 모니터링한다. 사전결정된 크기 및/또는 레이트 임계 값을 초과하는 S11, VSWR 또는 전류의 변화는 비선형 디바이스의 상태가 변경되었음을 나타내며 시스템 내의 전압은 아크 이벤트가 발생할 수 있거나 발생 중임을 나타내는 값을 가질 수 있다. 일단 검출되면, 아크 검출 서브 시스템은 아크 상태를 방지하거나 중지하려고 시도하기 위해 조치를 취하고/취하거나 조건을 변경할 수 있다. 본 발명의 청구대상의 실시예는 신뢰성을 손상시키지 않으면서 최적의 크기의 구성요소를 사용하여 구성될 수 있다.
아크 검출 및 방지 실시예가 구현될 수 있는 시스템의 일부 비제한적인 실시예는 독립형 기기 또는 다른 시스템에 통합될 수 있는 고체 상태의 제상 장치를 포함한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 고체 상태의 제상 장치의 실시예는 "불균형" 제상 장치 및 "균형" 장치 모두를 포함한다. 예컨대, 예시적인 "불균형" 제상 시스템은 캐비티에 배치된 제 1 전극, 단일 종단형 증폭기 배열(하나 이상의 트랜지스터를 포함함), 증폭기 배열의 출력과 제 1 전극 사이에 결합된 단일 종단형 임피던스 매칭 네트워크, 및 제상 동작이 언제 완료되었는지를 검출할 수 있는 측정 및 제어 시스템을 사용하여 실현된다. 대조적으로, 예시적인 "균형" 제상 시스템은 캐비티에 배치된 제 1 및 제 2 전극, 단일 종단형 또는 이중 종단형 증폭기 배열(하나 이상의 트랜지스터를 포함함), 증폭기 배열의 출력과 제 1 및 제 2 전극과의 사이에 결합된 이중 종단형 임피던스 매칭 네트워크, 및 제상 동작이 언제 완료되었는지를 검출할 수 있는 측정 및 제어 시스템을 사용하여 실현된다. 다양한 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 증폭기 배열과 캐비티 사이의 매칭을 개선하기 위해 제상 동작 동안에 조정될 수 있는 가변 임피던스 매칭 네트워크를 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 아크 검출 서브 시스템과 연관된 비선형 디바이스는 본 명세서에 설명된 불균형 및 균형 제상 시스템의 단일 종단형 매칭 네트워크 또는 이중 종단형 매칭 네트워크의 구성요소들에 걸쳐 배치된다.
일반적으로, "제상"이란 용어는 냉동 부하(예를 들면, 식품 부하 또는 다른 유형의 부하)의 온도를 부하가 더 이상 동결되지 않는 온도(예를 들면, 섭씨 0도 또는 그 근방의 온도)로 상승시키는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "제상"이란 용어는 보다 광범위하게는 부하(예를 들면, 식품 부하 또는 다른 유형의 부하)의 열 에너지 또는 온도가 부하로의 무선 주파수(RF) 전력의 제공을 통해 상승되는 프로세스를 의미한다. 따라서, 다양한 실시예에서, "제상 동작"은 임의의 초기 온도(예를 들면, 섭씨 0도보다 높거나 그 아래의 임의의 초기 온도)를 갖는 부하에 대해 수행될 수 있으며, 그 제상 동작은 초기 온도보다 높은 임의의 최종 온도(예를 들면, 섭씨 0도보다 높거나 그 아래의 최종 온도를 포함함)에서 중단될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 설명된 "제상 동작" 및 "제상 시스템"은 대안적으로 "열 상승 동작" 및 "열 상승 시스템"으로 지칭될 수 있다. "제상"이란 용어는 냉동 부하의 온도를 섭씨 0도 또는 그 부근의 온도로만 상승시킬 수 있는 방법 또는 시스템으로 본 발명의 적용을 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 일 실시예에서, 제상 동작은 식품의 온도를 섭씨 -1도 또는 그 근처의 온도에서의 완화된 상태로 올릴 수 있다.
소정의 조건(예를 들면, 매우 건조한 조건 및/또는 크게 상이한 전위를 갖는 제상 시스템의 구성요소들이 모두 근접하게 위치 설정되는 조건) 하에서, 전기적 아크는 본 명세서에서 설명되는 유형의 제상 시스템 또는 높은 RF 전압을 생성할 수 있는 다른 유형의 RF 시스템에서 발생할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "아크"는 지속적인 전기 방전을 생성하는 가스(예를 들면, 공기)의 절연 파괴(electrical breakdown)를 지칭한다. 본 문맥에서, 아크는 예를 들어 RF 전력이 인가되는 인덕터의 인접한 코일들 사이, 이러한 인덕터와 전극 사이, 이러한 인덕터와 접지된 케이싱 또는 다른 격납 구조물 사이, 또는 다른 적용 가능한 회로 구성요소들 사이에서 발생할 수 있다. 제상 시스템 내에서 발생하는 아크로 인해 제상 시스템의 구성요소들이 손상될 수 있으며, 또한 오랜 시구간에 걸쳐 아크가 발생할 때에 (예를 들면, 전기 도체의 용융 및 절연 파괴의 형태의) 제상 시스템에 대한 손상의 리스크가 증가한다.
종래의 아크 완화 방법은 일반적으로 아크가 제어 불가하고 예측 불가한 방식으로 이미 발생한 후에 시스템에서 아크를 검출하는 것으로 제한되며, 이는 여전히 시스템 및 그 구성요소에 손상을 초래할 수 있다. (예를 들어, RF 신호 전송 경로를 따라 과전압 상태의 식별을 통해) 잠재적 아크를 식별하고 아크가 발생하는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 실시예는 예를 들어 RF 신호원과 부하(예를 들어, 제상 캐비티, 대응 전극 및 식품 부하를 포함함) 사이의 전송 경로를 따라 다양한 노드에서와 같이 전기적 아크의 위험이 있는 위치에 있는 비선형 디바이스를 포함할 수 있는 아크 검출 서브 시스템에 관한 것이다. 이러한 비선형 디바이스는 가스 방전 튜브, 스파크 갭, TVD(transient-voltage-suppression) 다이오드 및 디바이스, 또는 정의된 항복 전압을 초과하는 전압을 억제할 수 있는 기타 비선형 디바이스를 포함할 수 있다.
RF 신호원과 부하 사이의 전송 경로를 따라 임의의 비선형 디바이스들 양단의 전압이 대응하는 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과하면, 비선형 디바이스는 작동하기 시작할 것이며, 이는 RF 신호원과 부하 사이에 (예를 들어, 계단 함수와 유사한) 빠른 임피던스 변화를 발생시킨다. 이러한 빠른 임피던스 변화는 RF 신호원에 의해 부하에 공급되는 RF 신호의 파라미터(예컨대, S11 파라미터, VSWR, 전류 등)의 대응하는 빠른 변화로 표현되며, 이는 RF 신호원의 하나 이상의 출력에 연결된 전력 검출 회로에 의해 검출될 수 있다. 이들 파라미터 중 하나의 빠른 변화율(예를 들어, 사전정의된 임계값을 초과함)를 검출하는 것에 응답하여, 시스템의 제어기(예를 들어, 시스템 제어기 또는 마이크로제어기 유닛(MCU))는 제어되지 않는 아크를 유발하기 전에 과전압 상태를 완화하기 위해 시스템의 동작을 수정할 수 있다. 예를 들어, 이 수정은 RF 신호원에 의해 생성된 RF 신호의 전력을 (예를 들어, 원래 전력 값의 20% 만큼 또는 10% 미만으로) 감소시키거나 (예를 들어, RF 신호원에게 RF 신호 생성을 중지하도록 지시함으로써 적어도 부분적으로) 시스템을 셧다운할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 제어되지 않고 잠재적으로 손상된 아크를 발생시킬 수 있기 전에 고전압(예를 들어, 과전압) 상태를 검출하고 완화함으로써 제어되지 않은 아크가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있다.
도　1은　예시적인　실시예에　따른　제상　시스템(100)의　사시도이다.　 제상　시스템(100)은　제상　캐비티(110)(예를 들면, 도 2, 5, 11의 캐비티(260, 560, 1174)),　제어　패널(120),　하나　이상의　RF　신호원(예를 들면,　도　2, 5, 11의　RF　신호원(220, 520, 1120)),　전력　공급부(예를 들면,　도　2, 5의 전력　공급부(226, 526)),　제　1　전극(170)(예를 들면, 도 2, 5, 11의 전극(240, 540, 1170)),　제 2 전극(172)(예를 들면, 도 5, 11의 전극(550, 1172)), 임피던스 매칭 회로(예를 들면, 도 5, 5, 11의 회로(234, 270, 534, 572, 1160)), 전력　검출　회로(예를 들면,　도　2, 5, 11의 전력　검출　회로(230, 530, 1180)),　및　시스템　제어기(예를 들면,　도　2, 5, 11의　시스템　제어기(212, 512, 1130))를　포함한다. 　제상　캐비티(110)는 상부,　하부,　측부,　및　후부　캐비티　벽(111,　112,　113,　114,　115)의　내부　표면 및 도어(116)의　내부　표면에　의해　정의된다.　 도어(116)가　닫히면,　제상 캐비티(110)는　밀폐된 에어 캐비티를　정의한다.　 본 명세서에서　사용되는　바와 같이, "에어　캐비티"라는 용어는　공기　또는　다른　기체를 포함하는　밀폐　영역(예를 들면,　제상　캐비티(110))을　의미할　수　있다.
"불균형" 실시예에 따르면, 제 1 전극(170)은 캐비티 벽(예를 들면, 상부 벽(111))에 근접하게 배열되고, 제 1 전극(170)은 나머지 캐비티 벽들(예를 들면, 벽(112-115) 및 도어(116))로부터 전기적으로 격리되며, 나머지 캐비티 벽들은 접지된다. 이러한 구성에서, 시스템은 캐패시터로서 간략하게 모델링될 수 있고, 여기서 제 1 전극(170)은 하나의 전도성 플레이트(또는 전극)로서 기능하고, 접지된 캐비티 벽들(예를 들면, 벽(112-115))은 제 2 전도성 플레이트(또는 전극)로서 기능하며, 에어 캐비티(그 안에 포함된 임의의 부하를 포함함)는 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 간의 유전 매체로서 기능한다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 비전도성 배리어(예를 들어, 도 2의 배리어(262))도 시스템(100)에 포함될 수 있고, 비전도성 배리어는 하부 캐비티 벽(112)으로부터 부하를 전기적 및 물리적으로 격리시키도록 기능할 수 있다. 도 1은 상부 벽(111)에 근접하게 있는 제 1 전극(170)을 도시하고 있지만, 이와 달리 제 1 전극(170)은, 전극(172-175)으로 표시된 바와 같이, 다른 벽(112-115) 중 임의의 것에 근접해 있을 수 있다.
"균형" 실시예에 따르면, 제 1 전극(170)은 제 1 캐비티 벽(예를 들어, 상부 벽(111))에 근접하게 배열되고, 제 2 전극(172)은 반대편의 제 2 캐비티 벽(예를 들면, 하부 벽(112))에 근접하게 배열되고, 제 1 및 제 2 전극(170, 172)은 나머지 캐비티 벽(예를 들면, 벽(113-115) 및 도어(116))으로부터 전기적으로 격리된다. 이러한 구성에서, 시스템은 또한 캐패시터로서 간략하게 모델링될 수 있고, 여기서 제 1 전극(170)은 하나의 전도성 플레이트(또는 전극)로서 기능하고, 제 2 전극(172)은 제 2 전도성 플레이트(또는 전극)로서 기능하며, 에어 캐비티(그 안에 포함된 임의의 부하를 포함함)는 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 간의 유전 매체로서 기능한다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 비전도성 배리어(예를 들면, 배리어(도 5, 11의 배리어(562, 1156))도 시스템(100)에 포함될 수 있고, 비전도성 배리어는 제 2 전극(172) 및 하부 캐비티 벽(112)으로부터 부하를 전기적 및 물리적으로 격리시키도록 기능할 수 있다. 도 1은 상부 벽(111)에 근접하게 있는 제 1 전극(170)과, 하부 벽(112)에 근접하게 있는 제 2 전극(172)을 도시하고 있지만, 이와 달리 제 1 및 제 2 전극(170, 172)은 다른 반대쪽 벽에 근접하게 있을 수 있다(예를 들면, 제 1 전극은 벽(113)에 근접한 전극(173)일 수 있고, 제 2 전극은 벽(114)에 근접한 전극(174)일 수 있음).
실시예에 따르면, 제상 시스템(100)의 동작 동안에, 사용자(도시되지 않음)는 하나 이상의 부하(예를 들면, 식품 및/또는 액체)를 제상 캐비티(110)에 배치할 수 있고, 선택적으로는 부하(들)의 특성을 명시하는 제어 패널(120)을 통해 입력을 제공할 수 있다. 예컨대, 명시된 특성은 부하의 대략적인 중량을 포함할 수 있다. 또한, 명시된 부하 특성은 부하가 형성되는 재료(들)(예를 들면, 고기, 빵, 액체)를 나타낼 수 있다. 다른 실시예에서, 부하 특성은 일부 다른 방식으로, 예를 들어 부하 패키징 상의 바코드를 스캐닝함으로써 혹은 부하 내에 내장되거나 부하 상의 RFID 태그로부터 무선 주파수 식별(RFID) 신호를 수신함으로써 획득될 수 있다. 어떤 방식이든, 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이러한 부하 특성에 관한 정보는 시스템 제어기(예를 들면, 도 2, 5, 11의 시스템 제어기(212, 512, 1130))가 제상 동작 시작시에 시스템의 임피던스 매칭 네트워크에 대한 초기 상태를 설정할 수 있게 하며, 여기서 초기 상태는 부하로의 최대 RF 전력 전달을 가능하게 하는 최적의 상태에 비교적 가까울 수 있다. 이와 달리, 제상 동작을 시작하기 전에 부하 특성이 입력되거나 수신되지 않을 수 있으며, 시스템 제어기는 임피던스 매칭 네트워크에 대한 디폴트 초기 상태를 설정할 수 있다.
제상 동작을 시작하기 위해, 사용자는 제어 패널(120)을 통해 입력을 제공할 수 있다. 이에 응답하여, 시스템 제어기는, RF 신호원(들)(예를 들면, 도 2, 5, 11의 RF 신호원(220, 520, 1120))으로 하여금, 불균형 실시예에서는 제 1 전극(170)에 RF 신호를 공급하고, 또는 균형 실시예에서는 제 1 및 제 2 전극(170, 172) 모두에 RF 신호를 공급하게 하며, 이에 응답하여 전극(들)은 전자기 에너지를 제상 캐비티(110)로 방사한다. 전자기 에너지는 부하의 열 에너지를 증가시킨다(즉, 전자기 에너지는 부하를 예열시킴).
제상 동작시에, 부하의 임피던스(또한 그에 따라 캐비티(110)+부하의 총 입력 임피던스)는 부하의 열 에너지가 증가함에 따라 변한다. 임피던스 변화는 부하로의 RF 에너지 흡수를 변경시키고, 그에 따라 반사 전력의 크기를 변경시킨다. 실시예에 따르면, 전력 검출 회로(예를 들면, 도 2, 5, 11의 전력 검출 회로(230, 530, 1180))는 RF 신호원(예를 들면, 도 2, 5, 11의 RF 신호원(220, 520, 1120))과 전극(들)(170, 172) 사이의 전송 경로(예를 들면, 도 2, 5, 11의 전송 경로(228, 528, 1148)를 따라 반사 전력을 연속적 또는 주기적으로 측정한다. 이들 측정에 기초하여, 시스템 제어기(예컨대, 도 2, 5, 11의 시스템 제어기(212, 512, 1130))는, 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 제상 동작의 완료를 검출할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 임피던스 매칭 네트워크는 가변적이며, 반사 전력 측정(또는 순방향 및 반사 전력 측정 모두, S11 파라미터 및/또는 VSWR)에 기초하여, 시스템 제어기는 제상 동작 동안에 임피던스 매칭 네트워크의 상태를 변경하여 부하에 의한 RF 전력의 흡수를 증가시킬 수 있다.
도 1의 제상 시스템(100)은 카운터 탑(counter-top) 유형의 기기로서 구현된다. 다른 실시예에서, 제상 시스템(100)은 전자레인지 조리 동작을 수행하기 위한 구성요소 및 기능도 포함할 수 있다. 이와 달리, 제상 시스템의 구성요소는 다른 유형의 시스템 또는 기기에 통합될 수 있다. 예컨대, 제상 시스템은 냉장고/냉동고 기기 또는 다른 구성요소를 가진 시스템 또는 기기에도 통합될 수 있다. 따라서, 독립형 기기 내의 전술한 제상 시스템의 구현예는 실시예의 사용을 이러한 유형의 시스템으로만 제한하도록 의도한 것은 아니다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 불균형 제상 시스템(200)(예를 들면, 도 1의 제상 시스템(100))의 단순화된 블록도이다. 제상 시스템(200)은 실시예에서 RF 서브시스템(210), 제상 캐비티(260), 사용자 인터페이스(280), 시스템 제어기(212), RF 신호원(220), 전원 공급 및 바이어스 회로(226), 가변 임피던스 매칭 네트워크(270), 전극(240), 격납 구조물(266), 및 전력 검출 회로(230)를 포함한다. 또한, 다른 실시예에서, 제상 시스템(200)은 온도 센서(들), 적외선(IR) 센서(들) 및/또는 중량 센서(들)(290)를 포함할 수 있지만, 이들 센서 구성요소들 중 일부 또는 전부가 제외될 수 있다. 도 2는 설명 및 기재의 편의를 위한 제상 시스템(300)의 단순화된 표현이고, 추가적인 기능 및 특징을 제공하기 위해 다른 디바이스 및 구성요소를 실제 실시예가 포함할 수 있으며, 및/또는 제상 시스템(300)이 보다 큰 전기 시스템의 일부일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
사용자 인터페이스(380)는, 예를 들어 사용자가 제상 동작을 위한 파라미터(예를 들면, 제상되어야 하는 부하의 특성 등)에 관한 입력을 시스템에게 제공할 수 있게 하는 제어 패널(예를 들면, 도 1의 제어 패널(120)), 시작 및 취소 버튼, 기계식 제어 장치(예들 들면, 도어/서랍 오픈 래치) 등에 대응할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스는 제상 동작의 상태를 나타내는 사용자 인지 가능한 출력(예를 들면, 카운트다운 타이머, 제상 동작의 진행 또는 완료를 나타내는 가시적 표시, 및/또는 제상 동작의 완료를 나타내는 가청음) 및 기타 정보를 제공하도록 구성될 수 있다.
제상 시스템(200)의 일부 실시예는 온도 센서(들), IR 센서(들), 및/또는 중량 센서(들)(290)를 포함할 수 있다. 온도 센서(들) 및/또는 IR 센서(들)는 제상 동작 동안에 부하(264)의 온도가 감지될 수 있게 하는 위치에 배치될 수 있다. 시스템 제어기(312)에 제공되는 경우, 온도 정보는, 시스템 제어기(212)로 하여금, RF 신호원(220)에 의해 공급된 RF 신호의 전력을(예를 들면, 전원 공급 및 바이어스 회로(226)에 의해 제공되는 바이어스 및/또는 공급 전압을 제어함으로써) 변경하고, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 상태를 조정하고/하거나 제상 동작이 언제 종결되어야 하는지를 결정할 수 있게 한다. 중량 센서(들)는 부하(264) 아래에 배치되고, 부하(264)의 중량의 추정치를 시스템 제어기(212)에 제공하도록 구성된다. 시스템 제어기(212)는 예를 들어 RF 신호원(220)에 의해 공급된 RF 신호에 대한 원하는 전력 레벨을 결정하고, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)에 대한 초기 설정을 결정하며/결정하거나 제상 동작을 위한 대략적인 지속기간을 결정하는 데 이 정보를 사용할 수 있다.
RF 서브시스템(210)은 실시예에서 시스템 제어기(212), RF 신호원(220), 제 1 임피던스 매칭 회로(234)(본 명세서에서는 "제 1 매칭 회로"), 전원 공급 및 바이어스 회로(226), 및 전력 검출 회로(230)를 포함한다. 시스템 제어기(212)는 하나 이상의 범용 또는 특수 목적 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 주문형 집적 회로(ASIC) 등), 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리(예를 들면, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 플래시, 다양한 레지스터 등), 하나 이상의 통신 버스, 및 기타 구성요소를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 시스템 제어기(212)는 사용자 인터페이스(280), RF 신호원(220), 가변 임피던스 매칭 네트워크(270), 전력 검출 회로(230), 및 센서(290)(포함된 경우)에 연결된다. 시스템 제어기(212)는 사용자 인터페이스(280)를 통해 수신된 사용자 입력을 나타내는 신호를 수신하고, 전력 검출 회로(230)로부터 RF 신호 반사 전력(및 가능하게는 RF 신호 순방향 전력)을 나타내는 신호를 수신하도록 구성된다. 수신된 신호 및 측정에 응답하여, 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 시스템 제어기(212)는 제어 신호를 전원 공급 및 바이어스 회로(326)에 및 RF 신호원(220)의 RF 신호 생성기(222)에 제공한다. 또한, 시스템 제어기(212)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)에 제어 신호를 제공하여, 네트워크(270)가 그 상태 또는 구성을 변경하게 한다.
제상 캐비티(260)는 제상될 부하(264)가 배치될 수 있는 에어 캐비티에 의해 분리된 제 1 및 제 2 평행 플레이트 전극을 갖는 용량성 제상 구성을 포함한다. 예컨대, 제 1 전극(240)은 에어 캐비티 위에 배치될 수 있고, 제 2 전극은 격납 구조물(266)의 일부에 의해 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 격납 구조물(266)은 하부 벽, 상부 벽, 및 측부 벽을 포함할 수 있고, 이들 내부 표면은 캐비티(260)(예컨대, 도 1의 캐비티(110))를 정의한다. 실시예에 따르면, 캐비티(260)는 제상 동작 동안에 캐비티(260)로 유입되는 전자기 에너지를 수용하기 위해(예를 들면, 도 1의 도어(116)로써) 밀봉될 수 있다. 시스템(200)은 제상 동작 동안에 밀봉 부분이 손상되지 않음을 보장하는 하나 이상의 인터로크 메커니즘을 포함할 수 있다. 인터로크 메커니즘 중 하나 이상이 밀봉 부분이 파기됨을 표시하면, 시스템 제어기(212)는 제상 동작을 중단할 수 있다. 실시예에 따르면, 격납 구조물(266)은 적어도 부분적으로 전도성 재료로 형성되고, 격납 구조물의 전도성 부분(들)은 접지될 수 있다. 이와 달리, 캐비티(260)의 하부 표면에 대응하는 격납 구조물(266)의 적어도 일부는 전도성 재료로 형성되고 접지될 수 있다. 어느 방식이든, 격납 구조물(266)(또는 제 1 전극(240)과 평행한 격납 구조물(266)의 적어도 일부)은 용량성 제상 구성의 제 2 전극으로서 기능한다. 부하(264)와 캐비티(260)의 접지된 하부 표면 간의 직접적인 접촉을 피하기 위해, 비전도성 배리어(262)가 캐비티(260)의 하부 표면 위에 배치될 수 있다.
본질적으로, 제상 캐비티(260)는 제상될 부하(264)가 배치될 수 있는 에어 캐비티에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 평행 플레이트 전극(240, 266)을 갖는 용량성 제상 구성을 포함한다. 전극(240)과 격납 구조물(266)의 반대쪽 표면(예를 들면, 제 2 전극으로서 기능하는 하부 표면) 사이의 거리(252)를 정의하도록 격납 구조물(266) 내에 제 1 전극(240)이 배치되고, 여기서 거리(252)는 실시예에서 캐비티(260)를 서브 공진 캐비티(a sub-resonant cavity)가 되게 한다.
다양한 실시예에서, 거리(252)는 약 0.10미터 내지 약 1.0미터의 범위에 있지만, 거리가 더 작거나 클 수도 있다. 실시예에 따르면, 거리(252)는 RF 서브시스템(210)에 의해 생성된 RF 신호의 하나의 파장보다 작다. 즉, 전술한 바와 같이, 캐비티(260)는 서브 공진 캐비티이다. 일부 실시예에서, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 대략 절반보다 작다. 다른 실시예에서, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 대략 1/4보다 작다. 또 다른 실시예에서, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 대략 1/8보다 작다. 또 다른 실시예에서, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 대략 1/50보다 작다. 또 다른 실시예에서, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 대략 1/100보다 작다.
일반적으로, 보다 낮은 동작 주파수(예를 들면, 10MHz와 100MHz 사이의 주파수)를 위해 설계된 시스템(200)은 하나의 파장의 보다 작은 부분인 거리(252)를 갖도록 설계될 수 있다. 예컨대, 시스템(200)이 약 10MHz의 동작 주파수(약 30미터의 파장에 대응함)로 RF 신호를 생성하도록 설계되고, 거리(252)가 약 0.5미터가 되도록 선택되는 경우에, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/60이다. 반대로, 시스템(200)이 약 300MHz의 동작 주파수(약 1미터의 파장에 대응함)를 위해 설계되고, 거리(352)가 약 0.5미터로 되도록 선택되는 경우에, 거리(252)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/2이다.
전극(240)과 격납 구조물(266) 간의 거리(252) 및 동작 주파수가 서브 공진 내부 캐비티(260)를 정의하도록 선택됨에 따라, 제 1 전극(240) 및 격납 구조물(266)은 용량성 결합된다. 보다 구체적으로, 제 1 전극(240)은 캐패시터의 제 1 플레이트와 유사함을 보일 수 있고, 격납 구조물(266)은 캐패시터의 제 2 플레이트와 유사함을 보일 수 있으며, 부하(264), 배리어(262), 및 캐비티(260) 내의 에어는 캐패시터 유전체와 유사함을 보일 수 있다. 따라서, 제 1 전극(240)은 이와 달리 본 명세서에서 "애노드"로 지칭될 수 있고, 격납 구조물(266)은 이와 달리 본 명세서에서 "캐소드"로 지칭될 수 있다.
본질적으로, 제 1 전극(240) 및 격납 구조물(266)을 가로지르는 전압은 캐비티(260) 내의 부하(264)를 가열한다. 다양한 실시예에 따르면, RF 서브시스템(210)은 전극(240)과 격납 구조물(266) 간의 전압을, 일 실시예에서는 약 90볼트 내지 약 3,000볼트의 범위에서, 또는 다른 실시예에서는 약 3,000볼트 내지 10,000볼트의 범위에서 생성하기 위해 RF 신호를 생성하도록 구성되지만, 시스템은 전극(240)과 격납 구조물(266) 간의 전압을 보다 낮게 또는 보다 높게 생성하도록 구성될 수도 있다.
실시예에서, 제 1 전극(240)은 제 1 매칭 회로(234), 가변 임피던스 매칭 네트워크(270), 및 전도성 전송 경로를 통해 RF 신호원(220)에 전기적으로 결합된다. 제 1 매칭 회로(234)는 RF 신호원(220)의 임피던스(예를 들면, 약 10옴 미만)로부터 중간 임피던스(예를 들면, 50옴, 75옴, 또는 몇몇의 다른 값)로의 임피던스 변환을 수행하도록 구성된다. 실시예에 따르면, 전도성 전송 경로는 직렬로 접속되어 있으며 총괄하여 전송 경로(228)로서 지칭되는 복수의 도체(228-1, 228-2 및 228-3)를 포함한다. 실시예에 따르면, 전도성 전송 경로(228)는 불균형 RF 신호(즉, 접지에 대해 기준으로 되는 단일 RF 신호)를 운반하도록 구성되는 "불균형" 경로이다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 커넥터(도시되지 않았지만, 각각이 메일(male) 및 피메일(female) 커넥터 부분을 가짐)는 전송 경로(228)를 따라 전기적으로 결합될 수 있고, 커넥터들 간의 전송 경로(328)의 일부는 동축 케이블 또는 다른 적합한 커넥터를 포함할 수 있다. 이러한 접속은 도 5에 도시되어 있으며 나중에 설명된다(예를 들면, 커넥터(536, 538), 및 그 커넥터(536, 538) 간의 동축 케이블과 같은 도체(528-3)를 포함함).
나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 회로(270)는 부하(264)에 의해 변경되는 바와 같이 전술한 중간 임피던스로부터 제상 캐비티(220)의 입력 임피던스로의 임피던스 변환(예를 들면, 약 1,000옴 내지 약 4,000옴 또는 그보다 큰 옴과 같은 대략 수백 또는 수천 옴)을 수행하도록 구성된다. 실시예에서, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 수동형 구성요소(예를 들면, 인덕터, 캐패시터, 저항)의 네트워크를 포함한다.
하나의 보다 구체적인 실시예에 따르면, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는, 캐비티(260) 내에 배치되고 제 1 전극(240)에 전기적으로 결합되는 복수의 고정값 집중형 인덕터(fixed-value lumped inductors)(예를 들면, 도 3, 4의 인덕터(312-314, 454))를 포함한다. 또한, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 캐비티(260)의 내부 또는 외부에 위치될 수 있는 복수의 가변 인덕턴스 네트워크(예를 들면, 도 3의 네트워크(310, 311, 300))를 포함한다. 다른 보다 구체적인 실시예에서, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 캐비티(260)의 내부 또는 외부에 위치될 수 있는 복수의 가변 캐패시턴스 네트워크(예를 들면, 도 4의 네트워크(442, 446))를 포함한다. 각각의 가변 인덕턴스 또는 캐패시턴스 네트워크 각각에 의해 제공되는 인덕턴스 또는 캐패시턴스 값은, 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 시스템 제어기(212)로부터의 제어 신호를 사용하여 설정된다. 어느 경우에도, 계속 변하는 캐비티와 부하 임피던스를 동적으로 매칭시키기 위해 제상 동작의 과정을 통해 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 상태를 변경함으로써, 부하(264)에 의해 흡수되는 RF 전력량은 제상 동작 동안 부하 임피던스의 변화에도 불구하고 높은 레벨로 유지될 수 있다.
일부 실시예에서, 비선형 디바이스(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭, 과도 전압 억제(TVS) 다이오드 등)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 고정 및 가변 구성요소(예를 들어, 개별 인덕터, 개별 캐패시터, 집중 인덕터, 집중 캐패시터, 가변 캐패시터 네트워크, 가변 인덕터 네트워크 등) 중 임의의 것 또는 전부에 걸쳐 병렬로 연결될 수 있다. 이들 비선형 디바이스의 각각은 개별 항복 전압을 가질 수 있는바, 주어진 비선형 디바이스 양단의 전압 (예를 들어, 그 비선형 디바이스와 병렬로 연결된 고정 또는 가변 구성요소 양단의 전압)이 그 비선형 디바이스에 대한 개별 항복 전압을 초과할 때, 주어진 비선형 디바이스가 작동하기 시작하여 가변 임피던스 매칭 회로(270)의 임피던스를 빠르게 변경한다. 가변 임피던스 매칭 회로(270)의 특정 구성요소에 결합된 비선형 디바이스는 구성요소의 최대 작동 전압 미만(예를 들어, 작동 전압의 몇 분의 일)인 항복 전압을 가질 수 있는데, 이보다 높으면 구성요소에서 아크가 발생하거나 구성요소가 손상될 수 있다. 예를 들어, 구성요소는 1000V의 최대 작동 전압 (또는 일부 다른 최대 작동 전압)으로 정격된 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터에 연결된 비선형 디바이스는 900V의 항복 전압(또는 비선형 디바이스가 접속되는 디바이스의 작동 전압 미만인 일부 다르나 항복 전압)을 가질 수 있는바, 비선형 디바이스가 작동하기 시작하여 캐패시터의 최대 작동 전압에 도달하기 전에 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 임피던스를 변경할 것이다. 시스템 제어기(212)는 (예를 들어, RF 신호원(220)에서 측정된 S11 파라미터 및/또는 VSWR의 변화율에 기초하여) 비선형 디바이스의 항복 전압이 초과되는 것으로 인한 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 임피던스 변화를 검출할 수 있고, RF 신호원(220)에 의해 공급된 RF 신호가 전력 감소 또는 중지되도록 하여 캐패시터의 최대 작동 전압이 초과되지 않도록 할 수 있다.
실시예에 따르면, RF 신호원(220)은 RF 신호 생성기(222) 및 전력 증폭기(예를 들면, 하나 이상의 전력 증폭기 스테이지(224, 225)를 포함함)를 포함한다. 접속부(214)를 통해 시스템 제어기(212)에 의해 제공되는 제어 신호에 응답하여, RF 신호 생성기(222)는 ISM(산업, 과학, 및 의료) 대역에서 주파수를 갖는 발진 전기 신호를 생성하도록 구성되지만, 시스템은 다른 주파수 대역에서의 동작도 지원하도록 변경될 수 있다. RF 신호 생성기(222)는 다양한 실시예에서 상이한 전력 레벨 및/또는 상이한 주파수의 발진 신호를 생성하도록 제어될 수 있다. 예컨대, RF 신호 생성기(222)는 VHF(very high frequency) 범위(즉, 약 30.0 메가헤르쯔(MHz)와 약 300MHz 사이의 범위) 및/또는 약 10.0MHz 내지 약 100MHz 및/또는 약 100MHz 내지 약 3.0 기가헤르쯔(GHz)의 범위에서 발진하는 신호를 생성할 수 있다. 일부 바람직한 주파수는 예를 들어 13.56MHz(+/-5%), 27.125MHz(+/-5%), 40.68MHz(+/-5%), 및 2.45GHz(+/-5%)일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 예를 들어, RF 신호 생성기(222)는 약 40.66MHz 내지 약 40.70MHz 범위에서 및 약 10데시벨-밀리와트(dBm) 내지 약 15dBm 범위의 전력 레벨에서 발진하는 신호를 생성할 수 있다. 이와 달리, 발진 주파수 및/또는 전력 레벨은 더 낮거나 높을 수 있다.
도 2의 실시예에서, 전력 증폭기는 드라이버 증폭기 스테이지(224) 및 최종 증폭기 스테이지(225)를 포함한다. 전력 증폭기는 RF 신호 생성기(222)로부터 발진 신호를 수신하고, 신호를 증폭시켜 전력 증폭기의 출력에서 상당히 높은 전력 신호를 생성하도록 구성된다. 예컨대, 출력 신호는 약 100와트 내지 약 400와트 또는 그보다 큰 범위의 전력 레벨을 가질 수 있다. 전력 증폭기에 의해 인가되는 이득은 전원 공급 및 바이어스 회로(226)에 의해 각각의 증폭기 스테이지(224, 225)에 제공되는 게이트 바이어스 전압 및/또는 드레인 공급 전압을 사용하여 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 전원 공급 및 바이어스 회로(226)는, 시스템 제어기(212)로부터 수신된 제어 신호에 따라, 바이어스 및 공급 전압을 각각의 RF 증폭기 스테이지(224, 225)에 제공한다.
실시예에서, 각각의 증폭기 스테이지(224, 225)는 입력 단자(예를 들면, 게이트 또는 제어 단자) 및 2개의 전류 운반 단자(예를 들면, 소스 및 드레인 단자)를 갖는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 파워 트랜지스터로서 구현된다. 임피던스 매칭 회로(미도시)는, 다양한 실시예에서, 드라이버와 최종 증폭기 스테이지(225) 간에 드라이버 증폭기 스테이지(224)의 입력(예를 들면, 게이트), 및/또는 최종 증폭기 스테이지(225)의 출력(예를 들면, 드레인 단자)에 결합될 수 있다. 실시예에서, 증폭기 스테이지(224, 225)의 각각의 트랜지스터는 LDMOSFET(laterally diffused metal oxide semiconductor FET) 트랜지스터를 포함한다. 그러나, 트랜지스터가 임의의 특정 반도체 기술로 제한되도록 의도되지 않으며, 다른 실시예에서, 각각의 트랜지스터가 갈륨 질화물(GaN) 트랜지스터, 다른 유형의 MOSFET 트랜지스터, 양극성 접합 트랜지스터(BJT), 또는 다른 반도체 기술을 이용하는 트랜지스터로서 실현될 수 있음에 유의해야 한다.
도 2에서, 전력 증폭기 구성은 다른 회로 구성요소에 특정 방식으로 결합된 2개의 증폭기 스테이지(224, 225)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 전력 증폭기 구성은 다른 증폭기 토폴로지를 포함할 수 있고/있거나 증폭기 구성은 (예를 들면, 도 5의 증폭기(524)의 실시예에서 도시된 바와 같이) 단 하나의 증폭기 스테이지, 또는 2개보다 많은 증폭기 스테이지를 포함할 수 있다. 예컨대, 전력 증폭기 구성은 단일 종단형 증폭기, 도허티(Doherty) 증폭기, SMPA(Switch Mode Power Amplifier), 또는 다른 유형의 증폭기의 다양한 실시예를 포함할 수 있다.
제상 캐비티(260) 및 그 제상 캐비티(260) 내에 배치된 임의의 부하(264)(예를 들면, 음식, 액체, 등)는 제 1 전극(240)에 의해 캐비티(260)로 방사되는 전자기 에너지(또는 RF 전력)에 대한 누적 부하를 제공한다. 보다 구체적으로, 캐비티(260) 및 부하(264)는 본 명세서에서 "캐비티 플러스 부하 임피던스"로 지칭되는 임피던스를 시스템에 제공한다. 캐비티 플러스 부하 임피던스는 부하(264)의 온도가 증가함에 따라 제상 동작 동안 변한다. 캐비티 플러스 부하 임피던스는 RF 신호원(220)과 전극(240) 사이에서 전도성 전송 경로(228)를 따라 반사된 신호 전력의 크기에 직접적인 영향을 미친다. 대부분의 경우에, 캐비티(260)로 전달된 신호 전력의 크기를 최대화하는 것, 및/또는 전도성 전송 경로(328)를 따라 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 최소화하는 것이 바람직하다.
RF 신호 생성기(220)의 출력 임피던스를 캐비티 플러스 부하 임피던스에 적어도 부분적으로 매칭시키기 위해, 실시예에서, 제 1 매칭 회로(234)가 전송 경로(228)를 따라 전기적으로 결합된다. 제 1 매칭 회로(234)는 다양한 구성들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 제 1 매칭 회로(234)는 고정된 구성요소(즉, 비가변(non-variable) 구성요소 값을 갖는 구성요소)를 포함하지만, 다른 실시예에서, 제 1 매칭 회로(234)는 하나 이상의 가변 구성요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 제 1 매칭 회로(234)는, 다양한 실시예에서, 인덕턴스/캐패시턴스(LC) 네트워크, 직렬 인덕턴스 네트워크, 션트(shunt) 인덕턴스 네트워크, 또는 대역 통과, 고역 통과 및 저역 통과 회로의 조합으로부터 선택된 임의의 하나 이상의 회로를 포함할 수 있다. 본질적으로, 고정형 매칭 회로(234)는 RF 신호 생성기(220)의 출력 임피던스와 캐비티 플러스 부하 임피던스 사이의 중간 레벨로 임피던스를 상승시키도록 구성된다.
실시예에 따르면, 전력 검출 회로(230)는 RF 신호원(220)의 출력과 전극(240) 사이의 전송 경로(228)를 따라 결합된다. 특정 실시예에서, 전력 검출 회로(230)는 RF 서브시스템(210)의 일부를 형성하고, 실시예에서, 제 1 매칭 회로(234)의 출력과 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)에 대한 입력 사이의 도체(228-2)에 결합된다. 다른 실시예에서, 전력 검출 회로(230)는 RF 신호원(220)의 출력과 제 1 매칭 회로(234)로의 입력 사이의 전송 경로(228)의 부분(228-1), 또는 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 출력과 제 1 전극(240) 사이의 전송 경로(228)의 부분(228-3)에 결합될 수 있다.
어디에 결합되던 간에, 전력 검출 회로(230)는 RF 신호원(220)과 전극(240) 사이의 전송 경로(228)를 따라 이동하는 반사 신호(즉, 전극(240)으로부터 RF 신호원(220)을 향하는 방향으로 이동하는 반사된 RF 신호)의 전력을 모니터링하거나, 측정하거나, 검출하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 전력 검출 회로(230)는 또한 RF 신호원(220)과 전극(240) 사이의 전송 경로(228)를 따라 이동하는 순방향 신호(즉, RF 신호원(220)으로부터 전극(240)을 향하는 방향으로 이동하는 순방향 RF 신호)의 전력을 검출하도록 구성된다. 접속부(232)를 통해, 전력 검출 회로(230)는 반사된 신호 전력(및 일부 실시예에서는 순방향 신호 전력)의 크기를 전달하는 신호를 시스템 제어기(212)에 공급한다. 순방향 신호 전력 크기와 반사 신호 전력 크기 모두가 전달되는 실시예에서, 시스템 제어기(212)는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비, 또는 S11 파라미터, 또는 VSWR 값을 계산할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 반사 신호 전력 크기가 반사 신호 전력 임계값을 초과하거나, 반사 신호 대 순방향 신호 전력비가 S11 파라미터 임계값을 초과하거나, VSWR 값이 VSWR 임계값을 초과하는 경우, 이는 시스템(200)이 캐비티 플러스 부하 임피던스에 적절하게 매칭되지 않으며, 캐비티(260) 내의 부하(264)에 의한 에너지 흡수가 차선일 수 있음을 나타낸다. 이러한 상황에서, 시스템 제어기(212)는 반사 신호 전력 또는 S11 파라미터 또는 VSWR 값을 원하는 레벨로 또는 그 아래로(예를 들면, 반사 신호 전력 임계값 및/또는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비 임계값 및/또는 S11 파라미터 임계값 및/또는 VSWR 임계값 아래로) 유도하도록 가변 매칭 네트워크(270)의 상태를 변경하고, 그에 따라 허용 가능한 매칭을 재수립하고 부하(264)에 의한 보다 최적의 에너지 흡수를 가능하게 하는 프로세스를 편성한다.
일부 실시예에서, 시스템 제어기(212) 및 전력 검출 회로(230)는 아크 검출 서브시스템의 일부를 형성할 수 있고, 시스템 제어기(212) 및 전력 검출 회로(230)는 가변 임피던스 매칭 회로(270)에서 비선형 디바이스(도 3, 4의 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510, 1512, 1702, 1704, 1706, 1708) 중 하나 이상)의 항복 전압과 연관된 임피던스의 빠른 변화(예를 들어, 전력 검출 회로(230)에 의해 수행된 측정으로부터 시스템 제어기(212)에 의해 유도된 S11 파라미터, VSWR 및/또는 전류의 빠른 변화)가 초과됨을 검출할 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기(212)가 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값의 변화율이 사전결정된 임계값을 초과한다고 결정하면, 시스템(200)은 아크 조건을 정정하려고 시도하기 위해 가변 매칭 회로(270)의 구성요소 값을 수정할 수 있고 또는, 이와 달리, 제어되지 않은 전기적 아크를 방지하기 위해 RF 신호 생성기(222)에 의한 RF 신호의 전력을 감소시키거나 공급을 중단할 수 있다.
예를 들어, 시스템 제어기(212)는 제어 경로(216)를 통해 가변 매칭 회로(270)에 제어 신호를 제공할 수 있으며, 이로 인해 가변 매칭 회로(270)가 그 회로 내의 하나 이상의 구성요소의 유도성, 용량성 및/또는 저항성 값을 변경함으로써, 회로(270)에 의해 제공된 임피던스 변환을 조정한다. 가변 매칭 회로(270)의 구성의 조정은 바람직하게는 반사 신호 전력의 크기를 감소시키고, 이는 S11 파라미터 및/또는 VSWR의 크기를 감소시키는 것과 부하(264)에 의해 흡수되는 전력을 증가시키는 것에 대응한다.
앞에서 논의된 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 가능한 최대로 부하(264)로의 RF 전력 전송을 최대화하기 위해 제상 캐비티(260) 플러스 부하(264)의 캐비티 플러스 부하 임피던스를 매칭하는 데 사용된다. 제상 캐비티(260) 및 부하(264)의 초기 임피던스는 제상 동작의 시작시에는 정확하게 알려져 있지 않을 수 있다. 또한, 부하(264)의 임피던스는 부하(264)가 예열됨에 따라 제상 동작 동안에 변한다. 실시예에 따르면, 시스템 제어기(212)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)에 제어 신호를 제공할 수 있으며, 이로 인해 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 상태를 수정하게 한다. 이는, 시스템 제어기(212)로 하여금, 비교적 낮은 반사 전력 대 순방향 전력비를 가짐으로써 부하(264)에 의한 RF 전력의 비교적 높은 흡수를 갖는 제상 동작의 시작시에, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 초기 상태를 설정하게 한다. 또한, 이는 시스템 제어기(212)로 하여금 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)의 상태를 수정하게 하므로, 부하(264)의 임피던스의 변화에도 불구하고 제상 동작 전반에 걸쳐서 적절한 매칭이 유지될 수 있다.
가변 매칭 네트워크(270)에 대한 구성의 비제한적인 예가 도 3 및 도 4에 도시된다. 예컨대, 네트워크(270)는 다수의 실시예에서 인덕턴스/캐패시턴스(LC) 네트워크, 인덕턴스 전용 네트워크, 캐패시턴스 전용 네트워크, 또는 대역 통과 회로, 고역 통과 회로 및 저역 통과 회로의 조합으로부터 선택된 임의의 하나 이상의 회로를 포함할 수 있다. 실시예에서, 가변 매칭 네트워크(270)는 단일 종단형 네트워크(예를 들면, 도 3, 4의 네트워크(300, 400))를 포함한다. 가변 매칭 네트워크(270)에 의해 제공되는 임피던스 변환에 결과적으로 영향을 미치는 것인 가변 매칭 네트워크(270)에 의해 제공되는 인덕턴스, 캐패시턴스, 및/또는 저항값은, 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 시스템 제어기(212)로부터의 제어 신호를 사용하여 설정된다. 어떤 경우에도, 캐비티(260) 내의 부하(264) 플러스 캐비티(260)의 끊임없이 변하는 임피던스를 동적으로 매칭시키기 위해 제상 동작의 과정을 통해 가변 매칭 네트워크(270)의 상태를 변경함으로써, 시스템 효율은 제상 동작 전체에 걸쳐서 높은 레벨로 유지될 수 있다.
가변 매칭 네트워크(270)는 매우 다양한 회로 구성 중 임의의 것을 가질 수 있으며, 이러한 구성의 비제한적인 예가 도 3 및 4에 도시되어있다. 실시예에 따르면, 도 3에 예시된 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 수동형 구성요소의 단일 종단형 네트워크를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는 고정값 인덕터들(예를 들면, 집중형 유도성 구성요소들) 및 가변 인덕터들(또는 가변 인덕턴스 네트워크)의 네트워크를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 도 4에 예시된 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 수동형 구성요소의 단일 종단형 네트워크, 보다 구체적으로는 가변 캐패시터들(또는 가변 캐패시턴스 네트워크들)의 네트워크를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "인덕터"라는 용어는 다른 유형의 구성요소(예를 들면, 저항기 또는 캐패시터)를 개재하지 않고서 함께 전기적으로 결합되는 유도성 구성요소의 세트 또는 개별 인덕터를 의미한다. 마찬가지로, "캐패시터"라는 용어는 다른 유형의 구성요소(예를 들면, 저항기 또는 인덕터)를 개재하지 않고서 함께 전기적으로 결합되는 용량성 구성요소의 세트 또는 개별 캐패시터를 의미한다.
먼저 가변 인덕턴스 임피던스 매칭 네트워크 실시예를 참조하면, 도 3은 예시적인 실시예에 따른 단일 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)(예를 들면, 도 2의 가변 임피던스 매칭 네트워크(270))의 개략도이다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크(270)는 본질적으로 2개의 부분: RF 신호원(또는 최종 스테이지 전력 증폭기)과 매칭하기 위한 하나의 부분, 및 캐비티 플러스 부하와 매칭하기 위한 다른 부분을 갖는다.
가변 임피던스 매칭 네트워크(300)는 실시예에 따라 입력 노드(302), 출력 노드(304), 제 1 및 제 2 가변 인덕턴스 네트워크(310, 311), 및 복수의 고정값 인덕터(312-315)를 포함한다. 제상 시스템(예를 들면, 도 2의 시스템(200))에 통합되는 경우, 입력 노드(302)는 RF 신호원(예를 들면, 도 2의 RF 신호원(220))의 출력에 전기적으로 결합되고, 출력 노드(304)는 제상 캐비티(예를 들면, 도 2의 제상 캐비티(260)) 내의 전극(예를 들면, 도 2의 제 1 전극(240))에 전기적으로 결합된다.
입력 및 출력 노드(302, 304) 사이에서, 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)는 실시예에서 제 1 및 제 2 직렬 결합된 집중형 인덕터(312, 314)를 포함한다. 제 1 및 제 2 집중형 인덕터(312, 314)는, 이들이 비교적 낮은 주파수(예를 들면, 약 40.66MHz 내지 약 40.70MHz) 및 높은 전력(예를 들면, 약 50와트(W) 내지 약 500W) 동작을 위해 설계될 수 있으므로, 실시예에서 크기 및 인덕턴스 값 모두에서 비교적 크다. 예컨대, 인덕터(312, 314)는 약 200나노헨리(nH) 내지 약 600nH 범위의 값을 가질 수 있지만, 그 값들은 다른 실시예에서 더 낮고/낮거나 더 높을 수 있다.
제 1 가변 인덕턴스 네트워크(310)는 입력 노드(302)와 접지 기준 단자(예를 들면, 도 2의 접지된 격납 구조물(266)) 사이에 결합된 제 1 션트 유도성 네트워크이다. 실시예에 따르면, 제 1 가변 인덕턴스 네트워크(310)는 제 1 매칭 회로(예를 들면, 도 2의 회로(234))의해 수정되는 바와 같이 RF 신호원(예를 들면, 도 2의 RF 신호원(220))의 임피던스를 매칭시키거나, 또는 보다 구체적으로는 제 1 매칭 회로(예를 들면, 도 2의 회로(234))에 의해 수정되는 바와 같이 최종 스테이지 전력 증폭기(예를 들면, 도 2의 증폭기(225))의 임피던스를 매칭시키도록 구성 가능하다. 따라서, 제 1 가변 인덕턴스 네트워크(310)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)의 "RF 신호원 매칭부"로 지칭될 수 있다. 실시예에 따르면, 제 1 가변 인덕턴스 네트워크(310)는 약 10nH 내지 약 400nH의 범위에서 인덕턴스를 제공하기 위해 선택적으로 함께 결합될 수 있는 유도성 구성요소들의 네트워크를 포함하지만, 그 범위는 더 낮거나 더 높은 인덕턴스 값으로도 확장될 수 있다.
대조적으로, 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)의 "캐비티 매칭부"는 제 1 및 제 2 집중형 인덕터(312, 314) 간의 노드(322)와 접지 기준 단자 사이에 결합된 제 2 션트 유도성 네트워크(316)에 의해 제공된다. 실시예에 따르면, 제 2 션트 유도성 네트워크(316)는 제 3 집중형 인덕터(313)와 제 2 가변 인덕턴스 네트워크(311) 간의 중간 노드(422)를 사용하여 직렬로 결합된 제 3 집중형 인덕터(313) 및 제 2 가변 인덕턴스 네트워크(311)를 포함한다. 제 2 가변 인덕턴스 네트워크(311)의 상태가 복수의 인덕턴스 값을 제공하도록 변경될 수 있기 때문에, 제 2 션트 유도성 네트워크(316)는 캐비티 플러스 부하(예를 들면, 도 2의 캐비티(260) 플러스 부하(264))의 임피던스와 최적으로 매칭시키도록 구성 가능하다. 예컨대, 인덕터(313)는 약 400nH 내지 약 800nH의 범위의 값을 가질 수 있지만, 다른 실시예에서 그 값이 더 낮고/낮거나 더 높을 수 있다. 실시예에 따르면, 제 2 가변 인덕턴스 네트워크(311)는 약 50nH 내지 약 800nH 범위의 인덕턴스를 제공하기 위해 선택적으로 함께 결합될 수 있는 유도성 구성요소들의 네트워크를 포함하지만, 그 범위는 더 낮거나 더 높은 인덕턴스 값으로도 확장될 수 있다.
마지막으로, 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)는 출력 노드(304)와 접지 기준 단자 간에 결합된 제 4 집중형 인덕터(315)를 포함한다. 예컨대, 인덕터(315)는 약 400nH 내지 약 800nH의 범위의 값을 가질 수 있지만, 다른 실시예에서 그 값은 더 낮고/낮거나 더 높을 수 있다.
실시예에 따르면, 아크 검출 서브시스템의 일부는 네트워크(300)에 통합된다. 보다 구체적으로, 비선형 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510 및 1512) 중 하나 양단의 전압이 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과할 때마다 빠른 임피던스 변경이 트리거되도록 비선형 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510 및 1512)(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및/또는 TVS 다이오드)가 추가되었다.
비선형 디바이스(1502)는 가변 인덕턴스 네트워크(310)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1504)는 인덕턴스(312)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1506)는 인덕턴스(313)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1508)는 가변 인덕턴스 네트워크(311)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1510)는 인덕턴스(314)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1512)는 인덕턴스(315)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510 및 1512) 중 주어진 비선형 디바이스의 항복 전압은 비선형 디바이스에 병렬인 회로 구성요소에서 아크가 발생할 것으로 예상되는 전압보다 (예를 들어, 10% 미만과 같은 정의된 백분율만큼) 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 비선형 디바이스는 병렬 회로 구성요소에서 전기적 아크가 발생하기 전에 절연 상태에서 전도 상태로 전이될 것이며, 이는 회로(300)의 임피던스의 검출 가능한 변화를 야기한다. 예를 들어, 인덕턴스(312)가 1000V에서 전기적 아크를 겪을 것으로 예상되면, 비선형 디바이스(1504)는 900V의 항복 전압을 가질 수 있다. 쉽게 이용 가능한 가스 방전 디바이스의 전압 정격은 50V 미만 내지 8000V 초과이다. 전압은 보호된 구성요소의 최대 전압에 또는 접지되는 구성요소 사이에 접속된 경우 아크가 접지되게 할 수 있는 전압에 약간의 마진을 제공하도록 선택된다. 이러한 전압 및 결과적으로 비선형 디바이스 정격은 시뮬레이션 또는 테스트를 통해 시스템 설계의 일부로서 결정된다.
집중형 인덕터(312-315)의 세트(330)는 캐비티(예를 들면, 도 2의 캐비티(260)) 내에 또는 적어도 격납 구조물(예를 들면, 도 2의 격납 구조물(266))의 경계 내에 적어도 부분적으로 물리적으로 위치한 모듈의 일부를 형성할 수 있다. 이는 집중형 인덕터(312-315)에 의해 생성된 방사선이 주변 환경으로 방출되기보다는 시스템 내에 안전하게 수용될 수 있게 한다. 대조적으로, 가변 인덕턴스 네트워크(310, 311)는 다수의 실시예에서 캐비티 또는 격납 구조물 내에 수용되거나 수용되지 않을 수 있다.
실시예에 따르면, 도 3의 가변 임피던스 매칭 네트워크(300)의 실시예는 제상 캐비티(260) 플러스 부하(264)의 입력 임피던스에 대한 매칭을 제공하기 위해 "인덕터만" 포함한다. 따라서, 네트워크(300)는 "인덕터-전용" 매칭 네트워크로 간주될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크의 구성요소를 설명할 때에 "인덕터만" 또는 "인덕터-전용"이라는 문구는 네트워크가 상당한 저항값을 갖는 개별 저항기 또는 상당한 캐패시턴스 값을 갖는 개별 캐패시터를 포함하지 않음을 의미한다. 일부 경우에, 매칭 네트워크의 구성요소들 간의 전도성 전송 라인은 최소 저항을 가질 수 있고/있거나 최소 기생 캐패시턴스가 네트워크 내에 존재할 수 있다. 이러한 최소 저항 및/또는 최소 기생 캐패시턴스는 "인덕터-전용" 네트워크의 실시예를 저항기 및/또는 캐패시터를 또한 포함하는 매칭 네트워크로 변환하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그러나, 당업자는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 다른 실시예가 상이하게 구성된 인덕터-전용 매칭 네트워크와, 개별 인덕터, 개별 캐패시터, 및/또는 개별 저항기의 조합을 포함하는 매칭 네트워크를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따라, 가변 인덕턴스 임피던스 매칭 네트워크(300)(도 3) 대신에 구현될 수 있는 단일 종단형 가변 용량성 매칭 네트워크(400)(예컨대, 도 2의 가변 임피던스 매칭 네트워크(270))의 개략도이다. 실시예에 따르면, 가변 임피던스 매칭 네트워크(400)는 입력 노드(402), 출력 노드(404), 제 1 및 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(442, 446), 및 적어도 하나의 인덕터(454)를 포함한다. 제상 시스템(예를 들어, 도 2의 시스템(200))에 통합되는 경우, 입력 노드(402)는 RF 신호원(예를 들면, 도 2의 RF 신호원(220))의 출력에 전기적으로 결합되고, 출력 노드(404)는 제상 캐비티(예를 들면, 도 2의 제상 캐비티(260)) 내의 전극(예를 들면, 도 2의 제 1 전극(240))에 전기적으로 결합된다.
입력 및 출력 노드(402, 404) 사이에서, 가변 임피던스 매칭 네트워크(400)는 실시예에서 인덕터(454)와 직렬로 결합된 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442), 및 중간 노드(451)와 접지 기준 단자(예를 들면, 도 2의 접지된 격납 구조물(266)) 사이에 결합된 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(446)를 포함한다. 인덕터(454)는 실시예에서 비교적 낮은 주파수(예를 들어, 약 40.66MHz 내지 약 40.70MHz) 및 높은 전력(예를 들면, 약 50W 내지 약 500W) 동작을 위해 설계될 수 있다. 예컨대, 인덕터(454)는 약 200nH 내지 약 600nH의 범위의 값을 가질 수 있지만, 다른 실시예에서 그 값이 더 낮고/낮거나 더 높을 수 있다. 실시예에 따르면, 인덕터(454)는 고정값의 집중형 인덕터(예를 들어, 코일)이다. 다른 실시예에서, 인덕터(454)의 인덕턴스 값은 가변적일 수 있다.
제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)는 입력 노드(402)와 중간 노드(411) 사이에 결합되고, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(400)의 "직렬 매칭부"라고 지칭될 수 있다. 실시예에 따르면, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)는 제 1 가변 캐패시터(444)와 병렬로 결합된 제 1 고정값 캐패시터(443)를 포함한다. 제 1 고정값 캐패시터(443)는 실시예에서 약 1 피코패럿(pF) 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다. 제 1 가변 캐패시터(444)는 0pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스를 제공하기 위해 선택적으로 함께 결합될 수 있는 용량성 구성요소들의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)에 의해 제공되는 총 캐패시턴스 값은 약 1pF 내지 약 200pF의 범위일 수 있지만, 그 범위는 더 낮거나 더 높은 캐패시턴스 값으로도 확장될 수 있다.
가변 임피던스 매칭 네트워크(400)의 "션트 매칭부"는, 노드(451)(제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)와 집중형 인덕터(454) 사이에 위치됨)와 접지 기준 단자 사이에 결합된 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(446)에 의해 제공된다. 실시예에 따르면, 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(446)는 제 2 가변 캐패시터(448)와 병렬로 결합된 제 2 고정값 캐패시터(447)를 포함한다. 제 2 고정값 캐패시터(447)는 실시예에서 약 1pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다. 제 2 가변 캐패시터(448)는 0pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스를 제공하기 위해 선택적으로 함께 결합될 수 있는 용량성 구성요소들의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(446)에 의해 제공되는 총 캐패시턴스 값은 약 1pF 내지 약 200pF의 범위일 수 있지만, 이 범위는 더 낮거나 더 높은 캐패시턴스 값으로도 확장될 수 있다. 제 1 및 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(442, 446)의 상태는 복수의 캐패시턴스 값을 제공하도록 변경될 수 있고, 그에 따라 캐비티 플러스 부하(예를 들면, 도 2의 캐비티(260) 플러스 부하(264))의 임피던스를 RF 신호원(예를 들면, 도 2의 RF 신호원(220))에 최적으로 매칭시키도록 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 아크 검출 서브시스템의 일부는 네트워크(400)에 통합된다. 보다 구체적으로, 비선형 디바이스(1702, 1704, 1706 및 1708) 중 하나 양단의 전압이 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과할 때마다 빠른 임피던스 변경이 트리거되도록 비선형 디바이스(1702, 1704, 1706 및 1708)(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및/또는 TVS 다이오드)가 추가되었다.
비선형 디바이스(1702)는 가변 캐패시턴스 네트워크(442)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1704)는 가변 캐패시턴스 네트워크(446)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1706)는 인덕턴스(454)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1702, 1704, 1706 및 1708) 중 주어진 비선형 디바이스의 항복 전압은 비선형 디바이스에 병렬인 회로 구성요소에서 아크가 발생할 것으로 예상되는 전압보다 (예를 들어, 10% 미만과 같은 정의된 백분율만큼) 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 비선형 디바이스는 병렬 회로 구성요소에서 전기적 아크가 발생할 수 있기 전에 절연 상태에서 전도 상태로 전이될 것이며, 이는 회로(400)의 임피던스의 검출 가능한 변화를 야기한다. 예를 들어, 가변 캐패시턴스 네트워크(442)가 1000V에서 전기적 아크를 겪을 것으로 예상되면, 비선형 디바이스(1702)는 900V의 항복 전압을 가질 수 있다. 쉽게 이용 가능한 가스 방전 디바이스의 전압 정격은 50V 미만 내지 8000V 초과이다. 전압은 보호된 구성요소의 최대 전압에 또는 접지되는 구성요소 사이에 접속된 경우 아크가 접지되게 할 수 있는 전압에 약간의 마진을 제공하도록 선택된다. 이러한 전압 및 결과적으로 비선형 디바이스 정격은 시뮬레이션 또는 테스트를 통해 시스템 설계의 일부로서 결정된다.
일부 실시예에서, 아크는 출력 노드(404)에서, 그것이 접속되는 전극(예를 들어, 도 2의 제 1 전극(240))과 근처의 접지된 구조물(예를 들어, 격납 구조물(266)) 사이에서 발생할 위험이 있을 수 있다. 이러한 아크를 방지하기 위해, 비선형 디바이스(1708)가 노드(404)와 접지 사이에 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 노드(404)에 축적된 과도 전압(예를 들어, 비선형 디바이스(1708)의 항복 전압을 초과함)은 네트워크(400)의 임피던스의 검출 가능한 변화를 야기할 수 있다.
도 2-4와 관련된 설명은, RF 신호가 하나의 전극(예를 들면, 도 2의 전극(240))에 인가되고, 다른 "전극"(예를 들면, 도 2의 격납 구조물(266))이 접지되어 있는 "불균형" 제상 장치를 상세하게 논의한다. 상기한 바와 같이, 제상 장치의 다른 실시예는 "균형" 제상 장치를 포함한다. 이러한 장치에서, 균형 RF 신호는 양쪽 전극에 제공된다.
예컨대, 도 5는 예시적인 실시예에 따른 균형 제상 시스템(500)(예를 들면, 도 1, 2의 제상 시스템(100, 210, 220))의 단순화된 블록도이다. 제상 시스템(500)은 실시예에서 RF 서브시스템(510), 제상 캐비티(560), 사용자 인터페이스(580), 시스템 제어기(512), RF 신호원(520), 전원 공급 및 바이어스 회로(526), 가변 임피던스 매칭 네트워크(570), 2개의 전극(540, 550), 및 전력 검출 회로(530)를 포함한다. 또한, 다른 실시예에서, 제상 시스템(500)은 온도 센서(들), 적외선(IR) 센서(들), 및/또는 중량 센서(들)(590)를 포함할 수 있지만, 이들 센서 구성요소들 중 일부 또는 전부가 제외될 수 있다. 도 5는 설명 및 기재의 편의를 위해 제상 시스템(500)의 단순화된 표현이고, 실제 실시예는 추가적인 기능 및 특징을 제공하기 위해 다른 디바이스 및 구성요소를 포함할 수 있으며, 및/또는 제상 시스템(500)은 보다 큰 전기 시스템의 일부일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
사용자 인터페이스(580)는, 예를 들어 사용자가 제상 동작을 위한 파라미터(예를 들면, 제상될 부하의 특성, 등)와 관련해서 시스템으로의 입력을 제공할 수 있게 하는 제어 패널(예를 들면, 도 1의 제어 패널(120)), 시작 및 취소 버튼, 기계식 제어(예를 들면, 도어/서랍 오픈 래치) 등에 대응할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스는 제상 동작의 상태(예를 들면, 카운트다운 타이머, 제상 동작의 진행 또는 완료를 표시하는 가시적 표시, 및/또는 제상 동작의 완료를 표시하는 가청음) 및 기타 정보를 나타내는 사용자 인식 가능한 출력을 제공하도록 구성될 수 있다.
RF 서브시스템(510)은, 실시예에서, 시스템 제어기(512), RF 신호원(520), 제 1 임피던스 매칭 회로(534)(본 명세서에서는 "제 1 매칭 회로"), 전원 공급 및 바이어스 회로(526), 및 전력 검출 회로(530)를 포함한다. 시스템 제어기(512)는 하나 이상의 범용 또는 특수 목적 프로세서(예를 들면, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC, 등), 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리(예를 들면, RAM, ROM, 플래시, 다수의 레지스터, 등), 하나 이상의 통신 버스, 및 기타 구성요소를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 시스템 제어기(512)는 사용자 인터페이스(580), RF 신호원(520), 전원 공급 및 바이어스 회로(526), 전력 검출 회로(530)(또는 530' 또는 530''), 가변 매칭 서브시스템(570), 및 센서(들)(590)(포함된 경우)에 동작 가능하고 통신 가능하게 결합된다. 시스템 제어기(512)는 사용자 인터페이스(580)를 통해 수신된 사용자 입력을 나타내는 신호를 수신하고, 전력 검출 회로(530)(또는 530' 또는 530'')로부터 RF 신호 반사 전력(및 가능하게는 RF 신호 순방향 전력)을 나타내는 신호를 수신하며, 센서(들)(590)로부터 센서 신호를 수신하도록 구성된다. 수신된 신호 및 측정에 응답하여, 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 시스템 제어기(512)는 전원 공급 및 바이어스 회로(526) 및/또는 RF 신호원(520)의 RF 신호 생성기(522)에 제어 신호를 제공한다. 또한, 시스템 제어기(512)는 (경로(516)를 통해) 가변 매칭 서브시스템(570)에 제어 신호를 제공하여, 서브시스템(570)이 서브시스템(570)의 가변 임피던스 매칭 회로(572)(본 명세서에서는 "가변 매칭 회로")의 상태 또는 구성을 변경할 수 있게 한다.
제상 캐비티(560)는 제상될 부하(564)가 배치될 수 있는 에어 캐비티에 의해 분리된 제 1 및 제 2 병렬 플레이트 전극(540, 550)을 갖는 용량성 제상 구성을 포함한다. 격납 구조물(566) 내에서, 제 1 및 제 2 전극(540, 550)(예를 들면, 도 1의 전극(170, 172))은 내부 제상 캐비티(560)(예를 들면, 도 1의 내부 캐비티(110))의 양측에서 서로에 대해 고정된 물리적 관계로 배치된다. 실시예에 따르면, 전극(540, 550) 간의 거리(552)는 실시예에서 캐비티(560)를 서브-공진 캐비티로 되게 한다.
제 1 및 제 2 전극(540, 550)은 캐비티(560)를 가로질러서 거리(552)만큼 떨어져 있다. 다수의 실시예에서, 거리(552)는 약 0.10미터 내지 약 1.0미터의 범위에 있지만, 그 거리는 더 작거나 더 클 수도 있다. 실시예에 따르면, 거리(552)는 RF 서브시스템(510)에 의해 생성된 RF 신호의 하나의 파장보다 작다. 즉, 전술한 바와 같이, 캐비티(560)는 서브-공진 캐비티이다. 일부 실시예에서, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/2 미만이다. 다른 실시예에서, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/4 미만이다. 또 다른 실시예에서, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/8 미만이다. 또 다른 실시예에서, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/50 미만이다. 또 다른 실시예에서, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/100 미만이다.
일반적으로, 더 낮은 동작 주파수(예를 들면, 10MHz와 100MHz 사이의 주파수)를 위해 설계된 시스템(500)은 하나의 파장의 더 작은 부분인 거리(552)를 갖도록 설계될 수 있다. 예컨대, 시스템(500)이 약 10MHz의 동작 주파수(약 30미터의 파장에 대응함)를 갖는 RF 신호를 생성하도록 설계되고, 거리(552)가 약 0.5미터 이도록 선택되는 경우, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/60이다. 반대로, 시스템(500)이 약 300MHz의 동작 주파수(약 1미터의 파장에 대응함)를 위해 설계되고, 거리(552)가 약 0.5미터 이도록 선택되는 경우, 거리(552)는 RF 신호의 하나의 파장의 약 1/2이다.
동작 주파수 및 전극(540, 550) 사이의 거리(752)가 서브-공진 내부 캐비티(560)를 정의하도록 선택되면, 제 1 및 제 2 전극(540, 550)은 용량성 결합된다. 보다 구체적으로, 제 1 전극(540)은 캐패시터의 제 1 플레이트와 유사할 수 있고, 제 2 전극(550)은 캐패시터의 제 2 플레이트와 유사할 수 있으며, 캐비티(560) 내의 부하(564), 배리어(562), 및 에어는 캐패시터 유전체와 유사할 수 있다. 따라서, 제 1 전극(540)은 이와 달리 본 명세서에서 "애노드"로 지칭될 수 있고, 제 2 전극(550)은 이와 달리 본 명세서에서 "캐소드"로 지칭될 수 있다.
본질적으로, 제 1 및 제 2 전극(540, 550)을 가로지르는 전압은 캐비티(560) 내의 부하(564)를 가열한다. 다수의 실시예에 따르면, RF 서브시스템(510)은 전극(540, 550)을 가로지르는 전압을, 일 실시예에서는 약 50볼트 내지 약 3000볼트의 범위로, 또는 다른 실시예에서는 약 3000볼트 내지 약 10,000볼트의 범위로 생성하는 RF 신호를 생성하도록 구성되지만, 시스템은 전극(540, 550)을 가로지르는 더 낮거나 더 높은 전압도 생성하도록 구성될 수 있다.
RF 서브시스템(510)의 출력, 보다 구체적으로 RF 신호원(520)의 출력은, 직렬로 접속된 복수의 도체(528-1, 528-2, 528-3, 528-4, 및 528-5)를 포함하고 총괄하여 전송 경로(528)로서 지칭되는 전도성 전송 경로를 통해 가변 매칭 서브시스템(570)에 전기적으로 결합된다. 실시예에 따르면, 전도성 전송 경로(528)는 "불균형" 부분 및 "균형" 부분을 포함하고, 여기서 "불균형" 부분은 불균형 RF 신호(즉, 접지에 대해 기준으로 되는 단일 RF 신호)를 운반하도록 구성되고, "균형" 부분은 균형 RF 신호(즉, 서로에 대해 기준으로 되는 2개의 신호)를 운반하도록 구성된다. 전송 경로(528)의 "불균형" 부분은 RF 서브시스템(510) 내의 불균형 제 1 및 제 2 도체(528-1, 528-2), 하나 이상의 커넥터(536, 538)(각각은 메일 및 피메일 커넥터 부분을 가짐), 및 커넥터(536, 538) 간에 전기적으로 결합된 불균형 제 3 도체(528-3)를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 제 3 도체(528-3)는 동축 케이블을 포함하지만, 전기 길이는 더 짧거나 더 길 수도 있다. 다른 실시예에서, 가변 매칭 서브시스템(570)은 RF 서브시스템(710)과 함께 하우징될 수 있고, 이러한 실시예에서, 전도성 전송 경로(528)는 커넥터(536, 538) 및 제 3 도체(528-3)를 제외할 수 있다. 어느 방식이든, 전도성 전송 경로(528)의 "균형" 부분은, 실시예에서, 가변 매칭 서브시스템(570) 내의 균형 제 4 도체(528-4), 및 가변 매칭 서브시스템(570)과 전극(540, 550) 사이에 전기적으로 결합된 균형 제 5 도체(528-5)를 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가변 매칭 서브시스템(570)은 장치의 입력에서 전송 경로의 불균형 부분(즉, 불균형 도체(528-1, 528-2, 및 528-3)을 포함하는 부분)을 통해 RF 신호원(520)으로부터 불균형 RF 신호를 수신하고, 불균형 RF 신호를 2개의 균형 RF 신호(예를 들면, 약 180도와 같이 120도와 240도 사이의 위상차를 갖는 2개의 RF 신호)로 변환하며, 장치의 2개의 출력에서 2개의 균형 RF 신호를 생성하도록 구성된 장치를 하우징한다. 예컨대, 변환 장치는 일 실시예에서 발룬(a balun)(574)일 수 있다. 균형 RF 신호는 균형 도체(528-4)를 통해 가변 매칭 회로(572)로, 궁극적으로는 균형 도체(528-5)를 통해 전극(540, 550)으로 전달된다.
다른 실시예에서, 도 5의 중앙에 점선 박스에 표시된 바와 같이, 이하에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 다른 RF 신호 생성기(520')는 가변 매칭 회로(572)에 직접 결합될 수 있는(또는 다수의 중간 도체 및 커넥터를 통해 결합될 수 있는) 균형 도체(528-1') 상에서 균형 RF 신호를 생성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 발룬(574)은 시스템(500)으로부터 제외될 수 있다. 어느 방식이든, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이중 종단형 가변 매칭 회로(572)(예를 들면, 도 6, 7의 가변 매칭 회로(600, 700))는 균형 RF 신호를 (예를 들면, 접속부(528-4 또는 528-1')를 통해) 수신하고, 이중 종단형 가변 매칭 회로(572)의 당시 구성에 대응하는 임피던스 변환을 수행하며, 접속부(528-5)를 통해 균형 RF 신호를 제 1 및 제 2 전극(540, 550)에 제공하도록 구성된다.
실시예에 따르면, RF 신호원(520)은 RF 신호 생성기(522) 및 전력 증폭기(524)(예를 들면, 하나 이상의 전력 증폭기 스테이지를 포함함)를 포함한다. 접속부(514)를 통해 시스템 제어기(512)에 의해 제공되는 제어 신호에 응답하여, RF 신호 생성기(522)는 ISM(산업, 과학, 및 의료) 대역에서 주파수를 갖는 발진 전기 신호를 생성하도록 구성되지만, 시스템은 다른 주파수 대역에서의 동작도 지원하도록 수정될 수 있다. RF 신호 생성기(522)는 다수의 실시예에서 상이한 전력 레벨 및/또는 상이한 주파수의 발진 신호를 생성하도록 제어될 수 있다. 예컨대, RF 신호 생성기(522)는 VHF 범위에서(즉, 약 30.0MHz와 약 300MHz 사이의 범위에서) 및/또는 약 10.0MHz 내지 약 100MHz 및/또는 약 100MHz 내지 약 3.0GHz의 범위에서 발진하는 신호를 생성할 수 있다. 일부 바람직한 주파수는 예를 들어 13.56MHz(+/-5%), 27.125MHz(+/-5%), 40.68MHz(+/-5%), 및 2.45GHz(+/-5%)일 수 있다. 이와 달리, 발진 주파수는 앞에서 제공된 범위 또는 값보다 낮거나 높을 수 있다.
전력 증폭기(524)는 RF 신호 생성기(522)로부터 발진 신호를 수신하고, 전력 증폭기(524)의 출력에서 상당히 높은 전력 신호를 생성하기 위해 신호를 증폭하도록 구성된다. 예컨대, 출력 신호는 전력 레벨이 약 100와트 내지 약 400와트의 범위 또는 그보다 큰 전력 레벨을 가질 수 있지만, 전력 레벨은 더 낮거나 더 높을 수도 있다. 전력 증폭기(524)에 의해 인가되는 이득은 전원 공급 및 바이어스 회로(526)에 의해 증폭기(524)의 하나 이상의 스테이지에 제공되는 게이트 바이어스 전압 및/또는 드레인 바이어스 전압을 사용하여 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 전원 공급 및 바이어스 회로(526)는 시스템 제어기(512)로부터 수신된 제어 신호에 따라 각각의 RF 증폭기 스테이지의 입력 및/또는 출력(예를 들면, 게이트 및/또는 드레인)에 바이어스 및 공급 전압을 제공한다.
전력 증폭기는 하나 이상의 증폭 스테이지를 포함할 수 있다. 실시예에서, 증폭기(524)의 각 스테이지는 입력 단자(예를 들면, 게이트 또는 제어 단자) 및 2개의 전류 운반 단자(예를 들면, 소스 및 드레인 단자)를 갖는 FET와 같은 파워 트랜지스터로서 구현된다. 임피던스 매칭 회로(도시되지 않음)는, 다수의 실시예에서, 증폭기 스테이지들 중 일부 또는 전부의 입력(예를 들면, 게이트) 및/또는 출력(예를 들면, 드레인 단자)에 결합될 수 있다. 실시예에서, 증폭기 스테이지의 각 트랜지스터는 LDMOS FET를 포함한다. 그러나, 트랜지스터가 임의의 특정 반도체 기술로 제한되도록 의도되지 않으며, 다른 실시예에서, 각 트랜지스터가 GaN 트랜지스터, 다른 유형의 MOS FET 트랜지스터, BJT, 또는 다른 반도체 기술을 이용하는 트랜지스터로서 실현될 수 있음에 유의해야 한다.
도 5에서, 전력 증폭기 구성(524)은 특정한 방식으로 다른 회로 구성요소에 결합된 하나의 증폭기 스테이지를 포함하도록 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 전력 증폭기 구성(524)은 다른 증폭기 토폴로지를 포함할 수 있고 및/또는 증폭기 구성은 (예를 들면, 도 2의 증폭기(224/225)의 실시예에서 도시된 바와 같이) 2개 또는 그 이상의 증폭기 스테이지를 포함할 수 있다. 예컨대, 전력 증폭기 구성은 단일 종단형 증폭기, 이중 종단형(균형) 증폭기, 푸시풀 증폭기, 도허티 증폭기, 스위치 모드 전력 증폭기(SMPA), 또는 다른 유형의 증폭기의 다양한 실시예를 포함할 수 있다.
예컨대, 도 5의 중앙의 점선 박스에 표시된 바와 같이, 다른 RF 신호 생성기(520')는 입력에서 RF 신호 생성기(522)로부터의 불균형 RF 신호를 수신하고, 불균형 RF 신호를 증폭하며, 2개의 균형 RF 신호를 증폭기(524')의 2개의 출력에서 생성하도록 구성된 푸시풀 또는 균형 증폭기(524')를 포함할 수 있고, 여기서 2개의 균형 RF 신호는 이후에 도체(528-1')를 통해 전극(540, 550)으로 전달된다. 이러한 실시예에서, 발룬(574)은 시스템(500)으로부터 제외될 수 있고, 도체(528-1')는 가변 매칭 회로(572)에 직접 연결될 수 있다(또는 복수의 동축 케이블 및 커넥터 또는 다른 다중 도체 구조물을 통해 접속될 수 있음).
제상 캐비티(560) 및 그 제상 캐비티(560)에 배치된 임의의 부하(564)(예를 들면, 음식, 액체, 등)는 전극(540, 550)에 의해 내부 챔버(562)로 방출되는 전자기 에너지(또는 RF 전력)에 대한 누적 부하를 제공한다. 보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 제상 캐비티(560) 및 부하(564)는 본 명세서에서 "캐비티 플러스 부하 임피던스"로 지칭되는 임피던스를 시스템에 제공한다. 부하(564)의 온도가 증가함에 따라 캐비티 플러스 부하 임피던스는 제상 동작 동안에 변한다. 캐비티 플러스 부하 임피던스는 RF 신호원(520)과 전극(540, 550) 사이의 전도성 전송 경로(528)를 따라 반사된 신호 전력의 크기에 직접적인 영향을 미친다. 대부분의 경우에, 캐비티(560)로 전송된 신호 전력의 크기를 최대화하고, 및/또는 전도성 전송 경로(528)를 따라 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 최소화하는 것이 바람직하다.
RF 신호 생성기(520)의 출력 임피던스를 캐비티 플러스 부하 임피던스에 적어도 부분적으로 매칭시키기 위해, 제 1 매칭 회로(534)는 실시예에서 전송 경로(528)를 따라 전기적으로 결합된다. 제 1 매칭 회로(534)는 RF 신호원(520)의 임피던스(예를 들면, 약 10옴 미만)로부터 중간 임피던스(예를 들면, 50옴, 75옴, 또는 일부 다른 값)로 임피던스 변환을 수행하도록 구성된다. 제 1 매칭 회로(534)는 다양한 구성 중 임의의 구성을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 제 1 매칭 회로(534)는 고정된 구성요소(즉, 불변 구성요소 값을 갖는 구성요소)를 포함하지만, 제 1 매칭 회로(534)는 다른 실시예에서 하나 이상의 가변 구성요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 제 1 매칭 회로(534)는 다수의 실시예에서 인덕턴스/캐패시턴스(LC) 네트워크, 직렬 인덕턴스 네트워크, 션트 인덕턴스 네트워크, 또는 대역 통과, 고역 통과 및 저역 통과 회로의 조합으로부터 선택된 임의의 하나 이상의 회로를 포함할 수 있다. 본질적으로, 제 1 매칭 회로(534)는 RF 신호 생성기(520)의 출력 임피던스와 캐비티 플러스 부하 임피던스 사이의 중간 레벨로 임피던스를 상승시키도록 구성된다.
실시예에 따르면, 전술한 바와 같이, 전력 검출 회로(530)는 RF 신호원(520)의 출력과 전극(540, 550) 사이의 전송 경로(528)를 따라 결합된다. 특정 실시예에서, 전력 검출 회로(530)는 RF 서브시스템(510)의 일부를 형성하고, RF 신호원(520)과 커넥터(536) 사이의 도체(528-2)에 결합된다. 다른 실시예에서, 전력 검출 회로(530)는 전송 경로(528)의 임의의 다른 부분에, 예를 들어, 도체(528-1)에, 도체(528-3)에, RF 신호원(520)(또는 발룬(574))과 가변 매칭 회로(572) 사이의 도체(528-4)에, 또는 (즉, 전력 검출 회로(530'')로 표시되는 바와 같이) 가변 매칭 회로(572)와 전극(들)(540, 550) 사이의 도체(528-5)에 결합될 수 있다. 간략화를 위해, 전력 검출 회로는 본 명세서에서 참조 번호 530으로 지칭되지만, 그 회로는 참조 번호 530' 및 530''로 표시된 바와 같이 다른 위치에서 위치할 수 있다.
그것이 어디에 결합되든, 전력 검출 회로(530)는 RF 신호원(520)과 전극(들)(540, 550) 중 하나 또는 모두 사이에서 전송 경로(528)를 따라 이동하는 반사 신호(즉, 전극(들)(540, 550)으로부터 RF 신호원(520)을 향하는 방향으로 이동하는 반사 RF 신호)의 전력을 모니터링하고, 측정하고, 또는 검출하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 전력 검출 회로(530)는 또한 RF 신호원(520)과 전극(들)(540, 550) 사이에서 전송 경로(528)를 따라 이동하는 순방향 신호(즉, RF 신호원(520)으로부터 전극(들)(540, 550)을 향하는 방향으로 이동하는 순방향 RF 신호)의 전력을 검출하도록 구성된다.
접속부(532)를 통해, 전력 검출 회로(530)는 반사 신호 전력의 측정된 크기, 및 일부 실시예에서는 순방향 신호 전력의 측정된 크기도 운반하는 신호를 시스템 제어기(512)에 공급한다. 순방향 및 반사 신호 전력 크기 모두가 운반되는 실시예에서, 시스템 제어기(512)는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비, 또는 S11 파라미터 및/또는 VSWR 임계값을 계산할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 반사 신호 전력 크기가 반사 신호 전력 임계값을 초과하거나, 반사 신호 대 순방향 신호 전력비가 S11 파라미터 임계값을 초과하거나, VSWR 값이 VSWR 임계값을 초과하는 경우, 이는 시스템(500)이 캐비티 플러스 부하 임피던스에 적절하게 매칭되지 않는다는 것과, 캐비티(560) 내의 부하(564)에 의한 에너지 흡수가 차선적일 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 상황에서, 시스템 제어기(512)는 반사 신호 전력 또는 S11 파라미터 또는 VSWR 값을 원하는 레벨을 향해 또는 원하는 레벨 아래로(예를 들면, 반사 신호 전력 임계값 및/또는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비 임계값 및/또는 VSWR 임계값 아래로) 유도하도록 가변 매칭 회로(572)의 상태를 변경함으로써, 허용 가능한 매칭을 재설정하고 부하(564)에 의한 보다 최적의 에너지 흡수를 가능하게 하는 프로세스를 조직한다.
일부 실시예에서, 시스템 제어기(512) 및 전력 검출 회로(530)는 가변 임피던스 매칭 회로(570)에서 비선형 디바이스의 항복 전압과 연관된 임피던스의 빠른 변화(예를 들어, 전력 검출 회로(530)에 의해 수행된 측정으로부터 시스템 제어기(512)에 의해 유도된 S11 파라미터, VSWR 및/또는 전류의 빠른 변화로서)가 초과됨을 검출할 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기(512)가 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값의 변화율이 사전결정된 임계값을 초과한다고 판정하면, 이는 아크 조건을 나타낼 수 있고, 시스템(500)은 가변 매칭 회로(572)의 구성요소 값을 수정하여 아크 조건을 정정하려고 시도할 수 있고, 또는 제어되지 않은 전기적 아크를 방지하기 위해 RF 신호원(520)에 의해 RF 신호의 전력을 감소시키거나 RF 신호의 공급을 (예를 들어, 전력을 감소시킴으로써) 중단 또는 수정할 수 있다.
보다 구체적으로, 시스템 제어기(512)는 제어 경로(516)를 통해 제어 신호를 가변 매칭 회로(572)에 제공할 수 있어서, 가변 매칭 회로(572)가 회로 내의 하나 이상의 구성요소의 유도성, 용량성, 및/또는 저항성 값을 변화시킬 수 있으므로, 회로(572)에 의해 제공된 임피던스 변환를 조정한다. 가변 매칭 회로(572)의 구성에 대한 조정은 바람직하게는 반사 신호 전력의 크기를 감소시키고, 이는 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값의 크기를 감소시키는 것과 부하(564)에 의해 흡수되는 전력을 증가시키는 것에 대응한다.
앞에서 논의된 바와 같이, 가변 매칭 회로(572)는 부하(564)로의 RF 전력 전송을 가능한 최대로 최대화하도록 제상 캐비티(560) 플러스 부하(564)의 입력 임피던스를 매칭하는 데 사용된다. 제상 캐비티(560) 및 부하(564)의 초기 임피던스는 제상 동작의 시작시에 정확하게 공지되지 않을 수 있다. 또한, 부하(564)가 예열됨에 따라 제상 동작 동안에 부하(564)의 임피던스가 변한다. 실시예에 따르면, 시스템 제어기(512)는 가변 매칭 회로(572)에 제어 신호를 제공할 수 있어, 가변 매칭 회로(572)의 상태를 수정할 수 있게 한다. 이는, 비교적 낮은 반사 대 순방향 전력비를 갖고 그에 따라 부하(564)에 의한 RF 전력의 비교적 높은 흡수를 갖는 제상 동작의 시작시에, 시스템 제어기(512)가 가변 매칭 회로(572)의 초기 상태를 설정할 수 있게 한다. 또한, 이는 시스템 제어기(512)가 가변 매칭 회로(572)의 상태를 수정할 수 있게 하는바, 부하(564)의 임피던스의 변화에도 불구하고 제상 동작 전반에 걸쳐 적절한 매칭이 유지될 수 있다.
가변 매칭 회로(572)는 임의의 다양한 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 회로(572)는 다수의 실시예에서 인덕턴스/캐패시턴스(LC) 네트워크, 인덕턴스 전용 네트워크, 캐패시턴스 전용 네트워크, 또는 대역 통과, 고역 통과 및 저역 통과 회로의 조합으로부터 선택된 임의의 하나 이상의 회로를 포함할 수 있다. 가변 매칭 회로(572)가 전송 경로(528)의 균형 부분에서 구현되는 실시예에서, 가변 매칭 회로(572)는 2개의 입력 및 2개의 출력을 갖는 이중 종단형 회로이다. 가변 매칭 회로가 전송 경로(528)의 불균형 부분에서 구현되는 다른 실시예에서, 가변 매칭 회로는 단일 입력 및 단일 출력을 갖는 단일 종단형 회로(예를 들면, 도 3, 4의 매칭 회로(300 또는 400)와 유사함)일 수 있다. 보다 구체적인 실시예에 따르면, 가변 매칭 회로(572)는 가변 인덕턴스 네트워크(예를 들면, 도 6의 이중 종단형 네트워크(600))를 포함한다. 다른 보다 구체적인 실시예에 따르면, 가변 매칭 회로(572)는 가변 캐패시턴스 네트워크(예를 들면, 도 7의 이중 종단형 네트워크(700))를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 가변 매칭 회로(572)는 가변 인덕턴스 및 가변 캐패시턴스 요소 모두를 포함할 수 있다. 가변 매칭 회로(572)에 의해 제공되는 인덕턴스, 캐패시턴스 및/또는 저항 값은 차례로 회로(572)에 의해 제공되는 임피던스 변환에 영향을 미치며, 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 시스템 제어기(512)로부터의 제어 신호를 통해 설정된다. 어느 경우든, 캐비티(560) 내의 부하(564) 플러스 캐비티(560)의 계속 변화하는 임피던스를 동적으로 매칭시키기 위한 처리 동작의 과정을 통해 가변 매칭 회로(572)의 상태를 변경함으로써, 시스템 효율은 제상 동작 전반에 걸쳐서 높은 수준으로 유지될 수 있다.
일부 실시예에서, 비선형 디바이스(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭, TVS 다이오드 등)는 가변 임피던스 매칭 네트워크(572)의 고정 및 가변 구성요소(예를 들어, 개별 인덕터, 개별 캐패시터, 집중 인덕터, 집중 캐패시터, 가변 캐패시터 네트워크, 가변 인덕터 네트워크 등) 중 임의의 것 또는 전부에 걸쳐 병렬로 연결될 수 있다. 이들 비선형 디바이스의 각각은 개별 항복 전압을 가질 수 있는바, 주어진 비선형 디바이스 양단의 전압 (예를 들어, 그 비선형 디바이스와 병렬로 연결된 고정 또는 가변 구성요소 양단의 전압)이 그 비선형 디바이스에 대한 개별 항복 전압을 초과할 때, 주어진 비선형 디바이스가 작동하기 시작하여 가변 임피던스 매칭 네트워크(572)의 임피던스를 빠르게 변경한다. 가변 임피던스 매칭 회로(572)의 특정 구성요소에 결합된 비선형 디바이스는 구성요소의 최대 작동 전압 미만(예를 들어, 최대 작동 전압의 몇 분의 일)인 항복 전압을 가질 수 있는데, 이보다 높으면 구성요소에서 아크가 발생하거나 구성요소가 손상될 수 있다. 예를 들어, 구성요소는 1000V의 최대 작동 전압으로 정격된 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터에 연결된 비선형 디바이스는 900V의 항복 전압을 가질 수 있는바, 비선형 디바이스가 작동하기 시작하여 캐패시터의 최대 작동 전압에 도달하기 전에 가변 임피던스 매칭 네트워크(572)의 임피던스를 변경할 것이다. 시스템 제어기(512)는 (예를 들어, RF 신호원(520)에서 측정된 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값의 변화율에 기초하여) 비선형 디바이스의 항복 전압이 초과되는 것으로 인한 가변 임피던스 매칭 네트워크(572)의 임피던스 변화를 검출할 수 있고, RF 신호원(520)에 의해 공급된 RF 신호가 전력 감소 또는 중지되도록 하여 캐패시터의 최대 작동 전압이 초과되지 않도록 할 수 있다.
가변 매칭 회로(572)는 임의의 매우 다양한 회로 구성을 가질 수 있고, 이러한 구성의 비제한적인 예가 도 6 및 7에 도시되어 있다. 예컨대, 도 6은 예시적인 실시예에 따른 제상 시스템(예를 들면, 도 1, 5의 시스템(100, 500))에 통합될 수 있는 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 회로(600)의 개략도이다. 실시예에 따르면, 가변 매칭 회로(600)는 고정값 및 가변 수동형 구성요소들의 네트워크를 포함한다.
회로(600)는 이중 종단형 입력(601-1, 601-2)(입력(601)으로 지칭됨), 이중 종단형 출력(602-1, 602-2)(출력(602)으로 지칭됨), 및 입력(601)과 출력(602) 간의 사다리 구성에 접속된 수동형 구성요소들의 네트워크를 포함한다. 예컨대, 시스템(500)에 접속될 때, 제 1 입력(601-1)은 균형 도체(528-4)의 제 1 도체에 접속될 수 있고, 제 2 입력(601-2)은 균형 도체(528-4)의 제 2 도체에 접속될 수 있다. 마찬가지로, 제 1 출력(602-1)은 균형 도체(528-5)의 제 1 도체에 접속될 수 있고, 제 2 출력(602-2)은 균형 도체(528-5)의 제 2 도체에 접속될 수 있다.
도 6에 도시된 특정 실시예에서, 회로(600)는 입력(601-1)과 출력(602-1) 사이에 직렬로 접속된 제 1 가변 인덕터(611) 및 제 1 고정 인덕터(615), 입력(601-2)과 출력(602-2) 사이에 직렬로 접속된 제 2 가변 인덕터(616) 및 제 2 고정 인덕터(620), 입력들(601-1 및 601-2) 사이에 접속된 제 3 가변 인덕터(621), 및 노드들(625 및 626) 사이에 접속된 제 3 고정 인덕터(624)를 포함한다.
실시예에 따르면, 제 3 가변 인덕터(621)는 제 1 매칭 회로(예를 들면, 도 5의 회로(534))에 의해 수정된 바와 같이 RF 신호원(예를 들면, 도 5의 RF 신호원(520))의 임피던스를 매칭시키도록, 또는 보다 구체적으로 제 1 매칭 회로(예를 들면, 도 5의 회로(534))에 의해 수정된 바와 같이 최종 스테이지 전력 증폭기(예를 들면, 도 5의 증폭기(524))의 임피던스를 매칭키시도록 구성 가능한 "RF 신호원 매칭부"에 대응한다. 실시예에 따르면, 제 3 가변 인덕터(621)는 약 5nH 내지 약 200nH의 범위의 인덕턴스를 제공하기 위해 선택적으로 함께 결합될 수 있는 유도성 구성요소들의 네트워크를 포함하지만, 그 범위는 더 낮거나 더 높은 인덕턴스 값으로도 확장될 수 있다.
대조적으로, 가변 임피던스 매칭 네트워크(600)의 "캐비티 매칭부"는 제 1 및 제 2 가변 인덕터(611, 616) 및 고정 인덕터(615, 620 및 624)에 의해 제공된다. 제 1 및 제 2 가변 인덕터(611, 616)의 상태가 복수의 인덕턴스 값을 제공하도록 변경될 수 있기 때문에, 제 1 및 제 2 가변 인덕터(611, 616)는 캐비티 플러스 부하(예를 들면, 도 5의 캐비티(560) 플러스 부하(564))의 임피던스를 최적으로 매칭시키도록 구성 가능하다. 예컨대, 인덕터(611, 616)는 각각 약 10nH 내지 약 200nH의 범위의 값을 가질 수 있지만, 그 값들은 다른 실시예에서 더 낮고 및/또는 더 높을 수 있다.
고정 인덕터(615, 620, 624)는 약 50nH 내지 약 800nH의 범위의 인덕턴스 값도 가질 수 있지만, 그 인덕턴스 값은 또한 더 낮거나 더 높을 수도 있다. 인덕터(611, 615, 616, 620, 621, 624)는 다수의 실시예에서 개별 인덕터, 분산형 인덕터(예를 들면, 인쇄 코일), 와이어본드, 전송 라인, 및/또는 다른 유도성 구성요소를 포함할 수 있다. 실시예에서, 쌍을 이루는 방식으로 가변 인덕터(611 및 616)가 동작되고, 이는 출력(602-1 및 602-2)으로 전달된 RF 신호가 균형을 이루는 것을 보장하기 위해 동작 동안에 그 인덕턴스 값이 임의의 주어진 시간에 서로 동일하도록 제어됨을 의미한다.
앞에서 논의된 바와 같이, 가변 매칭 회로(600)는 (예를 들어, 커넥터(528-4 및 528-5) 사이에서) 전송 경로(528)의 균형 부분을 따라 접속되도록 구성된 이중 종단형 회로이고, 다른 실시예는 전송 경로(528)의 불균형 부분을 따라 접속되도록 구성된 단일 종단형(즉, 하나의 입력 및 하나의 출력) 가변 매칭 회로를 포함할 수 있다.
회로(600)에서 인덕터(611, 616, 621)의 인덕턴스 값을 변화시킴으로써, 시스템 제어기(512)는 회로(600)에 의해 제공되는 임피던스 변환을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 바람직하게는, 인덕턴스 값 변화는 RF 신호원(520)과 캐비티 플러스 부하 임피던스 간의 전체적인 임피던스 매칭을 개선하고, 이로 인해 반사 신호 전력 및/또는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비가 감소해야 한다. 대부분의 경우에, 시스템 제어기(512)는 최대 전자기장 세기가 캐비티(560)에서 달성되고, 및/또는 최대량의 전력이 부하(564)에 의해 흡수되며, 및/또는 최소량의 전력이 부하(564)에 의해 반사되는 상태에서 회로(600)를 구성하려고 노력할 수 있다.
실시예에 따르면, 아크 검출 서브시스템의 일부는 네트워크(600)에 통합된다. 보다 구체적으로, 비선형 디바이스(1602, 1604, 1606, 1608, 1610, 1612 및 1614) 중 하나 양단의 전압이 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과할 때마다 빠른 임피던스 변경이 트리거되도록 비선형 디바이스(1602, 1604, 1606, 1608, 1610, 1612 및 1614)(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및/또는 TVS 다이오드)가 추가되었다.
비선형 디바이스(1602)는 가변 인덕턴스 네트워크(621)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1604)는 인덕턴스(611)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1606)는 인덕턴스(615)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1608)는 가변 인덕턴스 네트워크(624)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1610)는 인덕턴스(616)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1612)는 인덕턴스(620)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1602, 1604, 1606, 1608, 1610 및 1612) 중 주어진 비선형 디바이스의 항복 전압은 그 비선형 디바이스에 병렬인 회로 구성요소에서 아크가 발생할 것으로 예상되는 전압보다 (예를 들어, 10% 미만과 같은 정의된 백분율만큼) 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 비선형 디바이스는 병렬 회로 구성요소에서 전기적 아크가 발생할 수 있기 전에 절연 상태에서 전도 상태로 전이될 것이며, 이는 회로(600)의 임피던스의 검출 가능한 변화를 야기한다. 예를 들어, 인덕턴스(615)가 1000V에서 전기적 아크를 겪을 것으로 예상되면, 비선형 디바이스(1606)는 900V의 항복 전압을 가질 수 있다. 쉽게 이용 가능한 가스 방전 디바이스의 전압 정격은 50V 미만 내지 8000V 초과이다. 전압은 보호된 구성요소의 최대 전압에 또는 접지되는 구성요소 사이에 접속된 경우 아크가 접지되게 할 수 있는 전압에 약간의 마진을 제공하도록 선택된다. 이러한 전압 및 결과적으로 비선형 디바이스 정격은 시뮬레이션 또는 테스트를 통해 시스템 설계의 일부로서 결정된다.
회로 구성요소에서 또는 회로 구성요소를 가로질러 발생하는 것 외에, 접지 된 구조물(예를 들어, 도 2, 5, 11의 격납 구조물(266, 566, 1150))에 근접한 구성요소 접속부, 전송 라인 또는 네트워크(600)의 다른 전도성 부분이 있는 위치에서, 둘 사이에 형성될 수 있는 강한 전기장으로 인해, 전기적 아크가 발생할 수 있다. 따라서, 비선형 디바이스는 그러한 전송 라인과 대응하는 접지된 구조물 사이에도 결합되어 둘 사이의 아크가 방지될 수 있다. 예를 들어, 노드(626)가 접지된 구조물에 대한 근접성 때문에 전기적 아크를 겪을 위험이 있는 경우, 비선형 디바이스(1614)는 노드(626)와 접지 단자 사이에 결합되어 노드(626)에 축적된 과도 전압(예를 들어, 비선형 디바이스(1614)의 항복 전압을 초과함)이 네트워크(600)의 임피던스에서 검출 가능한 변화를 발생시킬 수 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따라 제상 시스템(예를 들면, 도 1, 5의 시스템(100, 500))에 통합될 수 있는 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 회로(700)의 개략도이다. 일 실시예에 따른 매칭 회로(600)(도 6)와 같이, 가변 매칭 회로(700)는 고정값 및 가변 수동형 구성요소들의 네트워크를 포함한다.
회로(700)는 이중 종단형 입력(701-1, 701-2)(입력(701)으로 지칭됨), 이중 종단형 출력(702-1, 702-2)(출력(702)으로 지칭됨), 및 입력(701)과 출력(702) 사이에 접속된 수동형 구성요소들의 네트워크를 포함한다. 예컨대, 시스템(500)에 접속될 때, 제 1 입력(701-1)은 균형 도체(528-4)의 제 1 도체에 접속될 수 있고, 제 2 입력(701-2)은 균형 도체(528-4)의 제 2 도체에 접속될 수 있다. 마찬가지로, 제 1 출력(702-1)은 균형 도체(528-5)의 제 1 도체에 접속될 수 있고, 제 2 출력(702-2)은 균형 도체(528-5)의 제 2 도체에 접속될 수 있다.
도 7에 도시된 특정 실시예에서, 회로(700)는 입력(701-1)과 출력(702-1) 사이에 직렬로 접속된 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(711) 및 제 1 인덕터(715), 입력(701-2)과 출력(702-2) 사이에 직렬로 접속된 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(716) 및 제 2 인덕터(720), 및 노드(725 및 726) 사이에 접속된 제 3 가변 캐패시턴스 네트워크(721)를 포함한다. 인덕터(715, 720)는, 비교적 낮은 주파수(예를 들면, 약 40.66MHz 내지 약 40.70MHz) 및 고전력(예를 들면, 약 50W 내지 약 500W) 동작을 위해 설계될 수 있음에 따라, 실시예에서 사이즈 및 인덕턴스 값 모두에서 비교적 크다. 예컨대, 인덕터(715, 720) 각각은 약 100nH 내지 약 1000nH의 범위(예를 들면, 약 200nH 내지 약 600nH의 범위)의 값을 가질 수 있지만, 그 값은 다른 실시예에서 더 낮고 및/또는 더 높을 수 있다. 실시예에 따르면, 인덕터(715, 720)는 고정값, 집중형 인덕터(예를 들면, 다양한 실시예에서, 코일, 개별 인덕터, 분산형 인덕터(예를 들면, 인쇄 코일), 와이어본드, 전송 라인, 및/또는 다른 유도성 구성요소)이다. 다른 실시예에서, 인덕터(715, 720)의 인덕턴스 값은 가변적일 수 있다. 어느 경우든, 인덕터(715, 720)의 인덕턴스 값은 실시예에서 영구적으로(인덕터(715, 720)가 고정값일 때)) 또는 임의의 주어진 시간에(인덕터(715, 720)가 가변적일 때에 쌍을 이루는 방식으로 동작됨) 실질적으로 동일하다.
제 1 및 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(711, 716)는 회로(700)의 "직렬 매칭부"에 대응한다. 실시예에 따르면, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(711)는 제 1 가변 캐패시터(713)와 병렬로 결합된 제 1 고정값 캐패시터(712)를 포함한다. 제 1 고정값 캐패시터(712)는 실시예에서 약 1pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다. 도 4와 관련해서 전술한 바와 같이, 제 1 가변 캐패시터(713)는 0pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스를 제공하기 위해 함께 선택적으로 결합될 수 있는 용량성 구성요소들의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(711)에 의해 제공되는 총 캐패시턴스 값은 약 1pF 내지 약 200pF의 범위일 수 있지만, 그 범위는 또한 더 낮거나 더 높은 캐패시턴스 값으로도 확장될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(716)는 제 2 가변 캐패시터(718)와 병렬로 결합된 제 2 고정값 캐패시터(717)를 포함한다. 제 2 고정값 캐패시터(717)는 실시예에서 약 1pF 내지 약 100pF의 범위의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다. 도 4와 관련해서 전술한 바와 같이, 제 2 가변 캐패시터(718)는 0pF 내지 약 100pF 범위의 캐패시턴스를 제공하기 위해 함께 선택적으로 결합될 수 있는 용량성 구성요소들의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(716)에 의해 제공되는 총 캐패시턴스 값은 약 1pF 내지 약 200pF의 범위일 수 있지만, 그 범위는 또한 더 낮거나 더 높은 캐패시턴스 값으로도 확장될 수 있다.
어떤 경우에도, 출력(702-1 및 702-2)에 제공된 신호의 균형을 보장하기 위해, 제 1 및 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(711, 716)의 캐패시턴스 값은 실시예에서 임의의 주어진 시간에 실질적으로 동일하도록 제어된다. 예컨대, 제 1 및 제 2 가변 캐패시터(713, 718)의 캐패시턴스 값이 제어될 수 있어, 제 1 및 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(711, 716)의 캐패시턴스 값은 임의의 주어진 시간에 실질적으로 동일하도록 제어될 수 있다. 제 1 및 제 2 가변 캐패시터(713, 718)는 쌍을 이루는 방식으로 동작하며, 이는 출력(702-1 및 702-2)으로 전달되는 RF 신호가 균형을 이루는 것을 보장하기 위해, 동작 동안에 그 캐패시턴스 값이 임의의 주어진 시간에 제어됨을 의미한다. 제 1 및 제 2 고정값 캐패시터(712, 717)의 캐패시턴스 값은 일부 실시예에서 실질적으로 동일할 수 있지만, 다른 경우에는 상이할 수 있다.
가변 임피던스 매칭 네트워크(700)의 "션트 매칭부"는 제 3 가변 캐패시턴스 네트워크(721) 및 고정형 인덕터(715, 720)에 의해 제공된다. 실시예에 따르면, 제 3 가변 캐패시턴스 네트워크(721)는 제 3 가변 캐패시터(724)와 병렬로 결합된 제 3 고정값 캐패시터(723)를 포함한다. 제 3 고정값 캐패시터(723)는 실시예에서 약 1pF 내지 약 500pF 범위의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다. 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 제 3 가변 캐패시터(724)는 0pF 내지 약 200pF 범위의 캐패시턴스를 제공하기 위해 함께 선택적으로 결합될 수 있는 용량성 구성요소들의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 제 3 가변 캐패시턴스 네트워크(721)에 의해 제공되는 총 캐패시턴스 값은 약 1pF 내지 약 700pF의 범위일 수 있지만, 그 범위는 더 낮거나 더 높은 캐패시턴스 값으로도 확장될 수 있다.
가변 캐패시턴스 네트워크(711, 716, 721)의 상태가 복수의 캐패시턴스 값을 제공하도록 변경될 수 있기 때문에, 가변 캐패시턴스 네트워크(711, 716, 721)는 캐비티 플러스 부하(예를 들면, 도 5의 캐비티(560) 플러스 부하(564))의 임피던스를 RF 신호원(예를 들면, 도 5의 RF 신호원(520, 520'))에 최적으로 매칭시키도록 구성 가능하다. 회로(700)에서 캐패시터(713, 718, 724)의 캐패시턴스 값을 변화시킴으로써, 시스템 제어기(예를 들면, 도 5의 시스템 제어기(512))는 회로(700)에 의해 제공되는 임피던스 변환을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 바람직하게는, 캐패시턴스 값 변화는 RF 신호원(520)과 캐비티 플러스 부하의 임피던스 사이의 전체적인 임피던스 매칭을 개선하고, 이에 의해 반사 신호 전력 및/또는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 감소시켜야 한다. 대부분의 경우에, 시스템 제어기(512)는 캐비티(560)에서 최대 전자기장 세기가 달성되고, 및/또는 최대량의 전력이 부하(564)에 의해 흡수되며, 및/또는 최소량의 전력이 부하(564)에 의해 반사되는 상태에서 회로(700)를 구성하고자 노력할 수 있다.
실시예에 따르면, 아크 검출 서브시스템의 일부는 네트워크(700)에 통합된다. 보다 구체적으로, 비선형 디바이스(1802, 1804, 1806, 1808 및 1810) 중 하나 양단의 전압이 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과할 때마다 빠른 임피던스 변경이 트리거되도록 비선형 디바이스(1802, 1804, 1806, 1808 및 1810)(예를 들어, 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및/또는 TVS 다이오드)가 추가되었다.
비선형 디바이스(1802)는 가변 캐패시턴스 네트워크(711)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1804)는 가변 캐패시턴스 네트워크(716)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1808)는 가변 캐패시턴스 네트워크(721)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1804)는 인덕터(715)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1810)는 인덕터(720)와 병렬로 결합될 수 있다. 비선형 디바이스(1802, 1804, 1806, 1808 및 1810) 중 주어진 비선형 디바이스의 항복 전압은 그 비선형 디바이스에 병렬인 회로 구성요소에서 아크가 발생할 것으로 예상되는 전압보다 (예를 들어, 10% 미만과 같은 정의된 백분율만큼) 작을 수 있다. 이러한 방식으로, 비선형 디바이스는 병렬 회로 구성요소에서 전기적 아크가 발생할 수 있기 전에 절연 상태에서 전도 상태로 전이될 것이며, 이는 회로(1800)의 임피던스의 검출 가능한 변화를 야기한다. 예를 들어, 가변 캐패시턴스 네트워크(442)가 1000V에서 전기적 아크를 겪을 것으로 예상되면, 비선형 디바이스(1702)는 900V의 항복 전압을 가질 수 있다. 쉽게 이용 가능한 가스 방전 디바이스의 전압 정격은 50V 미만 내지 8000V 초과이다. 전압은 보호된 구성요소의 최대 전압에 또는 접지되는 구성요소 사이에 접속된 경우 아크가 접지되게 할 수 있는 전압에 약간의 마진을 제공하도록 선택된다. 이러한 전압 및 결과적으로 비선형 디바이스 정격은 시뮬레이션 또는 테스트를 통해 시스템 설계의 일부로서 결정된다.
도 6 및 7에 도시된 가변 임피던스 매칭 회로(600, 700)는 원하는 이중 종단형 가변 임피던스 변환을 수행할 수 있는 2가지 가능한 회로 구성일 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 회로의 다른 실시예는 상이하게 배열된 유도성 또는 용량성 네트워크를 포함할 수 있거나, 인덕터, 캐패시터, 및/또는 저항기의 다양한 조합을 포함하는 수동형 네트워크를 포함할 수 있으며, 여기서 수동형 구성요소들 중 일부는 고정값 구성요소일 수 있고, 수동형 구성요소들 중 일부는 가변 값 구성요소(예를 들면, 가변 인덕터, 가변 캐패시터, 및/또는 가변 저항기)일 수 있다. 또한, 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 회로는 수동형 구성요소를 네트워크 내외부로 스위칭하여 회로에 의해 제공되는 전체적인 임피던스 변환을 변경하는 능동형 디바이스(예를 들면, 트랜지스터)를 포함할 수 있다.
도 3, 4, 6 및 7의 전술한 예가 특정 가변 임피던스 매칭 네트워크 회로 레이아웃과 관련하여 설명되었지만, 가변 수동형 구성요소(예를 들어, 가변 캐패시터, 가변 저항기, 가변 인덕터 및/또는 이들의 조합)의 다른 배열을 포함하는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 다른 실시예는 동작 동안에 전기적 아크에 영향을 받기 쉬울 수 있다. 따라서, 도 3, 4, 6 및 7과 관련하여 설명된 비선형 디바이스는 대체 가변 임피던스 매칭 네트워크 구성요소 배열을 포함하는 제상 시스템 또는 다른 RF 시스템의 실시예에 적용될 수 있음을 이해해야 하며, 마찬가지로 S11 파라미터, VSWR 또는 다른 신호 파라미터에 대한 빠른 변화는 일반적으로 비선형 디바이스 양단의 전압이 그 디바이스의 항복 전압을 초과하여 발생한다. 또한, 도 3, 4, 6 및 7과 관련하여 설명된 바와 같이, 제상 시스템에 비선형 디바이스를 포함하는 것은 예시적인 것이며 제한하는 것이 아님에 유의해야 한다. 전술한 유형의 비선형 디바이스는 시스템의 동작이 전기적 아크를 방지하도록 수정될 수 있도록 매칭 회로의 구성요소에서 과전압 조건을 검출하기 위해 시스템의 RF 신호원과 부하 사이에 결합된 임의의 매칭 회로에 통합될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 본 명세서에서 논의된 단일 종단형 또는 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크와 연관된 회로는 하나 이상의 모듈의 형태로 구현될 수 있으며, "모듈"은 공통 기판에 결합된 전기적 구성요소들의 어셈블리로서 본 명세서에서 정의된다. 또한, 다양한 실시예에서, RF 서브시스템(예를 들어, RF 서브 시스템(도 2, 5의 210, 510))과 연관된 회로는 하나 이상의 모듈의 형태로도 구현될 수 있다.
제상 시스템의 전기적 및 물리적 양상의 실시예가 설명되었으므로, 이러한 제상 시스템을 동작시키는 방법의 다양한 실시예를 도 8 및 9와 관련하여 이제 설명할 것이다. 보다 구체적으로, 도 8은 예시적인 실시예에 따라 동적 부하 매칭을 이용한 제상 시스템(예를 들면, 도 1, 2, 5의 시스템(100, 200, 500))을 동작시키는 방법의 흐름도이다.
방법은, 블록 802에서, 제상 동작이 시작되어야 한다는 표시를 시스템 제어기(예를 들면, 도 2, 5의 시스템 제어기(212, 512))가 수신할 때에 시작될 수 있다. 이러한 표시는, 예를 들어 사용자가 시스템의 제상 캐비티(예를 들면, 도 2, 5의 캐비티(260, 560))에 부하(예를 들면, 도 2, 5의 부하(264, 564))를 배치하고, 캐비티를 (예를 들어, 도어 또는 서랍을 닫음으로써) 밀봉하고, (예를 들어, 도 2, 5의 사용자 인터페이스(280, 580)의) 시작 버튼을 누른 후에 수신될 수 있다. 실시예에서, 캐비티의 밀봉은 하나 이상의 안전 인터로크 메커니즘과 관계될 수 있으며, 이는 관계될 때에 캐비티에 공급된 RF 전력이 캐비티의 외부 환경으로 실질적으로 누출되지 않을 것임을 나타낸다. 나중에 설명되는 바와 같이, 안전 인터로크 메커니즘의 해제는 시스템 제어기가 즉시 제상 동작을 일시 중지 또는 종료하게 할 수 있다.
다수의 실시예에 따르면, 시스템 제어기는 선택적으로 부하 유형(예를 들면, 육류, 액체, 또는 기타 재료), 초기 부하 온도, 및/또는 부하 중량을 표시하는 추가적인 입력을 수신할 수 있다. 예컨대, 부하 유형에 관한 정보는 사용자 인터페이스와의 상호 작용을 통해(예를 들면, 인지된 부하 유형들의 목록에서 사용자가 선택함으로써) 사용자로부터 수신될 수 있다. 이와 달리, 시스템은 부하의 외부에서 보이는 바코드를 스캔하거나, 부하 상의 RFID 디바이스 또는 부하 안에 내장된 RFID 디바이스로부터 전자 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 초기 부하 온도에 관한 정보는 예를 들어 시스템의 하나 이상의 온도 센서 및/또는 IR 센서(예를 들면, 도 2, 5의 센서(290, 590))로부터 수신될 수 있다. 부하 중량에 관한 정보는 사용자 인터페이스와의 상호 작용을 통해 사용자로부터, 또는 시스템의 중량 센서(예를 들면, 도 2, 5의 센서(290, 590))로부터 수신될 수 있다. 앞에서 나타낸 바와 같이, 부하 유형, 초기 부하 온도, 및/또는 부하 중량을 표시하는 입력의 수신은 선택적이며, 시스템은 이와 달리 이들 입력 중 일부 또는 전부를 수신하지 못할 수 있다.
블록 804에서, 시스템 제어기는 가변 매칭 네트워크(예를 들면, 도 2-7의 네트워크(270, 300, 400, 572, 600, 700))에 제어 신호를 제공하여 가변 매칭 네트워크에 대한 초기 구성 또는 상태를 설정한다. 도 3, 4, 6 및 7과 관련하여 상세하게 설명된 바와 같이, 제어 신호는 가변 매칭 네트워크 내에서의 다양한 인덕턴스 및/또는 캐패시턴스(예를 들면, 도 3, 6의 인덕턴스(310, 311, 611, 616, 621), 및 도 4, 7의 캐패시턴스(444, 448, 713, 718, 724))의 값에 영향을 미친다. 예컨대, 시스템 제어기로부터의 제어 신호에 응답하는 바이패스 스위치의 상태에 제어 신호가 영향을 미칠 수 있다.
또한, 앞에서 논의된 바와 같이, 가변 매칭 네트워크의 제 1 부분은 RF 신호원(예를 들면, 도 2, 5의 RF 신호원(220, 520)) 또는 최종 스테이지 전력 증폭기(예를 들면, 도 2, 5의 전력 증폭기(225, 524))에 대한 매칭을 제공하도록 구성될 수 있고, 가변 매칭 네트워크의 제 2 부분은 캐비티(예를 들면, 도 2, 5의 캐비티(260, 560)) 플러스 부하(예를 들면, 도 2, 5의 부하(264, 564))에 대한 매칭을 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 제 1 션트 가변 인덕턴스 네트워크(310)는 RF 신호원 매칭을 제공하도록 구성될 수 있고, 제 2 션트 가변 인덕턴스 네트워크(316)는 캐비티 플러스 부하 매칭을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 제 1 가변 캐패시턴스 네트워크(442)는, 제 2 가변 캐패시턴스 네트워크(446)와 함께, RF 신호원과 캐비티 플러스 부하 사이에 최적의 매칭을 제공하도록 둘 다 구성될 수 있다.
초기 가변 매칭 네트워크 구성이 확립되면, 시스템 제어기는 필요한 경우 매칭의 품질을 나타내는 실제 측정에 기초하여 허용 가능하거나 최상의 매칭을 찾기 위해 가변 임피던스 매칭 네트워크의 구성을 조정하는 프로세스(810)를 수행할 수 있다. 실시예에 따르면, 이 프로세스는, 블록 812에서, RF 신호원(예를 들면, 도 2, 5의 RF 신호원(220, 520))이 가변 임피던스 매칭 네트워크를 통해 비교적 낮은 전력의 RF 신호를 전극(들)(예를 들면, 도 2, 5의 제 1 전극(240) 또는 양쪽의 전극(540, 550))에 공급하게 하는 단계를 포함한다. 시스템 제어기는 전원 공급 및 바이어스 회로(예를 들면, 도 2, 5의 회로(226, 526))로의 제어 신호를 통해 RF 신호 전력 레벨을 제어할 수 있고, 여기서 제어 신호는 전원 공급 및 바이어스 회로로 하여금 원하는 신호 전력 레벨과 일치하는 공급 전압 및 바이어스 전압을 증폭기(예를 들면, 도 2, 5의 증폭기 스테이지(224, 225, 524))에 제공하게 한다. 예컨대, 비교적 낮은 전력의 RF 신호는 약 10W 내지 약 20W 범위의 전력 레벨을 갖는 신호일 수 있지만, 이와 달리 상이한 전력 레벨이 사용될 수 있다. 매칭 조정 프로세스(810) 동안의 비교적 낮은 전력의 레벨 신호는 (예를 들면, 초기 매칭이 높은 반사 전력을 야기하는 경우) 캐비티 또는 부하의 손상 위험을 감소시키고, (예를 들면, 스위치 접점을 가로지르는 아크로 인해) 가변 인덕턴스 네트워크의 스위칭 구성요소를 손상시키는 위험을 감소시키는 것이 바람직하다.
블록 814에서, 전력 검출 회로(예를 들면, 도 2, 5의 전력 검출 회로(230, 530, 530', 530''))는 그 다음에 RF 신호원과 전극(들) 사이의 전송 경로(예를 들면, 도 2, 5의 경로(228, 528))를 따라 반사 전력 및 (일부 실시예에서는) 순방향 전력을 측정하고, 그 측정치를 시스템 제어기에 제공한다. 그 다음에 시스템 제어기는 반사 및 순방향 신호 전력 사이의 비율을 결정할 수 있고, 그 비율에 기초하여 시스템에 대한 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값을 결정할 수 있다. 시스템 제어기는, 실시예에서, 추후의 평가 또는 비교를 위해 수신된 전력 측정치(예를 들면, 수신된 반사 전력 측정치, 수신된 순방향 전력 측정치, 또는 둘 다), 및/또는 계산된 비율, S11 파라미터, 및/또는 VSWR 값을 저장할 수 있다.
블록 816에서, 시스템 제어기는 반사 전력 측정치, 및/또는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비 및/또는 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값에 기초하여, 가변 임피던스 매칭 네트워크에 의해 제공되는 매칭이 허용 가능한지 여부를 판정할 수 있다(예를 들면, 반사 전력이 임계값 미만이거나, 비율이 10% 이하이거나, 측정치 또는 값이 일부 다른 기준과 유리하게 비교됨). 이와 달리, 시스템 제어기는 매칭이 "최상의" 매칭인지를 판정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모든 가능한 임피던스 매칭 네트워크 구성(또는 적어도 임피던스 매칭 네트워크 구성의 정의된 서브세트)에 대한 반사 RF 전력(및 일부 실시예에서는 순방향 RF 전력)을 반복적으로 측정하고, 어떤 구성이 최저 반사 RF 전력 및/또는 최저 반사 전력 대 순방향 전력비를 발생시키는지를 결정함으로써, "최상의" 매칭이 결정될 수 있다.
매칭이 허용 가능하지 않거나 최상의 매칭이 아니라고 시스템 제어기가 판정하면, 시스템 제어기는 가변 임피던스 매칭 네트워크를 재구성함으로써 블록 818에서 매칭을 조정할 수 있다. 예컨대, 이는 제어 신호를 가변 임피던스 매칭 네트워크에 전송함으로써 달성될 수 있어,(예를 들면, 가변 인덕턴스 네트워크(310, 316, 611, 616, 621)(도 3, 6) 또는 가변 캐패시턴스 네트워크(442, 446, 711, 716, 721(도 4, 7)로 하여금 상이한 인덕턴스 또는 캐패시턴스 상태를 갖게 함으로써, 또는 인덕터 또는 캐패시터를 회로의 내부 또는 외부로 스위칭함으로써) 네트워크가 그 네트워크 내의 가변 인덕턴스를 증가 및/또는 감소시키게 한다. 가변 인덕턴스 네트워크를 재구성한 후, 블록 814, 816, 및 818은 블록 816에서 허용 가능하거나 또는 최상의 매칭이 결정될 때까지 반복적으로 수행될 수 있다.
허용 가능하거나 최상의 매칭이 결정되면, 제상 동작이 개시될 수 있다. 제상 동작의 개시는 블록 820에서 RF 신호원(예를 들면, 도 2, 5의 RF 신호원(220, 520))에 의해 공급되는 RF 신호의 전력을 비교적 높은 전력의 RF 신호로 증가시키는 것을 포함한다. 다시 한번, 시스템 제어기는 전원 공급 및 바이어스 회로(예를 들면, 도 2, 5의 회로(226, 526))로의 제어 신호를 통해 RF 신호 전력 레벨을 제어할 수 있으며, 여기서 제어 신호는 전원 공급 및 바이어스 회로로 하여금 원하는 신호 전력 레벨과 일치하는 공급 및 바이어스 전압을 증폭기(예를 들면, 도 2, 5의 증폭기 스테이지(224, 225, 524))에 제공하게 한다. 예컨대, 비교적 높은 전력의 RF 신호는 약 50W 내지 약 500W 범위의 전력 레벨을 갖는 신호일 수 있지만, 이와 달리 상이한 전력 레벨이 사용될 수 있다.
블록 822에서, 측정 회로(예를 들면, 도 2, 5의 전력 검출 회로(230, 530, 530', 530''))는 그 다음에 RF 신호원과 전극(들) 사이에서 전송 경로(예를 들면, 도 2, 5의 경로(228, 528))를 따라 하나 이상의 전류, 하나 이상의 전압, 반사 전력 및/또는 순방향 전력과 같은 시스템 파라미터를 주기적으로 측정하고, 그 측정치를 시스템 제어기에 제공한다. 시스템 제어기는 다시 반사 신호 전력과 순방향 신호 전력 사이의 비율을 결정할 수 있고, 그 비율에 기초하여 시스템에 대한 S11 파라미터 및/또는 VSWR 값을 결정할 수 있다. 시스템 제어기는, 실시예에서, 추후의 평가 또는 비교를 위해 수신된 전력 측정치, 및/또는 계산된 비율, 및/또는 S11 파라미터, 및/또는 VSWR 값을 저장할 수 있다. 실시예에 따르면, 순방향 및 반사 전력의 주기적인 측정은 상당히 높은 주파수(예를 들면, 대략 밀리초) 또는 상당히 낮은 주파수(예를 들면, 대략 초)에서 행해질 수 있다. 예컨대, 주기적인 측정을 행하기 위한 상당히 낮은 주파수는 10초 내지 20초마다 1회 측정의 레이트일 수 있다. 실시예에 따르면, 시스템 제어기는 또한(예를 들면, 주어진 시간 구간 동안 이러한 파라미터의 측정 또는 계산의 비교를 통해) 측정된 전압, 측정된 전류, S11 파라미터, VSWR 값과 같은 하나 이상의 파라미터의 변화율을 결정할 수 있다. 이러한 결정된 변화율에 기초하여(예를 들면, 변화율이 사전정의된 임계값을 초과하는 경우), 시스템 제어기는 시스템 어딘가에서 전기적 아크가 발생하고 있다고 결정할 수 있다.
블록 824에서, 시스템 제어기는 하나 이상의 반사 신호 전력 측정치, 하나 이상의 계산된 반사 신호 대 순방향 신호 전력비, 하나 이상의 계산된 S11 파라미터, 및/또는 하나 이상의 VSWR 값에 기초하여, 가변 임피던스 매칭 네트워크에 의해 제공되는 매칭이 허용 가능한지를 판정할 수 있다. 예컨대, 시스템 제어기는 이러한 결정을 행함에 있어서 단일의 반사 신호 전력 측정치, 단일의 계산된 반사 신호 대 순방향 신호 전력비, 단일의 계산된 S11 파라미터, 또는 단일의 VSWR 값을 사용할 수 있거나, 이러한 결정을 행함에 있어서 이전에 수신된 다수의 반사 신호 전력 측정치, 이전에 계산된 반사 전력 대 순방향 전력비, 이전에 계산된 S11 파라미터, 또는 이전에 계산된 VSWR 값의 평균(또는 다른 계산)을 행할 수 있다. 매칭이 허용 가능한지 여부를 판정하기 위해, 시스템 제어기는 예를 들어 수신된 반사 신호 전력, 계산된 비율, S11 파라미터, 및/또는 VSWR 값을 하나 이상의 대응하는 임계값과 비교할 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 시스템 제어기는 수신된 반사 신호 전력을, 예를 들어 순방향 신호 전력의 5%의 임계값(또는 일부 다른 값)과 비교할 수 있다. 순방향 신호 전력의 5% 미만의 반사 신호 전력은 매칭이 계속 허용 가능하다는 것을 나타낼 수 있고, 5%를 넘는 비율은 매칭이 더 이상 허용 가능하지 않다는 것을 나타낼 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템 제어기는 계산된 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 10%의 임계값(또는 일부 다른 값)과 비교할 수 있다. 10% 미만의 비율은 매칭이 계속 허용 가능하다는 것을 나타낼 수 있고, 10%를 넘는 비율은 매칭이 더 이상 허용 가능하지 않다는 것을 나타낼 수 있다. 측정된 반사 전력, 계산된 비율 또는 S11 파라미터, 또는 VSWR 값이 허용 불가한 매칭을 표시하는 대응 임계값보다 큰 경우(즉, 비교가 적합하지 않음), 시스템 제어기는 프로세스(810)를 다시 수행함으로써 가변 임피던스 매칭 네트워크의 재구성을 개시할 수 있다.
앞에서 논의된 바와 같이, 가변 임피던스 매칭 네트워크에 의해 제공되는 매칭은 부하가 예열됨에 따라 부하(예를 들면, 도 2, 5의 부하(264, 564))의 임피던스 변화로 인해 제상 동작 과정에 걸쳐 저하될 수 있다. 제상 동작의 과정에 걸쳐서, 캐비티 매칭 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 조정함으로써 또한 RF 신호원 인덕턴스 또는 캐패시턴스도 조정함으로써 최적의 캐비티 매칭이 유지될 수 있음이 관찰되었다.
실시예에 따르면, 가변 임피던스 매칭 네트워크를 재구성하는 반복 프로세스(810)에서, 시스템 제어기는 이러한 경향을 고려할 수 있다. 보다 구체적으로, 블록 818에서 가변 임피던스 매칭 네트워크를 재구성함으로써 매칭을 조정하는 경우, 시스템 제어기는 보다 낮은 인덕턴스(캐비티 매칭 또는 도 3의 네트워크(310)의 경우) 및 보다 높은 인덕턴스(RF 신호원 매칭 또는 도 4의 네트워크(442)의 경우)에 대응하는 캐비티 및 RF 신호원 매칭에 대한 가변 인덕턴스 네트워크의 상태를 초기에 선택할 수 있다. 캐비티 및 RF 신호원에 대한 가변 캐패시턴스 네트워크를 이용하는 실시예에서 유사한 프로세스가 수행될 수 있다. 예상되는 최적의 매칭 궤적을 따르는 경향이 있는 임피던스를 선택함으로써, 가변 임피던스 매칭 네트워크 재구성 프로세스(810)를 수행하는 시간은, 이러한 경향을 고려하지 않는 재구성 프로세스와 비교할 때에 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템 제어기는 그 대신에 인접 구성을 반복적으로 테스트하여 허용 가능한 구성을 결정하려고 시도할 수 있다.
실제로, 모든 가능한 가변 임피던스 매칭 네트워크 구성을 테스트하는 것을 포함해서, 허용 가능한 임피던스 매칭을 갖도록 시스템을 재구성하기 위해 시스템 제어기가 사용할 수 있는 여러 가지 상이한 검색 방법이 존재한다. 허용 가능한 구성을 검색하는 임의의 합리적인 방법은 본 발명의 청구대상의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 임의의 경우에, 블록 816에서 허용 가능한 매칭이 결정되면, 블록 814에서 제상 동작이 재개되고, 프로세스는 계속 반복된다.
블록 824를 다시 참조하면, 시스템 제어기가, 하나 이상의 반사 전력 측정치, 하나 이상의 계산된 반사 신호 대 순방향 신호 전력비, 하나 이상의 계산된 S11 파라미터, 및/또는 하나 이상의 VSWR 값에 기초하여, 가변 임피던스 매칭 네트워크에 의해 제공되는 매칭이 여전히 허용 가능하다고 판정하는 경우(예를 들면, 반사 전력 측정치, 계산된 비율, S11 파라미터, 또는 VSWR 값이 대응하는 임계값보다 작거나, 비교가 유리함), 시스템은 블록 826에서 나가기(exit) 조건이 발생했는지 여부를 평가할 수 있다. 실제로, 나가기 조건이 발생했는지 여부의 판정은 제상 프로세스 동안에 임의의 지점에서 발생할 수 있는 인터럽트 구동 프로세스일 수 있다. 그러나, 이를 도 8의 흐름도에 포함시키기 위해, 프로세스는 블록 824 후에 발생하는 것으로 도시되어 있다.
임의의 경우에, 여러 조건은 제상 동작의 중단을 보장할 수 있다. 예컨대, 시스템은 안전 인터로크가 위반될 때에 나가기 조건이 발생했다고 판정할 수 있다. 이와 달리, 시스템은 사용자에 의해 (예를 들면, 도 2, 5의 사용자 인터페이스(280, 580)를 통해) 설정되었던 타이머의 만료시에, 또는 제상 동작이 얼마나 오래 수행되어야 하는지에 대한 시스템 제어기의 추정치에 기초하여 시스템 제어기에 의해 수립되었던 타이머의 만료시에, 나가기 조건이 발생했다고 판정할 수 있다. 다른 예로서, 시스템은 (예를 들어, 도 2-7의 네트워크(270, 300, 400, 572, 600, 700)와 같은 가변 매칭 네트워크에서) 전기적 아크가 (예를 들어, 식별된 과전압 조건으로 인해) 시스템에서 발생할 위험이 있다고 판단할 수 있으며, 이는 나가기 조건을 트리거할 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기 및 전력 검출 회로는 가변 임피던스 매칭 네트워크에서 비선형 디바이스 양단의 전압이 그 비선형 디바이스에 대한 항복 전압을 초과하는 것으로 인해 RF 신호원과 전극(들) 사이의 임피던스 변화를 검출할 수 있고, 응답으로 나가기 조건이 트리거될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 판정은 블록 822에서 이루어질 수 있고, 방법이 블록 824 및 7826을 건너뛰어서 RF 신호의 공급을 중단시키는 블록 828로 직접 점프하게 할 수 있다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 시스템은 그렇지 않으면 제상 동작의 완료를 검출할 수 있다.
나가기 조건이 발생하지 않았으면, 블록 822 및 824 (또한 필요에 따라 매칭 네트워크 재구성 프로세스(810))를 반복적으로 수행함으로써 제상 동작이 계속될 수 있다. 나가기 조건이 발생했으면, 블록 828에서, 시스템 제어기는 RF 신호원에 의한 RF 신호의 공급이 중단되게 한다. 예컨대, 시스템 제어기는 RF 신호 생성기(예를 들면, 도 2, 5의 RF 신호 생성기(222, 522))를 디스에이블할 수 있고/있거나 전원 공급 및 바이어스 회로(예를 들면, 도 2, 5의 회로(226, 526))가 공급 전류의 제공을 중단하게 할 수 있다. 또한, 시스템 제어기는 사용자 인터페이스가 (예를 들면, 디스플레이 디바이스 상에 "도어 열림" 또는 "완료"를 디스플레이하거나, 가청음을 제공함으로써) 나가기 조건의 사용자 인식가능 표시를 생성하게 하는 신호를 사용자 인터페이스(예를 들면, 도 2, 5의 사용자 인터페이스(280, 580))에 전송할 수 있다. 그 후에 방법이 종료될 수 있다.
도 8에 도시된 블록들과 연관된 동작들의 순서가 예시적인 실시예에 대응한다는 것을 이해해야 하며, 동작들의 차례를 도시된 순서로만 제한하도록 해석되어 서는 안 된다. 대신에, 일부 동작들은 상이한 순서로 수행될 수 있고/있거나 일부 동작들은 병렬로 수행될 수 있다.
두 지점 사이의 전압의 축적은 일반적으로 전압이 두 지점 사이에 공기를 파괴하기에 충분히 강한 전기장(예를 들어, 약 3 x 106 V/m의 전기장)을 생성하기에 충분한 경우 전기적 아크가 발생하며, 이는 공기가 부분적으로 전도성이 되게 한다. 고전압 회로 응용례(예컨대, 고전압 RF 신호를 사용하는 제상 응용례)는 일반적으로 그러한 전기적 아크에 위험할 수 있다. 예를 들어, 전압은 RF 신호원이 RF 신호를 부하에 공급함에 따라 RF 신호원(예를 들어, 도 2, 5의 RF 신호원(220, 520)과 부하(예를 들어, 도 2, 5의 캐비티(260, 560); 및 도 2, 5의 부하(264, 564) 사이의 전송 경로를 따라 결합된 시스템(예컨대, 도 1, 2, 5의 시스템(100, 200, 500))의 유도성 및 용량성 구성요소(예를 들어, 도 2-7의 네트워크(270, 300, 400, 572, 600, 700)의 인덕턴스 및 캐패시턴스)에서 축적될 수 있다. 아크 발생을 사전에 방지하기 위해, 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및/또는 TVS 다이오드와 같은 비선형 디바이스는 예를 들어, 가변 임피던스 매칭 네트워크(예컨대, 도 2-7의 가변 임피던스 매칭 네트워크(270, 300, 400, 572, 600, 700))의 일부로서 전송 경로를 따라 결합된 회로 구성요소와 병렬로 또는 전기적 아크가 발생할 가능성이 있는 임의의 두 지점 사이에 배치될 수 있다. 이들 비선형 디바이스 중 하나 양단의 전압이 그 비선형 디바이스에 대한 항복 전압을 초과하면, 비선형 디바이스는 전기 절연 상태(예를 들어, 하이 임피던스를 가짐)에서 전기 전도 상태(예를 들어, 로우 임피던스를 가짐)로 전이되며, 이로 인해 RF 신호원과 부하 사이의 전송 경로의 전체 임피던스가 빠르게 변한다. 예를 들어, 주어진 비선형 디바이스는 비선형 디바이스가 병렬로 결합된 대응하는 회로 구성요소에서 아크가 발생하는 데 필요한 전압 레벨보다 낮은 항복 전압을 가질 수 있어서, 비선형 디바이스는 전기적 아크가 대응하는 회로 구성요소에서 발생할 수 있기 전에 전도되기 시작한다. 시스템 제어기(예를 들어, 도 2, 5의 시스템 제어기(212, 512))는 RF 신호원과 부하 사이의 전송 경로의 임피던스 변화(예를 들어, 비선형 디바이스 양단의 전압이 그것의 항복 전압을 초과하는 것에 기인하는 전체 임피던스의 빠른 변화)가 제시될 수 있는 신호 파라미터(예를 들어, S11 파라미터, VSWR, 전류 등)의 변화율을 모니터링할 수 있으며, 변화율은 실시예에서 RF 신호원의 하나 이상의 출력에 결합된 전력 검출 회로(예를 들어, 도 2, 5의 전력 검출 회로(230, 530, 530', 530'')에 의해 수행된 측정으로부터 유도된다. 모니터링된 신호 파라미터의 변화율이 사전결정된 임계값을 초과하면, 시스템 제어기는 시스템의 동작이 (예를 들어, 가변 임피던스 매칭 네트워크를 재구성함으로써, RF 신호의 전력을 감소시킴으로써, 또는 RF 신호원이 RF 신호 공급을 중단하게 함으로써) 수정되게 하여 비선형 디바이스가 다시 절연 상태가 될 때까지 다시 전도 상태가 된 비선형 디바이스 양단의 전압을 해당 항복 전압 미만으로 감소시킬 수 있는데, 이는 제어되지 않은 전기적 아크가 그 위치에서 발생하지 못하게 한다. 비선형 디바이스가 가변 임피던스 매칭 네트워크의 상이한 구성에 배치될 수 있는 방법의 예는 전술한 바와 같이 도 3, 4, 6 및 7에 도시되어 있다.
제상 시스템(예를 들어, 도 1, 2, 5의 제상 시스템(100, 200, 500))의 정상 동작(예를 들어, 적어도 도 8의 블록(820-826)에 대응함) 동안, 가변 임피던스 매칭 네트워크(예를 들어, 도 3, 4, 6, 7의 가변 임피던스 매칭 네트워크(300, 400, 600, 700))에 대한 신호 파라미터(예를 들어, S11 파라미터, VSWR, 전류 등) 및 임피던스는, 부하의 임피던스에 대한 대응하는 변화로 인해 RF 에너지가 부하에 인가됨에 따라 (예컨대, 몇 초 동안) 점진적으로 변할 수 있다. 대조적으로, 전술한 S11 파라미터 (또는 VSWR)의 변화 및 임피던스 매칭 상태에서 미스매칭 상태로의 임피던스의 변화는 가변 임피던스 매칭 네트워크의 비선형 디바이스(예컨대, 도 3, 4, 6, 7의 비선형 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510, 1512, 1602, 1604, 1606, 1608, 1610, 1612, 1614, 1702, 1704, 1706, 1708, 1802, 1804, 1806, 1808, 1810) 양단의 전압이 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과할 때부터 빠르게(예를 들어, 1초의 몇 분의 1도 안 되는 시간 동안) 발생할 수 있다. 따라서, 실시예에서, 하나 이상의 신호 파라미터의 변화율은 전기적 아크가 제상 시스템에서 발생할 위험에 있는지 여부를 판정하기 위한 기초로 사용되어 제상 시스템의 예방적 변경이 이루어질 수 있다.
가변 임피던스 매칭 회로 (또는 RF 신호 경로 내의 다른 곳)의 비선형 디바이스(예컨대, 도 3, 4, 6, 7의 비선형 디바이스(1502, 1504, 1506, 1508, 1510, 1512, 1602, 1604, 1606, 1608, 1610, 1612, 1614, 1702, 1704, 1706, 1708, 1802, 1804, 1806, 1808, 1810)) 양단의 전압이 그 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과하는 것을 검출하고 이에 응답하기 위해 제상 시스템의 시스템 제어기(예를 들어, 도 2, 5의 시스템 제어기(212, 512))가 제상 시스템의 가변 임피던스 매칭 회로(예를 들어, 도 3, 4, 6, 7의 가변 임피던스 매칭 회로(300, 400, 600, 700))에 대한 전류, VSWR 및/또는 S11의 각각의 변화율을 모니터링할 수 있는 방법의 예는 도 9에 도시된다. 일부 실시예에서, 도 9의 방법은 도 8의 방법과 함께 수행될 수 있다. 예를 들어, 블록 902, 904, 906 및 908은 도 8의 블록 822에서 수행될 수 있고, 블록 910은 도 8의 블록 826에서 수행될 수 있다.
블록 902에서, 하나 이상의 유형의 측정 회로(예를 들어, 전압계, 전류계, 전력 검출 회로)가 복수의 VSWR 측정치, 전류 측정치 및 S11 파라미터 측정치(예를 들어, 총괄하여 제상 시스템의 "신호 파라미터"의 측정치로 간주될 수 있음)를 RF 신호를 공급하는 RF 신호원(예를 들어, 도 2, 5의 RF 신호원(220, 520))의 출력에서 주기적으로 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가변 임피던스 매칭 네트워크에 결합된 RF 신호원 출력에서 전류를 측정하는 데 전류계가 사용되어 전류 측정치를 생성할 수 있다. 전력 검출 회로(예를 들어, 도 2, 5의 전력 검출 회로(230, 530, 530', 530''))는 RF 신호 경로를 따라 순방향 및 반사 RF 신호 전력을 측정하는 데 사용될 수 있고, 시스템 제어기는 반사 RF 신호 전력 대 순방향 RF 신호 전력의 비로서 S11 파라미터 측정치를 계산할 수 있으며, S11 파라미터 측정치로부터 VSWR 측정치를 계산할 수 있다. 시간에 따라 복수의 측정치를 생성하기 위해, 이러한 VSWR, 전류 및/또는 S11 측정 및 계산은 주기적으로 (예를 들어, 약 100 마이크로초와 100 밀리초 사이의 사전결정된 샘플링 속도로, 또는 더 낮거나 더 높은 샘플링 속도로) 수행될 수 있다.
블록 904에서, 시스템 제어기는 블록 902에서 얻어진 측정치 및 샘플링 레이트에 기초하여 VSWR(VSWRROC), 전류(IROC), 및 S11 파라미터(S11ROC)의 변화율을 계산한다. 예컨대, 가변 임피던스 매칭 네트워크의 S11ROC는 시스템 제어기의 메모리에 저장된 S11 파라미터 측정치에 기초하여 제상 시스템의 시스템 제어기에 의해 결정될 수 있고, 여기서 메모리에 저장된 각각의 S11 파라미터 측정치는 상이한 시점에서의 가변 임피던스 매칭 네트워크의 S11 파라미터에 대응할 수 있다. 블록 902의 설명에 나타낸 바와 같이, 시스템 제어기는, 예를 들어 가변 임피던스 매칭 네트워크에 대한 S11 파라미터 측정치를 사전결정된 샘플링 레이트로(예를 들면, 약 10밀리초와 2초 사이의 사전결정된 샘플링 레이트로, 또는 더 낮거나 더 높은 샘플링 레이트로) 결정하고(예를 들면, 수집하고, 계산하고, 또는 샘플링하고) 저장할 수 있다. 그 후에 이 샘플링을 통해 생성된 S11 파라미터 측정치는, S11 파라미터 측정치를 저장할 수 있는 메모리에 제공될 수 있다. 그 후에 시스템 제어기는, 예를 들어 제 1 및 제 2 S11 파라미터 측정치 간의 제 1 차를 결정하고, 제 1 및 제 2 S11 파라미터 측정치가 측정되었던 제 1 시간과 제 2 시간 사이의 제 2 차를 결정하며, 가변 임피던스 매칭 네트워크의 S11 파라미터의 변화율을 생성하기 위해 제 1 차를 제 2 차로 나눔으로써, S11 파라미터의 변화율을 계산할 수 있다. IROC 및 VSWRROC는, IROC 및 VSWRROC를 각각 결정할 때에 제 1 및 제 2 S11 파라미터 대신에 제 1 및 제 2 전류 측정치 및 제 1 및 제 2 VSWR 측정치를 사용하여, 앞선 예에 따라 계산될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 2개보다 많은 S11, VSWR, 또는 전류 측정치가 변화율을 계산하는 데 사용될 수 있다.
블록 906에서, 시스템 제어기는 VSWRROC, IROC, 또는 S11ROC 크기가 이들 임계값 중 임의의 것을 초과하는지를 판정하기 위해 VSWRROC, IROC, 및 S11ROC의 크기를 대응하는 임계치와 비교한다. 예컨대, 시스템 제어기는 VSWRROC의 크기를 사전정의된 VSWR 변화율 임계값 VSWRROC-TH(예를 들면, 대략 3:1의 값 또는 더 크거나 더 작은 값을 갖는 다른 임계값)와 비교할 수 있다. 시스템 제어기는, 또한 또는 이와 달리, IROC의 크기를 사전정의된 전류 변화율 임계값 IROC-TH(예를 들면, 정상 동작의 대략 1.4의 값 또는 더 크거나 더 작은 값을 갖는 다른 임계값)와 비교할 수 있다. 시스템 제어기는, 또한 또는 이와 달리, S11ROC의 크기를 사전정의된 S11 파라미터 변화율 임계값 S11ROC-TH와 비교할 수 있다. 예컨대, S11ROC-TH는 약 6dB 반사 손실과 약 9dB 반사 손실 사이의 값일 수 있지만, 임계값은 더 작거나 더 클 수도 있다. VROC의 크기가 VROC-TH를 초과하거나, IROC의 크기가 IROC-TH를 초과하거나, S11ROC의 크기가 S11ROC-TH를 초과하면, 시스템 제어기는 전송 경로를 따라 어딘가에서 비선형 디바이스 양단의 전압이 그 비선형 디바이스의 항복 전압을 초과하였고 아크가 발생할 수 있는 크기에 근접하고 있다고 결정할 수 있고, 블록 908로 진행시킬 수 있다. 그렇지 않은 경우, 임계값 중 어느 것도 초과하지 않으면, 시스템 제어기는 전송 경로를 따라 비선형 디바이스들 양단의 전압이 그 비선형 디바이스들 중 임의의 것의 항복 전압을 초과하지 않으므로 아크 조건이 발생하고 있지 않다고 결정할 수 있고, 시스템 제어기는 블록 908을 건너뛰고 블록 910으로 진행할 수 있다.
블록 908에서, 전류, VSWR, 또는 S11 파라미터의 변화율이 대응하는 사전정의된 임계값을 초과했다고(또한 그에 따라 그 위치에서 전압이 계속 증가하면 아크 조건이 발생할 가능성이 있음) 결정한 것에 응답하여, 시스템 제어기는 제상 시스템에서 아크가 발생하지 못하게 하도록 시도하기 위해 제상 시스템의 동작을 수정할 수 있다. 예컨대, 시스템 제어기는 RF 신호원이 공급하고 있는 RF 신호의 전력 레벨을 감소시키도록 RF 신호원에 지시할 수 있다. 일부 실시예에서, RF 신호의 전력 레벨은 최대 20%까지 감소될 수 있는 반면에, 다른 실시예에서, RF 신호의 전력 레벨은 보다 현저하게(예를 들면, RF 신호의 원래 인가된 전력 레벨의 10%와 같이 20%와 90% 사이) 감소될 수 있다. 이와 달리, 시스템 제어기는 시스템을 셧다운할 수 있고, 또는 다른 경우에는 RF 신호 생성을 중지시키고, 그에 의해 제상 동작을 종료하도록 RF 신호원에 지시할 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템 제어기는 가변 매칭 네트워크 내의 가변 수동형 구성요소의 값을 변화시킴으로써 가변 매칭 네트워크의 구성을 변경할 수 있다.
블록 910에서, 임의의 이유로 인해 제상 동작이 종료된 경우(예를 들어, 신호 파라미터의 빠른 변화를 검출하는 것에 응답하여 시스템 제어기에 의한 제상 동작의 수정으로 인해, 또는 제상 동작의 성공적인 완료로 인해), 시스템 제어기는 VSWR, 전류, 및 S11 파라미터의 변화율의 모니터링을 중단할 수 있고, 방법은 종료될 수 있다. 이와 달리, 시스템 제어기가 제상 동작이 계속 발생한다고 판정하는 경우, 방법은 블록 902로 되돌아갈 수 있다. 이러한 방식으로, 블록 902-910을 포함하는 반복 루프가 수행될 수 있으며, 이에 의해 제상 시스템의 VSWR, 전류, 및 S11 파라미터와 이들 각각의 변화율은 전송 경로에서 비선형 디바이스의 항복 전압이 초과되었음을 검출하기 위해 연속적으로 모니터링될 수 있고, 이에 의해 제상 시스템의 동작은 이에 응답하여 수정될 수 있다.
본 명세서에 포함된 다수의 도면에 도시된 연결 라인은 다수의 요소들 간의 예시적인 기능적 관계 및/또는 물리적 결합을 나타내도록 의도된다. 다수의 대안적 또는 추가적인 기능적 관계 또는 물리적 연결이 본 발명의 실시예에 존재할 수 있음에 유의해야 한다. 또한, 소정의 용어는 본 명세서에서 단지 참조를 위해서 사용될 수도 있고, 그에 따라 제한적인 것으로 의도되지 않으며, "제1", "제2"라는 용어 및 구조물을 지칭하는 다른 이러한 수치적 용어는 문맥에 의해 명확하게 표시되지 않는 한 순차 또는 순서를 의미하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "노드"는 주어진 신호, 로직 레벨, 전압, 데이터 패턴, 전류, 또는 수량이 존재하는 임의의 내부 또는 외부 기준점, 연결점, 접속점, 신호 라인, 전도성 요소, 등을 의미한다. 또한, 2개 이상의 노드는 하나의 물리적 요소에 의해 실현될 수 있다(또한 2개 이상의 신호는 공통 노드에서 수신 또는 출력되더라도 다중화되거나, 변조되거나, 구별될 수 있음).
앞선 설명은 함께 "연결된" 또는 "결합된" 요소들 또는 노드들 또는 특징부들 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, "연결된"은, 반드시 기계적으로가 아니라, 하나의 요소가 다른 요소에 직접 연결(또는 다른 요소와 직접 통신)되는 것을 의미한다. 마찬가지로, 달리 명시되지 않는 한, "결합된"은, 반드시 기계적으로가 아니라, 하나의 요소가 다른 요소에 직접적으로 또는 간접적으로 연결(또는 다른 요소와 직접적으로 또는 간접적으로 통신)되는 것을 의미한다. 따라서, 도면에 도시된 개략도는 요소들의 하나의 예시적인 배열을 도시하지만, 추가적인 개재 요소, 디바이스, 특징부, 또는 구성요소가 도시된 본 발명의 실시예에 존재할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시스템은, 무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과, RF 신호원과 부하 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와, RF 신호원과 부하 사이의 전송 경로를 따라 결합된 가변 임피던스 네트워크와, 가변 임피던스 네트워크의 적어도 하나의 구성요소와 병렬로 결합된 비선형 디바이스와, 제어기를 포함할 수 있다. 비선형 디바이스는 항복 전압보다 낮은 하이 임피던스 및 항복 전압보다 높은 로우 임피던스를 가질 수 있다. 제어기는 적어도 RF 신호의 파라미터의 변화율에 기초하여 비선형 디바이스의 항복 전압이 초과되었을 때 전송 경로를 따라 잠재적인 전기적 아크 조건을 검출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 비선형 디바이스는 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 비선형 디바이스는 가변 임피던스 네트워크의 인덕터와 병렬로 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 비선형 디바이스는 가변 임피던스 네트워크의 캐패시터와 병렬로 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 파라미터는 전송 경로를 따라 측정된 전압 정재파 비, 전송 경로를 따라 측정된 전류, 및 전송 경로를 따라 측정된 반사 RF 신호 대 순방향 RF 신호 전력비로 구성되는 그룹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어기는 파라미터의 변화율이 사전정의된 임계값을 초과한다고 결정함으로써 비선형 디바이스의 항복 전압이 초과되었음을 검출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제어기는 RF 신호원에 의해 공급된 RF 신호의 전력 레벨을 감소시킴으로써 제어기가 잠재적인 전기적 아크 조건을 검출했을 때 시스템의 동작을 수정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 부하를 수용하는 캐비티에 결합된 열 상승 시스템은 무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과, RF 신호원과, 캐비티에 근접하게 위치된 하나 이상의 전극 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와, 전송 경로를 따라 결합된 임피던스 매칭 네트워크와, 전송 경로에 결합된 측정 회로, 및 제어기를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크는 가변 수동형 구성요소들의 네트워크 및 가변 수동형 구성요소들 중 적어도 하나에 결합된 적어도 하나의 비선형 디바이스를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 비선형 디바이스는 항복 전압 아래에서 전기 절연 상태이고, 항복 전압 위에서 전기 전도 상태일 수 있다. 측정 회로는 전송 경로를 따라 전달되는 RF 신호의 파라미터를 주기적으로 측정하여 복수의 파라미터 측정치를 야기할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크의 임피던스 변화는 파라미터의 변화와 상관될 수 있다. 제어기는 복수의 파라미터 측정치에 기초하여 파라미터의 변화율을 결정하고, 파라미터의 변화율에 기초하여 열 상승 시스템의 동작을 수정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 비선형 디바이스는 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 비선형 디바이스는 가변 수동형 구성요소들의 네트워크의 가변 인덕터와 병렬로 결합된 비선형 디바이스를 포함한다.
일 실시예에서, 비선형 디바이스는 가변 수동형 구성요소들의 네트워크의 가변 캐패시터와 병렬로 결합된 비선형 디바이스를 포함할 수 있다. 비선형 디바이스의 항복 전압은 가변 캐패시터의 최대 전압의 몇 분의 일일 수 있다.
일 실시예에서, 측정 회로는 파라미터를 측정하도록 구성될 수 있다. 파라미터는 전압 정재파 비, 전류 및 반사 RF 신호 대 순방향 RF 신호 전력비로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 제어기는 RF 신호원에 의해 공급되는 RF 신호의 전력 레벨을 감소시키도록 RF 신호원을 제어하는 것 및 RF 신호의 공급을 중단하도록 RF 신호원을 제어하는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 액션을 수행함으로써 열 상승 시스템의 동작을 수정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 비선형 디바이스는 제1 비선형 디바이스, 제2 비선형 디바이스 및 제3 비선형 디바이스를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크는 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크이며, 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크는, 제1 입력 및 제2 입력과, 제1 출력 및 제2 출력과, 제1 입력과 제1 출력 사이에 결합된 제1 가변 임피던스 회로와, 제2 입력과 제2 출력 사이에 결합된 제2 가변 임피던스 회로와, 제1 입력과 제2 입력 사이에 결합된 제3 가변 임피던스 회로를 포함한다. 제1 비선형 디바이스는 제1 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합될 수 있다. 제2 비선형 디바이스는 제2 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합될 수 있다. 제3 비선형 디바이스는 제2 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 비선형 디바이스는 복수의 비선형 디바이스를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크는 단일 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크일 수 있으며, 단일 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크는, 입력과, 출력과, 입력과 출력 사이에 직렬로 결합된 수동형 구성요소 세트와, 입력과 접지 기준 노드 사이에 결합된 가변 임피던스 회로를 포함한다. 수동형 구성요소 세트 중 각각의 수동형 구성요소는 복수의 비선형 디바이스의 각각 상이한 비선형 디바이스와 병렬로 결합될 수 있다. 가변 임피던스 회로는 복수의 비선형 디바이스의 추가적인 비선형 디바이스와 병렬로 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은, 무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과, RF 신호원에 결합된 부하와, RF 신호원과 부하 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와, RF 신호원과 부하 사이의 상기 전송 경로를 따라 결합된 가변 임피던스 네트워크와, 가변 임피던스 네트워크의 구성요소들에 전기적으로 결합된 복수의 비선형 디바이스, 및 제어기를 포함할 수 있다. 복수의 비선형 디바이스의 각각의 비선형 디바이스는 비선형 디바이스의 항복 전압 아래에서 전기 절연 상태이고, 비선형 디바이스의 항복 전압 위에서 전기 전도 상태일 수 있다. 제어기는 적어도 RF 신호의 파라미터의 변화율에 기초하여 복수의 비선형 디바이스 중 적어도 하나의 항복 전압이 초과되었다는 것을 검출하는 것에 응답하여 시스템의 동작을 수정함으로써 전송 경로를 따라 전기적 아크가 발생하지 못하게 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 비선형 디바이스는 복수의 가스 방전 튜브, 복수의 스파크 갭 및 복수의 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 파라미터는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 포함할 수 있다. 복수의 비선형 디바이스 중 적어도 하나의 항복 전압이 초과되었다는 것을 검출하는 것에 응답하여 시스템의 동작을 수정하는 것은 반사 신호 대 순방향 신호 전력비가 사전결정된 임계값을 초과하는 것을 검출하는 것에 응답하여 RF 신호원에 의해 공급된 하나 이상의 RF 신호의 전력 레벨을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 RF 신호원의 출력에서 전송 경로에 결합된 측정 회로를 포함할 수 있다. 측정 회로는 전송 경로를 따라 전달되는 RF 신호의 파라미터를 주기적으로 측정할 수 있다. 가변 매칭 네트워크의 임피던스 변화는 파라미터의 변화와 상관된다.
적어도 하나의 예시적인 실시예가 전술한 상세한 설명에서 제시되었지만, 수많은 변형이 존재한다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예 또는 실시예들이 임의의 방식으로 본 발명의 범위, 적용성, 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않음을 또한 이해해야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 그 설명된 실시예 또는 실시예들을 구현하기 위한 편리한 로드맵을 당업자에게 제공할 것이다. 본 특허 출원시에 공지된 균등물 및 예측 가능한 균등물을 포함하는 청구범위에 의해 정의된 범위를 벗어나지 않으면서, 요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (19)

  1. 시스템으로서,
    무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과,
    상기 RF 신호원과 부하 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와,
    상기 RF 신호원과 상기 부하 사이의 상기 전송 경로를 따라 결합된 가변 임피던스 네트워크와,
    상기 가변 임피던스 네트워크의 적어도 하나의 구성요소와 병렬로 결합된 비선형 디바이스 - 상기 비선형 디바이스는 항복 전압보다 낮은 하이 임피던스 및 상기 항복 전압보다 높은 로우 임피던스를 가짐 - 와,
    적어도 상기 RF 신호의 파라미터의 변화율에 기초하여 상기 비선형 디바이스의 상기 항복 전압이 초과되었을 때 상기 전송 경로를 따라 잠재적인 전기적 아크 조건을 검출하도록 구성된 제어기를 포함하는
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 디바이스는 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
    시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비선형 디바이스는 상기 가변 임피던스 네트워크의 인덕터와 병렬로 결합되는
    시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 비선형 디바이스는 상기 가변 임피던스 네트워크의 캐패시터와 병렬로 결합되는
    시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 전송 경로를 따라 측정된 전압 정재파 비, 상기 전송 경로를 따라 측정된 전류, 및 상기 전송 경로를 따른 반사 RF 신호 대 순방향 RF 신호 전력비로 구성되는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는
    시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 파라미터의 변화율이 사전정의된 임계값을 초과한다고 결정함으로써 상기 비선형 디바이스의 상기 항복 전압이 초과되었음을 검출하도록 구성되는
    시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 RF 신호원에 의해 공급된 상기 RF 신호의 전력 레벨을 감소시킴으로써 상기 제어기가 상기 잠재적인 전기적 아크 조건을 검출했을 때 상기 시스템의 동작을 수정하도록 구성되는
    시스템.
  8. 부하를 수용하는 캐비티에 결합된 열 상승 시스템으로서,
    무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과,
    상기 RF 신호원과, 상기 캐비티에 근접하게 위치된 하나 이상의 전극 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와,
    상기 전송 경로를 따라 전기적으로 결합된 임피던스 매칭 네트워크 - 상기 임피던스 매칭 네트워크는 가변 수동형 구성요소들의 네트워크 및 상기 가변 수동형 구성요소들 중 적어도 하나에 결합된 적어도 하나의 비선형 디바이스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 비선형 디바이스는 항복 전압 아래에서 전기 절연 상태이고, 상기 항복 전압 위에서 전기 전도 상태임- 와,
    상기 전송 경로에 결합된 측정 회로 - 상기 측정 회로는 상기 전송 경로를 따라 전달되는 상기 RF 신호의 파라미터를 주기적으로 측정하여 복수의 파라미터 측정치를 야기하고, 상기 임피던스 매칭 네트워크의 임피던스 변화는 상기 파라미터의 변화와 상관됨 - 와,
    상기 복수의 파라미터 측정치에 기초하여 상기 파라미터의 변화율을 결정하고, 상기 파라미터의 변화율에 기초하여 상기 열 상승 시스템의 동작을 수정하도록 구성된 제어기를 포함하는
    열 상승 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비선형 디바이스는 가스 방전 튜브, 스파크 갭 및 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
    열 상승 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비선형 디바이스는 상기 가변 수동형 구성요소들의 네트워크의 가변 인덕터와 병렬로 결합된 비선형 디바이스를 포함하는
    열 상승 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 비선형 디바이스는 상기 가변 수동형 구성요소들의 네트워크의 가변 캐패시터와 병렬로 결합된 비선형 디바이스를 포함하고,
    상기 비선형 디바이스의 항복 전압은 상기 가변 캐패시터의 최대 전압의 몇 분의 일인
    열 상승 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 측정 회로는 상기 파라미터를 측정하도록 구성되고, 상기 파라미터는 전압 정재파 비, 전류 및 반사 RF 신호 대 순방향 RF 신호 전력비로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
    열 상승 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 RF 신호원에 의해 공급되는 상기 RF 신호의 전력 레벨을 감소시키도록 상기 RF 신호원을 제어하는 것 및 상기 RF 신호의 공급을 중단하도록 상기 RF 신호원을 제어하는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 액션을 수행함으로써 상기 열 상승 시스템의 동작을 수정하도록 구성되는
    열 상승 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비선형 디바이스는 제1 비선형 디바이스, 제2 비선형 디바이스 및 제3 비선형 디바이스를 포함하고,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크이며,
    상기 이중 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크는,
    제1 입력 및 제2 입력과,
    제1 출력 및 제2 출력과,
    상기 제1 입력과 상기 제1 출력 사이에 결합된 제1 가변 임피던스 회로 - 상기 제1 비선형 디바이스는 상기 제1 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합됨 - 와,
    상기 제2 입력과 상기 제2 출력 사이에 결합된 제2 가변 임피던스 회로 - 상기 제2 비선형 디바이스는 상기 제2 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합됨 - 와,
    상기 제1 입력과 상기 제2 입력 사이에 결합된 제3 가변 임피던스 회로 - 상기 제3 비선형 디바이스는 상기 제2 가변 임피던스 회로와 병렬로 결합됨 - 를 포함하는
    열 상승 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비선형 디바이스는 복수의 비선형 디바이스를 포함하고,
    상기 임피던스 매칭 네트워크는 단일 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크이며,
    상기 단일 종단형 가변 임피던스 매칭 네트워크는,
    입력과,
    출력과,
    상기 입력과 상기 출력 사이에 직렬로 결합된 수동형 구성요소 세트 - 상기 수동형 구성요소 세트 중 각각의 수동형 구성요소는 상기 복수의 비선형 디바이스의 제각기의 상이한 비선형 디바이스와 병렬로 결합됨 - 와,
    상기 입력과 접지 기준 노드 사이에 결합되고 상기 복수의 비선형 디바이스의 추가적인 비선형 디바이스와 병렬로 결합된 가변 임피던스 회로를 포함하는
    열 상승 시스템.
  16. 시스템으로서,
    무선 주파수(RF) 신호를 공급하도록 구성된 무선 주파수(RF) 신호원과,
    상기 RF 신호원에 결합된 부하와,
    상기 RF 신호원과 상기 부하 사이에 전기적으로 결합된 전송 경로와,
    상기 RF 신호원과 상기 부하 사이의 상기 전송 경로를 따라 결합된 가변 임피던스 네트워크와,
    상기 가변 임피던스 네트워크의 구성요소들에 전기적으로 결합된 복수의 비선형 디바이스 - 상기 복수의 비선형 디바이스의 각각의 비선형 디바이스는 상기 비선형 디바이스의 항복 전압 아래에서 전기 절연 상태이고, 상기 비선형 디바이스의 상기 항복 전압 위에서 전기 전도 상태임 - 와,
    적어도 상기 RF 신호의 파라미터의 변화율에 기초하여 상기 복수의 비선형 디바이스 중 적어도 하나의 상기 항복 전압이 초과되었다는 것을 검출하는 것에 응답하여 상기 시스템의 동작을 수정함으로써 상기 전송 경로를 따라 전기적 아크가 발생하지 못하게 하도록 구성된 제어기를 포함하는
    시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 비선형 디바이스는 복수의 가스 방전 튜브, 복수의 스파크 갭 및 복수의 과도 전압 억제 다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는
    시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 파라미터는 반사 신호 대 순방향 신호 전력비를 포함하고,
    상기 복수의 비선형 디바이스 중 적어도 하나의 상기 항복 전압이 초과되었다는 것을 검출하는 것에 응답하여 상기 시스템의 동작을 수정하는 것은 상기 반사 신호 대 순방향 신호 전력비가 사전결정된 임계값을 초과하는 것을 검출하는 것에 응답하여 상기 RF 신호원에 의해 공급된 상기 하나 이상의 RF 신호의 전력 레벨을 감소시키는 것을 포함하는
    시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 RF 신호원의 출력에서 상기 전송 경로에 결합된 측정 회로를 더 포함하되,
    상기 측정 회로는 상기 전송 경로를 따라 전달되는 상기 RF 신호의 파라미터를 주기적으로 측정하고, 상기 가변 매칭 네트워크의 임피던스 변화는 상기 파라미터의 변화와 상관되는
    시스템.
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