TWI751462B - 使用非線性裝置進行電弧預防的rf設備 - Google Patents

使用非線性裝置進行電弧預防的rf設備 Download PDF

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TWI751462B
TWI751462B TW108146708A TW108146708A TWI751462B TW I751462 B TWI751462 B TW I751462B TW 108146708 A TW108146708 A TW 108146708A TW 108146708 A TW108146708 A TW 108146708A TW I751462 B TWI751462 B TW I751462B
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Abstract

一種RF系統包括RF信號源和單端或雙端阻抗匹配網路。如氣體放電管等非線性裝置與所述阻抗匹配網路的元件並聯耦接。所述非線性裝置在低於擊穿電壓時絕緣並且在高於所述擊穿電壓時導電。所述系統還包括被配置成測量反映所述阻抗匹配網路的阻抗的變化的一個或多個參數的測量電路系統。當所監測的(多個)參數中的任何參數的變化率超過預定閾值時，系統控制器修改所述系統的操作。

Description

使用非線性裝置進行電弧預防的RF設備
發明領域
本文所述的主題的實施例總體上涉及預防和/或檢測射頻(RF)系統中的電弧事件的設備和方法。
發明背景
可以產生高射頻(RF)電壓的各類常規RF系統可能在耦接到系統或包含在系統內的負載內產生電弧，也可能在系統本身內產生電弧。在此類常規RF系統中，可能在裝置電路系統內的高壓節點或點處產生電弧，這可能會對電路元件或接地結構造成潛在地不可逆的損壞。這種電弧產生可能持續很長一段時間，從而可能導致系統性能不佳。此外，持續的電弧產生可能損壞電路元件並且產生另外的問題。在某些情況下，此類電弧產生有可能引起系統功能永久受損。需要用於檢測可能導致在RF系統或設備中產生電弧的狀況並且用於採取先制措施來防止在系統元件之間、跨系統元件或通過系統元件產生電弧的設備和方法。
發明概要
根據本發明的第一方面，提供一種系統，包括： 射頻(RF)信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；非線性裝置，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的至少一個元件並聯耦接，所述非線性裝置在低於擊穿電壓時具有高阻抗並且在高於所述擊穿電壓時具有低阻抗；以及控制器，所述控制器被配置成在基於至少所述RF信號的參數的變化率已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓時檢測沿所述傳輸路徑的潛在電弧產生狀況。
在一個或多個實施例中，所述非線性裝置選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
在一個或多個實施例中，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的電感器並聯耦接。
在一個或多個實施例中，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的電容器並聯耦接。
在一個或多個實施例中，所述參數包括由以下組成的組中的至少一個：沿所述傳輸路徑測量的電壓駐波比、沿所述傳輸路徑測量的電流以及沿所述傳輸路徑的反射對前向RF信號功率比。
在一個或多個實施例中，所述控制器被配置成通過確定所述參數的所述變化率超過預定義閾值來檢測到已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓。
在一個或多個實施例中，所述控制器被配置成當所述控制器已經檢測到所述潛在電弧產生狀況時，通過降低所述RF信號源供應的所述RF信號的 功率電平來修改所述系統的操作。
根據本發明的第二方面，提供一種耦接到用於容納負載的腔的熱增加系統，所述熱增加系統包括：射頻(RF)信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與定位在所述腔附近的一個或多個電極之間；阻抗匹配網路，所述阻抗匹配網路沿所述傳輸路徑電耦接，其中所述阻抗匹配網路包括可變無源元件的網路和耦接到所述可變無源元件中的至少一個可變無源元件的至少一個非線性裝置，所述至少一個非線性裝置在低於擊穿電壓時電絕緣，並且在高於所述擊穿電壓時導電；測量電路系統，所述測量電路系統耦接到所述傳輸路徑，其中所述測量電路系統週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信號的參數，從而產生多個參數測量結果，其中所述阻抗匹配網路的阻抗的變化與所述參數的變化相關；以及控制器，所述控制器被配置成基於所述多個參數測量結果確定所述參數的變化率並且基於所述參數的變化率修改所述熱增加系統的操作。
在一個或多個實施例中，所述至少一個非線性裝置選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
在一個或多個實施例中，所述至少一個非線性裝置包括與所述可變無源元件的網路的可變電感器並聯耦接的非線性裝置。
在一個或多個實施例中，所述非線性裝置包括與所述可變無源元件的網路的可變電容器並聯耦接的非線性裝置，其中所述非線性裝置的所述擊穿電壓是所述可變電容器的最大電壓的分數。
在一個或多個實施例中，所述測量電路系統被配置成測量所述參 數，並且其中所述參數選自由以下組成的組：電壓駐波比、電流和反射對前向RF信號功率比。
在一個或多個實施例中，所述控制器被配置成通過執行選自由以下組成的組的動作來修改所述熱增加系統的操作：控制所述RF信號源以降低所述RF信號源供應的所述RF信號的功率電平，以及控制所述RF信號源以停止供應所述RF信號。
在一個或多個實施例中，所述至少一個非線性裝置包括第一非線性裝置、第二非線性裝置和第三非線性裝置，其中所述阻抗匹配網路為包括以下的雙端可變阻抗匹配網路：第一輸入和第二輸入；第一輸出和第二輸出；第一可變阻抗電路，所述第一可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第一輸出之間，所述第一非線性裝置與所述第一可變阻抗電路並聯耦接；第二可變阻抗電路，所述第二可變阻抗電路耦接在所述第二輸入與所述第二輸出之間，所述第二非線性裝置與所述第二可變阻抗電路並聯耦接；以及第三可變阻抗電路，所述第三可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第二輸入之間，所述第三非線性裝置與所述第二可變阻抗電路並聯耦接。
在一個或多個實施例中，所述至少一個非線性裝置包括多個非線性裝置，其中所述阻抗匹配網路為包括以下的單端可變阻抗匹配網路：輸入；輸出；一組無源元件，所述一組無源元件串聯耦接在所述輸入與所述輸出之間，所述一組無源元件中的每個無源元件與所述多個非線性裝置中的相應不同的非線性裝置並聯耦接；以及 可變阻抗電路，所述可變阻抗電路耦接在所述輸入與接地參考節點之間並且與所述多個非線性裝置中的另外的非線性裝置並聯耦接。
根據本發明的第三方面，提供一種系統，包括：射頻(RF)信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；負載，所述負載耦接到所述RF信號源；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與所述負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；多個非線性裝置，所述多個非線性裝置電耦接到所述可變阻抗網路的元件，所述多個非線性裝置中的每個非線性裝置在低於所述非線性裝置的擊穿電壓時電絕緣並且在高於所述非線性裝置的所述擊穿電壓時導電；以及控制器，所述控制器被配置成通過回應基於至少所述RF信號的參數的變化率檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的操作來防止沿所述傳輸路徑發生電弧產生。
在一個或多個實施例中，所述多個非線性裝置選自由以下組成的組：多個氣體放電管、多個火花隙和多個瞬態電壓抑制二極體。
在一個或多個實施例中，所述參數包括反射對前向信號功率比，並且其中響應於檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的所述操作包括回應於檢測到所述反射對前向信號功率比的變化率超過預定閾值而降低所述RF信號源供應的所述一個或多個RF信號的功率電平。
在一個或多個實施例中，所述系統進一步包括：測量電路系統，所述測量電路系統在所述RF信號源的輸出處耦接到所述傳輸路徑，其中所述測量電路系統週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信 號的所述參數，並且其中所述可變匹配網路的阻抗的變化與所述參數的變化相關。
本發明的這些和其它方面將根據下文中所描述的實施例顯而易見，且參考這些實施例予以闡明。
100,200,500:除霜系統
110:除霜腔
111:頂腔壁
112:底腔壁
113,114:側腔壁
115:後腔壁
116:門
120:控制台
170,240,540,1170:第一電極
172-175,550,1172:第二電極
200:除霜系統
210:RF子系統
212,512,1130:系統控制器
214,232:連接
216:控制路徑
220,520,1120:RF信號源
222:RF信號發生器
224,524:驅動器放大器級
225:最終放大器級；驅動器放大器級
226,526:電源
228,528:傳輸路徑
228-1,228-2,228-3:導體
230,530,530',530",180:功率檢測電路系統
234,270,534,572,1160:阻抗匹配電路系統電路
240:電極
252:距離
260,560,1174:腔
262:屏障
264,564:負載
266,566,1150:外殼結構
270:阻抗匹配電路系統電路、可變阻抗匹配網路、可變阻抗匹配電路、可變匹配網路
300,400,572,600:可變阻抗匹配網路
280:使用者介面
290,590:感測器
310,311,316,611,616,621:可變電感網路
312-315,454:電感器
314:第二集總電感器
316:第二並聯電感網路
322:中間節點
400:網路
402:輸入節點
404:輸出節點
442:第一可變電容網路
446:第二可變電容網路
454:電感器
404,402:節點
442,446,711,716,721:網路
443:第一固定值電容器
444,448,713,718,724:電容
446:第二可變電容網路
447:第二固定值電容器
448:第二可變電容器
451:中間節點
454:集總電感器
510:RF子系統
512:系統控制器
514:連接
516:路徑
520,520':信號源
522:RF信號發生器
524:放大器
526:電路系統
528:傳輸路徑
528-1,528-1',528-2,528-3,528-4,528-5:導體
534:第一匹配電路
540,550:電極
552:距離
560:除霜腔
562:屏障
564:負載
570:可變匹配子系統
572:可變匹配電路
580:使用者介面
590:感測器
601-1:第一輸入
601-2:第二輸入
602-1:第一輸出
602-2:第二輸出
528-4,528-5:平衡導體
534:電路
536,538:連接器
528-3:導體
528-4,528-5:連接器
540,550:電極
560:腔
562,1156:屏障
564:負載
572:可變阻抗匹配網路
580:使用者介面
601-1,601-2:輸入
602-2,602-2:輸出
611,615,616,620,621,624:電感器
624:可變電感網路
626:節點
700:可變阻抗匹配網路、可變阻抗匹配電路、可變匹配電路
701,701-1:輸入
702,702-1,702-2:輸出
711,716,721:可變電容網路
712:第一固定值電容器
713,718,724:電容器
715,720:電感器
716:第二可變電容網路
718:第二可變電容器
717:第二固定值電容器
715,720:固定電感器
721:第三可變電容網路
723:第三固定值電容器
724:第三可變電容器
725,726:節點
810:配置過程
814,816,818,820-826,822,826,828,902-910:框
1502,1504,1506,1508,1510,1512,1602,1604,1606,1608,1610,1612,1614,1702,1704,1706,1708,1802,1804,1806,1808,1810:非線性裝置
當結合以下附圖考慮詳細描述和申請專利範圍時，可以通過參考 詳細描述和申請專利範圍得出對主題的更全面理解，其中貫穿附圖，類似的附圖標記指代類似的元件。
圖1是根據示例實施例的除霜器具的透視圖；圖2是根據示例實施例的不平衡除霜設備的簡化框圖；圖3是根據示例實施例的單端可變電感匹配網路的示意圖；圖4是根據示例實施例的單端可變電容匹配網路的示意圖；圖5是根據另一個示例實施例的平衡除霜設備的簡化框圖；圖6是根據另一個示例實施例的具有可變電感的雙端可變阻抗匹配網路的示意圖；圖7是根據另一個示例實施例的具有可變電容的雙端可變阻抗網路的示意圖；圖8是根據示例實施例的通過動態負載匹配來操作除霜系統的方法的流程圖；並且圖9是根據示例實施例的檢測匹配網路中的過電壓狀況並且作為回應修改RF信號源的操作以防止產生電弧的方法的流程圖。
較佳實施例之詳細說明
以下詳細描述在本質上僅僅是說明性的並且不旨在限制主題的實施例或這 種實施例的應用和用途。如本文所使用的，詞語“示例性”和“例子”意指“充當例子、實例或說明”。在本文中被描述為示例性或例子的任何實施方案不一定被解釋為優選的或優於其它實施方案。此外，不旨在受在前的技術領域、背景技術或以下詳細描述中呈現的任何明確或隱含理論的約束。
本文中描述的發明性主題的實施例涉及檢測和預防可能產生高射頻(RF)電壓的系統(本文中被稱為“RF系統”)內的電弧。本文中詳細描述的示例系統包括固態除霜設備，然而，本領域的技術人員應當理解，基於本文中的描述，電弧預防實施例可以在各種RF系統中的任何RF系統中實施，包括但不限於固態除霜和烹飪設備、發射器天線調諧器、等離子體發生器負載匹配設備以及易於在系統元件之間產生電弧的其它RF系統。
根據各個實施例，電弧檢測和預防通過電弧檢測子系統來實現，所述電弧檢測子系統包括策略性地連接在RF系統內的各個位置中，並且更具體地說跨系統中的高壓應力點連接的(多個)非線性裝置。令人期望地，所述(多個)非線性裝置的寄生電容很低，以使對系統的影響最小化。此外，在一些實施例中，所述(多個)非線性裝置不直接連接到系統控制器，這解決了通過高共模RF電壓檢測進行的檢測的挑戰。所述系統的實施例可以保護負載和RF系統元件兩者。
根據實施例，電弧檢測子系統監測RF輸入匹配、S11、電壓駐波比(VSWR)或電流。S11、VSWR或電流的變化超過預定量值和/或速率閾值表明非線性裝置已改變狀態，並且系統中的電壓可能具有指示可能發生或正在發生電弧產生事件的值。一旦檢測到這種情況，電弧檢測子系統就可以採取行動和/或改變條件，以試圖防止或停止電弧產生狀況。本發明主題的實施例可以在不影響可靠性的同時使用最佳尺寸的元件來構造。
可以實施電弧檢測和預防實施例的系統的一些非限制性實施例包 括固態除霜設備，所述固態除霜設備可以結合到獨立器具中或結合到其它系統中。如下文更加詳細地描述的，固態除霜設備的實施例包括“不平衡”除霜設備和“平衡”設備兩者。例如，示例性“不平衡”除霜系統是使用以下實現的：安置在腔中的第一電極；單端放大器佈置(包括一個或多個電晶體)；耦接在放大器佈置的輸出與第一電極之間的單端阻抗匹配網路；以及可以檢測除霜操作何時完成的測量和控制系統。相比之下，示例性“平衡”除霜系統是使用以下實現的：安置在腔中的第一電極和第二電極；單端或雙端放大器佈置(包括一個或多個電晶體)；耦接在放大器佈置的輸出與第一電極和第二電極之間的雙端阻抗匹配網路；以及可以檢測除霜操作何時完成的測量和控制系統。在各個實施例中，阻抗匹配網路包括可以在除霜操作期間進行調整以提高放大器佈置與腔之間的匹配的可變阻抗匹配網路。根據各個實施例並且如稍後將更加詳細地描述的，與電弧檢測子系統相關聯的非線性裝置跨本文中描述的不平衡除霜系統和平衡除霜系統的單端匹配網路或雙端匹配網路的元件放置。
通常，術語“除霜”意指將凍結負載(例如，食物負載或其它類型的負載)的溫度升高到負載不再凍結的溫度(例如，處於或接近0攝氏度的溫度)。如本文所使用的，術語“除霜”更廣泛地意指負載(例如，食物負載或其它類型的負載)的熱能或溫度通過向負載提供射頻(RF)電力而增加的過程。因此，在各個實施例中，可以在任何初始溫度(例如，在0攝氏度以上或以下的任何初始溫度)下對負載執行“除霜操作”，並且可以在高於初始溫度的任何最終溫度(例如，包括在0攝氏度以上或以下的最終溫度)下停止除霜操作。也就是說，本文所描述的“除霜操作”和“除霜系統”可替代地可以被稱為“熱增加操作”和“熱增加系統”。術語“除霜”不應被解釋為將本發明的應用局限於只能將凍結負載的溫度升高到或接近0攝氏度的溫度的方法或系統。在一個實施例中，除霜操作可將食品的溫度升高到-1攝氏度或-1攝氏度左右的溫和狀態。
在某些條件(例如，極度乾燥的條件和/或電勢差別很大的除霜系統的元件被緊密定位在一起的條件)下，在本文所述類型的除霜系統或可能產生高RF電壓的其它類型的RF系統中可能產生電弧。如此處所用，“電弧產生(arcing)”是指氣體(例如，空氣)的電擊穿，所述電擊穿產生持續放電。在本上下文中，電弧產生可能發生於例如被施加RF電力的電感器的相鄰線圈之間、電感器與電極之間、這種電感器與接地殼體或其它外殼結構之間或其它適用的電路元件之間。除霜系統的元件可能由於除霜系統內產生電弧而被損壞，並且當電弧產生持續很長一段時間時，除霜系統的損壞風險(例如，呈導電體熔化和絕緣損壞的形式)會增加。
常規的電弧減輕方法通常限於在電弧產生已經以不受控制的、不可預測的方式發生之後檢測系統中的電弧產生，這仍然可能導致對系統及其組成元件的損壞。為了識別潛在的電弧產生(例如，通過識別沿RF信號傳輸路徑的過電壓狀況)並且防止產生電弧，本發明的實施例涉及電弧檢測子系統，所述電弧檢測子系統可以包括位於被表徵為有電弧產生風險的位置處的非線性裝置，例如位於沿RF信號源與負載(例如，包括除霜腔、對應電極和食物負載)之間的傳輸路徑的各個節點處的非線性裝置。這些非線性裝置可以包括氣體放電管、火花隙、瞬態電壓抑制(TVD)二極體和裝置或任何其它能夠抑制超過規定擊穿電壓的電壓的非線性裝置。
一旦跨沿著RF信號源與負載之間的傳輸路徑的非線性裝置中的任何非線性裝置的電壓超過對應非線性裝置的擊穿電壓，非線性裝置就將開始導電，從而引起RF信號源與負載之間的阻抗(例如，類似於階躍函數)的快速變化。這種快速阻抗變化表現為由RF信號源向負載供應的RF信號的參數(例如，S11參數、VSWR、電流等)的對應快速變化，所述變化可以通過耦接到RF信號源的一個或多個輸出的功率檢測電路系統檢測。回應於檢測到這些參數之一的變化 率很快(例如，超過預定義閾值)，系統的控制器(例如，系統控制器或微控制器單元(MCU))可以修改系統的操作，以便在過電壓狀況導致不受控制的電弧產生之前減輕過電壓狀況。例如，這種修改可以降低RF信號源產生的RF信號的功率(例如，使其降低20%或使其降低為小於原始功率值的10%)，或者可以關閉系統(例如，至少部分地通過指示RF信號源停止產生RF信號)。以此方式，系統可以通過在高電壓(例如，過電壓)狀況能夠引起不受控制且可能具有破壞性的電弧產生之前檢測並減輕高電壓狀況來前攝性地防止發生不受控制的電弧產生。
圖1是根據示例實施例的除霜系統100的透視圖。除霜系統100包括除霜腔110(例如，圖2、5、11的腔260、560、1174)、控制台120、一個或多個RF信號源(例如，圖2、5、11的RF信號源220、520、1120)、電源(例如，圖2、5的電源226、526)、第一電極170(例如，圖2、5、11的電極240、540、1170)、第二電極172(例如，圖5、11的電極550、1172)、阻抗匹配電路系統(例如，圖2、5、11的電路234、270、534、572、1160)、功率檢測電路系統(例如，圖2、5、11的功率檢測電路系統230、530、1180)以及系統控制器(例如，圖2、5、11的系統控制器212、512、1130)。除霜腔110由頂腔壁111、底腔壁112、側腔壁113、114和後腔壁115的內表面和門116的內表面限定。在門116關閉的情況下，除霜腔110限定封閉的空氣腔。如本文所使用的，術語“空氣腔”可以意指容納空氣或其它氣體的封閉區域(例如，除霜腔110)。
根據“不平衡”實施例，第一電極170被佈置成靠近腔壁(例如，頂壁111)，第一電極170與剩餘的腔壁(例如，壁112-115和門116)電隔離，並且剩餘的腔壁接地。在此類配置中，系統可以簡單地建模為電容器，其中第一電極170充當一個導電板(或電極)，接地腔壁(例如，壁112-115)充當第二導電板(或電極)，並且空氣腔(包括其中容納的任何負載)充當第一導電板與第二導電板之間的電介質。雖然並未在圖1中示出，但是系統100中還可以包括非導電屏障(例如， 圖2的屏障262)，並且非導電屏障可以用於將負載與底腔壁112電氣且物理地隔離。雖然圖1將第一電極170示出為靠近頂壁111，但是可替換的是，第一電極170可以靠近其它壁112-115中的任何壁，如電極172-175所示。
根據“平衡”實施例，第一電極170被佈置成靠近第一腔壁(例如，頂壁111)，第二電極172被佈置成靠近相對的第二腔壁(例如，底壁112)，並且第一電極170和第二電極172與剩餘的腔壁(例如，壁113-115和門116)電隔離。在此類配置中，系統也可以簡單地建模為電容器，其中第一電極170充當一個導電板(或電極)，第二電極172充當第二導電板(或電極)，並且空氣腔(包括其中容納的任何負載)充當第一導電板與第二導電板之間的電介質。雖然並未在圖1中示出，但是系統100中還可以包括非導電屏障(例如，圖5、11的屏障562、1156)，並且非導電屏障可以用於將負載與第二電極172和底腔壁112電氣且物理地隔離。雖然圖1將第一電極170示出為靠近頂壁111並且將第二電極172示出為靠近底壁112，但是可替換的是，第一電極170和第二電極172可以靠近其它相對的壁(例如，第一電極可以是靠近壁113的電極173並且第二電極可以是靠近壁114的電極174)。
根據實施例，在除霜系統100的操作期間，用戶(未示出)可以在除霜腔110中放置一個或多個負載(例如，食物和/或液體)並且任選地可以通過控制台120提供指定(多個)負載的特性的輸入。例如，指定的特性可以包括負載的大概重量。此外，指定的負載特性可以指示形成負載的(多種)材料(例如，肉類、麵包、液體)。在替代性實施例中，負載特性可以通過其它某種方式獲得，如通過掃描負載包裝上的條碼或從負載上或嵌入負載內的RFID標籤接收射頻識別(RFID)信號。無論哪種方式，如稍後將更加詳細地描述的，關於此類負載特性的資訊使系統控制器(例如，圖2、5、11的系統控制器212、512、1130)均能夠確立系統的阻抗匹配網路在除霜操作開始時的初始狀態，其中初始狀態可能相對 接近實現最大RF功率傳遞到負載的最優狀態。可替換的是，在除霜操作開始之前，可能不會進入或接收負載特性，並且系統控制器可以確立阻抗匹配網路的預設初始狀態。
為了開始除霜操作，用戶可以通過控制台120提供輸入。作為回應，系統控制器使(多個)RF信號源(例如，圖2、5、11的RF信號源220、520、1120)在不平衡實施例中向第一電極170供應RF信號或在平衡實施例中向第一電極170和第二電極172兩者供應RF信號，並且(多個)電極作為回應將電磁能輻射到除霜腔110中。電磁能增加負載的熱能(即，電磁能使負載升溫)。
在除霜操作期間，負載的阻抗(以及因此腔110加上負載的總輸入阻抗)在負載的熱能增加時改變。阻抗變化改變吸收到負載中的RF能並且因此改變反射功率的量值。根據實施例，功率檢測電路系統(例如，圖2、5、11的功率檢測電路系統230、530、1180)連續地或週期性地測量沿RF信號源(例如，圖2、5、11的RF信號源220、520、1120)與(多個)電極170、172之間的傳輸路徑(例如，圖2、5、11的傳輸路徑228、528、1148)的反射功率。根據這些測量結果，系統控制器(例如，圖2、5、11的系統控制器212、512、1130)可以檢測除霜操作的完成，如下文將詳細描述的。根據另外一個實施例，阻抗匹配網路是可變的，並且基於反射功率測量結果(或前向和反射功率測量結果兩者、S11參數和/或VSWR)，系統控制器可以改變阻抗匹配網路在除霜操作期間的狀態以增加負載對射RF功率的吸收。
圖1的除霜系統100被具體化為檯面式器具。在另外的實施例中，除霜系統100還可以包括用於執行微波烹飪操作的元件和功能。可替換的是，除霜系統的元件可以結合到其它類型的系統或器具中。例如，除霜系統可以結合到冰箱/冰櫃器具中，或者也可以結合到具有其它配置的系統或器具中。因此，獨立器具中的除霜系統的上述實施方式並不意味著將實施例的用途僅限於那些 類型的系統。
圖2是根據示例實施例的不平衡除霜系統200(例如，圖1的除霜系統100)的簡化框圖。在實施例中，除霜系統200包括RF子系統210、除霜腔260、使用者介面280、系統控制器212、RF信號源220、電源和偏置電路系統226、可變阻抗匹配網路270、電極240、外殼結構266和功率檢測電路系統230。此外，在其它實施例中，除霜系統200可以包括(多個)溫度感測器、(多個)紅外(IR)感測器和/或(多個)重量感測器290，但是這些感測器元件中的一些或全部可以不包括在內。應理解，出於解釋和易於描述的目的，圖2是除霜系統200的簡化表示，並且實際實施例可以包括其它裝置和元件以提供額外的功能和特徵，和/或除霜系統200可以是更大的電氣系統的一部分。
使用者介面280可以對應於控制台(例如，圖1的控制台120)，例如，所述控制台使使用者能夠向系統提供關於除霜操作(例如，待除霜負載的特性等等)、啟動和取消按鈕、機械控制項(例如，門/抽屜開閂)等等的參數的輸入。此外，使用者介面可以被配置成提供指示除霜操作的狀態的使用者可感知輸出(例如，倒計時計時器、指示除霜操作的進展或完成的可視標記和/或指示除霜操作的完成的可聽音)和其它資訊。
除霜作業系統200的一些實施例可以包括(多個)溫度感測器、(多個)IR感測器和/或(多個)重量感測器290。(多個)溫度感測器和/或(多個)IR感測器可以定位在使負載264的溫度在除霜操作期間能夠被感測到的位置。當提供給系統控制器212時，溫度資訊使系統控制器212能夠改變由RF信號源220供應的RF信號的功率(例如，通過控制由電源和偏置電路系統226提供的偏置和/或電源電壓)，以調整可變阻抗匹配網路270的狀態和/或確定除霜操作應當何時終止。(多個)重量感測器定位在負載264下並且被配置成向系統控制器212提供負載264的重量的估計值。系統控制器212可以使用此資訊例如來確定由RF信號源220供應 的RF信號的期望功率電平、確定可變阻抗匹配網路270的初始設置和/或確定除霜操作的大概時長。
在實施例中，RF子系統210包括系統控制器212、RF信號源220、第一阻抗匹配電路234(在本文中為“第一匹配電路”)、電源和偏置電路系統226以及功率檢測電路系統230。系統控制器212可以包括一個或多個通用或專用處理器(例如，微處理器、微控制器、專用積體電路(ASIC)等等)、易失性和/或非易失性記憶體(例如，隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、各種寄存器等等)、一個或多個通信匯流排或其它元件。根據實施例，系統控制器212耦接到使用者介面280、RF信號源220、可變阻抗匹配網路270、功率檢測電路系統230和感測器290(如果包括的話)。系統控制器212被配置成接收指示通過使用者介面280接收的使用者輸入的信號並且從功率檢測電路系統230接收指示RF信號反射功率(以及可能RF信號前向功率)的信號。回應於接收到的信號和測量結果並且如稍後將更加詳細地描述的，系統控制器212向電源和偏置電路系統226以及RF信號源220的RF信號發生器222提供控制信號。此外，系統控制器212向可變阻抗匹配網路270提供控制信號，所述控制信號使網路270改變其狀態或配置。
除霜腔260包括電容除霜佈置，所述電容除霜佈置具有通過空氣腔分開的第一平行板電極和第二平行板電極，所述空氣腔內可以放置待除霜的負載264。例如，第一電極240可以定位在空氣腔上方，並且第二電極可以由外殼結構266的一部分提供。更具體地說，外殼結構266可以包括底壁、頂壁和側壁，所述底壁、所述頂壁和所述側壁的內表面限定腔260(例如，圖1的腔110)。根據實施例，腔260可以被密封(例如，利用圖1的門116)以容納在除霜操作期間引入到腔260中的電磁能。系統200可以包括確保密封在除霜操作期間完好的一個或多個互鎖機構。如果互鎖機構中的一個或多個互鎖機構指示密封被破壞，則系 統控制器212可以停止除霜操作。根據實施例，外殼結構266至少部分地由導電材料形成，並且外殼結構的(多個)導電部分可以接地。可替換的是，至少外殼結構266的與腔260的底表面相對應的部分可以由導電材料形成並接地。無論哪種方式，外殼結構266(或至少與第一電極240平行的外殼結構266的部分)均充當電容除霜佈置的第二電極。為了避免負載264與腔260的接地底表面之間的直接接觸，非導電屏障262可以定位在腔260的底表面上方。
基本上，除霜腔260包括電容除霜佈置，所述電容除霜佈置具有通過空氣腔分開的第一平行板電極240和第二平行板電極266，所述空氣腔內可以放置待除霜的負載264。在實施例中，第一電極240定位在外殼結構266內以限定電極240與外殼結構266的相對表面(例如，充當第二電極的底表面)之間的距離252，其中距離252使腔260成為子諧振腔。
在各個實施例中，距離252在約0.10米到約1.0米的範圍內，但是距離也可以更小或更大。根據實施例，距離252小於RF子系統210產生的RF信號的一個波長。換句話說，如上所述，腔260是子諧振腔。在一些實施例中，距離252小於RF信號的一個波長的約一半。在其它實施例中，距離252小於RF信號的一個波長的約四分之一。在仍其它實施例中，距離252小於RF信號的一個波長的約八分之一。在仍其它實施例中，距離252小於RF信號的一個波長的約50分之一。在仍其它實施例中，距離252小於RF信號的一個波長的約100分之一。
通常，設計用於較低操作頻率(例如，介於10MHz與100MHz之間的頻率)的系統200可以被設計成具有為一個波長的較小分數的距離252。例如，當系統200被設計成產生操作頻率為約10MHz(對應於約30米的波長)的RF信號並且距離252被選擇為約0.5米時，距離252是RF信號的一個波長的約60分之一。相反，當系統200被設計用於約300MHz的操作頻率(對應於約1米的波長)並且距離252被選擇為約0.5米時，距離252是RF信號的一個波長的約一半。
在電極240與外殼結構266之間的操作頻率和距離252被選擇成限定子諧振內腔260的情況下，第一電極240和外殼結構266電容性地耦接。更具體地說，第一電極240可以類推為電容器的第一板，外殼結構266可以類推為電容器的第二板，並且負載264、屏障262以及腔260內的空氣可以類推為電容器電介質。因此，第一電極240可替代地在本文中可被稱為“陽極”，並且外殼結構266可替代地在本文中可被稱為“陰極”。
基本上，跨第一電極240和外殼結構266的電壓加熱腔260內的負載264。根據各個實施例，RF子系統210被配置成生成RF信號以在電極240與外殼結構266之間產生在一個實施例中在約90伏特到約3000伏特的範圍內或在另一個實施例中在約3000伏特到約10,000伏特的範圍內的電壓，但是系統也可以被配置成在電極240與外殼結構266之間產生更低或更高的電壓。
在實施例中，第一電極240通過第一匹配電路234、可變阻抗匹配網路270和導電傳輸路徑電耦接到射RF信號源220。第一匹配電路234被配置成執行從RF信號源220的阻抗(例如，小於約10歐姆)到中間阻抗(例如，50歐姆、75歐姆或其它某個值)的阻抗變換。根據實施例，導電傳輸路徑包括串聯連接並統稱為傳輸路徑228的多個導體228-1、228-2和228-3。根據實施例，導電傳輸路徑228是“不平衡”路徑，所述不平衡路徑被配置成攜帶不平衡RF信號(即，相對於地引用的單個RF信號)。在一些實施例中，一個或多個連接器(未示出，但各自具有公連接器部分和母連接器部分)可以沿著傳輸路徑228電耦接，並且連接器之間的傳輸路徑228的一部分可以包括同軸電纜或其它適合的連接器。此類連接示出在圖5中並且稍後描述(例如，包括連接器536、538和導體528-3，如連接器536、538之間的同軸電纜)。
如稍後將更加詳細地描述的，可變阻抗匹配電路270被配置成執行從上述中間阻抗到如通過負載264修改的除霜腔260的輸入阻抗的阻抗變換(例 如，大約幾百或幾千歐姆，如約1000歐姆到約4000歐姆或更大)。在實施例中，可變阻抗匹配網路270包括無源元件(例如，電感器、電容器、電阻器)的網路。
根據更具體的實施例，可變阻抗匹配網路270包括多個固定值集總電感器(例如，圖3、4的電感器312-314、454)，所述多個固定值集總電感器定位在腔260內並且電耦接到第一電極240。此外，可變阻抗匹配網路270包括多個可變電感網路(例如，圖3的網路310、311、315)，所述多個可變電感網路可以位於腔260內部或外部。根據另一個更具體的實施例，可變阻抗匹配網路270包括多個可變電容網路(例如，圖4的網路442、446)，所述多個可變電容網路可以位於腔260內部或外部。如稍後將更加詳細地描述的，每個可變電感網路或可變電容網路提供的電感值或電容值是使用來自系統控制器212的控制信號確立的。在任何情況下，通過改變可變阻抗匹配網路270在除霜操作過程中的狀態以動態地匹配不斷變化的腔加上負載阻抗，儘管除霜操作期間負載阻抗發生變化，但是負載264吸收的RF功率量可以維持在高水準。
在一些實施例中，非線性裝置(例如，氣體放電管、火花隙、瞬態電壓抑制(TVS)二極體等)可以跨可變阻抗匹配網路270的固定和可變元件(例如，單獨的電感器、單獨的電容器、集總電感器、集總電容器、可變電容器網路、可變電感器網路等)中的任何或所有組件並聯耦接。這些非線性裝置中的每個非線性裝置可以具有單獨的擊穿電壓，使得當跨給定非線性裝置的電壓(例如，以及因此跨與所述非線性裝置並聯耦接的固定或可變元件的電壓)超過所述非線性裝置的單獨擊穿電壓時，給定非線性裝置開始導電，從而迅速改變可變阻抗匹配電路270的阻抗。耦接到可變阻抗匹配電路270的特定元件的非線性裝置的擊穿電壓可以小於所述元件的最大工作電壓(例如，為其分數)，超過所述擊穿電壓時，所述元件處可能產生電弧，或者所述元件可能被損壞。例如，所述元件可以是額定最大工作電壓為1000V(或其它某個最大工作電壓)的電容器，並 且耦接到所述電容器的非線性裝置的擊穿電壓可以為900V(或小於非線性裝置被連接的裝置的工作電壓的其它某個擊穿電壓)，使得非線性裝置將在達到電容器的最大工作電壓之前開始導電並且改變可變阻抗匹配網路270的阻抗。系統控制器212可以檢測由超過非線性裝置的擊穿電壓引起的可變阻抗匹配網路270的阻抗的變化(例如，基於在RF信號源220處測得的S11參數和/或VSWR的變化率)，並且可以降低由RF信號源220供應的RF信號的功率或停止所述RF信號，使得不會超過電容器的最大工作電壓。
根據實施例，RF信號源220包括RF信號發生器222和功率放大器(例如，包括一個或多個功率放大器級224、225)。回應於系統控制器212通過連接214提供的控制信號，RF信號發生器222被配置成產生頻率在ISM(工業、科學和醫療)頻帶的振盪電信號，但是系統也可以被修改成支援在其它頻帶的操作。在各個實施例中，可以控制RF信號發生器222以產生不同功率電平和/或不同頻率的振盪信號。例如，RF信號發生器222可以產生處於VHF(甚高頻)範圍內(即，在介於約30.0兆赫(MHz)與約300MHz之間的範圍內)，和/或在約10.0MHz到約100MHz和/或約100MHz到約3.0千兆赫(GHz)的範圍內振盪的信號。一些期望頻率可以是例如13.56MHz(+/-5%)、27.125MHz(+/-5%)、40.68MHz(+/-5%)和2.45GHz(+/-5%)。在一個特定實施例中，例如，RF信號發生器222可以產生在約40.66MHz到約40.70MHz的範圍內振盪並且功率電平在約10分貝-毫瓦(dBm)到約15dBm範圍內的信號。可替換的是，振盪頻率和/或功率電平可以更低或更高。
在圖2的實施例中，功率放大器包括驅動器放大器級224和最終放大器級225。功率放大器被配置成從RF信號發生器222接收振盪信號並將信號放大以在功率放大器的輸出產生顯著更高功率信號。例如，輸出信號的功率電平可以在約100瓦到約400瓦或更高的範圍內。功率放大器施加的增益可以使用由電源和偏置電路系統226提供給每個放大器級224、225的閘極偏置電壓和/或汲極 電源電壓來控制。更具體地說，電源和偏壓電路系統226根據從系統控制器212接收的控制信號向每個RF放大器級224、225提供偏置電壓和電源電壓。
在實施例中，每個放大器級224、225被實施為功率電晶體，如場效應電晶體(FET)，所述功率電晶體具有輸入端(例如，閘極或控制端)和兩個載流端(例如，源極端和汲極端)。在各個實施例中，阻抗匹配電路(未示出)可以耦接到驅動器放大器級224的輸入(例如，閘極)，耦接在驅動器放大器級與最終放大器級225之間和/或耦接到最終放大器級225的輸出(例如，汲極端)。在實施例中，放大器級224、225的每個電晶體包括橫向擴散的金屬氧化物半導體FET(LDMOSFET)電晶體。然而，應注意，電晶體不旨在局限於任何特定的半導體技術，並且在其它實施例中，每個電晶體可以實現為氮化鎵(GaN)電晶體、另一種類型的MOSFET電晶體、雙極性結型電晶體(BJT)或利用另一種半導體技術的電晶體。
在圖2中，功率放大器佈置被描繪成包括以特定方式耦接到其它電路元件的兩個放大器級224、225。在其它實施例中，功率放大器佈置可以包括其它放大器拓撲和/或放大器佈置可以包括僅一個放大器級(例如，如圖5的放大器524的實施例所示)或多於兩個放大器級。例如，功率放大器佈置可以包括單端放大器、多爾蒂放大器、開關模式功率放大器(SMPA)或其它類型放大器的各種實施例。
除霜腔260和定位在除霜腔260內的任何負載264(例如，食物、液體等等)對通過第一電極240輻射到腔260中的電磁能(或RF功率)呈現累積負載。更具體地說，腔260和負載264向系統呈現阻抗，所述阻抗在本文中被稱為“腔加上負載阻抗”。在除霜操作期間，腔加上負載阻抗在負載264的溫度增加時改變。腔加上負載阻抗直接影響沿著RF信號源220與電極240之間的導電傳輸路徑228的反射信號功率的量值。在大多數情況下，期望將傳遞到腔260的信號功率 的量值最大化和/或將沿著導電傳輸路徑228的反射對前向信號功率比最小化。
在實施例中，為了使RF信號發生器222的輸出阻抗與腔加上負載阻抗至少部分地匹配，第一匹配電路234沿著傳輸路徑228電耦接。第一匹配電路234可以具有各種配置中的任何配置。根據實施例，第一匹配電路234包括固定元件(即，具有非可變元件值的元件)，但是在其它實施例中，第一匹配電路234可以包括一個或多個可變元件。例如，在各個實施例中，第一匹配電路234可以包括選自以下的任何一個或多個網路：電感/電容(LC)網路、串聯電感網路、並聯電感網路或帶通電路、高通電路和低通電路的組合。基本上，固定匹配電路234被配置成將阻抗升高到在RF信號發生器222的輸出阻抗與腔加上負載阻抗之間的中間水準。
根據實施例，功率檢測電路系統230沿著RF信號源220的輸出與電極240之間的傳輸路徑228耦接。在具體實施例中，功率檢測電路系統230形成RF子系統210的一部分並且在實施例中耦接到在第一匹配電路234的輸出與可變阻抗匹配網路270的輸入之間的導體228-2。在替代性實施例中，功率檢測電路系統230可以耦接到傳輸路徑228在RF信號源220的輸出與第一匹配電路234的輸入之間的部分228-1或耦接到傳輸路徑228在可變阻抗匹配網路270的輸出與第一電極240之間的部分228-3。
無論耦接在何處，功率檢測電路系統230均被配置成監測、測量或以其它方式檢測沿著RF信號源220與電極240之間的傳輸路徑228行進的反射信號(即，在從電極240到RF信號源220的方向上行進的反射RF信號)的功率。在一些實施例中，功率檢測電路系統230還被配置成檢測沿著RF信號源220與電極240之間的傳輸路徑228行進的前向信號(即，在從RF信號源220到電極240的方向上行進的前向RF信號)的功率。通過連接232，功率檢測電路系統230向系統控制器212供應信號，所述信號向系統控制器212傳送反射信號功率(以及在一些實施例 中前向信號功率)的量值。在傳送了前向信號功率量值和反射信號功率量值兩者的實施例中，系統控制器212可以計算反射對前向信號功率比或S11參數或VSWR值。如下文將更加詳細地描述的，當反射信號功率量值超過反射信號功率閾值或反射對前向信號功率比超過S11參數閾值或當VSWR值超過VSWR閾值時，這指示系統200不足以匹配腔加上負載阻抗並且腔260內的負載264吸收的能量可能是次優的。在此類情形中，系統控制器212編排了更改可變匹配網路270的狀態的過程以驅動反射信號功率或S11參數或VSWR值接近或低於期望水準(例如，低於反射信號功率閾值和/或反射對前向信號功率比閾值和/或S11參數閾值和/或VSWR閾值)，由此重新確立可接受的匹配並促進負載264的更優能量吸收。
在一些實施例中，系統控制器212和功率檢測電路系統230可以形成電弧檢測子系統的部分，並且系統控制器212和功率檢測電路系統230可以檢測與超過可變抗阻匹配電路270中的非線性裝置(例如，圖3、4的裝置1502、1504、1506、1508、1510、1512、1702、1704、1706、1708中的一個或多個裝置)的擊穿電壓相關聯的快速阻抗變化(例如，以系統控制器212根據功率檢測電路系統230進行的測量得出的S11參數、VSWR和/或電流的快速變化的形式)。例如，如果系統控制器212確定S11參數和/或VSWR值的變化率超過預定閾值，則系統200可以修改可變匹配電路270的元件值以試圖糾正電弧產生狀況或可替換的是可以減小RF信號發生器222的RF信號的功率或中斷所述RF信號的供應，以預防不受控制的電弧產生。
例如，系統控制器212可以通過控制路徑216向可變匹配電路270提供控制信號，所述控制信號使可變匹配電路270改變電路內的一個或多個元件的電感值、電容值和/或電阻值，由此調整電路270所提供的阻抗變換。調整可變匹配電路270的配置期望減小反射信號功率的量值，這對應於減小S11參數和/或VSWR的量值和增大負載264所吸收的功率。
如上文所討論的，使用可變阻抗匹配網路270來匹配除霜腔260加上負載264的腔加上負載阻抗以在可能的程度上將傳遞到負載264的RF功率最大化。在除霜操作開始時，除霜腔260和負載264的初始阻抗可能並不是準確地已知的。另外，負載264的阻抗在除霜操作期間在負載264升溫時改變。根據實施例，系統控制器212可以向可變阻抗匹配網路270提供控制信號，所述控制信號使可變阻抗匹配網路270的狀態修改。這使系統控制器212能夠確立可變阻抗匹配網路270在除霜操作開始時的初始狀態，所述初始狀態具有相對較低的反射對前向功率比並且因此負載264吸收的RF功率相對較高。此外，這使系統控制器212能夠修改可變阻抗匹配網路270的狀態使得可以在整個除霜操作中維持足夠的匹配，儘管負載264的阻抗發生了變化。
在圖3和4中示出了可變匹配網路270的配置的非限制性例子。例如，在各個實施例中，網路270可以包括選自以下的任何一個或多個電路：電感/電容(LC)網路、僅電感網路、僅電容網路或帶通電路、高通電路和低通電路的組合。在實施例中，可變匹配網路270包括單端網路(例如，圖3、4的網路300、400)。如稍後將更加詳細地描述的，可變匹配網路270提供的電感值、電容值和/或電阻值是使用來自系統控制器212的控制信號確立的，所述電感值、所述電容值和/或所述電阻值進而影響網路270提供的阻抗變換。在任何情況下，通過改變可變匹配網路270在除霜操作過程中的狀態以動態地匹配腔260加上腔260內的負載264的不斷變化的阻抗，可以在整個除霜操作過程中將系統效率維持在高水準。
可變匹配網路270可以具有廣泛的各種電路配置中的任何電路配置，並且此類配置的非限制性例子示出在圖3和4中。根據實施例，如圖3所例示的，可變阻抗匹配網路270可以包括無源元件的單端網路並且更具體地包括固定值電感器(例如，集總電感元件)和可變電感器(或可變電感網路)的網路。根據另 一個實施例，如圖4所例示的，可變阻抗匹配網路270可以包括無源元件的單端網路並且更具體地說包括可變電容器的網路(或可變電容網路)。如本文所使用的，術語“電感器”意指離散電感器或電耦接在一起而未介入其它類型的元件(例如，電阻器或電容器)的一組電感元件。類似地，術語“電容器”意指離散電容器或電耦接在一起而未介入其它類型的元件(例如，電阻器或電感器)的一組電容元件。
首先參考可變電感阻抗匹配網路實施例，圖3是根據示例實施例的單端可變阻抗匹配網路300(例如，圖2的可變阻抗匹配網路270)的示意圖。如下文將更加詳細地解釋的，可變阻抗匹配網路270基本上具有兩個部分：一部分用於匹配RF信號源(或末級功率放大器)；並且另一部分用於匹配腔加上負載。
根據實施例，可變阻抗匹配網路300包括輸入節點302、輸出節點304、第一可變電感網路310和第二可變電感網路311、以及多個固定值電感器312-315。當結合到除霜系統(例如，圖2的系統200)中時，輸入節點302電耦接到RF信號源(例如，圖2的RF信號源220)的輸出，並且輸出節點304電耦接到除霜腔(例如，圖2的除霜腔260)內的電極(例如，圖2的第一電極240)。
在實施例中，在輸入節點302與輸出節點304之間，可變阻抗匹配網路300包括第一串聯耦接的集總電感器312和第二串聯耦接的集總電感器314。在實施例中，在第一集總電感器312和第二集總電感器314可以設計用於相對較低的頻率(例如，約40.66MHz到約40.70MHz)操作和相對較高的功率(例如，約50瓦(W)到約500W)操作時，其尺寸和電感值均相對較大。例如，電感器312、314的值可以在約200毫微亨(nH)到約600nH的範圍內，但是在其它實施例中，所述電感器312、314的值可以更低和/或更高。
第一可變電感網路310是耦接在輸入節點302與接地參考端(例如，圖2的接地的外殼結構266)之間的第一並聯電感網路。根據實施例，第一可 變電感網路310可被配置成匹配如通過第一匹配電路(例如，圖2的電路234)修改的RF信號源(例如，圖2的RF信號源220)的阻抗或更具體地說匹配如通過第一匹配電路(例如，圖2的電路234)修改的末級功率放大器(例如，圖2的放大器225)的阻抗。因此，第一可變電感網路310可被稱為可變阻抗匹配網路300的“RF信號源匹配部分”。根據實施例，第一可變電感網路310包括具有電感元件的網路，所述電感元件可以選擇性地耦接在一起以提供在約10nH到約400nH的範圍內的電感，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電感值。
相比之下，可變阻抗匹配網路300的“腔匹配部分”由耦接在節點322與接地參考端之間的第二並聯電感網路316提供，所述節點322處於第一集總電感器312與第二集總電感器314之間。根據實施例，第二並聯電感網路316包括串聯耦接的第三集總電感器313和第二可變電感網路311，第三集總電感器313與第二可變電感網路311之間具有中間節點322。因為可以改變第二可變電感網路311的狀態以提供多個電感值，因此第二並聯電感網路316可被配置成最優地匹配腔加上負載(例如，圖2的腔260加上負載264)的阻抗。例如，電感器313的值可以在約400nH到約800nH的範圍內，但是在其它實施例中，所述電感器313的值可以更低和/或更高。根據實施例，第二可變電感網路311包括具有電感元件的網路，所述電感元件可以選擇性地耦接在一起以提供在約50nH到約800nH的範圍內的電感，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電感值。
最後，可變阻抗匹配網路300包括耦接在輸出節點304與接地參考端之間的第四集總電感器315。例如，電感器315的值可以在約400nH到約800nH的範圍內，但是在其它實施例中，所述電感器315的值可以更低和/或更高。
根據實施例，電弧檢測子系統的部分結合到網路300中。更具體地說，已經添加了非線性裝置1502、1504、1506、1508、1510和1512(例如，氣體放電管、火花隙和/或TVS二極體)，使得每當跨非線性裝置1502、1504、1506、 1508、1510和1512之一的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓時觸發快速阻抗變化。
非線性裝置1502可以與可變電感網路310並聯耦接。非線性裝置1504可以與電感312並聯耦接。非線性裝置1506可以與電感313並聯耦接。非線性裝置1508可以與可變電感網路311並聯耦接。非線性裝置1510可以與電感314並聯耦接。非線性裝置1512可以與電感315並聯耦接。非線性裝置1502、1504、1506、1508、1510和1512中的給定非線性裝置的擊穿電壓可以小於預計在與所述非線性裝置並聯的電路元件處可能產生電弧的電壓(例如，比所述電壓小某個規定的百分比，如比所述電壓小10%)。以此方式，非線性裝置將在其並聯電路元件處可能產生電弧之前從絕緣轉變為導電，從而引起電路300的阻抗的可檢測變化。例如，如果預計電感312在1000V下經歷電弧產生，則非線性裝置1504的擊穿電壓可以為900V。現成的氣體放電裝置的額定電壓的範圍為小於50V到超過8000V。所述電壓被選擇為向受保護元件的最大電壓提供一定裕度，或者如果所述非線性裝置連接在元件與接地之間，則為可以使電弧接地的電壓。這些電壓以及因此非線性裝置的額定值作為系統設計的一部分通過模擬或測試確定。
一組330集總電感器312-315可以形成模組的一部分，所述模組至少部分地物理地位於腔(例如，圖2的腔260)內或至少在外殼結構(例如，圖2的外殼結構266)的範圍內。這使集總電感器312-315產生的輻射能夠安全地容納在系統內，而不是輻射到周圍環境中。相比之下，在各個實施例中，腔或外殼結構內可以容納或可以不容納可變電感網路310、311。
根據實施例，圖3的可變阻抗匹配網路300的實施例包括“僅電感器”以便為除霜腔260加上負載264的輸入阻抗提供匹配。因此，網路300可被視為“僅電感器”匹配網路。如本文所使用的，當描述可變阻抗匹配網路的元件 時，短語“僅電感器(only inductors)”或“僅電感器(inductor-only)”意味著網路不包括具有顯著電阻值的離散電阻器或具有顯著電容值的離散電容器。在一些情況下，匹配網路的元件之間的導電傳輸線可以具有最小電阻和/或網路內可以存在最小寄生電容。此類最小電阻和/或最小寄生電容不應被解釋為將“僅電感器”網路的實施例轉換成還包括電阻器和/或電容器的匹配網路。然而，本領域技術人員應理解，可變阻抗匹配網路的其它實施例可以包括不同配置的僅電感器匹配網路以及包括離散電感器、離散電容器和/或離散電阻器的組合的匹配網路。
圖4是根據示例實施例的單端可變電容匹配網路400(例如，圖2的可變阻抗匹配網路270)的示意圖，所述單端可變電容匹配網路400可以代替可變電感阻抗匹配網路300(圖3)實施。根據實施例，可變阻抗匹配網路400包括輸入節點402、輸出節點404、第一可變電容網路442和第二可變電容網路446以及至少一個電感器454。當結合到除霜系統(例如，圖2的系統200)中時，輸入節點402電耦接到RF信號源(例如，圖2的RF信號源220)的輸出，並且輸出節點404電耦接到除霜腔(例如，圖2的除霜腔260)內的電極(例如，圖2的第一電極240)。
在實施例中，在輸入節點402與輸出節點404之間，可變阻抗匹配網路400包括與電感器454串聯耦接的第一可變電容網路442和耦接在中間節點451與接地參考端(例如，圖2的接地的外殼結構266)之間的第二可變電容網路446。在實施例中，電感器454可以被設計用於相對低頻率(例如，約40.66MHz到約40.70MHz)和高功率(例如，約50W到約500W)操作。例如，電感器454的值可以在約200nH到約600nH的範圍內，但是在其它實施例中，所述電感器454的值可以更低和/或更高。根據實施例，電感器454是固定值集總電感器(例如，線圈)。在其它實施例中，電感器454的電感值可以是可變的。
第一可變電容網路442耦接在輸入節點402與中間節點451之間，並 且第一可變電容網路442可以意指可變阻抗匹配網路400的“串聯匹配部分”。根據實施例，第一可變電容網路442包括與第一可變電容器444並聯耦接的第一固定值電容器443。在實施例中，第一固定值電容器443的電容值可以在約1微微法(pF)到約100pF的範圍內。第一可變電容器444可以包括可以選擇性地耦接起來以提供在0pF到約100pF的範圍內的電容的電容元件的網路。因此，第一可變電容網路442提供的總電容值可以在約1pF到約200pF的範圍內，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電容值。
可變阻抗匹配網路400的“並聯匹配部分”由第二可變電容網路446提供，所述第二可變電容網路446耦接在節點451(位於第一可變電容網路442與集總電感器454之間)與接地參考端之間。根據實施例，第二可變電容網路446包括與第二可變電容器448並聯耦接的第二固定值電容器447。在實施例中，第二固定值電容器447的電容值可以在約1pF到約100pF的範圍內。第二可變電容器448可以包括可以選擇性地耦接起來以提供在0pF到約100pF的範圍內的電容的電容元件的網路。因此，第二可變電容網路446提供的總電容值可以在約1pF到約200pF的範圍內，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電容值。可以改變第一可變電容網路442和第二可變電容網路446的狀態以提供多個電容值，並且因此所述狀態可以是可配置的，以將腔加上負載(例如，圖2的腔260加上負載264)的阻抗與RF信號源(例如，圖2的RF信號源220)最佳地匹配。
根據實施例，電弧檢測子系統的部分結合到網路400中。更具體地說，已經添加了非線性裝置1702、1704、1706和1708(例如，氣體放電管、火花隙和/或TVS二極體)，使得每當跨非線性裝置1702、1704、1706和1708之一的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓時觸發快速阻抗變化。
非線性裝置1702可以與可變電容網路442並聯耦接。非線性裝置1704可以與可變電容網路446並聯耦接。非線性裝置1706可以與電感454並聯耦 接。非線性裝置1702、1704和1706中的給定非線性裝置的擊穿電壓可以小於預計在與所述非線性裝置並聯的電路元件處可能產生電弧的電壓(例如，比所述電壓小某個規定的百分比，如比所述電壓小10%)。以此方式，非線性裝置將在其並聯電路元件處可能產生電弧之前從絕緣轉變為導電，從而引起電路400的阻抗的可檢測變化。例如，如果預計可變電容網路442在1000V下經歷電弧產生，則非線性裝置1702的擊穿電壓可以為900V。現成的氣體放電裝置的額定電壓的範圍為小於50V到超過8000V。所述電壓被選擇為向受保護元件的最大電壓提供一定裕度，或者如果所述非線性裝置連接在元件與接地之間，則為可以使電弧接地電壓。這些電壓以及因此非線性裝置的額定值作為系統設計的一部分通過模擬或測試確定。
在一些實施例中，可能有在輸出節點404處，在與所述輸出節點連接的電極(例如，圖2的第一電極240)與附近接地結構(例如，外殼結構266)之間產生電弧的風險。為了預防此類電弧產生，可以將非線性裝置1708耦接在節點404與接地之間。以此方式，在節點404處累積的過多電壓(例如，超過非線性裝置1708的擊穿電壓)可以引起網路400的阻抗的可檢測變化。
與圖2-4相關聯的描述詳細討論了“不平衡”除霜設備，在所述不平衡除霜設備中，將RF信號施加到一個電極(例如，圖2的電極240)並且將另一個“電極”(例如，圖2的外殼結構266)接地。如上所述，除霜設備的替代性實施例包括“平衡”除霜設備。在此類設備中，向所述兩個電極提供平衡RF信號。
例如，圖5是根據示例實施例的平衡除霜系統500(例如，圖1的除霜系統100、圖2的除霜系統210、220)的簡化框圖。在實施例中，除霜系統500包括RF子系統510、除霜腔560、使用者介面580、系統控制器512、RF信號源520、電源和偏置電路系統526、可變阻抗匹配網路570、兩個電極540、550、以及功率檢測電路系統530。此外，在其它實施例中，除霜系統500可以包括(多個)溫度 感測器、(多個)紅外(IR)感測器和/或(多個)重量感測器590，但是這些感測器元件中的一些或全部可以不包括在內。應理解，出於解釋和易於描述的目的，圖5是除霜系統500的簡化表示，並且實際實施例可以包括其它裝置和元件以提供額外的功能和特徵，和/或除霜系統500可以是更大的電氣系統的一部分。
使用者介面580可以對應於控制台(例如，圖1的控制台120)，例如，所述控制台使用者能夠向系統提供關於除霜操作(例如，待除霜負載的特性等等)、啟動和取消按鈕、機械控制項(例如，門/抽屜開閂)等等的參數的輸入。此外，使用者介面可以被配置成提供指示除霜操作的狀態的使用者可感知輸出(例如，倒計時計時器、指示除霜操作的進展或完成的可視標記和/或指示除霜操作的完成的可聽音)和其它資訊。
在實施例中，RF子系統510包括系統控制器512、RF信號源520、第一阻抗匹配電路534(在本文中為“第一匹配電路”)、電源和偏置電路系統526以及功率檢測電路系統530。系統控制器512可以包括一個或多個通用或專用處理器(例如，微處理器、微控制器、ASIC等等)、易失性和/或非易失性記憶體(例如，RAM、ROM、快閃記憶體、各種寄存器等等)、一個或多個通信匯流排以及其它元件。根據實施例，系統控制器512可操作且通信地耦接到使用者介面580、RF信號源520、電源和偏置電路系統526、功率檢測電路系統530(或530'或530")、可變匹配子系統570以及(多個)感測器590(如果包括的話)。系統控制器512被配置成接收指示通過使用者介面580接收的使用者輸入的信號，從功率檢測電路系統530(或530'或530")接收指示RF信號反射功率(以及可能RF信號前向功率)的信號，並且從(多個)感測器590接收感測器信號。回應於接收到的信號和測量結果並且如稍後將更加詳細地描述的，系統控制器512向電源和偏置電路系統526和/或向RF信號源520的RF信號發生器522提供控制信號。此外，系統控制器512向可變匹配子系統570(通過路徑516)提供控制信號，所述控制信號使子系統570改 變子系統570的可變阻抗匹配電路572(在本文中為“可變匹配電路”)的狀態或配置。
除霜腔560包括電容除霜佈置，所述電容除霜佈置具有通過空氣腔分開的第一平行板電極540和第二平行板電極550，所述空氣腔內可以放置待除霜的負載564。在外殼結構566內，第一電極540和第二電極550(例如，圖1的電極170、172)以相對於彼此固定的物理關係定位在內部除霜腔560(例如，圖1的內腔110)的任一側。根據實施例，電極540、550之間的距離為552使腔560在實施例中成為子諧振腔。
第一電極540和第二電極550跨腔560分開某一距離552。在各個實施例中，距離552在約0.10米到約1.0米的範圍內，但是距離也可以更小或更大。根據實施例，距離552小於RF子系統510產生的RF信號的一個波長。換句話說，如上所述，腔560是子諧振腔。在一些實施例中，距離552小於RF信號的一個波長的約一半。在其它實施例中，距離552小於RF信號的一個波長的約四分之一。在仍其它實施例中，距離552小於RF信號的一個波長的約八分之一。在仍其它實施例中，距離552小於RF信號的一個波長的約50分之一。在仍其它實施例中，距離552小於RF信號的一個波長的約100分之一。
通常，設計用於較低操作頻率(例如，介於10MHz與100MHz之間的頻率)的系統500可以被設計成具有為一個波長的較小分數的距離552。例如，當系統500被設計成產生操作頻率為約10MHz(對應於約30米的波長)的RF信號並且距離552被選擇為約0.5米時，距離552是RF信號的一個波長的約60分之一。相反，當系統500被設計用於約300MHz的操作頻率(對應於約1米的波長)並且距離552被選擇為約0.5米時，距離552是RF信號的一個波長的約一半。
在電極540、550之間操作頻率和的距離552被選擇成限定子諧振內腔560的情況下，第一電極540和第二電極550電容性地耦接。更具體地說，第一 電極540可以類推為電容器的第一板，第二電極550可以類推為電容器的第二板，並且負載564、屏障562以及腔560內的空氣可以類推為電容器電介質。因此，第一電極540可替代地在本文中可被稱為“陽極”，並且第二電極550可替代地在本文中可被稱為“陰極”。
基本上，跨第一電極540和第二電極550的電壓加熱腔560的負載564。根據各個實施例，RF子系統510被配置成生成RF信號以跨電極540、550產生在一個實施例中在約50伏特到約3000伏特的範圍內或在另一個實施例中在約3000伏特到約10,000伏特的範圍內的電壓，但是系統也可以被配置成跨電極540、550產生更低或更高的電壓。
RF子系統510的輸出以及更具體地說RF信號源520的輸出通過導電傳輸路徑電耦接到可變匹配子系統570，所述導電傳輸路徑包括串聯耦接並且統稱為傳輸路徑528的多個導體528-1、528-2、528-3、528-4和528-5。根據實施例，導電傳輸路徑528包括“不平衡”部分和“平衡”部分，其中“不平衡”部分被配置成攜帶不平衡RF信號(即，相對於地引用的單個RF信號)，並且“平衡”部分被配置成攜帶平衡RF信號(即，相對於彼此引用的兩個信號)。傳輸路徑528的“不平衡”部分可以包括RF子系統510內的不平衡第一導體528-1和不平衡第二導體528-2、一個或多個連接器536、538(各自具有公連接器部分和母連接器部分)以及電耦接在連接器536、538之間的不平衡第三導體528-3。根據實施例，第三導體528-3包括同軸電纜，但是電氣長度也可以更短或更長。在替代性實施例中，可變匹配子系統570可以與RF子系統510一起被容置，並且在此類實施例中，導電傳輸路徑528可以不包括連接器536、538和第三導體528-3。無論哪種方式，在實施例中，導電傳輸路徑528的“平衡”部分包括可變匹配子系統570內的平衡第四導體528-4以及電耦接在可變匹配子系統570與電極540、550之間的平衡第五導體528-5。
如圖5所示，可變匹配子系統570容置有被配置成以下的設備：在設備的輸入處通過傳輸路徑的不平衡部分(即，包括不平衡導體528-1、528-2和528-3的部分)從RF信號源520接收不平衡RF信號；將不平衡RF信號轉換成兩個平衡RF信號(例如，相位差在120度與240度之間如約180度的兩個RF信號)；以及在設備的兩個輸出處產生所述兩個平衡RF信號。例如，在實施例中，轉換設備可以是平衡-不平衡轉換器574。平衡RF信號通過平衡導體528-4傳送到可變匹配電路572並且通過平衡導體528-5最終傳送到電極540、550。
在替代性實施例中，如圖5中心的虛線框所示並且如下文將更加詳細地討論的，替代性RF信號發生器520，可以在平衡導體528-1'上產生平衡RF信號，所述平衡導體528-1'可以直接耦接到可變匹配電路572(或通過各種中間導體和連接器耦接)。在此類實施例中，平衡-不平衡轉換器574可以不包括在系統500內。無論哪種方式，如下文將更加詳細地描述的，雙端可變匹配電路572(例如，圖6、7的可變匹配電路600、700)被配置成接收平衡RF信號(例如，通過連接528-4或528-1')、執行與雙端可變匹配電路572的當時電流配置相對應的阻抗變換並且通過連接528-5向第一電極540和第二電極550提供平衡RF信號。
根據實施例，RF信號源520包括RF信號發生器522和功率放大器524(例如，包括一個或多個功率放大器級)。回應於系統控制器512通過連接514提供的控制信號，RF信號發生器522被配置成產生頻率在ISM(工業、科學和醫療)頻帶內的振盪電信號，但是系統也可以被修改成支援在其它頻帶的操作。在各個實施例中，可以控制RF信號發生器522以產生不同功率電平和/或不同頻率的振盪信號。例如，RF信號發生器522可以產生處於VHF範圍內(即，在介於約30.0MHz與約300MHz之間的範圍內)，和/或在約10.0MHz到約100MHz的範圍內和/或在約100MHz到約3.0GHz的範圍內振盪的信號。一些期望頻率可以是例如13.56MHz(+/-5%)、27.125MHz(+/-5%)、40.68MHz(+/-5%)和2.45GHz(+/-5%)。 可替換的是，振盪頻率可以低於或高於上述給定範圍或值。
功率放大器524被配置成從RF信號發生器522接收振盪信號並將信號放大以在功率放大器524的輸出處產生顯著更高功率信號。例如，輸出信號的功率電平可以在約100瓦到約400瓦或更大的範圍內，但是功率電平也可以更低或更高。功率放大器524施加的增益可以使用電源和偏置電路系統526提供給放大器524的一個或多個級的閘極偏置電壓和/或汲極偏置電壓來控制。更具體地說，電源和偏置電路系統526根據從系統控制器512接收的控制信號向每個RF放大器級的輸入和/或輸出(例如，閘極和/或汲極)提供偏置電壓和電源電壓。
功率放大器可以包括一個或多個放大級。在實施例中，放大器524的每個級被實施為功率電晶體，如FET，所述功率電晶體具有輸入端(例如，閘極或控制端)和兩個載流端(例如，源極端和汲極端)。在各個實施例中，阻抗匹配電路(未示出)可以耦接到一些或所有放大器級的輸入(例如，閘極)和/或輸出(例如，汲極端)。在實施例中，放大器級的每個電晶體均包括LDMOS FET。然而，應注意，電晶體不旨在局限於任何特定的半導體技術，並且在其它實施例中，每個電晶體可以實現為GaN電晶體、另一種類型的MOS FET電晶體、BJT或利用另一種半導體技術的電晶體。
在圖5中，功率放大器佈置524被描繪為包括以特定方式耦接到其它電路元件的一個放大器級。在其它實施例中，功率放大器佈置524可以包括其它放大器拓撲和/或放大器佈置可以包括兩個或更多個放大器級(例如，如圖2的放大224/225的實施例所示)。例如，功率放大器佈置可以包括以下各個實施例：單端放大器、雙端(平衡)放大器、推挽放大器多爾蒂放大器、開關模式功率放大器(SMPA)或另一種類型的放大器。
例如，如圖5的中心的虛線框所指示的，替代性RF信號發生器520'可以包括推挽或平衡放大器524'，所述推挽或平衡放大器被配置成在輸入處從RF 信號發生器522接收不平衡RF信號，將不平衡RF信號放大並且在放大器524'的兩個輸出處產生兩個平衡RF信號，其中所述兩個平衡RF信號此後通過導體528-1'傳送到電極540、550。在此類實施例中，平衡-不平衡轉換器574可以不包括在系統500內，並且導體528-1'可以直接連接到可變匹配電路572(或通過多個同軸電纜和連接器或其它多導體結構連接)。
除霜腔560和定位在除霜腔560中的任何負載564(例如，食物、液體等等)對通過電極540、550輻射到內室562中的電磁能量(或RF功率)呈現累積負載。更具體地說且如前所述，除霜腔560和負載564向系統呈現阻抗，所述阻抗在本文中被稱為“腔加上負載阻抗”。在除霜操作期間，腔加上負載阻抗在負載564的溫度增加時改變。腔加上負載阻抗直接影響沿著RF信號源520與電極540、550之間的導電傳輸路徑528的反射信號功率的量值。在大多數情況下，期望將傳遞到腔560的信號功率的量值最大化和/或將沿著導電傳輸路徑528的反射對前向信號功率比最小化。
在實施例中，為了使RF信號發生器520的輸出阻抗與腔加上負載阻抗至少部分地匹配，第一匹配電路534沿著傳輸路徑528電耦接。第一匹配電路534被配置成執行從RF信號源520的阻抗(例如，小於約10歐姆)到中間阻抗(例如，50歐姆、75歐姆或其它某個值)的阻抗變換。第一匹配電路534可以具有各種配置中的任何配置。根據實施例，第一匹配電路534包括固定元件(即，具有非可變元件值的元件)，但是在其它實施例中，第一匹配電路534可以包括一個或多個可變元件。例如，在各個實施例中，第一匹配電路534可以包括選自以下的任何一個或多個網路：電感/電容(LC)網路、串聯電感網路、並聯電感網路或帶通電路、高通電路和低通電路的組合。基本上，第一匹配電路534被配置成將阻抗升高到在RF信號發生器520的輸出阻抗與腔加上負載阻抗之間的中間水準。
根據實施例且如上所述，功率檢測電路系統530沿著RF信號源520 的輸出與電極540、550之間的傳輸路徑528耦接。在具體實施例中，功率檢測電路系統530形成RF子系統510的一部分並且耦接到在RF信號源520與連接器536之間的導體528-2。在替代性實施例中，功率檢測電路系統530可以耦接到傳輸路徑528的任何其它部分，如導體528-1、導體528-3、在RF信號源520(或平衡-不平衡轉換器574)與可變匹配電路572之間的導體528-4(即，如用功率檢測電路系統530'指示的)或在可變匹配電路572與(多個)電極540、550之間的導體528-5(即，如用功率檢測電路系統530"指示的)。出於簡潔的目的，功率檢測電路系統在本文中用參考號530指代，但是如參考號530'和530"所指示的，電路系統可以定位在其它位置。
無論耦接在何處，功率檢測電路系統530均被配置成監測、測量或以其它方式檢測沿著RF信號源520與(多個)電極540、550中的一個或兩個之間的傳輸路徑528行進的反射信號(即，在從(多個)電極540、550到RF信號源520的方向上行進的反射RF信號)的功率。在一些實施例中，功率檢測電路系統530還被配置成檢測沿著RF信號源520與(多個)電極540、550之間的傳輸路徑528行進的前向信號(即，在從RF信號源520到(多個)電極540、550的方向上行進的前向RF信號)的功率。
通過連接532，功率檢測電路系統530向系統控制器512供應信號，所述信號傳送反射信號功率的測量量值以及在一些實施例中還有前向信號功率的測量量值。在傳送了前向信號功率量值和反射信號功率量值兩者的實施例中，系統控制器512可以計算反射對前向信號功率比或S11參數和/或VSWR值。如下文將更加詳細地描述的，當反射信號功率量值超過反射信號功率閾值或反射對前向信號功率比超過S11參數閾值或當VSWR值超過VSWR閾值時，這指示系統500不足以匹配腔加上負載阻抗並且腔560內的負載564吸收的能量可能是次優的。在此類情形中，系統控制器512編排了更改可變匹配電路572的狀態的 過程以驅動反射信號功率或S11參數或VSWR值接近或低於期望水準(例如，低於反射信號功率閾值和/或反射對前向信號功率比閾值和/或VSWR閾值)，由此重新確立可接受的匹配並促進負載564的更優能量吸收。
在一些實施例中，系統控制器512和功率檢測電路系統530可以檢測與超過可變阻抗匹配電路570中的非線性裝置的擊穿電壓相關聯的快速阻抗變化(例如，以系統控制器512根據功率檢測電路系統530進行的測量得出的S11參數、VSWR和/或電流的快速變化的形式)。例如，如果系統控制器512確定S11參數和/或VSWR值的變化率超過預定閾值(其可能指示電弧產生狀況)，則系統500可以修改可變匹配電路572的元件值，以試圖糾正電弧產生狀況或可替換的是可以減小RF信號源520的RF信號的功率或中斷或修改所述RF信號的供應(例如，通過降低其功率)，以預防不受控制的電弧產生。
更具體地說，系統控制器512可以通過控制路徑516向可變匹配電路572提供控制信號，所述控制信號使可變匹配電路572改變電路內的一個或多個元件的電感值、電容值和/或電阻值，由此調整電路572所提供的阻抗變換。調整可變匹配電路572的配置期望減小反射信號功率的量值，這對應於減小S11參數和/或VSWR值的量值和增大負載564所吸收的功率。
如上文所討論的，使用可變匹配電路572來匹配除霜腔560加上負載564的輸入阻抗以在可能的程度上將傳遞到負載564的RF功率最大化。在除霜操作開始時，除霜腔560和負載564的初始阻抗可能並不是準確地已知的。另外，負載564的阻抗在除霜操作期間在負載564升溫時改變。根據實施例，系統控制器512可以向可變匹配電路572提供控制信號，所述控制信號使可變匹配電路572的狀態修改。這使系統控制器512能夠確立可變匹配電路572在除霜操作開始時的初始狀態，所述初始狀態具有相對較低的反射對前向功率比並且因此負載564吸收的RF功率相對較高。此外，這使系統控制器512能夠修改可變匹配電路572 的狀態使得可以在整個除霜操作中維持足夠的匹配，儘管負載564的阻抗發生了變化。
可變匹配電路572可以具有各種配置中的任何配置。例如，在各個實施例中，電路572可以包括選自以下的任何一個或多個電路：電感/電容(LC)網路、僅電感網路、僅電容網路或帶通電路、高通電路和低通電路的組合。在可變匹配電路572實施在傳輸路徑528的平衡部分中的實施例中，可變匹配電路572是具有兩個輸入和兩個輸出的雙端電路。在可變匹配電路實施在傳輸路徑528的不平衡部分中的替代性實施例中，可變匹配電路可以是具有單個輸入和單個輸出的單端電路(例如，類似於圖3、4的匹配電路300或400)。根據更具體的實施例，可變匹配電路572包括可變電感網路(例如，圖6的雙端網路600)。根據另一個更具體的實施例，可變匹配電路572包括可變電容網路(例如，圖7的雙端網路700)。在仍其它實施例中，可變匹配電路572可以包括可變電感元件和可變電容元件兩者。如稍後將更加詳細地描述的，通過來自系統控制器512的控制信號來確立由可變匹配電路572提供的電感值、電容值和/或電阻值，所述電感值、所述電容值和/或所述電阻值進而影響電路572提供的阻抗變換。在任何情況下，通過改變可變匹配電路572在處理操作過程中的狀態以動態地匹配腔560加上腔560內的負載564的不斷變化的阻抗，可以在整個除霜操作中將系統效率維持在高水準。
在一些實施例中，非線性裝置(例如，氣體放電管、火花隙、TVS二極體等)可以跨可變阻抗匹配網路572的固定和可變元件(例如，單獨的電感器、單獨的電容器、集總電感器、集總電容器、可變電容器網路、可變電感器網路等)中的任何或所有組件並聯耦接。這些非線性裝置中的每個非線性裝置可以具有單獨的擊穿電壓，使得當跨給定非線性裝置的電壓(例如，以及因此跨與所述非線性裝置並聯耦接的固定或可變元件的電壓)超過所述非線性裝置的單獨 擊穿電壓時，給定非線性裝置開始導電，從而迅速改變可變阻抗匹配網路572的阻抗。耦接到可變阻抗匹配網路572的特定元件的非線性裝置的擊穿電壓可以小於所述元件的最大工作電壓(例如，為其分數)，超過所述擊穿電壓時，所述元件處可能產生電弧，或者所述元件可能被損壞。例如，所述元件可以是額定最大工作電壓為1000V的電容器，並且耦接到所述電容器的非線性裝置的擊穿電壓可以為900V，使得非線性裝置將在達到電容器的最大工作電壓之前開始導電並且改變可變阻抗匹配網路572的阻抗。系統控制器512可以檢測到由超過非線性裝置的擊穿電壓引起的可變阻抗匹配網路572的阻抗的變化(例如，基於在RF信號源520處測得的S11參數和/或VSWR值的變化率)，並且可以使由RF信號源520供應的RF信號的功率降低或停止，使得不會超過電容器的最大工作電壓。
可變匹配電路572可以具有廣泛的各種電路配置中的任何電路配置，並且此類配置的非限制性例子示出在圖6和7中。例如，圖6是根據示例實施例的可以結合到除霜系統(例如，圖1、5的系統100、500)中的雙端可變阻抗匹配電路600的示意圖。根據實施例，可變匹配電路600包括具有固定值和可變無源元件的網路。
電路600包括雙端輸入601-1、601-2(被稱為輸入601)、雙端輸出602-1、602-2(被稱為輸出602)和以梯形佈置連接在輸入601與輸出602之間的無源元件的網路。例如，當連接到系統500中時，第一輸入601-1可以連接到平衡導體528-4的第一導體，並且第二輸入601-2可以連接到平衡導體528-4的第二導體。類似地，第一輸出602-1可以連接到平衡導體528-5的第一導體，並且第二輸出602-2可以連接到平衡導體528-5的第二導體。
在圖6所示的具體實施例中，電路600包括串聯連接在輸入601-1與輸出602-1之間的第一可變電感器611和第一固定電感器615、串聯連接在輸入601-2與輸出602-2之間的第二可變電感器616和第二固定電感器620、連接在輸入 601-1與601-2之間的第三可變電感器621以及連接在節點625與626之間的第三固定電感器624。
根據實施例，第三可變電感器621對應於“RF信號源匹配部分”，所述RF信號源匹配部分可被配置成匹配如通過第一匹配電路(例如，圖5的電路534)修改的RF信號源(例如，圖5的RF信號源520)的阻抗，或更具體地匹配如通過第一匹配電路(例如，圖5的電路534)修改的末級功率放大器(例如，圖5的放大器524)的阻抗。根據實施例，第三可變電感器621包括具有電感元件的網路，所述電感元件可以選擇性地耦接在一起以提供在約5nH到約200nH的範圍內的電感，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電感值。
相比之下，可變阻抗匹配網路600的“腔匹配部分”由第一可變電感器611和第二可變電感器616以及固定電感器615、620和624提供。因為可以改變第一可變電感器611和第二可變電感器616的狀態以提供多個電感值，因此第一可變電感器611和第二可變電感器616可被配置成最優地匹配腔加上負載(例如，圖5的腔560加上負載564)的阻抗。例如，在其它實施例中，電感器611、616各自可以具有在約10nH到約200nH的範圍內的值，但是所述電感器的值可以更低和/或更高。
固定電感器615、620、624還可以具有在約50nH到約800nH的範圍內的電感值，但是電感值也可以更低和/或更高。在各個實施例中，電感器611、615、616、620、621、624可以包括離散電感器、分佈電感器(例如，印刷線圈)、接合線、傳輸線和/或其它電感元件。在實施例中，可變電感器611和616以配對的方式操作，這意味著所述可變電感器的電感值在操作期間被控制成在任何給定時間均彼此相等以確保傳送到輸出602-1和602-2的RF信號是平衡的。
如上文所討論的，可變匹配電路600是被配置成沿著傳輸路徑528的平衡部分連接(例如，在連接器528-4與528-5之間)的雙端電路，並且其它實施 例可以包括被配置成沿著傳輸路徑528的不平衡部分連接的單端(即，一個輸入和一個輸出)可變匹配電路。
通過改變電路600中的電感器611、616、621的電感值，系統控制器512可以增大或減小電路600提供的阻抗變換。期望的是，電感值變化提高RF信號源520與腔加上負載阻抗之間的整體阻抗匹配，這應當導致反射信號功率和/或反射對前向信號功率比降低。在大多數情況下，系統控制器512可以力圖將電路600配置成處於這樣的狀態：在腔560中達到最大電磁場強度和/或由負載564吸收最大功率量和/或由負載564反射最小功率量。
根據實施例，電弧檢測子系統的部分結合到網路600中。更具體地說，已經添加了非線性裝置1602、1604、1606、1608、1610、1612和1614(例如，氣體放電管、火花隙和/或TVS二極體)，使得每當跨非線性裝1602、1604、1606、1608、1610、1612和1614之一的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓時觸發快速阻抗變化。
非線性裝置1602可以與可變電感網路621並聯耦接。非線性裝置1604可以與電感611並聯耦接。非線性裝置1606可以與電感615並聯耦接。非線性裝置1608可以與可變電感網路624並聯耦接。非線性裝置1610可以與電感616並聯耦接。非線性裝置1612可以與電感620並聯耦接。非線性裝置1602、1604、1606、1608、1610和1612中的給定非線性裝置的擊穿電壓可以小於預計在與所述非線性裝置並聯的電路元件處可能產生電弧的電壓(例如，比所述電壓小某個規定的百分比，如比所述電壓小10%)。以此方式，非線性裝置將在其並聯電路元件處可能產生電弧之前從絕緣轉變為導電，從而引起電路600的阻抗的可檢測變化。例如，如果預計電感615在1000V下經歷電弧產生，則非線性裝置1606的擊穿電壓可以為900V。現成的氣體放電裝置的額定電壓的範圍為小於50V到超過8000V。所述電壓被選擇為向受保護元件的最大電壓提供一定裕度，或者如 果所述非線性裝置連接在元件與接地之間，則為可以使電弧接地的電壓。這些電壓以及因此非線性裝置的額定值作為系統設計的一部分通過模擬或測試確定。
除了在電路元件處或跨電路元件產生電弧之外，有時可能在網路600的元件連接、傳輸線或其它導電部分緊挨著接地結構(例如，圖2、5、11的外殼結構266、566、1150)的位置處產生電弧，這是由於在兩者之間可能形成強電場。因此，還可以將非線性裝置耦接在這種傳輸線與對應的接地結構之間，使得可以防止兩者之間產生電弧。例如，如果節點626由於靠近接地結構而有經歷電弧產生的風險，則可以將非線性裝置1614耦接在節點626與接地端之間，使得在節點626處累積的過多電壓(例如，超過非線性裝置1614的擊穿電壓)可以引起網路600的阻抗的可檢測變化。
圖7是根據另一個示例實施例的可以結合到除霜系統(例如，圖1、5的系統100、500)中的雙端可變阻抗匹配電路700的示意圖。與匹配電路600(圖6)一樣，根據實施例，可變匹配電路700包括具有固定值和可變無源元件的網路。
電路700包括雙端輸入701-1、701-2(被稱為輸入701)、雙端輸出702-1、702-2(被稱為輸出702)和連接在輸入701與輸出702之間的無源元件的網路。例如，當連接到系統500中時，第一輸入701-1可以連接到平衡導體528-4的第一導體，並且第二輸入701-2可以連接到平衡導體528-4的第二導體。類似地，第一輸出702-1可以連接到平衡導體528-5的第一導體，並且第二輸出702-2可以連接到平衡導體528-5的第二導體。
在圖7所示的具體實施例中，電路700包括串聯連接在輸入701-1與輸出702-1之間的第一可變電容網路711和第一電感器715、串聯連接在輸入701-2與輸出702-2之間的第二可變電容網路716和第二電感器720、以及連接在節點725與726之間的第三可變電容網路721。在實施例中，在電感器715、720可以設計 用於相對較低的頻率(例如，約40.66MHz到約40.70MHz)操作和相對較高的功率(例如，約50W到約500W)操作時，所述電感器715、720的尺寸和電感值均相對較大。例如，在其它實施例中，電感器715、720各自可以具有在約100nH到約1000nH的範圍內(例如，在約200nH到約600nH的範圍內)的值，但是所述電感器的值可以更低和/或更高。根據實施例，電感器715、720是固定值集總電感器(例如，在其它實施例中，線圈、離散電感器、分佈電感器(例如，印刷線圈)、接合線、傳輸線和/或其它電感元件)。在其它實施例中，電感器715、720的電感值可以是可變的。在實施例中，在任何情況下，電感器715、720的電感值永遠(當電感器715、720是固定值時)或在任何給定時間(當電感器715、720可變時，所述電感器以配對的方式操作)是基本上相同的。
第一可變電容網路711和第二可變電容網路716對應於電路700的“串聯匹配部分”。根據實施例，第一可變電容網路711包括與第一可變電容器713並聯耦接的第一固定值電容器712。在實施例中，第一固定值電容器712的電容值可以在約1pF到約100pF的範圍內。如先前結合圖5B描述的，第一可變電容器713可以包括可以選擇性地耦接起來以提供在0pF到約100pF的範圍內的電容的電容元件的網路。因此，第一可變電容網路711提供的總電容值可以在約1pF到約200pF的範圍內，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電容值。
類似地，第二可變電容網路716包括與第二可變電容器718並聯耦接的第二固定值電容器717。在實施例中，第二固定值電容器717的電容值可以在約1pF到約100pF的範圍內。如先前結合圖5B描述的，第二可變電容器718可以包括可以選擇性地耦接起來以提供在0pF到約100pF的範圍內的電容的電容元件的網路。因此，第二可變電容網路716提供的總電容值可以在約1pF到約200pF的範圍內，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電容值。
在實施例中，在任何情況下，為了確保向輸出702-1和702-2提供 的信號的平衡，將第一可變電容網路711和第二可變電容網路716的電容值控制為在任何給定時間都基本上相同。例如，第一可變電容器713和第二可變電容器718的電容值可以被控制成使得第一可變電容網路711和第二可變電容網路716的電容值在任何給定時間基本上相同。第一可變電容器713和第二可變電容器718以配對方式操作，這意味著所述第一可變電容器和所述第二可變電容器在操作期間的電容值在任何給定時間被控制成確保傳送到輸出702-1和702-2的RF信號是平衡的。在一些實施例中，第一固定值電容器712和第二固定值電容器717的電容值可以基本上相同，但是在其它實施例中，所述電容值可以不同。
可變阻抗匹配網路700的“並聯匹配部分”由第三可變電容網路721和固定電感器715、720提供。根據實施例，第三可變電容網路721包括與第三可變電容器724並聯耦接的第三固定值電容器723。在實施例中，第三固定值電容器723的電容值可以在約1pF到約500pF的範圍內。如先前結合圖5B描述的，第三可變電容器724可以包括可以選擇性地耦接起來以提供在0pF到約200pF的範圍內的電容的電容元件的網路。因此，第三可變電容網路721提供的總電容值可以在約1pF到約700pF的範圍內，但是範圍也可以擴大到更低或更高的電容值。
因為可以改變可變電容網路711、716、721的狀態以提供多個電容值，所以可變電容網路711、716、721可以被配置成將腔加上負載(例如，圖5的腔560加上負載564)的阻抗與RF信號源(例如，圖5的信號源520、520')最佳地匹配。通過改變電路700中的電容器713、718、724的電容值，系統控制器(例如，圖5的系統控制器512)可以增大或減小電路700提供的阻抗變換。令人期望的是，電容值變化提高RF信號源520與腔加上負載的阻抗之間的整體阻抗匹配，這應當導致反射信號功率和/或反射對前向信號功率比降低。在大多數情況下，系統控制器512可以力圖將電路700配置成處於這樣的狀態：在腔560中達到最大電磁場 強度和/或由負載564吸收最大功率量和/或由負載564反射最小功率量。
根據實施例，電弧檢測子系統的部分結合到網路700中。更具體地說，已經添加了非線性裝置1802、1804、1806、1808和1810(例如，氣體放電管、火花隙和/或TVS二極體)，使得每當跨非線性裝置1802、1804、1806、1808和1810之一的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓時觸發快速阻抗變化。
非線性裝置1802可以與可變電容網路711並聯耦接。非線性裝置1806可以與可變電容網路716並聯耦接。非線性裝置1808可以與可變電容網路721並聯耦接。非線性裝置1804可以與電感器715並聯耦接。非線性裝置1810可以與電感器720並聯耦接。非線性裝置1802、1804、1806、1808和1810中的給定非線性裝置的擊穿電壓可以小於預計在與所述非線性裝置並聯的電路元件處可能產生電弧的電壓(例如，比所述電壓小某個規定的百分比，如比所述電壓小10%)。以此方式，非線性裝置將在其並聯電路元件處可能產生電弧之前從絕緣轉變為導電，從而引起電路1800的阻抗的可檢測變化。例如，如果預計可變電容網路442在1000V下經歷電弧產生，則非線性裝置1702的擊穿電壓可以為900V。現成的氣體放電裝置的額定電壓的範圍為小於50V到超過8000V。所述電壓被選擇為向受保護元件的最大電壓提供一定裕度，或者如果所述非線性裝置連接在元件與接地之間，則為可以使電弧接地電壓。這些電壓以及因此非線性裝置的額定值作為系統設計的一部分通過模擬或測試確定。
應當理解，圖6和7所示的可變阻抗匹配電路600、700是可以執行期望的雙端可變阻抗變換的兩個可能的電路配置。雙端可變阻抗匹配電路的其它實施例可以包括不同地佈置的電感或電容網路或可以包括無源網路，所述無源網路包括電感器、電容器和/或電阻器的各種組合，其中一些無源元件可以是固定值元件並且一些無源元件可以是可變值元件(例如，可變電感器、可變電容器和/或可變電阻器)。另外，雙端可變阻抗匹配電路可以包括有源裝置(例如， 電晶體)，所述有源裝置將無源元件切換到網路中和網路外以更改電路所提供的整體阻抗變換。
雖然結合特定的可變阻抗匹配網路電路佈局對圖3、4、6和7的前述例子進行了描述，但是包括可變無源元件(例如，可變電容器、可變電阻器、可變電感器和/或其組合)的其它佈置的可變阻抗匹配網路的其它實施例在操作期間也容易受到電弧產生的影響。因此，應當理解，結合圖3、4、6和7描述的非線性裝置可以適用於包括替代性可變阻抗匹配網路元件佈置(其具有通常由跨非線性裝置的電壓超過所述裝置的擊穿電壓而產生的S11參數、VSWR或其它信號參數的類似快速變化)的除霜系統或其它RF系統的實施例。另外，應當注意，如結合圖3、4、6和7所描述的，在除霜系統中包括非線性裝置旨在是說明性的而不是限制性的。可以將上文描述的類型的非線性裝置結合到耦接在RF信號源與系統的負載之間的任何匹配電路系統中，以便檢測匹配電路系統的元件處的過電壓狀況，從而可以修改系統的操作以防止產生電弧。
根據各個實施例，與本文所討論的單端或雙端可變阻抗匹配網路相關聯的電路系統可以以一個或多個模組的形式實施，其中“模組”在本文中被限定為耦接到公共基板的電氣元件的元件。另外，在各個實施例中，與RF子系統(例如，圖2的子系統210、圖5的子系統510)相關聯的電路系統也可以以一個或多個模組的形式實施。
由於已經描述了除霜系統的電氣和物理方面的實施例，因此現在將結合圖8和圖9來描述用於操作此類除霜系統的方法的各個實施例。更具體地說，圖8是根據示例實施例的用動態負載匹配來操作除霜系統(例如，圖1、2、5的系統100、200、500)的方法的流程圖。
在框802中，方法可以開始於，系統控制器(例如，圖2、5的系統控制器212、512)接收除霜操作應當開始的指示。可以例如在使用者已經將負載 (例如，圖2、5的負載264、564)放置在系統的除霜腔(例如，圖2、5的腔260、560)中、將腔密封(例如，通過關閉門或抽屜)並按下開始按鈕(例如，圖2、5的使用者介面280、580)之後接收這種指示。在一個實施例中，腔的密封可以接合一個或多個安全互鎖機構，所述一個或多個安全互鎖機構在接合時指示供應到腔的RF功率基本上不會洩漏到腔外的環境中。如稍後將描述的，安全互鎖機構的脫離接合可能使系統控制器立即暫停或終止除霜操作。
根據各個實施例，系統控制器任選地可以接收指示負載類型(例如，肉類、液體或其它材料)、初始負載溫度和/或負載重量的額外輸入。例如，可以通過與使用者介面的交互(例如，由使用者從識別的負載類型的清單中進行選擇)從使用者接收關於負載類型的資訊。可替換的是，系統可以被配置成掃描在負載外部可視的條碼或從負載上或嵌入負載內的RFID裝置接收電子信號。可以例如從系統的一個或多個溫度感測器和/或IR感測器(例如，圖2的感測器290、圖5的感測器590)接收關於初始負載溫度的資訊。可以通過與使用者介面的交互從使用者或者從系統的重量感測器(例如，圖2、5的感測器290、590)接收關於負載重量的資訊。如上文所指示的，對指示負載類型、初始負載溫度和/或負載重量的輸入的接收是任選的，並且可替換的是，系統可能不接收這些輸入中的部分或全部。
在框804中，系統控制器向可變匹配網路(例如，圖2-7的網路270、300、400、572、600、700)提供控制信號以確立可變匹配網路的初始配置或狀態。如結合圖3、4、6和7詳細描述的，控制信號影響可變匹配網路內的各個電感和/或電容(例如，圖3、6的電感310、311、611、616、621和圖4、7的電容444、448、713、718、724)的值。例如，控制信號可能影響旁路開關的狀態，所述狀態是回應於來自系統控制器的控制信號。
同樣如先前所討論的，可變匹配網路的第一部分可以被配置成為 RF信號源(例如，圖2、5的RF信號源220、520)或末級功率放大器(例如，圖2、5的功率放大器225、524)提供匹配，並且可變匹配網路的第二部分可以被配置成為腔(例如，圖2、5的腔260、560)加上負載(例如，圖2、5的負載264、564)提供匹配。例如，參考圖3，第一並聯可變電感網路310可以被配置成提供RF信號源匹配，並且第二並聯可變電感網路316可以被配置成提供腔加上負載匹配。參照圖4，第一可變電容網路442結合第二可變電容網路446均可以被配置成提供RF信號源與腔加上負載之間的最佳匹配。
一旦確立初始可變匹配網路配置，系統控制器就可以執行在必要時調整可變阻抗匹配網路的配置以基於指示匹配品質的實際測量找到可接受的或最佳匹配的過程810。根據實施例，這個過程包括：在框812中，使RF信號源(例如，圖2、5的RF信號源220、520)通過可變阻抗匹配網路向(多個)電極(例如，圖2、5的第一電極240或兩個電極540、550)供應相對較低功率的RF信號。系統控制器可以通過控制信號來控制到電源和偏置電路系統(例如，圖2的電路系統226、圖5的電路系統526)的RF信號功率電平，其中控制信號使電源和偏置電路系統向放大器(例如，圖2的放大器級224、225、圖5的放大器級524)提供與期望的信號功率電平一致的電源電壓和偏置電壓。例如，相對較低功率的RF信號可以是功率電平在約10W到約20W的範圍內的信號，但是可替換的是，可以使用不同的功率電平。期望匹配調整過程810期間的相對較低功率電平信號降低損壞腔或負載(例如，如果初始匹配引起高反射功率的話)的風險並且降低損壞可變電感網路的切換元件(例如，由於跨開關觸點產生電弧)的風險。
在框814中，功率檢測電路系統(例如，圖2、5的功率檢測電路系統230、530、530'、530")然後測量沿著RF信號源與(多個)電極之間的傳輸路徑(例如，圖2、5的路徑228、528)的反射功率和(在一些實施例中)前向功率並且將那些測量結果提供到系統控制器。系統控制器然後可以確定反射信號功率與前向 信號功率的比率並且可以基於比率來確定系統的S11參數和/或VSWR值。在一個實施例中，系統控制器可以存儲接收到的功率測量結果(例如，接收到的反射功率測量結果、接收到的前向功率測量結果或兩者)和/或計算的比率、S11參數和/或VSWR值以用於將來的評估或比較。
在框816中，系統控制器可以基於反射功率測量結果和/或反射對前向信號功率比和/或S11參數和/或VSWR值來確定可變阻抗匹配網路所提供的匹配是否是可接受的(例如，反射功率低於閾值或者比率為10%或更小或者測量結果或值與其它某些標準進行有利比較)。可替換的是，系統控制器可以被配置成確定匹配是否是“最佳”匹配。可以例如通過反覆運算地測量所有可能阻抗匹配網路配置(或至少為阻抗匹配網路配置的限定子集)的反射RF功率(以及在一些實施例中，前向反射RF功率)並確定哪個配置產生最低反射RF功率和/或最低反射對前向功率比來確定“最佳”匹配。
當系統控制器確定匹配不可接受或不是最佳匹配時，系統控制器可以在框818中通過重新配置可變阻抗匹配網路來調整匹配。例如，這可以通過向可變阻抗匹配網路發送控制信號來實現，所述控制信號使網路增大和/或減小網路內的可變電感(例如，通過使可變電感網路310、316、611、616、621(圖3、圖6)或可變電容網路442、446、711、716、721(圖4、圖7)具有不同電感或電容狀態，或通過將電感器或電容器切換到電路中或電路外)。在重新配置可變電感網路之後，可以反覆運算地執行框814、816和818，直到在框816中確定可接受或最佳匹配。
一旦可接受或最佳匹配確定，除霜操作就可以開始。開始除霜操作包括：在框820中，將RF信號源(例如，圖2、5的RF信號源220、520)供應的RF信號的功率增大到相對較高功率的RF信號。再一次，系統控制器可以通過控制信號來控制到電源和偏置電路系統(例如，圖2、5的電路系統226、526)的RF信號 功率電平，其中控制信號使電源和偏置電路系統向放大器(例如，圖2、5的放大器級224、225、524)提供與期望的信號功率電平一致的電源電壓和偏置電壓。例如，相對較高功率的RF信號可以是功率電平在約50W到約500W的範圍內的信號，但是可替換的是，可以使用不同的功率電平。
在框822中，測量電路系統(例如，圖2、5的功率檢測電路系統230、530、530'、530")然後週期性地測量沿RF信號源與所述(多個)電極之間的傳輸路徑(例如，圖2、5的路徑228、528)的系統參數(如所述一個或多個電流、一個或多個電壓、反射功率和/或前向功率)並且將那些測量結果提供到系統控制器。系統控制器可以再次確定反射信號功率與前向信號功率的比率並且可以基於比率來確定系統的S11參數和/或VSWR值。在實施例中，系統控制器可以存儲接收到的功率測量結果和/或計算的比率和/或S11參數和/或VSWR值以用於將來的評估或比較。根據實施例，可以在相當高的頻率(例如，大約幾毫秒)或相當低的頻率(例如，大約幾秒)下進行前向功率和反射功率的週期性測量。例如，用於進行週期性測量的相當低的頻率可以為每隔10秒到20秒測量一次的速率。根據實施例，系統控制器還可以確定一個或多個參數(如測得的電壓、測得的電流、S11參數、VSWR值)的變化率(例如，通過比較給定的時間段內的此類參數的測量結果或計算結果)。基於此確定的變化率(例如，如果變化率超過預定義的閾值)，系統控制器可以確定系統的某處存在產生電弧的風險。
在框824中，系統控制器可以基於一個或多個反射信號功率測量結果、一個或多個計算的反射對前向信號功率比、一個或多個計算S11參數和/或一個或多個VSWR值來確定可變阻抗匹配網路所提供的匹配是否是可接受的。例如，系統控制器可以使用單個反射信號功率測量結果、單個計算的反射對前向信號功率比、單個計算的S11參數或單個VSWR值來進行此確定或者可以對多個先前接收到的反射信號功率測量結果、先前計算的反射對前向功率比、先前計 算的S11參數或先前計算的VSWR值取平均(或其它計算)來進行此確定。例如，為了確定匹配是否是可接受的，系統控制器可以將接收到的反射信號功率、計算的比率、S11參數和/或VSWR值與一個或多個對應的閾值進行比較。例如，在一個實施例中，系統控制器可以將接收到的反射信號功率與例如是前向信號功率的5%(或其它某個值)的閾值進行比較。低於前向信號功率5%的反射信號功率可以指示匹配仍是可接受的，而5%以上的比率可以指示匹配不再可接受。在另一個實施例中，系統控制器可以將計算的反射對前向信號功率比與閾值10%(或其它某個值)進行比較。低於10%的比率可以指示匹配仍是可接受的，而10%以上的比率可以指示匹配不再可接受。當測量的反射功率、計算的比率或S11參數或VSWR值大於對應閾值(即，比較是不利的)從而指示不可接受的匹配時，那麼系統控制器可以通過再次執行過程810來啟動可變阻抗匹配網路的重新配置。
如先前所討論的，可變阻抗匹配網路提供的匹配在除霜操作過程中可能由於負載(例如，圖2、5的負載264、564)升溫時負載的阻抗變化而降級。已經觀察到，在除霜操作過程中，可以同調整腔匹配電感或電容或通過還調整RF信號源電感或電容來維持最優腔匹配。
根據實施例，在重新配置可變阻抗匹配網路的反覆運算過程810中，系統控制器可以將此趨勢考慮在內。更具體地說，當在框818中通過重新配置可變阻抗匹配網路來調整匹配時，系統控制器最初可以為對應於較低電感(用於腔匹配或圖3的網路310)和較高電感(用於RF信號源匹配或圖4的網路442)的腔匹配和RF信號源匹配選擇可變電感網路的狀態。在利用腔和RF信號源的可變電容網路的實施例中，可以執行類似過程。通過選擇趨於遵循預期的最優匹配軌跡的阻抗，與不將這些趨勢考慮在內的重新配置過程相比，可以減少執行可變阻抗匹配網路重新配置過程810的時間。在替代性實施例中，系統控制器反而可以反覆運算地測試相鄰配置以試圖確定可接受的配置。
實際上，存在系統控制器可以用於將系統重新配置成具有可接受的阻抗匹配的各種不同的搜索方法，所述搜索方法包括測試所有可能的可變阻抗匹配網路配置。搜索可接受的配置的任何合理方法被視為落入本發明主題的範圍內。在任何情況下，一旦在框816中確定可接受的匹配，就在框814中重新開始除霜操作，並且過程繼續反覆運算。
參考回框824，當系統控制器基於一個或多個反射功率測量結果、一個或多個計算的反射對前向信號功率比、一個或多個計算的S11參數和/或一個或多個VSWR值確定由可變阻抗匹配網路提供的匹配仍可接受(例如，反射功率測量結果、計算的比率、S11參數或VSWR值小於對應閾值或比較是有利的)時，系統可以在框826中評估退出條件是否已經發生。實際上，確定退出條件是否已經發生可以是中斷驅動過程，所述中斷驅動過程可以發生在除霜過程期間的任何點處。然而，為了將其包括在圖8的流程圖中，過程被示出為在框824之後發生。
在任何情況下，若干條件可以保證停止除霜操作。例如，當安全互鎖被打破時，系統可以確定退出條件已經發生。可替換的是，在用戶設定的計時器期滿(例如，通過圖2的使用者介面280、圖5的使用者介面580)或由系統控制器基於系統控制器對除霜操作應當執行多久的估計確立的計時器期滿時，系統可以確定退出條件已經發生。作為另一個例子，系統可以確定系統中存在產生電弧(例如，在如圖2-7的網路270、300、400、572、600、700等可變匹配網路中)的風險(例如，由於所識別的過電壓狀況)，這可能觸發退出條件。例如，系統控制器和功率檢測電路系統可以檢測由於跨可變阻抗匹配網路中的非線性裝置的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓而導致的RF信號源與所述(多個)電極之間的阻抗變化，並且作為回應可以觸發退出條件。在一些實施例中，可以在框822處進行這種確定，並且這種確定可以使所述方法跳過框824和框826直接跳 轉到框828以中止供應RF信號。在仍另一個替代性實施例中，系統可以以其它方式檢測除霜操作的完成。
如果退出條件已經發生，則除霜操作可以通過反覆運算地執行框822和框824(以及匹配網路重新配置過程810，在必要時)繼續。當退出條件已經發生時，那麼在框828中，系統控制器使RF信號源進行的RF信號供應中斷。例如，系統控制器可以禁用RF信號發生器(例如，圖2的RF信號發生器222、圖5的RF信號發生器522)和/或可以使電源和偏置電路系統(例如，圖2的電路系統226、圖5的電路系統526)中斷電源電流的提供。另外，系統控制器可以向使用者介面(例如，圖2的使用者介面280、圖5的使用者介面580)發送信號，所述信號使使用者介面產生退出條件的使用者可感知標記(例如，通過在顯示裝置上顯示“門打開”或“完成”或提供可聽音)。然後，所述方法可以結束。
應理解，與圖為將操作次序僅限於所示順8所描繪的框相關聯的操作的順序對應於示例實施例並且不應被解釋序。相反，一些操作可以按不同順序執行和/或一些操作可以並行地執行。
當兩個點之間的電壓足以在所述兩個點之間產生足以擊穿空氣的電場(例如，約3×106V/m的電場)時，所述電壓的積累通常會導致電弧產生，從而使空氣部分導電。高壓電路應用(例如，使用高壓RF信號的除霜應用)通常可能有這種電弧產生的風險。例如，當RF信號源向負載供應RF信號時，電壓可以在系統(例如，圖1、2、5的系統100、200、500)的沿RF信號源(例如，圖2、5的RF信號源220、520)與負載(例如，圖2、5的腔260、560和圖2、5的負載264、564)之間的傳輸路徑耦接的電感元件和電容元件(例如，圖2-7的網路270、300、400、572、600、700的電感和電容)處積累。為了前攝性地防止產生電弧，可以將非線性裝置(如氣體放電管、火花隙和/或TVS二極體)與沿傳輸路徑耦接的電路元件並聯放置，作為例如可變阻抗匹配網路(例如，圖2-7的可變阻抗匹配網路270、300、 400、572、600、700)的一部分，或者放置在可能產生電弧的任何兩個點之間。如果跨這些非線性裝置之一的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓，則非線性裝置從絕緣(例如，具有高阻抗)轉變為導電(例如，具有低阻抗)，從而引起RF信號源與負載之間的傳輸路徑的整體阻抗的快速變化。例如，給定的非線性裝置的擊穿電壓可以低於在與非線性裝置並聯耦接的對應電路元件處產生電弧所需要的電壓電平，使得非線性裝置在對應的電路元件處可能產生電弧之前開始導電。在實施例中，系統控制器(例如，圖2、5的系統控制器212、512)可以監測信號參數(例如，S11參數、VSWR、電流等)的變化率，所述變化率可以表示RF源與負載之間的傳輸路徑的阻抗的變化(例如，由跨非線性裝置的電壓超過其擊穿電壓而引起的整體阻抗的快速變化)，所述變化率根據耦接到RF信號源的一個或多個輸出的功率檢測電路系統(例如，圖2、5的功率檢測電路系統230、530、530'、530")進行的測量得出。如果所監測的信號參數的變化率超過預定閾值，則系統控制器可以引起改變系統的操作(例如，通過重新配置可變阻抗匹配網路、通過降低RF信號的功率或通過使RF信號源停止供應RF信號)，以使跨已經變回導電的非線性裝置的電壓降低到低於其對應的擊穿電壓，直到非線性裝置再次絕緣，從而預防在所述位置處發生不受控制的電弧發生。在圖3、4、6和7中示出了可以如何將非線性裝置放置在可變阻抗匹配網路的不同配置中的例子，如前文所述。
在除霜系統(例如，圖1、2、5的除霜系統100、200、500)的正常操作(例如，至少與圖8的框820-826相對應)期間，可變阻抗匹配網路(例如，圖3、4、6、7的可變阻抗匹配網路300、400、600、700)的信號參數(例如，S11參數、VSWR、電流等)和阻抗可能隨著向負載施加RF能量由於負載的阻抗的對應變化而逐漸變化。相比之下，當跨可變阻抗匹配網路的非線性裝置(例如，圖3、4、6、7的非線性裝置1502、1504、1506、1508、1510、1512、1602、1604、1606、1608、 1610、1612、1614、1702、1704、1706、1708、1802、1804、1806、1808、1810)的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓時，S11參數(或VSWR)和阻抗從阻抗匹配狀況到不匹配狀況的上述變化可能快速發生(例如，在小於一秒鐘的分數內)。因此，在實施例中，信號參數中的一個或多個信號參數的變化率可以用作確定除霜系統中是否存在產生電弧的風險的基礎，使得可以對系統進行預防性修改。
圖9示出了一種方法的例子，除霜系統的系統控制器(例如，圖2、5的系統控制器212、512)可以通過所述方法監測除霜系統的可變阻抗匹配電路(例如，圖3、4、6、7的可變阻抗匹配電路300、400、600、700)的電流、VSWR和/或S11參數的相應變化率以檢測跨可變阻抗匹配電路(或在RF信號路徑中的其它地方)的非線性裝置(例如，圖3、4、6、7的非線性裝置1502、1504、1506、1508、1510、1512、1602、1604、1606、1608、1610、1612、1614、1702、1704、1706、1708、1802、1804、1806、1808、1810)的電壓超過所述非線性裝置的擊穿電壓並對其進行回應。在一些實施例中，可以結合圖8的方法執行圖9的方法。例如，可以在圖8的框822處執行框902、904、906和908並且可以在圖8的框826處執行框910。
在框902中，可以使用一種或多種類型的測量電路系統(例如，電壓表、電流錶、功率檢測電路系統)在供應RF信號的RF信號源(例如，圖2、5的RF信號源220、520)的輸出處週期性地產生多個VSWR測量結果、電流測量結果和S11參數測量結果(例如，這些測量結果可以被共同視為除霜系統的“信號參數”的測量結果)。例如，可以使用電流錶來測量耦接到可變阻抗匹配網路的RF信號源的輸出處的電流以產生電流測量結果。可以使用功率檢測電路系統(例如，圖2、5的功率檢測電路系統230、530、530'、530")來測量沿RF信號路徑的前向與反射RF信號功率，並且系統控制器可以以反射RF信號功率與前向RF信號功率之比的形式計算S11參數測量結果並且可以根據S11參數測量結果計算 VSWR測量結果。為了隨時間的推移生成多個測量結果，可以週期性地執行這些VSWR、電流和/或S11測量和計算(例如，以介於約100微秒與100毫秒之間的預定取樣速率，或者以更低或更高的取樣速率)。
在框904中，系統控制器基於在框902中得到的測量結果並且基於取樣速率計算VSWR的變化率(VSWRROC)、電流的變化率(IROC)和S11參數的變化率(S11ROC)。例如，可變阻抗匹配網路的S11ROC可以由除霜系統的系統控制器基於存儲在系統控制器的記憶體中的S11參數測量結果確定，其中存儲在記憶體中的每個S11參數測量結果可以對應於可變阻抗匹配網路在不同時間點的S11參數。如上文在對框902的描述中所指示的，系統控制器可以例如以預定取樣速率(例如，以介於約10毫秒與2秒之間的預定取樣速率，或者更低或更高的取樣速率)確定(例如，收集、計算或以其它方式進行採樣)並且存儲可變阻抗匹配網路的S11參數測量結果。然後，可以向記憶體提供通過這種採樣生成的S11參數測量結果，所述記憶體可以存儲S11參數測量結果。然後，系統控制器可以例如通過以下計算S11參數的變化率：確定第一S11參數測量結果與第二S11參數測量結果之間的第一差、確定測量第一S11參數測量結果和第二S11參數測量結果的第一時間與第二時間之間的第二差並且將第一差除以第二差以產生可變阻抗匹配網路的S11參數的變化率。可以根據前一例子計算IROC和VSWRROC，其中在確定IROC和VSWRROC時分別使用第一電流測量結果和第二電流測量結果以及第一VSWR測量結果和第二VSWR測量結果來代替第一S11參數和第二S11參數。另外，在一些實施例中，可以使用多於兩個S11、VSWR或電流測量結果來計算變化率。
在框906處，系統控制器將VSWRROC、IROC和S11ROC的量值與對應閾值進行比較，以確定VSWRROC、IROC和S11ROC量值是否超過這些閾值中的任何閾值。例如，系統控制器可以將VSWRROC的量值與預定義的VSWR變化率閾值VSWRROC-TH(例如，大約為3：1的值或具有更大值或更小值的另一個閾值)進行比 較。系統控制器還可以或可替代地將IROC的量值與預定義的電流變化率閾值IROC-TH(例如，大約為標稱操作的1.4倍的值或者具有更大值或更小值的另一個閾值)進行比較。系統控制器還可以或可替代地將S11ROC的量值與預定義的S11參數變化率閾值S11ROC-TH進行比較。例如，S11ROC-TH可以是介於約6dB到約9dB的回波損耗之間的值，但是所述閾值也可以是較小的值或較大的值。如果VROC的量值超過VROC-TH，如果IROC的量值超過IROC-TH或者如果S11ROC的量值超過S11ROC-TH，則系統控制器可以確定跨位於沿傳輸路徑的某處的非線性裝置的電壓已經超過所述非線性裝置的擊穿電壓並且正接近可能產生電弧的量值，並且可以進行到框908。否則，如果未超過任何閾值，則因為跨沿著傳輸路徑的非線性裝置的電壓尚未超過那些非線性裝置中的任何裝置的擊穿電壓，所以系統控制器可以確定可能不會發生電弧產生狀況，並且系統控制器可以跳過框908並且進行到框910。
在框908中，回應於確定電流、VSWR或S11參數的變化率已經超過對應的預定義閾值(並且因此，如果所述位置處的電壓繼續增加，則有可能發生電弧產生狀況)，系統控制器可以修改除霜系統的操作，以試圖防止在除霜系統中產生電弧。例如，系統控制器可以指示RF信號源降低其供應的RF信號的功率電平。在一些實施例中，可以使RF信號的功率電平降低多達20%，而在其它實施例中，可以使RF信號的功率電平更加顯著地降低(例如，介於20%與90%之間，如降低為RF信號的初始施加功率電平的10%)。可替換的是，系統控制器可以關閉系統，或者可以以其它方式指示RF信號源停止生成RF信號，由此結束除霜操作。在另一個實施例中，系統控制器可以通過改變可變匹配網路內的可變無源元件的值來改變可變匹配網路的配置。
在框910處，如果出於任何原因已經結束除霜操作(例如，由於系統控制器回應於檢測到信號參數的快速變化而對除霜操作進行了修改或者由於 成功完成了除霜操作)，則系統控制器可以中止監測VSWR、電流和S11參數的變化率，並且可以結束所述方法。可替換的是，當系統控制器確定除霜操作繼續發生時，所述方法可以返回到框902。以此方式，可以執行包括框902-910的反覆運算迴圈，由此可以連續監測除霜系統的VSWR、電流和S11參數以及其相應的變化率以檢測已經超過傳輸路徑中的非線性裝置的擊穿電壓，並且由此可以作為回應而修改除霜系統的操作。
本文中包含的各個附圖中示出的連接線旨在表示各個元件之間的示例性功能關係和/或物理耦接。應注意，本主題的實施例中可以存在許多替代性或額外的功能關係或物理連接。此外，某些術語在本文中還可以僅出於參考的目的使用並且因此不旨在是限制性的，並且術語“第一”、“第二”和提及結構的其它這種數值術語並不暗示次序或順序，除非上下文清楚地指出。
如本文所用，“節點”是指存在給定信號、邏輯電平、電壓、資料模式、電流或量的任何內部或外部參考點、連接點、結、信號線、導電元件等。此外，可以通過一個物理元件實現兩個或更多個節點(並且可以多工、調製或以其它方式區分兩個或更多個信號，即使是所述信號是在共同節點處接收到或輸出的)。
前面的描述是指元件或節點或特徵“連接”或“耦接”在一起。如本文中所使用的，除非另外明確說明，否則“連接”意味著一個元件直接地並且不一定是機械地接合到另一個元件(或與另一個元件直接連通)。同樣，除非另有明確規定，否則“耦接”意指一個元件與另一個元件直接或間接連接(或直接或間接連通)，但不一定是機械地。因此，儘管附圖中所示的示意圖描繪了元件的一種示例性佈置，但是在所描繪主題的實施例中可以存在另外的中間元件、裝置、特徵或元件。
在示例實施例中，一種系統可以包括：射頻(RF)信號源，所述RF 信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；非線性裝置，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的至少一個元件並聯耦接；以及控制器。所述非線性裝置可以在低於擊穿電壓時具有高阻抗並且在高於擊穿電壓時具有低阻抗。所述控制器可以被配置成在基於至少所述RF信號的參數的變化率已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓時檢測沿所述傳輸路徑的潛在電弧產生狀況。
在實施例中，所述非線性裝置可以選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
在實施例中，所述非線性裝置可以與所述可變阻抗網路的電感器並聯耦接。
在實施例中，所述非線性裝置可以與所述可變阻抗網路的電容器並聯耦接。
在實施例中，所述參數可以包括由以下組成的組中的至少一個：沿所述傳輸路徑測量的電壓駐波比、沿所述傳輸路徑測量的電流以及沿所述傳輸路徑測量的反射對前向RF信號功率比。
在實施例中，所述控制器可以被配置成通過確定所述參數的所述變化率超過預定義閾值來檢測到已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓。
在實施例中，所述控制器可以被配置成當所述控制器已經檢測到所述潛在電弧產生狀況時，通過降低所述RF信號源供應的所述RF信號的功率電平來修改所述系統的操作。
在示例實施例中，一種耦接到用於容納負載的腔的熱增加系統可以包括：RF信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與定位在所述腔附近的一個或多個電極之間；阻抗 匹配網路，所述阻抗匹配網路沿所述傳輸路徑耦接；測量電路系統，所述測量電路系統耦接到所述傳輸路徑；以及控制器。所述阻抗匹配網路可以包括可變無源元件的網路和耦接到所述可變無源元件中的至少一個可變無源元件的至少一個非線性裝置。所述至少一個非線性裝置可以在低於擊穿電壓時電絕緣，並且在高於所述擊穿電壓時導電。所述測量電路系統可以週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信號的參數，從而產生多個參數測量結果。所述阻抗匹配網路的阻抗的變化可以與所述參數的變化相關。所述控制器可以被配置成基於所述多個參數測量結果確定所述參數的變化率並且基於所述參數的變化率修改所述熱增加系統的操作。
在實施例中，所述至少一個非線性裝置可以選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
在實施例中，所述至少一個非線性裝置包括與所述可變無源元件的網路的可變電感器並聯耦接的非線性裝置。
在實施例中，所述非線性裝置可以包括與所述可變無源元件的網路的可變電容器並聯耦接的非線性裝置。所述非線性裝置的所述擊穿電壓可以是所述可變電容器的最大電壓的分數。
在實施例中，所述測量電路系統可以被配置成測量所述參數。所述參數可以選自由以下組成的組：電壓駐波比、電流和反射對前向RF信號功率比。
在實施例中，所述控制器可以被配置成通過以下修改所述熱增加系統的操作：控制所述RF信號源以降低所述RF信號源供應的所述RF信號的功率電平，以及控制所述RF信號源以停止供應所述RF信號。
在實施例中，所述至少一個非線性裝置可以包括第一非線性裝置、第二非線性裝置和第三非線性裝置。所述阻抗匹配網路可以是包括以下的 雙端可變阻抗匹配網路：第一輸入和第二輸入；第一輸出和第二輸出；第一可變阻抗電路，所述第一可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第一輸出之間；第二可變阻抗電路，所述第二可變阻抗電路耦接在所述第二輸入與所述第二輸出之間；以及第三可變阻抗電路，所述第三可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第二輸入之間。所述第一非線性裝置可以與所述第一可變阻抗電路並聯耦接。所述第二非線性裝置可以與所述第二可變阻抗電路並聯耦接。所述第三非線性裝置可以與所述第二可變阻抗電路並聯耦接。
在實施例中，所述至少一個非線性裝置可以包括多個非線性裝置。所述阻抗匹配網路可以是包括以下的單端可變阻抗匹配網路：輸入；輸出；一組無源元件，所述一組無源元件串聯耦接在所述輸入與所述輸出之間；以及可變阻抗電路，所述可變阻抗電路耦接在所述輸入與接地參考節點之間。所述一組無源元件中的每個無源元件可以與所述多個非線性裝置中的相應不同的非線性裝置並聯耦接。所述可變阻抗電路可以與所述多個非線性裝置中的另外的非線性裝置並聯耦接。
在示例實施例中，一種系統可以包括：RF信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；負載，所述負載耦接到所述RF信號源；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與所述負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；多個非線性裝置，所述多個非線性裝置電耦接到所述可變阻抗網路的元件；以及控制器。所述多個非線性裝置中的每個非線性裝置可以在低於所述非線性裝置的擊穿電壓時電絕緣並且在高於所述非線性裝置的所述擊穿電壓時導電。所述控制器可以被配置成通過回應基於至少所述RF信號的參數的變化率檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的操作來防止沿所述傳輸路徑發生電弧產生。
在實施例中，所述多個非線性裝置可以選自由以下組成的組：多個氣體放電管、多個火花隙和多個瞬態電壓抑制二極體。
在實施例中，所述參數可以包括反射對前向信號功率比。響應於檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的所述操作可以包括回應於檢測到所述反射對前向信號功率比的變化率超過預定閾值而降低所述RF信號源供應的所述一個或多個RF信號的功率電平。
在實施例中，所述系統可以包括測量電路系統，所述測量電路系統在所述RF信號源的輸出處耦接到所述傳輸路徑。所述測量電路系統可以週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信號的所述參數。所述可變匹配網路的阻抗的變化與所述參數的變化相關。
雖然前面的詳細描述中已經呈現了至少一個示例性實施例，但是應理解的是，存在大量變體。還應理解的是，本文所描述的一個或多個示例性實施例不旨在以任何方式限制所請求保護的主題的範圍、適用性或配置。相反，前面的詳細描述將為本領域的技術人員提供用於實施一個或多個所描述實施例的便捷路線圖。應當理解的是，在不脫離由申請專利範圍限定的範圍的情況下，可以對元件的功能和佈置作出各種改變，所述改變包括在提交本專利申請時已知的等效物或可預見的等效物。
200:除霜系統
210:RF子系統
212:系統控制器
214,232:連接
216:控制路徑
220:RF信號源
222:RF信號發生器
224:驅動器放大器級
225:最終放大器級；驅動器放大器級
226:電源
228-1,228-2,228-3:導體
230:功率檢測電路系統
234:阻抗匹配電路系統電路
240:電極
252:距離
260:腔
262:屏障
264:負載
266:外殼結構
270:阻抗匹配電路系統電路、可變阻抗匹配網路、可變阻抗匹配電路、可變匹配網路
280:使用者介面
290:感測器

Claims (19)

  1. 一種射頻(RF)系統，其特徵在於，包括：RF信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；非線性裝置，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的至少一個元件並聯耦接，所述非線性裝置在低於擊穿電壓時具有高阻抗並且在高於所述擊穿電壓時具有低阻抗；以及控制器，所述控制器被配置成在基於至少所述RF信號的參數的變化率已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓時檢測沿所述傳輸路徑的潛在電弧產生狀況。
  2. 如請求項1所述的系統，其中，所述非線性裝置選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
  3. 如請求項2所述的系統，其中，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的電感器並聯耦接。
  4. 如請求項2所述的系統，其中，所述非線性裝置與所述可變阻抗網路的電容器並聯耦接。
  5. 如請求項1所述的系統，其中，所述參數包括由以下組成的組中的至少一個：沿所述傳輸路徑測量的電壓駐波比、沿所述傳輸路徑測量的電流以及沿所述傳輸路徑的反射對前向RF信號功率比。
  6. 如請求項1所述的系統，其中，所述控制器被配置成通過確定所述參數的所述變化率超過預定義閾值來檢測到已經超過所述非線性裝置的所述擊穿電壓。
  7. 如請求項1所述的系統，其中，所述控制器被配置成當所述控制器已經檢測到所述潛在電弧產生狀況時，通過降低所述RF信號源供應的所述RF信號的功率電平來修改所述系統的操作。
  8. 一種耦接到用於容納負載的腔的熱增加系統，其特徵在於，所述熱增加系統包括：射頻(RF)信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與定位在所述腔附近的一個或多個電極之間；阻抗匹配網路，所述阻抗匹配網路沿所述傳輸路徑電耦接，其中所述阻抗匹配網路包括可變無源元件的網路和耦接到所述可變無源元件中的至少一個可變無源元件的至少一個非線性裝置，所述至少一個非線性裝置在低於擊穿電壓時電絕緣，並且在高於所述擊穿電壓時導電；測量電路系統，所述測量電路系統耦接到所述傳輸路徑，其中所述測量電路系統週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信號的參數，從而產生多個參數測量結果，其中所述阻抗匹配網路的阻抗的變化與所述參數的變化相關；以及控制器，所述控制器被配置成基於所述多個參數測量結果確定所述參數的變化率並且基於所述參數的變化率修改所述熱增加系統的操作。
  9. 如請求項8所述的熱增加系統，其中，所述至少一個非線性裝置選自由以下組成的組：氣體放電管、火花隙和瞬態電壓抑制二極體。
  10. 如請求項9所述的熱增加系統，其中，所述至少一個非線性裝置包括與所述可變無源元件的網路的可變電感器並聯耦接的非線性裝置。
  11. 如請求項9所述的熱增加系統，其中，所述非線性裝置包括與所述可變無源元件的網路的可變電容器並聯耦接的非線性裝置，其中所述非線 性裝置的所述擊穿電壓是所述可變電容器的最大電壓的分數。
  12. 如請求項8所述的熱增加系統，其中，所述測量電路系統被配置成測量所述參數，並且其中所述參數選自由以下組成的組：電壓駐波比、電流和反射對前向RF信號功率比。
  13. 如請求項12所述的熱增加系統，其中，所述控制器被配置成通過執行選自由以下組成的組的動作來修改所述熱增加系統的操作：控制所述RF信號源以降低所述RF信號源供應的所述RF信號的功率電平，以及控制所述RF信號源以停止供應所述RF信號。
  14. 如請求項8所述的熱增加系統，其中，所述至少一個非線性裝置包括第一非線性裝置、第二非線性裝置和第三非線性裝置，其中所述阻抗匹配網路為包括以下的雙端可變阻抗匹配網路：第一輸入和第二輸入；第一輸出和第二輸出；第一可變阻抗電路，所述第一可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第一輸出之間，所述第一非線性裝置與所述第一可變阻抗電路並聯耦接；第二可變阻抗電路，所述第二可變阻抗電路耦接在所述第二輸入與所述第二輸出之間，所述第二非線性裝置與所述第二可變阻抗電路並聯耦接；以及第三可變阻抗電路，所述第三可變阻抗電路耦接在所述第一輸入與所述第二輸入之間，所述第三非線性裝置與所述第二可變阻抗電路並聯耦接。
  15. 如請求項8所述的熱增加系統，其中，所述至少一個非線性裝置包括多個非線性裝置，其中所述阻抗匹配網路為包括以下的單端可變阻抗匹配網路：輸入；輸出； 一組無源元件，所述一組無源元件串聯耦接在所述輸入與所述輸出之間，所述一組無源元件中的每個無源元件與所述多個非線性裝置中的相應不同的非線性裝置並聯耦接；以及可變阻抗電路，所述可變阻抗電路耦接在所述輸入與接地參考節點之間並且與所述多個非線性裝置中的另外的非線性裝置並聯耦接。
  16. 一種射頻(RF)系統，其特徵在於，包括：RF信號源，所述RF信號源被配置成供應RF信號；負載，所述負載耦接到所述RF信號源；傳輸路徑，所述傳輸路徑電耦接在所述RF信號源與所述負載之間；可變阻抗網路，所述可變阻抗網路沿所述RF信號源與所述負載之間的所述傳輸路徑耦接；多個非線性裝置，所述多個非線性裝置電耦接到所述可變阻抗網路的元件，所述多個非線性裝置中的每個非線性裝置在低於所述非線性裝置的擊穿電壓時電絕緣並且在高於所述非線性裝置的所述擊穿電壓時導電；以及控制器，所述控制器被配置成通過回應基於至少所述RF信號的參數的變化率檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的操作來防止沿所述傳輸路徑發生電弧產生。
  17. 如請求項16所述的系統，其中，所述多個非線性裝置選自由以下組成的組：多個氣體放電管、多個火花隙和多個瞬態電壓抑制二極體。
  18. 如請求項16所述的系統，其中，所述參數包括反射對前向信號功率比，並且其中響應於檢測到已經超過所述多個非線性裝置中的至少一個非線性裝置的所述擊穿電壓而修改所述系統的所述操作包括回應於檢測到所述反射對前向信號功率比的變化率超過預定閾值而降低所述RF信號源供應的所述一個或多個RF信號的功率電平。
  19. 如請求項16所述的系統，其中，進一步包括：測量電路系統，所述測量電路系統在所述RF信號源的輸出處耦接到所述傳輸路徑，其中所述測量電路系統週期性地測量沿所述傳輸路徑傳送的所述RF信號的所述參數，並且其中所述可變匹配網路的阻抗的變化與所述參數的變化相關。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11201912569UA (en) 2017-06-27 2020-01-30 Canon Anelva Corp Plasma processing apparatus
PL3648551T3 (pl) 2017-06-27 2021-12-06 Canon Anelva Corporation Urządzenie do obróbki plazmowej
WO2019003312A1 (ja) * 2017-06-27 2019-01-03 キヤノンアネルバ株式会社 プラズマ処理装置
KR102421625B1 (ko) * 2017-06-27 2022-07-19 캐논 아네르바 가부시키가이샤 플라스마 처리 장치
JP6688440B1 (ja) * 2018-06-26 2020-04-28 キヤノンアネルバ株式会社 プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、プログラムおよびメモリ媒体
US11229094B2 (en) 2018-12-20 2022-01-18 Nxp Usa, Inc. Combined RF and thermal heating system and methods of operation thereof
US11324084B2 (en) * 2019-05-16 2022-05-03 Nxp Usa, Inc. Combined RF and thermal heating system with heating time estimation
CN113708737A (zh) * 2020-05-22 2021-11-26 恩智浦美国有限公司 电感器组合件、阻抗匹配网络及包括电感器组合件的系统
CN114062796B (zh) * 2020-08-04 2023-11-14 青岛海尔电冰箱有限公司 用于电磁波发生系统的检测装置
JP7425705B2 (ja) * 2020-09-29 2024-01-31 シャープ株式会社 誘電加熱装置
US11802919B2 (en) * 2020-11-23 2023-10-31 Rivian Ip Holdings, Llc Systems and methods for remotely testing continuity of electrical wiring
US11782151B2 (en) * 2021-05-27 2023-10-10 Apple Inc. Electronic devices with non-static object detection

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB592664A (en) * 1944-09-26 1947-09-25 Harold Burton Automatic high-frequency heater for heating plastic moulding powders and the like
US2868941A (en) * 1958-03-11 1959-01-13 Chemetron Corp Electronic arc-suppressor
CN100548080C (zh) * 2002-06-21 2009-10-07 松下电器产业株式会社 高频感应加热用电力控制方法及其装置
CN108924982A (zh) * 2017-12-20 2018-11-30 恩智浦美国有限公司 解冻设备及其操作方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4127504A1 (de) 1991-08-20 1993-02-25 Leybold Ag Einrichtung zur unterdrueckung von lichtboegen
JPH09283339A (ja) 1996-04-16 1997-10-31 Murata Mfg Co Ltd 複合インダクタ
JPH1183023A (ja) * 1997-08-29 1999-03-26 Mitsubishi Electric Corp 高周波加熱調理器
US6657173B2 (en) 1998-04-21 2003-12-02 State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Variable frequency automated capacitive radio frequency (RF) dielectric heating system
JP3653628B2 (ja) * 2000-08-24 2005-06-02 三菱電機株式会社 高周波加熱装置
DE20220908U1 (de) * 2001-12-17 2004-07-29 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Überspannungsschutzeinrichtung
US20040031699A1 (en) 2002-08-19 2004-02-19 Applied Materials, Inc. Method for performing real time arcing detection
JP2004220923A (ja) 2003-01-15 2004-08-05 Ulvac Japan Ltd 異常放電検出装置と検出方法、及び該異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置
JP2005158326A (ja) 2003-11-21 2005-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高周波加熱装置
JP2006128075A (ja) 2004-10-01 2006-05-18 Seiko Epson Corp 高周波加熱装置、半導体製造装置および光源装置
US7305311B2 (en) 2005-04-22 2007-12-04 Advanced Energy Industries, Inc. Arc detection and handling in radio frequency power applications
EP3585135A1 (en) 2006-02-21 2019-12-25 Goji Limited Electromagnetic heating
US7368918B2 (en) 2006-07-27 2008-05-06 Siemens Energy & Automation Devices, systems, and methods for adaptive RF sensing in arc fault detection
US8334700B2 (en) 2008-02-14 2012-12-18 Mks Instruments, Inc. Arc detection
US20090308734A1 (en) 2008-06-17 2009-12-17 Schneider Automation Inc. Apparatus and Method for Wafer Level Arc Detection
US20120122072A1 (en) 2008-11-10 2012-05-17 Rf Dynamics Ltd. Method and system for heating and/or thawing blood products
KR101584397B1 (ko) 2009-11-10 2016-01-11 고지 엘티디. Ｒｆ 에너지를 사용하여 가열하기 위한 장치 및 방법
KR101325137B1 (ko) 2011-05-31 2013-11-06 주식회사 뉴파워 프라즈마 아크 방지 기능을 갖는 플라즈마 전원공급 시스템 및 이를 갖는 플라즈마 처리 장치
US20160313419A1 (en) * 2013-12-20 2016-10-27 Koninklijke Philips N.V. Radio frequency safety switch with adjustable switching level for mri systems
EP2953425B1 (en) 2014-06-03 2019-08-21 Ampleon Netherlands B.V. Radio frequency heating apparatus
US9306533B1 (en) * 2015-02-20 2016-04-05 Reno Technologies, Inc. RF impedance matching network
GB201513120D0 (en) * 2015-07-24 2015-09-09 C Tech Innovation Ltd Radio frequency heating system
US10763814B2 (en) * 2016-08-09 2020-09-01 John Bean Technologies Corporation Radio frequency processing apparatus and method
US10677822B2 (en) * 2016-09-27 2020-06-09 Analog Devices Global Unlimited Company Electrical overstress detection device
CN108521691A (zh) 2018-03-19 2018-09-11 上海点为智能科技有限责任公司 射频解冻加热设备
CN108812854A (zh) 2018-05-08 2018-11-16 上海点为智能科技有限责任公司 射频解冻系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB592664A (en) * 1944-09-26 1947-09-25 Harold Burton Automatic high-frequency heater for heating plastic moulding powders and the like
US2868941A (en) * 1958-03-11 1959-01-13 Chemetron Corp Electronic arc-suppressor
CN100548080C (zh) * 2002-06-21 2009-10-07 松下电器产业株式会社 高频感应加热用电力控制方法及其装置
CN108924982A (zh) * 2017-12-20 2018-11-30 恩智浦美国有限公司 解冻设备及其操作方法

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