射频阻抗自动匹配方法的研究与实现

摘要

功率射频源在真空镀膜、半导体刻蚀和感应加热等离子体等领域得到了广泛应用。工业上常用的射频源频率为13.56MHz，内阻RS为50Ω。通常负载阻抗不等于射频源内阻，若将射频源和负载直接相连时，会存在不同程度的失配。阻抗失配将导致传输线上存在功率反射，能量不能全部被负载所接收，降低传输效率。若失配程度较深，则会引起加工过程的失败。因此在射频源（或传输线末端）与负载之间需要设置匹配网络。负载阻抗随工作时间和周围环境等因素的变化而在一定范围内变化，只有实时检测负载阻抗的变化并调整匹配网络的参数，才能得到最大传输效率，因此阻抗自动匹配器的研究就显得至关重要。
　　此文根据加工过程中负载变化特点，利用阻抗在Smith圆图上的变化规律，设计Γ型匹配网络，匹配网络由一个微调电感和两个真空可调电容组成。由负载变化范围和工作条件确定匹配网络中的元件参数，设计并制作符合要求的阻抗匹配网络。
　　由于射频源的最大工作电压峰值为200V，最大工作电流峰值为4A，因此利用性能优于传统电流互感器的罗氏线圈实时检测传输线上的电流信号，并根据电路设计需要实现1:10的变比，采样元件分别选用满足自积分条件的电阻与电容。利用电容分压器实时检测传输线上的电压信号并实现1:340的变比，将检测到的电压和电流输入AD8302幅相变换电路得到信号幅度比和相位差，输入STM32，经过模数转换，计算出任意时刻的阻抗，根据Smith圆图的阻抗和导纳的变化特点，采用PID算法控制步进电机的转角，由步进电机带动可调电容的变化，由此形成全新的闭环控制系统。控制目标是使电路在3s内实现匹配，并且使误差控制在5％以内。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外匹配器发展状况

1.3 本课题主要研究内容

1.4 本章小结

2 阻抗匹配和匹配网络设计

2.1 阻抗匹配与最大功率传输

2.2 匹配网络结构分类

2.3 Smith圆图与匹配网络结构

2.4 匹配网络结构的设计

2.5 本章小结

3 阻抗自动匹配系统结构电路设计和分析

3.1 阻抗自动匹配系统结构

3.2 匹配网络电路元件设计

3.3 检测单元电路设计

3.4 信号变换单元电路设计

3.5 本章小结

4 控制单元与执行单元的分析与设计

4.1 执行单元的选择与设计

4.2 控制单元

4.3 本章小结

5 仿真数据和实验结果分析

5.1 仿真数据分析

5.2 电路调试及实测数据分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

个人简历及研究生期间已确认发表的论文

附录1 主电路实物图

致谢