自动阻抗匹配器检测电路设计及匹配算法研究

论文摘要

自动阻抗匹配器是射频耦合等离子体设备系统中关键部件之一,衡量自动阻抗匹配器性能好坏的主要技术指标是其匹配速度和匹配精度。已有的研究工作表明,在仅检测射频电源入射功率和反射功率幅值的基础上,增加两者之间相位差信息的检测,可以更快、更好地实现匹配功能,因此,开展与之相关的研究开发工作具有较好的实际应用价值。在实验室已有工作的基础上,本论文工作主要体现在以下几方面:1.提出了能实时给出反射系数幅值和相位信息的信号检测方案。调研分析表明,仅仅利用反射系数检测电路检测出的幅值信息进行阻抗的自动匹配,其匹配算法的复杂度较高,从而影响其匹配速度和效果,若增加相位信息,则可以大大地改善。2.针对已有的阻抗匹配器硬件系统,设计了两种可以检测反射系数幅值和相位的电路,一种是使用模拟乘法器直接下变频检测电路,另一种是使用高速模拟开关的正交检波电路,具体进行了硬件电路的设计、制作与调试实验。理论分析及实验结果表明,正交检波方案具有噪声抑制能力强、线性度好、动态范围宽等方面的优点。此外,为控制模拟开关,设计了2相信号发生电路及DDS信号发生器。3.作为对已有匹配方案的一种补充,提出了利用匹配元件阵列组成匹配网络、使用继电器阵列作为切换开关的自动阻抗匹配方案,这个方案有着便携性好、拓展性佳等优点,但也有着输入功率低和预期成本高等不足。4.在已知反射系数幅值和相位信息的基础上,研究了与之相对应的阻抗匹配算法,研究结果表明:加入相位信息可以大大减少阻抗匹配算法的调节步数,进而缩短阻抗匹配时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪 论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外发展现状和趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构
• 2.1 阻抗匹配原理
• 2.2 阻抗匹配网络
• 2.2.1 π型阻抗匹配网络
• 2.2.2 Γ型阻抗匹配网络
• 2.3 自动阻抗匹配器硬件结构
• 2.3.1 硬件系统总体结构
• 2.3.2 中央处理单元模块
• 2.3.3 人机界面模块
• 2.3.4 电容调节模块
• 2.4 本章小结
• 第3章 自动阻抗匹配器检测电路设计
• 3.1 定向耦合器
• 3.1.1 定向耦合器技术指标
• 3.1.2 定向耦合器的制作
• 3.2 使用模拟乘法器直接下变频检测电路
• 3.2.1 混频器
• 3.2.2 滤波器
• 3.2.3 相位比较器
• 3.3 使用高速模拟开关进行正交检波
• 3.3.1 正交检波理论
• 3.3.2 正交检波方案的实现
• 3.4 DDS 信号发生器
• 3.4.1 DDS 简介
• 3.4.2 DDS 基本原理及性能特点
• 3.4.3 采用DDS 的AD9851
• 3.5 延迟线
• 3.6 实验结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 使用继电器控制匹配网络的设计方案
• 4.1 原阻抗匹配方案存在的问题
• 4.2 使用继电器开关阵列控制阻抗匹配网络的方案
• 4.3 继电器开关阵列方案的优点和缺点
• 4.4 本章小结
• 第5章 自动阻抗匹配算法研究
• 5.1 典型算法
• 5.1.1 变量轮换法
• 5.1.2 最速下降法
• 5.2 模拟退火算法
• 5.3 利用幅值和相位信息进行阻抗匹配仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 工作总结和后续工作
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果