專利名稱：射頻阻抗匹配裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種射頻阻抗匹配裝置，具體地說是一種通過調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗的狀態(tài)，使負(fù)載阻抗與源阻抗匹配的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代分析測(cè)試儀器中，ICP-MS、 ICP-AES (OES)都是一些精密的分析測(cè)試儀器，它可快速同時(shí)檢測(cè)周期表上幾乎所有元素，成為公認(rèn)的最有力的元素分析手段。在這一類儀器中，由于在產(chǎn)生并維持電感耦合等離子的過程中，負(fù)載阻抗會(huì)產(chǎn)生變化，所以這類儀器都使用了射頻阻抗匹配裝置?，F(xiàn)有的阻抗匹配裝置一般由功率檢測(cè)單元、控制單元和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。這種阻抗匹配裝置通過
讀取行波的入射功率和反射功率，判斷出負(fù)載阻抗的狀態(tài)，采取手動(dòng)控制或開環(huán)
控制的方式，致使阻抗匹配裝置的控制精度低，調(diào)節(jié)速度慢。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有阻抗匹配裝置控制精度低，阻抗調(diào)節(jié)速度慢的問題，本實(shí)用新型提供一種射頻阻抗匹配裝置，該裝置采用功率相位檢測(cè)器準(zhǔn)確的判斷負(fù)載阻抗的狀態(tài)，并計(jì)算出阻抗的數(shù)值，通過閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，從而提高了射頻阻抗匹配的精度和速度。
本實(shí)用新型提供一種射頻阻抗匹配裝置，包括
功率相位檢測(cè)單元，從經(jīng)過其的射頻信號(hào)中檢測(cè)出入射功率、反射功率和相位差三個(gè)信號(hào)值；
控制單元，用于對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷和數(shù)值的計(jì)算；
阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，包括可變電容和并聯(lián)的陶瓷電容，連接在射頻電源和負(fù)載之
間；
電位器，與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化并反饋至控制單元；
上述功率相位檢測(cè)單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連有電位器和步進(jìn)電機(jī)，控制單元與功率相位檢測(cè)單元、步進(jìn)電機(jī)和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號(hào)經(jīng)過功率相位檢測(cè)器，功率相位檢測(cè)器檢測(cè)出射頻信號(hào)的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷和數(shù)值的計(jì)算，根據(jù)判斷和計(jì)算結(jié)果，控制單元通過控制步進(jìn)電機(jī)來改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化，輸出信號(hào)接至控制單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制。
所述的控制單元采用單片機(jī)作為主控制芯片，外接A/D以及相關(guān)的信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的計(jì)算與判斷，并且對(duì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，其主要功能為(1)阻抗匹配裝置的初始化；(2)判斷負(fù)載阻抗的狀態(tài)；(3)計(jì)算負(fù)載阻抗的數(shù)值；(4)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制；(5)阻抗匹配裝置工作異常的保護(hù)與報(bào)警。
所述的功率相位檢測(cè)器包括采樣變壓器、信號(hào)調(diào)理電路、相位增益檢測(cè)器和功率合成器組成。此檢測(cè)器使用采樣變壓器提取出射頻信號(hào)的電壓值和電流值，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，接到相位增益檢測(cè)器和功率合成器的輸入端，輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差、幅度比和合成信號(hào)。
所述射頻阻抗匹配裝置采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載線圈相連，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變電容與步進(jìn)電機(jī)相連，由電位器記錄下可變電容的容值，將電壓信號(hào)反饋到控制單元。控制單元通過RS-232接口與計(jì)算機(jī)連接。
本實(shí)用新型所說的阻抗匹配裝置通過檢測(cè)射頻信號(hào)的入射功率、反射功率、電壓和電流的相位差，由控制單元的CPU判斷負(fù)載阻抗的狀態(tài)，計(jì)算負(fù)載阻抗的數(shù)值，確定針對(duì)負(fù)載阻抗調(diào)整的控制策略。通過控制該裝置中的步進(jìn)電機(jī)，改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可變電容的容值，并利用與可變電容連接的電位器，將電容容值的變化反饋至控制單元。利用本實(shí)用新型進(jìn)行檢測(cè)和控制，提高射頻阻抗匹配的精度和速度。該阻抗匹配裝置實(shí)現(xiàn)了負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制，阻抗匹配裝置的工作參數(shù)都能通過控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有異常情況報(bào)警功能，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

圖l為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為阻抗匹配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi).射頻電源，2.電位器，3.步進(jìn)電機(jī)，4.可調(diào)電容，5.負(fù)載線圈。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
本實(shí)用新型阻抗匹配裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，包括控制單元、功率相位檢測(cè)單元、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載線圈、步進(jìn)電機(jī)和電位器。功率相位檢測(cè)單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連有電位器和步進(jìn)電機(jī)，控制單元與功率相位檢測(cè)單元、步進(jìn)電機(jī)和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號(hào)經(jīng)過功率相位檢測(cè)器，功率相位檢測(cè)器檢測(cè)出射頻信號(hào)的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷和數(shù)值的計(jì)算，根據(jù)判斷和計(jì)算結(jié)果，控制單元通過控制步進(jìn)電機(jī)來改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化，輸出信號(hào)接至控制單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制。
本實(shí)施例控制單元采用PIC16F877A單片機(jī)，外接A/D以及相關(guān)的信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷與計(jì)算，對(duì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警的功能。功率相位檢測(cè)單元包括取樣變壓器，射頻相位增益檢測(cè)器AD8302和功率合成器ADP-2-lW。功率相位檢測(cè)單元利用采樣變壓器將射頻信號(hào)的電壓值和電流值提取出來，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的衰減和調(diào)理，采用射頻相位增益檢測(cè)器AD8302得到電壓、電流的相位差和幅度比，另外利用功率合成器ADP-2-1W得到射頻信號(hào)電壓電流的合成信號(hào)。將射頻相位增益檢測(cè)器AD8302和功率合成器ADP-2-1W的輸出端與控制單元連接，根據(jù)功率相位檢測(cè)器的輸出結(jié)果，控制單元計(jì)算出負(fù)載阻抗的狀態(tài)和數(shù)值。
本實(shí)施例的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)此采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，包括可變電容和并聯(lián)的陶瓷電容，如圖2所示，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電容4與步進(jìn)電機(jī)3和電位器2相連。根據(jù)負(fù)載5阻抗的狀態(tài)和數(shù)值，控制單元確定控制策略，通過運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)，改變可調(diào)電容的容值，其容值的變化由電位器記錄下來，并將電壓信號(hào)傳送給控制單元，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，使負(fù)載阻抗與源阻抗匹配。
綜上所述，本阻抗匹配裝置實(shí)現(xiàn)了負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制，阻抗匹配裝置的工作參數(shù)都能通過控制單元中的CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有異常情況報(bào)警功能，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種射頻阻抗匹配裝置，包括功率相位檢測(cè)單元，從經(jīng)過其中的射頻信號(hào)中檢測(cè)出入射功率、反射功率和相位差；控制單元，用于對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷和數(shù)值的計(jì)算，并且對(duì)阻抗網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行控制；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連接在射頻電源和負(fù)載之間；其特征在于該裝置還包括電位器和步進(jìn)電機(jī)，電位器與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化并反饋至控制單元；功率相位檢測(cè)單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連有電位器和步進(jìn)電機(jī)，控制單元與功率相位檢測(cè)單元、步進(jìn)電機(jī)和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號(hào)經(jīng)過功率相位檢測(cè)器，功率相位檢測(cè)器檢測(cè)出射頻信號(hào)的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對(duì)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)的判斷和數(shù)值的計(jì)算，根據(jù)判斷和計(jì)算結(jié)果，控制單元通過控制步進(jìn)電機(jī)來改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化，輸出信號(hào)接至控制單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于控制單元為 PIC16F877A單片機(jī)和外接的A/D以及信號(hào)調(diào)理電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于功率相位檢測(cè)單元包 括取樣變壓器，射頻相位增益檢測(cè)器AD8302和功率合成器ADP-2-lW。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于射頻阻抗匹配裝置采 用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與負(fù)載線圈相連，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變電容與步進(jìn)電機(jī)相 連，由電位器記錄下可變電容的容值，將電壓信號(hào)反饋到控制單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于控制單元通過RS-232 接口與計(jì)算機(jī)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種射頻阻抗匹配裝置，包括控制單元、功率相位檢測(cè)單元、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載線圈、步進(jìn)電機(jī)和電位器。功率相位檢測(cè)單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連有電位器和步進(jìn)電機(jī)，控制單元與功率相位檢測(cè)單元、步進(jìn)電機(jī)和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號(hào)經(jīng)過功率相位檢測(cè)器，功率相位檢測(cè)器檢測(cè)出射頻信號(hào)的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元通過控制步進(jìn)電機(jī)來改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電容容值的變化，輸出信號(hào)接至控制單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗的閉環(huán)控制。實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03H11/28GK201387563SQ20092008485
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者張莉君, 超 王, 石寶松, 星 金 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)