[发明专利]用于找到全局最优值的频率调谐系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2012年12月4日提交的标题为“能够找到全局最优值的秘密频率调谐算法”、并被转让给本申请的受让人的临时申请No.61/733397的优先权，并且由此通过引用的方式将该临时申请明确地并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及用于等离子体处理应用的电源，并且更具体地涉及用于频率调谐电源的系统和方法。

背景技术

RF发生器中的频率调谐通常用于减小反射功率。在图1中示出了典型的装置。通常情况下(但并不总是)，匹配网络的一些类型用于将负载与发生器匹配。通过匹配网络(发生器的内部或如图1所示的外部)的正确设计，可以在发生器能够产生的频率范围内的一些频率下将负载的阻抗转换为接近于发生器的期望负载阻抗的值(在RF输出连接器处，通常为50Ω；或在发生器内部的有源设备处，通常为一些低复数阻抗，例如：8+j3Ω)。负载阻抗与期望阻抗的接近程度的量度可以采用多种形式，但其通常被表示为反射系数：

ρ=Z-Z0Z+Z0*]]>

其中ρ为阻抗Z相对于期望阻抗Z₀的反射系数，并且x^*表示x的共轭复数。反射系数|ρ|的大小是表示阻抗Z与期望阻抗Z₀的接近程度的非常方便的方式。Z和Z₀两者通常都为复数。

频率调谐算法和方法试图找到最优的操作频率。最优性通常被定义为反射系数的大小相对于期望阻抗最小时的频率。其它的量度可以是最小反射功率、最大输送功率、稳定操作等等。在非时变线性负载上，许多算法都可以很好地工作，而在时变和/或非线性负载上则需要特殊的技术来确保调谐算法的可靠操作。

假设最优操作频率是负载反射系数大小处于其最小值时的频率，要注意的是，受控变量(频率)与误差之间的关系通常不是单调的，并且此外，最优操作点通常位于增益([误差变化]/[频率变化])为0的点。为增加挑战，还可能存在局部最小值，任何控制算法都可以陷于该局部最小值。图2A在顶部显示了负载反射系数图(史密斯圆图)上的负载反射系数的曲线图，并且图2B显示了被用作作为频率的函数的误差的负载反射系数的大小。该曲线图利用f₀处的局部最小值来说明上述问题，f₀处的局部最小值通过f_a周围的高负载反射系数区域和(情况总是如此)全局最优频率f_b处的误差函数的零斜率来与f_b处的全局最优值分开。

关于等离子体负载的两个常见的问题是：负载的非线性性质(负载阻抗是功率电平的函数)以及负载阻抗随时间变化(例如，由于化学成分、压力、气温等随时间变化)。等离子体(或类似等离子体的)负载所特有的另一问题是：如果至等离子体的输送功率在足够长的时间内下降至低于一些值，则等离子体可能熄灭。因此频率调谐算法不能停留在不能长时间输送足够的功率或者等离子体可能熄灭的频率下。

发明内容

在下文中将对附图中所示的本公开内容的说明性实施例进行总结。将在具体实施方式部分中对这些和其它实施例进行更充分地描述。然而，要理解的是，并不是要将本公开内容限制为该发明内容或具体实施方式中所述的形式。本领域技术人员可以认识到，如权利要求书中所述，存在落入本公开内容的精神和范围内的许多修改、等同物、以及替换结构。

根据一方面，提供了用于对发生器进行调谐的方法。方法包括：将由发生器施加的功率的频率设定为当前最佳频率；以及感测由发生器施加的功率的特性。然后基于功率的特性来确定当前最佳误差，并且功率的频率在主要时间段内保持在当前最佳频率。将功率的频率改变为探测频率，并且功率的频率在小于主要时间段的探测时间段内保持在探测频率。如果探测频率下的误差小于当前最佳频率下的误差，则将当前最佳频率设定为探测频率。