專利名稱：功率分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率分配器并且特別涉及用于差動功率分配的功率分配器。在第一方 案中，本發(fā)明提供寬帶無源的N分功率分配器，其可以有利地用于給等離子體源中的多個 電極提供功率。
背景技術(shù)：
為了利用單個RF(射頻)功率源來給等離子體源中的多個電極供應能量，需要將 功率分配到多個通道內(nèi)。在交流電極相互180度異相的等離子體源拓撲情況中(如PCT/ EP2006/062261中所述，該申請內(nèi)容通過引用合并于此)，每個電極可以與其相鄰電極異 相，這樣，能夠提供推挽對(push-pull pairs)會很有用。此問題的傳統(tǒng)解決方案是使用180度分配器，然后接一系列N: 1分配器，其中在高 功率應用中通常使用2:1和4:1分配器，而在低功率情況中可使用η值更高的分配器。輸 出通道之間的相位誤差通常將是幾度，振幅不平衡度為5%，以及功率損耗為3%;使用一系 列2:1分配器來產(chǎn)生1:128分配器會失敗于很大的功率損耗和功率誤差，并且具體電極接 收的功率僅是應當接收的功率(0.95~7)的70%。另外，系統(tǒng)僅在輸入和輸出阻抗(通常是 50歐姆)完全匹配時才工作正常。因為加載在電極上的等離子體基本上是“非50歐姆”， 對每個電極而言最后級分配器輸出和電極之間都需要阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。這增加了此方案的成 本、復雜性和“電極到電極”的變化。加之，此方案僅適合是分配器類型的因數(shù)的特定電極 數(shù)量(例如，7Χ 10電極陣列需要180度分配器、5:1分配器和7:1分配器)，因此每個方案 可能需要不同的分配器工程方案。另外，高功率分配器(特別是奇數(shù)分配，比如5分、7分) 是頻率特定的，所以在不同頻率上工作就需要不同的工程方案。出于簡單、節(jié)約成本和一致性的原因，期望有如下解決方案其中，阻抗匹配在分 配器之前完成，功率分配器是“無源的”，分配器是寬帶的(也就是30MHz至3000MHz的 VHF(甚高頻)和UFH(特高頻)頻率范圍)，且分配器能夠?qū)Υ笄胰我獾腘執(zhí)行1:N分配 (對與3X10、4X8、6X6電極陣列對應的N = 30、32、36有利地使用相似的設(shè)計)。另外還 需要能以高總功效實現(xiàn)的功率分配器，該分配器能控制可直接驅(qū)動等離子體電極且可被配 置以差動(推挽)模式驅(qū)動電極對的輸出阻抗。

發(fā)明內(nèi)容
這些問題和其它問題根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思提供的功率分配器都能應對。該分配器通過 提供繞傳輸線布置的多個次級繞組來配備。傳輸線可操作地提供方位磁場，方位磁場將功 率感應地耦合到次級繞組內(nèi)以提供對來自傳輸線的功率的分配。可理解，形成可被看作是 次級變換器的次級繞組的數(shù)量N將決定功率分配器的分配比例N。當N次級變換器位于高 磁場區(qū)域內(nèi)且與功率源一起使用時，可以通過磁場將功率感應地耦合到N個次級繞組內(nèi)， 從而可以選擇性地耦合功率至等離子體源的各個電極。期望提供如下配置其中多個電極相對于彼此排列成陣列，陣列中相鄰電極彼此異相，次級繞組可被布置成推挽配置，使得每個繞組有第一和第二端，每端被可操作地耦合 至電極中相應的一個電極。在這種方案中，需要的繞組的數(shù)量是N/2，電極數(shù)量是N。功率分配器還可以包括阻抗匹配電路。阻抗匹配電路可以由短截線調(diào)諧器提供。 短截線調(diào)諧器的輸出連接到傳輸線的一部分，并且可被用來將傳輸線和相關(guān)功率源的阻抗 匹配到具有由N個次級繞組形成的附加負載的傳輸線的阻抗。在優(yōu)選配置中，傳輸線被提供為同軸線。通常的同軸傳輸線包括通過電介質(zhì)材料 與外護殼隔開的內(nèi)芯或中心導體。這種配置有利于線內(nèi)能量傳輸完全通過導體間的間隙發(fā)生。在傳輸線為開路的配置中，駐波將在傳輸線內(nèi)出現(xiàn)，具有1/2波長的節(jié)點到節(jié)點 的周期性。此配置可有用地用于短波長的高UHF頻率。然而在優(yōu)選配置中，傳輸線是短接的。由于短接引起零電壓點(節(jié)點)且同時引 起電流最大值(反節(jié)點)，因此這導致在傳輸線上產(chǎn)生駐波。該高RF電流導致在傳輸線短 接區(qū)域中產(chǎn)生高方位磁場，希望在傳輸線的端部提供該磁場。通過在此區(qū)域內(nèi)將次級繞組 布置到一定位置，能夠以相對寬帶的方式將功率耦合到次級繞組內(nèi)。盡管被有利地用于使用這樣的功率耦合器給多個電極個體提供功率的等離子體 源的情況，也應理解，通過提供寬帶耦合器，根據(jù)本構(gòu)思的功率耦合器可以同樣有用地用于 任何需要對來自功率源的功率進行分配的RF應用。示例性的應用包括RADAR(雷達)、電視 或無線電天線、移動電信天線等。相對于傳統(tǒng)功率分配器，該裝置可以取決于應用地作為信 號分配器工作，但是應了解，將來自傳輸線的信號方位耦合到次級繞組中的功能得益于與 在對功率信號進行分配的情況下所提供的效率一樣的效率?？梢岳斫?，通過逆向用于功率分配器方案的配置，該裝置還可有利地用作功率合 成器，其中，兩個或更多輸入信號被合并到單個傳輸線上。在另一配置中，該裝置可被合適 地配置以提供組合的合成分配器，其中，兩個或更多信號個體被合并到傳輸線上，然后被再 一次分配以饋送給兩個或更多輸出線。因此，本發(fā)明提供根據(jù)權(quán)利要求1的功率分配器。其從屬權(quán)利要求中提供優(yōu)選實 施方式。本發(fā)明還提供根據(jù)權(quán)利要求40的功率合成器。其從屬權(quán)利要求中提供優(yōu)選實施 方式。


現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，附圖中圖1示出被可操作地耦合至傳輸線的多短截線調(diào)諧器的示意圖；圖2A示出沿傳輸線的電流和電壓位置分布圖，所述傳輸線合并單個短截線并配 備有跨傳輸線端部的負載；圖2B示出針對圖2A的曲線的電流和其相關(guān)相位；圖2C示出針對圖2的曲線的電壓和其關(guān)聯(lián)的相位；圖3是插入部的示意圖，該插入部可被設(shè)置在傳輸線內(nèi)以提供N次級繞組架；圖4是具有N次級繞組架繞組的多短截線調(diào)諧器的端視圖，繞組架繞組被設(shè)置成 穿過調(diào)諧器短接端板上的孔的雙絞線結(jié)構(gòu)；圖5示意性地示出根據(jù)本構(gòu)思的功率分配器是如何集成到真空室中的；
圖6示出給單個等離子體源中的多個電極提供功率的功率配置的一個示例；圖7示出可如何改動功率分配器以將低頻率功率耦合到次級繞組上；圖8示意性地示出在該裝置中可如何對繞組架進行分級以減小反射；圖9示出根據(jù)本構(gòu)思的設(shè)備可被如何用來對來自N個放大器個體的功率進行耦合 以提供單個高功率輸出的一個示例；圖10示出對圖9的設(shè)備的改動，以在傳輸線上與在輸入端為次級繞組提供支承的 繞組架相對的一端提供第二繞組架，第二繞組架被設(shè)置來為第二組次級繞組提供支承；圖IlaUlb和Ilc (底部、中部、頂部)是使用根據(jù)本構(gòu)思的功率分配器驅(qū)動多板 電極等離子體源而實現(xiàn)的襯底上的功率沉積分布的圖形表示。該圖形表示示出在用于產(chǎn)生 等離子體的具有3X4電極陣列的12板(12-tiles)系統(tǒng)中對功率分配進行調(diào)整以改變提 供給中心兩個板的功率的效果。在此配置中，提供6個次級環(huán)以驅(qū)動12個板。其中一個環(huán) 為兩個中心板提供饋給。圖Ila示出了通過其中所有次級環(huán)長度相同的結(jié)構(gòu)獲得的“過少” 功率的情況。圖lib示出了通過其中將為兩個中心電極提供饋給的繞組長度增加33%的結(jié) 構(gòu)獲得的“過多”的增大了的功率被提供至中心兩個電極的情況；以及圖Ilc示出了通過其 中中心兩個電極的次級繞組比其它5繞組(5-windings)長25%的結(jié)構(gòu)獲得的電極上良好 的功率平衡；以及圖12示出在驅(qū)動單端同軸電纜中使用的功率分配器的剖視圖。A處所示的連接， 是N個此連接其中之一的示例，可使此連接繞著傳輸線表面方位地延伸。B處所示的連接 是M個此連接其中之一的示例，此連接可以在傳輸線內(nèi)部的周圍方位角地延伸。傳輸線內(nèi) 部充滿電介質(zhì)材料(該電介質(zhì)材料可以是空氣或真空)、或者可以是具有所需的導電和導 磁(electric permativity and magnetic permativity)特性的材料。
具體實施例方式圖1至圖4示出示例性的布置，由此傳輸線上的方位磁場可被用來以將功率感應 到沿傳輸線的一部分排列的次級繞組中，因此產(chǎn)生功率分配器。在接著傳輸線的示例性布 置中，功率分配器包括短截線調(diào)諧器形式的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。盡管參照功率分配器的的示例 性布置來描述，也應了解，所述布置可被同等地配置為用作信號合成器或功率耦合器/合 成器。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思設(shè)置的功率分配器100的一個示例在圖1中提供。在此示例性的 布置中，此分配器包括用于VHF/UHF應用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。應當理解，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置 對于某些應用可能是有益的，但在阻抗匹配并非必不可少的情況下此布置可以被省略。在 所描述的示例性布置中，示出了短截線調(diào)諧器130。如圖1中所示，在兩個短截線130a、130b的情況中，若使用短截線調(diào)諧器，則短截 線調(diào)諧器可以包括一個或多個短截線個體，每個短截線可包括滑動短路線以允許對短截線 調(diào)諧器130進行調(diào)諧。在此示例性的配置中，短截線調(diào)諧器130的輸出連接到端部111短 接的傳輸線110的一部分。傳輸線可以由同軸電纜提供，具有由電介質(zhì)118分隔的內(nèi)芯116 和外護殼117。通過例如連接內(nèi)芯116與外護殼117 (或任何其它用于提供傳輸線的規(guī)定 短接電纜線路的合適技術(shù))來短接同軸電纜，由于該短接引起零電壓點205(節(jié)點)并且同 時引起電流最大值210 (反節(jié)點)，因此能夠在傳輸線上產(chǎn)生駐波200(圖2中示出)。短接反射出的RF波、特別是與短截線調(diào)諧器結(jié)合的短接反射出的RF波，導致來自遠在短截線調(diào) 諧器的短接的同軸傳輸線中的高循環(huán)功率。與高循環(huán)功率相關(guān)地出現(xiàn)高RF電流和/或電 壓的區(qū)域。此高RF電流導致傳輸線中的高方位磁場。本發(fā)明者已意識到高方位磁場區(qū)域 (比如接近(在波長意義上)短接的區(qū)域)特別適合于到置于傳輸線內(nèi)部的線環(huán)的感應耦 合。應理解，方位場的形成不需要短接的傳輸線。然而，有了該短接布置，場的幅值增大，結(jié) 果次級繞組上感應產(chǎn)生的電流/電壓通過短接傳輸線的使用而得到增強。可了解，通過短接傳輸線可以在傳輸線上建立1/4波長(反節(jié)點到節(jié)點)的駐波。 如果傳輸線沒有短接而是開路的，則可以了解電壓反節(jié)點和電流節(jié)點也被建立，但是駐波 上的電流峰值位置在沿傳輸線1/4波長距離處。這種“開路”布置使得電壓反節(jié)點和電流節(jié) 點(零)斷開，所以電流峰值位置沿傳輸線后移1/4波長。這意味著最好的耦合(在某種 程度上)更加依賴于頻率。然而，對于波長很短的高UHF頻率，事實上來自開路駐波的1/2 波長(節(jié)點到節(jié)點)比來自短接的1/4波長(反節(jié)點到節(jié)點)更有益。通過將N次級變換器120 (N是繞組架上繞組的數(shù)量)結(jié)合到高磁場區(qū)域中，能夠 將功率感應地(經(jīng)由磁場)耦合到次級繞組125。在圖1的示意圖中，提供了第一和第二繞 組對125a、125b，但可以理解，可以提供任何數(shù)量的繞組125，數(shù)量N與具體應用所需的功率 分配器的數(shù)量有關(guān)。在圖1中的示例性布置中，第一和第二繞組125a、125b中的每個被連 接到傳輸線110外部可用的雙絞線126a、126b。電線126的端部127可被用于將這些電線 上的功率耦合到所期望的目標，比如等離子體源中的電極。如果每個雙絞線中提供兩條電 線，它們可被用來產(chǎn)生推挽對，當每個推挽對的各端耦合至相鄰的電極時，推挽對可被用來 給彼此異相的相鄰電極的中的每個電極提供功率。應理解，雙絞線配置的使用提供了差動 輸出。如果端部附接于電極并且又與連接到無源部件(比如電阻器、電感器、電容器或部件 網(wǎng)絡(luò))的電極連接并聯(lián)，那么由雙絞線傳輸?shù)墓β蕦⒃谛纬呻p絞線終端的兩個部件之間進 行分配。如果無源部件的電阻抗可變，則電極可獲得的功率的量可以變化。繞組125可被設(shè)置在傳輸線中維持繞組方向和位置的板或繞組架128上。繞組最 好圍繞傳輸線內(nèi)芯116同軸地對齊并且沿著傳輸線的主軸A-A’延伸。理想地，連接到繞組 的電線在傳輸線的端部160 (在此示例性布置中是傳輸線短接的地方)抽出，而不是從側(cè)壁 抽出。與內(nèi)芯重疊的繞組的長度可選擇為以使需要耦合到每個繞組的功率的量最優(yōu)。如果電線對徑向地自側(cè)壁(即繞組上與短接相對的一端)饋出，由于耦合至與傳 輸線內(nèi)部和外部部分相鄰的繞組區(qū)域的傳輸線內(nèi)部和外部部分之間的電容耦合，導致這些 電線上的電壓/電流基本上不平衡；大小隨著離短接的距離而增大的徑向電場將電容功率 耦合加到電感功率耦合，如圖2(b)和圖2(c)中所看到的，電場與電流大約90度異相。參照圖12描述功率分配器的另一布置。在此布置中，N個次級同軸電纜可被排列 在設(shè)備側(cè)壁的周圍、與短接111的距離為“1”。在該示例性的布置中，次級同軸電纜的接地 殼附接于傳輸線的外部部分117，內(nèi)部部分與外部部分117絕緣但附接于傳輸線的內(nèi)部部 分116。簡單起見僅示出單個次級電纜。應了解，次級同軸電纜上的功率源自傳輸線內(nèi)部 的徑向電場，此電場直接與同軸電纜和短接位置間集成的方位磁場相關(guān)。還應了解，N個徑 向排列的次級同軸電纜上的功率將彼此同相。如上所述，在該布置中，傳輸線短接，并且對 N個次級同軸電纜的內(nèi)部和外部與傳輸線連接的位置與該短接之間的長度或距離進行控制 以控制N個同軸電纜間的相對功率耦合。還應了解，M個次級同軸電纜可以位于傳輸線的內(nèi)部導體116內(nèi)、與短接111的距離為“1，M個次級同軸電纜的外部導體連接到傳輸線的內(nèi) 部部分116，M個次級電纜的內(nèi)部導體與內(nèi)部導體116絕緣但附接于外部導體117。簡單起 見僅示出單個同軸電纜。這些M個次級電纜將彼此同相，它們可以進入到傳輸線內(nèi)部導體 116的內(nèi)部，在短接111的平面處傳輸線退出。如果從短接到次級傳輸線內(nèi)部導體所在位置 的距離相同，N個次級同軸電纜和M個次級同軸電纜的相位將相互180度異相。對短接與N 個和M個次級同軸電纜的內(nèi)部和外部導體的位置之間的距離進行控制，以控制N和M個同 軸電纜間的相對功率耦合。此外，如果M = N，則功率分配器將提供N個同軸線推挽對。在 一種優(yōu)選布置中，M、N > 2。在一種更為有利的布置中，M、N > 5。應理解，由于各個繞組根據(jù)由傳輸線產(chǎn)生的磁場獨立地耦合功率，因此每個繞組 產(chǎn)生的輸出信號的特性可以獨立于其它繞組的特性進行修正。例如，在包括多個相對于襯 底排列的電極且耦合特定電極至特定繞組的等離子體源的情況中，通過改變一個繞組相對 于其它繞組的長度，能夠影響在襯底上的功率分配。此外，繞組個體之間的耦合水平低，這 在半導體工藝環(huán)境中特別地有利，在這種環(huán)境中低耦合和由此帶來的性能穩(wěn)定性是所需 的。應了解，在配備有短截線調(diào)諧器130的情況下，其將包括一個或多個短截線 130(圖1示出兩個短截線130a、130b)，短截線130是用于針對產(chǎn)生感興趣的線路頻率在附 接點產(chǎn)生純電抗的被短接的傳輸線或傳輸線的開路電路的長度。當短截線長度從零到半波 長變化時，可以產(chǎn)生任何電抗值。盡管可以使用單個短截線，但對單個短截線調(diào)諧器進行調(diào) 整也更為困難，困難之處在于必需移動短截線、在斷開處重接線、以及計算新短截線的長度 和附接點。通過使用永久地在固定附接點處附接于線的兩個短截線，能夠通過改變短截線 長度來進行調(diào)諧。然而，為了簡單起見，圖2示出結(jié)合一個短截線的布置。根據(jù)對圖2的觀察可了解， 在第一個短截線150的位置電流是間斷的，但是在第一個短截線150的右邊產(chǎn)生駐波。這 些曲線是對沿主傳輸線和單個短截線的電流和電壓兩者的位置分布(與電流和電壓的相 關(guān)相位一起)的模擬結(jié)果。在此模擬結(jié)果中，在右邊遠處的“短接”等效于圖1中傳輸線的 端部160處設(shè)置的短接與圖1中繞組引起的負載的組合，被?；癁閆 = 4+J25歐姆。應了 解，這不是“純短接”(Z = 0)，而是類似于可以通過插入系統(tǒng)的次級繞組和次級繞組輸出上 的某種電阻性負載獲得的效果。為此，應了解，這里使用的術(shù)語“短接”是指傳輸線的電屬 性而忽略次級繞組的電作用。為了完備性起見，在此詳細說明對于負載短接而言，短截線 長度為1. 4655米，而對純短接、沿調(diào)諧短截線的情況而言，為0. 4578米，但應理解，這些圖 中的布置是示例性的和絕非限制性的，可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思來設(shè)置。圖3和4示意性示出次級繞組125纏繞在上面的繞組架300的一個示例。繞組架 可以由Teflon (特氟綸)或一些其它合適的材料來制作，并且提供其上可以定位繞組的 板。通過在將繞組插入傳輸線之前先在繞組架上設(shè)置繞組，能夠保證達到二者之間所需的 重疊度。附圖示出了繞組的結(jié)構(gòu)，以及可用于使每個繞組的兩端的電線對退出變換器區(qū)域 的方法，但應理解，這些是可能使用的在形式上的示意和布置類型的示范，且并不意在將本 構(gòu)思限制于任何一個特殊的幾何形狀，除非根據(jù)附加權(quán)利要求被認為是必要的。圖3的示 例示出了經(jīng)過被用作傳輸線的短接的導電板或法蘭盤305上的孔303退出傳輸線的電線 對。在圖3的示例中，示出了兩對310、315，且所述電線對必需具有驅(qū)動至其中的差動RF電流。從而雙絞傳輸線可以攜帶RF電流至未示出的作為離子體源的部件設(shè)置的電極對。圖 4中多個繞組可被設(shè)置成圍繞內(nèi)芯115的環(huán)向排列。繞組可以穿過繞組架中提供的孔405、 410，這些孔分別距中心點(芯115的位置)遠近不同地徑向地設(shè)置。如圖3中所示，這樣， 繞組125可以經(jīng)短接的端板或法蘭盤305(圖4中未示出)退出。因為傳輸線110中的電流分布在θ方向上(中心導體上的電流朝向短接且在RF 相位的中的一個特定點處外部導體上的電流遠離短接地流動)是均勻的，所以方位磁場在 強度上是均勻的。在傳輸線上提供短接和產(chǎn)生駐波的情況下，對于長度小于所產(chǎn)生的駐波 的1/4波長的次級繞組，磁場的方向是不變的，感生電流(差動電壓)是同相的。所有進一步的描述將在假設(shè)次級繞組的長度基本上小于所產(chǎn)生的駐波的1/4波 長的情況下進行。在此布置中，方位磁場基本上同相且功率被更有效地耦合。在圖3的布置中，雙絞線的兩端用于產(chǎn)生差動輸出。在另一布置中，次級繞組的一 端可以連接到短接(0電壓點)，而另一端將提供單端輸出。如果變換器中的交流繞組連接 到短接，那么交流(單端的)電線將相互180度異相，這樣的系統(tǒng)可以用于在交流電極中驅(qū) 動交流電流(電壓)。需要注意的是，通過控制次級繞組繞組架中的機械公差，可以控制功率分配平衡。 同樣，通過增大(減小)沿傳輸線的所選繞組的長度，耦合至繞組的功率比例可以適當?shù)卦?大或減小。例如通過增大耦合至邊緣電極的功率來補償在等離子體邊緣發(fā)生額外的等離子 體壽命損耗可實現(xiàn)上述情況?？梢杂糜谟绊懜猩艌龅倪M一步的改動包括改變繞組架的導 電性和/或?qū)Т判曰蛴糜诋a(chǎn)生繞組的電線的性質(zhì)。盡管圖1中的裝置示出了變換器120被 相對于傳輸線116靜態(tài)地安裝，也可以理解，在其它配置中，滑動布置或其它安裝配置可以 被用于動態(tài)地改變繞組和傳輸線間的重疊度。通過相對于傳輸線移動變換器120和其安裝 的繞組，功率耦合也將變化且這可被用于改變所需的耦合量?？梢蕴峁┮环N馬達裝置或其 它合適的裝置，以影響用于控制繞組與傳輸線的重疊的移動。參考圖IlaUlb和11c，示出繞組長度或相對于初級傳輸線的重疊的變化對耦合 到電極陣列的功率的影響。給電極供應功率的結(jié)構(gòu)提供功率分配以改變到用于產(chǎn)生等離子 體的具有3X4電極陣列的12板系統(tǒng)的中心的兩個板上的功率。此布置中，提供6個次級 環(huán)驅(qū)動12個板。其中一個環(huán)為這兩個中心板提供饋給。圖Ila示出提供給這兩個中心電 極的功率“過少”的情況，在這種情況下所有次級環(huán)的長度相同。圖lib示出了提供給中心 兩個電極的增大了的功率“過多”的情況，在這種情況下使用將為兩個中心電極提供饋給的 繞組長度增加33%的布置。以及圖Ilc示出了通過其中中心兩個電極的次級繞組比其它5 繞組長25%的結(jié)構(gòu)獲得的電極上良好的功率平衡。應了解，使用根據(jù)本構(gòu)思設(shè)置的功率分 配器允許將功率有效地分配給每個電極以提供這種功率平衡，這有利地改進等離子體系統(tǒng) 的沉積質(zhì)量。應了解，感生至繞組中的磁通量在圍繞傳輸線的圓形幾何形狀中在一階通常是不 變的。駐波中的高電流區(qū)域?qū)е娄确较蛏系母叽艌觥＿@提供方便控制的幾何特征，可被用 于將電壓感生至與磁場重疊的繞組中。由于場適度地同心，N個繞組可以在場中彼此間隔 開，導致可能有多個從傳輸線攜帶功率的功率線。這些次級線可以被圍繞傳輸線沿圓周排 列，理想地徑向地排列在繞組架上。由于對于每個繞組而言都是同一磁場，如果其物理和電 特性相同，那么相同的電壓被感生至每個繞組中。通過選擇性地改變繞組的性質(zhì)，能夠改變將要產(chǎn)生的感生電壓。繞組的數(shù)量的理想地選擇為對應于需要功率供應的設(shè)備的數(shù)量。此布置具有 用于給等離子體室中的電極提供功率的特殊應用。一種尤為有利的應用是在給電極陣 列提供饋送的功率分配應用中使用這種系統(tǒng)，比如本申請人較早的申請(包括美國申請 No. 11/127328和國際PCT申請No. PCT/EP2006/062261)中描述的那些應用，其中使用這種 功率分配器達到的直流電隔離特別有利。應理解，通常在真空環(huán)境中操作等離子體源。圖5示意性示出如本構(gòu)思的情況中 提供的功率耦合器如何可在這種環(huán)境中有用地使用。應了解，每個次級繞組提供各自的輸 出，這些各自的輸出可能需要到真空室的各自的輸入。給這種真空裝置設(shè)置多個密封的端 口是不利的，不利之處在于如果那些端口中的任何一個泄漏的話真空狀態(tài)就喪失了。在圖 5的布置中，通過使用功率分配器110來橋接真空室500將上述問題最小化。如圖5所示， 分配器Iio的第一部分510被設(shè)置在真空室500的外部，而第二部分520在真空室500的 內(nèi)部。使用了單個接入點530，且從分配器提供多個獨立輸出126，這些使分配器在接入點 530的真空側(cè)退出，因此無需到真空室的端口個體。接入點530可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知 的方式密封，例如通過真空密封。至此所描述的功率分配器可被單個地設(shè)置于電路中，或多個分配器可被一起使 用。圖6示意性示出共用參考(common reference) 600如何被耦合至被配置有分配器個體 610A、610B、610C的多個RF功率源650A、650B、650C以提供功率給包括多個等離子體電極個 體630的等離子體源620。在圖6的示例性的布置中，電極630被排列成行(該示例性的示 意圖中示出三行)。每個行耦合至功率分配器660A、660B、660C中的一個，行A到功率分配 器A，行B到功率分配器B以及行C到功率分配器C。每個功率線A、B、C提供多個獨立地提 供給電極630中的相應電極的獨立輸出。每個功率分配器可被用以提供不同的相位信號至 等離子體源620。例如以與耦合環(huán)并聯(lián)提供的小拾波環(huán)(small pickup loop)形式的反饋 信號線640可被用以提供η相(η是使用的分配器的數(shù)量)反饋信號至移相器660，以確保 分配器610A、610B、610C的輸出中的相位差具有所需的相位差。圖7示出根據(jù)本構(gòu)思的另一布置，由此LF (低頻)源700耦合至外殼117。如前述 一樣，相同的附圖標號用于相同的部件。在傳輸線116和117上提供高通濾波器HPF 710。 與前述布置相似地，次級繞組從傳輸線接收高頻的感生信號，在連接至雙絞線的次級繞組 的示例中該高頻信號可以設(shè)置為提供差動輸出。此布置不同之處在于，在此配置中次級繞 組125也電容性地耦合至外殼，并經(jīng)傳輸線與內(nèi)殼短接，并且接收由低頻源700提供的感生 LF共模信號。次級繞組因此接收低頻共模信號和高頻信號?？稍诟咄V波器的功率源側(cè)設(shè) 置保護罩，由此將高通濾波器設(shè)置在保護區(qū)域內(nèi)。應了解，感生到次級繞組內(nèi)的信號電平依多個整數(shù)或因數(shù)變化。一種這樣的因數(shù) 是其上設(shè)置次級繞組的繞組架的性質(zhì)。在所述示例性的布置中，假設(shè)繞組架的性質(zhì)沿傳輸 線的縱向軸是一致的且從傳輸線徑向地向外殼伸出。圖8示出一種布置，由此材料特性(例 如繞組架的尺寸或密度或介電常數(shù))沿縱向軸分級。此布置中，繞組架可以看作具有與次 級繞組125的位置一致的第一部分128a和第一部分的傳輸線輸入側(cè)上的第二部分128b。 用于第二部分128b的材料或材料的完整性可以改變以對繞組架位置和傳輸線間的差動進 行分級。如何修改材料完整性的一個示例是通過在第二部分128b的材料的內(nèi)部提供多個孔或縫隙來修改材料的物理特性。通過提供此分級，能夠減小信號被繞組架前緣反射產(chǎn)生的反射信號在功率分配器內(nèi)傳播的可能性。以類似的方式，繞組架的物理特性，例如尺寸或 密度或介電常數(shù)，同樣可以沿橫向于傳輸線116的縱向軸延伸的徑向軸改變。徑向上的分 級控制可以用以影響次級繞組和初級的內(nèi)芯及外護殼之間的電容控制。在軸向上控制繞組 架的分級控制反射和相位速度。如上面注意到的，在傳輸線短接的情況下，在優(yōu)選的布置中 繞組架有不大于所產(chǎn)生的駐波的1/4波長的尺寸。在傳輸線末端開路的情況下，在優(yōu)選的 布置中繞組架有不大于所產(chǎn)生的駐波的1/2波長的尺寸。此布置中，功率分配器用以從單個傳輸線產(chǎn)生多個信號。然而，系統(tǒng)可以相反的方 式被用作合成器，由此，或許具有不同頻率、單端的和/或差動信號格式的多個功率源可被 耦合至單個傳輸線中，該單個傳輸線可以耦合至用于廣播目的的天線。此應用的示例包括 用于移動電信天線的信號供應，其中，例如在貼片天線或微帶天線中需要多個異相信號用 于傳輸目的。在此環(huán)境中使用功率分配器是眾所周知的，但應理解，如本構(gòu)思的情況中提供 的功率分配器，具有將輸入信號分成任意數(shù)量n的次級輸出信號的能力，每個輸出信號可 以被配置為有其自有的功率水平。同樣可以用此功率分配器通過改變各個環(huán)和相應天線部 件間的相位延遲來實現(xiàn)操縱天線的用途。根據(jù)本說明書構(gòu)思提供的功率合成器可被看作可應用于需要寬帶信號的任意環(huán) 境。通過使用此功率合成器，能夠提供寬帶RF放大器，其中例如多層放大器組合成單個高 輸出源。通過在來自共用低功率源的各個信號中驅(qū)動可在相同頻率上工作的多個增益設(shè) 備，然后使用根據(jù)本構(gòu)思的合成器組合這些設(shè)備的輸出，能夠在此設(shè)備輸出處提供高輸出 源。由于輸入信號被感應地耦合至傳輸線內(nèi)，設(shè)備容忍線路個體間的不匹配。在功率合成 器中，次級繞組個體產(chǎn)生方位場以耦合功率至傳輸線內(nèi)。源自每個環(huán)或繞組的場高效地增 大，且產(chǎn)生的總方位場是個體貢獻的總和。圖9示出此功率合成器的示例，其中單個低功率 頻率源900耦合到n個不同的增益設(shè)備910Gi、G2、Gn，每個增益設(shè)備在相同的頻率上工作， 這樣，使用功率合成器920將這些增益設(shè)備耦合到一起以提供高功率輸出930。盡管在此示 意圖中未提供調(diào)諧短截線，也應理解，可能需要或者不需要調(diào)諧短截線取決于應用。至此，可以理解，已經(jīng)描述了提供用于將來自多個次級繞組的功率/信號耦合到 傳輸線上或其逆向操作的設(shè)備的操作，參照根據(jù)本構(gòu)思的任一設(shè)備可被用來提供合并的合 成分配器，其中兩個或更多信號個體被合成到傳輸線上然后又再次分配以為兩個或更多輸 出線提供饋送。圖10示出此裝置1000的一個示例，該裝置基于圖9的功率合成器。與如 圖9中所提供的單個輸出相反，此裝置中第二繞組架1020被設(shè)置在傳輸線116的與設(shè)置為 輸入端的次級繞組提供支承的繞組架的一端相對的一端上。此第二繞組架1020給第二組 次級繞組提供支承，第二組次級繞組位于傳輸線116的方位磁場內(nèi)且將在裝置外的第一末 端進入的功率耦合至多個獨立輸出1010(O/pl、O/p2、O/p3、O/p4)。盡管在示意圖中未提供 調(diào)諧短截線，也應理解，可能需要或者不需要調(diào)諧短截線取決于應用。另外，在優(yōu)選的實施方式中，功率合成器被配置為使得輸入環(huán)被調(diào)諧到很窄的帶 寬，從而不同的環(huán)可以在不同頻率上工作，而不與其它輸入環(huán)相互作用。通過這種方式，多 個頻率可以耦合至單個傳輸線內(nèi)?？梢酝ㄟ^在輸入電線對間增加電容器來對輸入環(huán)進行調(diào) 諧，輸入電線對在= 1/(L女C)形成一系列L-C諧振器，其中w是諧振器的角頻率，L是 輸入環(huán)的電感系數(shù)，C是在輸入電線對上的電容。本領(lǐng)域技術(shù)人員應了解，寄生電容和電感可以使實際的諧振頻率發(fā)生變化。使用可變電容器將允許原地對諧振頻率進行調(diào)諧。如本 領(lǐng)域技術(shù)人員所知，多個部件可被用來影響窄帶諧振，包括對功率分配器增加外部濾波器。 通過這種方式，多個頻率可以耦合至單個傳輸線中。此應用在需要提供頻率個體與信道個 體相關(guān)聯(lián)的這樣的多頻率的廣播的TV和無線電廣播系統(tǒng)中尤為有利。盡管無意于用任何方式限制本構(gòu)思，也應了解，本說明書的功率分配器對用于產(chǎn) 生等離子體的電極功率源的應用有眾多優(yōu)勢。裝置提供具有例如80至400MHz量級的工作 范圍的真正寬帶的源。在現(xiàn)有的技術(shù)中，通常單個頻率分配器與在單個頻率上耦合功率至 電極的專用耦合模塊一起使用，這種裝置無法處理多個頻率。如果要施加不同的頻率，那么 需要另一專用功率模塊。本裝置在等離子體的產(chǎn)生上提供極好的靈活性，并通過提供寬帶 源對其進行控制。眾所周知，可針對不同的處理步驟對(例如集成電路制造過程中的各個 步驟)對以不同頻率工作的等離子體源進行優(yōu)化。之前，在不同頻率工作的不同的室達到 不同的處理步驟優(yōu)化程度。結(jié)果，不同的室被選擇用于不同的處理步驟。已開發(fā)出了具有 多重離散頻率的室以允許在單個室中執(zhí)行更多的處理。使用寬帶系統(tǒng)，每個處理可以在使 處理個體最優(yōu)化的頻率上進行。多個處理能夠在單個室中進行。另外，功率分配器在不同輸出端口間提供高度隔離，因為一個耦合環(huán)的負載阻抗 上的變化不影響給其它耦合環(huán)的功率分配，因此這增加了等離子體源應用中的穩(wěn)定性。因此，盡管參照示例性的示意性實施方式描述了本發(fā)明，也應了解，參考某個圖所 描述的特定部件或配置在適合于另一個圖的配置的情況下也可被同等地使用。對實施本發(fā) 明的示例的任何描述并非旨在以任何方式來限制本發(fā)明，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的 情況下可進行修改或變換。應理解，不應以任何方式來限制本發(fā)明，除非根據(jù)所附權(quán)利說明 可被認為是必要的。詞語“包括”用在本說明書中是表述存在所陳述的特征、整數(shù)、步驟或部件，但不排 除存在或增加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、部件或它們的組合。
權(quán)利要求
一種功率分配器，包括傳輸線并具有圍繞所述傳輸線布置的N個次級繞組，所述傳輸線能夠操作地提供方位磁場，所述方位磁場將功率感應耦合至所述N個次級繞組內(nèi)，以提供對來自所述傳輸線的功率的N分分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率分配器，包括耦合至所述傳輸線的阻抗匹配電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分配器，其中，所述阻抗匹配電路包括短截線調(diào)諧器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分配器，其中，所述短截線調(diào)諧器是多短截線調(diào)諧器。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，其中，所述傳輸線是短接的，從而在所述傳輸 線上能夠操作地產(chǎn)生駐波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分配器，其中，所述短接引起零電壓點并同時地引起電流點 上的最大值，所述電流實現(xiàn)所述方位磁場的產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分配器，其中，所述次級繞組位于所述短接附近并從所述短 接沿所述傳輸線軸向地延伸。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，其中，所述次級繞組被設(shè)置在位于所述方位 磁場的區(qū)域中的繞組架上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分配器，其中，所述次級繞組被設(shè)置為成對安排在位于所述 方位磁場的區(qū)域中的繞組架上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分配器，其中，所述對中的各個對是短接的以產(chǎn)生單端輸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分配器，具有2N個繞組的對，其中，所述N個繞組中的一半 在一端短接，而所述2N個繞組中的一半在另一端短接，以提供N個推挽 對。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分配器，其中，所述對中的各個對提供差動輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至11所述的分配器，其中，所述繞組架具有不大于所產(chǎn)生的駐波的 1/4波長的尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至11所述的分配器，其中，能夠選擇所述繞組架的屬性以影響所述 次級繞組內(nèi)的感生功率。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的分配器，所述N個次級繞組包括被圍繞所述傳 輸線的側(cè)壁布置的N個次級同軸電纜，以便在所述次級同軸電纜內(nèi)感生功率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的分配器，所述傳輸線具有內(nèi)部和外部導體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的分配器，其中，所述感生功率源自所述傳輸線中的徑 向電場。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17所述的分配器，其中，在所述N個次級同軸電纜上的感生功 率是同相的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18所述的分配器，所述N個次級同軸電纜具有內(nèi)部和外部導 體，其被布置為使得所述次級同軸電纜的外部導體附接于所述傳輸線的外部導體，而所述 次級同軸電纜的與所述傳輸線的外部導體絕緣的內(nèi)部導體附接于所述傳輸線的內(nèi)部導體。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至18所述的分配器，其中，所述傳輸線是短接的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的分配器，其中，對所述N個次級同軸電纜的內(nèi)部和外部與所 述傳輸線連接的位置與所述短接之間的長度進行控制，以控制所述N個同軸電纜間的相對 功率耦合。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21所述的分配器，還包括設(shè)置在所述傳輸線的內(nèi)部導體內(nèi)的M 個內(nèi)部次級同軸電纜，以便在所述M個次級同軸電纜中感生功率。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的分配器，所述傳輸線具有內(nèi)部和外部導體，并且所述M個內(nèi) 部次級同軸電纜具有內(nèi)部和外部導體，其被布置為使得所述內(nèi)部次級同軸電纜的外部導 體連接到所述傳輸線的內(nèi)部導體，而所述內(nèi)部次級同軸電纜的內(nèi)部導體連接到所述傳輸線 的外部導體。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的分配器，其中，在所述M個內(nèi)部次級同軸電纜上的感 生功率是同相的。
25.根據(jù)權(quán)利要求22至24所述的分配器，其中，所述傳輸線是短接的，并且其中所述N 個和M個次級同軸電纜被布置為使得從所述傳輸線的短接到所述N個和M個次級同軸電 纜的內(nèi)部導體的位置的距離相等，因此所述N個次級同軸電纜中的感生功率的相位與所述 M個內(nèi)部次級同軸電纜中的感生功率的相位180度異相。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的分配器，其中，對所述短接與所述N個和M個次級同軸電纜 的內(nèi)部和外部導體的位置之間的距離進行控制，以控制所述N個和M個同軸電纜間的相對 功率耦合。
27.根據(jù)權(quán)利要求22至26所述的分配器，其中，M= N,因此提供N個推挽對。
28.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，其中，能夠選擇所述次級繞組的機械和/或 電特性，以改變耦合到每個所述次級繞組個體內(nèi)的感生功率。
29.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分配器，其中，所述繞組架的物理特性被配置成減少所述分 配器內(nèi)的反射的產(chǎn)生。
30.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分配器，其中，所述繞組架能夠相對于所述傳輸線移動，所 述繞組架的移動導致耦合到所述次級繞組內(nèi)的功率的變化。
31.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，其中，所述N個次級繞組中的各個繞組選擇 性地耦合至等離子體源的電極。
32.根據(jù)任一權(quán)利要求1所述的分配器，其中，所選定的繞組提供推挽布線配置，形成 所述推挽配置的兩端的每個端能夠操作地耦合至等離子體源的相鄰電極，以便使所述相鄰 電極中的每個相互異相。
33.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，包括限定所述分配器外表的外殼，所述分配 器還包括耦合至所述分配器的外殼的低功率源，所述低功率源能夠操作地提供功率至所述 次級繞組的電容性耦合。
34.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的分配器，其中，所述傳輸線在其輸入端被耦合至射頻源。
35.一種功率分配器，包括傳輸線并具有至少一個次級繞組，所述次級繞組被配置為提 供差動輸出并圍繞所述傳輸線布置，所述傳輸線能夠操作地提供方位磁場，所述方位磁場 將功率感應地耦合到所述次級繞組內(nèi)。
36.一種等離子體源，包括如任一前述權(quán)利要求中所述的功率分配器。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的等離子體源，包括N個等離子體電極個體，所述功率分配器 為所述等離子電極的電極個體提供對來自所述傳輸線的功率的N分分配。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的等離子體源，其中，所述等離子體電極的電極個體中的每個耦合至源自所述功率分配器的雙絞線。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的等離子體源，其中，所述電極被設(shè)置在真空室中，所述功率 分配器被布置成穿過所述真空室的壁，使得所述功率分配器的第一側(cè)位于所述真空中而所 述功率分配器的第二側(cè)在所述真空外。
40.一種功率合成器，包括傳輸線并具有圍繞所述傳輸線布置的N個次級繞組，所述次 級繞組能夠操作地將功率耦合到所述傳輸線上，以將來自所述N個次級繞組中的每個繞組 的功率組合到單個傳輸線上。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率合成器，包括耦合至所述傳輸線的阻抗匹配電路。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的合成器，其中，所述阻抗匹配電路包括短截線調(diào)諧器。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的合成器，其中，所述短截線調(diào)諧器是多短截線調(diào)諧器。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的合成器，其中，所述傳輸線是短接的，從而在所述傳輸線上 能夠操作地產(chǎn)生駐波。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的合成器，其中，所述短接能夠操作地引起零電壓點并同時 地引起電流點上的最大值，所述電流實現(xiàn)所述方位磁場的產(chǎn)生。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的合成器，其中，所述次級繞組位于所述短接附近并從所述 短接沿所述傳輸線軸向地延伸。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的合成器，其中，所述次級繞組被設(shè)置在位于所述方位磁場 的區(qū)域中的繞組架上。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的合成器，其中，所述次級繞組被設(shè)置為在位于所述方位磁 場的區(qū)域中的繞組架上成對布置。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的合成器，其中，所述對中的各個對是短接的以產(chǎn)生單端輸入。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的合成器，包括差動輸入。
51.根據(jù)權(quán)利要求49所述的合成器，其中，所述次級繞組被設(shè)置為具有一端接地的單 端輸入。
52.根據(jù)權(quán)利要求47所述的合成器，其中，所述繞組架具有不大于所產(chǎn)生的駐波的1/4 波長的尺寸。
53.根據(jù)權(quán)利要求48所述的合成器，其中，能夠選擇所述繞組架的屬性以影響由所述 次級繞組傳遞的感生功率。
54.根據(jù)權(quán)利要求40至53所述的合成器，其中，所述輸入繞組被調(diào)諧到窄帶寬，從而不 同的繞組能夠在不同頻率上工作而不與其它輸入繞組相互作用，由此提供多個頻率至單個 傳輸線內(nèi)的耦合。
55.根據(jù)權(quán)利要求40至54中任一權(quán)利要求所述的合成器，其中，能夠選擇所述次級繞 組的機械和/或電特性，以改變由所述次級繞組個體中的每個耦合的感生功率。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的合成器，其中，所述繞組架的物理特征被配置成減少所述 分配器內(nèi)的反射的產(chǎn)生。
57.一種功率分配合成裝置，包括一個如權(quán)利要求1至35中任一項所述的功率分配器 和如權(quán)利要求40至55中任一項所述的功率合成器。
58.一種信號合成器，包括如權(quán)利要求40至55中任一項所述的合成器。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種功率分配器和/或合成器。該功率分配器可被提供為寬帶無源的N分功率分配器，可被有利地用于給等離子體源中的多個電極提供功率。功率分配器包括傳輸線和圍繞傳輸線布置的N個次級繞組。
文檔編號H01P5/12GK101990724SQ200980112832
公開日2011年3月23日 申請日期2009年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月4日
發(fā)明者托馬斯·米希納, 艾伯特·羅格斯·埃林博伊 申請人:都柏林城市大學