專利名稱：射頻阻抗匹配裝置的制作方法
技術領域：
本實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)負載阻抗的狀態(tài)，使負載阻抗與源阻抗匹配的裝置。
背景技術：
在現(xiàn)代分析測試儀器中，ICP-MS、 ICP-AES (OES)都是一些精密的分析測試儀器，它可快速同時檢測周期表上幾乎所有元素，成為公認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，負載阻抗會產(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單元、控制單元和阻抗匹配網(wǎng)絡組成。這種阻抗匹配裝置通過
讀取行波的入射功率和反射功率，判斷出負載阻抗的狀態(tài)，采取手動控制或開環(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器準確的判斷負載阻抗的狀態(tài)，并計算出阻抗的數(shù)值，通過閉環(huán)控制的步進電機系統(tǒng)，從而提高了射頻阻抗匹配的精度和速度。
本實用新型提供一種射頻阻抗匹配裝置，包括
功率相位檢測單元，從經(jīng)過其的射頻信號中檢測出入射功率、反射功率和相位差三個信號值；
控制單元，用于對負載阻抗狀態(tài)的判斷和數(shù)值的計算；
阻抗匹配網(wǎng)絡，包括可變電容和并聯(lián)的陶瓷電容，連接在射頻電源和負載之
間；
電位器，與阻抗匹配網(wǎng)絡連接，記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化并反饋至控制單元；
上述功率相位檢測單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡連有電位器和步進電機，控制單元與功率相位檢測單元、步進電機和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號經(jīng)過功率相位檢測器，功率相位檢測器檢測出射頻信號的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對負載阻抗狀態(tài)的判斷和數(shù)值的計算，根據(jù)判斷和計算結果，控制單元通過控制步進電機來改變阻抗匹配網(wǎng)絡中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化，輸出信號接至控制單元，實現(xiàn)負載阻抗的閉環(huán)控制。
所述的控制單元采用單片機作為主控制芯片，外接A/D以及相關的信號調(diào)理電路，完成對負載阻抗狀態(tài)的計算與判斷，并且對阻抗匹配網(wǎng)絡進行控制，其主要功能為(1)阻抗匹配裝置的初始化；(2)判斷負載阻抗的狀態(tài)；(3)計算負載阻抗的數(shù)值；(4)步進電機運行狀態(tài)控制；(5)阻抗匹配裝置工作異常的保護與報警。
所述的功率相位檢測器包括采樣變壓器、信號調(diào)理電路、相位增益檢測器和功率合成器組成。此檢測器使用采樣變壓器提取出射頻信號的電壓值和電流值，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，接到相位增益檢測器和功率合成器的輸入端，輸出電壓信號和電流信號的相位差、幅度比和合成信號。
所述射頻阻抗匹配裝置采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡與負載線圈相連，阻抗匹配網(wǎng)絡中的可變電容與步進電機相連，由電位器記錄下可變電容的容值，將電壓信號反饋到控制單元?？刂茊卧ㄟ^RS-232接口與計算機連接。
本實用新型所說的阻抗匹配裝置通過檢測射頻信號的入射功率、反射功率、電壓和電流的相位差，由控制單元的CPU判斷負載阻抗的狀態(tài)，計算負載阻抗的數(shù)值，確定針對負載阻抗調(diào)整的控制策略。通過控制該裝置中的步進電機，改變阻抗匹配網(wǎng)絡中可變電容的容值，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。利用本實用新型進行檢測和控制，提高射頻阻抗匹配的精度和速度。該阻抗匹配裝置實現(xiàn)了負載阻抗的閉環(huán)控制，阻抗匹配裝置的工作參數(shù)都能通過控制單元進行實時采集、分析，實現(xiàn)負載阻抗狀態(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，具有異常情況報警功能，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點。

圖l為本實用新型的結構框圖。圖2為阻抗匹配結構示意圖。
圖中l(wèi).射頻電源，2.電位器，3.步進電機，4.可調(diào)電容，5.負載線圈。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
本實用新型阻抗匹配裝置的結構框圖如圖l所示，包括控制單元、功率相位檢測單元、阻抗匹配網(wǎng)絡、負載線圈、步進電機和電位器。功率相位檢測單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡連有電位器和步進電機，控制單元與功率相位檢測單元、步進電機和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號經(jīng)過功率相位檢測器，功率相位檢測器檢測出射頻信號的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對負載阻抗狀態(tài)的判斷和數(shù)值的計算，根據(jù)判斷和計算結果，控制單元通過控制步進電機來改變阻抗匹配網(wǎng)絡中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化，輸出信號接至控制單元，實現(xiàn)負載阻抗的閉環(huán)控制。
本實施例控制單元采用PIC16F877A單片機，外接A/D以及相關的信號調(diào)理電路，完成對負載阻抗狀態(tài)的判斷與計算，對阻抗匹配網(wǎng)絡進行控制，實現(xiàn)異常情況報警的功能。功率相位檢測單元包括取樣變壓器，射頻相位增益檢測器AD8302和功率合成器ADP-2-lW。功率相位檢測單元利用采樣變壓器將射頻信號的電壓值和電流值提取出來，經(jīng)過信號調(diào)理電路的衰減和調(diào)理，采用射頻相位增益檢測器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得到射頻信號電壓電流的合成信號。將射頻相位增益檢測器AD8302和功率合成器ADP-2-1W的輸出端與控制單元連接，根據(jù)功率相位檢測器的輸出結果，控制單元計算出負載阻抗的狀態(tài)和數(shù)值。
本實施例的阻抗匹配網(wǎng)絡此采用L型阻抗匹配網(wǎng)絡，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)絡中的可調(diào)電容4與步進電機3和電位器2相連。根據(jù)負載5阻抗的狀態(tài)和數(shù)值，控制單元確定控制策略，通過運行步進電機，改變可調(diào)電容的容值，其容值的變化由電位器記錄下來，并將電壓信號傳送給控制單元，實現(xiàn)步進電機的閉環(huán)控制，使負載阻抗與源阻抗匹配。
綜上所述，本阻抗匹配裝置實現(xiàn)了負載阻抗的閉環(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進行實時采集、分析，實現(xiàn)負載阻抗狀態(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，具有異常情況報警功能，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點。
權利要求1.一種射頻阻抗匹配裝置，包括功率相位檢測單元，從經(jīng)過其中的射頻信號中檢測出入射功率、反射功率和相位差；控制單元，用于對負載阻抗狀態(tài)的判斷和數(shù)值的計算，并且對阻抗網(wǎng)絡的狀態(tài)進行控制；阻抗匹配網(wǎng)絡，連接在射頻電源和負載之間；其特征在于該裝置還包括電位器和步進電機，電位器與阻抗匹配網(wǎng)絡連接，記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化并反饋至控制單元；功率相位檢測單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡連有電位器和步進電機，控制單元與功率相位檢測單元、步進電機和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號經(jīng)過功率相位檢測器，功率相位檢測器檢測出射頻信號的入射功率、反射功率和相位差并傳至控制單元，控制單元對負載阻抗狀態(tài)的判斷和數(shù)值的計算，根據(jù)判斷和計算結果，控制單元通過控制步進電機來改變阻抗匹配網(wǎng)絡中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化，輸出信號接至控制單元，實現(xiàn)負載阻抗的閉環(huán)控制。
2. 根據(jù)權利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于控制單元為 PIC16F877A單片機和外接的A/D以及信號調(diào)理電路。
3. 根據(jù)權利要求1所述的射頻阻抗匹配裝置，其特征在于功率相位檢測單元包 括取樣變壓器，射頻相位增益檢測器AD8302和功率合成器ADP-2-lW。
4. 根據(jù)權利要求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)絡與負載線圈相連，阻抗匹配網(wǎng)絡中的可變電容與步進電機相 連，由電位器記錄下可變電容的容值，將電壓信號反饋到控制單元。
5. 根據(jù)權利要求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 接口與計算機連接。
專利摘要本實用新型涉及一種射頻阻抗匹配裝置，包括控制單元、功率相位檢測單元、阻抗匹配網(wǎng)絡、負載線圈、步進電機和電位器。功率相位檢測單元連接在阻抗匹配網(wǎng)絡和射頻電源之間，阻抗匹配網(wǎng)絡連有電位器和步進電機，控制單元與功率相位檢測單元、步進電機和電位器連接，射頻電源輸出的射頻信號經(jīng)過功率相位檢測器，功率相位檢測器檢測出射頻信號的入射功率、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電機來改變阻抗匹配網(wǎng)絡中可變電容的容值，并利用電位器記錄阻抗匹配網(wǎng)絡電容容值的變化，輸出信號接至控制單元，實現(xiàn)負載阻抗的閉環(huán)控制。實現(xiàn)負載阻抗狀態(tài)和阻抗匹配裝置工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，有控制精度高，阻抗調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點。
文檔編號H03H11/28GK201387563SQ20092008485
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權日2009年4月10日
發(fā)明者張莉君, 超 王, 石寶松, 星 金 申請人:中國地質大學(武漢)