解開謎樣的等離子熱問題…

作者 : Robert Heider,EDN特約作者

我們的實驗室研究使用了13.56MHz RF訊號源,並將其應用於一段石英管,管中充斥著各種在真空狀態下流動的氣態反應物。施加於氣體混合物中的RF會產生等離子體——這種謎樣的電離狀態通常稱為「物質的第四態」(fourth state of matter)...

「我的電腦系統經常發生崩潰,而在等離子(plasma)反應器上某些位置的同軸電纜也變得越來越熱了,」實驗室的一位助教這麼對我說。

我們的實驗室研究計劃目前使用了13.56MHz射頻(RF)訊號源,並將其應用於一段內徑約1.6毫米(mm)、外徑1.9mm且長12.7mm的石英管。該石英管中充斥著各種在真空狀態下流動的氣態反應物。施加於氣體混合物中的RF會產生等離子體——這種謎樣的電離狀態通常稱為「物質的第四態」(fourth state of matter)。

在此狀態下,RF功率如何傳輸?我們於是將兩個電極直接連接到同軸電纜(Coax),該同軸電纜再端接至調諧的RF產生器。

於是,研究人員接著問:「現在該如何解決這個問題呢?」我的手邊剛好有一個RF探棒以及一台用來「窺探」實驗過程的「示波器」。但是,在我們的實驗中出現了幾個問題。

首先,不銹鋼管和支架以管道方式連接成迴路,使其作為理想的耦合電路。但在負載和同軸電纜之間存在著不平衡的狀態。

「如何測得負載阻抗?」這是下一個問題。後來實驗室助理回報說,透過一支外借來的阻抗計測得了負載為10 – j375 歐姆(Ω)。很顯然地,這其中存在阻抗不匹配的問題。

負載看來似乎是平衡的,因為從電極到同軸電纜的兩條開放饋線是平行的。這種看起來「平衡」的負載直接連接到不平衡的同軸電纜。但其中存在阻抗耦合的問題,可能致使反射功率產生駐波,從而導致電纜沿線部份出現熱點。

當然,RF電源配備了「自動調諧器」,用於確保電源受到保護,但對於負載本身則沒有任何實質的幫助。根據上網搜尋並深入研究發現,針對這一類應用的許多商用RF產生器都提到了對於調諧電路的需求,並描述導線如何直接連接到等離子負載。在這些研究中甚至還提供了如何計算匹配網路的史密斯圖(Smith Chart)方法教學。

不過,這些研究和教程並沒有太多解釋,僅展示調諧負載和RF產生器之間存在1/4波長的同軸電纜連接。這些問題需要進行多次更改和添加,我們可以將其概括為阻抗不匹配和平衡問題。

無可避免地,「如何校正阻抗不匹配?」就成為下一個問題。採用鏈接耦合調諧器將等離子負載耦合到50Ω的同軸電纜,將有助於解決這個問題。這是用於將平衡負載耦合到不平衡同軸電纜訊號源的經典設計。業餘的無線電愛好者(火腿族)應該非常了解這個問題。

進行簡單的Spice模擬,即可顯示所需的電路:串聯連接兩個線圈L1和L3, 4mH,並將其連接至等離子負載。於是,在L1和L3線圈之間的耦合線圈L2, 6mH,連同諧振時的可變電容器C1, 23 pF,一併被連接到同軸電纜。此處圖片顯示完成的麵包板電路:

為了測試電路,我使用了一個20公尺長的業餘無線電發射機,並將負載作為燈泡。

維護和饋送饋線:同軸電纜是不平衡的傳輸線。由於「集膚效應」(skin effect),從負載返回遮蔽層的電流具有能夠在遮蔽層內外表面來回的「壞習慣」。這會導致在電纜上產生駐波,致使RF從同軸電纜外部遮蔽層輻射,即使負載阻抗等於平衡線路阻抗。為了避免這種RF輻射,可以使用一種稱為「巴倫」(balun)或「平衡-不平衡轉換器」(可在「平衡」和「不平衡」之間進行轉換)的裝置。

四分之一波夸克(Quark):考慮到傳輸線路的速度,同軸饋線被切割為1/4波長。為什麼是¼λ?在許多商用RF產生器的文獻中,這顯示為所需要的同軸電纜長度,但為什麼是¼λ呢?

根據「戴維寧定理」(Thevenin theorem;或稱等效電壓源定律),我們必須考慮奇數倍¼ λ 傳輸線的Thevenin等效電路。還有,短路阻抗是什麼?以史密斯圖來看:0 +j0負載繪製於水平軸的最左側。因此,以1/4 波長順時針方向「朝著產生器」行進將阻抗置於無窮大,線路損耗可忽略不計。至於開路電壓將會非常趨近於零,因為入射波和反射波的相位差為180°。該等效電路的示意圖如下所示:

線路中不能有電流流向地面。同軸傳輸線是分佈式阻抗,而在1/4波長的奇數倍時,相對於RG-213, 3200Ω線路阻抗,其阻抗相當高。其結果是奇數倍1/4波長充當巴倫,可用於平衡不平衡的線路。實現此目的的另一種方法是在外部遮蔽層增加電感、纏繞電纜,以及/或在負載連接處添加鐵氧體磁珠。

等到在實驗室中測試該系統後,研究人員觀察到,在不同的位置分接線圈,就可以移動等離子體,即改變等離子強度的空間分佈(即發射光的強度或等離子密度)——而這對於我們研究也極其有利。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Plasma problems,by Robert Heider)

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