(57)【要約】      （修正有）【課題】広いインピーダンス範囲にわたって高精度のインピーダンス整合が要求される高電力用途に於いて、要求される細かいチューニング分解能を達成するための位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークを提供する。【解決手段】位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク（ＰＳ−ＴＭＮ）は、ソースに結合することができる入力と、負荷に結合することができる出力とを有する。ＰＳ−ＴＭＮは、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子を含む。コントローラは、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々に制御信号を供給する。各位相スイッチト・リアクタンス素子は、供給された１つ以上の制御信号に応答して、対応する選択リアクタンス値を与える。【選択図】図１
2020114011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソースに結合されるように構成された入力を有し、更に負荷に結合されるように構成された出力を有する位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、
１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子と、
前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々にそれぞれの制御信号を供給するように構成されたコントローラであって、各位相スイッチト・リアクタンス素子が前記供給されたそれぞれの制御信号に応答して、対応する選択リアクタンス値を供給する、コントローラと、
を含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項２】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースと前記負荷との間でインピーダンス整合を達成する、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項３】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースと前記負荷との間で所望のインピーダンス比を達成する、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項４】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースに対する所望の第１インピーダンス、および前記負荷に対する所望の第２インピーダンスを達成する、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項５】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々が、
１つ以上のリアクタンス素子および少なくとも１つのスイッチを含み、
前記１つ以上のリアクタンス素子の少なくとも１つが、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、前記リアクタンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成される、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項６】
請求項５記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記少なくとも１つの関連するスイッチが、前記ソースによって供給されるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数、および前記それぞれの制御信号に基づくスイッチング位相において動作可能である、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項７】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるために、半波スイッチング構成で動作可能である、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項８】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるために、全波スイッチング構成で動作可能である、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項９】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記スイッチング周波数および前記スイッチング位相が、所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンスを提供するように選択される、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１０】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）の内少なくとも１つを提供するように動作可能である、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１１】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記コントローラが、フィードバック回路、フィードフォワード回路、および適応プレディストーション・システムの内少なくとも１つに基づいて、前記スイッチング周波数を決定し、前記スイッチング位相を選択するように構成される、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１２】
請求項１１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記適応プレディストーション・システムが参照表を含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１３】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記位相スイッチト・リアクタンスが容量性素子であり、所望の周波数における前記位相スイッチト容量性素子の容量値が、前記位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値と前記スイッチング位相とに関係する、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１４】
請求項６記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記位相スイッチト・リアクタンスが誘導性素子であり、所望の周波数における前記位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値が、前記位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値と前記スイッチング位相とに関係する、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１５】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、更にディジタル・リアクタンス・マトリクスを含み、該ディジタル・リアクタンス・マトリクスが、前記ディジタル・リアクタンス・マトリクスの実効リアクタンス値を調節するために、Ｎ個の選択可能なリアクタンス素子を含み、Ｎが正の整数である、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１６】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、更に、
１つ以上のアナログ可変リアクタンス素子を含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１７】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記ソースが、高周波（ＲＦ）ソース、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）、およびスイッチング・モード・インバータの内少なくとも１つを含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１８】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記負荷が、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つを含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項１９】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークにおいて、前記チュー
ニング可能インピーダンス・ネットワークの入力が高周波（ＲＦ）増幅システムに結合され、前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、前記ＲＦ増幅システムの電力レベルを制御するために、前記ＲＦ増幅システムの負荷インピーダンスを調整するように構成される、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項２０】
請求項１記載のチューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、更に、
前記入力および出力の少なくとも１つに結合された高調波成分を低減するように構成された１つ以上のフィルタ部品を含む、チューニング可能インピーダンス・ネットワーク。
【請求項２１】
ソースに結合されるように構成された入力と、負荷に結合されるように構成された出力と、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスとを含むチューニング可能インピーダンス・ネットワークの動作方法であって、
前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合されたコントローラによって、前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークの所望のインピーダンス値を決定するステップと、
前記コントローラによって、それぞれの制御信号を前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々に供給するステップと、
前記供給されたそれぞれの制御信号に応答して、各位相スイッチト・リアクタンスの対応する所望のリアクタンス値を設定するステップと、
を含む、方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースと前記負荷との間でインピーダンス整合を達成する、方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースと前記負荷との間で所望のインピーダンス比を達成する、方法。
【請求項２４】
請求項２１記載の方法において、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、前記ソースに対する所望の第１インピーダンス、および前記負荷に対する所望の第２インピーダンスを達成する、方法。
【請求項２５】
請求項２１記載の方法において、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々が、１つ以上のリアクタンス素子と少なくとも１つのスイッチとを含み、前記方法が、更に、
前記１つ以上のリアクタンス素子の少なくとも１つを、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、前記リアクタンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えを行うステップを含む、方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法であって、更に、
前記ソースによって供給されるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数と、前記それぞれの制御信号に基づくスイッチング位相において、前記少なくとも１つの関連するスイッチを動作させるステップを含む、方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法であって、更に、
所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンスを提供するために前記スイッチング位相を選択するステップを含む、方法。
【請求項２８】
請求項２５記載の方法であって、更に、
前記ソースによって供給されるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数と、前記それぞれの制御信号に基づくスイッチング位相とにおいて、前記少なくとも１つのスイッチを動作させるステップを含む、方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法であって、
前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替えるために、前記少なくとも１つのスイッチを半波スイッチング構成で動作させるステップを含む、方法。
【請求項３０】
請求項２８記載の方法であって、
前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替えるために、前記少なくとも１つのスイッチを全波スイッチング構成で動作させるステップを含む、方法。
【請求項３１】
請求項２８記載の方法であって、
前記少なくとも１つのスイッチが、前記スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）の内少なくとも１つを提供するように、前記スイッチを動作させるステップを含む、方法。
【請求項３２】
請求項２５記載の方法において、前記位相スイッチト・リアクタンスが容量性素子を含み、所望の周波数における前記位相スイッチト容量性素子の容量値が、前記位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値と、前記スイッチング位相とに関係する、方法。
【請求項３３】
請求項２５記載の方法において、前記位相スイッチト・リアクタンスが誘導性素子を含み、所望の周波数における前記位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値が、前記位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値と、前記スイッチング位相とに関係する、方法。
【請求項３４】
請求項２１記載の方法において、前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、ディジタル・リアクタンス・マトリクスを含み、該ディジタル・リアクタンス・マトリクスが、前記ディジタル・リアクタンス・マトリクスの実効リアクタンス値を調節するために、Ｎ個の選択可能なリアクタンス素子を含み、Ｎが正の整数である、方法。
【請求項３５】
請求項２１記載の方法において、前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、１つ以上のアナログ可変リアクタンス素子を含む、方法。
【請求項３６】
請求項２１記載の方法において、前記ソースが、高周波（ＲＦ）ソース、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）、およびスイッチング・モード・インバータの内少なくとも１つを含み、前記負荷が、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つを含む、方法。
【請求項３７】
請求項２１記載の方法において、前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークの入力が、高周波（ＲＦ）増幅システムに結合されており、前記方法が、
前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって、前記ＲＦ増幅システムの電力レベルを制御するために、前記ＲＦ増幅システムの負荷インピーダンスを調整するステップを含む、方法。
【請求項３８】
請求項２１記載の方法であって、更に、
前記チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合された１つ以上のフィルタ部品によって、前記入力および出力の少なくとも１つに結合された高調波成分を低減するステップを含む、方法。
【請求項３９】
入力ポートおよび出力ポートを有する高周波（ＲＦ）増幅システムであって、
前記ＲＦ増幅システムの入力ポートに結合された入力ポートを有し、更に出力ポートを有するＲＦ増幅器と、
前記ＲＦ増幅器の前記出力ポートと前記ＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスを調整するために、そのインピーダンスを変化させるように構成される、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークと、
を含む、高周波増幅システム。
【請求項４０】
請求項３９記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子を含み、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、それぞれの制御信号を受けるように構成され、前記供給されたそれぞれの制御信号に応答して、対応する所望のリアクタンス値を有する各位相スイッチト・リアクタンス素子が提供される、ＲＦ増幅システム。
【請求項４１】
請求項４０記載のＲＦ増幅システムであって、更に、
前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々にそれぞれの制御信号を供給するように構成されたコントローラを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項４２】
請求項４０記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、
１つ以上のリアクタンス素子と、
少なくとも１つのスイッチと、
を含み、
前記１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つが、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成される、ＲＦ増幅システム。
【請求項４３】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つの関連するスイッチが、 前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周
波数と、前記それぞれの制御信号に基づくスイッチング位相とにおいて動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項４４】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるために、半波スイッチング構成で動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項４５】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるために、全波スイッチング構成で動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項４６】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、スイッチと並列なキャパシタを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項４７】
請求項４６記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、更に、前記スイッチと並列な前記キャパシタの組み合わせと直列な
インダクタを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項４８】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するように動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項４９】
請求項４３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記スイッチング周波数およびスイッチング位相が、所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するように選択される、ＲＦ増幅システム。
【請求項５０】
請求項４９記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の内少なくとも１つが、
容量値を有する容量性素子であって、所望の周波数における前記位相スイッチト容量性素子の容量値が、前記位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値と前記スイッチング位相とに関係する、容量性素子、および
インダクタンス値を有する誘導性素子であって、所望の周波数における前記位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値が、前記位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値と前記スイッチング位相とに関係する、誘導性素子、
の一方である、ＲＦ増幅システム。
【請求項５１】
請求項３９記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスを前記ＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるために、前記位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによって前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスを動的に適応させる、ＲＦ増幅システム。
【請求項５２】
請求項５１記載のＲＦ増幅システムであって、更に、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合されたＲＦ負荷を含み、前記ＲＦ負荷が、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つである、ＲＦ増幅システム。
【請求項５３】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅器が、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含むスイッチング・インバータを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項５４】
請求項５０記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅器が前記スイッチング・インバータの前記少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を維持するように、前記コントローラが前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整する、ＲＦ増幅システム。
【請求項５５】
請求項４２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々の少なくとも１つのスイッチを切り替えることによって、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって提供されるインピーダンス変換を調整する、ＲＦ増幅システム。
【請求項５６】
請求項３９記載のＲＦ増幅システムであって、更に、
前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合されたフィルタを含み、
前記フィルタが、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって生成され、前記ＲＦ増幅器の出力ポートおよび前記ＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つに呈する、高調波成分を低減するフィルタ特性を有する、ＲＦ増
幅システム。
【請求項５７】
請求項５６記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記フィルタが、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークと、前記ＲＦ増幅器および前記ＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つとの間においてＤＣ信号を電気的に分離するように構成された１つ以上のフィルタ部品を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項５８】
請求項３９記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、
直列経路リアクタンス素子の第１ノードに結合された第１分路位相スイッチト可変リアクタンス素子を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項５９】
請求項５８記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、更に、
前記直列経路リアクタンス素子の第２ノードに結合された第２分路位相スイッチト可変リアクタンス素子を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項６０】
高周波（ＲＦ）増幅システムの動作方法であって、
ＲＦ信号をＲＦ増幅器の入力ポートに供給するステップと、
前記ＲＦ増幅器によって前記ＲＦ信号を増幅し、前記増幅器の出力ポートにおいて増幅ＲＦ信号を供給するステップと、
前記ＲＦ増幅器に呈するインピーダンスを調整するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートと前記ＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させるステップと、
を含む、方法。
【請求項６１】
請求項６０記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させるステップが、
前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによる制御信号を受けるステップと、
前記制御信号に応答して、所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークを提供するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係する周波数および位相で、少なくとも１つのリアクタンス素子を電気的に接続または切断して、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えを行うステップと、
を含む、方法。
【請求項６２】
請求項６１記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、１つ以上のリアクタンス素子と、少なくとも１つのスイッチとを含み、少なくとも１つのリアクタンス素子を電気的に接続または切断して前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内または該ネットワーク外となるようにするステップが、
前記１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つを、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって切り替えて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内または該ネットワーク外となるようにするステップと、
前記それぞれの制御信号に基づいて、前記少なくとも１つの関連するスイッチをスイッチング周波数およびスイッチング位相で動作させるステップと、
を含む、方法。
【請求項６３】
請求項６２記載の方法であって、更に、
所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に基づいて、前記スイッチング周波数およびスイッチング位相を選択するステップを含む、方法。
【請求項６４】
請求項６０記載の方法であって、更に、
前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスを前記ＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるために、前記位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによって、前記ＲＦ増幅器に呈するインピーダンスを動的に適応させるステップを含む、方法。
【請求項６５】
請求項６０記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって前記ＲＦ増幅器に呈する負荷インピーダンスを調整することにより、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに供給される前記増幅信号の電力レベルを制御する、方法。
【請求項６６】
請求項６２記載の方法において、前記増幅器が、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含むスイッチング・インバータを含み、前記方法が、更に、
前記ＲＦ増幅器に呈する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整することによって、前記スイッチング・インバータの少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を維持するステップを含む、方法。
【請求項６７】
請求項６２記載の方法であって、更に、
前記少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するために、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークの前記少なくとも１つのスイッチを切り替えるステップを含む、方法。
【請求項６８】
請求項２５記載の方法であって、更に、
フィードバック回路、フィードフォワード回路、および適応プレディストーション・システムの内少なくとも１つに基づいて、前記コントローラによって、前記スイッチング周波数を決定し前記スイッチング位相を選択するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  関連出願に対する相互引用
[0002]  本願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づいて、２０１４年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／０９４，１４４号の出願日の権利を主張する。この仮特許出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
[0003]  インピーダンス整合ネットワークは、多くの高周波（ＲＦ）およびマイクロ波システム内における電力伝送を最大化するために一般に使用されている。例えば、ＲＦ送信機では、インピーダンス整合ネットワークは、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）の出力インピーダンスから、ＲＦ負荷（例えば、アンテナ）のインピーダンスまでのインピーダンス整合を得るために使用することができる。このようなインピーダンス整合は、送信電力を増大し、電力損失を低減し、余分な回路エレメント（例えば、アイソレータ等）の必要性を低減または排除する。
【０００３】
[0004]  インピーダンス整合ネットワークのクラスの１つに、チューニング可能インピーダンス整合ネットワーク（ＴＭＮ：tunable impedance matching network）と呼ばれるものがあり、これは場合によっては自動アンテナ・チューニング・ユニットとも呼ばれる。従来のＴＭＮは、単一エレメントまたは集中エレメント・リアクタンス・ネットワークとして実現されることがあり、リアクタンス素子の少なくとも１つが可変（例えば、チューニング可能）部品となっており、特定の周波数においてまたはある範囲の周波数にわたって、可変部品のインピーダンスを変更できるようになっている。ＴＭＮ内におけるリアクタンス素子は、梯子ネットワーク、Ｌ−ネットワーク、Ｔ−ネットワーク、またはπ−ネットワークというような回路トポロジで配置されることが可能である。
【０００４】
[0005]  従来のＴＭＮは、アナログ（連続調節可能）またはディジタル（１組の離散値間で調節可能）のいずれかに分類することができる。アナログＴＭＮは、バイアス状態を調節することによって連続的にチューニングすることができるリアクタンス値（ある周波数において、またはある範囲の周波数にわたって）を有する可変リアクタンス素子を利用する。ディジタルＴＭＮは、可変リアクタンス素子を、ディジタル的に切り替えられる静止リアクタンス素子のアレイとして実装する。この手法は、リアクタンス値のインピーダンスを、有限で離散的な刻みで調節することを可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0006]  アナログＴＭＮは、バラクタ・ダイオード（またはバラクタ・ダイオード回路）または微小電気機械システム(ＭＥＭＳ）バラクタを使用して実現される場合が多い。
アナログＴＭＮは高速で高精度のインピーダンス整合を広い範囲のインピーダンスにわたって可能にするが、高電圧レベルで動作するためには比較的高いバイアス電圧を必要とする。
【０００６】
[0007]  ディジタルＴＭＮは、ＣＭＯＳスイッチ、ＭＥＭＳスイッチ、ＰＩＮダイオード、またはディスクリート・パワー・トランジスタを使用して実現されることが多い。ＭＥＭＳスイッチは、低いオン状態抵抗を有し、低電力消費で数十ＧＨｚまで動作することができるが、ＭＥＭＳスイッチは大きな制御電圧を必要とする。ＰＩＮダイオードおよびＣＭＯＳスイッチ・ベースのディジタルＴＭＮは、低位ないし中位のオン状態抵抗を呈し
、したがってある程度の抵抗性電力損失を犠牲にすれば、高い電力レベルを扱うことができる。ＰＩＮダイオードおよびＣＭＯＳスイッチ・ベースのディジタルＴＭＮは、ダイ上における集積、例えば、ソフトウェア無線（ＳＤＲ：Software Defined Radio）集積回路（ＩＣ）および他のオンチップＴＭＮに好ましい。しかしながら、ディジタルＴＭＮは、チューニング分解能に限界があり、したがって、インピーダンス整合を達成できる精度に限界がある。ＲＦプラズマ・ドライバのように、非常に広いインピーダンス範囲にわたって高精度のインピーダンス整合が要求される高電力用途の中には、要求される細かいチューニング分解能を達成するために多数のディジタル・スイッチが必要とされるために、ディジタルＴＭＮの使用が非実用的になる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0008]  この摘要は、詳細な説明において以下で更に説明する概念から選択したものを、簡略化した形態で紹介するために設けられている。この摘要は、特許請求する主題の主要な特徴や必須の特徴を特定することを意図するのではなく、特許請求する主題の範囲を限定するために使用されることを意図するのでもない。
【０００８】
[0009]  既存のＴＭＮと比較して、高い精度および／または速いインピーダンス整合を有するＴＭＮが求められていることが認められている。また、より広いインピーダンス範囲にわたってチューニング帯域幅を広げ、高い精度および／または速いインピーダンス整合を有しつつ、同時に低挿入損失でもっと高い電力レベルにおける動作を可能にするＴＭＮが求められていることも認められている。
【０００９】
[0010]  この概念の一形態では、本明細書において説明するシステムおよび技法は、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク(phase-switched tunable impedance network)を対象とする。これは、ソースに結合されるように構成された入力と、負荷に結合されるように構成された出力と、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子とを有する。コントローラが位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合され、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々にそれぞれの制御信号を供給する。供給されたそれぞれの制御信号に応答して、各位相スイッチト・リアクタンス素子は所望のリアクタンス値を与える。
【００１０】
[0011]  この特定の構成では、従来技術のＴＭＮと比較して、高い精度および／または速いインピーダンス整合を有する位相スイッチトＴＭＮが提供される。また、位相スイッチトＴＭＮは、精度向上および／またはインピーダンス整合の高速化を、先行技術の手法と比較して、それらよりも広いインピーダンス範囲にわたるチューニング帯域幅の拡大とともに可能にしつつ、同時に少ない挿入損失で高い電力レベルにおける動作を可能にする。ある実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の内１つ以上のリアクタンス値が同じであってもよく、そして他の実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が異なるリアクタンス値を有してもよい。
【００１１】
[0012]  実施形態では、コントローラは位相スイッチトＴＭＮの内部にある。一実施形態では、コントローラは位相スイッチトＴＭＮの外部にある。実施形態では、コントローラの一部は位相スイッチトＴＭＮの内部にあり、コントローラの一部は位相スイッチトＴＭＮの外部にある。
【００１２】
[0013]  実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、ソースと負荷との間でインピーダンス整合を達成する。実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、ソースと負荷との間に所望のインピーダンス変換を達成する。他の実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定する
ことによって、ソースに対する所望の第１インピーダンス、および負荷に対する所望の第２インピーダンスを達成する。
【００１３】
[0014]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、１つ以上のリアクタンス素子と少なくとも１つのスイッチとを含む。１つ以上のリアクタンス素子のこの少なくとも１つは、少なくとも１つの関連するスイッチによって、リアクタンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成される。
【００１４】
[0015]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ソースによって供給されるＲＦ信号の特性（例えば、周波数）に関係するスイッチング周波数、およびそれぞれの制御信号に基づくスイッチング位相で動作可能である。
【００１５】
[0016]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ソースによって供給されるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数、およびそれぞれの制御信号に基づくスイッチング位相で動作可能である。実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、スイッチング周波数、およびＲＦソースからの処理されたＲＦ信号の位相に関係するスイッチング位相で動作可能である。少なくともある場合には、スイッチは、所望のリアクタンス値を提供するように制御されたタイミングで、ＲＦサイクル毎に１回切り替えられる。実施形態では、システムが全波か半波かに依存して、切り替えはＲＦサイクル毎に１回、またはＲＦサイクル毎に２回行うことができる。
【００１６】
[0017]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるように、半波スイッチング構成で動作可能である。実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるように、全波スイッチング構成で動作可能である。実施形態では、スイッチング周波数およびスイッチング位相は、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンスが提供されるように選択される。他の実施形態では、ＲＦ周波数に対する他の関係も使用することができる。
【００１７】
[0018]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦソースからの処理されたＲＦ信号の周波数で、そして所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンスを提供するタイミングで、オンおよびオフに切り替えられる。
【００１８】
[0019]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦソースのＲＦサイクル毎に１回、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンスを提供するタイミングで、オンおよびオフに切り換わる。
【００１９】
[0020]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦソースのＲＦサイクル毎に１回、所望のリアクタンス値を有しスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つが提供される位相スイッチト・リアクタンスを得るためのタイミングで、オンおよびオフに切り替わる。
【００２０】
[0021]  実施形態では、スイッチング周波数およびスイッチング位相は、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンスを提供するように選択される。
[0022]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）の内少なくとも１つが行われるように動作可能である。
【００２１】
[0023]  実施形態では、コントローラは、フィードバック回路、フィードフォワード回路、および適応プレディストーション・システムの内少なくとも１つに基づいて、スイッチング周波数を決定し、スイッチング位相を選択するように構成される。実施形態では、適応プレディストーション・システムは参照表を含む。
【００２２】
[0024]  一実施形態では、制御信号は、ソースから供給される信号に基づいて、半波スイッチング構成で動作する。他の実施形態では、制御信号は、ソースから供給される信号に基づいて全波スイッチング構成で動作する。
【００２３】
[0025]  実施形態では、適応プレディストーション・システムは参照表を含む。
[0026]  一実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは容量性素子であり、所望の周波数におけるこの位相スイッチト容量性素子の容量値は、位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値、およびスイッチング位相に関係する。他の実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは誘導性素子であり、所望の周波数における位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値は、位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値、およびスイッチング位相に関係する。
【００２４】
[0027]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、Ｎ個の選択可能なリアクタンス素子を有するディジタル・リアクタンス・マトリクスを含み、ディジタル・リアクタンス・マトリクスの実効リアクタンス値を調節する。Ｎは正の整数である。
【００２５】
[0028]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは１つ以上のアナログ可変リアクタンス素子を含む。
[0029]  実施形態では、ソースは、高周波（ＲＦ）ソース、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）、およびスイッチング・モード・インバータの内少なくとも１つであり、負荷は、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つである。
【００２６】
[0030]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークの入力は高周波（ＲＦ）増幅システムに結合される。チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、ＲＦ増幅システムの電力レベルを制御するために、ＲＦ増幅システムの負荷インピーダンスを調整する。
【００２７】
[0031]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、入力および出力の内少なくとも１つに結合された高調波成分を低減するために、１つ以上のフィルタ部品を含む。
【００２８】
[0032]  他の形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークの動作方法を提供する。チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、ソースに結合するように構成された入力と、負荷に結合されるように構成された出力と、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスとを含む。このチューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合されたコントローラが、チューニング可能インピーダンス・ネットワークの所望のインピーダンス値を決定する。コントローラは、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々にそれぞれの制御信号を供給する。供給されたそれぞれの制御信号に応答して、各位相スイッチト・リアクタンスの対応する所望のリアクタンス値が設定される。
【００２９】
[0033]  一実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、ソースおよび負荷間でインピーダンス整合を達成する。他の実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、ソースと負荷との間に所望のインピーダンス変換を達成する。他
の実施形態では、各位相スイッチト・リアクタンスを対応する所望のリアクタンス値に設定することによって、ソースに対する所望の第１インピーダンス、および負荷に対する所望の第２インピーダンスを達成する。
【００３０】
[0034]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンスの各々が、１つ以上のリアクタンス素子と少なくとも１つのスイッチとの組み合わせから得られる。１つ以上のリアクタンス素子の少なくとも１つは、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、リアクタンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成される。
【００３１】
[0035]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、それぞれの制御信号に基づくスイッチング周波数およびスイッチング位相で動作可能である。
[0036]  実施形態では、スイッチング周波数およびスイッチング位相は、所望のリアク
タンス値を有する位相スイッチト・リアクタンスを提供するように選択される。
【００３２】
[0037]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦ増幅システムの周波数に関係するスイッチング周波数、およびそれぞれの制御信号に基づくスイッチング位相で動作可能である。
【００３３】
[0038]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦ増幅システムのＲＦサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替えられ、切り替えタイミングは、所望のリアクタンス値を有し、前記スイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供する位相スイッチト・リアクタンスを得るように選択される。実施形態では、コントローラは、フィードバック回路、フィードフォワード回路、および適応プレディストーション・システムの内少なくとも１つに基づいて、スイッチング周波数を決定し、スイッチング位相を選択する。
【００３４】
[0039]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ソースによって供給されるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数、およびそれぞれの制御信号に基づくスイッチング位相で動作する。実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、 ＲＦ増幅器の出
力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるように、半波スイッチング構成で動作する。実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるように、全波スイッチング構成で動作する。
【００３５】
[0040]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、前記スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）の内少なくとも１つを提供するように動作する。
【００３６】
[0041]  実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは容量性素子を含み、所望の周波数におけるこの位相スイッチト容量性素子の容量値は、位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値、およびスイッチング位相に関係する。
【００３７】
[0042]  一実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは容量性素子であり、所望の周波数におけるこの位相スイッチト容量性素子の容量値は、位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値、およびスイッチング位相に関係する。他の実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは誘導性素子であり、所望の周波数におけるこの位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値は、位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値、およびスイッチング位相に関係する。
【００３８】
[0043]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、Ｎ個の選択可能なリアクタンス素子を有するディジタル・リアクタンス・マトリクスを含み、ディジタル・リアクタンス・マトリクスの実効リアクタンス値を調節する。Ｎは正の整数である。
【００３９】
[0044]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは１つ以上のアナログ可変リアクタンス素子を含む。
[0045]  実施形態では、ソースは、高周波（ＲＦ）ソース、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）、およびスイッチング・モード・インバータの内少なくとも１つであり、負荷は、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つである。
【００４０】
[0046]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークの入力は高周波（ＲＦ）増幅システムに結合される。チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、ＲＦ増幅システムの電力レベルを制御するために、ＲＦ増幅システムの負荷インピーダンスを調整する。
【００４１】
[0047]  実施形態では、チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、入力および出力の内少なくとも１つに結合された高調波成分を低減するために、１つ以上のフィルタ部品を含む。
【００４２】
[0048]  本概念の他の形態では、本明細書において説明するシステムおよび技法は、入力ポートと出力ポートとを有する高周波（ＲＦ）増幅システムであり、ＲＦ増幅システムの入力ポートに結合された入力ポートを有し、更に出力ポートを有するＲＦ増幅器を含む。位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、ＲＦ増幅器の出力ポートとＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合される。この位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、ＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスを調整するために、そのインピーダンスを変化させる。
【００４３】
[0049]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子を含む。位相スイッチト・リアクタンス素子の各々は、それぞれの制御信号を受ける。供給されたそれぞれの制御信号に応答して、対応する所望のリアクタンス値を有する各位相スイッチト・リアクタンス素子が形成される。
【００４４】
[0050]  実施形態では、コントローラが１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々にそれぞれの制御信号を供給する。
[0051]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々は、１つ以上のリアクタンス素子と少なくとも１つのスイッチとを含む。１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つは、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成される。
【００４５】
[0052]  実施形態では、少なくとも１つの関連するスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数、およびそれぞれの制御信号に基づくスイッチング位相で動作可能である。
【００４６】
[0053]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるように、半波スイッチング構成で動作可能である。
【００４７】
[0054]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるように、全波スイッチング構成で動作可能である。
【００４８】
[0055]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、スイッチと並列にキャパシタを含む。実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、スイッチと並列なキャパシタの組み合わせと直列にインダクタを含む。
【００４９】
[0056]  実施形態では、少なくとも１つのスイッチは、前記少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するように動作可能である。
【００５０】
[0057]  実施形態では、スイッチング周波数およびスイッチング位相は、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するように選択される。
[0058]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の内少なくとも１つは、容量値を有する容量性素子である。所望の周波数におけるこの位相スイッチト容量性素子の容量値は、位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値、およびスイッチング位相に関係する。実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の内少なくとも１つは、インダクタンス値を有する誘導性素子である。所望の周波数におけるこの位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値は、位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値、およびスイッチング位相に関係する。
【００５１】
[0059]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによってＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスは、ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスをＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるために、動的に適応させられる。
【００５２】
[0060]  実施形態では、ＲＦ負荷がＲＦ増幅システムの出力ポートに結合に結合される。このＲＦ負荷は、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内の少なくとも１つである。
【００５３】
[0061]  実施形態では、ＲＦ増幅器は、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含む、スイッチング・インバータを含む。
[0062]  実施形態では、コントローラは、ＲＦ増幅器がスイッチング・インバータの少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を維持するように、ＲＦ増幅器の出力ポートに呈する、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整する。
【００５４】
[0063]  実施形態では、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々の少なくとも１つのスイッチを切り替えることにより、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって提供されるインピーダンス変換を調整する。
【００５５】
[0064]  実施形態では、ＲＦ増幅器は、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合されたフィルタを含む。このフィルタは、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって生成される高調波成分を低減するフィルタ特性を有する。高調波成分は、ＲＦ増幅器の出力ポートおよびＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つに伝えられる。実施形態では、このフィルタは、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークと、ＲＦ増幅器およびＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つとの間で、ＤＣ信号を電気的に分離するために、１つ以上のフィルタ部品を含む。
【００５６】
[0065]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、直列経路リアクタンス素子の第１ノードに結合された第１分路(shunt path)位相スイッチト可変リアクタンス素子を含む。実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークは、直列経路リアクタンス素子の第２ノードに結合された第２分路(shunt path)位相スイッチト可変リアクタンス素子も含む。
【００５７】
[0066]  他の形態では、高周波（ＲＦ）増幅システムの動作方法は、ＲＦ増幅器の入力ポートにＲＦ信号を供給するステップと、ＲＦ増幅器によってＲＦ信号を増幅し、増幅器の出力ポートに増幅ＲＦ信号を供給するステップとを含む。ＲＦ増幅器の出力ポートとＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させることによって、ＲＦ増幅器に呈するインピーダンスを調整する。
【００５８】
[0067]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させるステップは、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって制御信号を受けるステップを含む。この制御信号に応答して、少なくとも１つのリアクタンス素子が、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係する周波数および位相で、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに電気的に接続または切断され、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが形成される。
【００５９】
[0068]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークは１つ以上のリアクタンス素子と、少なくとも１つのスイッチとを含む。少なくとも１つのリアクタンス素子を位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに電気的に接続または切断するステップは、１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つを、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えを行うステップと、それぞれの制御信号に基づくスイッチング周波数およびスイッチング位相で、少なくとも１つの関連するスイッチを動作させるステップとを含む。
【００６０】
[0069]  実施形態では、ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に基づくスイッチング周波数およびスイッチング位相は、所望のリアクタンス値を有する位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するように選択される。
【００６１】
[0070]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによってＲＦ増幅器に呈するインピーダンスは、ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスをＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるように、動的に適応させられる。
【００６２】
[0071]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによってＲＦ増幅器に呈する負荷インピーダンスを調整することによって、ＲＦ増幅システムの出力ポートに供給される増幅信号の電力レベルを制御する。
【００６３】
[0072]  実施形態では、増幅器は、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含むスイッチング・インバータを含む。ＲＦ増幅器に呈する位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整することによって、このスイッチング・インバータの少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が維持される。
【００６４】
[0073]  実施形態では、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークの少なくとも１つのスイッチが、少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するように切り替えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
[0074]  特許請求する発明の他の形態、特徴、および利点は、以下の詳細な説明、添付する特許請求の範囲、および添付図面から一層完全に明らかになるであろう。図面において、同様の参照番号は同様のまたは同一のエレメントを識別する。図面と関連付けて明細書において導入される参照番号は、他の特徴の下地となるように、明細書において追加の説明をすることなく、１つ以上の後続の図面において繰り返されることもある。
【図１】図１は、説明する実施形態による例示的なチューニング可能インピーダンス整合ネットワーク（ＴＭＮ）のブロック図である。
【図２】図２は、図１のＴＭＮの例示的な位相スイッチト可変容量エレメントの模式図である。
【図３】図３は、図２の位相スイッチト可変容量エレメントの制御信号に関する電流および電圧対位相のプロットである。
【図４】図４は、図１のＴＭＮの例示的な位相スイッチト可変インダクタンス素子の模式図である。
【図５】図５は、図４の位相スイッチト可変インダクタンス素子の制御信号に関する電流および電圧対位相のプロットである。
【図６】図６は、図２および図４の位相スイッチト素子の正規化実効容量（またはインダクタンス）対位相スイッチト素子の制御角度のプロットである。
【図７】図７は、図２および図４の位相スイッチト素子の総合高調波歪み対位相スイッチト素子の制御角度のプロットである。
【図８】図８は、全波スイッチト可変容量エレメントの制御信号に関する電流および電圧対位相のプロットである。
【図９】図９は、全波スイッチト可変インダクタンス素子の制御信号に関する電流および電圧対位相のプロットである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、説明する実施形態による例示的なスイッチト・リアクタンス素子の模式図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、説明する実施形態による例示的なスイッチト・リアクタンス素子の模式図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、説明する実施形態による例示的なスイッチト・リアクタンス素子の模式図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、説明する実施形態による例示的なスイッチト・リアクタンス素子の模式図である。
【図１１】図１１は、ディジタル・スイッチト容量マトリクスを採用した例示的な位相スイッチトＴＭＮの模式図である。
【図１２】図１２は、ディジタル・スイッチト・インダクタンス・マトリクスを採用する例示的な位相スイッチトＴＭＮの模式図である。
【図１３】図１３は、説明する実施形態による例示的な位相スイッチトＴＭＮの模式図である。
【図１４】図１４は、例示的な動作範囲に対して、図１３のチューニング・ネットワークによって整合することができる負荷インピーダンスの範囲のスミス・チャートである。
【図１５】図１５は、図１３のチューニング・ネットワークの追加の詳細の模式図である。
【図１６】図１６は、説明する実施形態による位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の例示的なトポロジのブロック図である。
【図１７】図１７は、説明する実施形態による位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の他の例示的なトポロジのブロック図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、説明する実施形態による例示的な三スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、説明する実施形態による例示的な三スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、説明する実施形態による例示的な三スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、説明する実施形態による例示的な三スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図１８Ｅ】図１８Ｅは、説明する実施形態による例示的な三スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図１９】図１９は、説明する実施形態による例示的な二スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図２０】図２０は、説明する実施形態による例示的な二スイッチ位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図２１】図２１は、例示的な動作範囲にわたる例示的な位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器の模式図である。
【図２２】図２２は、例示的な動作範囲に対して、図２１の位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器によって整合することができる負荷インピーダンスの範囲を示すスミス・チャートである。
【図２３】図２３は、例示的な動作範囲に対して、図２１の位相スイッチト・インピーダンス変調増幅器によって整合することができる負荷インピーダンスの範囲を示すスミス・チャートである。
【図２４】図２４は、図１のＴＭＮを動作させる例示的なプロセスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
[0097]  表１は、説明する実施形態を理解する補助として、本明細書にわたって採用される頭文字語のリストを纏めたものである。
【００６７】
【表１】
2020114011.tif 000003
【００６８】
[0098]  説明する実施形態は、位相スイッチト可変ネットワーク・リアクタンス素子に
基づくチューニング可能整合ネットワークを対象とし、本明細書では位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワーク（ＰＳ−ＴＭＮ：phase-switched tunable matching network）と呼ぶ。このようなＰＳ−ＴＭＮは、高いバイアス電圧や電流を必要とせずに、
高い電力レベルで効率的に動作しつつ、広いインピーダンス範囲にわたって、迅速で、高帯域幅にわたる、連続インピーダンス整合を可能にする。このようなＰＳ−ＴＭＮは、単独で採用されてもよく、またはディスクリート・スイッチト・リアクタンス・バンクのような他の整合技法と組み合わせて採用されてもよい。
【００６９】
[0099]  このようなＰＳ−ＴＭＮは、種々の再構成可能で適応型のＲＦシステム、例えば、ソフトウェア無線（ＳＤＲ）およびコグニティブ無線（ＣＲ）に適用するためのＲＦフロント・エンドに採用することができる。これらは、異なる帯域幅で、そして種々の通信規格にしたがって、広い範囲の周波数帯域にわたって動作する。また、ＰＳ−ＴＭＮは、素早い負荷変動を補償するためのＲＦプラズマ負荷用ドライバのような他のＲＦ用途に採用することができ、あるいは伝送電力および／または効率を最大化するために送信機と受信機との間におけるインピーダンス不整合を補償するためにワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）システムにおいて採用することもできる。
【００７０】
[00100]  また、説明する実施形態は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）高周波（ＲＦ
）増幅器も提供する。本明細書では、これを位相スイッチト・インピーダンス変調（ＰＳＩＭ：phase-switched impedance modulation）増幅器と呼ぶ。このようなＰＳＩＭ増幅
器は、ＰＳ−ＴＭＮを採用し、広い周波数範囲にわたって出力電力を効率的に調整することにより、および／または大きく変動し得る負荷（例えば、広いインピーダンス範囲にわたって可変である負荷）に整合することによって、広い周波数範囲にわたって動作することができる。
【００７１】
[00101]  図１を参照すると、高周波（ＲＦ）システム１００は、インピーダンスＺＳ
を有するソース１０２と、インピーダンスＺＬを有する負荷１１４との間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス整合ネットワーク（ＰＳ−ＴＭＮ）１１２を含む。ある用途では、ソース１０２、制御回路１０６、およびＰＳ−ＴＭＮ１１２（およびＲＦシステム１００の他のエレメント）が電源電圧（例えば、ＶＤＣ）および接地に結合される。制御回路１０６は、ＰＳ−ＴＭＮ１１２に結合され、ＰＳ−ＴＭＮ１１２の動作を制御するために制御信号をＰＳ−ＴＭＮ１１２に供給する。このような制御信号に応答して、ＰＳ−ＴＭＮ１１２は所望のインピーダンス変換特性を与える。尚、制御回路１０６はＰＳ−ＴＭＮ１１２の内部部品であってもよく、あるいはＰＳ−ＴＭＮ１１２または制御回路１０６の何らかの部分に結合された外部部品であってもよいことは認められてしかるべきである（または、制御回路１０６によって与えられる機能がＰＳ−ＴＭＮ１１２の内部にあり、制御回路１０６の他の部分がＰＳ−ＴＭＮ１１２の外部にあってもよい）。
【００７２】
[00102]  ある実施形態では、制御回路１０６は、少なくとも部分的に、ソース１０２
に結合される随意のフィードフォワード回路１０４、および／または負荷１１４に結合される随意のフィードバック回路１１０から受ける情報に基づいて、ＰＳ−ＴＭＮ１１２の動作を制御する。ある実施形態では、随意のフィードフォワード回路１０４は適応プリディストーション回路１０７を含み、制御回路１０６は参照表（ＬＵＴ）１０８を含む。例えば、以下で更に詳しく説明するが、ある実施形態は、固定または適応型(adaptable)の参照表（例えば、ＬＵＴ１０８）を採用して所定の制御信号情報を格納する、フィードバック（例えば、フィードバック回路１１０による）、および／またはフィードフォワード補償（例えば、フィードフォワード回路１０４による）を採用して適応的に制御信号情報を調節する、あるいは制御信号のディジタル・プレディストーションを実行する（例えば、プレディストーション回路１０７によって）、あるいは他の同様の技法を採用するというように、１つ以上の非線形制御技法を採用し（例えば、制御回路１０６によって）ＰＳ−ＴＭＮ１１２に適した制御信号を決定することができる。
【００７３】
[00103]  ＰＳ−ＴＭＮ１１２は、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子１１
６（１）〜１１６（Ｎ）を含む。以下で更に詳しく説明するが、位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）は、１つ以上の容量性素子（例えば、キャパシタ）、１つ以上の誘導性素子（例えば、インダクタ）、または両方の組み合わせを使用して実現することができる。所望の周波数でＰＳ−ＴＭＮ１１２の端子に呈する実効インピーダンス（ＺＳ，ＩＮおよびＺＬ，ＩＮ）を調節するために、位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）を制御することができる。位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）は、例えば、分路または直列スイッチのいずれかによって切り替えられ、位相スイッチト・リアクタンス素子の実効インピーダンスは、分路または直列スイッチの位相および／またはデューティ・サイクルを調節することによって制御される。ある実施形態では、所望の周波数がＲＦソース１０２の動作のＲＦ周波数であってもよい（例えば、ＲＦソース１０２からＰＳ−ＴＭＮ１１２に供給される信号の周波数）。
【００７４】
[00104]  ＲＦシステム１００の動作の所望周波数において実効インピーダンスを調整
することにより（例えば、位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）のインピーダンスを調節することによって）、ＰＳ−ＴＭＮ１１２によってソース１０２および／または負荷１１４に呈するインピーダンスを調節する、チューニングする、変更する、またはこれら以外で操作することが可能になる。例えば、位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）は、ＰＳ−ＴＭＮ１１２が、所望のインピーダンス（ＺＳ，ＩＮ）をＰＳ−ＴＭＮ１１２にソース１０２から、そして負荷１１４からＰＳ−ＴＭＮ１１２内に所望のインピーダンス（ＺＬ，ＩＮ）を伝えることを可能にする。
【００７５】
[00105]  ＰＳ−ＴＭＮ１１２に供給される制御信号は、ソース１０２から供給される
ＲＦ信号に関して位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）のスイッチをオンおよび／またはオフにするタイミングを制御するように動作する。このスイッチングにより、ＰＳ−ＴＭＮ１１２の所望のインピーダンス変換に影響を及ぼす位相スイッチト・リアクタンス素子１１６（１）〜１１６（Ｎ）の実効リアクタンス値が得られる。フィードフォワード情報は、ＰＳ−ＴＭＮ１１２の実効入力インピーダンス、ＲＦ波形のタイミング、指定された信号レベル、および／またはインピーダンス・レベル等についての情報を含むことができる。フィードバック情報は、実効負荷インピーダンス、および／または負荷から反射された電力についての測定情報、ＲＦ波形のタイミング等を含むことができる。
【００７６】
[00106]  つまり、ある実施形態では、ソース１０２と負荷１０４との間における所望
のインピーダンス変換を提供するために、ＰＳ−ＴＭＮ１１２を採用することもできる。例えば、ＰＳ−ＴＭＮ１１２は、ソース１０２と負荷１１４との間におけるインピーダンス整合を提供することもできる。あるいは、ソース１０２が、ＰＳ−ＴＭＮ１１２によって与えられる一層安定なインピーダンス（例えば、ＺＳ，ＩＮ）に結合されるように、ＰＳ−ＴＭＮ１１２のインピーダンスを調節して負荷１１４のインピーダンス（ＺＬ）の変動を補償することもできる。
【００７７】
[00107]  図２を参照すると、電流Ｉを有する正弦波電流源２０２が、例示的な位相ス
イッチト可変リアクタンス２００を駆動する。ここでは、位相スイッチト可変リアクタンスは、キャパシタ２０４およびスイッチ２０６の並列結合(parallel combination)を含み、位相スイッチト可変リアクタンスを位相スイッチト可変容量２００として与えるように示されている。キャパシタ２０４は、物理容量Ｃ０および電圧ＶＣを有する。スイッチ２０６の状態は信号Ｑの特性によって制御される。例えば、スイッチ２０６は、信号Ｑが論理高値を有するとき、その端子間に低インピーダンス信号経路を設け（例えば、スイッチ２０６が「オン」または「閉じている」）、スイッチ２０６は、信号Ｑが論理低値を有するとき、その端子間に高インピーダンス信号経路を設ける（例えば、スイッチ２０６が「オフ」または「開いている」）。つまり、スイッチ２０６が開いているとき（電流Ｉがキャパシタ２０４に流れ込む）、スイッチ２０６は切り替わってキャパシタ２０４を回路内に入れ、スイッチが閉じているとき（電流Ｉは閉じたスイッチを通過し、キャパシタ２０４を迂回する）、キャパシタ２０４を回路から締め出すと考えることができる。
【００７８】
[00108]  スイッチ２０６が常にオフである（開いている）場合、ソース２０２に呈す
る位相スイッチト可変容量２００の実効容量ＣＥＦＦは、キャパシタ２０４の物理容量Ｃ０と等価となる。逆に、スイッチ２０６が常にオンである（閉じている）場合、スイッチ２０６の端子間の低インピーダンス経路は事実上キャパシタ２０４を「短絡させ」、キャパシタ２０４の両端間の電圧が電流Ｉに関係なくゼロのままであるという意味で、位相スイッチト可変容量２００は無限容量として振る舞う。０から２πまでの正弦波電流源２０２のＡＣサイクルにわたってスイッチ２０６の導通角(conduction angle)を制御することによって、キャパシタ２０４の実効容量ＣＥＦＦを論理的にＣ０と無限大との間で制御することができる。本明細書において使用する場合、導通角とは、スイッチ２０６がオンにされるときの正弦波信号の角度である。スイッチがオンにされるときの導通角は、全面的にスイッチング信号Ｑ（例えば、スイッチング角度）によって決定することができ、または部分的にスイッチング信号Ｑによって、そして部分的に電圧ＶＣおよび電流Ｉのような回路波形によって決定することもできる。
【００７９】
[00109]  図３を参照すると、電流Ｉおよびキャパシタ電圧ＶＣ（例えば、キャパシタ
２０４の電圧）が、スイッチング制御信号Ｑに関して、サイクル角度θの関数として示されている。具体的には、曲線３０２はＩ（θ）を示し、曲線３０６はＶＣ（θ）を示し、曲線３０４は半波スイッチト・キャパシタのＱ（θ）を示す。図３に示すように、Ｉ（θ）のサイクル毎に、スイッチ２０６は、Ｉ（θ）の負から正への遷移からαラジアン後にオフにされる（開く）（例えば、αラジアンだけＩ（θ）の正の半サイクルに入るまで、スイッチ２０６はオンになっている／閉じている）。スイッチ２０６は、キャパシタ電圧がゼロに戻る後までオフ（開いた）のままになる。キャパシタ電圧がゼロに戻った後にスイッチをその導通状態にバイアスする（例えば、スイッチをオンにするまたはスイッチを閉じる）ことにより、スイッチ２０６のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるオン移行(turn on)を確保する。
【００８０】
[00110]  スイッチがダイオードを含み、電圧が負になるのを自然に防止する場合、能
動的にスイッチＱをオンにするタイミングを緩和することができる。これは、スイッチ電圧がゼロに達したときに自然に「ＯＮ」に転換し、ダイオードが導通している間に能動的なオン移行信号を発行できるからである。スイッチの両端間に結合されたキャパシタＣ０は、オフ移行遷移(turn off transition)のスナッビング(snubbing)を行い、スイッチ２
０６のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるオフ移行(turn off)を提供する。
【００８１】
[00111]  図３に示すように、Ｉ（θ）が純粋に正弦波の電流源である場合、スイッチ
２０６は、スイッチの導通角（例えば、２α）に達するまでオフ（開いた）のままになる。つまり、半波スイッチト・キャパシタでは、スイッチ２０６は、ソース１０２からのＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフにされる（例えば、曲線３０２によって示されるようなＩ（θ））。
【００８２】
[00112]  αを調節することにより、サイクルにおけるどこでスイッチ２０６をオンお
よびオフにするか（例えば、スイッチ２０６の導通角を制御する）設定し、したがって、
キャパシタがピークになる電圧を制御する。つまり、スイッチング角度（α）とスイッチング周波数のＶＣ（θ）の基本成分の大きさとの間にはある関係がある。その結果、キャパシタ２０４の実効容量ＣＥＦＦは、αの関数として表すことができる。
【００８３】
【数１】
2020114011.tif 000004
【００８４】
[00113]  図４を参照すると、位相スイッチト可変リアクタンスは、スイッチング周波
数におけるその実効インダクタンスの連続制御を可能にするスイッチト・インダクタ・ネットワークとして実現することも可能である。このようなスイッチト・インダクタ・ネットワークは、図４では位相スイッチト可変インダクタンス４００として示されおり、図２に示すスイッチト・キャパシタ・ネットワーク２００のトポロジ双対(topological dual)に対応する。図４に示すように、例示的な位相スイッチト可変インダクタンス４００は、インダクタ４０４とスイッチ４０６の直列結合を含み、スイッチ４０６は正弦波電圧源４０２によって電圧Ｖで駆動される。インダクタ４０４は、物理インダクタンスＬ０およびインダクタ電流ＩＬを有する。スイッチ４０６の状態は、信号Ｑによって制御され、例えば、信号Ｑが論理高値を有するときにスイッチ４０６をオンにする（例えば、閉じる）ことができ、信号Ｑが論理低値を有するときにオフにする（例えば、開く）ことができる。つまり、スイッチ４０６は、このスイッチが閉じているとき（電圧Ｖをインダクタ４０４に印加する）インダクタ４０４を回路内に入れ、このスイッチが開いているとき（電圧がインダクタ４０４に印加されない）インダクタ４０４回路から除外するように切り替えると考えることができる。
【００８５】
[00114]  図２に関して説明した位相スイッチト可変リアクタンスのスイッチト・キャ
パシタの実現例と同様、スイッチング周波数における位相スイッチト可変インダクタンス４００の実効インダクタンスＬＥＦＦを基本値Ｌ０から無限大まで調整することができる。例えば、スイッチ４０６が常にオンである（閉じている）場合、位相スイッチト可変インダクタンス４００の実効インダクタンスＬＥＦＦは、ソース４０２から見ると、インダクタ４０４の物理インダクタンスＬ０と等価になる。逆に、スイッチ４０６が常にオフである（開いている）場合、インダクタ４０４は、インダクタ４０４を通った電流が電圧Ｖに関係なくゼロのままであるという意味で、無限インダクタとして振る舞う。理想的には、インダクタ４０４の実効インダクタンスＬＥＦＦは、スイッチ４０６の導通角を正弦波電圧源４０２のＡＣサイクルにわたって０から２πまで制御することによって、Ｌ０と無限大との間で制御することができる。
【００８６】
[00115]  図５を参照すると、キャパシタ２０４の電流Ｉおよび電圧ＶＣの例示的な波
形が、スイッチ制御信号Ｑに関して、サイクル角度(cycle angle)θの関数として示され
ている。トポロジ双対性のプロパティの結果として、図３に示すスイッチト・キャパシタ・ネットワークの電圧波形は、図５に示すスイッチト・インダクタ・ネットワークの電流波形に類似し、その逆も成り立つ。
【００８７】
[00116]  具体的には、曲線５０２はＩＬ（θ）を示し、曲線５０６はＶ（θ）を示し
、曲線５０４は半波スイッチト・インダクタのＱ（θ）を示す。図５に示すように、Ｖ（θ）のサイクル毎に、Ｖ（θ）の負から正への遷移のからαラジアン後にスイッチ４０６はオンにされる（閉じられる）（例えば、Ｖ（θ）の正の半サイクル内にαラジアンだけ入るまで、スイッチ４０６はオフになっている／開いている）。スイッチ４０６は、インダクタ電流がゼロに戻る後までオンのままになる（閉じている）。スイッチはそれと直列にインダクタを有するので、スイッチのゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によるオン移行を提供することができる。インダクタ電流がゼロに戻る時点でスイッチをオフにすることによって、スイッチ４０６のゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によるオフ移行を確保する。容量性回路との双対性において、スイッチＱの一部としてダイオード（１つまたは複数）を利用することにより、スイッチの自然な転換（オフ移行）を可能にし、スイッチング制御波形のオフ移行時(turn-off moment)の詳細なアクティブ・タイミング(detailed active timing)を緩和することができる。図５に示すように、Ｖ（θ）が純粋に正弦波電圧源であるとき、スイッチ４０６の導通角に達するまで（例えば、２α）、スイッチはオンのまま（閉じたまま）になる。
【００８８】
[00117]  αを調節することにより、サイクルにおけるどこでスイッチ４０６をオンお
よびオフにするか（例えば、スイッチ４０６の導通角を制御する）設定し、したがって、インダクタがピークになる電流を制御する。つまり、図２に関して説明した位相スイッチト可変リアクタンスのスイッチト・キャパシタの実現例と同様、スイッチング角度（α）とスイッチング周波数におけるＩＬ（θ）の基本成分の大きさとの間にはある関係がある。その結果、インダクタ４０４の実効インダクタンスＬＥＦＦは、αの関数として表すことができる。
【００８９】
【数２】
2020114011.tif 000005
【００９０】
[00118]  トポロジ双対性(topological duality)の結果として、実効インダクタンスの式（１ｂ）は、実効容量の式（１ａ）のそれと同じになる。式（１ａ）は、スイッチが常にオン状態にある（α＝π）ときの無限実効容量に対する直観的な予想と一致し、スイッチが永続的にオフであるとき（α＝０）にＣＥＦＦおよびＣ０間の等価を予測する。同様に、式（１ｂ）も、スイッチが常にオフ状態にある（α＝０）ときの無限実効インダクタンスに対する直観的な予測と一致し、スイッチが永続的にオンであるとき（α＝π）にＬＥＦＦおよびＬ０間の等価を予測する。つまり、式（１ａ）および（１ｂ）にしたがって、キャパシタまたはインダクタに関連するスイッチの導通角を制御することによって、スイッチング周波数における実効容量ＣＥＦＦまたは実効インダクタンスＬＥＦＦを調整することができる。
【００９１】
[00119]  図６を参照すると、スイッチング周波数における曲線６０２によって、正規
化実効容量ＣＥＦＦ／Ｃ０または正規化実効インダクタンスＬＥＦＦ／Ｌ０が示されている。容量回路では、これは正規化アドミタンスＹＥＦＦ／Ｙ０と同じことであり、一方誘導回路では、これは、正規化リアクタンスＸＥＦＦ／ＸＯと同じである。トポロジ双対性の結果として、図２の位相スイッチト・キャパシタ回路の正規化実効アドミタンスＹＥＦＦ／Ｙ０は、図４に示した位相スイッチト・インダクタ・ネットワークの正規化リアクタンスＸＥＦＦ／Ｘ０と同じである。
【００９２】
[00120]  図６に示すように、正規化実効容量ＣＥＦＦ（またはインダクタンスＬＥＦ
Ｆ）は、αと共に急激に増大し、αがπ（例えば、１８０度）に近づくにつれて、無限大に近づく。
【００９３】
[00121]  図７を参照すると、曲線７０２は、純粋に正弦波の電流（電圧）励起源に対
する、キャパシタ電圧（インダクタ電流）の総合高調波歪み対αの関係を示す。ＣＥＦＦまたはＬＥＦＦを調整することができる実用上の範囲は、ネットワークに現れる可能性が
ある高調波歪みの量に依存する。αがπに向かって増大する（例えば、スイッチの導通角が大きくなる）につれて、キャパシタ電圧ＶＣ（例えば、曲線３０６）またはインダクタ電流ＩＬ（例えば、曲線５０２）のリンギング(ringing)は、一層短い時間期間に制限さ
れる。図７に示すように、この結果、大きなＹＥＦＦ／Ｙ０またはＸＥＦＦ／Ｘ０（例えば、ＣＥＦＦ／Ｃ０またはＬＥＦＦ／Ｌ０）比に対して、キャパシタ電圧の高調波成分が著しく増える（例えば、αが増大するにつれて、総合高調波歪みも増大する）。所与のシステムにおいて許容される高調波歪みの量は、ソースおよび／または負荷に許容される高調波成分の指定限度、ならびに必要なまたは望まれるフィルタリングの量に依存する。
【００９４】
[00122]  尚、図７は、位相スイッチト可変リアクタンスの高調波歪み（例えば、位相
スイッチト可変容量２００のキャパシタ電圧の高調波歪み、または位相スイッチト可変インダクタンス４００のインダクタ電流の高調波歪み）を示すのであり、ＲＦシステムのソースおよび／または負荷（例えば、ソース１０２および負荷１１４）に実際に注入される高調波成分を示すのではないことを注記しておく。ある実施形態では、位相スイッチト可変リアクタンス（例えば、位相スイッチト可変容量２００または位相スイッチト可変インダクタンス４００）は、ソースおよび／または負荷（例えば、ソース１０２および負荷１１４）に注入される高調波成分を低減するために、追加のフィルタリング部品（図２および図４には示されていない）を含む。
【００９５】
[00123]  図３および図５に関して説明したように、位相スイッチト可変リアクタンス
（例えば、位相スイッチト可変容量２００または位相スイッチト可変インダクタンス４００）は半波スイッチング型(half-wave switched)であり、キャパシタ電圧（図３の曲線３０６）およびインダクタ電流（図５の曲線５０２）が単極となるように、スイッチが動作させられる。しかしながら、他のスイッチング方式も可能である。例えば、図８および図９は、それぞれ、図３に示したスイッチト・キャパシタ・ネットワークおよび図５に示したスイッチト・インダクタ・ネットワークについて、スイッチ制御信号Ｑに関して、サイクル角度θの関数として電流Ｉおよび電圧Ｖの例示的な波形を示す。
【００９６】
[00124]  具体的には、図８に示すように、曲線８０２は全波スイッチト・キャパシタ
のＩ（θ）を示し、曲線８０６はＶＣ（θ）を示し、曲線８０４はＱ（θ）を示す。図９に示すように、曲線９０２は、全波スイッチト・インダクタのＩＬ（θ）を示し、曲線９０６はＶ（θ）を示し、曲線９０４はＱ（θ）を示す。位相スイッチト可変容量２００が全波スイッチング型(full-wave switched)であるとき、スイッチ（例えば、スイッチ２０６）はＩ（θ）のサイクル毎に２回オフにされ（例えば、Ｑ（θ）はゼロである）、オフの期間は、電流Ｉ（θ）がゼロになるときを中心に広がる(centered around)。純粋に正弦波の励起電流Ｉ（θ）では、この結果、双極キャパシタ電圧波形ＶＣ（θ）が得られる。キャパシタ電圧ＶＣ（θ）はゼロのＤＣ平均値を有する。同様に、位相スイッチト可変インダクタンス４００が全波スイッチング型であるとき、スイッチ（例えば、スイッチ４０６）は、Ｖ（θ）のサイクル毎に２回オンにされ（例えば、Ｑ（θ）が論理高値を有する）、オンの期間は、電圧Ｖ（θ）がゼロになるときを中心に広がる。純粋に正弦波の励起電圧Ｖ（θ）では、この結果、双極インダクタ電流波形ＩＬ（θ）が得られ、これもゼロのＤＣ平均値を有する。このように、全波スイッチト・キャパシタ（またはインダクタ）では、スイッチ２０６は、ソース１０２からのＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフにされる（例えば、曲線８０２によって示されるようなＩ（θ））。
【００９７】
[00125]  半波スイッチングと同様（例えば、図３および図５に示すように）、スイッ
チのスイッチング角度αを制御することによって、スイッチング周波数における実効容量ＣＥＦＦおよび実効インダクタンスＬＥＦＦを調整することができる。キャパシタ２０４の実効容量ＣＥＦＦは、全波スイッチト・キャパシタについては、αの関数として表すことができる。
【００９８】
【数３】
2020114011.tif 000006
【００９９】
同様に、インダクタ４０４の実効インダクタンスＬＥＦＦもαの関数として表すことができる。
【０１００】
【数４】
2020114011.tif 000007
【０１０１】
[00126]  このように、全波スイッチト・ネットワーク（例えば、関係（２ａ）および
（２ｂ））で所与のスイッチング角度αに対して得ることができる実効容量／インダクタンスは、半波スイッチト・ネットワーク（例えば、関係（１ａ）および（１ｂ））で得ることができる実効容量／インダクタンスの半分となる。しかしながら、全波スイッチト・ネットワークにすると、本質的に、同じスイッチング角度α（即ち、総合スイッチ導通角を制御するスイッチング角度）に対して、半波スイッチト・ネットワークと比較して、キャパシタ電圧およびインダクタ電流の高調波成分が低減する。一方、全波スイッチングを実現するには、スイッチは動作周波数の２倍で動作しなければならない（例えば、サイクル当たり２回切り替える）。更に、容量変調では、双方向ブロッキング・スイッチが必要となり、典型的な半導体スイッチによるスイッチの実現を複雑化する可能性がある。
【０１０２】
[00127]  以上の関係（１）および（２）は、図２および図４に示したスイッチト・ネ
ットワークの実効容量およびインダクタンスが、純粋に正弦波の励起信号のスイッチング角度αに基づくことができることを示す。純粋に正弦波でない励起信号では、スイッチがオフ（またはオン）になるタイミングまたはスイッチング角度αをしかるべく選択することによって、 実効リアクタンスを制御することができるが、関係（１）および（２）は
αの正確な値を計算することができない。ゼロ電圧（またはゼロ電流）ポイントを決定する（スイッチがオン（またはオフ）になるため）回路波形と共に、スイッチング角度αは、サイクルの間におけるスイッチの総合導通角を決定する。純粋に正弦波でない励起信号では、所与の所望の実効リアクタンスに対してαの要求値を決定するために、適応可能な参照表（例えば、ＬＵＴ１０８）、フィードバック回路１１０、またはフィードフォワード回路１０４（随意のディジタル・プレディストーション回路１０７を含む）を採用することもできる。
【０１０３】
[00128]  位相スイッチト可変容量２００および位相スイッチト可変インダクタンス４
００は、位相スイッチト可変リアクタンスおよびＴＭＮのような他の調節可能な回路を実現するための構築ブロックとして採用することができる。特に、用途の中には、容量性および誘導性リアクタンス双方に及ぶ範囲にわたって、および／または実効リアクタンスをもっと限定した範囲で調整することによって値を制御することができる可変リアクタンスの多大な恩恵を得ることができるものもある。追加のリアクタンス部品によって位相スイッチト可変容量２００および／または位相スイッチト可変インダクタンス４００を補強すると、もっと広い範囲の可変リアクタンスを得ることができる。
【０１０４】
[00129]  図１０Ａ〜図１０Ｄは、容量性および誘導性双方の素子を含むことによって
、図２および図４に示した単一エレメント回路と比較して、位相スイッチト・リアクタンス回路のインピーダンスをチューニングすることができる範囲を広げる位相スイッチト・リアクタンス回路の例示的な実施形態を示す。
【０１０５】
[00130]  例えば、図１０Ａは、位相スイッチト・キャパシタ１０１３と直列にインダ
クタ１０１２を含む位相スイッチト・リアクタンス回路１００２を示す。位相スイッチト・キャパシタ１０１３は、図２関して説明したのと同様に、キャパシタ１０１４と並列にスイッチ１０１６を含む。図１０Ｂは、キャパシタ１０２２と直列にインダクタ１０２４を含む位相スイッチト・リアクタンス回路１００４を示し、インダクタ１０２４およびキャパシタ１０２２の直列結合が、位相スイッチト・キャパシタ１０２５と並列に配置されている。キャパシタ１０２２は位相スイッチト型ではなく、したがって、ＣＤＣとして示されている。位相スイッチト・キャパシタ１０２５は、図２に関して説明したのと同様に、キャパシタ１０２６と並列にスイッチ１０２８を含む。図１０Ｃは、位相スイッチト・インダクタ１０３３と並列にキャパシタ１０３２を含む位相スイッチト・リアクタンス回路１００６を示す。位相スイッチト・インダクタ１０３３は、図４に関して説明したのと同様に、インダクタ１０３４と直列にスイッチ１０３６を含む。図１０Ｄは、キャパシタ１０４４と並列にインダクタ１０４２を含む位相スイッチト・リアクタンス回路１００８を示し、インダクタ１０４２およびキャパシタ１０４４の並列結合が位相スイッチト・キャパシタ１０４５と直列に配置されている。インダクタ１０４２は位相スイッチト型ではなく、したがってＬＤＣとして示されている。位相スイッチト・インダクタ１０４５は、図４に関して説明したのと同様に、インダクタ１０４６と直列にスイッチ１０４８を含む。
【０１０６】
[00131]  当業者には理解されようが、図１０Ａ〜図１０Ｄに示したもの以外の回路の
異形も可能である。例えば、位相スイッチト・キャパシタと直列にキャパシタを配することにより、キャパシタと位相スイッチト・キャパシタの物理容量との直列結合に等しい最大容量と、キャパシタと位相スイッチト容量値との直列結合に等しい最小容量とを有する、正味の実効インピーダンスが得られる。
【０１０７】
[00132]  図６および図７に関して説明したように、位相スイッチト可変キャパシタン
ス２００および位相スイッチト可変インダクタンス４００には、それらの可変リアクタンス範囲と、システムの残りに注入される高調波成分の量との間にトレードオフが存在する。言い換えると、実効リアクタンスを制御することができる範囲は、システム内部で耐えることができる（例えば、ソース１０２および／または負荷１１４によって）高調波成分の量によって限定される。ある実施形態は、ソース１０２および／または負荷１１４に注入される高調波成分を低減するために、追加のまたは外部フィルタリング部品を採用することもできる。しかしながら、ある実施形態では、追加のフィルタリング部品を採用することができない場合もある。
【０１０８】
[00133]  図１１および図１２を参照すると、追加のフィルタリング部品が採用されな
い場合、位相スイッチト可変容量２００および位相スイッチト可変インダクタンス４００を、位相スイッチト型でない１つ以上のディジタル制御キャパシタまたはインダクタ・マトリクスと組み合わせることによって、高調波成分を低減することができる。このような混成スイッチト・ネットワークは、ＲＦ動作周波数において、そしてＲＦ波形に関して制御された位相およびデューティ・サイクルで動作するＲＦスイッチを含む。また、混成スイッチト・ネットワークは、スイッチト・マトリクス(switched matrix)における１つ以
上のキャパシタまたはインダクタに関連するディジタル・スイッチも含む。これらのディジタル・スイッチは、通例、ＲＦ周波数よりも遙かに低い周波数で動作するが、実効リアクタンスＣＥＦＦまたはＬＥＦＦの制御帯域幅によって決定されるＲＦ周波数まで動作させることができる（例えば、サイクル毎）。
【０１０９】
[00134]  図１１を参照すると、混成スイッチト・ネットワーク１１００は、位相スイ
ッチト・リアクタンス（例えば、キャパシタＣ０１１１６および並列スイッチ１１１８）と、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２とを含む。ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２および負荷１１４と並列に結合された位相スイッチト可変容量（例えば、キャパシタＣ０１１１６および並列スイッチ１１１８）として示すが、他の実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスが、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２および負荷１１４と直列に結合された位相スイッチト可変インダクタンス（例えば、図４に示すような）として、または図１０Ａ〜図１０Ｄに示した位相スイッチト・リアクタンス回路の内の１つとして、または他の等価回路として実現されることも可能である。
【０１１０】
[00135]  ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２は、複数のキャパシタお
よび関連するスイッチを含む。これらは、キャパシタ１１０４、１１０８、および１１１２、ならびにスイッチ１１０６、１１１０、および１１１４として示されている。ある実施形態では、キャパシタ１１０４、１１０８、および１１１２の各々が一意の容量値を有し、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２の容量値を、大きな容量範囲にわたって変化させることを可能にする。例えば、図１１に示すように、キャパシタ１１０４、１１０８、および１１１２は、最大容量値（例えば、（２・２Ｎ−１）・Ｃ０）に達するまで、Ｃ０の刻みで、位相スイッチト・キャパシタ基準値（例えば、Ｃ０）から増大することができる。ここで、Ｎはディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２におけるキャパシタの数である。
【０１１１】
[00136]  スイッチ１１０６、１１１０、および１１１４は、キャパシタ１１０４、１
１１０８、および１１１２の内対応するものと直列に結合され、それぞれのキャパシタを接続する（または切断する）ことによって、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２の容量を調節するように動作可能である。スイッチ１１０６、１１１０、および１１１４は、制御回路１０６からの１つ以上の制御信号に基づいて動作することができる。前述のように、スイッチ１１０６、１１１０、および１１１４は、一般に、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２の容量値を調節するために、ＲＦ周波数未満の周波数で動作する。
【０１１２】
[00137]  図１２を参照すると、混成スイッチト・ネットワーク１２００は、位相スイ
ッチト・リアクタンス（例えば、インダクタＬ０１２１６および直列スイッチ１２１８）と、ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２とを含む。ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２と直列に、そして負荷１１４と並列に結合された位相スイッチト可変インダクタンス（例えば、インダクタＬ０１２１６および直列スイッチ１２１８）として示されているが、他の実施形態では、位相スイッチト・リアクタンスは、位相スイッチト可変容量（例えば、図２に示したような）として、または図１０Ａ〜図１０Ｄに示した位相スイッチト・リアクタンス回路の内の１つとして、または他の等価回路として実現されてもよい。
【０１１３】
[00138]  ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２は、複数のインダクタお
よび関連するスイッチを含み、これらはインダクタ１２０６、１２１０、および１２１４、ならびに１２０４、１２０８、および１２１２として示されている。ある実施形態では、インダクタ１２０６、１２１０、および１２１４の各々は、一意のインダクタンス値を有し、ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２の容量値を、大きなインダクタンス範囲にわたって変化させることを可能にする。例えば、図１２に示すように、インダクタ１２０６、１２１０、および１２１４、ならびに１２１８は、最大インダクタンス値に達するまで、Ｌ０の刻みで、位相スイッチト・インダクタ基準値（例えば、Ｌ０）から増大することができる。
【０１１４】
[00139]  スイッチ１２０４、１２０８、および１２１２は、インダクタ１２０６、１
２１０、および１２１４の対応するものと並列に結合され、それぞれのインダクタを接続することによって（または、短絡させる、例えば、インダクタを迂回するために低インピーダンス経路を設ける）、ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２のインダクタンスを調節するように動作可能である。スイッチ１２０４、１２０８、および１２１２は、制御回路１０６からの１つ以上の制御信号に基づいて動作することができる。前述のように、スイッチ１２０４、１２０８、および１２１２は、一般に、ディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２の容量値を調節するために、ＲＦ周波数未満の周波数で動作する。
【０１１５】
[00140]  ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２およびディジタル制御イ
ンダクタ・ネットワーク１２０２は、過度の高調波成分をソース１０２および／または負荷１１４に混入させることなく、位相スイッチト・リアクタンス（例えば、キャパシタＣ０１１１６および並列スイッチ１１１８、またはインダクタＬ０１２１６および直列スイッチ１２１８）のリアクタンスを連続的に変化させることができる範囲を広げる。例えば、図１１および図１２に示す実施形態は、スイッチト・ネットワーク１１００（または１２００）の基準値Ｃ０（またはＬ０）を制御するために、ディジタル制御キャパシタ・ネットワーク１１０２（またはディジタル制御インダクタ・ネットワーク１２０２）を採用する。位相スイッチト・リアクタンスのスイッチ（例えば、スイッチ１１１８またはスイッチ１２１８）は、先に説明した関係（１）および（２）によって決定される係数によって基準容量Ｃ０（またはインダクタンスＬ０）を設定するために動作させることができる。
【０１１６】
[00141]  例えば、混成スイッチト・キャパシタ・ネットワーク１１００のスイッチン
グ周波数における実効容量ＣＥＦＦは、図３に示したように、０から約π／２まで変化するスイッチング角度αによって、ＲＦスイッチを半波切り替えることによって、低い方の容量値Ｃ０と高い方の容量値との間で制御することができる。図７に示すように、π／２（９０度）未満のスイッチング角度αによるＲＦスイッチの動作は、約３５％未満のピーク高調波歪みに対応する。つまり、混成スイッチト・ネットワーク（例えば、１１００および１２００）は、最小限の高調波歪みで、そして調節可能なバイアス電圧または電流を必要とせずに、広い容量（または誘導）範囲にわたってスイッチング周波数における実効リアクタンスの連続制御を可能にする。
【０１１７】
[00142]  種々の実施形態において、ＴＭＮ１１２のＲＦスイッチ（例えば、スイッチ
２０６または４０６）は、種々のタイプのスイッチング素子の１つまたは組み合わせとして、例えば、ＲＦシステム１００のＲＦ周波数または他の動作パラメータに基づいて実現することができる。例えば、横または縦型ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、サイリスタ、ダイオード、または他の同様の回路エレメントを採用することもできる。
【０１１８】
[00143]  位相スイッチト可変容量２００および位相スイッチト可変インダクタンス４
００は、更に複雑な位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワーク（ＰＳ−ＴＭＮ）、例えば、π−ネットワーク・トポロジＰＳ−ＴＭＮ（Ｐｉ−ＴＭＮ）内における回路エレメントとして採用することもできるが、Ｌ−ネットワーク、Ｔ−ネットワーク、または他の同様のネットワークというような、他のネットワーク・トポロジも可能である。図１３は、π−ＴＭＮ１３０２に結合されたＲＦソース１３０１を含む例示的なＲＦシステム１３００の模式図を示す。π−ＴＭＮ１３０２はＲＦ負荷１３０３に結合されている。π−ＰＭＮ１３０２は２つの可変分路容量サセプタンスＢ１１３１０およびＢ２１３１４を含む。例示的な実施形態では、ＲＦソース１３０１は一般に電力増幅器または他のＲＦシステムの出力である。図１３に示すように、ＲＦソース１３０１は、そのノートン等価回路によって、 ソース抵抗ＲＳ１３０６およびソース・サセプタンスＢＳ１３０８と並列な電流源１３０４を含むように表すことができる。同様に、ＲＦ負荷１３０３は、負荷サセプタンスＢＬ１３１６と並列な負荷抵抗ＲＬ１３１８を含むように表すことができる。ソースおよび負荷インピーダンスＺＳおよびＺＬは、それぞれ、次のように表すことができる。
【０１１９】
【数５】
2020114011.tif 000008
【０１２０】
【数６】
2020114011.tif 000009
【０１２１】
したがって、負荷インピーダンスＺＬをソース・インピーダンスＺＳに整合するために必要とされるサセプタンスＢ１およびＢ２は、以下の式によって与えられることを示すことができる。
【０１２２】
【数７】
2020114011.tif 000010
【０１２３】
【数８】
2020114011.tif 000011
【０１２４】
このように、π−ＴＭＮ１３０２は、可変分路容量サセプタンスＢ１１３１０およびＢ２１３１４の値を調節することによって、負荷インピーダンスＺＬをソース・インピーダンスＺＳに整合させるために採用することができる。
【０１２５】
[00144]  図１３に示すように、π−ＴＭＮ１３０２の実施形態は、２つの可変分路容
量サセプタンスＢ１１３１０およびＢ２１３１４と、固定誘導性リアクタンスＸ１３１２とを含むが、可変分路誘導性サセプタンスおよび固定容量性リアクタンスを採用する、３つのリアクティブ分岐を全て可変部品として実装する等というような、 数多くの他の実
現例もπ−ＴＭＮには可能である。勿論、１つの可変分路エレメントおよび１つの可変直列路エレメントを有するＬ−セクションＴＭＮを実現することも可能であることは認められてしかるべきである。他のタイプのネットワークを採用することもできる。以下で更に詳しく説明するが、接地基準(ground-referenced)可変キャパシタは、ＲＦ周波数におけ
る位相スイッチト可変リアクタンス・ネットワークによる実現に非常に適している。
【０１２６】
[00145]  図１４を参照すると、π−ＴＭＮ１３０２によって整合させることができる
負荷インピーダンスの例示的な範囲が、（ＲＳに正規化された）スミス・チャート・プロット１４００において陰影領域１４０２として示されている。例えば、陰影領域１４０２
によって表されるインピーダンス値は、Ｘ＝ＲＳを有する例示的なπ−ＴＭＮと、１／ＲＳから４／ＲＳの範囲にわたって可変なサセプタンスＢ１とによって、そして１／ＲＳから２／ＲＳの範囲にわたって可変なサセプタンスＢ２によって得ることができる。図１４に示すように、π−ＴＭＮ１３０２は、ＲＦソース１３０１のインピーダンスを、約１０：１抵抗範囲および５：１リアクタンス範囲（容量的および誘導的の双方）にわたって変化する負荷インピーダンスに整合させることができる。このようにするために、π−ＴＭＮ１３０２は、１：４の範囲にわたってＢ１を調整し、１：２の範囲にわたってＢ２を調整する。これは、図２および図４に示したような位相スイッチト可変リアクタンス・ネットワークを採用すれば遂行することができる。
【０１２７】
[00146]  図１５は、５０Ωのソース・インピーダンス（例えば、ＲＳ１５０６）に対
して、図１４に示した整合範囲を得るための位相スイッチトπ−ＴＭＮ回路１５０２の例示的な実施形態を示す。誘導性リアクタンスＸは、ノートン等価ソース抵抗ＲＳ（例えば、５０Ω）と値が等価となるように選択される。図１５に示すように、可変容量サセプタンスＢ１およびＢ２は、半波位相スイッチト・キャパシタ（例えば、図２の位相スイッチト・キャパシタ２００）として実現される。可変容量サセプタンスＢ１は、位相スイッチト・キャパシタＣＰ２１５１４とＦＥＴスイッチ１５１２とを含み、ＦＥＴスイッチ１５１２は、スイッチング角度α２を有する制御信号ｑ２を切り替えることによって制御される。可変容量サセプタンスＢ２は、位相スイッチト・キャパシタＣＰ１１５２０とＦＥＴスイッチ１５２２とを含み、ＦＥＴスイッチ１５２２は、スイッチング角度α１を有する制御信号ｑ１を切り替えることによって制御される。
【０１２８】
[00147]  例示的な実施形態では、位相スイッチトπ−ＴＭＮ回路１５０２は、２７．
１２ＭＨｚで動作し、５０Ωのソース・インピーダンスを、スイッチのスイッチング角度（α１およびα２）およびこれらの間の位相シフトを適正に調節することにより（例えば、スイッチング制御信号ｑ１およびｑ２を調節することにより）、約１０：１抵抗範囲および５：１リアクタンス範囲（容量性および誘導性双方）にわたって変化する負荷インピーダンスに整合させることができる。
【０１２９】
[00148]  可変容量サセプタンスＢ１およびＢ２を半波ＦＥＴ−スイッチト・キャパシ
タ・ネットワークとして実現することにより、スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が得られ、各可変リアクタンスを、１つの接地−基準スイッチ（例えば、可変容量サセプタンスＢ１にＦＥＴ１５１２、そして可変容量サセプタンスＢ２にＦＥＴ１５２２）によって実現することを可能にする。ＺＶＳ動作は、スイッチング電力損失を低減し、全体的なシステム効率を向上させるので、スイッチト・システム(switched system)において望まれる。更に、ＦＥＴ１５１２および１５２２の出力（ドレイン−ソース間）容量は、位相スイッチト・キャパシタＣＰ１およびＣＰ２と並列であり、したがって分路容量に追加し、ＴＭＮの一部として利用することができる。
【０１３０】
[00149]  例示的なπ−ＴＭＮ回路１５０２では、図１３に示した誘導性リアクタンス
Ｘ１３１２は、直列共振回路として実装される。この直列共振回路は、分路エレメント（例えば、接地に結合される）として配置された可変サセプタンスＢ１およびＢ２の間に直列に配置されたインダクタＬＳ２１５１６およびキャパシタＣＳ２１５１８を含む。インダクタＬＳ２１５１６およびキャパシタＣＳ２１５１８は、所望の周波数においてソース・インピーダンス（例えば、５０Ω）にほぼ等しい誘導性インピーダンスを有するように選択される。
【０１３１】
[00150]  図１５に示す実施形態では、２つの追加の直列共振回路が含まれており、１
つはπ−ＴＭＮ回路１５０２の入力フィルタとして、そして１つはπ−ＴＭＮ回路の出力フィルタとして、スイッチングの結果としてソースおよび負荷に注入される高調波成分の
量を制限するために含まれる。例えば、キャパシタＣＳ１１５０８およびインダクタＬＳ１１５１０は、ソース１５０４とπ−ＴＭＮ回路１５０２との間における直列共振入力フィルタとして作用する。同様に、インダクタＬＳ３１５２４およびキャパシタＣＳ３１５２６は、負荷１５２８とπ−ＴＭＮ回路１５０２との間における直列共振出力フィルタとして作用する。
【０１３２】
[00151]  ＬＳ２１５１６およびＣＳ２１５１８の直列共振回路の品質係数Ｑは、位相
スイッチト・キャパシタＣＰ１１５２０と位相スイッチト・キャパシタＣＰ２１５１４との間の相互作用を制御する。例えば、品質係数Ｑを増大させると（例えば、ＬＳ２１５１６およびＣＳ２１５１８の値を増大させることによって）、位相スイッチト・キャパシタＣＰ１１５２０と位相スイッチト・キャパシタＣＰ２１５１４との間における相互作用が減少するが、品質係数Ｑを増大させると、ネットワークの有効帯域幅も減少する。
【０１３３】
[00152]  例えば、約２７ＭＨｚの範囲において例示的な所望の周波数で５０Ωのソー
ス・インピーダンス（例えば、ＲＳ１５０６）のために、図１４に示した整合範囲を達成するための位相スイッチトπ−ＴＭＮ回路１５０２では、位相スイッチト・キャパシタＣＰ１１５２０は、１３０ｐＦの物理値Ｃ０を有すればよく、位相スイッチト・キャパシタＣＰ２１５１４は１００ｐＦの物理値Ｃ０を有すればよい。位相スイッチト・キャパシタＣＰ１１５２０と位相スイッチト・キャパシタＣＰ２１５１４との間における直列共振回路によって所望の品質係数Ｑを達成するためには、キャパシタＣＳ２１５１８は０．０１μＰの値を有すればよく、インダクタＬＳ２１５１６は２９７ｎＨの値を有すればよい。直列共振回路によって所望の入力および出力フィルタリングを達成するためには、キャパシタＣＳ１１５０８およびＣＳ３１５２６は２３．４ｐＦの値を有すればよく、インダクタＬＳ１１５１０およびＬＳ３１５２４は１．４７μＨの値を有すればよい。更に、ＦＥＴ１５１２および１５２２は、１０ｍΩのオン状態抵抗を有してもよく、各ＦＥＴのボディ・ダイオードは０．４Ｖの順方向電圧および１０ｍΩのオン状態抵抗を有してもよい。
【０１３４】
[00153]  ＦＥＴ１５１２および１５２２のスイッチングは、スイッチング角度αに基
づいてそれらのドレイン電流に同期される。スイッチング角度αは、キャパシタＣＰ１およびＣＰ２の所望の実効容量に基づく。半波位相スイッチト・キャパシタについて先に説明したように、ＦＥＴ１５１２および１５２２は、それらのドレイン電流が負から正に交差した後にオフにされ、次いで一旦それらのそれぞれのドレイン電圧がゼロに戻ったなら再度オンにされる。ＦＥＴ１５１２および１５２２の各々に対するαのしかるべき値は、関係（５）および（６）によって与えられるように、所望の負荷インピーダンスＺＬに対して必要とされるＢ１およびＢ２サセプタンスを決定することによって、計算することができる。一旦各容量サセプタンスＢ１およびＢ２がわかったなら、所望のサセプタンス値に対応するαの値を決定するために、関係（１ａ）（半波位相スイッチト・キャパシタの場合）または関係（２ａ）（全波位相スイッチト・キャパシタの場合）において、その値をＣＥＦＦとして入力することができる（Ｃ０はキャパシタの物理容量として知られている値である）。
【０１３５】
[00154]  説明したように、純粋に正弦波でない電流励起を有する位相スイッチト・ネ
ットワークでは、関係（１）および（２）から、所望のサセプタンスを達成するための正確な値のαが得られないおそれがある。更に、ドレイン−ソース・スイッチ容量の非線形性、および２つのスイッチト・ネットワークの相互作用(mutual interaction)（例えば、容量性サセプタンスＢ１およびＢ２）のために、精度が低いαの計算となるおそれもある。このため、ある実施形態は、αのしかるべき値を決定するために、固定または適応可能な参照表（例えば、ＬＵＴ１０８）、フィードバック（例えば、フィードバック回路１１０による）、フィードフォワード補償（例えば、フィードフォワード回路１０４による）、スイッチング角度のディジタル・プレディストーション（例えば、プレディストーション回路１０７による）、あるいは他の同様の技法というような、非線形制御技法を採用する（例えば、制御回路１０６によって）。
【０１３６】
[00155]  π−ＴＭＮ回路１５０２が所与のインピーダンスを達成するためにＦＥＴ１
５１２および１５２２の各々にスイッチング制御パラメータαの正しい値を設定するために、ＬＵＴ１０８は種々の負荷インピーダンスに対応する所定のスイッチング角度（例えば、α１およびα２）を格納することができる。例えば、表２は、π−ＴＭＮ回路１５０２が５０Ωソースに整合させることができる可能な負荷インピーダンス、およびスイッチング制御信号ｑ１およびｑ２に対するスイッチング角度α１およびα２の対応する値の例示的なリストを示す。
【０１３７】
【表２】
2020114011.tif 000012
【０１３８】
[00156]  表２は、π−ＴＭＮ回路１５０２が５０Ωソース/インピーダンスを、少なくとも１０：１の倍率にわたって抵抗が変動する負荷インピーダンスに整合させることが可能であることを示す。表２に列挙したスイッチング角度（α１およびα２）、および図６に示した実効リアクタンス（例えば、ＣＥＦＦ／Ｃ０またはＬＥＦＦ／Ｌ０）対αのプロットに基づいて、実効容量の２：１変調が、１０：１の範囲にわたって抵抗が変動する負荷インピーダンスに対するインピーダンス整合を達成できることを示すことができる。
【０１３９】
[00157]  他のタイプのシステムも、本明細書において説明する位相スイッチト・ネッ
トワークを採用することができる。例えば、特定の周波数においてまたは特定の周波数帯域にわたって配電するＲＦ電力増幅器（ＰＡ）の恩恵を、広範囲のシステムが受けることができる。このようなＰＡは、広範囲にわたって出力電力を制御し、その動作範囲にわたって高い効率を維持することができるという利点がある。従来の線形増幅器（例えば、Ａ、Ｂ、ＡＢ級等）は、広範囲にわたる動的出力電力制御および忠実性が高い増幅という利点が得られるが、ピーク効率に限界があり、電力のバックオフによって急速にピーク効率が低下する。一方、スイッチングＰＡ（例えば、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Φ級等のようなインバータ）は、高いピーク効率を提供するが、スイッチング・モード(switched mode)に留まる間
は一定のエンベロープ信号（一定の供給電圧で）しか生成しない。
【０１４０】
[00158]  スイッチングＰＡにおける出力電力制御のための一技法は、負荷変調による
ものであり、ＰＡの負荷を外部ネットワークによって調整する。説明する実施形態では、ＰＡの負荷は、位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワーク（ＴＭＮ）（例えば、π−ＴＭＮ回路１５０２のような、１つ以上の位相スイッチト可変容量２００または位相スイッチト可変インダクタンス４００を含むネットワーク）によって調整される。例えば、位相スイッチトＴＭＮのインピーダンス変換がＰＡの出力電力を制御することもできる。
【０１４１】
[00159]  図１６を参照すると、このような位相スイッチト・インピーダンス変調（Ｐ
ＳＩＭ）増幅器がＰＳＩＭ増幅器１６００として示されている。ＰＳＩＭ増幅器１６００は、特定の周波数、または特定の周波数範囲にわたってＲＦ電力を生成するＲＦ電力増幅器（またはインバータ）１６０２を含む。ＲＦ  ＰＡ１６０２は、電源（例えば、電圧 
ＶＤＣ および接地）および位相スイッチトＴＭＮ１６０４に結合されている。位相スイ
ッチトＴＭＮ１６０４は、負荷インピーダンスＺＬを有するＲＦ負荷１６０６に結合されている。位相スイッチトＴＭＮ１６０４はコントローラ１６０８に結合されている。コントローラ１６０８は、例えば、所望のインピーダンスを達成するためのスイッチング角度（例えば、α）に基づいて制御信号をＴＭＮのスイッチに供給することによって、ＴＭＮの動作を制御する。図１６には示されないが、ある実施形態では、コントローラ１６０８はＲＦ  ＰＡ１６０２に結合され、ＰＡの動作も制御する。位相スイッチトＴＭＮ１６０４は、負荷インピーダンスＺＬからＰＡ１６０２に呈するインピーダンスへの変換を適応的に制御する。例えば、位相スイッチトＴＭＮ１６０４は、ＰＡ１６０２に呈する負荷（例えば、ＺＴＭＮ）を調整することによってＰＡ１６０２の出力電力を制御し、および／または周波数および／または負荷インピーダンスの変動を補償して高い効率および所望の電力を負荷に供給することができる。
【０１４２】
[00160]  種々の実施形態において、ＰＡ１６０２は（１）スイッチング・インバータ
、（２）振幅変調線形ＰＡ、または（３）これらの組み合わせである（例えば、所望の出力に依存する）。例えば、図１７は、例示的なＰＳＩＭ増幅器１７００のブロック図を示す。ＰＳＩＭ増幅器１７００は、１つのスイッチ（例えば、ＦＥＴ１７０６）を含むスイッチングＰＡ１７０２（例えば、Ｅ、Ｆ、Φ、ＰＡ級等）を含む。他の実施形態では、線形ＰＡ（例えば、Ａ、Ｂ、ＡＢ、またはＣ級）またはＤＣ電力をＲＦ電力に変換するために１つよりも多いスイッチを使用する他のスイッチングＰＡ（例えば、Ｄ級、逆Ｄ級等）のような、他のタイプのＰＡを採用することもできる。
【０１４３】
[00161]  説明したように、位相スイッチトＴＮＭ（例えば、ＴＭＮ１６０４または１
７１０）を覗き込む(look into)ＰＡによって見られる実効負荷インピーダンスＺＴＭＮ
を調整することによって、ＰＳＩＭ増幅器（例えば、増幅器１６０２および１７０２）の動作電力範囲にわたって出力電力を制御する。加えて、ＰＳＩＭ増幅器の動作電力範囲は、更に、大きな出力電力バックオフのためにＰＡ駆動信号の振幅変調も採用することによって広げることができる。
【０１４４】
[00162]  また、ある実施形態では、電力増幅器の離散または連続ドレイン変調のよう
な、他の電力変調技法を採用することもできる。ＰＡのドレイン変調は、ＰＡのバイアス端子に印加されるバイアス電圧を調整する（例えば、切り替える）。例えば、１つのドレイン変調技法をあげると、複数の離散電圧レベルの間でバイアス電圧を切り替える、またはある電圧範囲にわたってバイアス電圧を連続的に調節することでもよい。
【０１４５】
[00163]  ＲＦ  ＰＡのインピーダンス変調および出力電力制御を実行することに加え
て、位相スイッチトＴＭＮ（例えば、ＴＭＮ１６０４または１７１０）は負荷インピーダンスＺＬの変動も補償することができる。例えば、位相スイッチトＴＭＮを採用して、動作周波数が変化するにつれて増幅器の負荷ネットワーク・インピーダンスの変動を補償することによって、つまりＺＶＳ動作を維持することによって、所与の出力電力レベルに対して可変負荷インピーダンスを所望のＲＦインバータ負荷インピーダンスＺＴＭＮに整合させるために、位相スイッチトＴＭＮを連続的にチューニングすることができる。このように、ＰＳＩＭ増幅器（例えば、ＰＳＩＭ増幅器１６００および１７００）は、広い周波
数範囲にわたって、ＲＦプラズマ負荷のような、広く変動する負荷インピーダンスにそれが配電する出力電力を動的に制御する。
【０１４６】
[00164]  したがって、ＰＳＩＭ増幅器（例えば、ＰＳＩＭ増幅器１６００および１７
００）は、（１）広い電力範囲にわたる出力電力の効率的な動的制御、（２）インピーダンスを整合し広い範囲に及ぶ負荷に電力を配電する能力、および（３）周波数アジャイル動作のための周波数範囲にわたる完全なゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作を可能にする。
【０１４７】
[00165]  図１６および図１７に示すＰＳＩＭ増幅器１６００および１７００のブロッ
ク図は、ＰＳＩＭ増幅器を、位相スイッチトＴＭＮ（例えば、位相スイッチトＴＭＮ１６０４および１７１０）とＲＦ  ＰＡ（例えば、ＲＦ  ＰＡ１６０２および１７０２）とのカスケード結合として示すが、他の実施形態では、ＰＳ−ＴＭＮをＲＦ  ＰＡの設計に統合する。その結果、このような統合ＰＳＩＭ増幅器を、２つ以上のスイッチを含むＲＦ増幅器と見なすことができ、第１スイッチ（またはスイッチのグループ）は主にＤＣ入力電力からＲＦ電力を生成する役割を担い、第２スイッチ（またはスイッチのグループ）は主に負荷ネットワークによってＲＦ増幅器に呈する実効インピーダンスを調整する役割を担う。殆どの実施形態では、第２スイッチ（またはスイッチのグループ）はＤＣ電力をＲＦ電力に変換しない（例えば、第２スイッチはＤＣからＲＦへのゼロ電力変換を提供する）が、ある実施形態では、第２スイッチがＤＣからＲＦにまたはＲＦからＤＣに電力を変換してもよい。
【０１４８】
[00166]  殆どの実施形態では、ＰＳＩＭ増幅器は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）
増幅器とすることができ、スイッチング・トランジスタは実質的にスイッチング・モードで動作し、ゼロ電圧スイッチングの下でオンおよびオフになり、高い効率を達成することを可能にする。他の実現例では、ＰＳＩＭ増幅器はその動作範囲の一部において（例えば、高出力電力を配電している間）スイッチング・モード動作（例えば、飽和動作）を行い、その範囲の他の部分では線形モード動作を利用するのでもよい。
【０１４９】
[00167]  例えば、図１８Ａは、ＰＳＩＭ増幅器１８００Ａの例示的なトポロジの模式
図を示す。図示のように、ＰＳＩＭ増幅器１８００Ａは、インダクタＬＦと直列に結合されたＤＣソース１８０２に結合されており、一方インダクタＬＦはトランジスタ１８０４およびキャパシタＣＦの並列結合に結合されている。インダクタＬＦ、キャパシタＣＦ、およびＦＥＴ１８０４は、一般に、ＤＣソースから、ネットワークの残りへのＲＦ出力電力を生成するように動作する。分岐抵抗Ｘ１がキャパシタＣＦとノードＮ２との間に結合されており、ノードＮ２はπ−ＴＭＮに結合されている。π−ＴＭＮは、第１位相スイッチト・リアクタンス（例えば、ＦＥＴ１８０６、分岐リアクタンスＸＳ２、および位相スイッチト可変リアクタンスＸＰ２）と第２位相スイッチト・リアクタンス（例えば、ＦＥＴ１８０８、分岐リアクタンスＸＳ３、および位相スイッチト可変リアクタンスＸＰ３）との間に結合されたリアクタンスＸ２を含む。分岐リアクタンスＸ１は、ノードＮ１におけるπ−ＴＭＮと負荷インピーダンスＺＬとの間に結合されている。分岐リアクタンスＸ１、Ｘ２、Ｘ３、ＸＳ２、ＸＳ３、ならびに位相スイッチト可変リアクタンスＸＰ２およびＸＰ３は、要求される設計の機能に依存して、種々の異なるリアクタンス・ネットワークとして実現することができる。
【０１５０】
[00168]  図１８Ｂは、図１８Ａに示したＰＳＩＭ増幅器トポロジの例示的な設計１８
００Ｂを示す。図１８Ｂに示すように、位相スイッチト可変リアクタンス（ＦＥＴスイッチ１８０６および１８０８と、位相スイッチト・キャパシタＣＰ２およびＣＰ３とを含む）は、図２および図３に関して説明したような、半波位相スイッチト・キャパシタ・ネットワークと共に実装されている。図１８Ｂに示すように、３つのスイッチ１８１４、１８
１６、および１８１８はＤＣにおいて相互に分離される（例えば、それぞれ、キャパシタＣＳ１、ＣＳ２、およびＣＳ３によって）。ＦＥＴスイッチ１８１４は、全てのＲＦ電力を生成する役割を担い、一方ＦＥＴスイッチ１８１６および１８１８は、負荷ＺＬによって回路のＤＣ−ＲＦ部分に呈するインピーダンスを変換および調整する役割を担う（例えば、ノードＮ２におけるスイッチ１８１４の出力ポートにおいて）。
【０１５１】
[00169]  図１８Ｃは、図１８Ａに示したＰＳＩＭ増幅器トポロジの例示的な設計１８
００Ｃを示す。ネットワーク１８００Ｃはネットワーク１８００Ｂと同様であるが、ネットワーク１８００Ｃでは、位相スイッチト・キャパシタ・ネットワーク（例えば、ＦＥＴ１８２６およびキャパシタＣＰ２ならびにＦＥＴ１８２８およびキャパシタＣＰ３）は、それぞれ、キャパシタＣＰ４およびＣＰ５と直列に接続されている。これによって、スイッチト・キャパシタ・ネットワークの実効リアクタンスの変動に対するＰＳＩＭ増幅器の感度を低下させる。
【０１５２】
[00170]  図１８Ｄは、図１８Ａに示したＰＳＩＭ増幅器トポロジの例示的な設計１８
００Ｄを示す。ここでは、ＦＥＴスイッチ１８３４および１８３６がＤＣ結合され（例えば、インダクタＬＳ１を介して）、したがって、潜在的に、ＦＥＴスイッチ１８３４および１８３６の一方または双方を、ＤＣ電力をＲＦ電力に、またはその逆に変換するために使用することができる。一方、ＦＥＴスイッチ１８３８はＤＣ分離され（例えば、容量ＣＳ２およびＣＳ３によって）、したがって負荷インピーダンスＺＬに対するインピーダンス整合のためにのみ使用される。
【０１５３】
[00171]  図１８Ｅは、図１８Ａに示したＰＳＩＭ増幅器トポロジの例示的な設計１８
００Ｅを示す。ここでは、３つのＦＥＴスイッチ１８４４、１８４６、および１８４８の全てがＤＣ結合され（例えば、インダクタＬＳ２を介して）、一方負荷だけがＤＣ分離されている（例えば、キャパシタＣＳ３によって）。つまり、このような実施形態では、３つのＦＥＴスイッチ１８４４、１８４６、および１８４６の全てを、潜在的に、ＤＣ電力とＲＦ電力との間で変換するために使用することができ、および／またはネットワークの負荷に対するインピーダンス整合の役割を担うことができるが、３つの全てが各機能を行うことは必要でない。
【０１５４】
[00172]  図１８Ｅに示すように、キャパシタＣＦおよびＦＥＴスイッチ１８４４のス
イッチト・キャパシタ・ネットワークは、キャパシタＣＰ２、インダクタＬ２、およびＦＥＴスイッチ１８４６の位相スイッチト・ネットワークと並列である。その結果、ある実施形態は、これら２つのネットワークを組み合わせて、ＦＥＴ１８４４および１８４６に関連する２つのスイッチト・リアクタンス・ネットワークの入力電流の合計と一致する入力電流を有する１つのスイッチト・リアクタンス・ネットワークにすることができる。つまり、ある実施形態では、図１８Ｅに示す３−スイッチＰＳＩＭを、図１９および図２０に示すような、２−スイッチＰＳＩＭとして実装することができる。
【０１５５】
[00173]  図１９を参照すると、２−スイッチＰＳＩＭ１９００の例示的なトポロジの
模式図が示されている。２−スイッチＰＳＩＭ１９００は、インダクタＬＦと直列に結合されたＲＦソース１９０２に結合されており、一方インダクタＬＦはＦＥＴ１９０４およびキャパシタＣＦの並列結合に結合されている。分岐リアクタンスＸ１が、キャパシタＣＦと、リアクタンスＸＳ２を含む位相スイッチト・リアクタンス・ネットワークとの間に結合されている。リアクタンスＸＳ２は、位相スイッチト・リアクタンスＸＰ２およびＦＥＴ１９０６の並列結合と直列に結合されている。分岐リアクタンスＸ２は、この位相スイッチト・リアクタンス・ネットワークと負荷インピーダンスＺＬとの間に結合されている。分岐リアクタンスＸ１、Ｘ２、およびＸＳ２、ならびに位相スイッチト可変リアクタンスＸＰ２は、要求される設計の機能に依存して、種々の異なるリアクタンス・ネットワ
ークとして実現することができる。スイッチＦＥＴ１９０４および１９０６の一方、またはスイッチ１９０４および１９０６の双方のいずれかを、ＤＣ電力およびＲＦ電力間で変換するために使用することができる。
【０１５６】
[00174]  図２０を参照すると、インダクタＬＳ１およびキャパシタＣＳ１として実装
された分岐リアクタンスＸ１を有する、２−スイッチＰＳＩＭ１９００の例示的な実現例が示されている。キャパシタＣＳ１は、ＦＥＴスイッチ２００４および２００６間でＤＣ分離を行う。つまり、ＦＥＴスイッチ２００４はＲＦ電力を生成し、ＦＥＴスイッチ２００６はソースに呈するインピーダンスを調整する。
【０１５７】
[00175]  図２１は、３−スイッチＰＳＩＭ増幅器２１００の例示的な実現例を示す。
ＰＳＩＭ増幅器２１００は、２０．８６ＭＨｚから２７．１２ＭＨｚまでの周波数範囲にわたって動作する（１．３倍の周波数）。更に、ＰＳＩＭ増幅器２１００は、±１０％のインピーダンス変動（抵抗性およびリアクティブ）がある５０ΩのインピーダンスＺＬを有する負荷に配電される出力電力の１０：１動的制御の能力を与える。
【０１５８】
[00176]  ＰＳＩＭ増幅器２１００は、ＲＦ  ＰＡ（インバータ）２１０２、π−ＴＭ
Ｎ２１０４、分岐フィルタ２１０６、および負荷インピーダンスＺＬを含む。ＲＦ  ＰＡ２１０２は、ＦＥＴスイッチ２１０８、インダクタＬＦ、ならびにキャパシタＣＦおよびＣＳ１とインダクタＬＳ１とによって形成された出力ネットワークを含む。図２１に示す実施形態では、ＲＦ  ＰＡ２１０２は、変更Ｅ級インバータであり、ＦＥＴスイッチ２１０８がＤＣ電力およびＲＦ電力間で変換を行う。π−ＴＭＮ２１０４は、第１位相スイッチト・キャパシタ（例えば、ＣＰ２およびＦＥＴ２１１０）と、第２位相スイッチト・キャパシタ（例えば、ＣＰ１およびＦＥＴ２１１２）とを含む。分岐フィルタ２１０６は、インダクタＬＳ３と、π−ＴＭＮ２１０４と負荷ＺＬとの間に結合されたキャパシタＣＳ３とを含む。
【０１５９】
[00177]  π−ＴＭＮ２１０４がインバータ負荷インピーダンスＺＴＭＮをＲＦ  ＰＡ
２１０２の動作周波数におけるほぼ抵抗性負荷として維持するとき、ＲＦ  ＰＡ２１０２は、異なる出力電力レベルにおいてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）および高効率を維持する。ＲＦ  ＰＡ２１０２は、ＺＴＭＮが５０Ωであるとき（例えば、負荷インピーダンスＺＬと一致する）、ピークＲＦ電力を生成する。ＲＦ  ＰＡ２１０２の電力バックオフの動的制御は、π−ＴＭＮ２１０４がＺＴＭＮを調整することによって遂行することができる。
【０１６０】
[00178]  ２０．８６ＭＨｚから２７．１２ＭＨｚまでの周波数範囲にわたる動作では
、図２１に示すＰＳＩＭ増幅器２１００の例示的な実施形態は、１１３ｎＨの値を有するインダクタＬＦ、１８０ｐＦの値を有するキャパシタＣＦ、１５．２ｐＦの値を有するキャパシタＣＳ１、３．８１μＨの値を有するインダクタＬＳ１、１５２ｐＦの物理値Ｃ０を有する位相スイッチト・キャパシタＣＰ２、３８１ｎＨの値を有するインダクタＬＳ２、０．０１μｐの値を有するキャパシタＣＳ２、１５２ｐＦの物理値Ｃ０を有する位相スイッチト・キャパシタＣＰ１、３．８１μＨの値を有するインダクタＬＳ３、および１５．２ｐＦの値を有するキャパシタＣＳ３を採用する。ある実施形態では、π−ＴＭＮ２１０４は半波スイッチト・キャパシタ・ネットワーク（例えば、キャパシタＣＰ２およびＦＥＴ２１１０、ならびにキャパシタＣＰ１およびＦＥＴ２１１２）を採用する。
【０１６１】
[00179]  キャパシタＣＳ２およびインダクタＬＳ２によって形成された直列リアクタ
ンス・ネットワーク分岐は、２０．８６ＭＨｚの周波数において５０Ωの誘導性インピーダンスを有し、更に２つのスイッチト・ネットワーク（例えば、キャパシタＣＰ２およびＦＥＴ２１１０、ならびにキャパシタＣＰ１およびＦＥＴ２１１２）をＤＣ分離する。キ
ャパシタＣＳ２およびインダクタＬＳ２のインピーダンスは、π−ＴＭＮ２１０４のＴＺＭＮを調整することができる抵抗範囲を設定する。キャパシタＣＳ３およびインダクタＬＳ３によって形成された直列共振ネットワークは、負荷電流ＩＬの追加のフィルタリングを行い、ＤＣ電流および高周波高調波成分が負荷ＺＬに結合されるのを防止する。π−ＴＭＮ２１０４は、ＦＥＴスイッチ２１１０および２１１２をしかるべく駆動することにより、例えば、ＦＥＴの導通角を調節することにより、ＲＦ  ＰＡ２１０２に呈するインピーダンスＺＴＭＮを調整することができる。ＲＦ  ＰＡ２１０２に呈するインピーダンスＺＴＭＮを調整することにより、π−ＴＭＮ２０１４は、ＲＦ  ＰＡ２１０２から負荷ＺＬに配電される出力電力を制御することができる。
【０１６２】
[00180]  図２２は、π−ＴＭＮ２１０４のＺＴＭＮを２０．８６ＭＨｚにおいて調節
することができる例示的なインピーダンス範囲（例えば、陰影領域２２０２）を示す。図２３は、π−ＴＭＮ２１０４のＺＴＭＮを２７．１２ＭＨｚにおいて調節することができる例示的なインピーダンス範囲（例えば、陰影領域２３０２）を示す。スミス・チャート２２００および２３００は、５０Ωに正規化されている。陰影領域２２０２および２３０２は、位相スイッチト・キャパシタＣＰ１を１：６のインピーダンス範囲にわたって変化させ（例えば、ＦＥＴ２１１２のスイッチング角度α１を約０度から１２５度にわたって変化させる）、更に位相スイッチト・キャパシタＣＰ１を１：１０のインピーダンス範囲にわたって変化させる（例えば、ＦＥＴ２１１０のスイッチング角度α２を約０度から１３５度にわたって変化させる）ことによって、π−ＴＭＮ２１０４が１０：１の範囲にわたって負荷インピーダンスＺＬを整合させることができることを示す。更に、ＲＦ  ＰＡ２１０２の動作周波数において負荷インピーダンスＺＬ（抵抗性およびリアクティブの双方）の±１０％の変動を考慮するために、ＺＴＭＮを調整することができる。
【０１６３】
[00181]  π−ＴＭＮ２１０４に対してＦＥＴ２１１２のスイッチング角度α１、およ
びＦＥＴ２１１０のスイッチング角度α２の正しい値を設定して所与のインピーダンスを達成するために、ＬＵＴ１０８は種々のインピーダンスに対応する所定のスイッチング角度（例えば、α１およびα２）を格納することもできる。例えば、表３は、５０Ω負荷インピーダンスＺＬに整合することができる、可能なインピーダンスＺＴＭＮと、対応するスイッチング角度（例えば、α１およびα２）の例示的なリストを示す。表３の値は、ＰＳＩＭ増幅器２１００のシミュレーションに基づいて決定することができ、１０ｍΩのオン状態抵抗と、０．４Ｖ順方向電圧降下を有するボディ・ダイオードとを有するＦＥＴ２１１０および２１１２をモデル化した。表３に羅列した出力電力は、ＰＳＩＭ増幅器に４８ＶＤＣ電源が供給されたときの、基本周波数以上において配電される電力を含む。
【０１６４】
【表３】
2020114011.tif 000013
【０１６５】
[00182]  説明したように、ＰＳＩＭ増幅器２１００は、広い範囲の出力電力、負荷イ
ンピーダンス、および動作周波数にわたって、全てのＦＥＴスイッチのゼロ電圧スイッチングを維持する。例えば、５８．６Ｗの出力電力を５０Ω負荷ＺＬに２０．８６ＭＨｚで、４８ＶＤＣの電圧源によって配電する例示的なＰＳＩＭ増幅器２１００では、ＴＭＮ２１０２はほぼ１：１のインピーダンス整合（例えば、ＺＬ＝ＺＴＭＮ＝５０Ω）を与えることを要求される。この動作条件の下で、ノードＮ１およびＮ２における要求実効分路容量は、それぞれ、ＣＰ１およびＣＰ２容量と等価であり、したがって、ＦＥＴスイッチ２１１０および２１１２は、サイクル全体の間オフとなり、ＦＥＴスイッチ２１１０および２１１２のドレイン電圧波形は正弦波状となる。
【０１６６】
[00183]  他の例として、３．５０Ｗの出力電力を５０Ω負荷ＺＬに２７．１２ＭＨｚ
で、４８ＶＤＣの電圧源によって配電する例示的なＰＳＩＭ増幅器２１００では、ＴＭＮ２１０２は、約５００ΩのインピーダンスＺＴＭＮを与えることを要求される（図３に示す通り）。この動作条件の下では、ノードＮ１およびＮ２における要求実効分路容量は、それぞれ、ＣＰ１およびＣＰ２容量よりも高く、したがって、ＦＥＴスイッチ２１１０および２１１２は、ＺＶＳを維持している間、サイクルの一定部分の間オンにされる。ＦＥＴスイッチ２１１０および２１１２のドレイン電圧波形の高周波高調波成分にも拘わらず、負荷ＺＬを流れる負荷電流ＩＬはほぼ正弦波状のままでいるはずである。このように、ＰＳＩＭ増幅器２１００は、広いスイッチング周波数にわたって可変負荷に整合しつつ、動的出力電力制御を行うことができる。
【０１６７】
[00184]  したがって、本明細書において説明したように、種々の実施形態は、位相ス
イッチト可変ネットワーク・リアクタンス素子に基づくチューニング可能整合ネットワークを提供する。本明細書では、これを位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワーク（ＰＳ−ＴＭＮ）と呼ぶ。このようなＰＳ−ＴＭＮは、高いバイアス電圧や電流を必要とせず、高電力レベルで効率的に動作しつつ、広いインピーダンス範囲にわたって素早く、高帯域幅の連続インピーダンス整合を可能にする。このようなＰＳ−ＴＭＮは、単独で採用することができ、または離散スイッチト・リアクタンス・バンクのような他の整合技法と組み合わせて採用することもできる。また、説明した実施形態は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）高周波（ＲＦ）増幅器も提供する。ここでは、これを位相スイッチト・インピーダンス変調（ＰＳＩＭ）増幅器と呼ぶ。このようなＰＳＩＭ増幅器は、広い周波数範囲にわたって出力電力を効率的に調整し、高可変負荷に整合させる（例えば、広いインピーダンス範囲に整合させる）ことによって、広い周波数範囲にわたって動作するためにＰＳ−ＴＭＮを採用することができる。
【０１６８】
[00185]  本明細書において「一実施形態」または「実施形態」と言う場合、その実施
形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性を、特許請求する主題の少なくとも１つの実施形態に含むことができることを意味する。明細書の種々の場所において「一実施形態において」という句が現れるとき、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らず、他の実施形態とは必ずしも互いに排他的な別の実施形態または代わりの実施形態であるとも限らない。これは「実現例」という用語にも当てはまる。
【０１６９】
[00186]  本願において使用する場合、「例証的な」(exemplary)および「例示的な」(illustrative)という単語は、本明細書では、例(example)、実例(instance)、または例示(illustration)として役割を果たすことを意味するために使用される。「例証的」または「例示的」であるとして本明細書において説明される形態や設計はいずれも、他の形態や設計に対して好ましいとも有利であるとも必ずしも解釈される訳ではない。逆に、「例証的な」および「例示的な」という単語の使用は、概念を具体的に提示することを意図している。
【０１７０】
[00187]  加えて、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく内包的な「
または」を意味することを意図している。即ち、別段指定されない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを採用する」は、自然な包含的置換(natural inclusive permutation)のいずれかを意味することを意図している。即ち、ＸはＡを採用する、ＸはＢを採用する、またはＸはＡおよびＢの双方を採用する場合、以上の実例のいずれの下においても、「ＸはＡまたはＢを採用する」が満たされる。加えて、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本願および添付する特許請求の範囲において使用される場合、別段していされない限り、または単数形を対象とすることが文脈から明らかでない限り、一般に「１つ以上」を意味すると解釈されてしかるべきである。
【０１７１】
[00188]  方向に関する用語が明細書および特許請求の範囲において使用される限りに
おいて（例えば、上方、下方、平行、垂直等）、これらの用語は、実施形態を説明するときに補助することを意図するに過ぎず、特許請求の範囲を限定することは全く意図していない。このような用語は、正確さ（例えば、正確に垂直または正確な平行等）を要求するのではなく、通常の許容度および範囲が適用されることを意図している。同様に、別段明示的に述べられていないのであれば、各数値および数値範囲は、「約」、「実質的に」、または「ほぼ」という単語がその値または値の範囲に先立つかのように、大凡であると解釈されてしかるべきである。
【０１７２】
[00189]  ある実施形態は、方法およびこれらの方法を実施するための装置という形態
で実現することもできる。更に、当業者には明白であろうが、回路素子の種々の機能も、ソフトウェア・プログラムにおける処理ブロックとして実現することができる。説明した実施形態は、磁気記録媒体、ハード・ドライブ、フロッピ・ディスケット、磁気テープ媒体、光記録媒体、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、ディジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）、ソリッド・ステート・メモリ、混成磁気およびソリッド・ステート・メモリ、または任意の他の機械読み取り可能な記憶媒体というような、有形媒体において具体化されたプログラム・コードという形態で実現することもできる。プログラム・コードがコンピュータのような機械にロードされこれによって実行されると、機械は、特許請求する発明を実施する装置となる。また、説明した実施形態は、プログラム・コードの形態で実現することもでき、例えば、記憶媒体に格納される、機械にロードされおよび／または実行される、あるいは電気配線(wiring or cabling)を介して、光ファイバを通って、または電磁放射線によってというように、何らかの伝送媒体または搬送波(carrier)を介して伝送されるのでもよい。プログラム・コードがコンピュータのような機械にロードされ実行されると、この機械は、特許請求する発明を実施する装置となる。処理デバイスに実装されると、プログラム・コード・セグメントがプロセッサと結合して、特定のロジック回路と同様に動作する一意のデバイスを提供する。このような処理デバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ：reduced instruction set computer）、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル・ロジック・アレイ（ＰＬＡ）、マイクロコントローラ、埋め込みコントローラ、マルチコア・プロセッサ、および／または以上のものの組み合わせを含むその他を含むことができる。また、説明した実施形態は、特許請求の範囲において記載される方法および／または装置を使用して生成され、媒体を介して電気的または光学的に伝送されるビットストリームあるいは他の信号値のシーケンス、磁気記録媒体等に格納される磁場変動という形態で実現することもできる。
【０１７３】
[00190]  また、この説明に限って、「結合する」、「結合している」、「結合された
」、「接続する」、「接続している」、または「接続された」という用語は、２つ以上の素子間でエネルギが伝送されることを可能にし、１つ以上の追加素子の介在が考えられるが必須ではない、当技術において知られている、または今後開発される任意の方法を指す。逆に、「直接結合された」、「直接接続された」等という用語は、このような追加エレメントの不在を含意する。信号および対応するノードまたはポートが同じ名称で呼ばれることもあり、本明細書では故意に相互交換可能にしている。
【０１７４】
[00191]  尚、本明細書において説明した方法のステップは、必ずしも説明した順序で
実行されなければならないのではなことは理解されてしかるべきであり、このような方法のステップの順序は、単に例示に過ぎないことは理解されてしかるべきである。同様に、このような方法に追加のステップを含ませることもでき、種々の実施形態による方法において、一定のステップを省略するまたは組み合わせることもできる。
【０１７５】
[00192]  更に、本明細書において説明し例示した詳細、材料、および部品の構成にお
ける種々の変更も、以下の請求項の範囲から逸脱することなく、当業者によって行うことができることも理解されよう。
【図１】
2020114011.tif 000014
【図２】
2020114011.tif 000015
【図３】
2020114011.tif 000016
【図４】
2020114011.tif 000017
【図５】
2020114011.tif 000018
【図６】
2020114011.tif 000019
【図７】
2020114011.tif 000020
【図８】
2020114011.tif 000021
【図９】
2020114011.tif 000022
【図１０Ａ】
2020114011.tif 000023
【図１０Ｂ】
2020114011.tif 000024
【図１０Ｃ】
2020114011.tif 000025
【図１０Ｄ】
2020114011.tif 000026
【図１１】
2020114011.tif 000027
【図１２】
2020114011.tif 000028
【図１３】
2020114011.tif 000029
【図１４】
2020114011.tif 000030
【図１５】
2020114011.tif 000031
【図１６】
2020114011.tif 000032
【図１７】
2020114011.tif 000033
【図１８Ａ】
2020114011.tif 000034
【図１８Ｂ】
2020114011.tif 000035
【図１８Ｃ】
2020114011.tif 000036
【図１８Ｄ】
2020114011.tif 000037
【図１８Ｅ】
2020114011.tif 000038
【図１９】
2020114011.tif 000039
【図２０】
2020114011.tif 000040
【図２１】
2020114011.tif 000041
【図２２】
2020114011.tif 000042
【図２３】
2020114011.tif 000043
【図２４】
2020114011.tif 000044
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月2日(2020.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ポートおよび出力ポートを有する高周波（ＲＦ）増幅システムであって、
前記ＲＦ増幅システムの入力ポートに結合された入力ポートを有し、更に出力ポートを有するＲＦ増幅器と、
前記ＲＦ増幅器の前記出力ポートと前記ＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークであって、該位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに供給される入力信号に応答して、前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスを調整するために、そのインピーダンスを変化させるように構成され、前記インピーダンスが、前記ＲＦ増幅器の前記出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係した周波数で調整される、位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークと、
を含む、高周波増幅システム。
【請求項２】
請求項１記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子を含み、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、それぞれの制御信号を受けるように構成され、前記供給されたそれぞれの制御信号に応答して、対応する所望のリアクタンス値を有する各位相スイッチト・リアクタンス素子が提供され、前記ＲＦ増幅システムが、更に、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々にそれぞれの制御信号を供給するように構成されたコントローラを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項３】
請求項２記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、
１つ以上のリアクタンス素子と、
少なくとも１つのスイッチと、
を含み、
前記１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つが、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えが行われるように構成され、
前記少なくとも１つの関連するスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係するスイッチング周波数と、前記それぞれの制御信号に基づくスイッチング位相とにおいて動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項４】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に１回オンおよびオフに切り替わるために、半波スイッチング構成で動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項５】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおける前記ＲＦ信号のサイクル毎に２回オンおよびオフに切り替わるために、全波スイッチング構成で動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項６】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、スイッチと並列なキャパシタを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項７】
請求項６記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々が、更に、前記スイッチと並列な前記キャパシタの組み合わせと直列なインダクタを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項８】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチが、前記少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するように動作可能である、ＲＦ増幅システム。
【請求項９】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記スイッチング周波数およびスイッチング位相が、所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するように選択される、ＲＦ増幅システム。
【請求項１０】
請求項９記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の内少なくとも１つが、
容量値を有する容量性素子であって、所望の周波数における前記位相スイッチト容量性素子の容量値が、前記位相スイッチト容量性素子の物理ＤＣ容量値と前記スイッチング位相とに関係する、容量性素子、および
インダクタンス値を有する誘導性素子であって、所望の周波数における前記位相スイッチト誘導性素子のインダクタンス値が、前記位相スイッチト誘導性素子の物理ＤＣインダクタンス値と前記スイッチング位相とに関係する、誘導性素子、
の一方である、ＲＦ増幅システム。
【請求項１１】
請求項１記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスを前記ＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるために、前記位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによって前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈するインピーダンスを動的に適応させ、前記ＲＦ増幅システムが、更に、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合されたＲＦ負荷を含み、前記ＲＦ負荷が、アンテナ、伝送線、およびプラズマ負荷の内少なくとも１つである、ＲＦ増幅システム。
【請求項１２】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅器が、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含むスイッチング・インバータを含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項１３】
請求項１０記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記ＲＦ増幅器が前記スイッチング・インバータの前記少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を維持するように、前記コントローラが前記ＲＦ増幅器の出力ポートに呈する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整する、ＲＦ増幅システム。
【請求項１４】
請求項３記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記１つ以上の位相スイッチト・リアクタンス素子の各々の少なくとも１つのスイッチを切り替えることによって、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって提供されるインピーダンス変換を調整する、ＲＦ増幅システム。
【請求項１５】
請求項１記載のＲＦ増幅システムであって、更に、
前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークに結合されたフィルタを含み、
前記フィルタが、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって生成され、前記ＲＦ増幅器の出力ポートおよび前記ＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つに呈する、高調波成分を低減するフィルタ特性を有し、
前記フィルタが、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークと、前記ＲＦ増幅器および前記ＲＦ増幅システムの出力ポートの内少なくとも１つとの間においてＤＣ信号を電気的に分離するように構成された１つ以上のフィルタ部品を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項１６】
請求項１記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、
直列経路リアクタンス素子の第１ノードに結合された第１分路位相スイッチト可変リアクタンス素子を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項１７】
請求項１６記載のＲＦ増幅システムにおいて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、更に、
前記直列経路リアクタンス素子の第２ノードに結合された第２分路位相スイッチト可変リアクタンス素子を含む、ＲＦ増幅システム。
【請求項１８】
高周波（ＲＦ）増幅システムの動作方法であって、
ＲＦ信号をＲＦ増幅器の入力ポートに供給するステップと、
前記ＲＦ増幅器によって前記ＲＦ信号を増幅し、前記増幅器の出力ポートにおいて増幅ＲＦ信号を供給するステップと、
前記ＲＦ増幅器に呈するインピーダンスを調整するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートと前記ＲＦ増幅システムの出力ポートとの間に結合された位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させるステップであって、前記インピーダンスが、前記ＲＦ増幅器の前記出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係した周波数で調整される、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを変化させるステップが、
前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによる制御信号を受けるステップと、
前記制御信号に応答して、所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークを提供するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に関係する周波数および位相で、少なくとも１つのリアクタンス素子を電気的に接続または切断して、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内および該ネットワーク外となるよう切り替えを行うステップと、
を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークが、１つ以上のリアクタンス素子と、少なくとも１つのスイッチとを含み、少なくとも１つのリアクタンス素子を電気的に接続または切断して前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内または該ネットワーク外となるようにするステップが、
前記１つ以上のリアクタンス素子の内少なくとも１つを、それに関連する少なくとも１つのスイッチによって切り替えて、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワーク内または該ネットワーク外となるようにするステップと、
前記それぞれの制御信号に基づいて、前記少なくとも１つの関連するスイッチをスイッチング周波数およびスイッチング位相で動作させるステップと、
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法であって、更に、
所望のリアクタンス値を有する前記位相スイッチト・リアクタンス素子を提供するために、前記ＲＦ増幅器の出力ポートにおけるＲＦ信号の周波数に基づいて、前記スイッチング周波数およびスイッチング位相を選択するステップを含む、方法。
【請求項２２】
請求項１８記載の方法であって、更に、
前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに結合された可変負荷インピーダンスを前記ＲＦ増幅器のインピーダンスに整合させるために、前記位相スイッチト・チューニング可能整合ネットワークによって、前記ＲＦ増幅器に呈するインピーダンスを動的に適応させるステップを含む、方法。
【請求項２３】
請求項１８記載の方法において、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークによって前記ＲＦ増幅器に呈する負荷インピーダンスを調整することにより、前記ＲＦ増幅システムの出力ポートに供給される前記増幅信号の電力レベルを制御する、方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の方法において、前記増幅器が、ＲＦ電力を生成するように構成された少なくとも１つのスイッチング素子を含むスイッチング・インバータを含み、前記方法が、更に、
前記ＲＦ増幅器に呈する前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークのインピーダンスを調整することによって、前記スイッチング・インバータの少なくとも１つのスイッチング素子のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を維持するステップを含む、方法。
【請求項２５】
請求項２０記載の方法であって、更に、
前記少なくとも１つのスイッチのゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングの内少なくとも１つを提供するために、前記位相スイッチト・チューニング可能インピーダンス・ネットワークの前記少なくとも１つのスイッチを切り替えるステップを含む、方法。
【外国語明細書】
2020114011000001.pdf