(57)【要約】電気発生器と非線形負荷との間の相互作用を安定化させるためのシステム、方法、および装置が記述される。一例示的実施形態は、発生器の出力に結合されるインピーダンス要素と、インピーダンス要素に結合される電源とを含む。電源は、通常、インピーダンス要素を介したエネルギー散逸のために生じるようなエネルギー損失を低減させるように、インピーダンス要素に、またはそれにわたって電力を印加する。多くの変形例では、電源は、安定化効果が規定された帯域幅の外において達成されるように、この帯域幅内において動作する。
2013515446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生器から非線形負荷に印加される電力を安定化させるためのシステムであって、
該発生器の出力に結合されるインピーダンス要素と、
第１のノードにおいて該インピーダンス要素に結合される電源であって、該電源は、該インピーダンス要素が該発生器の出力と該電源との間に配置されるように、該インピーダンス要素と直列に配列され、該インピーダンス要素と該電源とは、該発生器と並列である直列の組み合わせを生成し、該電源は、該発生器の出力における電圧と実質的に同じ電圧を該第１のノードに印加することにより、該インピーダンス要素の中において散逸される電力を低減させる、電源と
を備える、システム。
【請求項２】
制御構成要素を含み、該制御構成要素は、前記発生器の出力における電圧に応じて、前記電源が前記第１のノードに印加する前記電圧を制御する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記制御構成要素は、前記電源を制御して、１つの帯域幅内において前記第１のノードに電圧を印加することにより、前記インピーダンス要素は、該帯域幅の外において、前記発生器と前記非線形負荷との間の相互作用を安定化させることを支援する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記帯域幅は、１ｋＨｚよりも小さい、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記電源は、スイッチモード電源を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電源は、前記第１のノードに印加される前記電圧の位相、周波数、および振幅を変調するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記インピーダンス要素および前記電源は、前記発生器の筐体内に設置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
発生器と非線形負荷との間の相互作用を安定化させるための方法であって、
該発生器の出力と電源との間にインピーダンス要素を定置することであって、それにより、該電源と直列の該インピーダンス要素と並列の該発生器の電源インピーダンスが、非線形負荷インピーダンスと実質的に同じである、ことと、
該インピーダンスによって散逸される電力を低減させるように、電源出力を調節することと
を含む、方法。
【請求項９】
電力を印加することは、電圧を前記インピーダンスに印加することを含み、該電圧は、前記発生器によって出力される電圧と実質的に同じであることにより、該インピーダンスを通って流れる電流を低減させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記非線形負荷のインピーダンスの変化に応じて、電力の印加を制御することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記電力の印加を制御することは、ある周波数範囲にある周波数において生じる前記非線形負荷のインピーダンスの変化に応じる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記発生器の出力における電圧、または電流、またはそれらの組み合わせのうちの１つを監視することを含み、前記非線形負荷のインピーダンスの変化は、該監視することによって示される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記発生器は、無線周波数発生器である、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記非線形負荷は、プラズマを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
１つの帯域幅内において前記電源を制御することと、
前記非線形負荷のインピーダンスを測定することと、
該非線形負荷のインピーダンスに基づいて、前記出力電力の不安定性を防止するように前記発生器を制御することであって、そうしなければ、該不安定性が該電気発生器と該帯域幅内の該非線形負荷のインピーダンスとの間の相互作用に起因して生じる、ことと
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
発生器から非線形負荷に印加される電力を安定化させつつ、該発生器に結合されるインピーダンスによるエネルギー損失を低減させるための装置であって、
該発生器から該非線形負荷に印加される該電力の少なくとも１つの特性を感知するセンサと、
通常、該インピーダンスによるエネルギー散逸に起因して生じるようなエネルギー損失を、該電力の感知された特性に応じて低減させるエネルギー損失軽減構成要素と
を備える、装置。
【請求項１７】
前記電力の少なくとも１つの特性は、電圧を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記電力の少なくとも１つの特性は、電流を含む、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、電気発生器に関する。特に、限定としてではないが、本発明は、プラズマ処理チャンバと併用されるような発生器の電源インピーダンスを制御するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に多くの場合、増幅器の出力に接続される非線形負荷（プラズマ負荷等）のインピーダンスに対する電力増幅器の電力出力の感度は、システムに不安定性をもたらす。電力増幅器の電源インピーダンスを制御してシステム不安定性を低減させるための、一般的であるが排他的ではない方法は、非特許文献１に記述されるような、平衡増幅器構成を使用して電力を負荷に印加することである。
【０００３】
平衡増幅器構成において使用される個々の増幅器の電源インピーダンスが所望の出力インピーダンスに近接している場合、そのような平衡増幅器を使用することに対して実質的な不利益が払われないが、この場合、発生器電源インピーダンスを回復させるために、平衡増幅器構成を使用する必要はない。しかしながら、クラスＤおよびＥの増幅器等の多くの一般的な増幅器技術は、所望の出力インピーダンスと非常に異なる電源インピーダンスを有する。そのような場合、平衡増幅器の出力に接続される負荷からの反射電力の大部分が、平衡増幅器の出力ハイブリッドの終端抵抗器の中において散逸される。加えて、個々の増幅器は、負荷インピーダンス自体の偏りのために、それらが電力を送達するインピーダンスに大きな偏りを被る。このことは、２つの増幅器が、平衡増幅器構成に組み合わされると、公称負荷インピーダンス（一般的には、５０オーム）とは異なる負荷インピーダンスへの電力送達能力が、同一タイプの単一の増幅器の能力よりも一般的にそれほど優れているわけではないことを意味する。
【０００４】
産業用途において、増幅器の出力能力の２０％に等しい反射電力を受けることが一般的であって、これは、ハイブリッド結合器終端抵抗器および個々の増幅器の設計に負担をかけ、多くの場合、平衡増幅器の電圧−電流能力を制限する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋ．Ｋｕｒｏｋａｗａ、「Ｄｅｓｉｇｎ  ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｂａｌａｎｃｅｄ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」、Ｂｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｏｃｔ．１９６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、当技術分野において、非標準的な負荷インピーダンスへの良好な電力送達を保証するために、ダンプ抵抗内において電力を散逸させることなく、かつ単一増幅器構成と比較してほぼ二倍の電力能力を必要とすることなく、発生器の出力インピーダンスを所望の値に修正するための改良された方法および装置の必要性があることが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
図面に示される本発明の例示的実施形態が、以下に要約される。これらおよび他の実施形態は、発明を実施するための形態の項においてより完全に説明される。しかしながら、本発明の開示または発明を実施するための形態に説明される形態に本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。当業者は、請求項に明示される発明の精神および範囲内に該当する、多数の修正、均等物、および代替構造が存在することを認識し得る。
【０００８】
一実施形態において、本発明は、発生器から非線形負荷に印加される電力を安定化させるためのシステムとして特徴付けられてもよい。本実施形態におけるシステムは、発生器の出力に結合されるインピーダンス要素と、第１のノードにおいてインピーダンス要素に結合され、インピーダンス要素が、発生器の出力と電源との間に配置されるようにインピーダンス要素と直列に配設される電源とを含む。インピーダンス要素および電源は、発生器と並列である直列組み合わせを生成し、インピーダンス要素内において散逸される電力を低減させるように、電源発生器の出力における電圧と実質的に同じ電圧を第１のノードに印加する。
【０００９】
別の実施形態によると、本発明は、発生器と非線形負荷との間の相互作用を安定化させるための方法として、特徴付けられてもよい。方法は、電源と直列のインピーダンス要素と並列の発生器の電源インピーダンスが、非線形負荷インピーダンスと実質的に同じであるように、発生器の出力と電源との間に、インピーダンス要素を定置するステップと、インピーダンスによって散逸される電力を低減させるように電源出力を調節するステップとを含む。
【００１０】
これらおよび他の実施形態は、本明細書においてさらに詳細に説明される。
【００１１】
本発明の種々の目的および利点ならびにより完全なる理解は、以下の発明を実施するための形態および添付の請求項を参照し、付随の図面と関連して検討されることによって、明白となり、かつより容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明による、例示的システムの構成要素を図示する、ブロック図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、電圧源および電流源を含む、図１に図示される電源インピーダンス修正構成要素の例示的実施形態を図示する、ブロック図である。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは、図１に図示される増幅構成要素の実施形態を図示する。
【図４】図４は、図２Ａに図示される電圧源の例示的実施形態を図示する、略図である。
【図５】図５は、図２Ａのブロック図を使用して、５０オームの所望の電源インピーダンスに修正することができる、発生器電源インピーダンスの範囲を示す。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、発生器と非線形負荷との間の相互作用を安定化させるための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の種々の実施形態の理解は、電気発生器の出力電力における不安定性が、発生器と、それに接続される非線形負荷のインピーダンスとの間の相互作用の結果としてどのように生じるかについての分析によって支援される。図１は、例示的な本発明の実施形態を図示する一方、そのような分析を容易にするための非線形負荷１０５に接続される発生器１００についてのブロック図である。発生器１００は、制御入力１１２に応じて出力電力Ｐ１１５を非線形負荷１０５に送達する増幅構成要素１１０を含む。非線形負荷１０５は、次に、それぞれ抵抗ＲおよびリアクタンスＸである実数成分および虚数成分を含む負荷インピーダンスＺＬを表す。すなわち、ＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬである。
【００１４】
一実施形態において、発生器１００は、無線周波数（ＲＦ）発生器であって、非線形負荷１０５は、例えば、蒸着およびエッチング用途において使用することができるプラズマを含む。
【００１５】
本明細書でさらに論じられるように、増幅構成要素１１０は、種々のトポロジによって実現されてもよいが、任意の交流電流または無線周波数（ＲＦ）電力増幅器トポロジによって負荷１０５のインピーダンスＺＬが変化すると、発生器１００の出力電力がどのように挙動するかを予測する実効テブナン等価電源インピーダンスを関連付けることができる。非常に多くの場合、増幅構成要素１１０の出力に接続される非線形負荷１０５（例えば、プラズマ負荷）のインピーダンスＺＬに対する電力増幅器１１０の電力出力の感度は、システム不安定性をもたらす。しかしながら、電源インピーダンス（以下に説明される方法で定義されるように）が、非線形負荷１０５のインピーダンスＺＬと実質的に等しいとき、感度、ひいてはシステムの不安定性の確率が低減されることが分かっている。
【００１６】
負荷インピーダンスＺＬに作用する増幅構成要素１１０の実効電源インピーダンスは、発生器１００が、テブナン等価電源に置換されると、増幅構成要素１１０への制御入力１１２が固定して保持された状態において、負荷インピーダンスＺＬが、その公称値から若干変更されることに伴う、発生器１００の電力変化に一致するテブナン等価電源のテブナン等価インピーダンスとして定義されてもよい。
【００１７】
ＺＬの僅かな変化に対する増幅構成要素の出力電力Ｐの変化は、以下の式によって近似され、
【００１８】
【数１】
2013515446.tif 000003
式中、Ｐ０は、ＺＬへの（所与の固定制御入力による）増幅構成要素１１０の出力電力であり、
【００１９】
【化１】
2013515446.tif 000004
は、所与の固定制御入力において、ＺＬにおけるＺＬの実数部の変化に対する増幅構成要素１１０の出力電力の感度であり、
【００２０】
【化２】
2013515446.tif 000005
は、所与の固定制御入力において、ＺＬにおける負荷インピーダンスの虚数部に対する増幅構成要素１１０の出力の感度であり、ΔＲＬはＺＬの実数部の変化であり、ΔＸＬはＺＬの虚数部の変化である。当然ながら、ＺＬが変化することによるＰの合理的挙動を仮定して、この近似は、ΔＲＬおよびΔＸＬを小さくすることによって、所望のように精密に行うことができる。
【００２１】
テブナン等価電圧ｖｓおよびテブナン等価電源インピーダンスＺｓ＝Ｒｓ＋ｊＸｓを有するテブナン等価電源は、電力
【００２２】
【数２】
2013515446.tif 000006
を負荷ＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬに、電力
【００２３】
【数３】
2013515446.tif 000007
を負荷ＺＬ＋ΔＲＬ＝（ＲＬ＋ΔＲＬ）＋ｊＸＬに、および電力
【００２４】
【数４】
2013515446.tif 000008
を負荷ＺＬ＋ｊΔＸＬ＝ＲＬ＋ｊ（ＸＬ＋ΔＸＬ）に送達するであろう。
【００２５】
増幅器の挙動とテブナン等価電源を整合させるために、以下の式
【００２６】
【数５】
2013515446.tif 000009
が有効である。
【００２７】
Ｐ０、
【００２８】
【化３】
2013515446.tif 000010
、および
【００２９】
【化４】
2013515446.tif 000011
が与えられると、３つの式の組は、ｖｓ、Ｒｓ、およびＸｓについて解かれ、ＺＬの公称値からの僅かな変化および増幅器への所与の制御入力に対する増幅器の挙動と一致する所望のテブナン等価電源インピーダンスを求めることができる。
【００３０】
例えば、
【００３１】
【数６】
2013515446.tif 000012
によって、以下の結果
【００３２】
【数７】
2013515446.tif 000013
が得られる。
【００３３】
その結果、負荷１０５のインピーダンスＺＬが変動すると、増幅部分１１０の送達された電力の挙動を予測する等価テブナン電源インピーダンスを割り当てることができ、増幅部分１１０の多くの変動に対して、テブナン等価モデルは、広範囲の負荷インピーダンスにわたって送達された電力を正確に予測し、広範囲の制御入力にわたって比較的一定のままであることが分かっている。
【００３４】
図１に示されるように、インピーダンス部分１２５と、エネルギー損失軽減部分１３０とを含む電源インピーダンス修正構成要素１２０が図示されている。一般に、電源インピーダンス修正構成要素１２０は、発生器の電源インピーダンスを修正しつつ（発生器１００をインピーダンス修正構成要素１２０に接続するケーブルによる、インピーダンス変換を含んでもよい）、一般的に、発生器１００の電源インピーダンスが所望の電源インピーダンスから逸脱するときに生じるエネルギー散逸を低減させるように動作する。
【００３５】
これらの構成要素の例示される配設は、論理的であって、実際のハードウェア線図であることを意味しない。したがって、構成要素は、実際の実装において、組み合わされるか、またはさらに分離されることができる。例えば、電源インピーダンス修正構成要素１２０は、発生器の筐体内に実装されてもよく、いくつかの構成要素（例えば、制御論理構成要素）を発生器１００と共有してもよい。さらに他の実施形態において、電源インピーダンス修正構成要素１２０は、整合（ｍａｔｃｈ）１３５の筐体内に実装されてもよい。さらに、各個々の構成要素の構造は、本明細書に照らせば当業者に周知である。
【００３６】
一般に、インピーダンス部分１２５は、発生器１００およびインピーダンス１２５の組み合わされた電源インピーダンスが、所望のインピーダンス（例えば、整合１３５によって変換されるような負荷１０５のインピーダンス）またはそれに近くなるように、付加的なインピーダンスを発生器の電源インピーダンス１００に提供するように機能する。多くの実装において、所望の電源インピーダンスは５０オームであるが、これは、必ずしも必須ではなく、他の実装においては、所望の電源インピーダンスは、５０オーム以外のインピーダンスを含む。インピーダンス１２５は、発生器１００と並列の発生器１００と直列のインピーダンス要素（例えば、抵抗、インダクタンス、および／または容量構成要素）を含んでもよく、または、発生器１００と直列および並列の両方のインピーダンス要素を含んでもよい。また、いくつかの実装において、固定または可変長のケーブル、フィルタ、あるいはインピーダンス整合構成要素が、発生器１００と電源インピーダンス修正構成要素１２０との間に設置されてもよい。
【００３７】
エネルギー損失軽減構成要素１３０は、概して、通常生じるようなエネルギー損失（インピーダンス構成要素１２５を構成するインピーダンス要素のうちの１つ以上を通って流れる電流に起因する）を低減させるように機能する。いくつかの実施形態において、例えば、エネルギー損失軽減構成要素１３０は、インピーダンス構成要素１２５内のインピーダンス要素のうちの１つ以上に、またはそれにわたって電力を印加し、インピーダンス構成要素１２５によってエネルギー散逸を低減させる。
【００３８】
本明細書でさらに論じられるように、多くの実装において、エネルギー損失軽減構成要素１３０が、インピーダンス構成要素１２５に印加する電力は、大きさ、位相、および周波数のうちの１つ以上に関して変調され、インピーダンス構成要素１２５を経由してエネルギー散逸を改変（例えば、最小に）する。大きさ、位相、および周波数の３つ全体の変調は、エネルギー散逸を低減させるために最も有効であり得るが、エネルギー散逸は、インピーダンス構成要素１２５に印加される電力の大きさ、位相、および周波数のうちの１つまたは２つのみを変調させることによってもたらされてもよいが想定される。
【００３９】
本明細書でさらに論じられるように、エネルギー軽減構成要素１３０は、有限の出力インピーダンスを有する電圧源、電流源、または電源、あるいは代替として、所望の電源インピーダンスに対して、発生器１００電源インピーダンスに依存して関与する組み合わせによって、実現されてもよい。
【００４０】
いくつかの実装において、エネルギー損失軽減構成要素１３０によって印加される電力は、負荷に送達される電力の関数である計算に基づいて変調される。例えば、１ｋＷを５０オームに送達するとき、基準発振器と発生器出力電圧との間の位相シフトが、３０度の遅延であることが既知である場合、電圧源２３０は、３１６Ｖの振幅に設定され、また、基準発振器に対して３０度遅延されてもよい。他の場合には、電圧源２３０は、計算された電圧ではなく、測定された発生器出力電圧に整合するように命令されてもよい。
【００４１】
他の実装において、本明細書でさらに論じられるように、エネルギー損失軽減構成要素１３０は、発生器１００によって出力される電圧および／または電流ならびに／あるいはそれらの組み合わせが、インピーダンス部分１２５への電力の変調を制御するために使用されるように、フィードバックループを利用する。
【００４２】
いくつかの動作モードにおいて、エネルギー損失軽減部分１３０は、デフォルトで、インピーダンス構成要素１２５への電力を連続的に変化させず、負荷１０５のインピーダンス変化に関連してインピーダンス構成要素１２５に印加される電力を変化させるだけである。例えば、低周波数安定化のために、フィードバック制御システム（（図示せず）例えば、発生器の出力において結合される１つ以上の変換器から得られる電圧、電流、電力、反射係数等の１つ以上の属性を示すフィードバックを使用する）は、インピーダンス要素１２５内の電力散逸がある閾値を超える場合にのみ、エネルギー損失軽減構成要素の電力を調節するために利用されてもよい。いくつかの、一般的に低電力の用途において、エネルギー損失軽減構成要素は、完全に無効にされ、インピーダンス要素１２５による電力損失は、単に発生器１００によって受容および補償されてもよい。さらに他の用途において、エネルギー損失軽減要素は、低電力において、インピーダンス要素１２５を有効にして電源インピーダンスを修正するが、高電力においては、インピーダンス要素を無効にするスイッチの形態をとってもよい。
【００４３】
さらなる実施例として、エネルギー損失軽減構成要素１３０は、多くの実装では、規定された帯域幅内において動作することにより、規定された帯域幅の外においては、エネルギー損失軽減部分１３０が、インピーダンス構成要素１２５のインピーダンスに影響を及ぼさず（負荷１０５に関して）、その結果、電源インピーダンスが、実質的に、所望の電源インピーダンスに近いままであり、システム安定性が維持される。言い換えると、１つ以上の規定された帯域幅の外においては、所望の電源インピーダンスが見られる。
【００４４】
必要ではないが、いくつかの実施形態において、増幅構成要素１１０は、共同所有される米国出願第１１／７４０，７１０号「ＭＥＴＨＯＤＯ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＭＯＤＩＦＹＩＮＧ  ＩＮＴＥＲＡＣＴＩＯＮＳ  ＢＥＴＷＥＥＮ  ＡＮ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ  ＡＮＤ  Ａ  ＮＯＮＬＩＮＥＡＲ  ＬＯＡＤ」（参照することによって組み込まれる）に開示されるように、負荷１０５の測定されたインピーダンスのフィードバック（図示せず）に基づいて制御される。共同所有される米国出願第１１／７４０，７１０号に開示される方法は、低周波数安定化に対処するが、これらの実施形態において、電源インピーダンス修正１２０は、高周波数（エネルギー損失軽減要素１３０の制御帯域幅外）において、システムを安定化させ得ることが想定される。
【００４５】
次に、図２Ａおよび２Ｂを参照すると、図１に図示される電源インピーダンス修正構成要素１２０の例示的実施形態を図示するブロック図が示される。最初に図２Ａを参照すると、図１を参照して説明されるエネルギー損失軽減構成要素１３０は、電圧源２３０によって実現され、インピーダンス構成要素２２５は、発生器の出力ｖｏｕｔと（ノードｖａにおける）電圧源２３０との間に配置される。
【００４６】
インピーダンス構成要素２２５は、抵抗、インダクタンス、および／または容量要素を含んでもよく、いくつかの変形例では、インピーダンス構成要素は、発生器の電源インピーダンスの調節を有効にするために、可変インピーダンス要素であってもよい。しかしながら、多くの実装において、インピーダンス要素は固定され、発生器の電源インピーダンスは、発生器１００と電源インピーダンス修正２２０との間のケーブル長を改変することによって調節される。
【００４７】
示されるように、本実施形態において電源インピーダンス修正構成要素２２０は、インピーダンス構成要素２２５によって散逸されるエネルギーのレベルを低減させるために、電圧ｖａを制御するように構成される制御部分２４０を含む。より具体的には、電圧ｖａは、電圧ｖａをｖｏｕｔと実質的に同じにするために、電圧ｖｏｕｔのフィードバックに基づいて制御される。したがって、インピーダンス構成要素２２５を通って流れる電流を低減させ、その結果、インピーダンス構成要素を通って流れる電流の二乗に比例するエネルギー損失が、実質的に低減される。多くの実装において、電圧ｖａは、比較的にゆっくりと（例えば、１０Ｈｚ以内）調節される。
【００４８】
図示されないが、アナログ／デジタル変換器が、ｖｏｕｔをサンプリングし、制御部分２４０にｖｏｕｔのデジタル表現を提供するために使用されてもよく、それは、電圧源２３０を制御するために使用される構成要素の論理表現であり、実際のハードウェア概略図を意味するものではない。したがって、制御部分２４０は、実際の実装において、一体型構成要素に組み合わされるか、または分布構成要素によって実現されることができる。一実施形態において、例えば、制御部分２４０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）と、ＤＳＰによって処理されるｖｏｕｔのデジタル表現に基づいて、電圧源２３０の制御をもたらす命令を含むフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）とを含む。他の実施形態において、制御部分２４０は、ファームウェアまたはソフトウェアを実行するプロセッサを使用して実装される。一般に、制御部分２４０の機能性は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせにおいて実装することができる。
【００４９】
動作時、電圧源２３０は、一般的な動作条件下において（例えば、システムが安定しているとき）、インピーダンス構成要素２２５にわたる電圧が、本質的にゼロであるように制御され、インピーダンス構成要素２２５は、発生器の電源インピーダンスＺｓに影響を及ぼすことによって、負荷に印加される電力を安定化させることを支援するように機能し、したがって、発生器および電源インピーダンス修正２２０の組み合わせの電源インピーダンスは、所望のインピーダンスに比較的に近いか、または所望のインピーダンスとなる。
【００５０】
より具体的には、
【００５１】
【化５】
2013515446.tif 000014
の実数部として定義される電源インピーダンスＧｔｈｅｖのコンダクタンスが、
【００５２】
【化６】
2013515446.tif 000015
の実数部として定義される所望の電源コンダクタンスＧｄｅｓｉｒｅｄよりも小さい場合、図２Ａに図示される実施形態を使用して、電力増幅器の電源インピーダンスを所望の電源インピーダンスＺｄｅｓｉｒｅｄに回復させることができる。図２Ａに図示される実施形態において、電源インピーダンスは、インピーダンス構成要素のインピーダンスＺａが、次の
【００５３】
【数８】
2013515446.tif 000016
を満たす限り、所望のインピーダンスと実質的に等しいであろう。
【００５４】
また、ｖａ＝ｖｏｕｔである場合、電源インピーダンスは、電圧源２３０によって送達されるか、または負荷１０５の中において散逸される任意の実質的な正味電力を伴わずに、回復されることができる。図２Ａに図示される例示的実施形態において、制御部分２４０は、電圧ｖｏｕｔを示すフィードバックを受信し、ｖａがｖｏｕｔと実質的に等しくなるように、電圧源２３０を制御する。代替実施形態において、フィードバックループの代わりに、制御部分２４０は、負荷に送達される所与の電力に対してとるべきｖａを計算するように適応される。
【００５５】
多くの変形例では、ｖａをｖｏｕｔと等しく維持するループの帯域幅は、負荷１０５のインピーダンスの変化に対する増幅構成要素１１０の感度が不安定性の原因であるとき、所望の安定化を達成するために十分に小さくされる。一般的には、システム安定性が生じる周波数の範囲は、数ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度まで及ぶ。数１００Ｈｚの制御帯域幅の使用は、多くの観察されたシステム不安定性の安定化を可能にする。
【００５６】
図５を簡単に参照すると、例えば、図２Ａにおける実施形態が電源インピーダンスを５０Ωの所望のインピーダンスに回復させることが可能である、発生器のためのテブナン電源インピーダンスの範囲が示されている。図５に示されるように、１８０度ずつの反射係数の回転は、非許容領域内の任意の点を許容領域内の点まで移動させ、したがって、動作周波数において、発生器１００の出力と電気長における９０度以下の電源インピーダンス修正１２０との間の５０Ωケーブルは、図２Ａに図示される実施形態が電源インピーダンスを所望のインピーダンスに回復させるために利用され得るように発生器出力インピーダンスを回転させることに十分である。
【００５７】
インピーダンス構成要素２２５のインピーダンスＺａが、電源インピーダンスを所望のインピーダンスにしない場合、同軸ケーブル（あるいは、他の形態の伝送線またはフィルタ）の長さ、もしくは他の類似技法を使用して、電源インピーダンスと関連付けられた反射係数を回転させるか、または別様に、増幅器の電源インピーダンスを所望の値に変換することができる。反射係数の回転は、そのような変換が、一般的に、増幅器の電力送達能力を不変状態のままにするので、交流電源インピーダンスにとって有益なアプローチである。別の増幅器の電源インピーダンスと関連付けられた反射係数もまた、その電源インピーダンスがゼロに近くなり、電圧源２３０として使用し得るように、回転または修正することができる。増幅器およびインピーダンス変換回路の任意の残りの非ゼロ電源インピーダンスは、インピーダンスＺａに吸収され得る。
【００５８】
図２Ｂに図示される実施形態は、図１に図示されるインピーダンス修正構成要素１２０を実現する代替アプローチである。本実施形態は、テブナン等価電源インピーダンスの実数部が、所望の電源インピーダンスの実数部よりも小さいとき、電源インピーダンスを所望の電源インピーダンスに回復させるために利用されてもよい。示されるように、電流源３３０は、インピーダンス構成要素３２５と並列に配設され、概して、インピーダンス構成要素の中におけるエネルギー散逸を低減させる機能を果たす（例えば、１つ以上の選択された帯域幅において）。
【００５９】
より具体的には、例示的実施形態において、制御部分３４０は、（例えば、発生器１００の出力における電流変換器からの）電流ｉｏｕｔに関する情報（例えば、大きさ、位相、および／または周波数）の指標を受信し、ｉａ＝ｉｏｕｔとなるように電流源３３０を制御するために配置および構成される。また、前述のように、図１および２Ａに関連して、本実施形態における電源インピーダンス修正構成要素３２０は、一般的な動作条件下において、電流源３３０が、インピーダンス構成要素３２５内の電力損失が閾値を超えない限り電流を改変しないように、動作してもよい。代替として、電流源３３０は、ある帯域幅、一般的には、１０Ｈｚと数ｋＨｚとの間の帯域幅の中に制御されてもよい。
【００６０】
次に、図３Ａおよび３Ｂを参照すると、図１を参照して説明される増幅構成要素１１０を実現するために使用され得る、２つの例示的実施形態が示される。図３Ａを参照すると、単一の電力増幅器、例えば、単一のＲＦトランジスタ電力増幅器を含む増幅構成要素が示される。
【００６１】
図３Ｂは、平衡増幅器として構成される増幅構成要素である。図１、２Ａ、および２Ｂを参照して説明される実施形態は、図３Ｂに図示される増幅構成要素を組み込む一方、所望の電源インピーダンスから変動する負荷へと動作するとき、すべての電力を終端抵抗器Ｒ２の中に散逸させる必要なしに、平衡増幅器の望ましい特性を保持してもよい。例えば、５０Ω負荷に動作するように設計される一般的実施形態において、図１、２Ａ、および２Ｂを参照して説明される実施形態と関連して、図３Ｂに図示される増幅構成要素の使用は、平衡増幅器構成が、５０Ωから変動するインピーダンスを伴ってある負荷へと動作するとき、安定性を維持することを可能にし、終端抵抗器Ｒ２への電力の任意の散逸が低減（例えば、減少または排除）されるであろう。
【００６２】
さらなる代替実施形態において、図１を参照して説明される電力増幅構成要素１１０は、負荷のインピーダンスに関する情報を含むフィードバックによって動作するように設計される、前述の米国出願第１１／７４０，７１０号に開示される増幅器によって実現されてもよい。
【００６３】
次に、図４を参照すると、図２Ａを参照して説明された電圧源２３０を実現するために使用され得る電圧源の例示的実施形態を図示するブロック図が示されている。示されるように、本実施形態における電圧源は、ハーフブリッジ構成に配設される２つの切替構成要素Ｓ１、Ｓ２を含み、Ｖａｍｐｌｉｔｕｄｅノードに印加される電圧、および切替構成要素Ｓ１、Ｓ２に印加されるゲートドライブ信号Ｇ１、Ｇ２に応じて電圧ｖａを提供する。多くの実施形態において、切替構成要素Ｓ１、Ｓ２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって実現されるが、他の既存または将来的に開発される切替技術が使用されてもよいことが企図される。
【００６４】
動作時、電圧ｖｏｕｔは、（例えば、制御部分２４０によって）監視され、Ｖａｍｐｌｉｔｕｄｅノードに印加される電圧は、電圧ｖａの振幅がｖｏｕｔと実質的に同じであるように変調され、加えて、切替構成要素Ｓ１、Ｓ２に印加される信号は、電圧ｖａの位相および周波数が実質的にｖｏｕｔと整合されるように時間調整される。当業者は、本開示に照らせば、代替実施形態において、アナログ電圧源が代替として使用されてもよいことを理解するであろう。
【００６５】
次に、図６を参照すると、それは、発生器の電源インピーダンスを修正しつつ、エネルギー損失を低減させるための方法の流れ図である。示されるように、発生器の既存の出力インピーダンスと組み合わせて、発生器の電源インピーダンスを所望の電源インピーダンスまたはその近傍にする、付加されるインピーダンス（例えば、並列または直列）について決定し（ブロック６０５）、次いで、その付加的なインピーダンスは、組み合わせが所望の電源インピーダンスを有するように発生器の出力に追加される（ブロック６１０）。多くの実装において、ケーブルおよび適合のインピーダンスは、発生器の出力に追加されるべきインピーダンスを決定する目的に対して、発生器出力インピーダンスの一部と見なされ、そして、付加的インピーダンスが発生器の出力に追加され得、次いで、電源インピーダンスが、必要に応じて、ケーブルの長さを変更することによって調節（例えば、「微調節」）され得ることが企図される。
【００６６】
図６に示されるように、次いで、電力が、通常生じるようなエネルギー散逸を低減（例えば、減少または排除）させるために、インピーダンスに印加される（ブロック６１５）。例えば、電圧がインピーダンスに印加されるか、または電流が、散逸をゼロまたはその近傍に維持するインピーダンスにわたって（例えば、規定された帯域幅内において）かけられる。
【００６７】
結論として、本発明は、とりわけ、電気発生器と非線形負荷との間の相互作用を安定化させる一方、エネルギー損失を低減させるための方法および装置を提供する。当業者は、多数の変形例および代替が、本発明、その使用、およびその構成において生成され、本明細書に説明される実施形態によって達成されるものと実質的に同一の結果を達成し得ることを容易に認識し得る。故に、本発明を開示される例示的形態に限定する意図はない。多くの変形例、修正、および代替構造は、請求項に表されるように開示される発明の範囲および精神内である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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