(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理方法であって、
ａ）電位を有するｄｃ入力を供給するステップと、
ｂ）各々が無線周波数出力を有する複数の増幅器の間で該電位を分割するステップと、
ｃ）該複数の増幅器の各々に無線周波数駆動信号を供給するステップと、
ｄ）該無線周波数駆動信号の上に可変ｄｃレベルを重ねて、組み合わされた信号を形成するステップと、
ｅ）該複数の増幅器に該組み合わされた信号を供給するステップと、
ｆ）該ｄｃレベルを変えるステップと、
ｇ）該複数の増幅器の該無線周波数出力を互いに組み合わせて、少なくとも１つの高電力無線周波数出力を作り出すステップと、
ｈ）該高電力無線周波数出力の作用によりプラズマを作り出すステップと、
ｉ）該プラズマを用いて処理するステップと
を包含する、プラズマ処理方法。
【請求項２】
前記電位を分割する前記ステップが、前記複数の増幅器を直列ストリングに接続するステップと、該電位を該直列ストリングに印加するステップとを包含する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記複数の増幅器のうちの少なくとも１つについて低周波インピーダンスを確立し、該低周波インピーダンスを有する該複数の増幅器のうちの少なくとも１つと、該低周波インピーダンスを有する該複数の増幅器のうちの少なくとも１つとは異なる該複数の増幅器のうちの他のものとの間で、前記電位が分割されるステップをさらに包含する、請求項２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記電位が、前記複数の増幅器の間でほぼ等しく分割される、請求項２または３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記電位を分割する前記ステップが、少なくとも１つのバイアス電圧を作り出し、該バイアス電圧を前記複数の増幅器のうちの少なくとも１つに提供するステップをさらに包含する、請求項２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記電位が、前記複数の増幅器の間でほぼ等しく分割される、請求項５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】
前記複数の増幅器のうちの少なくとも１つが、スイッチモードタイプの増幅器を含む、請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】
前記増幅器出力が電流を含み、前記組み合わせるステップが、前記複数の増幅器のうちの少なくとも２つからの該電流を付加するステップを包含する、請求項１または５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記付加するステップが、共通電気点で、前記無線周波数電流を合計するステップを包含する、請求項８に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記組み合わせるステップが、段状の組み合わせのステップを包含する、請求項１または５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１１】
前記段状の組み合わせのステップが、
ｊ）前記複数の増幅器を複数の対に分割するステップであって、該複数の増幅器のそれぞれの前記無線周波数出力が実質的に同相の成分を有する、ステップと、
ｋ）該複数の対の該複数の増幅器の各々からの該無線周波数出力の該実質的に同相の成分を組み合わせて、合計された出力の第１の組を形成するステップであって、各出力が、実質的に同相の出力成分を有する、ステップと、
ｌ）該合計された出力の第１の組を少なくとも１つの対に分割するステップと、
ｍ）該合計された出力の第１の組の該実質的に同相の出力成分を組み合わせて、少なくとも１つの第２の合計された出力を形成するステップと
を包含する、請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１２】
前記ステップｌ）およびｍ）を繰り返すステップをさらに包含し、前記第２の合計された出力が、合計された出力の第１の組として考えられ、該ステップｌ）およびｍ）が、前記高電力無線周波数出力を達成するために繰り返される、請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１３】
前記繰り返すステップが、共通電気点の最後の対が接続されて最終の共通電気点になるまで続く、請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１４】
前記組み合わせるステップが、互いに結合されたインダクタの少なくとも１つの対に、前記無線周波数出力を通過させるステップを包含する、請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１５】
前記無線周波数駆動信号が、一定の振幅を有する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１６】
前記複数の増幅器がしきい値電圧を有し、前記無線周波数駆動信号が、該複数の増幅器の該しきい値電圧と比べて大きい、請求項１または１５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１７】
前記複数の増幅器の各々に無線周波数駆動信号を供給する前記ステップが、
ａ）基本周波数の入力信号を無線周波数増幅器に供給するステップと、
ｂ）電源電圧を電源供給ラインを介して該無線周波数増幅器に供給するステップと、
ｃ）該基本周波数で該電源供給ラインの共振アイソレーション（resonant isolation）を提供するステップと、
ｄ）高周波数で高インピーダンスを提供する素子を該電源供給ラインと直列に配置するステップと、
ｅ）該基本周波数以外の周波数で、該素子からのエネルギーを積極的に吸収するステップと
を包含する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１８】
ａ）電位を有するｄｃ入力を少なくとも１つの増幅器に供給するステップと、
ｂ）無線周波数駆動信号を該増幅器に供給するステップと、
ｃ）該無線周波数駆動信号の上に可変ｄｃレベルを重ねて、組み合わされた信号を形成するステップと、
ｄ）該増幅器に該組み合わされた信号を供給するステップと、
ｅ）該ｄｃレベルを変えるステップと、
ｆ）該増幅器に応答する高電力無線周波数出力を作り出すステップと、
ｇ）該高電力無線周波数出力の作用によりプラズマを作り出すステップと、
ｈ）該プラズマを用いて処理するステップと
を包含するプラズマ処理方法。
【請求項１９】
ａ）電位を有するｄｃ入力を少なくとも１つの無線周波数増幅器に供給するステップと、
ｂ）無線周波数駆動信号を該増幅器に供給するステップと、
ｃ）該無線周波数駆動信号の上に可変ｄｃレベルを重ねて、組み合わされた信号を形成するステップと、
ｄ）該増幅器に該組み合わされた信号を供給するステップと、
ｅ）該ｄｃレベルを変えるステップと、
ｆ）該増幅器を動作させるステップであって、
ｉ）出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータを提供するステップと、
ｉｉ）該装置から、増加された出力コンダクタを提供するステップとを包含するステップと、
ｇ）該増幅器に応答する高電力無線周波数出力を作り出すステップと、
ｈ）該高電力無線周波数出力の作用によりプラズマを作り出すステップと、
ｉ）該プラズマを用いて処理するステップと
を包含するプラズマ処理方法。
【請求項２０】
ａ）電位を有するｄｃ入力を少なくとも１つの無線周波数増幅器に供給するステップと、
ｂ）無線周波数駆動信号を該増幅器に供給するステップと、
ｃ）該無線周波数駆動信号の上に可変ｄｃレベルを重ねて、組み合わされた信号を形成するステップと、
ｄ）該増幅器に該組み合わされた信号を供給するステップと、
ｅ）該ｄｃレベルを変えるステップと、
ｆ）該増幅器を動作させるステップであって、出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータを提供するステップを包含するステップと、
ｇ）該増幅器に応答する高電力無線周波数出力を作り出すステップと、
ｈ）該高電力無線周波数出力の作用によりプラズマを作り出すステップと、
ｉ）該プラズマを用いて処理するステップと
を包含するプラズマ処理方法。
【請求項２１】
ａ）電位を有するｄｃ入力を少なくとも１つの無線周波数増幅器に供給するステップと、
ｂ）無線周波数駆動信号を該増幅器に供給するステップと、
ｃ）該無線周波数駆動信号の上に可変ｄｃレベルを重ねて、組み合わされた信号を形成するステップと、
ｄ）該増幅器に該組み合わされた信号を供給するステップと、
ｅ）該ｄｃレベルを変えるステップと、
ｆ）該増幅器を動作させるステップであって、
ｉ）出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータを提供するステップと、
ｉｉ）該装置の連続動作を該装置の該定格出力電力の８０パーセントである電力レベルに制限するステップとを包含するステップと、
ｇ）該増幅器に応答する高電力無線周波数出力を作り出すステップと、
ｈ）該高電力無線周波数出力の作用によりプラズマを作り出すステップと、
ｉ）該プラズマを用いて処理するステップと
を包含するプラズマ処理方法。
【請求項２２】
ａ）ｄｃ電位を有する電力源と、
ｂ）無線周波数駆動信号を供給する少なくとも１つの駆動装置と、
ｃ）可変ｄｃレベル回路と、
ｄ）該無線周波数駆動信号と該可変ｄｃレベル回路とに応答する組み合わせ回路であって、組み合わされた信号を形成する組み合わせ回路と、
ｅ）該無線周波数駆動信号に応答する複数の電力増幅器であって、該複数の増幅器の各々に該電位未満の電位が付与されるように接続されている複数の電力増幅器と、
ｆ）少なくとも１つの出力を有する該複数の増幅器の少なくとも２つに応答する組み合わせ回路と、
ｇ）該出力に接続される少なくとも１つの電磁結合素子と、
ｈ）該電磁結合素子に接続される少なくとも１つのプラズマ素子と
を含む、プラズマ処理システム。
【請求項２３】
前記複数の電力増幅器が、直列ストリングに接続され、前記ｄｃ電位が、該直列ストリングにわたって付与される、請求項２２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２４】
前記複数の増幅器が、前記電位を該複数の増幅器の間で分割させる低周波インピーダンスを有する、請求項２３に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２５】
前記電位が、前記複数の増幅器の間でほぼ等しく分割される、請求項２３または２４に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２６】
前記複数の電力増幅器の間での前記ｄｃ電位の分割を制御するバイアス電圧供給源をさらに含む、請求項２３に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２７】
前記電位が、前記複数の増幅器の間でほぼ等しく分割される、請求項２６に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２８】
前記複数の増幅器のうちの少なくとも１つが、スイッチモードタイプの増幅器を含む請求項２２または２３に記載のプラズマ処理システム。
【請求項２９】
前記複数の増幅器の各々が、電流を含む出力を有し、前記組み合わせ回路が、該複数の増幅器のうちの少なくとも２つからの該電流を付加するように構成される電気ネットワークを含む、請求項２２または２６に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３０】
前記複数の増幅器の各々が出力を有し、前記組み合わせ回路が、該複数の増幅器の該出力の各々と、共通電気点との間に接続される少なくとも１つの直列電気素子を含む、請求項２９に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３１】
前記直列電気素子が、インダクタ、コンデンサ、または抵抗器を含む、請求項３０に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３２】
前記組み合わせ回路が、少なくとも１つの段状のコンバイナを含む、請求項２２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３３】
前記複数の増幅器が、各々が無線周波数出力を有する少なくとも４つの増幅器を含み、該出力が位相を有し、該複数の増幅器が対にされ、前記段状のコンバイナが、
ａ）該複数の増幅器の各対の間の複数の一次接続であって、該複数の増幅器からの該無線周波数出力の実質的に同相の成分を組み合わせて、位相を有する出力を生成する役割を果たす複数の一次接続と、
ｂ）該複数の一次接続のうちの少なくとも２つからの該出力の実質的に同相の成分に応答し、該実質的に同相の成分を組み合わせる役割を果たす少なくとも１つの二次接続と
を含む、請求項３２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３４】
前記無線周波数駆動信号が、一定の振幅を有する、請求項２２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３５】
前記複数の電力増幅器が、しきい値電圧を有し、前記無線周波数駆動信号が、該複数の電力増幅器の該しきい値電圧と比べて大きい、請求項２２または３４に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３６】
ａ．前記複数の電力増幅器の電源供給ラインに電圧を供給する電源と、
ｂ．前記基本周波数で該電源供給ラインのアイソレーションを提供する共振アイソレーション回路と、
ｃ．該電源供給ラインと直列の直列素子であって、高周波数で高インピーダンスを提供する直列素子と、
ｄ．該基本周波数以外の周波数で、該素子からのエネルギーを積極的に吸収する少なくとも１つの損失構成要素と
をさらに含む、請求項２２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３７】
ａ）ｄｃ電位を有する電力源と、
ｂ）無線周波数駆動信号を供給する少なくとも１つの駆動装置と、
ｃ）可変ｄｃレベル回路と、
ｄ）該無線周波数駆動信号と該可変ｄｃレベル回路とに応答する組み合わせ回路であって、組み合わされた信号を形成する組み合わせ回路と、
ｅ）該無線周波数駆動信号に応答する少なくとも１つの電力増幅器と、
ｆ）該増幅器に応答する少なくとも１つのプラズマ素子と
を含む、プラズマ処理システム。
【請求項３８】
ａ）ｄｃ電位を有する電力源と、
ｂ）無線周波数駆動信号を供給する少なくとも１つの駆動装置と、
ｃ）可変ｄｃレベル回路と、
ｄ）該無線周波数駆動信号と該可変ｄｃレベル回路とに応答する組み合わせ回路であって、組み合わされた信号を形成する組み合わせ回路と、
ｅ）該無線周波数駆動信号に応答する少なくとも１つの電力増幅器であって、
ｉ）出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータと、
ｉｉ）該装置の出力にわたって付加される増加された出力キャパシタンスであって、該ジェネレータに設計されるためにその他の場合に必要とされる出力コンダクタを越える出力コンダクタとを含む少なくとも１つの電力増幅器と、
ｆ）該増幅器に応答する少なくとも１つのプラズマ素子と
を含む、プラズマ処理システム。
【請求項３９】
ａ）ｄｃ電位を有する電力源と、
ｂ）無線周波数駆動信号を供給する少なくとも１つの駆動装置と、
ｃ）可変ｄｃレベル回路と、
ｄ）該無線周波数駆動信号と該可変ｄｃレベル回路とに応答する組み合わせ回路であって、組み合わされた信号を形成する組み合わせ回路と、
ｅ）該無線周波数駆動信号に応答する少なくとも１つの電力増幅器であって、出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータを含む少なくとも１つの電力増幅器と、
ｆ）該増幅器に応答する少なくとも１つのプラズマ素子と
を含む、プラズマ処理システム。
【請求項４０】
ａ）ｄｃ電位を有する電力源と、
ｂ）無線周波数駆動信号を供給する少なくとも１つの駆動装置と、
ｃ）可変ｄｃレベル回路と、
ｄ）該無線周波数駆動信号と該可変ｄｃレベル回路とに応答する組み合わせ回路であって、組み合わされた信号を形成する組み合わせ回路と、
ｅ）該無線周波数駆動信号に応答する少なくとも１つの電力増幅器であって、
ｉ）出力半導体装置を有し、定格出力電力を公称上の設計負荷に送達するジェネレータと、
ｉｉ）該装置の連続動作を該装置の該定格出力電力の８０パーセントである電力レベルに制限する電力制限器とを含む少なくとも１つの電力増幅器と、
ｆ）該増幅器に応答する少なくとも１つのプラズマ素子と
を含む、プラズマ処理システム。
【発明の詳細な説明】
Ｉ．技術分野
本発明は、概して、直流電位等の電力を受け取り、そしてその電力を無線周波（radio frequency）、つまり高電力出力に変換する無線周波ジェネレータに関する。より詳細には、特定のタイプの構成要素または特定の設計から通常生成される電力と比較した場合に、とりわけ高いと考えられる電力を生成するようなジェネレータに関する。本発明はまた、これらのより高い電力ジェネレータ、システムに特徴的な素子、または独自のプロセス等の、さまざまな補助的な特徴を含み得る向上したシステムおよびプロセス（プラズマ処理システム等）を含み得る。
定義：
ほぼ等しい：  本明細書の文脈において、電圧、電流、インピーダンス、または他の数量は、特定のアプリケーションまたは特定の設計もしくは含まれる構成要素の文脈において、それらの間の差が重要でなく、そしてそれ自体では、この文脈においては、所望の最終結果が意図した目的にとって効果的でなかったりまたは適切でなくなるような大きく異なる影響を引き起こさない場合、ほぼ等しい。
バイアシング：  回路に信号を供給して、低周波インピーダンスについての動作点を設定する。この信号は、さまざまな特性（property）を含み得、少なくとも直流電圧または直流電流、もしくは任意の周波数の交流電圧または電流を含む。
バイアス電圧：  バイアス信号が電圧を構成する場合に、バイアス信号に与えられる名前。
バス電力：  電力増幅回路に提供される電力であって、電力増幅回路によって無線周波電力に変換される。
バス電圧：  バス電力回路によって提供される電圧。
コンバイナ：  結合を行う素子。
結合：  電力増幅器等の複数の装置の信号を一緒に利用して、１以上のより高い電力信号を発生する。結合は、変換活動（transformer action）によって、電流を１つまたはそれ以上の共通のノードに単に合計することによって、または任意の他の適切な機構によって行われ得る。合計加算（adding）、結合、加算（summing）または合計算出（totaling）等の使用を含む。（但し、これらに限定されない。）
結合回路：  電力増幅器または他の結合回路等からの、結合を引き起こす任意の素子または素子の集合。
共通の電気点（Electrical Point）：  他の位置またはノードから電流または電力を受け取る電気回路内のノードまたは位置の集合等の電気的位置。共通の電気点は、１つまたはそれ以上のコンバイナまたは他の回路素子を介して活動して結合を行い得る。
電位の分割：  任意の機構によって、電位を複数の素子間で共有させる。共有は、各素子がその電位と交差して実質的に同じ電位を加えられるように均一であるか、または不均一であり得る。電源の文脈において、この概念は、各負荷がその電位と交差して合計電源電位よりも低い電位を加えられるように回路が構成されることを含む。
電磁結合素子：  無線周波電力をプラズマに結合するのに使用されるプラズマシステムの１つの素子。
低周波インピーダンスの設定：  任意の利用可能な機構を介して、回路または構成要素の集合についての低周波インピーダンスを生成することであり、構成要素の選択、構成要素の値の変更、または活性素子のバイアシングを含むがこれらに限定されない。
無線周波：  通常の接続素子のインダクタンスおよびキャパシタンスが重要になるような十分に高い電気的変更速度。これは、300kHz〜500MHzという広い限界値の間の少なくとも任意の周波数を含み得、かつ、産業、科学、および医学の分野のために設計された装置によって使用するためにFCCによって割り当てられたISM周波数、または特に6.78MHz、13.56MHz、27.12MHzまたは40.68MHzの周波数に焦点を当て得る。
無線周波駆動信号：  無線周波で交番し、トランジスタの制御素子またはスイッチ素子に印加され、トランジスタのコンダクタンスを変更するか、またはスイッチ素子を「オン」状態から「オフ」状態に移行させる信号。
高電力：  低電圧信号位相電力線からは、大き過ぎて得られない電力レベル；１つの状況では、約１００ワットを越えるすべての電力が「高い」と見なされ、数キロワットの範囲、またはさらに特定的には１から１０ｋＷの範囲に集中し得る。
電位の印加：  この状況では、物体にわたって電位が現れるように回路を配置すること。即ち、物体は、印加電位にかけられる。これは、電位への直接的な接続または電流を物体に流して電位を形成するなどの間接的な方法を少なくとも含む様々な方法で行われ得る。
位相内成分：  開始交番および終了交番の瞬間の差が、交番周期と比較して小さい場合に、２つの信号は同位相であると言われる。同位相でない２つの信号は、同位相である部分および４分の１周期シフトした交番を有する部分に数学的に分解される；前者は「同位相成分」と呼ばれる。
低周波数インピーダンス：無線周波精度未満の周波数で測定した、物体にわたる電圧と物体を流れる電流との比
位相：  ａ）特定の基準点から測定した、経過した交流信号の完全なサイクルの部分；角度として表現されることが多い、またはｂ）多相供給システムにおける多数の電力リードの１つ。
直流ストリング：  各素子からの実質的に大半の電流が互いに通過するようになされた複数の素子間の接続。
単一位相電力：  間に交流電圧が存在する供給電線および戻り電線などの２つの電線を用いる電力分配システム。単一位相電力システムは、低電力が必要とされる家庭および事務所の環境で頻繁に用いられ、少なくとも３つの電線を有し、高電力の産業環境で頻繁に用いられる多重位相電力システムと対比され得る。
スイッチモード：  主要電力素子が、優勢的に、「オン」状態（素子にわたる電圧が「オフ」状態の電圧と比べて小さい）かまたは「オフ」状態（素子を流れる電流が「オン」状態の電流と比べて小さい）であり、同時の実質的な電圧および電流の状態が過渡的である回路。
段状結合器：  段状結合を行う素子。
段状結合：  電力増幅器などの第１のグループ分けの装置の出力を第１のグループ（レベル１と名付けられ得る）として共に用い、第１のグループの出力を第２のグループ（レベル２）に組合せ、１つまたはそれ以上の最終出力が形成されるまで（必要および所望に応じて）これを続ける。グループ分けは、３つずつ、４つずつ、または他の任意のグループ分けでもよいが、通常は対である。例えば、８つの増幅器出力は、レベル１で、４つのノードに対で組合せられ得、４つのノードは、レベル２で、２つのノードに対で組み合わせられ、これらの最後の２つは、第３のレベルで、単一の出力に対で組み合わされる。この例では、レベル２の出力は、段状結合の概念を妨害せずに、二重の独立出力として分割されたままでもよい。
ＩＩ．背景
初期の頃ジアテルミー装置において使用されていたことを除いて、元々、高電力無線周波ジェネレータは、主として、無線周波送信器用のエネルギー源として用いられていた。今日、約１００ｋＨｚから約５００ＭＨＺの周波数で動作する無線周波ジェネレータは、プラズマ処理用、ならびにレーザ、高周波照射および誘電加熱またはシーリング器具、および電子、イオン加速器における加速電位を提供するためのエネルギー源として広範囲に用いられている。
これらの目的のための実質的にすべての無線周波数ジェネレータは、直流（dc）電力、または安定な電圧を無線周波数電力に変換する素子を使用する。この素子は、歴史的な理由のために、より低い周波数において「インバータ」または「コンバータ」と呼ばれるが、より高い周波数において電力増幅器またはPAとしばしば称される。ここで使用されるように、用語「増幅器」は、入力信号のより高い電力レブリカを生成する意味において文字どおりの「増幅器」とはいいがたいスイッチモード「増幅器」などの回路を含むがこれに限定されない。このような回路のいくつかは単に、直流入力電力を伝搬する直流電位が印可される電力リード線；入力または駆動信号が印可される入力端末；および出力電力が生じる出力端末を有し得る。電力リード線はまた、そのようなリード線からの電力が増幅器によって変換される限り、最も厳密な意味において非直流電力を伝搬する。
これらの使用の大半において、ジェネレータによって生成される無線周波数電力の量を制御することが必要とされる。この制御を提供するために、測定素子がジェネレータの出力を測定するために使用され、この素子の出力が所望の値と比較され、そして出力電力を制御する制御素子が所望の値を達成するために出力電力を増加または低減させるよう信号化される。
無線周波数ジェネレーション装置の設計者は、電力を制御するために使用される制御素子の設計において２つのアプローチを採用してきた；通常、装置の所定の部分のいずれにおいてもひとつだけが使用される。第１のアプローチは、ジェネレータ中の電力増幅器（PA）への入力または「駆動」信号を制御する。この場合、PAへの直流電力（「バス」電力と呼ばれることがある）は、一定に保持される。第２のアプローチにおいて、PAへの駆動信号は、一定に保持され、そしてバス電力の電圧（「バス電圧」）は、所望の出力電力を生成するために必要に応じて変化される。無線周波数の設計のためのこのようなアプローチは、低周波数設計においてしばしば利用できるアプローチと異なると考えられ得る。なぜなら、低周波数設計が、ふつうの接続素子のリード線インダクタンスなどを通常含む必要がないという利点を有することがよくあるからである。実際に、この局面の結果、相違、すなわち、低周波数設計の技術が無線周波数の分野においてうまくいかないことがよくあることを設計者が認識することとなった。一例として、増幅器などをフローティング（floating）するなどの概念は、寄生素子が達成された実際の効果を大幅に変更し得るので、無線周波数の分野では避けられることが考えられ得る。
無線周波数の分野において、一般に前者のアプローチ（駆動信号を変化させる）の方が、実施の費用がかからない、なぜなら、PAバスのための可変電圧直流電力供給を提供することが可変駆動信号を提供することよりも費用がかかるためである。無線周波数に適切なトランジスタの大半は、非常に高い電圧に耐えれ得なく、しかし、そしてこれが最大バス電圧を限定する。米国または日本において低電力レベル（数十ワット）で使用されるジェネレータは、バス電圧を、しかしより高い電力レベルで提供するため120または100ボルト主電源を直接に整流することが可能であり、または、欧州の使用のためには、より高い主電圧のために設計しなければならない。米国工業および欧州の主電圧の直接的な整流化は、それぞれ300および570ボルトの公称直流バス電圧を生成し、そして一般の条件下において、これらの値は、10〜15％だけ越えられ得る。トランジスタにかかる無線周波数は、回路構成に依存する量だけ実際の直流供給電圧を越える；多くの一般の回路において、トランジスタにかかるピークRF電圧は、直流供給電位の３倍より大きくあり得る。最後に、トランジスタにかかるように生じる総電圧にさらに付加する過渡現象が、いくつかのアプリケーションにおいて起こる。これらの効果のすべては、代表的な無線周波数トランジスタが耐えるには大きすぎるピーク電圧レベルを生成するように付加する。
トランジスタに関連したこれらの問題に加えて、一般に使用される「プッシュプル」回路において、代表的にフェライトコアを含む変成器が利用され、そしてこれらのコアにおける損失は、高い直流供給電位で管理できなくなり得る。
結果として、整流前に電圧を降圧し、トランジスタ上においてより低く安全なピーク電圧を可能にするために、通常は変圧器が電力線内に設けられる。高電力回路におけるこれらの変圧器は重くかさ張る。本明細書において高電力回路とは約１００ワットを越えるものと定義する。第２のアプローチであるスイッチモードＤＣ電力コンバータが必要となるのは、主として変圧器のかさおよび重量のためである。直接整流された電力本線から動作し、適切に降圧された電圧を生成するようなスイッチモードＤＣ電力コンバータを作成し得、そのような電力コンバータは小型かつ軽量にされ得る。このような電力コンバータはその複雑さのため通常は高価であり、このことは欠点となる。しかし、スイッチモードＤＣ電力コンバータは本来的にその出力を可変するための回路を含んでいるため、いったん設計者がそのような高価な要素を導入することを選択すれば、第２の電力制御アプローチは追加的なコストが少なくあるいは全く無しに実現可能になる。第２の電力制御アプローチは、最初に説明した固定電圧法に見られる別の問題は解決する。すなわち、固定電源の場合、トランジスタデバイスにおける電力散逸は、ある種の不整合な負荷において過剰となり得るという問題である。この理由のため、開回路電圧あるいは短絡電流を制限してトランジスタデバイスを損傷から保護するために、通常固定電圧設計に対しては制御回路が追加され得る。第２の電力制御アプローチにおいては、トランジスタデバイスを保護するように電源電圧を低下し得るため、トランジスタデバイスにおける電力散逸は不整合な負荷において減少される。このことの効果として、可変電源を備えたジェネレータ側において、固定電圧電源で可能なよりもより大きな開回路電圧あるいは短絡電流を送達する能力が得られる（それぞれが同数のトランジスタかつ同じ電力散逸評点として）。この追加的な能力は、プラズマの点火は無線周波ジェネレータからしばしばかなりの開回路電圧を必要とすることから、プラズマ電力化アプリケーションなどにおいては重要たり得る。
このように、現在まで、このような高電力無線周波ジェネレータ器の設計者は、多くの場合において、線変圧器の導入による大型および重量という結果を受け入れるか、高価なスイッチモード電力コンバータを導入するかというジレンマに直面していた。このジレンマは、機器の出力を制御する必要性に関わらず存在し得る。このジレンマはまた、Petersonらの論文「30-V MMIC Power Amplifier with Novel Bias Circuitry」Vol.2, No.10, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digestに示されるような様々なシステムの議論にも関わらず、存在していた。
本発明は、このジレンマを回避すると考えられ得る。本発明は、直接整流された電力本線の高電圧を、２つ以上の電力増幅器間で共有させる回路構成を作成するための一法を呈示するものである。これは、かさ高くかつ重い電力変圧器や、その代わりとしての高価な電圧降下スイッチモード電力コンバータを完全に排除することを可能にし得る。低周波電源においてこれは基本的に単純な概念として考えられ、用いられ得る。しかしこの概念の驚くべき点は、単純な回路構成で無線周波にも適用し得ることである。上述のジレンマが存在し、何年にもわたる無線周波電力ジェネレータの開発にも関わらず、本発明が発見されずにきたことは、その非自明性の証左である。実際、多くの現在市販されている製品が、本発明の教示に従うことにより、大きくコストを削減し得る。
この点をより明らかにすると、高電力無線周波ジェネレータは、各々が総合出力電力の一部を生成する数個の電力増幅器からなることが通常であった。これは、最近まで、約３００ワットを大きく越える電力を発生することが可能な半導体トランジスタは実際的には利用可能ではなく、また既存のものを利用するためには特別な回路を必要とし得ることがその理由である。従って、数百ワット以上を発生するそのようなジェネレータは、数個の電力増幅器を用いてその出力を加算あるいは組み合わせて用いることにより、要求される総合電力を得ていた。今日製造されている全ての市販のジェネレータにおいて、これらの増幅器は通常、変圧器またはスイッチモードＤＣ電力コンバータによって作製される単一の低電圧ＤＣ電源によって電力供給されている。これらのユニットの中の数種においては、本明細書に記載された本発明に基づいて増幅器の電力リード線を単に接続し直すことにより、変圧器を完全に排除することが可能であったろうし、その結果、ユニットのサイズおよび重量を大きく低下させ、重要なことには、製造コストを低下させたであろう。多くが１０年以上にわたって現在の形で市場に存在してきたこれらの設計において、これがなされなかった事実は、当業者は今までこの問題の解決策の可能性を理解し得なかったことを示しており、本発明の非自明性のさらなる証左である。
ＩＩＩ．発明の開示
本発明の目的の１つは、プラズマジェネレータのための高コスト効率、高信頼性でシンプルな設計を提供することである。
本発明の別の目的は、製造上および商業的な利点を有する設計を提供することである。この目的を達成するための目標の１つは、ＤＣ電源から無線周波電力増幅器またはインバータへの電力変換部品を不要にする設計を提供することである。
シンプルでコスト効率の良い無線周波ジェネレータの設計を提供することも本発明の大きな目的の１つである。この目的を達成するための目標の１つは、発電回路の部品の複雑性およびその数を低減し、低コストな高周波トランジスタを利用しながら且つ高電力無線周波出力を提供し得る設計を提供することである。
本発明の別の目的は、従来のジェネレータよりも小型且つ軽量であり得る高電力無線周波ジェネレータの設計を提供することである。当然、これは、このようなジェネレータの用途範囲を広げ得る。
本発明のもう１つの目的は、従来のジェネレータよりも信頼性の高い高電力無線周波ジェネレータの設計を提供することである。本発明は、電力部品（power component）の数およびその複雑性を低減することによって、また、重要な半導体素子にかかる電圧応力を低減することによってこの目的を達成する。
本発明のまた別の目的は、従来技術を用いて得ることが可能であったものと比べて、安定で、より高速な出力電力に対する制御を達成し得る高電力無線周波ジェネレータの設計を提供することである。
増幅器の設計中心ではない負荷インピーダンスに、従来の設計よりも散逸またはエネルギー損失が少ないより安定した性能を提供することも本発明の目的である。さらに、これらの準最適負荷インピーダンスにより多くの電力を提供する技術が開示される。これは、これまで述べられているように、プラズマ電力供給用途において着火を達成するのに重要であり得る。
本発明のまた別の目的は、複数の同調回路を用いる従来の設計と比べて、より簡単でより正確な同調を可能にする、単一の調節可能な同調回路に高電力を送達することができる可変周波数高電力無線周波ジェネレータの設計を提供することである。
従って、本発明は、比較的低電圧の電力増幅器に電力供給する際に直接整流された主電源（directly rectified mains power）を用いて、これにより、嵩高で重い線条変圧器（line transformer）および代替的な高コストのスイッチモード電力変換器の両方を不要にする新規な設計を提供する。ある実施形態において、本発明は、整流された主電圧（「バス」電力）が複数のＰＡユニット間に分割されるように回路を配置することによって、これを達成し得る。本発明は、ＰＡユニットに駆動力（drive）を提供する方法であって、シンプルなだけでなく、従来の駆動技術よりも大きい出力電力を各ＰＡユニットに提供する方法をも開示する。本発明は、スプリアス振動（spurious oscillations）に対してＰＡを安定化させる特性を伴ってＰＡユニットに電力接続（power connections）を提供する方法をも開示する。本発明は、複数の増幅器からの複数の出力信号を組み合わせて、合算または加算するシンプルな方法をも開示し、また、組み合わせられたアレイの同調がシンプル且つ容易になるように単一の出力同調回路を駆動し得るような複数の増幅器の配置を開示する。最後に、固定電圧電源によって操作される無線周波ジェネレータからのより高い開回路電圧および短絡電流を可能にする方法が示される。
【図面の簡単な説明】
図１ａおよび図１ｂは、従来技術の通常の構成による無線周波高電力ジェネレータのブロック図である。図１ａは変圧器／整流器入力回路を示し、図１ｂはスイッチモードコンバータ入力を示す。
図２は、本発明による１つの構成の詳細回路図であり、結果的に、供給電圧を共有化し、ＰＡユニットを駆動し、および電力接続を安定化させる、２つのＰＡユニットと回路詳細部とを示している。
図３は、従来技術におけるスイッチモードＰＡユニットへの電力接続の一形態を示す。
図４は、電力増幅器を駆動するのに用いられ得る波形を示す。図４ａは従来技術に関する駆動波形を示し、図４ｂは本発明について開示されるいくつかの駆動波形を示す。
図５は、本発明に組み込まれ得る典型的なＰＡユニットの回路図である。
図６は、直列／並列供給電圧アレンジメントの８つのＰＡユニットを示す。２つのＰＡユニット群には、それぞれ、電源電圧の半分が印可されている。
図７は、８つのＰＡユニットを直列／並列供給電圧アレンジメントに接続する別の方法を示す。各ＰＡユニットには、電源電圧の４分の１が印可されており、その出力は段階的組合わせ（tiered combining）を用いて組み合わされている。
図８は、ＰＡ出力を段階的に組合わせるもう１つの一般的な方法を示す。
図８ｂは、１対のＰＡ出力のためのコンバイナユニット（combiner unit）の一実施形態を示す。
図９は、星形構成の抵抗器を用いた別の安定化方法を示す。
図１０は、組み合わされて１つの同調可能共振回路にされた複数のＰＡユニットを用いた回路を図示している。
図１１は、ジェネレータのトランジスタデバイスにおける合計デバイス散逸の関数としての、無線周波ジェネレータから不整合負荷への利用可能な順方向電力のグラフである。
Ｖ．発明を実施するための最良の形態
上述したように、本発明は、無線周波数高出力信号の発生用の改良された回路および回路構成を提示する。これは、従来技術との比較により最も容易に見られ得る。従来技術において、入力される主電源電圧は、電力増幅装置のより低い電圧能力と適合可能になる電圧に低下される。上述したように、このことは、いくつかの方法で達成され得る。そのうちの２つを図１に示す。
図１ａは、従来技術の共通基本構成を示す。入力される電源１（主電源など）は、変圧器２により、より低い交流電圧３に変圧される。このより低い電圧３は、ＡＣ−ＤＣ変換器４により直流バス電圧５に変換される。このバス電圧５は、並列接続により、複数の電力増幅器（ＰＡ）７に供給される。すなわち、複数のＰＡユニット７の各々に同一のバス電圧５が供給される。当然のことながら、単一のＰＡユニットしかない場合もあり得るが、より高い電力が必要である場合は、一般的には、図１ａに示すように、複数のＰＡユニットが供給され、結合器８を用いて個々の無線周波数出力を結合させることにより、必要なより高い電力を出力９において発生させる。プラズマ処理の当業者であれば理解するように、このような適用においては、この出力９はその後、インダクタ設計またはカソード／アノード設計などの何らかの素子を介して電磁的に結合され、チャンバなどの何らかのプラズマ素子においてプラズマを発生させる。ここでも、これらの素子の各々は文献に示され、周知であり、特定の適用に合わせるために大幅に変更され得る。
あるいは、図１ｂを参照すると、入力電源１（主電源など）からの電力がＡＣ−ＤＣ変換器１０によって直流電圧１１に変換され、その後、複数のＰＡユニット７による使用のためのＤＣ−ＤＣ変換器１２によって、制御されたより低いバス電圧５に変圧される。ここでも、当業者が認識するように、単一のＰＡユニットのみが利用されることが可能であるが、より高い電力が必要である場合には、複数のＰＡユニット７を提供することが一般的である。複数のＰＡユニット７の出力は、図１ｂに示すようにコンバイナ８によって結合されて、出力９で必要とされる電力を発生させる。
図１ａおよび図１ｂには示していないのは、出力電力を制御する手段である。当業者であれば知るように、これは、図１ａの構成において、図示しない手段による無線周波数ドライバ６の制御を介して、ＰＡユニットへの駆動信号を制御することにより行われ得る。図１ｂの構成においては、制御は通常、図示しない手段によるＤＣ−ＤＣ変換器１２の制御を介してバス電圧５を調整することにより行われる。しかし、前者の場合のように、出力電力の制御は、無線周波数ドライバ６の制御によっても行われ得る。
アプローチにかかわらず、従来技術の基本的コンセプトは、主電力の直接整流により得られ得る公称電圧よりも低いことがあり得るＰＡユニット用電源電圧を発生させることである。当業者であれば認識するように、このことは、無線周波数に適したほとんどのトランジスタが、電源電圧が電線の直接整流により得られる際に起こるピーク電圧に耐え得ないために、必要である。米国または日本の低電力レベルにおいて用いるためのジェネレータにおいては、約１４０〜１６５ボルトのバス電圧を提供するために１００〜１２０ボルトの主電力を直接整流することが可能であるが、より高い電力レベルにおいて、または欧州での使用のためには、より高い主電圧用の設計をしなければならない。米国の工業用主電圧および欧州の主電圧を直接整流することは、それぞれ、公称３００および５７１ボルトの直流バス電圧を発生させる。これらの値は、「ハイライン」条件においては１０〜１５％下回る。さらに、トランジスタの無線周波数信号は、実際の直流電源電圧を越え得るが、越える量は回路構成に依存する。多くの共通回路において、トランジスタのピークＲＦ電圧は、直流電源電位の３倍を越えることがあり得る。最後に、いくつかの適用では過渡が起こり、このことがトランジスタに現れる総電圧にさらに加わる。これらの要因のすべてが、公称直流バス電圧が約２００ボルトよりも高い場合には、典型的な無線周波数トランジスタが耐えられないほど大きいことがあり得るピーク電圧レベルを生成する。従って、米国の工業用主電圧または欧州の主電圧を用いる際に、従来技術のコンセプトは、変圧器またはＤＣ−ＤＣ変換器で電源バス電圧を、約２８ボルト〜約２００ボルトの範囲のレベルまで低下させることである。
本発明は、非減少（unreduced）バス電圧が複数のＰＡユニット間で共有されるように、ＰＡユニットを直列に配置することにより電源バス電圧を減少するという要件を防ぐ。２つのＰＡユニットの最小値ケースとして、本発明の教示に従ってなされる１つの方法が図２に示される。ＰＡユニット１３は、正極性バス端子１５に接続される正電極リード１４、およびＰＡユニット１８の正電極リード１７に接続される負電極リード１６を有する。ＰＡユニット１８の負電極リード１９は、並列レジスタ−コンデンサ回路５０を介して、負極性バス端子２０に接続される。よって、バスリード１５および２０により形成される電源から見ると、ＰＡユニット１３はＰＡユニット１８と直列であり、ＰＡユニット１３および１８のそれぞれを個々に渡る電圧は、バスリード１５から２０間の電源電圧よりも低く、かつ総計が近くなければならない。図２では半導体デバイス用の電界効果トランジスタ記号を用いているが、本発明の教示は他のタイプの半導体または他のデバイス（１つの例としてバイポラトランジスタを含む）にも等しく適切に適用されることが注目されるべきである。
ＰＡユニット１３および１８が電源を渡って直列であるため、それぞれを通る電源電流はおおよそ同じでなければならない。図２におけるこの電流は、インダクタ２６、共振回路２７中のインダクタ、インダクタ２８、トランジスタ２５、インダクタ２９、共振回路３０中のインダクタ、インダクタ３１およびトランジスタ３２を連続して通過する。所望であれば、２つのＰＡユニットを渡る電源電圧もまたほぼ同じであることを保証するために、レジスタ２２および２３から形成される抵抗ディバイダ２１がバスリード１５および２０を渡って接続され得る。この抵抗ディバイダは電源電圧を均等に、または不均等に分割し得るが、２つのＰＡユニットの対称回路（例えば図２の回路）において、２つのレジスタ２２および２３は等しくあり得、正電極リード１５から負電極リード２０の電圧間のおよそ中間点で、ノード２４において電圧を発生する。ノード２４において分割された電圧は、絶縁素子（ここではレジスタ３３として示される）および変圧器３４の二次コイルを介してトランジスタ２５の制御リードに適用される。絶縁素子の選択は、増幅器の要件および操作モードに依存して変化し得る。制御電圧３７は、レジスタ３５および変圧器３６の二次コイルを介したトランジスタ３２の制御リードに適用される。トランジスタ３２の作動を介したこの制御電圧は、トランジスタ３２における電流を設定し、そしてこの電流は、上記のようにインダクタ２６、共振回路２７中のインダクタ、インダクタ２８、トランジスタ２５、インダクタ２９、共振回路３０中のインダクタ、およびインダクタ３１を介して、連続して流れる。電圧ディバイダ２１により確立され、トランジスタ２５の制御リードに適用される電圧は、トランジスタ作動を介してソースリードにおける電圧（ＰＡユニット１３のリード１６における電圧）を設定する。
よってインダクタ２６、共振回路２７中のインダクタ、インダクタ２８、トランジスタ２５、インダクタ２９、共振回路３０中のインダクタ、インダクタ３１、およびトランジスタ３２により形成される直列路内を流れる安定した電流は、トランジスタ３２上で作動する制御電圧３７の大きさにより確立される。そして独立的に、２つのＰＡユニット１３および１８の中間点における電圧（ゆえにＰＡユニット１８を渡る電圧）は、電圧ディバイダ２１およびトランジスタ２５の作動により確立される。典型的に、図２では、レジスタ２２および２３は等しくされ得、そしてこの場合ＰＡユニット１３および１８を渡る電圧はおよそ同じであり、かつ端子１５から２０間の総供給電圧の２分の１に等しくあり得る。別個のフィードバック回路が、それぞれのデバイスを渡る電圧を均等化するために提供され得る一方で、本発明の配置はＰＡデバイスそれら自体を、等しい分割を達成するための負極性フィードバックとして独特に用いる。等しい分割は、ＰＡユニット上に最低電圧ストレスを生み、これは分割が不均等な場合に２つのＰＡユニットの内１つがこれを渡る総供給電圧の２分の１よりも大きくなり得るためである。回路ノード１９から２０間のより低いＰＡと直列にあるレジスタおよびコンデンサの並列組み合せ５０の追加は、低い電圧を提供し、この電圧は制御電圧３７により提供されるバイアスから引かれる。これは、上記電源電流のトランジスタ３２の正確な特性への依存性をより低くし、かつ電源電流を複数の対のＰＡユニットを備える回路内のＰＡユニットからＰＡユニットまでより均一にするために役立つ。図２に示されるように２つのユニットのみが接続される場合、この均一性はあまり重要ではなく、回路５０が共に分配され得る。
ＰＡユニット１３および１８のそれぞれは、入力端子３８において提供される入力信号を増幅するように配置される。これらＰＡユニットの出力は、ノード３９および４０のそれぞれにおいて独立的に用いられ得るか、もしくは図２に示されるように加え合わされ得る。図２において２つの出力は、２つの出力をコンデンサ４１、４２、４３および４４を介してＲＦ出力端子４５に並列に接続することにより加えられる。
これまでに示されたものを要約するために、図２は、２つのＰＡユニットを示す。２つのＰＡユニットの電力リード線は直列に接続され、それによって、個々のＰＡユニットに印加される全電圧が減少し、２つのＰＡユニットの入力および出力は並列に接続され、それによって、電力が、出力において加算されることが可能となる。図２の回路は、２つのＰＡユニットの各々にかかる電圧が、ほぼ同じで、供給電圧の約半分に等しくなるように制御するために構成される。当業者には、この電圧分割を達成できる他の可能な回路構成および接続が存在することが理解されるだろう。ここでは、図２が、好適な実施形態を示すことを意図したものであって、本発明のこの基本的な目的を達成するための全ての可能な方法を示すものではないことが理解されるべきであり、実際に、そのような他の実施形態の幾つかが、本願の後の方に示される。
２つ以上のＰＡユニット間でバス電圧を分割する概念に加えて、本願は、バス電力を任意のＰＡユニットに接続するための新規の方法も開示する。これは、図２および図３を比較することによってわかり、後者は、本明細書中に参考として援用される米国特許第5、187、580号（「High Power Switch-mode Radio Frequency Amplifier Method and Apparatus」）の教示による、スイッチモードＰＡユニットに対する従来技術の電力接続の一形態を示す。図３では、スイッチモード駆動素子５１により、トランジスタ５２が、オン（トランジスタ５２にかかる電圧が非常に少ない高導電性）またはオフ（トランジスタ５２を通る電流が非常に少ない非導電性）のどちらかになる。そのような駆動回路を備えたＰＡ設計はスイッチモードと呼ばれ、その理由は、トランジスタ５２が、可変のコンダクタンスに対してスイッチのように作用するからである。このような設計は、トランジスタ５２のどちらの状態においても散逸される電力が非常に少ないことから非常に効率的であるので普及している。しかし、このことは、トランジスタ５２のドレイン端子における波形が、非正弦であることを意味する。そのために、フィルタ５４が、トランジスタ５２のドレイン波形の高調波分を除去し、それによって、トランジスタ５２のドレイン波形の高調波分が出力５５に到達することを防止するために使用される。回路に電力を供給するために、無線周波数チョーク５３が使用される。ほぼ全ての無線周波数電圧がチョーク５３にかかり、基本的に、全電源電流がチョーク５３を通過するので、チョーク５３は、低抵抗、および典型的には数マイクロヘンリーの大きなインダクタンスを有するべきである。物理的に小さなインダクタにおいて、そのようなインダクタンスを得るためには、一般的にフェライトコアを使用し、特に、実質的な無線周波数誘導を支持しなければならない場合（図３の回路の状況）に、実質的な損失がこれらのコアにおいて維持され得る。例えば、トランジスタ５２のドレインリード線での波形が、２００ボルトの振幅および１３．５７ＭＨｚの周波数を持ち、チョーク５３が、２．５マイクロヘンリーの値を持つ場合（全て妥当な値である）には、チョーク５３に流れ込む無線周波数電流（低損失のためには、この電流は、ほぼゼロであるべきである）は、１アンペア近くある。さらに、回路に電力を供給するための数アンペアの直流もまた、同じインダクタに流入しなければならず、これによって、損失が加算される。
図２の回路では、供給電力の供給点が、インダクタ２８とコンデンサ４６との接合部（上部ＰＡユニットに関しては回路ノード３９であり、同様に、下部ＰＡユニットに関しては回路ノード４０である）に移動されている。フィルタが、上部ＰＡに関しては、インダクタ２８およびコンデンサ４６によって形成され、下部ＰＡに関しては、インダクタ３１およびコンデンサ４７によって形成されるので、トランジスタ波形の高調波分の除去が引き起こされ、電圧が、ノード３９および４０において事実上正弦である。供給リード線と直列であり、該ノードに取付けられた並列共振回路２７および３０は、基本周波数に高インピーダンスを与える（これは、図３のチョーク５３の目的と同じであるが、実質的により小さなインダクタンス値で行う）。実際的な状況では、回路２７および３０のインダクタ値は、図３のチョーク５３に関して必要とされるものより少なくとも１０倍小さく、それによって、フェライトコアを持たない（従って、コア損失のない）インダクタの利用が可能となり得る。
要約すると、電源の供給を、図２のノード３９および４０等の正弦電圧を持つノードに移動させ、供給ラインに並列共振回路を用いる新規のステップにより、従来技術と比較して非常に小さなインダクタンス値の使用が可能となり、フェライト材料の使用が排除され、回路の損失が低減され、効率が増す。
図３にも見られるように、並列共振回路５６およびレジスタ５７が、ノード５５で出力に接続される。これらの素子は、スプリアスレスポンスおよび発振に対するＰＡユニットの安定性を向上させる目的で、基本周波数以外の周波数でエネルギーを吸収するように作用し、この概念は、本明細書中に参考として援用される同時係属ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ９３／０３５４３号、公開番号ＷＯ９３／２１６８５号の主題である。この同じ機能が、図２では、２つの異なる方法で、新規に、且つ、より単純に行われている。上部ＰＡユニット１３では、安定化が、正の供給ラインと直列のインダクタ２６の追加と、インダクタ２６および共振回路２７の接合部からＰＡユニット１３に対して負の供給ライン１６への直列レジスタおよびコンデンサネットワーク４８の追加とによって達成される。これは、以下のように機能する。共振回路２７は、基本周波数に高インピーダンスを与えるが、基本周波数および他の周波数の高調波で電流を通過させる。この電流は、インダクタ２６にかかる電圧（これにより、ネットワーク４８において電流が生じる）を確立し、要望どおりに電力を吸収する。
下部ＰＡユニット１８では、この安定化が、供給ライン１７と直列の、インダクタ３０およびレジスタ４９の並列の組合わせの追加によって達成される。上部ＰＡユニットの共振回路２７が行うように、共振回路３０は、基本周波数に高インピーダンスを与えるが、基本周波数および他の周波数の高調波で電流を通過させる。この電流は、インダクタ２９にかかる電圧（これにより、レジスタ４９において電流が生じる）を確立し、要望どおりに電力を吸収する。直流電力電源電流は、インダクタ２９によって運ばれ、レジスタ４９にバイパスを付ける（従って、レジスタ４９において損失が生じない）。これらの２つの安定化方法の一方が、スプリアス発振および他の不安定性を防止するために効率的に使用され得る。図２または図３に示されない、基本周波数以外で電力を吸収する概念のさらに別の実施形態が可能であり、本願の後の方に開示される。
図４を参照すると、図２の回路の新規の駆動特徴が理解され得る。従来技術では、ＰＡユニットトランジスタの制御電極における信号の振幅が、図４ａに示されるように、出力電力を変えるために変更されている。スイッチモード増幅器設計の場合には、しきい値電圧５８の存在が生じ、しきい値電圧を越えると、スイッチングトランジスタ（例えば、図２では２５および３２であり、図３では５２）はオンであり（スイッチングトランジスタにかかる電圧が非常に少ない高導電性）、しきい値電圧を下回ると、スイッチングトランジスタは、オフである（スイッチングトランジスタを通る電流が非常に少ない非導電性）。実際的な回路では、遷移（またはスイッチング）領域と呼ばれる狭い電圧範囲が、しきい値電圧５８付近に存在し、それによって、中間伝導が生じる。中間伝導が生じる期間中は、スイッチングトランジスタにかかるある電圧が存在すると同時にスイッチングトランジスタを流れる電流が存在するので、電力が、この期間中に失われ、通常、この期間を可能な限り短くすることが望ましい。図４ａでは、この期間は、大型駆動レベル（高出力電力）では適切に短くなり得るが、駆動レベルが減少するにつれて、波形が遷移領域においてより多くの時間を費やすので、スイッチングトランジスタにおいて追加の容認できない電力が消費される期間の割合が増加する。図４ａでは、無線周波数駆動信号が、しきい値電圧５８の回りに中心を置き、概して、駆動信号の中心が、小さいが安定した電流がゼロ駆動で流れるように確立されることに注目されたい。このことは、ほとんどの従来技術設計において必要とされ、それによって、低信号レベルで十分な波形忠実度が生じる。
本発明では、駆動が、新規且つ非常に異なる方法で達成される。低駆動レベルでの高損失状況は、高振幅駆動波形を維持し、出力電力を変えるために変更される直流レベル５９を重畳することによって改善される。高駆動振幅のために、波形が、しきい値電圧付近の遷移領域を比較的速く通過し、それによって、損失のある領域において費やされる時間が減少する。その結果生じるより低い損失により、増幅器がより効率的となる。このことは、図２においては、制御電圧３７（図２の回路では、図４の直流レベル５９の同等物となる）を変化させることによって実現される。図２の回路の固有フィードバックのために、制御電圧は、トランジスタ２５について厳密に複製される。トランジスタ２５および３２は共に、それらを通過する同じ直流電流と、それらにかかる同じ電圧を有し、それらの制御電極およびソース間の電圧がほぼ同じ（どちらの場合も電圧３７に等しい）となる。図４ｂに示される安定した高振幅の駆動信号が、図２において、無線周波数端子３８で与えられ、動作中変化しない。
図２の具体的な実施形態に要約される概念は、幾つかの方法に一般化され得る。図５は、無線周波数駆動入力６１、バイアス入力６２、正の電力リード線６４、負の電力リード線６５、および出力端子６３を有する単一のＰＡユニット６０の図を示す。８つのそのようなユニットが、図６において、本発明の教示に従って共に接続される。図２に類似して、ＰＡユニット対の電力リード線が、直列に接続され、それらの対が、次に、回路ノード６９および７０において、電源にわたって順に並列に接続される。図２の説明で記載された場合と同じ様式で、分圧器６６が、図６の上部ＰＡユニットにかかるバイアス電圧を生じさせるために設けられ、従来のように、電圧分割は、等しくても、等しくなくてもよいが、典型的には、ＰＡユニットにかかる最大電圧ストレスを低減するために等しくされる。分圧器６６によって生じる電圧は、上部ＰＡユニットのバイアス端子６２に接続され、制御電圧７３は、下部ＰＡユニットのバイアス端子６２に接続される。図２の場合のように、レジスタおよびコンデンサの並列の組合わせ６８が、下部ＰＡユニットと直列で配置され、それによって、当業者にはよく知られている様式で、等しくないしきい値電圧の影響が最小限に抑えられる。無線周波数駆動回路は図６には示されておらず、ＰＡユニット６０に関する駆動入力６１の一次は、図２に示されるように並列に接続される。図６の出力電力の制御は、端子７３に対して可変の制御電圧を印加することによって、図４に示される様式で達成され得る。４つの上部ＰＡユニットおよび４つの下部ＰＡユニットの出力端子６３は、コンデンサを介して、無線周波数出力端子７１に対して共に接続される。コンデンサ６７は、８つのＰＡユニットの負の電源端子６５を共通出力（output common）またはグラウンドに接続するために利用される。
このように、８つのＰＡユニットが共に接続され、それによって、個々の段階の約８倍の電力を持ちながら、個々のＰＡユニットの何れにも安全に印加され得る電位の２倍の電位を持つ電力源を利用する、高電力出力が生成される。
複数のＰＡユニットが本発明の教示に従って接続され得るさらに他の方法が存在する。図７は、電源電圧の４分の１のみが、８つのＰＡユニット６０のどれか１つにかかるように接続された８つのＰＡユニット６０を示す。図６との、アプローチに関する一般的な類似点は、当業者には明白である。図７では、２組の４つのＰＡユニットの各々が、直列に接続され、次に、２組が並列に接続される。一番下側のＰＡと直列のレジスタおよびコンデンサの並列組合わせ６８の追加により、制御電圧７３によって与えられるバイアスから引かれる小電圧が提供され、これにより、トランジスタの正確な特性に対する２つの並列ＰＡ組の各々における電源電流の依存がかなり低減され、ＰＡ電流を等しくするように機能する。これらの対のバイアス端子が、図２の説明で上に記載された様式で電源電圧の４分の１をＰＡユニットの各々に印加するように、低周波インピーダンスが制御されるように分圧器７４に接続される。無線周波数駆動回路が図７には図示されておらず、ＰＡユニット６０に関する駆動入力６１の一次が、図２に示されるように並列に接続される。図７の出力電力の制御が、可変のバイアス電圧を端子７３に印加することによって、図４に示される様式で達成される。隣接するＰＡユニットの出力は、図６に示されたように、結合コンデンサ７２によって並列に接続されて図示されているが、この場合には、その結果生じる４つの出力が、段状コンバイナによって組合わせられる。上部および下部の出力対は、変圧器７５を用いて組合わせられ、それによって、７６として示される組合わせの第１段において２つの出力が生成される。これらの２つの出力は、つぎに、変圧器７７を用いて第２段で組合わせられる。このように、８つ全てのＰＡユニットの電力を持つ単一出力が生成される。単一出力共通端子またはグラウンドが、図６の場合のように、コンデンサ６７を介してＰＡユニット６０の負の電源端子に接続され、無線周波数のために、効率的に全てのＰＡユニットを並列に配置する。
８つのＰＡユニットはまた、図８に示されるような三段コンバイナで組合わせられ得る。ここでは、複数の８つのＰＡユニット７８が、まず、第１段８０においてコンバイナ７９を用いて対に組合わせられ、次に、その結果生じた４つの出力が、第２段８１において、コンバイナ７９を用いて対に組合わせられ、最後に、その結果生じた２つの出力が、第３の最終段８２において、コンバイナ７９を用いて組合わせられ、それによって最終出力８３が生成される。もちろん、このプロセスは、どの時点でも停止され、それによって複数の出力を生成できる。例えば、２つの独立した出力が所望であれば、最終段８２が省略され得、所望の２つの出力が、第２段８１におけるコンバイナ７９の結果として得られる。図８ｂは、相互接続されたインダクタを用いたコンバイナ７９の具体的な一実施形態を示す。
ＰＡ装置は、出力キャパシタンスおよびリード線インダクタンス等の内部寄生素子を有する。直接並列に組合わせられた場合には、これらの寄生素子は、共振および不安定性を生成し得る。この問題を解決する新しいコンバイナが提案される。図８ｂを参照すると、入力から入力にコンバイナのインダクタンスが加算される。組合わせられた入力から出力に、インダクタンスが取り消される、またはインダクタンスを無視できる。さらに、レジスタ９７等のあるタイプの散逸素子は、包含されてもよいし、包含されていなくてもよい。レジスタ９７は、入力にかかって接続され、それによって発振を低下させる。代替的に、またはさらに、損失のあるインダクタが、同じことを達成し得る。このコンバイナは、キロワットレベルで、１／８立方インチのみを必要とする非常に小さなものであり得る。この形態のコンバイナは、各増幅器からの電流を等しくすると同時に、スプリアスレスポンスを低下させ得る。
図２（本発明に関する）および図３（従来技術に関する）の各々は、スプリアスレスポンスおよび発振に対するＰＡユニットの安定性を向上させる目的で、基本周波数以外の周波数でエネルギーを吸収するための機構を示す。図２では、これは、レジスタ４８および４９によって達成され、図３では、レジスタ５７によって達成される。ＰＡアレイのこの安定化を達成するための他の新規の方法が存在することを上に記したが、それらの方法の１つが、図９に示される。図９では、複数の８つのＰＡユニット７８の出力が、３段に７つのコンバイナ７９を含む段状コンバイナで組合わせられる。レジスタ８４の星形スタビライザーネットワークが、複数のＰＡユニット７８の出力の各々から１つのレジスタを共通ノード８５に接続する（出力コンデンサ７２からアイソレーション（isolation）された後に）ことによって生じる。これは、ＰＡユニットアレイを安定化させるように作用する。その理由は、ＰＡユニットの何れかがスプリアスな信号を生成する場合に、その出力は他の出力とは異なり、電流が、レジスタ８４のネットワークを流れ、システムからエネルギーを吸収し、システムを安定化させるように作用するからである。
非常に高い電力が望まれる場合には、多くのＰＡユニットが必要とされ得る。また、より高い電力が達成されるにつれ、効率がますます重要となる。なぜなら、非常に大きな出力の小さな部分的損失自体が大きく、最小限に抑えることが重要であり得るからである。ＰＡユニットの効率は、ＰＡユニットの周波数決定素子の誤調整によって不利に影響を受け得る。図２では、これらは、上部ＰＡユニットに関してはインダクタ２８およびコンデンサ４６から構成され、下部ＰＡユニットに関しては、インダクタ３１およびコンデンサ４７から構成され、加えて、並列共振電源フィード２７および３０を含む。また、高電力ＰＡアレイの周波数が可変でなければならない場合には、ユニットが新しい周波数で正確に動作するように、これらの各々は、再調整されなければならない。このように多数の素子を同時に調整することは、困難であり、費用がかかる。
非常に高電力のシステム（従って、可変周波数が要求されるシステム）では、可変であるために必要とされる可能な限り最小数の素子を有することが望ましい。図１０は、複数のＰＡユニットから高電力出力を生成しながら、高効率または周波数変化のために単一同調回路のみが調節されることが必要とされる本発明の方法を用いた機構を示す。図１０では、ＰＡユニット８６が、最小限のスイッチ素子に減らされ、非共振であり得る（すなわち、周波数決定素子を持たない）。本発明の教示に従って、複数のそのようなＰＡユニット８６は、２つの群（上部群８７および下部群８８）へと接続され、２つの群は、あらゆる無線周波数において高インピーダンスとして作用するインダクタ８９を介して電力源９４と直列に接続される。通常は等分割器である抵抗分割器９０によって、上記の様式で、電力源９４の電位の半分が、２つの群８７および８８の各々に対してかかる。図１０では、上部群および下部群の各々には、たった２つのＰＡユニット８６が示されているが、各群において、所望の出力電力を得るために、任意の数のＰＡユニットが並列に接続され得ることが注目されるべきである。相互接続されたインダクタ９６（図８ｂに示されるような）が、上部群８７および下部群８８の各々において、ＰＡユニット対を組合わせるために用いられ得、コンデンサ９１が、無線周波数で、上部群８７および下部群８８を並列に接続するために使用される。その結果生じる電力は、相互接続されたインダクタ９６等の別のコンバイナを通過して、次に共振回路９２へと行った後に、出力９３に与えられる。共振回路９２は、調節可能なものとして示され、共振回路９２は、回路中で唯一の可変素子であるので、動作周波数の変化または最大効率を得るための調整が単純で、複数の同調回路の綿密な調整を必要としない。
本明細書中に開示される教示を組合わせることによる結果の１つは、多数のトランジスタ装置が、並列および直列ストリングで組合わせられ得ることである。これにより、短波ラジオ放送送信機で使用されるような、１００ｋＷを越える電力出力が可能な可変周波数固体増幅器が可能となる。
図１０には、無線周波数駆動回路が示されておらず、ＰＡユニット８６のための駆動変圧器９８の一次が、もし図示されていれば、図２の変圧器３４および３６の一次と同様に並列に接続される。図１０の出力電力の制御は、端子９５に可変バイアス電圧を印加することによって、図４に示される様式で達成される。
上記の問題は、固定電圧電源を用いてジェネレータから大きな順方向電力を不整合負荷、特に開回路および短絡回路に届ける困難さである。このことは、一定の高い電源電圧と組合わせられた負荷の特徴により、トランジスタ装置の線形領域における動作が生じ、その結果、高電力の散逸が生じ得るので問題である。この高電力の散逸による損害からトランジスタを保護するために、通常、回路が固定電圧設計に加えられ、それによって、開回路電圧または短絡回路電流が制限される。
図１１は、無線周波数ジェネレータから不整合負荷への利用可能な順方向電力の、ジェネレータのトランジスタ装置における全装置散逸の関数としてのグラフである。理解されるように、利用可能な順方向電力は、電力散逸に対して線形よりも速く増加する。従って、トランジスタ装置の冷却能力を向上させることによって、線形関係から予期される順方向電力を越える利用可能な順方向電力の予期しない割り増し分が可能となる。定格出力電力の６０、７０、または約８０パーセントで動作することによって、利点を提供し得る。トランジスタ装置の実際の領域、または同等にその数を増加させることによって、領域の増加に対して比例的な電力より多くの利用可能な順方向電力が加算されることが発見された。すなわち、多数の低電力装置を用いたジェネレータが、少数のより高い電力装置を用いたジェネレータと比較して、どちらも同じ全電力散逸能力を有していたとしても、不整合負荷への利用可能な順方向電力の改善を示す。この第２の効果は、後者のジェネレータと比較した前者のジェネレータの増加した出力キャパシタンスにより、この増加した出力キャパシタンスは、トランジスタ装置自体に反映されるような負荷インピーダンスのばらつきを低減するように作用することが仮定される。従って、トランジスタ装置の出力にかかるキャパシタンスの人工的追加によって、不整合負荷への利用可能な順方向電力出力を増加させることが可能となり得る（このことが、装置とキャパシタンスとの間の認知可能なインダクタンスの挿入なしに行われ得ることを条件とする）。利用可能な順方向電力のこの増加は、各々が同じ電力散逸定格を持つ同じ数のトランジスタを仮定して、固定電圧電力源を用いて可能な場合と比較して、より多くの開回路電圧または短絡回路電流を届けることを可能にすることが重要である。この追加の能力は、プラズマ電力供給適用において重要となり得る。なぜなら、プラズマの点火が、しばしば、無線周波数ジェネレータからの大きな開回路電圧を必要とするからである。
上記の説明および以下の請求の範囲は、本発明の好適な実施形態を示す。特に請求の範囲に関しては、変更が、それらの本質から逸脱することなく行われ得ることが理解されるべきである。この点に関して、そのような変更が本発明の範囲になお入ると解釈される。本発明に対して達成され得る全ての可能な改訂を記載および請求することは、単純に現実的ではない。そのような改訂が本発明の本質を利用する範囲においては、各々の改訂は、この特許によって達成される保護の範囲に自然に入る。このことは、本発明の基本概念および理解が本質的に基礎的であり、様々な分野に様々な方法で適用され得るので、本発明に関しては特に当てはまる。
さらに、本特許の出願に記載されるあらゆる参照、並びに本願の出願時に提出されたあらゆる情報開示陳述にリストされる全ての参照が、本発明の実施可能要件を支持するために必須であるとみなされる範囲において、全文が参考として援用される。しかし、陳述内容が、この／これらの発明の特許性と矛盾すると思われる範囲において、そのような陳述内容は、明示的に、本出願人によって成されたものではないものとする。
最後に、さらに、本発明および請求の範囲の様々な構成要素の各々が、様々な形態でも達成され得る。本願の開示内容は、それが、装置の実施形態の１実施形態、あるいは、方法またはプロセスの実施形態の変形例であっても、あるいは、単にそれらの実施形態の構成要素の変形例であっても、そのような変形例の各々を包含することが理解されるべきである。特に、開示内容が本発明の構成要素に関連するので、機能または結果のみが同じである場合でも、各構成要素の用語は、同等の装置用語または方法用語によって表現され得ることが理解されるべきである。そのような同等の、より広い、あるいはより総称的な用語が、各構成要素または作用の記載に包含されるものとみなされるべきである。そのような用語は、本発明に権利が認められた暗示的な広い意味範囲を明示的にするために必要に応じて置き換えることができる。一例として、全ての作用が、その作用を行う手段、またはその作用を引き起こす構成要素として表現され得ることが理解されるべきである。同様に、開示される各物理的構成要素は、該物理的構成要素が促進する作用の開示を包含することが理解されるべきである。この最後の点に関しては、一例として、明白に記載されているか否かにかかわらず、「増幅器」の開示が、「増幅する」作用の開示を包含することが理解されるべきであり、逆に、「増幅する」作用の開示のみが存在する場合にも、該開示が、「増幅器」の開示を包含することが理解されるべきである。このような変更および代替の用語が、本明細書中に明示的に包含されることが理解されるものとする。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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