МОЩНАЯ РАДИОТЕХНИКА

Домой

Особенности работы ВЧ генераторов на ионно-плазменные нагрузки

Известный факт - все изделия активной ВЧ техники - усилители, генераторы, конкретно их выходные ВЧ каскады, крайне чувствительны к стабильности ВЧ нагрузки, а именно к отклонению входного комплексного сопротивления (Z) нагрузки от заложенного при их расчете. Конечно, разные варианты изделий, базирующиеся на разных технологиях и режимах работы (двухтактный каскад, ключевой полумост, Н-мост, линейный режим или перенапряженный с насыщением по питанию), по-разному реагируют на изменения ВЧ нагрузки, но все плохо или очень плохо. Чем более эффективный каскад в смысле КПД и использования возможностей транзистора, тем более пагубное влияние оказывает нестабильность Z. В 95% случаев выход из строя ВЧ генераторов вызван неисправностями или сильными отклонениями от заданных параметров ВЧ нагрузки.


Плазменные нагрузки, как и все газоразрядные, являются крайне нестационарными и для ВЧ генераторов / усилителей представляют наибольшую проблему среди прочих. Их принципиально отличает от резистивных нагрузок или связных, радиолокационных и пр. антенн следующее:
  • нелинейность Z;
  • инерционность Z;
  • проблема пуска (первого поджига плазмы);
  • проблема срыва плазмы (внезапного отключения нагрузки);
  • более высокая вероятность дуговых пробоев.
Нелинейность нагрузки проявляется в том, что ее входной импеданс Z зависит от вкладываемой мощности. Так как у любого ВЧ генератора выходная мощность зависит от Z нагрузки, то получаем систему с паразитной обратной связью: изменяется мощность -> изменяется Z -> изменяется мощность… При наличии баланса фаз и амплитуд (критерий Найквиста) складываются условия для возникновения паразитных колебаний в системе генератор-плазма. /Классическое согласующее устройство с моторным приводом здесь можно не рассматривать, оно ни чего не меняет, т.к. частота паразитных релаксаций как правило 1...5 kHz. Правда СУ может сдвинуть Z в такую область, где критерий Найквиста не выполняется, что частично улучшает ситуацию, но за счет рассогласования/. Эту проблему решают путем введения в ВЧ генератор системы автоматической регулировки/стабилизации мощности (АРМ), но при этом начинает проявлять себя вторая особенность плазмы – инерционность Z, которая резко уменьшает запас устойчивости петли автомата. Это накладывает серьезные требования к построению стабилизатора. Приходится применять сложные высокоскоростные системы ПИД-регулирования 1).
Усугубляется картина еще и тем, что при разных режимах, в разных установках инерционность и нелинейность сильно разнятся и в общем случае неизвестны. Это приводит к тому, что стабилизатор должен быть достаточно универсальным, с "широким захватом".
1 - В новейших генераторах GLine для настройки ПИД-регулятора имеется встроенный осциллограф огибающей радиосигнала с выводом сигнала на дисплей. Настройка производится по переходному процессу на фронте радиоимпульса при работе ВЧ генератора в импульсном режиме. В генераторах ранних серий встроенного осциллографа нет и необходимо использовать внешний подключенный к выходу "Контроль ВЧ 1V".

Проблема пуска (поджига плазмы) обусловлена тем, что импеданс нагрузки без плазмы и с плазмой на некоторых установка различаются очень сильно. Это приводит к тому, что до поджига ВЧ генератор вынужден работать на сильно рассогласованную нагрузку с вытекающими отсюда проблемами надежности, ограничений режимов, частого срабатывания встроенных защит.

Выбор ВЧ генератора по мощности

Серийные ВЧ генераторы выпускаются в диапазоне мощностей от 600W до 5,5kW. Мощности под заказ могут составлять от единиц Ватт до 100kW.
Мощность указанная в кодировке и в номенклатуре является номинальной конструктивной мощностью. Такую мощность ВЧ генератор с некоторым технологическим запасом обеспечивает на "идеальную" резистивную, безреактивную нагрузку, Z = [(50+/-5) + j(0+/-5)] Ом, т.е. КСВн < 1,14.
Известно, что выходная мощность усилительного ВЧ каскада, при прочих равных условиях (например, неизменное напряжение питания) зависит от Z нагрузки. Степень зависимости определяется схемотехникой каскада.
В таблице ниже приведены данные по зависимости максимальной выходной мощности различных ВЧ генераторов от КСВ нагрузки.
Данные получены из технической документации компании Advanced Energy (AE) и отчетов по проекту VASIMR (Ad Astra Rocket, Aethera Technologies).
Расчетные значения получены по результатам компьютерного моделирования ВЧ каскада с двухтактным выходом в перенапряженном режиме (ограничение питанием) в пакете LTSpace XVII.
ВЧ генераторы HFP серии GLine имеют схожие с другими генераторами принципы построения выходных каскадов и в части работы на рассогласованные нагрузки показывают приблизительно такие же характеристики (Таблица ниже).

ВЧ генераторы GLINE

При настройке согласующего устройства рассчитывать на низкие КСВ не приходится. Также и после настройки СУ, при дальнейшей работе системы, часто бывают ситуации нештатных скачков КСВ. Все генераторы GLine имеют максимально возможные защиты ВЧ транзисторов, но их срабатывание вызывает прерывание выходного сигнала (блокировку ВЧ тракта), что приводит к сбоям при настройке некоторых типов СУ, так же проблемы со стабильностью технологического процесса вашей установки.

Для обеспечения легкой настройки СУ и бесперебойной работы системы ВЧГ - СУ - плазма необходимо выбирать мощность ВЧ генератора исходя из мощности необходимой для вашего техпроцесса, но с учетом рассогласования нагрузки до КСВ = 2,0... 2,5.

Выбор согласующего устройства

Раздел будет дополнен

Если вы решили приобрести наше СУ, то выбор достаточно прост. Для заказа необходимо определиться со следующим:
  • характер нагрузки, емкостной или индуктивный;
  • максимальная проходящая мощность;
  • в некоторых случаях - тип выходного ВЧ разъем или шина;
  • один из двух вариантов расположения ВЧ выхода.
Характер нагрузки определяет какой набор сменных элементов вы получите в комплекте с СУ. В идеальном случае нам хотелось бы знать диапазон возможных импедансов плазменной нагрузки подлежащих согласованию с точкой 50 Ом. Но, к сожалению такой информацией о своих установках ни кто из заказчиков не владеет. Даже в случае, когда на вопрос о характере нагрузки вы совсем не сможете ответить, СУ можно заказывать, при этом комплект сменных элементов будет максимальным.

Максимальная проходящая мощность полностью определяется мощностью ВЧ генератора, в паре с которым будет работать СУ.

Варианты расположения ВЧ выхода позволяют выбрать оптимальный с точки зрения компоновки СУ в вашу установку. Детали смотрите в технической документации на СУ

Примеры работы ВЧ генераторов серии GLine

Раздел в разработке