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Title:
RADIOFREQUENCY POWER MEASUREMENT DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/185425
Kind Code:
A1
Abstract:
A radiofrequency power measurement device (100, 200, 300) has a signal processor (11, 211) and a directional coupler (10) that has a main line (1) and at least two auxiliary lines (2a, 3a) electromagnetically coupled to the main line (1) in a coupling region (K), each of which auxiliary lines (2a, 3a) has an output (7, 8), wherein the directional coupler (10) is designed such that a signal is output at each output (7, 8), which signal is correlated with a signal transmitted on the main line (1), wherein the outputs (7, 8) of the auxiliary lines (2a, 3a) are connected to the signal processor (11, 211, 311), which is designed to output an output signal and has a signal combiner (12, 212, 312) and a signal changer (13, 213, 313).

Inventors:
BOCK, Christian (Waldstrasse 1a, Freiburg, 79108, DE)
WANGLER, Christian (Neumatten 4, March, 79232, DE)
Application Number:
EP2019/056997
Publication Date:
October 03, 2019
Filing Date:
March 20, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF HÜTTINGER GMBH + CO. KG (Bötzinger Strasse 80, Freiburg, 79111, DE)
International Classes:
H01P5/18; G01R21/01; H04B1/04
Domestic Patent References:
WO2008095708A12008-08-14
WO2013143537A12013-10-03
WO2017001596A12017-01-05
Foreign References:
CA2316511A12001-02-28
JPH0545387A1993-02-23
JP2011250354A2011-12-08
EP1837946A12007-09-26
DE102007006225A12008-08-14
DE102008005204A12009-07-23
DE202011051371U12011-10-11
US8018243B22011-09-13
DE102012223660B42016-03-03
Attorney, Agent or Firm:
TRUMPF PATENTABTEILUNG (TRUMPF GmbH & Co. KG, TH501 Patente und LizenzenJohann-Maus-Strasse 2, Ditzingen, 71254, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung (100, 200, 300) mit einer Signalverarbeitung (11, 211) und einem Richtkoppler (10), aufwei send eine Hauptleitung (1) und zumindest zwei mit der Hauptleitung (1) in einem Koppelbereich (K) elektromagnetisch gekoppelten Ne- benleitungen (2a, 3a) , die jeweils einen Ausgang (7, 8) aufweisen, wobei der Richtkoppler (10) ausgelegt ist, dass an jedem Ausgang (7, 8) ein Signal ausgegeben wird, das mit einem auf der Hauptlei tung (1) übertragenen Signal in Beziehung steht, wobei die Aus gänge (7, 8) der Nebenleitungen (2a, 3a) mit der Signalverarbei- tung (11, 211, 311) verbunden sind, die ausgelegt ist, ein Ausgabe signal auszugeben und einen Signalkombinierer (12, 212, 312) und eine Signalveränderungseinrichtung (13, 213, 313) aufweist, wobei der Signalkombinierer (12, 212, 312) der Signalveränderungsein richtung (13, 213, 313) nachgeschaltet ist .

2. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalveränderungseinrichtung (13) einen Amplitudenbeeinflusser (5a) und/oder einen Phasenschieber (4, 5) umfasst.

3. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenbeeinflusser (5a) einen Span nungsteiler und/oder einen Verstärker umfasst.

4. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkombi- nierer (12, 212) einen Addierer (15, 216, 315) umfasst.

5. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalkombi- nierer (12, 212, 312) als analoger oder digitaler Signalkombinierer ausgebildet ist.

6. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Sig nalkombinierer (12) einen oder mehrere Widerstände (6a, 6b) und/oder einen Verstärker aufweist.

7. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine A/D-Wand leranordnung (222, 322) vorgesehen ist.

8. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverän derungseinrichtung (313) einen Multiplikator (355, 356) zur Multipi- kation, insbesondere zur komplexen Multiplikation, zumindest eines Signals mit einem vorgegebenen Faktor, insbesondere komplexen Faktor (357, 358), aufweist.

9. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umsetzer (350) zum Umsetzen eines oder mehrerer Signale in ein Basisband vorgesehen ist.

10. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale Weiterverarbeitungseinrichtung (225) vorgesehen ist, die dem Sig nal kombinierer (212) nachgeschaltet ist.

11. Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nebenlei tungen (2a, 3a, 2b, 3b) mit zugeordneter Signalverarbeitung (11, 211, 311) jeweils zur Erfassung eines in einer ersten Richtung auf der Hauptleitung (1) übertragenen Signals und eines in entgegen gesetzter Richtung übertragenen Signals vorgesehen sind.

12. Verfahren zur Erzeugung eines Ausgabesignals aus Signalen, die durch jeweils eine Nebenleitung (2a, 3a) eines Richtkopplers (10), der eine Hauptleitung (1) und zumindest zwei mit der Haupt- leitung elektromagnetisch gekoppelte Nebenleitungen (2a, 3a) auf weist, ausgegeben werden, mit den Verfahrensschritten: a. Veränderung zumindest eines Signals, anschließend

b. Kombination der Signale zu dem Ausgabesignal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und/oder Amplitude zumindest eines Signals verändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und/oder Amplitude in Abhängigkeit von einem Betriebs parameter des Richtkopplers (10), insbesondere übertragene Leis tung oder Temperatur, verändert wird. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis

14, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale durch Addition und/o der mittels eines Verstärkers kombiniert werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale digitalisiert werden. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein digitalisiertes Signal mulitpliziert, insbesondere kom plex mulitpliziert, wird, um dessen Amplitude und/oder Phase zu verändern. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal vor der Multiplikation in sein Basisband umgesetzt wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis

18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Signal- kombinierers (212) digital weiter verarbeitet wird, insbesondere in sein Basisband umgesetzt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis

19, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung eines Signals in Abhängigkeit von während einer Kalibrierung erfassten Eigenschaf ten des Richtkopplers (10) erfolgt.

21. Verwendung einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung

(100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 als Leistungsmessvorrichtung in einem Leistungsgenerator zur Ver sorgung eines Plasmas, wobei ein Signal bei einer Frequenz in einem Bereich von 1-200 MHz, einer Leistung > 1 KW und einer Spannung > 200 V gemessen wird. 22. Verwendung eines Signals am Ausgang des Signalkombinierers

(12, 212, 312) von einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 als Maß für das auf der Hauptleitung übertragene Signal.

23. Verwendung einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Steuerung eines HF-Leistungserzeugers, wobei der Richtkoppler (10) zwischen dem HF-Leistungserzeuger und einer Plasmakammer angeordnet ist.

Description:
Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung mit ei ner Signalverarbeitung und einem Richtkoppler.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausga besignals aus Signalen, die durch jeweils eine Nebenleitung eines Richt kopplers, der eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekoppelte Nebenleitungen aufweist, ausgegeben wer den.

Hochfrequenzgeneratoren werden dafür eingesetzt, eine Hochfrequenzleis tung zu erzeugen und an eine Last zu liefern. Als Last kommen beispiels weise Plasmaprozesse, wie Plasma beschichten und Plasma ätzen, oder Laserprozesse (Laseranregung) in Frage. Da sich die Impedanz der Last ändern kann und es somit bei Fehlanpassung zur (teilweisen) Reflektion der von dem Hochfrequenzgenerator gelieferten Leistung kommen kann, wird häufig nicht die gesamte von dem Hochfrequenzgenerator gelieferte Leistung in der Last (dem Plasma) absorbiert. Um die in die Last gelieferte Hochfrequenzleistung genau einstellen bzw. regeln zu können, ist es wün- sehenswert, die in der Last absorbierte Leistung zu bestimmen.

Um sowohl die in Richtung Last gelieferte Hochfrequenzleistung als auch die reflektierte Leistung erfassen zu können, ist es bekannt, Richtkoppler einzusetzen, die neben einer Hauptleitung, über die die Hochfrequenzleis- tung in Richtung Last gesendet wird, zwei Nebenleitungen aufweisen. Über eine Nebenleitung kann dabei die in Richtung Last gelieferte Leistung ge messen werden und über die andere Nebenleitung kann die reflektierte Leistung gemessen werden. Aufgrund der Lieferung der Hochfrequenzleis tung über die Hautleitung entstehen elektromagnetische Felder, die auf die Nebenleitungen gekoppelt werden, so dass an den Nebenleitungen ein Messsignal erfasst werden kann, welches mit der Leistung auf der Haupt leitung in Beziehung steht. Mit dem Begriff Richtschärfe (gleichbedeutend mit Richtwirkung, directivity) wird die Qualität der Messung beschrieben. Ziel ist es, auf der einen Nebenleitung möglichst nur Anteile der in Rich- tung Last gelieferten Leistung zu detektieren und mit der anderen Neben leitung möglichst nur Anteile der reflektierten Leistung zu detektieren. In der Praxis wird dies jedoch nicht vollständig erreicht. Das bedeutet, dass mit der einen Nebenleitung, mit der nur die in Richtung Last gelieferte Leistung detektiert werden soll, auch immer ein kleiner Anteil der reflek- tierten Leistung detektiert wird. Mit der Richtschärfe wird das Verhältnis von der Leistungsdetektion des gewünschten Signals zu der Leistungsde tektion des unerwünschten Signals bezeichnet. Die Richtschärfe sollte möglichst groß sein. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochfrequenzleistungs messvorrichtung bereit zu stellen, mit der das auf einer Hauptleitung übertragene Signal genauer und zuverlässiger erfasst werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Hochfrequenzleis tungsmessvorrichtung mit einer Signalverarbeitung und einem Richtkopp ler, aufweisend eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptlei tung in einem Koppelbereich elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitun gen, die jeweils einen Ausgang aufweisen, wobei der Richtkoppler ausge- legt ist, dass an jedem Ausgang ein Signal ausgegeben wird, das mit ei nem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung steht, wobei die Ausgänge der Nebenleitungen mit der Signalverarbeitung verbunden sind, die ausgelegt ist, ein Ausgabesignal auszugeben und einen Signal- kombinierer und eine Signalveränderungseinrichtung aufweist, wobei ins- besondere der Signalkombinierer der Signalveränderungseinrichtung nachgeschaltet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann eine verbesserte Koppeldämpfung erreicht werden. Insbesondere kann eine verbessert abgleichbare Koppeldämpfung erreicht werden. Die Kop peldämpfung ist dabei das Übertragungsverhältnis von der in der Hauptlei tung übertragenen Leistung zu der in der Nebenleitung eingekoppelten Leistung. Mit der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrich tung kann außerdem eine verbesserte Richtwirkung erzielt werden. Die Richtwirkung ist dabei das Verhältnis von der Koppeldämpfung der ge wünschten Welle zu der Koppeldämpfung der ungewünschten Welle.

Die Signalverarbeitung kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, elektrische Signale zu verarbeiten, das bedeutet, beispielsweise zu speichern, arithmetisch zu kombinieren, auszuwerten, in Abhängigkeit der Auswertung neue Signale zu generieren, etc.. Die Signalverarbeitung kann dabei analog und/oder digital ausgelegt sein. Die Signalverarbeitung kann hierfür insbesondere aufweisen:

- einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADC),

- eine oder mehrere Digital-Analog-Wandler (DAC),

- programmierbare Logikbausteine (PLD)

- Mikrokontroller (pC)

- analoge und/oder digitale Mischer, Filter, Addierer, Frequenzerzeuger.

Die Signalveränderungseinrichtung kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, wenigs tens ein Eingangssignal zu einem Ausgangssignal zu verändern. Dieser Baustein kann ausgelegt sein, diese Veränderung analog und/oder digital durchzuführen. Die Veränderung kann eine Multiplikation mit einem Fak tor, auch mit einem komplexen Faktor, sein. Die Veränderung kann auch eine Integration oder Ableitung sein. Die Signalveränderungseinrichtung kann insbesondere einen Amplitudenbeeinflusser und/oder einen Phasen schieber umfassen. So kann die Amplitude und/oder die Phase des Ein- gangssignals um einen jeweils vorgebbaren Wert verändert werden. Die vorgebbaren Werte können veränderlich, einstellbar und/oder automatisch steuerbar sein. Insbesondere kann die Signalveränderungseinrichtung auch nur ein Stück verlängerte Leitung zur Phasenverschiebung des Sig nals sein.

Der Amplitudenbeeinflusser kann einen Spannungsteiler und/oder einen Verstärker umfassen.

Das Eingangssignal einer Signalveränderungseinrichtung kann hier insbe- sondere ein Signal von einem der Ausgänge der Nebenleitungen des Richtkopplers sein, das mit dem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung steht.

Der Signalkombinierer kann hier ein elektronischer Baustein oder ein Teil eines elektronischen Bausteins sein, der geeignet ist, wenigstens zwei Ein gangssignale zu einem Ausgangssignal zu kombinieren. Dieser Baustein kann ausgelegt sein, die Kombination analog und/oder digital durchzufüh ren. Dabei können die beiden Eingangssignale zu einem Ausgangssignal addiert, multipliziert, voneinander subtrahiert, dividiert und/oder auf an- dere Weise kombiniert werden. Der Signalkombinierer kann insbesondere einen Addierer zur Addition der wenigstens zwei Eingangssignale umfas sen. Dadurch können Signale besonders einfach und zuverlässig zusam mengefasst werden. Die wenigstens zwei Eingangssignale können hier ins besondere die Signale an den Ausgängen der Nebenleitungen des Richt- kopplers sein, die mit dem auf der Hauptleitung übertragenen Signal in Beziehung stehen. Ein oder die wenigstens zwei Eingangssignale können hier insbesondere auch die Signale an den Ausgängen einer oder mehrerer Signal Veränderungseinrichtungen sein. Wenn zwei oder mehr Koppelleitungen, d.h. Nebenleitungen, für eine Sig nalrichtung vorhanden sind, kann eine Zusammenschaltung der Koppellei tungen erfolgen. Das Zusammenschalten kann mit Spannungsteilern und/oder Verstärkern geschehen, um die Signale gleichphasig oder gegen- phasig mit gleichen oder unterschiedlichen Amplitudenverhältnissen zu Wichten. Weiterhin kann eine Zusammenschaltung, d.h. Signalkombina tion, mit Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Verzögerungsgliedern erfol gen, um eine Phasenverschiebung der unterschiedlichen Signale und so die gewünschten Koppeleigenschaften zu erreichen. Die unterschiedlichen Maßnahmen können beliebig kombiniert werden. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden. Der Signalkombinierer kann als analoger oder digitaler Signalkombinierer ausgebildet sein. Wenn ein analoger Signalkombinierer vorgesehen ist, kann dieser einen oder mehrere Widerstände und/oder einen Verstärker aufweisen. So können die Messwerte noch schneller, genauer und zuver lässiger erfasst werden. Ein digitaler Signalkombinierer kann die Mess werte exakter, zuverlässiger und weniger störanfällig ermitteln.

Wenn die Signalverarbeitung digital erfolgen soll, kann eine A/D-Wandler- anordnung vorgesehen sein. Im digitalen Bereich stehen weitere und al ternative Möglichkeiten zur Signalkombination und Signalveränderung zur Verfügung. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger er fasst werden. Insbesondere im digitalen Bereich kann die Signalveränderungseinrichtung einen Multiplikator zur Multiplikation, insbesondere zur komplexen Multi plikation, zumindest eines Signals mit einem vorgegebenen Faktor, insbe sondere einem komplexen Faktor, aufweisen. So können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.

Weiterhin kann ein Umsetzer zum Umsetzen eines oder mehrerer Signale in das Basisband vorgesehen sein.

Weiterhin kann eine digitale Weiterverarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, die dem Signalkombinierer nachgeschaltet ist. Die Weiterverarbei tung kann beispielsweise die Umsetzung in das Basisband sein.

Insbesondere im Falle der digitalen Signalverarbeitung kann zunächst eine Analog-Digital-Wandlung von mindestens zwei Signalen vorgesehen sein. Dabei können unmittelbar die Signale, die aus den Nebenleitungen ausgegeben werden, digitalisiert werden. Alternativ können die Signale, die direkt den Nebenleitungen entnommen werden, vorbehandelt werden, beispielsweise addiert, phasenverzögert, verstärkt und/oder mit weiteren Signalen kombiniert werden und dann digitalisiert werden. Anschließend kann eine komplexe Kombination dieser Signale im Digitalen erfolgen. Da bei kann eine Phasenverschiebung und/oder eine Gewichtung der Signale zueinander durch eine digitale Struktur erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Umsetzung der Signale in das Basisband (komplexe Mischung mit einem LO-Signal (von einem lokalen Oszillator stammendes Signal) und Tiefpassfilterung) erfolgen. Anschließend kann die Multiplikation min destens eines der digitalisierten Signale mit einem komplexen Faktor er folgen. Weiterhin können mindestens zwei Signale addiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann insbesondere vorgesehen sein, dass zum Erfassen eines in eine Richtung auf der Hauptleitung übertragenen Signals zwei Nebenleitungen vorgese hen sind.

Es können Nebenleitungen mit zugeordneter Signalverarbeitung jeweils zur Erfassung eines in einer ersten Richtung auf der Hauptleitung übertra genen Signals und eines in entgegengesetzter Richtung übertragenen Sig nals vorgesehen sein. Somit können Signale, die in beiden Richtungen auf der Hauptleitung übertragen werden, unabhängig voneinander erfasst werden.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgabesignals aus Signalen, die durch jeweils eine Nebenleitung ei nes Richtkopplers, der eine Hauptleitung und zumindest zwei mit der Hauptleitung eletromagnetisch gekoppelte Nebenleitungen aufweist, aus gegeben werden, mit den Verfahrensschritten: a. Veränderung zumindest eines Signals, insbesondere anschließend b. Kombination der Signale zu dem Ausgabesignal Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, ein Maß für ein auf der Haupt leitung übertragenes Signal nicht durch lediglich eine Nebenleitung zu er fassen, sondern durch mindestens zwei Nebenleitungen zu erfassen. Zu mindest eines der von den Nebenleitungen ausgegebenen Signalen wird dabei verändert. Dann werden die Signale zu einem Ausgabesignal kombi- niert, welches als Maß für das auf der Hauptleitung übertragene Signal verwendet wird. Durch diese Vorgehensweise kann das auf der Hauptlei tung übertragene Signal sehr viel genauer bestimmt werden.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Phase und/oder Amplitude zumin- dest eines Signals verändert wird. Beispielsweise kann zumindest eines der Signale phasenverzögert werden und/oder zumindest eines der Sig nale kann verstärkt werden, wodurch sich eine Amplitudenänderung ergibt. Außerdem ist es denkbar, zumindest eines der Signale zu dämpfen. Auch dadurch ergibt sich eine Amplitudenänderung.

Die Phase und/oder Amplitude kann in Abhängigkeit von einem Betriebs parameter des Richtkopplers, insbesondere in Abhängigkeit der übertrage nen Leistung auf der Hauptleitung oder in Abhängigkeit der Temperatur verändert werden. Es wurde festgestellt, dass Richtwirkung und Koppel- dämpfung temperaturabhängig sein können. Dies insbesondere dann, wenn eine Nebenleitung unter der Hauptleitung liegt. Die Hauptleitung kann bei hohen Leistungen selbst Wärme erzeugen. Das Substrat- bzw. Platinenmaterial kann sich aufgrund der Wärmeentwicklung ausdehnen.

Da der Abstand zwischen Haupt- und Nebenleitung einen direkten Einfluss auf die Koppeldämpfung und auf die Richtwirkung haben, verändern sich diese bei veränderter Temperatur. Dieser Einfluss macht sich in der Ne benleitung, die neben der Hauptleitung liegt, kaum bemerkbar. Hier über wiegt die magnetische Kopplung gegenüber der elektrischen Kopplung. Eine Abstandsänderung fällt, wenn sie überhaupt auftritt, dabei nicht so ins Gewicht wie bei einer Nebenleitung unterhalb der Hauptleitung.

Die Signale können durch Addition und/oder mittels eines Verstärkers kombiniert werden. Die Addition und/oder die Verstärkung können analog oder digital erfolgen.

Eine digitale Signalverarbeitung wird möglich, wenn die Signale digitali siert werden. Die Digitalisierung kann dabei an unterschiedlichen Stellen der Signalverarbeitung erfolgen. Insbesondere ist es denkbar, die Signale zunächst analog zu bearbeiten und anschließend zu digitalisieren und digi- tal weiter zu verarbeiten.

Zumindest ein digitalisiertes Signal kann multipliziert, insbesondere kom plex multipliziert werden, um dessen Amplitude und/oder Phase zu verän dern. Hieraus wird deutlich, dass die Veränderung eines Signals sowohl eine Phasenänderung als auch eine Amplitudenänderung nach sich ziehen kann. Es ist jedoch auch denkbar, lediglich die Phase oder lediglich die Amplitude zu verändern.

Das Signal kann vor der Multiplikation in sein Basisband umgesetzt wer- den. Dadurch erleichtert sich die nachfolgende Signalverarbeitung.

Das Ausgangssignal des Signalkombinierers kann digital weiterverarbeitet werden, insbesondere in das Basisband umgesetzt werden. Die Umset zung in das Basisband kann somit am Ende der Signalverarbeitung durch- geführt werden. Die Umsetzung kann jedoch auch zu einem früheren Zeitpunkt durchgeführt werden und das in das Basisband umgesetzte Sig nal kann anschließend weiterverarbeitet werden.

Die Veränderung eines Signals kann in Abhängigkeit von während einer Kalibrierung erfassten Eigenschaften des Richtkopplers erfolgen. Somit kann ein Richtkoppler werksseitig einmal eingestellt werden und ist somit zukünftig für die akkurate Messung von Signalen, die auf der Hauptlei tung übertragen werden, einsatzbereit. Der Richtkoppler kann eine Hauptleitung aufweisen, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, insbesondere einer Leis tung größer oder gleich 1 KW, und insbesondere einer Spannung größer oder gleich 200 V zu übertragen. Insbesondere für Richtkoppler dieser Art können die Messwerte noch genauer und zuverlässiger erfasst werden.

Die Abmessungen des Richtkopplers können um mehr als den Faktor 10 kleiner sein als die Wellenlänge der Frequenz, bei der der Richtkoppler be trieben wird. Dadurch ergibt sich eine kompakte Ausgestaltung des Richt kopplers. Zudem fallen Ungenauigkeiten beim Herstellungsprozess weni- ger ins Gewicht. Außerdem wird eine ungleichmäßige Temperaturvertei lung reduziert. So kann die Messgenauigkeit des Richtkopplers weiter ver bessert werden.

Dieses von der Hauptleitung übertragene Signal kann insbesondere für eine elektrische Leistungsübertragung zur Anregung eines Plasmas ver wendet werden. Der Richtkoppler kann dazu zwischen einem HF-Leis- tungserzeuger und einer Plasmakammer angeordnet sein und insbeson dere als Teil des HF-Leistungserzeugers für dessen Steuerung verwendet werden. Die Nebenleitungen sind mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekop pelt. Dabei kann sich die die Hauptleitung im Koppelbereich in einer Längsrichtung geradlinig erstrecken, und insbesondere die Hauptleitung in einer zur Längsrichtung senkrechten Breitenrichtung eine Breite von min- destens 3 mm aufweisen, und die Längsrichtung und die Breitenrichtung eine Hauptleitungsebene definieren, und insbesondere eine erste Neben leitung und eine zweiten Nebenleitung aufweisen, die insbesondere in un terschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sein können, und insbeson dere die erste Nebenleitung in einer von der Hauptleistungsebene beab- standeten zur Hauptleitungsebene parallelen Ebene angeordnet sein. Das Vorsehen mehrerer Nebenleitungen, die in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, führt dazu, dass eine Nebenleitung für eine über wiegend elektrische Kopplung und eine weitere Nebenleitung für eine überwiegend magnetische Kopplung eingesetzt werden kann. Die Aus- gänge dieser beiden Nebenleitungen können dann wie zuvor beschrieben mit der Signalverarbeitung verbunden sein. Dadurch lässt sich eine sehr hohe Richtschärfe realisieren. Würde nur eine Nebenleitung für eine elekt rische Kopplung vorgesehen, so würde nur eine sehr schlechte Richt schärfe erzielt werden, da die magnetische Kopplung zu gering ist. Würde andererseits die Nebenleitung so positioniert, dass eine überwiegend mag netische Kopplung erfolgt, so wäre die elektrische Kopplung zu klein und auch so keine gute Richtschärfe erzielbar. Durch die Kombination der Sig nale von zwei Nebenleitungen in unterschiedlichen Höhenebenen des Richtkopplers, können die beiden Vorteile miteinander kombiniert und die Nachteile minimiert werden. Für einen Richtkoppler mit hoher Richtschärfe ist es vorteilhaft, wenn die elektrische und magnetische Feldkopplung, die auf die Nebenleitung wirken, im richtigen Verhältnis zueinander stehen. Zwischen Hauptleitung und Masse bildet sich das elektromagnetische Feld aus und es gilt eine Geometrie für die Nebenleitung zu finden und zu plat- zieren, die zur gewünschten Kopplung und einer hohen Richtschärfe führt. Bei Richtkopplern für große Leistungen (größer oder gleich 1 kW) sind die Felder sehr stark und die Kopplungsgeometrie kann vorteilhafter Weise entsprechend klein gewählt werden. So können die Messwerte gerade bei Richtkopplern dieser Bauart noch genauer und zuverlässiger erfasst wer- den.

Die zweite Nebenleitung kann in der Hauptleitungsebene beabstandet von der Hauptleitung angeordnet sein. Die zweite Nebenleitung kann sich so mit in derselben Ebene wie die Hauptleitung befinden und verläuft insbe- sondere parallel zur Hauptleitung. Dadurch kann eine überwiegend mag netische Kopplung realisiert werden.

Die erste Nebenleitung kann zumindest abschnittsweise zur Hauptleitung überlappend angeordnet sein. Die zweite Nebenleitung kann sich somit im Bereich der Hauptleitung über oder unter der Hauptleitung befinden.

Dadurch kann eine überwiegend elektrische Kopplung realisiert werden.

Eine Verbesserung der Richtschärfe kann weiterhin dadurch erreicht wer den, dass zumindest eine Nebenleitung, insbesondere die erste Nebenlei- tung, in der Breitenrichtung eine geringere Breite aufweist als die Haupt leitung. Durch die Wahl des Breitenverhältnisses von Hauptleitung und Nebenleitung kann insbesondere die kapazitive Kopplung eingestellt wer den. Die Nebenleitung(en) können ausgelegt sein, weniger als ein Hundertstel, insbesondere weniger als ein Tausendstel, vorzugsweise weniger als ein Zehntausendstel der auf der Hauptleitung übertragenen Leistung auszu koppeln. Somit entsteht ein am Richtkoppler ausgegebenes sehr genaues Messsignal, welches gut weiterverarbeitet werden kann. Der Richtkoppler kann ein Substrat aufweisen und die Hauptleitung kann zumindest im Koppelbereich im Inneren des Substrats angeordnet sein.

Als Substrat kann beispielsweise eine Leiterkarte (PCB), insbesondere eine mehrlagige Leiterkarte, vorgesehen sein. Eine hohe Spannung auf der Hauptleitung gegenüber Masse kann zu hohen elektrischen Feldstärken an den Kanten der Hauptleitung führen. Bei einer Verlegung der Hauptleitung auf der Ober- oder Unterseite des Substrats kann an den Kanten der Hauptleitung, verursacht durch die hohen Feldstärken, eine Korona-Entla dung, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit aus- wirkt, auftreten. Außerdem führt sie zur Zerstörung des Substrats und der Hauptleitung selbst, was weiter zu einer Messwertverfälschung führt. Um die Feldstärke zu reduzieren, können die Kanten abgerundet werden. Dies kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, ist aber ein aufwändi ger und teurer Prozess. Die oben beschriebenen Probleme können vermie- den werden, wenn die Hauptleitung im Inneren des Substrats angeordnet ist, also umfangsmäßig von Substratmaterial umgeben ist.

Eine Nebenleitung kann zumindest im Koppelbereich schleifenfrei verlau fen. Mit dem Begriff„schleifenfrei" ist gemeint, dass eine Nebenleitung keinen rücklaufenden Anteil aufweist. Ein schleifenförmiger Verlauf wäre ein Verlauf der Nebenleitung in eine Richtung entlang der Hauptleitung und dann die Richtung wechselnd, um in entgegengesetzter Richtung wei terzulaufen, um dann evtl wieder in die erste Richtung zu verlaufen. Eine schleifenfreie Nebenleitung muss dabei nicht zwingend geradlinig verlau- fen, sie kann auch kurvenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig ver laufen.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn eine der Nebenleitungen überwiegend elektrisch und eine der Nebenleitungen überwiegend magnetisch mit der Hauptleitung gekoppelt ist. Dadurch können die Vorteile sowohl einer elektrischen als auch einer magnetischen Kopplung vereint werden. Insbe sondere mit der Kombination dieser Nebenleitungen und der oben be schriebenen, insbesondere jeweils getrennt und individuell vorgebbaren Veränderung der gemessenen Signale in der Signalveränderungsvorrich- tung und der Kombination der entsprechend veränderten Signale ergibt eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit.

Wie bereits erwähnt, kann der Richtkoppler auf einer mehrlagigen Leiter karte realisiert sein. Der Lagenaufbau könnte dabei folgendermaßen aus- sehen: Als unterste Lage kann eine Masselage vorgesehen sein. In der darüber liegenden Lage kann eine erste Nebenleitung angeordnet sein. In einer weiteren Lage können eine zweite Nebenleitung und die Hauptlei tung angeordnet sein. Darüber kann wiederum eine Masse- und Schal tungslage vorgesehen sein. Mit einem solchen Leiterkartenaufbau, der au- tomatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.

Als Basismaterial für die Leiterkarten kann beispielsweise eine mit Epoxid harz getränkte Glasfasermatte mit der Materialkennung FR4 vorgesehen sein. FR4 hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfre quenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier mit der Materialkennung FR2. Verwendung finden kann auch ein Basisma terial mit noch besseren Hochfrequenzeigenschaften wie z.B. Teflon, Alu miniumoxid oder Keramik in LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, dt. : Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken) und HTCC (High Temperature Cofired Ceramics dt. Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik) z.B. mit den Fir menbezeichnungen: Rogers RO4350, R04835 oder ArlonTC350. Grund sätzlich sind jedoch auch andere Leiterkartenmaterialen denkbar. Mit ei nem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt. Eine besonders gute Wärmeabführung und damit hohe Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit kann mit Basismaterialien mit Metallkernen wie Alumi nium oder Kupfer erzielt werden. Die Dicke der Leiterkarte kann weniger als 6 mm, vorzugsweise 4-5 mm, betragen. Die Breite der Nebenleitung beträgt vorzugsweise mehr als 100 pm. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Nebenleitung bei einem Ätzprozess nicht versehentlich aufgrund üblicher Ätztoleranzen zu schmal ausgeführt wird bzw. vollständig unterbrochen wird. Mit einem sol- chen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.

Die Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung kann als Leistungsmessvor richtung in einem Leistungsgenerator, insbesondere zur Versorgung eines Plasmas, verwendet werden, wobei vorzugsweise ein Signal bei einer Fre quenz in einem Bereich von 1-200 MHz, einer Leistung > 1 KW und einer Spannung > 200 V gemessen werden kann.

Ähnliche Messvorrichtungen und deren Anwendungen sind z.B. beschrieben in: EP 1 837 946 Bl, DE 10 2007 006 225 Al, DE 10 2008 005 204 Al, WO 2008/095708 Al, DE 20 2011 051 371 Ul, WO 2013/143537 Al, WO 2017/001596 Al, US 8,018,243 B2, DE 10 2012 223 660 B4. Die vor liegend beschriebene Erfindung ist geeignet, solche Vorrichtungen und An wendungen weiter zu verbessern und deren Messgenauigkeit und Zuverläs- sigkeit zu steigern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfin dung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Ein zelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich o- der zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Stadien der Benutzung dargestellt und in der nachfol genden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmess vorrichtung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungs

messvorrichtung;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmess vorrichtung;

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung eines Richtkopplers; Fig. 4b eine Draufsicht auf den Richtkoppler gemäß der Fig. 4a.

Die Figur 1 zeigt eine Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung 100 mit ei nem Richtkoppler 10. Der Richtkoppler 10 umfasst eine Hauptleitung 1 und zwei mit der Hauptleitung 1 in einem Koppelbereich K elektromagne tisch gekoppelten Nebenleitungen 2a, 3a, die jeweils einen Ausgang 7, 8 aufweisen. Die Nebenleitungen 2a, 3a dienen der Erfassung eines Signals, welches in einer ersten Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird. Weiterhin sind Nebenleitungen 2b, 3b vorgesehen, die zur Erfassung eines Signals, welches in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, vorgesehen sind.

Die Ausgänge 7, 8 sind an eine Signalverarbeitung 11 angeschlossen. Die Signalverarbeitung 11 ist ausgelegt, an der Stelle 20 ein Ausgabesignal auszugeben. Eine der Signalverarbeitung 11 entsprechende Signalverar beitung kann auch an die Nebenleitungen 2b, 3b angeschlossen sein. Es kann alternativ auch eine der in den Figuren 2, 3 dargestellten Signalver arbeitungen an die Ausgänge der Nebenleitung 2b, 3b angeschlossen sein.

Die Signalverarbeitung 11 weist einen Signalkombinierer 12 und eine Sig nalveränderungseinrichtung 13 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Signalveränderungseinrichtung 13 Phasenschieber 4, 5 auf, um die Phase der Signale, die an den Ausgängen 7, 8 ausgegeben werden, zu verändern und insbesondere die Signale, die an den Ausgängen 7, 8 aus gegeben werden, in ihrer Phasenbeziehung einzustellen. Dem Phasenschieber 5 vorgelagert ist ein Amplitudenbeeinflusser 5a. Der Amplitudenbeeinflusser 5a kann einen Spannungsteiler und/oder einen Verstärker umfassen. Der Amplitudenbeeinflusser 5a könnte auch dem Phasenschieber 5 nachgeordnet sein. Es wäre auch denkbar, ein an einem der Ausgänge 7, 8 ausgegebenes Signal lediglich in der Amplitude zu be- einflussen und nicht in der Phase zu beeinflussen. Insbesondere ist es auch denkbar, eines der Signale 7, 8 in der Signalveränderungseinrichtung 13 überhaupt nicht zu verändern, sondern nur eines der Signale, die an den Ausgängen 7, 8 ausgegeben werden, in der Amplitude und/oder Phase zu beeinflussen. Weiterhin ist es denkbar, dass mehr als zwei Ne benleitungen 2a, 3a vorgesehen sind und entsprechend mehr Ausgänge als die Ausgänge 7, 8 der Signalverarbeitung 11 und somit der Signalver änderungseinrichtung 13 zugeführt werden.

Der Signalkombinierer 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Addie- rer 15 ausgebildet. Insbesondere ist der Signalkombinierer 12 als analoger Addierer 15 ausgebildet. Zu diesem Zweck weist er Widerstände 6a, 6b auf, die an einem Knotenpunkt 21 zusammengeführt sind. Alternativ oder zusätzlich könnte der Addierer 15 auch einen Verstärker mit mehreren Eingängen oder weitere Elemente aufweisen. Durch die Signalverarbeitung 11 können die Ausgangssignale an den Ausgängen 7, 8 gewichtet werden. Dadurch kann die Leistung des Richtkopplers 10 erhöht werden. Insbeson dere kann die Richtwirkung verbessert werden.

Bei der Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrichtung 200 gemäß der Figur 2 ist der Richtkoppler 10 nur angedeutet. Der Richtkopp ler 10 weist die Ausgänge 7, 8 auf, die auch hier einer Signalverarbeitung 211 zugeführt sind. Die Signalverarbeitung 211 weist ebenfalls ein Signal kombinierer 212 und eine Signalveränderungseinrichtung 213 auf. An der Stelle 220 wird ein Ausgabesignal ausgegeben, das als Maß für die auf der Hauptleitung 1 übertragene Leistung dient.

Der Signalveränderungseinrichtung 213 vorgelagert ist eine A/D-Wandler- anordnung 222, die A/D-Wandler 223, 224 aufweist. Insbesondere ist je dem Ausgang 7, 8 ein A/D-Wandler 223, 224 zugeordnet.

Die so digitalisierten Signale gelangen an die Signalveränderungseinrich tung 213, die Signalbeeinflusser 215a, 215b umfasst. Die Signalbeeinflus- ser 215a, 215b können als Amplitudenbeeinflusser und/oder Phasenschie ber ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Signalbeeinflusser 215a, 215b sowohl die Amplitude als auch die Phase eines digitalisierten Signals beeinflussen. Dies kann beispielsweise durch Multiplikation der digitalisier ten Signale mit einem vorgegebenen Faktor erfolgen.

Die so beeinflussten Signale werden dem Signalkombinierer 212 zuge- führt, der einen Addierer 216 umfasst.

Das addierte Signal wird einer Weiterverarbeitungseinrichtung 225 zuge führt, wo eine Umsetzung des Signals in das Basisband erfolgt. Dies ge schieht, in dem ein LO-Signal in dem Multiplizierer 226 mit dem Aus- gangssignal des Addierers 216 multipliziert wird und anschließend mit ei nem Tiefpassfilter 227 tiefpassgefiltert wird. Das Ausgangssignal des Tief passfilters 227 entspricht dem Ausgabesignal an der Stelle 220. In der Signalverarbeitung 211 könnte jedoch auch eine anders ausgebildete Wei terverarbeitungseinrichtung 225 vorgesehen sein.

Bei der dritten Ausführungsform einer Hochfrequenzleistungsmessvorrich tung 300 gemäß der Figur 3 ist der Richtkoppler 10 wiederum lediglich schematisch dargestellt. Die Ausgänge 7, 8 sind einer Signalverarbeitung 311 zugeführt, die wiederum einen Signalkombinierer 312 und eine Sig- nalveränderungseinrichtung 313 aufweist. Die Ausgänge 7, 8 werden auch in diesem Fall zunächst einer A/D-Wandleranordnung 322 mit A/D-Wand lern 323, 324 zugeführt. Ehe die digitalisierten Signale an die Signalverän derungseinrichtung 313 gelangen, werden diese jedoch einem Umsetzer 350 zugeführt, wo eine Umsetzung der digitalisierten Signale in das Basis- band erfolgt. Zu diesem Zweck weist der Umsetzer 350 Multiplizierer 351, 352 auf, wo ein LO-Signal mit den Ausgangssignalen der A/D- Wandler 323, 324 multipliziert wird. Die multiplizierten Signale werden Tiefpassfil tern 353, 354 zugeführt. Die gefilterten Signale gelangen an die Signalveränderungseinrichtung 313. Dort werden die Signale verändert, indem sie in Multiplikatoren 355, 356 mit einem insbesondere komplexen Faktor 357, 358 multipliziert wer den.

Die multiplizierten Signale werden dem Signalkombinierer 312 zugeführt und dort durch einen Addierer 315 komplex addiert. Auf diese Weise wird das an der Stelle 320 ausgegebene Ausgabesignal erzeugt, welches als Maß für das auf der Hauptleitung 1 übertragene Signal verwendet werden kann.

Die Figur 4a zeigt eine detaillierte Darstellung des Richtkopplers 10, der auf einer gedruckten Leiterkarte (PCB) angeordnet ist. Der Richtkoppler 10 weist die Hauptleitung 1 auf, die sich in einer Längsrichtung L er- streckt. Die Hauptleitung 1 weist eine Breite von mindestens 3mm auf. Im Koppelbereich K sind die Nebenleitungen 2a, 3a angeordnet, die die Aus gänge 7, 8 aufweisen. Insbesondere sind die Nebenleitungen 2a, 3a paral lel zur Längsrichtung L ausgerichtet. Die Längsrichtung L und die Breitenrichtung B spannen eine Hauptlei tungsebene auf, in der die Hauptleitung 1 angeordnet ist. Die Nebenlei tung 2a ist in einer Ebene angeordnet, die beabstandet parallel zu der Hauptleitungsebene angeordnet ist. Insbesondere befindet sich die Neben leitung 2a unterhalb der Hauptleitung 1, insbesondere in einer anderen Lage einer Leiterkarte, jedoch überlappend zur Hauptleitung 1. Dadurch hat die Nebenleitung 2a eine überwiegend elektrische Kopplung zur Hauptleitung 1. Die Nebenleitung 3a befindet sich in der Hauptleitungs ebene in einem Abstand in Breitenrichtung B von der Hauptleitung 1. Die Nebenleitung 3a weist somit eine im Wesentlichen magnetische Kopplung zur Hauptleitung 1 auf. Sowohl die Hauptleitung 1 als auch die Nebenleitungen 2a, 3a sind in einem Substrat 30, insbesondere einer Lei terkarte angeordnet. Unterseitig weist der Richtkoppler 10 eine Masse platte 31 auf. Die Figur 4b zeigt eine Draufsicht auf den Richtkoppler 10. Hier ist noch mal deutlich zu erkennen, dass die Nebenleitung 2a überlappend zur Hauptleitung 1 angeordnet ist und die Nebenleitung 3a neben der Haupt leitung 1 angeordnet ist. Dadurch entstehen unterschiedliche Kopplungsef fekte zur Hauptleitung 1. Hier ist auch zu erkennen, dass für eine Aus- kopplung eines in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragenen Signals Nebenleitungen 2b, 3b vorgesehen sind. Die Anord nung der Nebenleitungen 2b, 3b entspricht der Anordnung der Nebenlei tungen 2a, 3a.