Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein variables Kondensatorsystem zur Impedanzanpassung, ein Anpassnetzwerk mit einem solchen variablen Kondensatorsystem, ein System umfassend ein solches Anpassnetzwerk und eine Verwendung des variablen Kondensatorsystems zur Impedanzanpassung sowie ein Verfahren zur Regelung eines solchen Anpassnetzwerks zur Impedanzanpassung.

Hintergrund der Erfindung

Eine Signalquelle wird über einen dualen Richtkoppler und ein variables Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung mit einer Last verbunden. Die Signalquelle weißt einen Ausgang mit einer inneren Quellimpedanz auf, die Last einen Eingang mit einer Lastimpedanz. Das variable Anpassnetzwerk weist einen, über den Richtkoppler mit dem Ausgang der Signalquelle verbundenen Eingang und einen mit dem Eingang der Last verbundenen Ausgang auf. Die Signalquelle gibt ein Quellsignal mit einer Signalfrequenz ab. In den Eingang des variablen Anpassnetzwerkes hinein wirkt eine Eingangsimpedanz auf das Quellsignal, welches vermittels des Richtkopplers von der Signalquelle zum Eingang des variablen Anpassnetzwerkes transportiert wird. Aus dem Ausgang des Richtkopplers wird das Signal mit einer Quellimpedanz abgegeben. Ein Teil des Signales wird am Eingang des variablen Anpassnetzwerkes zurück zur Quelle reflektiert.

Der Richtkoppler weißt neben einem Richtkopplereingang, welcher dem Ausgang der Signalquelle verbunden ist, einen Richtkopplerausgang auf, welcher mit dem Eingang des variablen Anpassnetzwerkes verbunden ist. Der Richtkoppler weist ferner einen Vorwärts-Koppelport auf und einen Rückwärts-Koppelport. Der Richtkoppler erzeugt auf dem Vorwärts-Koppelport ein Vorwärts-Signal, welches dem Quellsignal proportional ist. Der Richtkoppler erzeugt auf dem Rückwärts-Koppelport ein Rückwärts-Signal, welches dem am Eingang des variablen Anpassnetzwerkes zurück zur Quelle reflektierten Anteil des Quellsignals proportional ist. Aus dem Verhältnis der Leistungen des Vorwärts-Signales und des Rückwärts-Signales lässt sich nach dem Stand der Technik bekannten Methoden eine Fehlanpassung zwischen Quellimpedanz und Eingangsimpedanz bestimmen. Aus der Quellimpedanz und dem Vorwärts- und Rückwärtssignal in Betrag und Phase lässt sich darüber hinaus nach dem Stand der Technik bekannten Methoden die Eingangsimpedanz selbst bestimmen. Die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes wird über die Werte einer ersten Anzahl von Steuersignalen beeinflusst. Ziel dieser Beeinflussung kann sein, die Fehlanpassung zu minimieren.

Aus der Druckschrift US 4,951,009 sind variable Anpassnetzwerke mit einer ersten variablen Reaktanz und einer zweiten variablen Reaktanz bekannt. Der Wert der ersten variablen Reaktanz wird mit Hilfe eines ersten Steuersignales, der Wert der zweiten variablen Reaktanz wird mit Hilfe eines zweiten Steuersignales geregelt. Beim automatischen Abgleich des variablen Anpassnetzwerks dient die möglichst vollständige Reduktion der des Betrags der Eingangsreflektion als Zielgröße, das erste Steuersignal und das zweite Steuersignal als Regelgrößen. Im Rahmen eines automatischen Abgleichs wird das erste Steuersignal mit einer Variation seines Wertes um einen kleinen Betrag mit einer ersten Variationsfrequenz und das zweite Steuersignal mit einer Variation seines Wertes um einen kleinen Betrag mit einer zweiten Variationsfrequenz beaufschlagt. Die Änderung der Zielgröße wird mit der Variation der Stellgrößen in Beziehung gesetzt. Hiervon ausgehend wird die Zielgröße durch geeignete Anpassung der Werte der Stellgrößen optimiert.

Weiterer sind Stand der Technik sogenannte Varaktoren, bei denen die Kapazitätsänderung auf der Änderung einer Vorspannung über einer Raumladungszone zwischen entgegennamig dotierten Halbleiterbereichen beruht. Stellen sie auch elektrisch veränderliche Kapazitätswerte zur Verfügung, erscheinen sie doch nur schwerlich geeignet, auf eine wirtschaftlich vertretbare Weise Hochleistungs-Anpassnetzwerke aufzubauen.

Der Stand der Technik kennt ferner Kondensatoren mit feldstärkeabhängiger Dielektrizitätskonstante eines Dielektrikums. Auch diese sind selbstverständlich nur für den Kleinsignalbetrieb geeignet - durch Beaufschlagung mit einer hohen Wechselspannung wird ja die Kapazität moduliert.

Nachteilig an dem Stand der Technik ist demnach, dass dieser keine in ihrem Kapazitätswert schnell und stufenlos in ihrem Kapazitätswert veränderlichen Kondensatoren zur Verfügung stellt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen veränderlichen Kondensator zur Verfügung zu stellen, der die voranstehenden Nachteile nicht zeigt.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein variables Kondensatorsystem für eine Impedanzanpassung aus einer Parallel- oder Serienschaltung eines variablen Transduktors mit einem Kondensator. Der hier verwendete Kondensator braucht kein variabler Kondensator zu sein, da der Transduktor selber das variable Stellglied ist, dass zusammen mit dem Kondensator in Parallel- oder Serienschaltung wie ein variabler Gesamtkondensator wirkt, ohne dass dafür ein variabler Kondensator in der Schaltung verwendet werden muss. Über den schnell zu schaltenden Transduktor erhält man einen schnell und stufenlos veränderlichen Gesamtkondensator in Form des variablen Kondensatorsystems.

Die vorliegende Erfindung stellt somit einen veränderlichen Kondensator zur Verfügung, der die voranstehenden Nachteile des Stands der Technik nicht zeigt.

In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Kondensator um einen Kondensator mit einem festen Kapazitätswert oder einem variablen Kapazitätswert, wobei der Kondensator für letzteres vorzugsweise als Vakuumkondensator oder Drehkondensator ausgeführt ist. Dabei können der Kondensator und der Transduktor als Parallelschaltung angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kondensatorsystem des Weiteren eine elektronische Steuereinrichtung, die es erlaubt, einen Kondensatorwert für das variable Kondensatorsystem zumindest mittels des variablen Transduktors zur Impedanzanpassung einzustellen·

In einer weiteren Ausführungsform ist der Transduktor ein Hochleistungs- Hochfrequenz-Transduktor. In einer weiteren Ausführungsform weist der Transduktor einen weichmagnetischen Eisenkern, Ferritkern oder einen sättigbaren ferromagnetischen Kem auf.

In einer weiteren Ausfährungsform weist der Transduktor einen Ringkem, einen Stabkem oder einen EI-Kem auf. Bei einem EI-Kem ist die Mantelbauform beispielsweise aus wechselseitig geschichteten Stapeln aus Blechen in E- und I-Form gebildet. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein variables Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung umfassend als Stellglied ein oder mehrere erfindungsgemäße variable Kondensatorsysteme.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System umfassend eine Signalquelle, eine Last, einen Richtkoppler und ein erfindungsgemäßes variables Anpassnetzwerk, wobei die Signalquelle über den Richtkoppler und das variable Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung mit der Last verbunden ist.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verwendung eines oder mehrerer erfindungsgemäßer variabler Kondensatoren eines Anpassnetzwerks zur Impedanzanpassung in einem erfindungsgemäßen System. Es war geltende Lehre, dass sich Transduktoren aufgrund inhärenter Verluste nicht für Hochfrequenz-Leistungs- Anpassnetzwerke eignen. Entgegen diesem Vorurteil sind erfindungsgemäße impedanzvariable Anpassnetzwerke auch im Bereich von 27MHz und 50kW Hochfrequenzleistung auch zur Anpassung extremer Impedanzverhältnisse von 100:1 geeignet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Regelung eines erfindungsgemäßen variablen Anpassnetzwerkes zur Impedanzanpassung umfassend die folgenden Schritte:

Vermessen von Transformationsmatrizen des variablen Anpassnetzwerkes für eine Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen; Vermessen einer bei einem beliebigen Wertetupel in den Eingang des Anpassnetzwerkes hinein gesehenen Eingangsimpedanz;

Bestimmen eines das beliebige Wertetupel bestmöglich approximierenden vordefinierten Wertetupels aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer dem vordefinierten Wertetupel entsprechend der Transformationsmatrizen; und

Berechnen der der Eingangsimpedanz zugrundeliegenden Lastimpedanz ausgehend von dem bestmöglich approximierenden vordefinierten Wertetupels und von der zugehörigen Transformationswirkung gemäß einer der Transformationsmatrizen.

Die Kenntnis der Lastimpedanz erlaubt weitgehende Schlussfolgerungen auf den Zustand der Last, welche eine genaue Prozessfiihrung in vielen Fällen erleichtern. Das Anpassnetzwerk kann z.B. für eine Schweißpresse eingesetzt werden. Ist die Last beispielsweise ein vermittels Hochfrequenz zu verschweißendes Paket aus PVC-Folie, lässt sich, bei Kenntnis der temperaturabhängigen Materialparameter der PVC-Folie, aus der Fläche des Schweißwerkzeuges und der Lastimpedanz die verbleibende Dicke und die erreichte Temperatur des Folienpakets berechnen. Hierdurch wird eine genaue Prozessführung enorm vereinfacht.

Unter „Anpassnetzwerk“ versteht man ein elektrisches Netzwerk, welches für eine Impedanzanpassung geeignet ist. Durch „Impedanzanpassung“, auch Leistungsanpassung genannt, wird in der Hochfrequenztechnik eine Quelle eines Signales optimal an eine Last angepasst. Wenn beim Leitungstransport hochfrequenter Leistung die Impedanz nicht angepasst ist, führt dies zu stehenden Wellen auf der Leitung; hierdurch steigt die Belastung der Leitung, während gleichzeitig nicht die vollständige Leistung vom Generator zur Last übertragen wird. Auf einer Leitung mit vollständig stehender Welle kann keine Energie transportiert werden. Das Anpassnetzwerk kann kapazitive und/oder induktive Elemente umfassen. Bei einer erfindungsgemäßen Schweißpresse, zum Beispiel, sieht man in den Hochfrequenz-Eingang der Schweißpresse eine zeitlich veränderliche Eingangsimpedanz. Diese kann sich typischer Weise in der Gegend von 1 Ohm befinden. Anders als bei einer unveränderlichen Last muss daher die Impedanz der Quelle an eine zeitlich veränderliche Lastimpedanz angepasst werden. Weiterhin weist das erfindungsgemäße variable Anpassnetzwerk einen HF-Eingang und einen HF-Ausgang auf. Der HF-Eingang der Schweißpresse ist mit dem HF-Ausgang des variablen Anpassnetzwerkes verbunden. Eine Hochfrequenz-Quelle speist Hochfrequenz-Leistung in den HF-Eingang des variablen Anpassnetzwerkes, und, über das variable Anpassnetzwerk, Hochfrequenz-Leistung in die Schweißpresse ein. Die Hochfrequenz-Quelle hat einen HF-Ausgang mit einer Quellimpedanz. Diese Quellimpedanz kann typischer Weise 50 Ohm betragen. Der HF-Ausgang der Hochfrequenzquelle ist mit dem HF-Eingang des Anpassnetzwerkes verbunden. Zwischen einer Quelle und einer Last wird Hochfrequenzleistung dann optimal übertragen, wenn die Eingangsimpedanz der Last und die Ausgangsimpedanz der Quelle bei Betriebsfrequenz zueinander komplex konjugiert sind.

Eine „eingangsseitige Anpassung“ liegt vor, wenn während die Hochfrequenz-Quelle ein Hochfrequenzsignal in den HF-Eingang des variablen Anpassnetzwerkes speist, die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenz-Quelle an die Eingangsimpedanz des variablen Anpassnetzwerkes angepasst ist. Die in das Hochfrequenzsignal in den HF-Eingang des variablen Anpassnetzwerkes hinein wirksame Eingangsimpedanz stellt daher die Lastimpedanz für die Hochfrequenz-Quelle. Leistung wird optimal zwischen dem Ausgang der Hochfrequenz-Quelle und dem HF-Eingang des variablen Anpassnetzwerkes übertragen, wenn die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenz-Quelle und die Eingangsimpedanz des variablen Anpassnetzwerkes komplex konjugiert zueinander sind.

Eine „ausgangsseitige Anpassung“ liegt bezogen auf den Ausgang des variablen Anpassnetzwerkes, vor, wenn das variable Anpassnetzwerk dagegen als „Quelle“ für Hochfrequenzleistung f r die Schweißpresse wirkt. Leistung wird optimal zwischen dem Ausgang des variablen Anpassnetzwerks und dem HF-Eingang der Schweißpresse übertragen, wenn die Ausgangsimpedanz des variablen Anpassnetzwerks und die Eingangsimpedanz der Schweißpresse komplex konjugiert zueinander sind. Ist das variable Anpassnetzwerk im Wesentlichen reziprok und verlustfrei, liegt eingangsseitige Anpassung genau dann vor, wenn ausgangsseitige Anpassung vorliegt.

Eine „Transformationswirkung“ beschreibt die Anpasswirkung des Anpassnetzwerkes, die durch einen Satz von Steuergrößen an Steuer-Eingängen des variablen Anpassnetzwerks gesteuert werden kann. Die Transformationswirkung wird zwischen dem Ein- und dem Ausgang des variablen Anpassnetzwerks gemessen. Dabei kann sich die Transformationswirkung nicht nur auf eine Abbildung von Eingangsimpedanz auf eine Ausgangsimpedanz beschränken. Zu jedem „Tupel“ (oder auch „Wertetupel“ genannt) von Steuergrößen gehört eine Transformationswirkung.

Unter einer „Transformationsmatrix“ oder auch „Transformationswirkungsmatrix“ versteht man eine ein oder mehrdimensionale Matrix mit einer oder verschiedenen Transformations Wirkungen als Matrixelemente. Die der Transformationsmatrix zugehörigen Transformationswirkung(en) werden durch gegebene Umstände (wie. z.B. Zustand der Last etc.) ausgewählt. Eine Transformationswirkung wird durch ein Tupel von Steuergrößen bestimmt. Das erfindungsgemäße variable Anpassnetzwerk lässt sich in vielen Fällen als ein lineares System annähem. Daher kann die Transformationswirkungsmatrix z.B. eine S-Matrix sein. In einem Ausfährungsbeispiel lässt sich die Transformationswirkung direkt mit einem Vektor-Netzwerkanalysator als S-Matrix messen, wenn sowohl Quell- als auch Lastimpedanz des Anpassnetzwerkes ausreichend nahe bei 50 Ohm sind. In einem anderen Ausfährungsbeispiel lässt sich die Transformationswirkung bei einem nichtlinearen Anpassnetzwerk mit einem hinreichend leistungsstarken Signal messen. Ausgehend von der Eingangsimpedanz des Netzwerks (z.B. der durch das Anpassnetzwerk transformierten Lastimpedanz einer Schweißpresse) und der S-Matrix lässt sich der Wert der Lastimpedanz der Schweißpresse berechnen. Dieses kann ebenso für die Berechnung der Verluste im Anpassnetzwerk gelten. Die Transformationswirkung kann also wesentlich umfassender sein als nur ein (komplexer) Quotient aus Aus- und Eingangs-Impedanz (nicht: Signal).

Unter „Steuersignale“, auch „Steuergrößen“ oder auch „Regelgrößen“ oder ähnlich genannt, versteht man z.B. Ströme, die an den Steuer-Eingängen das Netzwerk angelegt werden. Mit „Tupel“ oder „Wertetupel“ wird ein Satz von Steuergrößen bezeichnet. Wird eine (erste) Transformationswirkung des Anpassnetzwerkes etwa mit_Hilfe zweier unabhängiger Ströme II und 12 eingestellt, wäre ein Wertetupel ein Paar konkreter Werte dieser beiden Steuerströme. Ein anderes Wertetupel mit anderen Werten von Steuerströmen ergibt eine weitere Transformationswirkung. Die Steuergrößen, bzw. Steuerströme II und 12 können in einem Bereich von z.B. 0A bis beliebig unabhängig voneinander variiert werden. Dabei entsteht eine Wertetupeltabelle, wobei jeder Eintrag einer Transformationswirkung zugeordnet ist.

Vor einem ersten Anlegen der zu vermessenden variablen Last (z.B. vor dem ersten Schweißen bei einer Schweißpresse) wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren Transformationsmatrizen des variablen Anpassnetzwerkes für jedes Wertetupel aus eine Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen vermessen. Dabei werden jeweils eine Transformationswirkung des erfindungsgemäßen Anpassnetzwerkes für eine vordefinierte endliche Menge an Tupeln von Steuergrößen t gemessen. Unter den „Transformationsmatrizen zu einer Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen“ versteht man daher z.B. die Menge an gemessenen Transformationswirkungen des Anpassnetzwerkes für vordefinierte Ströme an einer diskreten Stützlast. Diese Transformationswirkungen werden auch „erste Transformationswirkung(en)“ genannt. Die Elemente der Menge sind Tupel von Steuergrößen, und jedem Tupel aus der Menge ist eine gemessene Transformations wirkung des variablen Anpassnetzwerks zugeordnet. Als Beispiel könnte eine Transformationswirkung TW1 bestimmt und in die Menge von Transformationsmatrizen aufgenommen werden, die bei den Strömen II und 12 über das Anpassnetzwerk vorliegt. Eine Transformationswirkung TW2 könnte analog bei den Strömen 13 und 14 bestimmt werden. Die Menge und ihre Elemente, die Tupel, werden zur Laufzeit nicht verändert Anschließend wird in einem Schritt des erfmdungsgemäßen Verfahrens eine bei einem beliebigen Wertetupel von Steuersignalen in den Eingang des Anpassnetzwerkes hinein gesehenen Eingangsimpedanz vermessen. Dabei wird bei einer variablen Last und bei einem beliebigen Wertetupel (auch „zweites Wertetupel“ genannt) von Steuersignalen (z.B. beliebige II und 12), diese in den Eingang des Anpassnetzwerkes hinein gesehenen Eingangsimpedanz gemessen. Die Eingangsimpedanz des variablen Anpassnetzwerks und die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenz-Quelle für eine Schweißpresse liegen typischer Weise in einem Bereich, in dem der Leistungstransport von Hochfrequenzleistung sinnvoll möglich ist, beispielsweise 50 Ohm. Entsprechend können Richtkoppler geeignet sein für die Messung vor- und rücklaufender HF-Signale. Die Eingangsimpedanz der Schweißpresse dagegen liegt typischer Weise in der Gegend von 1 Ohm. Hier lassen sich Impedanzen nur schwer messen. Um etwa die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks (von 50 Ohm auf 1 Ohm) messen zu können, würden Mess-Adapter, die die 1 Ohm wieder in die Gegend von 50 Ohm verschieben können, benötigt. Diese sind jedoch während des Schweiß Vorgangs von Nachteil. Erfmdungsgemäß wird daher eine Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks und die in seinen Eingang hinein gemessene Impedanz herangezogen, um die Impedanz zu berechnen, mit der der Ausgang des variablen Anpassnetzwerks abgeschlossen ist, also die Eingangsimpedanz der Schweißpresse.

Liegt zwischen Hochfrequenz-Quelle und dem Eingang des variablen Anpassnetzwerks komplex konjugierte Anpassung vor, so wird keine Leistung von dem Eingang des variablen Anpassnetzwerkes in den Ausgang der Hochfrequenz-Quelle zurückreflektiert. Die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks wird mit Hilfe von Steuersignalen eingestellt. Es ist möglich die Reflektion der Quell-Leistung am Eingang des variablen Anpassnetzwerks zu messen und mit Hilfe der Steuergrößen zu minimieren. So kann z.B. die von der Hochfrequenz-Quelle an das variable Anpassnetzwerk abgegebene Leistung maximiert werden. Wäre das variable Anpassnetzwerk reziprok und verlustfrei, würde hierdurch zugleich auch die vom Ausgang des variablen Anpassnetzwerks an die Schweißpresse abgegebene Leistung maximiert werden. Tatsächlich kann in der Praxis jedoch der Fall auftreten, dass im Wesentlichen die gesamte Hochfrequenzleistung der Hochfrequenzquelle im Anpassnetzwerk in Wärme umgesetzt wird. Auch in diesem Fall wird am Eingang des variablen Anpassnetzwerks keine Leistung zur Hochfrequenzquelle zurückreflektiert und es herrscht dort „Anpassung“. Daher lässt sich nur anhand von Messungen der Reflektion am Eingang des variablen Anpassnetzwerks, welches leicht gemessen werden kann, nicht unterscheiden, ob die Leistung im Wesentlichen vollständig an die Schweißpresse abgegeben, im Wesentlichen vollständig im variablen Anpassnetzwerk verheizt wird, oder ob irgendein Fall dazwischen vorliegt.

Daher ist es nicht zuverlässig, nur die Reflektion zwischen Hochfrequenz-Quelle und variablem Anpassnetzwerk zu messen. Bei einer Schweißung ändert sich im Verlauf die in den Eingang der Schweißpresse hineinwirksame Impedanz, da z.B. die Geometrie und Leitfähigkeit der zu verschweißende Folie sich ändert. Es ändert sich hiermit auch die Reflektion der Leistung zwischen Hochfrequenz-Quelle und Eingang des variablen Anpassnetzwerks. Wenn die Steuersignale so geregelt werden, dass die Reflektion am Eingang des Anpassnetzwerkes minimiert wird, wäre ein Fall möglich, in welchem die Leistung nicht mehr aus dem variablen Anpassnetzwerk an die Schweißpresse abgegeben wird, sondern stattdessen im variablen Anpassnetzwerk verheizt wird. Die Schweißung kann dann zum Erliegen kommen und das variable Anpassnetzwerk kann beschädigt werden.

Daher ist es von Vorteil, die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes für jeden Satz von Steuergrößen zu kennen, sodass man, ausgehend von der gemessenen Reflektion am Eingang des variablen Anpassnetzwerks und der bekannten Transformationswirkung bei dem aktuell vorliegenden Satz von Steuergrößen, die in die Schweißpresse hinein gesehen Eingangsimpedanz berechnen kann. Ebenso kann man die momentanen Verluste im variablen Anpassnetzwerk berechnen. Weiterhin ist diese Kenntnis von Vorteil, da man durch die Kenntnis die Einstellung der Steuersignale so wählen kann, dass exzessive Leistungsverluste im Anpassnetzwerk vermieden werden können. Jedoch ist es nicht möglich, im Vorfeld für jeden möglichen Satz von Steuergrößen die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes zu messen. Es muss sich auf die Messung einer endlichen Menge von vordefinierten diskreter Wertetupel einer Anzahl von Steuersignalen beschränkt werden.

In einem weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein das beliebige Wertetupel bestmöglich approximierendes vordefiniertes Wertetupel aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen, sowie eine dem vordefinierten Wertetupel bestimmt. Um die variable Lastimpedanz zu bestimmen, wird zusätzlich zur gemessenen Eingangsimpedanz noch die momentan herrschende Transformationswirkung, die „zweite Transformationswirkung“ über das Anpassnetzwerk benötigt. Die momentan herrschende Transformationswirkung kann jedoch nicht gemessen werden und wird daher annäherungsweise durch eine Transformationsmatrix, also eine erste Transformationswirkung, der oben genannten Menge von Transformationsmatrizen ersetzt. In einer alternativen Ausführungswird werden stattdessen mehrere ,nahe‘ am aktuell anliegenden Tupel von Steuersignalen liegende Stützstellen ausgesucht, für welche Stützstellen die Transformationswirkungen gemessen worden sind, und zwischen diesen wird interpoliert, um die Transformationswirkung bei dem aktuell anliegenden Tupel von Steuersignalen näherungsweise bestimmen zu können. Auch in dieser Ausführungsform wird die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes bei dem aktuell anliegenden Tupel von Steuersignalen näherungsweise bestimmt.

Liegt während einer Inbetriebnahme (während eines Schweißvorgangs) mit einer variablen Last (z.B. Folie während einer Schweißung) nun ein tatsächliches Tupel von Steuergrößen vor - also beispielsweise eines, für welches die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks nicht im Vorfeld bereits gemessen worden ist - wird zunächst ein derartiges Näherungs-Tupel aus der Menge von Tupeln von Steuergrößen bestimmt, dass das Näherungs-Tupel unter allen Tupeln aus der Menge von Tupeln dem tatsächlichen Tupel bestmöglich entspricht, und die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks bei dem Näherungs-Tupel wird als Annäherung an die tatsächliche Transformationswirkung (also die „zweite Transformationswirkung“) des variablen Anpassnetzwerks bei dem tatsächlichen Tupel von Steuergrößen herangezogen.

In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die der Eingangsimpedanz zugrundeliegenden Lastimpedanz ausgehend von dem bestmöglich approximierenden vordefinierten Wertetupels und von der zugehörigen Transformationswirkung gemäß der Transformationswirkungsmatrix näherungsweise berechnet. Dabei wird aus der oben gemessenen Eingangsimpedanz und der näherungsweise bekannten aktuellen Transformationswirkung des Anpassnetzwerkes die aktuelle Impedanz der Last berechnet, bzw. näherungsweise an ihren tatsächlichen Wert bestimmt. Ist die aktuelle Lastimpedanz bekannt, so kann ein neues Tupel von Steuersignalen bestimmt werden, vermittels dessen die Lastimpedanz durch das variable Anpassnetzwerk besser an die gewünschte Lastimpedanz für den Verstärker angepasst werden kann. Auch hier kann aus den vorbestimmten Transformationswirkungen aus der Transformationswirkungsmatrix eine ausgewählt werden, bei der die näherungsweise bekannte Impedanz der variablen Last bestmöglich auf die gewünschte Lastimpedanz für den Verstärker transformiert wird. In einer Ausführungsform kann zwischen den bekannten Tupeln von Steuersignalen und den zugehörigen, im Vorfeld vermessenen Transformationswirkungen interpoliert werden, um auf ein geeignetes Tupel von Steuersignalen zu kommen, durch welches die gewünschte Lastimpedanz für den Verstärker realisiert werden kann.

Durch eine Iteration von Impedanzmessung und Anpassung der Steuersignale kann mit dem variablen Anpassnetzwerk einer Laständerung dergestalt gefolgt werden, dass der Verstärker, ungeachtet der Schwankungen in der Lastimpedanz, stets mit einer hinreichenden Anpassung betrieben wird.

Mit anderen Worten gehört eine erste Transformationswirkung zu einem Wertetupel aus der Menge von Wertetupeln, zu denen die Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes im Vorfeld ausgemessen worden ist. Die „zweite“ Transformationswirkung ist die zu einem beliebigen, während des Betriebs des variablen Anpassnetzwerkes auftretenden Tupel von Steuersignalen gehörige Transformationswirkung. Im Allgemeinen wird dieses Tupel nicht aus der Menge sein, sich aber geeignet durch ein geeignetes Tupel aus der Menge approximieren lassen. In diesem Fall wird die zweite Transformationswirkung durch die Transformationswirkung zu dem bestimmten Tupel oder durch geeignete Interpolation zwischen derartigen Tupeln und den den Tupeln zugehörigen Transformationswirkungen approximiert. Als bestimmtes Tupel lässt sich ein das zweite Tupel bestmöglich approximierendes Tupel aus der Menge wählen, oder auch ein geeignet zwischen Tupeln aus der Menge interpolierendes neues Tupel, in welchem Fall diesem auch eine interpolierende neue Transformationswirkung zuzuordnen wäre. Ausgehend von der - in einer Umgebung von beispielsweise 50 Ohm gut messbaren - Eingangsreflektion des variablen Anpassnetzwerks und der Annäherung an die tatsächliche Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerks wird eine Annäherung an die Eingangsimpedanz der Schweißpresse bestimmt, und aus der Annäherung an die Eingangsimpedanz der Schweißpresse und der Annäherung an die tatsächliche Transformationswirkung lässt sich eine Abschätzung der momentanen Leistungsverluste im variablen Anpassnetzwerk gewinnen.

Mit Hilfe dieser Information gelingt es, die Steuergrößen des variablen Anpassnetzwerks, beispielsweise computergesteuert, stets so zu wählen, dass der an die Schweißpresse abgegebene Anteil der Hochfrequenz-Leistung der Hochfrequenz-Quelle maximiert, und nicht nur der am Eingang des variablen Anpassnetzwerkes reflektierte Anteil der Hochfrequenz-Leistung der Hochfrequenz-Quelle minimiert wird. Es lassen sich weiterhin die Verluste im variablen Anpassnetzwerks kontrollieren und eine thermische Beschädigung des variablen Anpassnetzwerks vermeiden.

Mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren besitzt ein variables Anpassnetzwerk eine schnelle Regelgeschwindigkeit, bei dem zugleich zuverlässig ein globales Optimum der Fehlanpassung am Eingang eines variablen Anpassnetzwerkes mit einer ersten Anzahl von Steuersignalen erzielt wird. Der Stand der Technik mißt typischerweise höchstens die durch die Quelle abgegebene Hochfrequenz-Leistung, meist jedoch nur die von der Quelle aufgenommene DC-Leistung, um die von Schweißgut beziehungsweise Schweißquelle aufgenommene Hochfrequenz-Leistung abzuschätzen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die durch Schweißgut beziehungsweise Schweißpresse aufgenommene Leistung wesentlich genauer als nach dem Stand der Technik bestimmt. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt hiernach eine wesentlich genauere Steuerung der Schweißung.

In einem Ausführungsbeispiel, kann zumindest eine der Impedanzen weit ab von 50 Ohm liegen, sodass ein oder mehrere Adapter benötigt werden, die die 50 Ohm deines VNA hinreichend nahe an die gewünschten Impedanzen schieben. Zum Beispiel kann so ein Adapter bei einer Betriebsfrequenz von 50 Ohm auf 5 Ohm (sowie, andersherum, von 5 Ohm auf 50 Ohm) transformieren. Hierbei muss zunächst die Transformationswirkung des Adapters bestimmt werden. Dies kann durch Simulation geschehen. In einer weiteren Ausführungsform können zwei Adapter „Rücken an Rücken“ gemessen werden (50R- 5R, 5R-50R) und dann zwischen die beiden Adapter (bspw.) 5-Ohm-Leitungen unterschiedlicher Längen eingebracht werden (50R->5R, Leitung, 5R->50R). Aus der Annahme der Symmetrie der Adapter und den bei unterschiedlichen Längen der Leitungen mit dem VNA bestimmten S-Matrizen lässt sich auf die S-Matrix des Adapters schließen. In einem weiteren Schritt wird eine Anordnung , dapter 50R->5R, Anpassnetzwerk (zum Beispiel von 5R nach 50R)“ mit dem VNA, wobei beide Seiten ungefähr 50R aufweisen, anschließend gemessen. Nach dieser Messung kann die Wirkung des Adapters herausgerechnet werden, welches man auch „de-embedding“ nennt. Auf diese Weise kann man die Transformationswirkung einer großen Menge sinnvoller Anpassnetzwerke bestimmen (z.B. als S-Matrizen).

In einer Ausfährungsform umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

Wahl einer ersten ganzen Anzahl n;

Wahl eines Minimums und eines Maximums zu jedem Steuersignal;

Wahl der ersten Menge von Wertetupeln als Tupel aus n äquidistanten Werten zwischen dem jeweiligen Minimum und Maximum des jeweiligen Steuersignales, wobei die „erste Menge“ die vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen entspricht. Je höher die Zahl n gewählt ist, desto genauer ist die Justierung der Anpassung, da die Schritte zwischen dem Minimum und Maximum kleiner sind. Jedoch muss hier eine geeignete Wahl für n basierend auf den Umständen (Steuerung, Last etc.) getroffen werden, da mehr Justierungsschritte auch mehr Zeit in Anspruch nehmen. Als Minimum und Maximum eines jeden Steuersignales ist die Höhe des jeweiligen Steuersignals gemeint. Ein computergesteuerter Suchalgorithmus kann z.B. ein Minimum und ein Maximum, d.h. ein Wertebereich für jeweils eine Steuergröße für eine optimale Anpassung bei der gegebenen Last herausfinden. Diese Minima und Maxima können aus der Wertetupeltabelle ausgewählt werden. Auf diese Weise kann die Menge an Wertetupel für das erfindungsgemäße Verfahren gewählt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass z. B. eine anschließende Anwendung innerhalb von einem „optimalen“ Minimum/Maximum der Steuersignale aus ausgeführt werden kann. Dadurch kann ein besonders zeiteffizienter Ablauf der Anwendung erreicht werden. Auch hat es den Vorteil, dass ein besonders zeiteffizienter Ablauf empfindliche Halbleiterkomponenten in der Hochfrequenz-Quelle schützen kann.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

Bestimmen eines dritten Wertetupels aus der Anzahl von Steuersignalen, bzw. aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer zweiten Transformationswirkung dergestalt, dass die Fehlanpassung zwischen der mittels der zweiten Transformationswirkung transformierten Lastimpedanz und der Quellimpedanz unter allen Wertetupeln aus der Menge an Wertetupeln ein Minimum annimmt; und

Setzen der Steuersignale auf die durch das dritte Wertetupel gegebenen Werte. Durch die Verwendung eines Modells für das variable Anpassnetzwerk lässt sich in einem Schritt die Fehlanpassung minimieren, und es wird ein Optimum der Fehlanpassung unmittelbar erreicht. Aus der Transformationswirkung folgt auch der Verlust an Signalleistung zwischen Eingang und Ausgang des variablen Anpassnetzwerkes.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

Bestimmen eines vierten Wertetupels aus der ersten Anzahl von Steuersignalen, bzw. aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer zweiten Transformationswirkung dergestalt, dass der an den Eingang der Last bei der Lastimpedanz abgegebene Teil der Leistung des Quellsignales unter allen Wertetupeln aus der ersten Menge, bzw. aus der Menge von vordefmierten Wertetupeln einer

Anzahl von Steuersignalen ein Maximum annimmt; und

Setzen der Steuersignale auf die durch das vierten Wertetupel gegebenen

Werte.

Das variable Anpassnetzwerk weist im Allgemeinen Verluste auf. Bei geringen Verlusten im variablen Anpassnetzwerk unterscheidet sich das dritte und das vierte Wertetupel nicht wesentlich, die Minimierung der Fehlanpassung an die Quellimpedanz und die Maximierung der an die Last abgegebenen Leistung erfolgen bei denselben Wertetupeln. Mit steigenden Verlusten im Anpassnetzwerk ist dies nicht mehr notwendigerweise der Fall. Soll auch bei nichtvemachlässigbaren Verlusten im variablen Anpassnetzwerk die an die Last abgegebene Leistung maximiert werden, wird dies vorteilhaft durch diese alternative Ausführungsform geleistet.

In einer bevorzugten Ausfiihrungsform der alternativen Ausfuhrungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt der Bestimmung der an die Last bei der Lastimpedanz abgegebene Leistung aus der Leistung des Quellsignales, der Quellimpedanz und der Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes bei Setzen der Steuersignale auf die durch das vierten Wertetupel gegebenen Werte. Namentlich wenn die Last ein Plasma zur Bearbeitung von Halbleiterwafern darstellt, ist die genaue Kenntnis (und, darauf aufbauend, Steuerung) der an die Last abgegebenen Leistung von großer Bedeutung. In obiger Ausfuhrungsform wird ermöglicht, die an die Last abgegebene Leistung genauer zu bestimmen, als wenn diese, wie nach dem Stand der Technik üblich, lediglich durch die Leistung des Quellsignales angenähert wird.

Es versteht sich, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen oder Merkmale daraus auch in beliebigen von den Ansprüchen und von deren Rückbezüge abweichenden Kombinationen miteinander kombiniert werden können, um Lösungen der voranstehenden Aufgabe im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Kurze Beschreibung der Figuren

Zusätzlich sind weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert. Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei die Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.

Die Zeichnung zeigen:

Fig.l: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen variablen Kondensatorsystems;

Fig.2: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anpassnetzwerks;

Fig.3: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems; und Fig.4: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausfuhrungsbeispiele

Fig.l zeigt schematisch das erfindungsgemäße variable Kondensatorsystem 1 für eine Impedanzanpassung aus einer Parallel- oder Serienschaltung eines variablen Transduktors 11 mit einem Kondensator 12 in Fig.l a, wobei das Kondensatorsystem 1 aufgrund des variablen Transduktors 11 wie ein variabler Kondensator gemäß Fig.l b wirkt. Bei dem Kondensator 12 im Kondensatorsystem 1 kann es sich um einen Kondensator mit einem festen Kapazitätswert oder mit variablem Kapazitätswert handeln, bei Letzterem ist vorzugsweise der Kondensator 12 als Vakuumkondensator oder Drehkondensator ausgeführt, wobei dann der Kondensator 12 und der Transduktor 11 als Parallelschaltung angeordnet sind. Das Kondensatorsystem 1 kann des Weiteren eine elektronische Steuereinrichtung 13 umfassen, die es erlaubt, einen Kondensatorwert für das variable Kondensatorsystem 1 zumindest mittels des variablen Transduktors 11 zur Impedanzanpassung einzustellen. Hierbei kann der Transduktor 11 ein Hochleistungs-Hochfrequenz-Transduktors sein. Der Transduktor 11 kann dabei einen weichmagnetischen Eisenkern, Ferritkern, einen Ringkem, einen Stabkem, einen EI-Kem oder einen sättigbaren ferromagnetischen Kem aufweisen.

Fig.2 zeigt schematisch das erfindungsgemäßes Anpassnetzwerk 4, zur Impedanzanpassung umfassend als Stellglied ein oder mehrere variable Kondensatorsysteme 1. Hierzu kann das Anpassnetzwerk 4 als variable Stellglieder 41 ein oder mehrere variable Transduktoren 11 umfassen.

Fig.3 zeigt schematisch das erfindungsgemäßes System 1 umfassend eine Signalquelle 2, eine Last 5, einen Richtkoppler 3 und ein erfindungsgemäßes variables Anpassnetzwerk 4, wobei die Signalquelle 2 über den Richtkoppler 3 und das variable Anpassnetzwerk 4 zur Impedanzanpassung mir der Last 5 verbunden ist.

Fig.4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren 100 zur Regelung eines erfindungsgemäßen variablen Anpassnetzwerkes 4 zur Impedanzanpassung umfassend ein Vermessen 110 von Transformationsmatrizen des variablen Anpassnetzwerkes 4 für eine Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen; ein Vermessen 120 einer bei einem beliebigen Wertetupel in den Eingang des Anpassnetzwerkes 4 hinein gesehenen Eingangsimpedanz; ein Bestimmen 130 eines das beliebige Wertetupel bestmöglich approximierenden vordefinierten Wertetupels aus der Menge von vordefmierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer dem vordefinierten Wertetupel entsprechend der Transformationsmatrizen; und ein Berechnen 140 der der Eingangsimpedanz zugrundeliegenden Lastimpedanz ausgehend von dem bestmöglich approximierenden vordefinierten Wertetupels und von der zugehörigen Transformationswirkung gemäß einer der Transformationsmatrizen. Hierbei können gemäß Schritt 150 über Wahl einer ersten ganzen Anzahl n und Wahl eines Minimums und eines Maximums zu jedem Steuersignal und die Wahl der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen als Tupel aus n äquidistanten Werten zwischen dem jeweiligen Minimum und Maximum des jeweiligen Steuersignales ausgeführt werden. Des Weiteren kann das Verfahren die Schritte des Bestimmens 160 eines dritten Wertetupels aus der Menge von vordefmierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer zweiten Transformationswirkung dergestalt, dass die Fehlanpassung zwischen der mittels der zweiten Transformationswirkung transformierten Lastimpedanz und der Quellimpedanz unter allen Wertetupeln aus der Menge an Wertetupeln ein Minimum annimmt; und des Setzens 162 der Steuersignale auf die durch das dritte Wertetupel gegebenen Werte umfasst. Alternativ kann das Verfahren die weiteren Schritte des Bestimmens 170 eines vierten Wertetupels aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen und einer zweiten Transformationswirkung dergestalt, dass der an den Eingang der Last bei der Lastimpedanz abgegebene Teil der Leistung des Quellsignales unter allen Wertetupeln aus der Menge von vordefinierten Wertetupeln einer Anzahl von Steuersignalen ein Maximum annimmt; und des Setzens 172 der Steuersignale auf die durch das vierten Wertetupel gegebenen Werte umfassen. Hierbei kann beim Setzen der Steuersignale auf die durch das vierten Wertetupel gegebenen Werte der weitere Schritt der Bestimmung 180 der an die Last bei der Lastimpedanz abgegebenen Leistung aus der Leistung des Quellsignales, der Quellimpedanz und der Transformationswirkung des variablen Anpassnetzwerkes 4 erfolgen.

An dieser Stelle sei explizit daraufhingewiesen, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um auch erläuterte Merkmale, Effekte und Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen bzw. erzielen zu können.

Es versteht sich, dass es sich bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich um eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 erfmdungsgemäßes variables Kondensatorsystem

11 Transduktor

12 Kondensator

13 Steuereinrichtung

2 Signalquelle

3 Richtkoppler

4 erfmdungsgemäßes variables Anpassnetzwerk 41 Stellglieder im variablen Anpassnetzwerk

5 Last

10 erfindungsgemäßes System

100 Verfahren zur Regelung eines variablen Anpassnetzwerkes zur Impedanzanpassung

110- 180 Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens