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公開番号2024161451
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-19
出願番号2024134838,2023045172
出願日2024-08-13,2019-08-15
発明の名称無線周波数(RF)用途のためのパルス幅変調(PWM)波形の生成及び同期
出願人マサチューセッツインスティテュートオブテクノロジー
代理人個人,個人,個人
主分類H03K 3/017 20060101AFI20241112BHJP(基本電子回路)
要約【解決手段】位相シフト素子と波形コンバイナとを備えるPWM生成装置が開示される。
位相シフト素子は、パルス幅変調(PWM)波形が同期する参照信号を受信するように構成された一対のIQ変調器と、一対のIQ変調器のうちの一方のIQ変調器のI/Q入力のそれぞれに結合された第1及び第2の出力と一対のIQ変調器のうちの他方のIQ変調器のI/Q入力のそれぞれに結合された第3及び第4の出力と入力とを有するデジタル-アナログ変換器(DAC)と、DACを制御することで、参照信号に対して、一対のIQ変調器それぞれの出力の信号IQ₁及び信号IQ₂の位相シフトを制御するように結合されたマイクロコントローラとを含む。波形コンバイナは、一方のIQ変調器の出力に結合された第1の入力と、他方のIQ変調器の出力に結合された第2の入力とを有する。
【選択図】図33
特許請求の範囲【請求項１】
少なくとも１つの入力及び複数の出力を有する位相シフト回路であって、前記位相シフト回路は、参照信号を受信し、それに応答して、位相シフトされた信号を前記２つ以上の出力の各々において提供するように構成され、各位相シフトされた信号が、前記参照信号に対して既定の位相シフトを有する、位相シフト回路と、
複数の入力を有する波形コンバイナであって、前記入力の各々が前記位相シフト回路の前記複数の出力のそれぞれに結合されており、前記波形コンバイナは、その入力において前記位相シフト回路から位相シフト信号を受信し、それに応答して、前記参照信号に対する既定のパルス幅及び位相シフトを有するＰＷＭ信号を生成するように構成される、波形コンバイナと
を備える、パルス幅変調（ＰＷＭ）生成装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記位相シフト回路は、並列構造で結合された複数の位相シフト素子を備える、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項３】
前記位相シフト回路は、カスケード構造で結合された複数の位相シフト素子を備える、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項４】
前記位相シフト回路は、少なくとも３つの入力及び少なくとも１つの出力を有する少なくとも１つの同相／直交位相（ＩＱ）変調器を備え、前記入力のうちの少なくとも１つが前記参照信号を受信するように構成され、前記入力のうちの少なくとも２つが前記参照信号から導出されるベースバンド信号を受信するように構成されており、前記ＩＱ変調器は、前記出力と少なくとも２つの入力との間に結合される加算器を備える、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項５】
前記波形コンバイナは、エッジ検出器、論理ゲート、フリップフロップ、又は増幅器のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項６】
前記波形コンバイナは、
入力及び出力を有する複数の増幅器であって、前記増幅器の各入力が、位相シフト信号を受信するように構成される、複数の増幅器と、
複数の入力及び少なくとも１つの出力を有する論理ゲートであって、前記波形コンバイナの各入力が、少なくとも１つの増幅器の前記出力に結合されるように構成される、論理ゲートと
を備える、請求項５に記載のＰＷＭ生成装置。
【請求項７】
前記位相シフト回路は、少なくとも１つの既定の位相シフトパラメータに基づいて２つ以上の位相シフト信号を生成するように構成される、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項８】
前記位相シフト回路は、制御器から前記少なくとも１つの既定の位相シフトパラメータを受信するようにさらに構成される、請求項７に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項９】
前記制御器は、前記生成されたＰＷＭ信号の前記参照信号に対する前記パルス幅及び位相シフトに基づいて前記少なくとも１つの既定の位相シフトパラメータを生成するように構成される、請求項８に記載のＰＷＭ生成回路。
【請求項１０】
前記ＰＷＭ生成回路は、集積回路内で実現される、請求項１に記載のＰＷＭ生成回路。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線周波数（ＲＦ）用途のためのパルス幅変調（ＰＷＭ）波形の生成及び同期に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
[0001]当該技術分野において知られているように、インピーダンス整合ネットワークは、多くの無線周波数（ＲＦ）及びマイクロ波システム内の電力伝送を最大化するために一般に使用される。例えば、ＲＦ送信機では、インピーダンス整合ネットワークは、ＲＦ電力増幅器（ＰＡ）の出力インピーダンスからＲＦ負荷（例えば、アンテナ）のインピーダンスまでのインピーダンス整合を提供するために使用される場合がある。そのようなインピーダンス整合は、伝送電力を増大し、電力損失を低減し、追加の回路素子（例えば、アイソレータなど）の必要性を低減又は排除する。
【０００３】
[0002]インピーダンス整合ネットワークの１つの分類は、チューニング可能インピーダンス整合ネットワーク（ＴＭＮ：ｔｕｎａｂｌｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ）と称され、これは時として、自動アンテナチューニングユニットと呼ばれる。従来のＴＭＮは、単一素子又は集中素子リアクティブネットワーク（ｒｅａｃｔｉｖｅｎｅｔｗｏｒｋ）として実装（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ）される場合があり、この場合、リアクタンス素子の少なくとも１つが可変（例えば、チューニング可能）構成要素であり、その結果として、可変構成要素のインピーダンスは、特定の周波数で、又はある範囲の周波数にわたって、変更され得る。ＴＭＮ内のリアクタンス素子は、ラダーネットワーク、Ｌ－ネットワーク、Ｔ－ネットワーク、又はＰｉ－ネットワークなどの回路トポロジで配置される場合がある。
【０００４】
[0003]従来のＴＭＮは、アナログ（連続的に調節可能）又はデジタル（離散値のセット間で調節可能）のいずれかに分類され得る。アナログＴＭＮは、バイアス状態を調節することによって連続的な様式でチューニングされ得るリアクタンス値（何らかの周波数において、又はある範囲の周波数にわたって）を有する可変リアクタンス素子を利用する。デジタルＴＭＮは、可変リアクタンス素子を、固定リアクタンス素子のデジタル的に切り替えされたアレイとして実装する。この手法は、有限かつ離散的なステップでリアクタンス値のインピーダンスを調節することを可能にする。
【０００５】
[0004]アナログＴＭＮは、多くの場合、バラクタダイオード（もしくはバラクタダイオード回路）、又は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）バラクタを使用して実装される。アナログＴＭＮは、広範なインピーダンスにわたって高速かつ正確なインピーダンス整合を可能にするが、高い電力レベルで動作するには、比較的高いバイアス電圧が必要とされる。
【０００６】
[0005]デジタルＴＭＮは、多くの場合、ＣＭＯＳスイッチ、ＭＥＭＳスイッチ、ＰＩＮダイオード、又はディスクリート・パワー・トランジスタを使用して実装される。ＭＥＭＳスイッチは、低オン抵抗を有し、低消費電力で数十ＧＨｚまで動作することができるが、ＭＥＭＳスイッチは、大きな制御電圧を必要とする。ＰＩＮダイオード及びＣＭＯＳスイッチベースのデジタルＴＭＮは、低位から中位のオン抵抗を呈し、したがって、いくらかの抵抗電力損失を犠牲に高電力レベルを扱うことができる。ＰＩＮダイオード及びＣＭＯＳスイッチベースのデジタルＴＭＮは、オンダイ集積（ｏｎ－ｄｉｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、例えば、ソフトウェア無線（ＳＤＲ）集積回路（ＩＣ）及び他のオンチップ
ＴＭＮに好ましい。しかしながら、デジタルＴＭＮは、限られたチューニング分解能を呈し、故に、インピーダンス整合が達成され得る精度に限界がある。ＲＦプラズマドライバなど、正確なインピーダンス整合が非常に広範なインピーダンス範囲にわたって必要とされるいくつかの高電力用途において、デジタルＴＭＮの使用は、要求される細かいチューニング分解能を達成するために多数のデジタルスイッチが必要とされることに起因して、非実用的な場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0006]この発明の概要は、発明を実施する形態において下にさらに説明される、選り抜きの概念を簡略化した形態で紹介するために設けられている。この発明の概要は、特許請求される主題の主要もしくは必須の特徴又は組み合わせを識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を制限するために使用されることを意図するものでもない。
【０００８】
[0007]全体的な概要では、本明細書に説明される概念、システム、及び技術は、参照信号に関するパルス幅及び位相を動的に制御する能力を有する１つ又は複数のパルス幅変調（ＰＷＭ）波形（信号）を生成するための方法及び装置を対象とする。各ＰＷＭ波形のパルス幅及び位相（参照信号に関して）は、動作周波数によって影響を受けない恣意的に細かい分解能で、０°～３６０°の範囲にわたって独立して調節され得る。生成されたＰＷＭ信号は、参照信号周波数の幅広い変調範囲について、参照信号への位相及び周波数ロックを維持することができる。本明細書に説明される概念、システム、及び技術は、ＨＦ及びＶＨＦ用途のための正確かつ動的に調節可能なＰＷＭ波形を生成するのに好適である。それらは、位相スイッチ型（ｐｈａｓｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ）インピーダンス変調（ＰＳＩＭ）ベースのチューニング可能整合ネットワーク（ＴＭＮ）及びＰＳＩＭ増幅器など、参照信号が無線周波数（ＲＦ）入力源から導出され、それに対してＰＷＭの精密なタイミングが維持されなければならないという用途において特に価値を有する。そのような回路は、例えば、半導体処理に関連した使用及び半導体処理設備の清掃ための高電力マイクロ波プラズマシステム内での用途が見られる。
【０００９】
[0008]本明細書に説明される概念、システム、及び技術の１つの態様において、パルス幅変調（ＰＷＭ）生成装置は、少なくとも１つの入力及び複数の出力を有する位相シフト回路を含む。位相シフト回路は、参照信号を受信し、それに応答して、上記２つ以上の出力の各々に位相シフトされた信号を提供するように構成される。各位相シフトされた信号は、参照信号に対する位相シフトを有し得る。ＰＷＭ生成装置は、波形コンバイナをさらに含み得る。波形コンバイナは、複数の入力を有し得、各入力が位相シフト回路のそれぞれの出力に結合されている。波形コンバイナは、位相シフト回路から位相シフトされた信号を受信し、それに応答して、参照信号に対するパルス幅及び位相シフトを有するＰＷＭ信号を生成するように構成され得る。
【００１０】
[0009]この構成で、参照信号に対するパルス幅及び位相シフトを有するＰＷＭ信号を生成するためのＰＷＭ生成装置が提供される。実施形態において、ＰＷＭ信号の参照信号に対するパルス幅及び位相シフトは、動的に制御され得る。波形コンバイナは、位相シフト信号に応答してＰＷＭを生成するように構成されるため、位相シフト信号を変更することにより、ＰＷＭ信号の参照信号に対するパルス幅及び位相シフトを調節することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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