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我的計算機系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生崩潰，而在等離子(plasma)反應(yīng)器上某些位置的同軸電纜也變得越來越熱了，”實驗室的一位助教這么對我說。
我們的實驗室研究計劃目前使用了13.56MHz射頻(RF)訊號源，并將其應(yīng)用于一段內(nèi)徑約1.6毫米(mm)、外徑1.9mm且長12.7mm的石英管。該石英管中充斥著各種在真空狀態(tài)下流動的氣態(tài)反應(yīng)物。施加于氣體混合物中的RF會產(chǎn)生等離子體——這種謎樣的電離狀態(tài)通常稱為“物質(zhì)的第四態(tài)”(fourth state of matter)。
在此狀態(tài)下，RF功率如何傳輸？我們于是將兩個電極直接連接到同軸電纜(Coax)，該同軸電纜再端接至調(diào)諧的RF產(chǎn)生器。
于是，研究人員接著問：“現(xiàn)在該如何解決這個問題呢？”我的手邊剛好有一個RF探棒以及一臺用來“窺探”實驗過程的“示波器”。但是，在我們的實驗中出現(xiàn)了幾個問題。
首先，不銹鋼管和支架以管道方式連接成回路，使其作為理想的耦合電路。但在負載和同軸電纜之間存在著不平衡的狀態(tài)。
“如何測得負載阻抗？”這是下一個問題。后來實驗室助理回報說，透過一支外借來的阻抗計測得了負載為10 – j375 奧姆(Ω)。很顯然地，這其中存在阻抗不匹配的問題。
負載看來似乎是平衡的，因為從電極到同軸電纜的兩條開放饋線是平行的。這種看起來“平衡”的負載直接連接到不平衡的同軸電纜。但其中存在阻抗耦合的問題，可能致使反射功率產(chǎn)生駐波，從而導(dǎo)致電纜沿線部份出現(xiàn)熱點。
當然，RF電源配備了“自動調(diào)諧器”，用于確保電源受到保護，但對于負載本身則沒有任何實質(zhì)的幫助。根據(jù)上網(wǎng)搜尋并深入研究發(fā)現(xiàn)，針對這一類應(yīng)用的許多商用RF產(chǎn)生器都提到了對于調(diào)諧電路的需求，并描述導(dǎo)線如何直接連接到等離子負載。在這些研究中甚至還提供了如何計算匹配網(wǎng)絡(luò)的史密斯圖(Smith Chart)方法教學(xué)。
不過，這些研究和教程并沒有太多解釋，僅展示調(diào)諧負載和RF產(chǎn)生器之間存在1/4波長的同軸電纜連接。這些問題需要進行多次更改和添加，我們可以將其概括為阻抗不匹配和平衡問題。
無可避免地，“如何校正阻抗不匹配？”就成為下一個問題。采用鏈接耦合調(diào)諧器將等離子負載耦合到50Ω的同軸電纜，將有助于解決這個問題。這是用于將平衡負載耦合到不平衡同軸電纜訊號源的經(jīng)典設(shè)計。業(yè)余的無線電愛好者(火腿族)應(yīng)該非常了解這個問題。
進行簡單的Spice仿真，即可顯示所需的電路：串聯(lián)連接兩個線圈L1和L3, 4mH，并將其連接至等離子負載。于是，在L1和L3線圈之間的耦合線圈L2, 6mH，連同諧振時的可變電容器C1, 23 pF，一并被連接到同軸電纜。此處圖片顯示完成的面包板電路：

為了測試電路，我使用了一個20公尺長的業(yè)余無線電發(fā)射機，并將負載作為燈泡。

維護和饋送饋線：同軸電纜是不平衡的傳輸線。由于“集膚效應(yīng)”(skin effect)，從負載返回遮蔽層的電流具有能夠在遮蔽層內(nèi)外表面來回的“壞習(xí)慣”。這會導(dǎo)致在電纜上產(chǎn)生駐波，致使RF從同軸電纜外部遮蔽層輻射，即使負載阻抗等于平衡線路阻抗。為了避免這種RF輻射，可以使用一種稱為“巴倫”(balun)或“平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器”(可在“平衡”和“不平衡”之間進行轉(zhuǎn)換)的裝置。
四分之一波夸克(Quark)：考慮到傳輸線路的速度，同軸饋線被切割為1/4波長。為什么是?λ？在許多商用RF產(chǎn)生器的文獻中，這顯示為所需要的同軸電纜長度，但為什么是?λ呢？

根據(jù)“戴維寧定理”(Thevenin theorem；或稱等效電壓源定律)，我們必須考慮奇數(shù)倍? λ 傳輸線的Thevenin等效電路。還有，短路阻抗是什么？以史密斯圖來看：0 +j0負載繪制于水平軸的最左側(cè)。因此，以1/4 波長順時針方向“朝著產(chǎn)生器”行進將阻抗置于無窮大，線路損耗可忽略不計。至于開路電壓將會非常趨近于零，因為入射波和反射波的相位差為180°。該等效電路的示意圖如下所示：

線路中不能有電流流向地面。同軸傳輸線是分布式阻抗，而在1/4波長的奇數(shù)倍時，相對于RG-213, 3200Ω線路阻抗，其阻抗相當高。其結(jié)果是奇數(shù)倍1/4波長充當巴倫，可用于平衡不平衡的線路。實現(xiàn)此目的的另一種方法是在外部遮蔽層增加電感、纏繞電纜，以及/或在負載連接處添加鐵氧體磁珠。
等到在實驗室中測試該系統(tǒng)后，研究人員觀察到，在不同的位置分接線圈，就可以移動等離子體，即改變等離子強度的空間分布(即發(fā)射光的強度或等離子密度)——而這對于我們研究也極其有利。