“我的计算机系统经常发生崩溃，而在等离子(plasma)反应器上某些位置的同轴电缆也变得越来越热了，”实验室的一位助教这么对我说。
我们的实验室研究计划目前使用了13.56MHz射频(RF)讯号源，并将其应用于一段内径约1.6毫米(mm)、外径1.9mm且长12.7mm的石英管。该石英管中充斥着各种在真空状态下流动的气态反应物。施加于气体混合物中的RF会产生等离子体——这种谜样的电离状态通常称为“物质的第四态”(fourth state of matter)。
在此状态下，RF功率如何传输？我们于是将两个电极直接连接到同轴电缆(Coax)，该同轴电缆再端接至调谐的RF产生器。
于是，研究人员接着问：“现在该如何解决这个问题呢？”我的手边刚好有一个RF探棒以及一台用来“窥探”实验过程的“示波器”。但是，在我们的实验中出现了几个问题。
首先，不锈钢管和支架以管道方式连接成回路，使其作为理想的耦合电路。但在负载和同轴电缆之间存在着不平衡的状态。
“如何测得负载阻抗？”这是下一个问题。后来实验室助理回报说，透过一支外借来的阻抗计测得了负载为10 – j375 奥姆(Ω)。很显然地，这其中存在阻抗不匹配的问题。
负载看来似乎是平衡的，因为从电极到同轴电缆的两条开放馈线是平行的。这种看起来“平衡”的负载直接连接到不平衡的同轴电缆。但其中存在阻抗耦合的问题，可能致使反射功率产生驻波，从而导致电缆沿线部份出现热点。
当然，RF电源配备了“自动调谐器”，用于确保电源受到保护，但对于负载本身则没有任何实质的帮助。根据上网搜寻并深入研究发现，针对这一类应用的许多商用RF产生器都提到了对于调谐电路的需求，并描述导线如何直接连接到等离子负载。在这些研究中甚至还提供了如何计算匹配网络的史密斯图(Smith Chart)方法教学。
不过，这些研究和教程并没有太多解释，仅展示调谐负载和RF产生器之间存在1/4波长的同轴电缆连接。这些问题需要进行多次更改和添加，我们可以将其概括为阻抗不匹配和平衡问题。
无可避免地，“如何校正阻抗不匹配？”就成为下一个问题。采用链接耦合调谐器将等离子负载耦合到50Ω的同轴电缆，将有助于解决这个问题。这是用于将平衡负载耦合到不平衡同轴电缆讯号源的经典设计。业余的无线电爱好者(火腿族)应该非常了解这个问题。
进行简单的Spice仿真，即可显示所需的电路：串联连接两个线圈L1和L3, 4mH，并将其连接至等离子负载。于是，在L1和L3线圈之间的耦合线圈L2, 6mH，连同谐振时的可变电容器C1, 23 pF，一并被连接到同轴电缆。此处图片显示完成的面包板电路：
为了测试电路，我使用了一个20公尺长的业余无线电发射机，并将负载作为灯泡。
维护和馈送馈线：同轴电缆是不平衡的传输线。由于“集肤效应”(skin effect)，从负载返回遮蔽层的电流具有能够在遮蔽层内外表面来回的“坏习惯”。这会导致在电缆上产生驻波，致使RF从同轴电缆外部遮蔽层辐射，即使负载阻抗等于平衡线路阻抗。为了避免这种RF辐射，可以使用一种称为“巴伦”(balun)或“平衡-不平衡转换器”(可在“平衡”和“不平衡”之间进行转换)的装置。
四分之一波夸克(Quark)：考虑到传输线路的速度，同轴馈线被切割为1/4波长。为什么是¼λ？在许多商用RF产生器的文献中，这显示为所需要的同轴电缆长度，但为什么是¼λ呢？
根据“戴维宁定理”(Thevenin theorem；或称等效电压源定律)，我们必须考虑奇数倍¼ λ 传输线的Thevenin等效电路。还有，短路阻抗是什么？以史密斯图来看：0 +j0负载绘制于水平轴的最左侧。因此，以1/4 波长顺时针方向“朝着产生器”行进将阻抗置于无穷大，线路损耗可忽略不计。至于开路电压将会非常趋近于零，因为入射波和反射波的相位差为180°。该等效电路的示意图如下所示：
线路中不能有电流流向地面。同轴传输线是分布式阻抗，而在1/4波长的奇数倍时，相对于RG-213, 3200Ω线路阻抗，其阻抗相当高。其结果是奇数倍1/4波长充当巴伦，可用于平衡不平衡的线路。实现此目的的另一种方法是在外部遮蔽层增加电感、缠绕电缆，以及/或在负载连接处添加铁氧体磁珠。
等到在实验室中测试该系统后，研究人员观察到，在不同的位置分接线圈，就可以移动等离子体，即改变等离子强度的空间分布(即发射光的强度或等离子密度)——而这对于我们研究也极其有利。
(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版，参考链接：Plasma problems，by Robert Heider；编译：Susan Hong)
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