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URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35705
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2012/3570/
Kühn, Silvio
Entwurfsverfahren von Mikrowellen-Oszillatoren. Es wird ein
Leistungsoszillator für die Plasmaerzeugung entwickelt, der im
2.45 GHz ISM-Band bis zu 10 W Mikrowellenleistung erzeugt.
Der Oszillator wird als Generator einer Plasmaquelle eingesetzt
und muss daher ein Signal erzeugen, das für das Anregen des
Plasmas geeignet ist. Der erste Teil der Arbeit befasst sich
deshalb zunächst mit dem Plasma als spezieller, variabler
Mikrowellenlast, das durch eine abgewandelte Form des
Leitungsresonators angeregt wird. Der Resonator legt die
Betriebsfrequenz des Oszillators fest und ermöglicht durch seine
felderhöhenden Eigenschaften die Plasmazündung.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung
der Brenn-Impedanz der Plasmakomponente und deren Rückwirkung auf
den speisenden Mikrowellengenerator. Mit einem speziell
entwickelten Messsystem, das auf einem Netzwerkanalysator
basiert, wird der Resonator unter Plasmabelastung vermessen. Die
charakteristischen Plasmagrößen, wie Brennspannung an den
Elektroden und Plasmaimpedanz, werden aus den ermittelten Daten
und dem anschließenden De-embeddingverfahren bestimmt. Aus diesen
leistungsabhängigen Größen wird dann die Zeitbereichsbeschreibung
eines nichtlinearen Plasmamodells entwickelt, eine wichtige
Grundlage für den Designprozess von Plasmaquellen. Das Modell
gilt für Luft als Prozessgas und die vorgestellte
Elektrodengeometrie bei Mikrowellenanregung. Es ist sowohl für
die transiente als auch für die Harmonic-Balance-Simulation
geeignet und stellt die Grundlage für die weitere
Oszillatorenentwicklung in dieser Arbeit dar.
Bei dem hier vorgestellten Designprozess werden neue Wege
verfolgt. Als mächtiges Hilfsmittel im Entwicklungsprozess von
Oszillatoren wird das Prinzip des Hilfsgenerators (Auxiliary
Generator) eingeführt, welches sich nicht nur auf den
Simulationsbereich beschränkt, sondern vor allem auch für den
Prozess der Inbetriebnahme eines Prototyps verlässliche Daten
liefert. Ein zusätzlicher neuer Weg wird durch eine
Nachverarbeitungsmethode für Ergebnisse aus der transienten
Simulation aufgezeigt, mit der es in vielen Fällen möglich ist,
Zeitbereichsdaten in eine übersichtlichere und verständlichere
Phasor-Darstellung zu übersetzen. Anhand transienter
Simulationsergebnisse werden Aussagen sowohl über die Blind- und
Wirkleistungsflüsse als auch zum Impedanzverhalten der
Mikrowellenschaltung gewonnen. Dabei bleibt die quasi-statische
Zeitabhängigkeit der Daten erhalten, wodurch unter anderem die
Plasmazündung im Zeitbereich simuliert werden kann. Die
vorgestellten Simulations- und Messtechniken erweitern das
allgemeine Portfolio der Methodiken beim Entwicklungsprozess von
Oszillatoren.
Unter Nutzung dieser Entwurfsverfahren wird der Prototyp einer
Mikrowellen-Plasmaquelle entwickelt, aufgebaut und in Betrieb
genommen. Die Plasmaquelle erzielt unter atmosphärischen
Bedingungen und mit Druckluft oder Stickstoff als preisgünstiges
Prozessgas sehr gute Ergebnisse. Sie ist mit einer Kantenlänge
von 3 cm kompakt realisiert, benötigt lediglich eine
24V-DC-Stromversorgung, liefert Leistungen im 10 W Bereich und
kann damit sowohl das Plasma zünden als auch am Brennen halten.
Das erzeugte atmosphärische Plasma wird aus physikalischer Sicht
beschrieben und die wichtigsten Eigenschaften wie Elektronen- und
Gastemperatur sowie Ionendichte angegeben. Ergebnisse von
Aktivierungsversuchen diverser Kunststoffoberflächen, die den
Vergleich mit anderen bekannten Plasmen ermöglichen, schließen
die Arbeit ab.
oscillators. A power oscillator for plasma generation is
developed, which delivers up to 10 W output power in the 2.45 GHz
ISM band.
The purpose of the oscillator is plasma generation and thus it
must provide a signal that is suitable to drive such a plasma.
Therefore, the first part of the work is devoted to the
properties of the plasma as time-varying microwave load. The
plasma is driven by a modified transmission-line resonator. The
resonator determines the operation frequency of the oscillator
and, due to its transformation properties, ignites the plasma.
This first part of the thesis is complemented by a description of
the work impedance of the plasma and its influence on the
microwave oscillator. A special VNA-based measurement set-up is
proposed to characterize the resonator behaviour when loaded by
the plasma. Microwave plasma parameters like electrode voltage
and impedances are determined from the measurement data following
a de-embedding process. This knowledge on the non-linear plasma
properties is then used to create a nonlinear time-domain
description of the plasma, which is a key tool in the design of
plasma sources. The validity of the model is restricted to air as
processing gas and the electrode geometry under consideration,
but it can be employed for both time-domain and harmonic-balance
simulation and thus forms the basis for all further oscillator
developments within this work.
The oscillator design process as presented here follows a new
approach. The Auxiliary Generator method is introduced, a very
useful and versatile tool, which is not limited to simulation,
but also provides valuable data in practice when operating and
tuning prototypes. As an additional novel feature a data
post-processing method is presented that allows to cast
complicated time-domain results into a comprehensible phasor
representation. This post-processing provides better
understanding of the circuit and allows to extract real and
imaginary power fluxes as well as the impedance behaviour of the
circuit. Nevertheless, the quasi-static time-dependence of the
quantities is retained, so effects such as the plasma ignition
can be simulated. These techniques significantly expand the
portfolio of the common methods for oscillator design.
Based on these methods, a prototype of a microwave plasma source
is developed, assembled and put into operation. The plasma source
yields excellent results under atmospheric conditions as well as
with nitrogen or compressed air. With just 3 cm length and width
the source offers a small form-factor, requires only a 24 V DC
supply and delivers output powers in the 10 W range, enough to
ignite the plasma as well as to maintain it burning.
As a last step, the generated plasma is described from the
physical point of view, studying properties such as temperature
of electrons and gas as well as ion density. The work closes with
experimental results on the activation of synthetic surfaces, so
that a comparison of the new source to commonly known ones in
terms of plasma properties becomes possible.
URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35705
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2012/3570/
Kühn, Silvio
Mikrowellenoszillatoren für die Erzeugung von atmosphärischen Mikroplasmen
Microwave Oscillators for Generation of Atmospheric Microplasmas
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Kurzfassung in Deutsch
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu denEntwurfsverfahren von Mikrowellen-Oszillatoren. Es wird ein
Leistungsoszillator für die Plasmaerzeugung entwickelt, der im
2.45 GHz ISM-Band bis zu 10 W Mikrowellenleistung erzeugt.
Der Oszillator wird als Generator einer Plasmaquelle eingesetzt
und muss daher ein Signal erzeugen, das für das Anregen des
Plasmas geeignet ist. Der erste Teil der Arbeit befasst sich
deshalb zunächst mit dem Plasma als spezieller, variabler
Mikrowellenlast, das durch eine abgewandelte Form des
Leitungsresonators angeregt wird. Der Resonator legt die
Betriebsfrequenz des Oszillators fest und ermöglicht durch seine
felderhöhenden Eigenschaften die Plasmazündung.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung
der Brenn-Impedanz der Plasmakomponente und deren Rückwirkung auf
den speisenden Mikrowellengenerator. Mit einem speziell
entwickelten Messsystem, das auf einem Netzwerkanalysator
basiert, wird der Resonator unter Plasmabelastung vermessen. Die
charakteristischen Plasmagrößen, wie Brennspannung an den
Elektroden und Plasmaimpedanz, werden aus den ermittelten Daten
und dem anschließenden De-embeddingverfahren bestimmt. Aus diesen
leistungsabhängigen Größen wird dann die Zeitbereichsbeschreibung
eines nichtlinearen Plasmamodells entwickelt, eine wichtige
Grundlage für den Designprozess von Plasmaquellen. Das Modell
gilt für Luft als Prozessgas und die vorgestellte
Elektrodengeometrie bei Mikrowellenanregung. Es ist sowohl für
die transiente als auch für die Harmonic-Balance-Simulation
geeignet und stellt die Grundlage für die weitere
Oszillatorenentwicklung in dieser Arbeit dar.
Bei dem hier vorgestellten Designprozess werden neue Wege
verfolgt. Als mächtiges Hilfsmittel im Entwicklungsprozess von
Oszillatoren wird das Prinzip des Hilfsgenerators (Auxiliary
Generator) eingeführt, welches sich nicht nur auf den
Simulationsbereich beschränkt, sondern vor allem auch für den
Prozess der Inbetriebnahme eines Prototyps verlässliche Daten
liefert. Ein zusätzlicher neuer Weg wird durch eine
Nachverarbeitungsmethode für Ergebnisse aus der transienten
Simulation aufgezeigt, mit der es in vielen Fällen möglich ist,
Zeitbereichsdaten in eine übersichtlichere und verständlichere
Phasor-Darstellung zu übersetzen. Anhand transienter
Simulationsergebnisse werden Aussagen sowohl über die Blind- und
Wirkleistungsflüsse als auch zum Impedanzverhalten der
Mikrowellenschaltung gewonnen. Dabei bleibt die quasi-statische
Zeitabhängigkeit der Daten erhalten, wodurch unter anderem die
Plasmazündung im Zeitbereich simuliert werden kann. Die
vorgestellten Simulations- und Messtechniken erweitern das
allgemeine Portfolio der Methodiken beim Entwicklungsprozess von
Oszillatoren.
Unter Nutzung dieser Entwurfsverfahren wird der Prototyp einer
Mikrowellen-Plasmaquelle entwickelt, aufgebaut und in Betrieb
genommen. Die Plasmaquelle erzielt unter atmosphärischen
Bedingungen und mit Druckluft oder Stickstoff als preisgünstiges
Prozessgas sehr gute Ergebnisse. Sie ist mit einer Kantenlänge
von 3 cm kompakt realisiert, benötigt lediglich eine
24V-DC-Stromversorgung, liefert Leistungen im 10 W Bereich und
kann damit sowohl das Plasma zünden als auch am Brennen halten.
Das erzeugte atmosphärische Plasma wird aus physikalischer Sicht
beschrieben und die wichtigsten Eigenschaften wie Elektronen- und
Gastemperatur sowie Ionendichte angegeben. Ergebnisse von
Aktivierungsversuchen diverser Kunststoffoberflächen, die den
Vergleich mit anderen bekannten Plasmen ermöglichen, schließen
die Arbeit ab.
Kurzfassung in Englisch
The thesis contributes to the design methods for microwaveoscillators. A power oscillator for plasma generation is
developed, which delivers up to 10 W output power in the 2.45 GHz
ISM band.
The purpose of the oscillator is plasma generation and thus it
must provide a signal that is suitable to drive such a plasma.
Therefore, the first part of the work is devoted to the
properties of the plasma as time-varying microwave load. The
plasma is driven by a modified transmission-line resonator. The
resonator determines the operation frequency of the oscillator
and, due to its transformation properties, ignites the plasma.
This first part of the thesis is complemented by a description of
the work impedance of the plasma and its influence on the
microwave oscillator. A special VNA-based measurement set-up is
proposed to characterize the resonator behaviour when loaded by
the plasma. Microwave plasma parameters like electrode voltage
and impedances are determined from the measurement data following
a de-embedding process. This knowledge on the non-linear plasma
properties is then used to create a nonlinear time-domain
description of the plasma, which is a key tool in the design of
plasma sources. The validity of the model is restricted to air as
processing gas and the electrode geometry under consideration,
but it can be employed for both time-domain and harmonic-balance
simulation and thus forms the basis for all further oscillator
developments within this work.
The oscillator design process as presented here follows a new
approach. The Auxiliary Generator method is introduced, a very
useful and versatile tool, which is not limited to simulation,
but also provides valuable data in practice when operating and
tuning prototypes. As an additional novel feature a data
post-processing method is presented that allows to cast
complicated time-domain results into a comprehensible phasor
representation. This post-processing provides better
understanding of the circuit and allows to extract real and
imaginary power fluxes as well as the impedance behaviour of the
circuit. Nevertheless, the quasi-static time-dependence of the
quantities is retained, so effects such as the plasma ignition
can be simulated. These techniques significantly expand the
portfolio of the common methods for oscillator design.
Based on these methods, a prototype of a microwave plasma source
is developed, assembled and put into operation. The plasma source
yields excellent results under atmospheric conditions as well as
with nitrogen or compressed air. With just 3 cm length and width
the source offers a small form-factor, requires only a 24 V DC
supply and delivers output powers in the 10 W range, enough to
ignite the plasma as well as to maintain it burning.
As a last step, the generated plasma is described from the
physical point of view, studying properties such as temperature
of electrons and gas as well as ion density. The work closes with
experimental results on the activation of synthetic surfaces, so
that a comparison of the new source to commonly known ones in
terms of plasma properties becomes possible.
| Freie Schlagwörter (deutsch): | Oszillator , Plasma , Mikrowellentechnik | |
| Freie Schlagwörter (englisch): | oscillator , plasma , microwave engineering | |
| Institut: | Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik -ohne Zuordnung zu einem Institut- | |
| Fakultät: | Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik | |
| DDC-Sachgruppe: | Ingenieurwissenschaften | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Hauptberichter: | Heinrich, Wolfgang (Prof.) | |
| Sprache: | Deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung: | 09.02.2012 | |
| Erstellungsjahr: | 2012 | |
| Publikationsdatum: | 18.06.2012 | |
| Lizenz: | Standardlizenz eingeschränkt: Typ CC by-nc-nd - Namensnennung erforderlich | Kommerziell nein | Weiterbearbeitung nein | PoD ja |
