大功率rf天线阻抗测量系统的研究

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1、万方数据第29卷第1期2009年1月核电子学与探测技术NuclearElectronics&DetectionTechnolog)rVoL29N0．1Jan2009大功率RF天线阻抗测量系统的研究吴东升1’2，曾现祥1，赵燕平1，刘大明1(1．中科院等离子体物理研究所，安徽合肥230031，2．安徽建筑工业学院计算机与电子信息工程系，合肥230022)摘要：分析了大功率RF天线阻抗的测量原理，提出了传输线探针阵列的测量方法，建立了数学模型，构建了天线阻抗的测量系统，集数据采样、数据处理、参数计算等功能于一体，实现了大功率RF天线阻抗的

2、自动测量，给出了系统的实时测量结果。关键词：天线阻抗；探针阵列；自动测试；大功率中图分类号：11P274文献标识码：A文章编号：0258．0934(2009)01-0147．03在受控核聚变的研究中，为提高等离子体中的能量，普遍采用大功率微波和射频波加热等离子体的方法，以此期望使等离子体达到聚变温度。其中射频波段(1卜100MHz)的离子回旋共振加热方法是最有前途的加热手段之一。高频发生器发出的RF功率由发射天线发送给等离子体，在等离子体中激发起离子回旋波，使等离子体在RF功率的频率下达到共振，实现等离子体的回旋共振(ICRH)加热。

3、在HT．一7Tok锄ak系统中，离子回旋共振加热部分由高频发射机、同轴传输线、阻抗匹配装置和天线组成。高频发生器输出一定频率的RF功率(30MHz，300kW)，由传输线传送给天线，再由天线发射RF功率给等离子体。发射天线靠匹配短线来调节，当天线和等离子体呈现的阻抗与传输线的特征阻抗相匹配时，发射天线将把RF功率高效地传送给等离子体实现离子回旋共振加热的目的[1．2]。收稿日期：200鲫1_08基金项目：国家自然科学基金项目支持，项目编号：10675125。作者简介：吴东升(1966一)，男，博士研究生，主要研究方向为微波技术控制技术

4、．高频发射机输出的阻抗和同轴传输线的特性阻抗均为50Q，而天线的输入阻抗很小，在等离子体放电期间天线阻抗的实部只有几欧姆，且随等离子体和放电参数的变化而变化，这不仅影响波与等离子体的耦合效率m】，还影响与传输系统匹配特性。为了提高波与等离子体的耦合效率以及改善天线与传输系统的匹配状况，必须实时检测离子体放电期间的ICRH天线阻抗的变化特性，实现天线阻抗的准确测量，为阻抗匹配器提供调节依据，实现阻抗匹配的动态调节，从而达到天线与传输系统的阻抗匹配。本文针对HT_一7托卡马克离子回旋共振加热系统，采用传输线探针阵列的测量方法，实现托克马克

5、放电期间ICRH天线阻抗的自动测量，为研究等离子体放电期间天线阻抗变化和阻抗匹配器的调节提供可靠依据。1基本原理在HT-7装置ICRH系统中，探针阵列位于匹配网络与天线之间，如图1所示。根据微波传输线理论[61，若已知传输线终端负载处的电压n和电流fL，则可得到传输线上距离负载d处的电压y@)和电流f(d)分别为：】47万方数据图1II尕H系统原理框图y(d)：毕∥+毕∥(1)M，=写挚一与笋g叫㈣上式中，d为测量点到终端的距离，VL和k为终端电压和终端电流，Z。为传输线的特性阻抗，7为传播常数。ICRH系统中所用的传输线为传播T】撇

6、波的同轴线，在无耗线的情况下，7=歹p，p一盈，为相位常数，代人上式中，可得：v(矗)：粤(∥+矿删)+生李(∥一矿剃)(3)根据欧拉公式化简得：y(d)=n(cos肛+歹争si力芦)(4)式中，zL为终端阻抗，在这里，即为天线输入阻抗。令zL=RL+JXL，R。为阻抗实部，XL为阻抗虚部。假设三个电压探针到天线的距离分别为Z1，如，如，探针上的采集电压为u(Z1)，％(如)，U(如)，则有：Ⅵ(z1)*K1=Ⅵ(co啦!+歹笋si唯1)(5．n)的。所谓的空载静态调配是指在无等离子体的情况下，调节调配器，使整个传输系统达到阻抗匹配，

7、即使调配器与发射机之间传输线上的反射系数为零(实际的反射系数不可能为零，只要在足够小的范围内就可以认为系统已经达到匹配)。假设天线阻抗值为磊=RL+JXL。由定向耦合器引入的电压信号，计算出发射机输出的有效电压y和有效功率Po，P0=俨／50，50为传输线的特性阻抗。假设天线负载的有效电压h，因为系统匹配时，天线接收功率即为发射机输出功率，即：乡=丢PRL=怒=犒(6)则天线负载电压为：Ⅵ=~／2P(R￡+斑)／RL(7)根据传输线理论，在无耗匹配情况下，可以求出探针处传输线上电压为V(d)=Vl(coq敏+歹争sin彤)(8)式中，

8、d为探针到天线的距离，zc为传输线的特性阻抗，zc=50，卢=2彬c为传播常数，f为射频波频率，f为光速。由于采集系统中的各部件基本上都是线性元件，根据采集得到的探针电压和计算出的该探针处传输线上电压，则有探针处的传输线