[发明专利]基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及离子回旋加热系统射频功率耦合领域，具体是一种基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统。

背景技术

离子回旋辅助加热是世界上绝大多数托卡马克装置的主要辅助加热手段。频率范围为20～80MHz的高功率射频波通过同传输线传输到离子回旋天线，通过天线将射频波耦合进入等离子体。由于天线阻抗与同轴传输线的特性阻抗不相等，入射波经过天线后必然产生部分反射，反射波对于发射机会造成干扰，影响到其正常工作，通过在发射机与天线之间安装液态调配器可以解决反射波对发射机的牵制影响，因此天线阻抗数据是液态调配器调配时的重要参数。同时，天线阻抗数据是衡量离子回旋射频波耦合效果的重要参数。耦合阻抗数值反应天线与等离子体边界互动强度，其值与等离子体参数(如边界电子密度，电子温度)以及天线物理结构有关。通过分析等离子体放电期间天线耦合阻抗的数据能为等离子体参数优化和离子回旋天线结构优化做参考。因此离子回旋天线阻抗数据是一个重要的测量参量。在同轴传输线上沿轴向同一个位置上不同方向各开一个小孔，分别安装电压探针和电流探针，利用电压探针测量传输线电压，利用电流探针测量传输线电流，这两个物理量经过进一步计算，就可以得到该位置处的传输线输入阻抗，再根据传输线阻抗变换理论，将阻抗变换到天线位置，即可求得天线位置处的输入阻抗。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，利用电压探针耦合电场信号，电流探针耦合磁场信号的特性，分别测量传输线电压、传输线电流模值，以及传输线电压与电流之间相位差，再根据公式得到天线输入阻抗。

本发明采用的技术方案是：

一种基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：包括有同轴传输线、电压探针、电流探针、功分器一、功分器二、检波器一、检波器二、鉴相器，所述电压探针、电流探针分别安装在同轴传输线上，电压探针同时与功分器一的输入信号端口连接，功分器一的两个输出信号端口分别与检波器一的输入信号端口、鉴相器的一个输入信号端口连接，电流探针同时与功分器二的输入信号端口连接，功分器二的两个输出信号端口分别与检波器二的输入信号端口、鉴相器的另一个输入信号端口连接，检波器一、二和鉴相器的输出信号端口接入数据采集与处理模块；所述同轴传输线用于传输高功率射频波，电压探针用于耦合出同轴传输线内的电场信号，电流探针用于耦合出同轴传输线内的磁场信号，功分器一、二用于将电压探针信号和电流探针信号功率等分为二路，检波器一、二用于将电压探针信号与电流探针信号经过功分器一、二功率分配后的射频信号整流为直流信号，鉴相器用于将电压探针信号与电流探针信号经过功分器一、二功率分配后的信号鉴相并以直流信号输出，三路直流信号经数据采集与处理模块处理后得到天线阻抗。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述同轴传输线由直径为100mm的紫铜内导体和直径为230mm的铝外导体组成，特性阻抗为50欧姆。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述电压探针由直径8mm、厚度为1mm的铜片及直径2mm、高度40mm的实心铜柱拼接而成，铜柱固定在电压探针座子上，铜片中心与同轴传输线内导体圆心距离为115mm。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述电流探针由紫铜线绕成的圆环构成，紫铜线直径为1mm，圆环直径为10mm，圆环中心与同轴传输线内导体圆心距离为98mm，圆环平面法线与同轴传输线中磁场方向垂直。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述功分器一、二为三端口功分器，其中一个端口为输入信号端口，另外两端口为输出信号端口，两输出信号端口信号等幅值、等相位。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述检波器一、二输入阻抗为50Ω，驻波比<1.1，输入信号峰峰值最大为30V。

所述的基于电压探针和电流探针的离子回旋天线阻抗测量系统，其特征在于：所述鉴相器采用HMC439QS16G芯片，输入信号功率范围为-10～10dbm，鉴相精度为±1°。

本发明的原理是：