大功率RF天线阻抗测量系统的研究

　　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(10—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。

　　在HT—7 Tokamak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实现离子回旋共振加热的目的[1,2]。

　　高频发射机输出的阻抗和同轴传输线的特性阻抗均为50Ω,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[3-5],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—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[6],若已知传输线终端负载处的电压VL和电流IL,则可得到传输线上距离负载d处的电压V(d)和电流I(d)分别为:

　　在上述方程组中,k1, k2, k3分别为三探针的定标系数,可通过探针电压标定计算得出。VL和ZL未知数,而ZL实际上包含RL,XL两个未知数,三个方程,三个未知数,联立解此方程组,就可求得天线阻抗的实部与虚部值,从而得到天线阻抗。三探针的定标系数标定尤为重要,下面给出探针电压的系数标定方法。

　　探针电压的标定是在空载静态调配下进行的。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,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ZL=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V和有效功率P0,P0=V2/50, 50为传输线的特性阻抗。假设天线负载的有效电压VL,因为系统匹配时,天线接收功率即为发射机输出功率,即: