第３６卷２０１６年第７期 ７月 核电子学与探测技术 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ． ２０１６ ＩＣＲＦ传输系统的优化数值分析 曹振平 （江苏联合职业技术学院苏州分院，苏州２１５００９） 摘要：在开展离子回旋波加热实验时，高驻波电压是高功率射频传输过程中需要解决的主要问题 之一。论文基于传输线理论，详细介绍了利用同轴短路或开路支节进行优化射频传输系统的方法，分析 计算了支节的接人位置、支节长度、以及支节接人后的传输线电压分布。分析结果表明：传输线射频电 压在支节接入后得以大幅降低，系统传输能力得到有效提高，降低了打火的概率。 关键词：离子回旋波；短路支节；开路支节；电压分布 中图分类号：ＴＬ ６１２．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１６）７－０７７１－０５ 离子回旋波加热是ＥＡＳＴ装置中等离子体 于提供高达１．５ ＭＷ的射频功率，阻抗匹配网 络用于实现射频源与天线负载的阻抗匹配，主 最有效的辅助加热手段之一，它对获得高参数 等离子体起关键作用。离子回旋波加热是 ＥＡＳＴ装置中等离子体最有效的辅助加热手段 之一，它对获得高参数等离子体起关键作用。 离子回旋波（ＩＣＲＦ）加热是核聚变装置中等离 子体最有效的辅助加热工具之一，在ＥＡＳＴ、 传输线用于传输高功率射频波，天线负载用于 辐射射频波，以加热托卡马克中的等离子体，短 路支节为一截终端短路的同轴线，并接到主传 输线上，以减低传输线上的驻波电压，其中、短 路支节和主传输线的特性阻抗皆为５Ｏ Ｑ，它们 的内、外导体的直径分别为１００、２３０ ｍｍ，内导 体材料为铜，外导体导体材料为铜或铝。包括 有射频高功率源、阻抗匹配网络、主传输线、短 路支节、感性天线负载，其中射频源用于提供高 达１．５ ＭＷ的射频功率，阻抗匹配网络用于实 ＡＳＤＥＸ等聚变装置上，离子回旋波加热系统能 够提供高达几ＭＷ至几十ＭＷ的射频功 率¨－３］；ＩＣＲＦ射频系统主要包括射频源、阻抗 匹配装置、传输线和天线等子系统 ，射频加 热系统主要由高功率射频源射频加热系统主要 由高功率射频源其中，传输线通常由外导体为 ２３０ ｍｍ、内导体为１００ ｍｍ的同轴传输线组成， 为增加传输线的功率传输能力，提高内外导体 之间的击穿电压，内外导体之间通常冲人３～４ ｋｇ的氮气 高达兆瓦量级其功率水平高达兆 瓦量级。 现射频源与天线负载的阻抗匹配，主传输线用 于传输高功率射频波，天线负载用于辐射射频 波，以加热托卡马克中的等离子体，短路支节为 一截终端短路的同轴线，并接到主传输线上，以 减低传输线上的驻波电压，其中、短路支节和主 传输线的特性阻抗皆为５Ｏ Ｑ，它们的内、外导 体的直径分别为１００、２３０ ｍｍ，内导体材料为 包括有射频高功率源、阻抗匹配网络、主传 输线、短路支节、感性天线负载，其中射频源用 铜，外导体导体材料为铜或铝。同轴传输线的 特性阻抗通常为５Ｏ Ｑ，而射频天线的等效电阻 通常仅有几Ｑ，因此需在射频发射机与天线之 间接人一阻抗匹配装置，以实现射频功率的有 效传输 ；有时因场地和空间的，阻抗匹 ７７１ 收稿日期：２０１６—０７—１５ 作者简介：曹振平（１９６３一），男．江苏苏州人，副教 授，学士，主要从事电子技术、通信技术等方面研究。 配装置距离托卡马克装置较远，其长度约为几 十ｍ，这样在阻抗匹配网络与射频加热天线之 式中： 、 分别为天线负载的电压、电流， 方程（１）可变为下式： ＝ ＣＯＳ（２，ｒｒＡ肛）＋ｊＺ０ｌａｓｉｎ（２ｒｒＡ＾Ｌ） ，Ｌ：ｌａＣＯＳ（２７ｒＡ＾Ｌ）＋ ／Ｚｏｓｉｎ（２＂ｒｒＡＡＬ） （２） 间的传输线上将会产生几个或数十个的驻波电 压最大点。在高功率运行的情况下，如果该电 压超过了传输线的击穿电压，那么将导致传输 线内外导体之间打火现象的发生，这将会对射 频系统的安全运行产生严重影响。另外、由于 在大驻波比情况下传输线将会产生较高的射频 在天线负载处，Ａ ＝０，则有ＶＬ＝ ，ＩＬ＝ 厶，天线的射频电阻Ｒ ＝ ／Ｌ，那么由式（２）可 得传输线Ｌ处的射频电压和射频电流： ：损耗，传输系统在高功率运行时也将会产生大 量的热耗等问题。本文基于传输线工程理论， 通过数值分析，提出了一种应用短路或开路支 节降低传输线驻波电压的方法，可有效解决传 输系统在大驻波比情况下高功率运行时所产生 的打火问题。 ＝ Ｖａ（ｃｏｓ（２ＩＲＡ址）＋ ／Ｒａｓｉｎ（２，ｒｒＡＡＬ）） （１／Ｒａ（ｃｏｓ（２ 札）＋ｊｌ／Ｚｏｓｉｎ（２＂ｒｒＡ肛）） （３） 由式（３）可以求得归一化射频电压ｖ￣／ｖ． 的幅值： １支节接入点选择和支节特性分析 对于某一给定的天线负载，在天线与阻抗 Ｉ Ｉ＝（ｃ ｃ２ 札 ＋（卺） ｓｉｎ ｃ２ 肛 ） （４） 设天线负载至支节接入点Ｐ处的归一化 长度为Ａ Ｐ，在Ｐ点，Ａ＾工＝Ａ ，则有： ＝匹配装置之间的传输线上有多个归一化输入导 纳（）， ＝ｇ。＋ 。）的实部等于１的位置，那么在 该位置并接一短路或开路支节（其归一化输入 Ａ，ＩＡ蹬脚Ｖａ（ｃｏｓ（２￣Ａ肛）＋ ／Ｒａｓｉｎ（２￣ｒＡ肚）） （５） ｌｅ＝ （１／Ｒａ（ｃｏｓ（２，ｒｒＡ＾Ｌ）＋ｊｌ／Ｚｏｓｉｎ（２＂ｒｒＡ肚）） 导纳Ｙ：＝ｊｂ：），并使ｂ ：一ｂ ；那么在ｇ ＝１的 位置接人支节，此时传输线总的归一化输入导 纳变为： ＝Ｙ１＋Ｙ２＝ｇｌ＋ １＋ ２＝ｌ，此处的输 人阻抗等于传输线特性阻抗，在该点与阻抗匹 配网络之间的传输线电压分布为行波状态；当 接人点的输入阻抗为容性时，接入短路支节，而 当接人点的输人阻抗为感性时，接入开路支节； 式（５）中： 、Ｉｐ分别为支节接人点Ｐ处的 射频电压和射频电流。设传输线的特性阻抗 Ｚ０＝５０ Ｑ，天线的等效负载电阻 ＝２．５ Ｑ，那 么、由式（４）可以求出传输线的射频驻波电压 分布，如图２所示。从图中可知，在没有接入支 节之前传输线电压驻波比ＶＳＷＲ＝２０，即 Ａｘ ＝支节在射频功率传输系统中接人方式如图ｌ所 示。 ２０ 。在传输线冲人０．４ ＭＰａ的氮气的条 件下，若注人的射频功率为１ ＭＷ，那么传输线 天 线 的最大电压将达到约４５ ｋＶ，超出了传输线４Ｏ ｋＶ的稳态安全运行电压［５】。 图１支节在射频功率传输系统中接入 方式示意图 一设 、Ｌ分别为支节接人前传输线上任意 点Ｌ处的射频电压和射频电流，Ａ肛＝Ｌａｒ／Ａ 为天线负载到传输线任意一点Ｌ的归一化长 度（注：文中所有传输线长度对波长（进行归一 化），传输线上的射频电压 和射频电流 可 以用下式表式： 图２传输线驻波电压分布（Ａ ＋Ａ ，＝０．５） （ （ ＣＯＳ （１） ２短路支节 当支节并接在阻抗匹配网络和天线负载之 间的传输线上时，通过优化支节接人点Ｐ的位 ＋ｊｚ０Ｉｓｓｉｎ（２ 。） （６） 置和所接支节的归一化长度Ａ ，可以达到有效 降低传输线驻波电压的目的。根据传输线理 论，当接人短路支节时，支节与阻抗匹配网络之 式中：Ａ 为支节接人点至阻抗匹配装置方 向传输线上某一点的传输线归一化长度，将式 （５）带人式（６），化简后可得到短路支节接人后 相对于天线负载电压 的传输线归一化射频 电压 ／ｖａ： 间的传输线驻波电压 、电流， 可以由下式表 示： ＝ ［ｃｏＳ（２ ）＋ 】 ＝ＣＯＳ（２ ）（ｃｏｓ（２ ＋ ｓｉｎ （２，ｒ ｒＡ ｅＬ））一ｓｉｎ（２＇ｒｒＡａｅ）ｓｉｎ（２ ）） ＋ 卺 ｎ（２ ＡＰ）（ｃ。ｓ（２ ）＋ ｓｉｎ （２，ｒ ｒＡ ｅＬ））一ｃ。ｓ（２ Ａｐ）ｓｉｎ（２ ）） （７） （８） 别为０．０５、０．１；图２中传输线电压降比ＶＰＭＡ）【／ ＶＭＡｘ＝６．３／２０，图３中传输线电压降比Ｖ ／ ＶＭ ｘ分别为１２．２／２０；比较图２和３可以发现， 相对于ＡＰ＋ＡＡＰ≠０．５的情况，当ＡＰ＋ＡＡＰ＝ Ｉ Ｉ＝（ ＋ ） 式（８）中的 、 分别为式（７）的实部 和虚部，由式（４）和（８）即可以获得短路支节接 人前后传输线射频电压的分布情况。对短路支 节，当其等效归一化长度Ａ，＜１／４时，输入阻抗 ｚ ＝ｊＺｏｔａｎ（２ｒｒＡ ）为感性，那么在接人点的传 输线输入阻抗特性应为容性。对固定的天线负 载 ，负载至传输线任一点Ｌ处的归一化长度 为Ａ肛，那么可得Ｌ处的传输线输入导纳： ０．５时传输线驻波电压的降幅更大，而且当Ａ ＋Ａ ＝０．５时，支节接人点处的射频电压近似 为阻抗匹配网络与支节接人点之间传输线电压 的最大值或最小值，这说明要想获得较大的电 压降幅，保持Ａ ＋Ａ ＝０．５时来确定支节接入 位置和支节长度是一个优化选择。 ｙ１＝Ｖ一 １０ ｝ ＋ ｊＹａ ｔａｎ（２ｗＡ＝＾Ｌ）一 （ 。 ｇ ＋＿『６。） （９） 其中： （１＋ｔａｎ（２ ＡＬ） ｇａ一 ＋ ｔａｎ （２ａｖＡＡＬ） ｂ—ｌ＝等 ■ ｕ 图３短路支节接人前后传输线驻波电压分布 式中： 、ｙ０分别为负载导纳和传输线的特 性导纳，令ｇ ＝１，即可求出短路支节负载至支 节接人点处的最佳归一化长度Ａ舡： ｔａｎ（２￣ｒＡ肛）＝±（ｔｏ／ ） （１１） 图４为当Ａ ＋ＡＡＰ＝０．５时传输线驻波降 比随传输线归一化长度Ａ 的变化趋势，从图 中可以发现，在ＲＡ＝２．５ 与ＡＰ＋Ａ＾Ｐ＝０．５ 式（１１）中Ａ舡有两个解，分别对应传输线 上归一化输入导纳分别为感性和容性的两个位 置；为了抵消传输线上Ｌ处输入导纳的虚部 ｂ，，令支节的归一化输入导纳Ｙ２＝一ｊ／ｔａｎ （２７ｒＡ。）＝一ｂ ，可得最佳归一化长度Ａ 。 短路支节接人后传输线驻波电压分布计算 结果如图２和３所示，图中设定的天线负载Ｒ ＝的条件下，Ａ ＝０．４６４ ９、Ａ ＝０．０３５ １分别为 支节的最佳接人点和最佳长度；但是，当Ａ ＞ ０．４６４ ９时，随着Ａ 的增加，射频驻波电压将 会陡峭上升，并快速地大幅超过支节未接人支 节前的传输线电压值；因此、在工程设计与应用 中，特别是对于不稳定的负载，应谨慎选择支节 的接人位置Ａ ，稳妥的选择是Ａ 比最佳接人 位置略小一些。 ２．５力，支节接人点距离天线负载的传输线等 效归一化长度Ａ ＝０．４５（图中归一化长度为： ０．５×２＋Ａ＾Ｐ＝１．４５），支节的归一化长度ＡＰ分 图５为当天线负载Ｒ ＝２．５ 时传输线电 ７７３ 节也可以达到降低传输线驻波电压的目的，其 分析计算方法类似短路支节。将式（６）中的短 路支节参数换成开路支节参数，即可求得接人 蚕 鬟 图４传输线电压降比随归一化长度的变化趋势 开路支节后的传输线归一化驻波电压分布，计 算所得其复数表达式如式（１２）。 １ 器 招 压降比在Ａ＾Ｐ一 平面的变化轮廓图。从图中 密 可以发现，即使在Ａ Ｐ＋Ａ ≠０．５的情况下，利 用该图可以便捷地找到合适的Ａ Ａ 匹配组 合，以获得较小的电压降比系数。 负载至支节的传输线归一化长度 ３开路支节 同短路支节一样，在传输线上并接开路支 ＝图５传输线电压降比在Ａ Ｐ—ＡＰ平面 的变化轮廓图 瞪岳 ，日ｉ贷孽｝啦 Ｉ ｏｏｓ（２ ）（ｃｏｓ（２ ）一ｓｉｎ（２ ）ｔａｎ（２ ））一ｓｉｎ（２ ）ｓｉｎ（２ ）｝ ＋ 卺｛ｓｉｎ（２ （ｃ。ｓ（２ ）一ｓｉｎ（２ ）ｔａｎ（２ ））＋ｃ。ｓ（２ ）ｓｉｎ（２ ）｝（１２） 图６为在负载电阻Ｒ ＝５０ Ｑ时，接入开路 支节前后的驻波电压分布图；图中开路支节的 归一化长度Ａ ＝０．２，负载至支节接入点的传 输线归一化长度Ａ ＝０．０５（图中为０．５×３＋ Ａ＾Ｐ＝１．５５），且 ＾Ｐ＋ＡＰ＝０．２５，支节接人后电 压降比 ／ ＝６．３／２０，且支节接人点处 的射频电压近似等于支节接人后传输线驻波电 压最大值，开路支节接入后的传输线驻波电压 得到大幅降低。 在 ＝５０ Ｑ和Ａ＾Ｐ＋ＡＰ＝０．２５的条件下， 接入开路支节时传输线电压降比变化趋势如图 ７所示；同短路支节类似，当开路支节的接人位 置小于优化的最佳长度时，随着传输线归一化 长度Ａ ，的缓慢减小，射频驻波电压将会急剧 上升，这是在系统设计与应用中需要避开的支 节长度范围。 图６开路支节接人前后传输线驻波电压分布 垂 曩 图７传输线电压降比随传输线归一４结论 针对射频波传输系统在大驻波比情况下高 功率运行的要求，本文提出了利用同轴短路或 开路支节以优化射频波传输系统的一种解决方 案；通过对传输线驻波电压分布、支节的长度、 ７７４ 化 长度的变化 以及支节接入点详细的数值分析与计算分别 给出了短路和开路支节长度和支节接人点的优 ，化选择，计算结果表明：同轴短路或开路支节的 ｔｈｅ ＩＴＥＲ ｉｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｈ＆ＣＤ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ Ｄｅｓ，２０１３，８８：５１７—５２０． 合理接人可以使传输线电压得到大幅降低，分 析与计算结果为实际的工程设计与应用提供了 理论参考依据。 参考文献： ［４］Ｚｈａｏ Ｙ Ｐ，Ｚｈａｎｇ Ｘ Ｊ，Ｍａｏ Ｙ Ｚ，ｅｔ １．ＥＡＳＴ ａｉｏｎ ｃｙ－ ｅｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｐｕｌｓｅ ｏｐｅｒａ－ ｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ Ｄｅｓ，２０１４，８９（７）：２６４２— ２６４６． ［５］Ｍｕｔｏｈ Ｔ，Ｋｕｍａｚａｗａ Ｒ，Ｓｅｋｉ Ｔ，ｅｔ １ａ．Ｓｔｅａｄｙ—Ｓｔａｔｅ ［１］Ｆａｕｇｅｌ Ｈ，Ａｎｇｅｎｅ Ｐ，Ｂｅｃｋｅｒ Ｗ，ｅｔ １．Ｔｈｅ ａＡＳＤＥＸ Ｕｐｇｒａｄｅ ＩＣＲＦ ｓｙｓｔｅｍ：Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｄｅ— Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｈｉ．ｓｈ—Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｅｅｄｔｈｍｕｇｈｓ ａｎｄ Ｃｏ－ ａｘｉａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ｆｏｒ ＩＣＲＦ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ Ｄｅｓ，２００５，７４：３１９— ３２４． ＬＨＤ［Ｊ］．Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｅｉ Ｔｅｃｈｎｏ，１９９９，３５（５）：２７９— ３０８． ［２］毛玉周，袁帅，赵燕平，等．ＥＡＳＴ装置高功率宽带射 频发射机系统研制［Ｊ］．原子能科学技术，２０１３，４７ （６）：１０４８—１０５５． ［６］王磊，赵燕平．基于ＥＡＳＴ装置上液态调配器系统 的研究［Ｊ］．原子能科学技术，２００８，４２（８）：７６０— ７６４． ［３］ｌ＿ｍｎａｌｌｅ Ｐ，Ｂｅａｕｍｏｎｔ Ｂ，Ｋａｚａｒｉａｎ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＣＲＦ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＡＯ Ｚｈｅｎ－－ｐｉｎｇ （Ｊｉａｎｇｓｕ ＵＮＩＯＮ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｓｕｚｈｏｕ Ｂｒａｎｃｈ，Ｓｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１５００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｒａｄｉｏ￣ｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｉｓｓｕｅｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｉｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＩＣＲＦ）ｈｅａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｔｈｅｏｒｙ， ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ ａｎｄ ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ ａｌｏｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｉｇｎｉｉｃａｆｎｔｌｙ ａｎｄ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ ｉｓ ｉｍ－ ｐｒｏｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｉｔ ｉｓ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｈａｔ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｕｓ－ ｄｅｒ ｈｉ【ｇｈ ＲＦ ｐｏｗｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＣＲＦ；ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ；ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｕｂ ｔｕｎｅｒ；ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ７７５
