CN109586716A - 相位分频器和射频电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种相位分频器和射频电源系统，涉及电源领域，用于使输出的射频信号的频率与相位满足聚变调节要求。该射频电源系统包括：时钟信号发生器；与时钟信号发生器连接的分频模块，用于对待处理的时钟信号进行分频处理，生成并输出至少两个时钟同步信号；至少两个相位调整模块，使至少两个时钟同步信号具有所需要的相位差。通过上述技术方案，能够驱动至少两个射频电源输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号，这些射频信号稳定性高、不易失真，且能够满足聚变调节要求，即能够通过射频天线耦合到同一等离子体中，驱动等离子体中的带电粒子旋转。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种相位分频器和射频电源系统。
背景技术
现有的旋转磁场聚变装置多采用射频电源输出射频信号，然后通过分频器将射频信号分成两路，再经过90°相位调整器对其中的一路射频信号进行调整，使拆分后的两路射频信号有90°的相位差。这样的设置存在的问题是：由于90°相位调整器的额定输入功率较低，这使均分后的两路射频信号比较低，较难满足聚变大功率的点火条件。
相关技术中，为了提高输出的射频信号的强度，在分频调相后通过功率放大器继续对射频信号进行功率放大，这使整个射频电源系统变得复杂且不稳定，并且会导致放大后的射频信号失真，使频率和相位都会发生不可避免的改变，进而会导致射频信号的频率和相位无法满足聚变要求，即两路射频信号难以通过射频天线耦合到同一等离子体中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位分频器和射频电源系统，通过将分频模块与时钟信号发生器连接，并将至少两个相位调整模块与分频模块连接，能够输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的两个时钟同步信号，进而能够通过连接两个射频电源实现输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的两个射频信号，而且这两个射频信号稳定性高、不易失真，能够满足聚变调节要求，即能够通过射频天线耦合到同一等离子体中，驱动等离子体中的带电粒子旋转。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种相位分频器，该相位分频器包括：时钟信号发生器，用于产生待处理的时钟信号；与时钟信号发生器连接的分频模块，用于对待处理的时钟信号进行分频处理，生成并输出时域相同、频率相同的至少两个时钟同步信号；与分频模块连接的至少两个相位调整模块，至少两个相位调整模块与至少两个时钟同步信号一一对应，分别用于调整对应的时钟同步信号的相位，以输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个时钟同步信号。
可选地，相位调整模块包括调相电路、以及与调相电路连接的可变电位器；可变电位器用于调节调相电路的基准电压；调相电路用于在基准电压的作用下调整时钟同步信号的相位。
可选地，相位分频器还包括壳体、及设于壳体上的至少两个调节开关；壳体中安装有时钟信号发生器、分频模块、至少两个调相电路、及至少两个可变电位器；至少两个调节开关与至少两个可变电位器一一对应连接，分别用于调整对应的可变电位器，以调节调相电路的基准电压，实现对时钟同步信号的相位的调整。
可选地，调相电路的相位调节范围为-90°～+90°。
可选地，分频模块包括二分频电路或三分频电路或四分频电路。
可选地，分频模块分频后的时钟同步信号的频率范围为1MHz～14MHz。
可选地，相位分频器还包括一一对应的连接于至少两个相位调整模块的至少两个放大模块，每个放大模块用于对对应的相位调整模块所输出的时钟同步信号进行驱动放大，以输出可推动射频电源工作的时钟同步信号。
基于上述相位分频器的技术方案，本发明的第二方面提供了一种射频电源系统，该射频电源系统包括如上述任一项技术方案中的相位分频器，以及与相位分频器中的至少两个相位调整模块一一对应的至少两个射频电源，每个射频电源的时钟同步接口连接一个相位调整模块，射频电源用于对对应的相位调整模块所输出的时钟同步信号进行功率放大，以输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。
可选地，射频电源系统还包括射频天线；射频天线包括一一对应的与至少两个射频电源连接的至少两组天线组件，每组天线组件包括相向设置的两个天线本体，所有天线本体沿一圆周的周向依次间隔设置。
可选地，射频电源系统还包括至少两个匹配器，每个匹配器连接于相配合的一个射频电源与一组天线组件之间。
与现有技术相比，本发明提供的相位分频器和射频电源系统具有如下有益效果：
本发明提供的相位分频器，通过将分频模块与时钟信号发生器连接，并将至少两个相位调整模块与分频模块连接，能够输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个时钟同步信号，进而能够通过将每个时钟同步信号接入一个射频电源的时钟同步接口，实现利用至少两个射频电源输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。由于不需要在射频电源后再接相位调整模块，所以输出的至少两个射频信号不会受到相位调整模块额定输入功率低的限制，使得至少两个射频信号的频率与相位能够满足聚变调节要求，即至少两个射频信号能够通过射频天线耦合到同一等离子体中，驱动等离子体中的带电粒子旋转。而且由于输出的至少两个射频信号不需要再进行分频处理并放大，使射频信号的频率和相位都很稳定，不易出现失真的问题。
本发明提供的射频电源系统，所能实现的有益效果，与上述技术方案提供的相位分频器所能达到的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的一个实施例的相位分频器的示意框图；
图2示出了本发明的另一个实施例的相位分频器的示意框图；
图3示出了本发明的一个实施例的射频电源系统的示意框图；
图4示出了本发明的一个实施例的射频天线的结构示意图；
图5示出了本发明的一个实施例的天线本体的结构示意图。
附图标记：
10-相位分频器，102-时钟信号发生器，104-分频模块，
106-相位调整模块，108-放大模块，202-射频电源，
204-匹配器，30-射频天线，302-天线本体，
304-输入端子，306输出端子。
具体实施方式
为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明的实施例提供的相位分频器和射频电源系统进行详细描述。
参见图1，本发明的实施例提供的相位分频器10，包括时钟信号发生器102、分频模块104、及至少两个相位调整模块106。其中，时钟信号发生器102用于产生待处理的时钟信号。分频模块104与时钟信号发生器102连接，用于对待处理的时钟信号进行分频处理，生成并输出时域相同、频率相同的至少两个时钟同步信号。至少两个相位调整模块106与分频模块104连接，且至少两个相位调整模块106与至少两个时钟同步信号一一对应，每个相位调整模块106用于调整对应的时钟同步信号的相位，使至少两个时钟同步信号具有所需要的相位差，从而实现输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个时钟同步信号。
本发明提供的相位分频器10，通过将分频模块104与时钟信号发生器102连接，并将至少两个相位调整模块106与分频模块104连接，能够输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个时钟同步信号，进而能够通过将每个时钟同步信号接入一个射频电源202的时钟同步接口，实现利用过至少两个射频电源202输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。由于不需要在射频电源202后再接相位调整模块106，所以输出的两个射频信号不会受到相位调整模块106额定输入功率低的限制，使得至少两个射频信号的频率与相位满足聚变调节要求，即至少两个射频信号能够通过射频天线30耦合到同一等离子体中，驱动等离子体中的带电粒子旋转。而且由于输出的射频信号不需要再进行分频处理并放大，使射频信号的频率和相位都很稳定，不易出现失真的问题。
值得指出的是，该相位分频器10具有相位调整和分频两个功能，并且能够驱动两个射频电源202在同一时域、同频率、相位可调的情况下工作，使得两个射频电源202输出的射频信号不需要在进行分频和调相处理，并且相位准确，频率稳定，满足聚变装置大功率的需求，使至少两路不同射频信号能够通过射频天线30同时耦合到同一等离子体中。改进后的射频电源系统更简单、更实用，既满足实验所需数据可调范围大、不失真、稳定性高的目的，同时也为提高集成化和标准化奠定了一定基础。
在一些实施例中，相位调整模块106包括调相电路、以及与调相电路连接的可变电位器；可变电位器用于调节调相电路的基准电压；调相电路用于在基准电压的作用下调整时钟同步信号的相位。
在该实施例中，通过相位调整模块106包括调相电路、以及与调相电路连接的可变电位器，能够通过可变电位器来调节调相电路的基准电压，从而实现对时钟同步信号的相位进行调节，具有结构简单，调节方便的优点。示例性的，可变电位器可以由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出，以实现调节调相电路的基准电压。
在一些实施例中，相位分频器还包括壳体、及设于壳体上的至少两个调节开关；壳体中安装有时钟信号发生器、分频模块、至少两个调相电路、及至少两个可变电位器；至少两个调节开关与至少两个可变电位器一一对应连接，分别用于调整对应的可变电位器，以调节调相电路的基准电压，实现对时钟同步信号的相位的调整。
在该实施例中，通过将时钟信号发生器102、分频模块104、及至少两个相位调整模块106设于壳体中，具有结构集成化高、安装方便的优点，在使用时，只需将相位分频器10的一个输入端接电源，另外两个输出端分别接一个射频电源202的时钟同步接口，即可输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号，使至少两路射频信号的频率与相位满足聚变调节要求，实现将两路不同射频信号耦合到同一等离子体中。
示例性的，调节开关为旋转开关或滑动开关等，可以通过旋转角度或滑动距离的不同来实现调节对应的可变电位器。通过在壳体上设置有至少两个调节开关，每个调节开关用于调节一个对应的可变电位器，具有结构简单，调节方便的优点，进一步提高了该相位分频器10的方便性、实用性和可靠性。
示例性的，调相电路的相位调节范围为-90°～+90°，输出的任意两个时钟同步信号可以有0～180°的相位差。
示例性的，分频模块104包括二分频电路或三分频电路或四分频电路。通过分频模块104为二分频电路，能够将一路待处理的时钟信号分裂为频率相同的两路时钟同步信号。通过分频模块104为三分频电路，能够将一路待处理的时钟信号分裂为频率相同的三路时钟同步信号。通过分频模块104为四分频电路，能够将一路待处理的时钟信号分裂为频率相同的四路时钟同步信号。应当理解的是，在需要将一路待处理的时钟信号分裂为更多路时钟同步信号时，也可以设置分频模块104为六分频电路或八分频电路等。
示例性的，分频模块104分频后的时钟同步信号的频率范围为1MHz～14MHz，以使使得最终放大输出的射频信号能够更好的满足聚变调节要求。
为了减少出现时钟同步信号不足以推动射频电源202工作的情况，参见图2，相位分频器10还包括一一对应的连接于至少两个相位调整模块106的至少两个放大模块108，每个放大模块108用于对对应的相位调整模块106所输出的时钟同步信号进行驱动放大，以输出可推动射频电源202工作的时钟同步信号。射频电源202对该时钟同步信号进行功率放大后，即可输出符合聚变调节要求的射频信号。
参见图3，基于上述相位分频器的技术方案，本发明的实施例提供了一种射频电源系统，该射频电源系统包括如上述任一项技术方案中的相位分频器，以及与相位分频器中的至少两个相位调整模块一一对应的至少两个射频电源，每个射频电源的时钟同步接口连接一个相位调整模块，射频电源用于对对应的相位调整模块所输出的时钟同步信号进行功率放大，以输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。
本发明提供的射频电源系统，时钟信号发生器102产生待处理的时钟信号。与时钟信号发生器102连接的分频模块104对待处理的时钟信号进行分频处理，生成并输出时域相同、频率相同的至少两个时钟同步信号。与分频模块104连接的至少两个相位调整模块106，与至少两个时钟同步信号一一对应，每个相位调整模块106调整对应的时钟同步信号的相位，使至少两个时钟同步信号具有所需要的相位差。与至少两个相位调整模块106一一对应连接的至少两个射频电源202，对对应的相位调整模块106所输出的时钟同步信号进行功率放大，输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。
通过上述方案，实现利用至少两个射频电源202输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号，即每个射频电源202输出一个需要的射频信号。由于不需要在射频电源202后再接相位调整模块106，所以输出的两个射频信号不会受到相位调整模块106额定输入功率低的限制，使得至少两个射频信号的频率与相位满足聚变调节要求，即至少两个射频信号能够通过射频天线30耦合到同一等离子体中，驱动等离子体中的带电粒子旋转。而且由于输出的射频信号不需要再进行分频处理并放大，使射频信号的频率和相位都很稳定，不易出现失真的问题。
值得指出的是，射频电源202输出的射频信号不需要在进行分频和调相处理，并且相位准确，频率稳定，满足聚变装置大功率的需求，使至少两路不同射频信号能够通过射频天线30同时耦合到同一等离子体中。改进后的射频电源系统更简单、更实用，既满足实验所需数据可调范围大、不失真、稳定性高的目的，同时也为提高集成化和标准化奠定了一定基础。
示例性的，射频电源中包括多级功率放大电路，时钟同步信号经时钟同步接口输入射频电源，在射频电源中经多级功率放大电路进行分级放大后，向外输出符合聚变调节要求的射频信号。
在本发明的一些实施例中，参见图3至图5，射频电源系统还包括射频天线30。射频天线30包括一一对应的与至少两个射频电源202连接的至少两组天线组件，每组天线组件包括相向设置的两个天线本体302，所有天线本体302沿一圆周的周向依次间隔设置。示例性的，所有天线本体302围出一圆柱状空间或棱柱状空间。
在该实施例中，通过射频天线30包括一一对应的与至少两个射频电源202连接的至少两组天线组件，每组天线组件包括相向设置的两个天线本体302，所有天线本体302沿一圆周的周向依次间隔设置，能够使射频信号能够通过射频天线30馈入到等离子体中，在等离子体中形成旋转磁场，从而驱动等离子体中的带电粒子旋转。
示例性的，如图4和图5所示，每个天线本体302由两只互为电流反向的天线线圈组成，每个天线本体302上的两只天线线圈中流过方向相反的电流，这种设计能够产生闭合的磁场。
示例性的，如图4所示，射频天线30还包括多个同轴间隔设置的支架环，每个天线支架环上设置有呈圆周间隔设置的多个天线支架，每个天线支架上设置有2个通孔，每个通孔的直径与制成天线线圈的线的直径相等，其作用是用于固定天线线圈的线。每个天线本体302由最多不超过8个天线支架固定(例如天线支架环为4个时，每个天线本体302通过每个天线支架环上的2个天线支架来固定)。天线支架环上设置有四个定位孔，其作用是用于将多组天线支架环固定并定位，确保多个天线支架环同轴装配。而且通过定位孔还能将天线支架环、天线支架及天线本体302固定于真空室内。
示例性的，参见图5，射频天线30通过天线支架环上的定位孔安装于圆柱型或矩形真空室内部，每个天线本体302沿等离子体周向有一定弯曲角度，每个天线本体302通过真空法兰连接输入端子304和输出端子306。示例性的，弯曲角度范围为30°～90°，根据圆柱形等离子体直径及真空室内径不同会有一定变化。同时角度的大小还会对射频天线30产生的谐波有一定影响。
示例性的，每个天线本体302由直径约为4～10mm金属管或金属丝制成，当天线本体302由一根金属管制成时，金属管的一端为冷却水入口，另一端为冷却水出口，通入去离子水或其他绝缘冷却介质后天线可实现大功率的输入。示例性的，金属管可以是铜管。
示例性的，参见图3，射频电源系统包括两个射频电源和两组天线组件，每个射频电源202对应连接一组天线组件，第一个射频电源202输出的射频信号在π/2周期时做功驱动磁场方向指向0°，第二个射频电源202输出的功率信号在π周期时做功驱动磁场方向指向90°，第一个射频电源202输出的功率信号在3π/2周期时做功驱动磁场方向指向180°，第二个射频电源202输出的功率信号在2π周期时做功驱动磁场方向指向270°，第一个射频电源202输出的功率信号在5π/2周期时做功驱动磁场方向指向0°。至此射频电源202带动磁场旋转了360°，完成了一次旋转，以产生旋转磁场用于驱动等离子体。其中，旋转磁场的旋转速度与分频模块104提供的频率成正比。当真空室内沿着恒定轴向磁场产生圆柱形螺旋波等离子体时，等离子体外部边缘沿周向会产生感应磁场，即初始磁场，此时射频天线30产生的旋转磁场加热加速等离子体中的电子，并且在等离子体中驱动有相位差的电子旋转使初始磁场发生反向，以产生场反位型磁约束聚变反应。
在一些实施例中，参见图3，射频电源系统还包括至少两个匹配器204，每个匹配器204连接于相配合的一个射频电源202与一组天线组件之间。
在该实施例中，通过在相配合的一个射频电源202与一组天线组件之间设置匹配器204，能够使射频天线30阻抗与射频电源202阻抗相匹配，达到满足最大功率输出的目的。
示例性的，匹配器204通过输出端反射回的功率信号进行成比例的采样分析，进而调整其内部的电感及电容LC电路，从而改变射频天线30的阻抗值，达到满足最大功率输出的目的。
示例性的，匹配器204的输入端与射频电源202之间通过同轴电缆连接，匹配器204的输出端与射频天线30之间通过同轴电缆连接，同轴电缆具有价格较便宜、铺设较方便、阻抗较低的优点。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种相位分频器，其特征在于，所述相位分频器包括：
时钟信号发生器，用于产生待处理的时钟信号；
与所述时钟信号发生器连接的分频模块，用于对待处理的时钟信号进行分频处理，生成并输出时域相同、频率相同的至少两个时钟同步信号；
与所述分频模块连接的至少两个相位调整模块，所述至少两个相位调整模块与所述至少两个时钟同步信号一一对应，分别用于调整对应的时钟同步信号的相位，以输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个时钟同步信号。
2.根据权利要求1所述的相位分频器，其特征在于，所述相位调整模块包括调相电路、以及与所述调相电路连接的可变电位器；
所述可变电位器用于调节所述调相电路的基准电压；
所述调相电路用于在所述基准电压的作用下调整所述时钟同步信号的相位。
3.根据权利要求2所述的相位分频器，其特征在于，所述相位分频器还包括壳体、及设于所述壳体上的至少两个调节开关；
所述壳体中安装有所述时钟信号发生器、所述分频模块、至少两个所述调相电路、及至少两个所述可变电位器；
所述至少两个调节开关与所述至少两个可变电位器一一对应连接，分别用于调整对应的可变电位器，以调节调相电路的基准电压，实现对所述时钟同步信号的相位的调整。
4.根据权利要求2所述的相位分频器，其特征在于，所述调相电路的相位调节范围为-90°～+90°。
5.根据权利要求1所述的相位分频器，其特征在于，所述分频模块包括二分频电路或三分频电路或四分频电路。
6.根据权利要求1所述的相位分频器，其特征在于，所述分频模块分频后的时钟同步信号的频率范围为1MHz～14MHz。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的相位分频器，其特征在于，所述相位分频器还包括一一对应的连接于所述至少两个相位调整模块的至少两个放大模块，每个放大模块用于对对应的相位调整模块所输出的时钟同步信号进行驱动放大，以输出可推动射频电源工作的时钟同步信号。
8.一种射频电源系统，其特征在于，所述射频电源系统包括：
如权利要求1～7中任一项所述的相位分频器；以及
与所述相位分频器中的至少两个相位调整模块一一对应的至少两个射频电源，每个所述射频电源的时钟同步接口连接一个相位调整模块，所述射频电源用于对对应的相位调整模块所输出的时钟同步信号进行功率放大，以输出时域相同、频率相同、且具有所需要的相位差的至少两个射频信号。
9.根据权利要求8所述的射频电源系统，其特征在于，所述射频电源系统还包括射频天线；
所述射频天线包括一一对应的与所述至少两个射频电源连接的至少两组天线组件，每组所述天线组件包括相向设置的两个天线本体，所有天线本体沿一圆周的周向依次间隔设置。
10.根据权利要求9所述的射频电源系统，其特征在于，所述射频电源系统还包括至少两个匹配器，每个匹配器连接于相配合的一个所述射频电源与一组所述天线组件之间。
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