CN111864355A - 一种射频波谐振加热天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低射频波谐振加热天线，包括天线的支撑箱体、法拉第屏蔽板、辐射电流条带和谐振单元，所述辐射电流条带放置于天线的支撑箱体和法拉第屏蔽板围成的腔体内部，等间距并列排布，底面端部与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板、周期性高阻抗表面结构和接地金属棒，所述谐振单元用于改善天线共振频率和电磁波功率谱，所述谐振单元位于天线腔体内部，介质基板紧贴于辐射电流条带背部，高阻抗表面结构嵌入介质基板中，且通过金属棒与支撑箱体背部内表面固定连接用以接地。该天线利用电路谐振降低了磁约束核聚变装置中离子回旋加热系统的端口能量反射，提高天线辐射功率与等离子体负载的耦合程度。

Description

一种射频波谐振加热天线
技术领域
本发明涉及用于磁约束核聚变装置中磁约束等离子体射频波加热领域，具体是一种低反射、高耦合射频波谐振加热天线。
背景技术
离子回旋加热(ICRF)是磁约束核聚变装置中等离子体加热的重要方式，其系统产生的射频波可对等离子体中的离子进行直接有效的加热。国内外各大型磁约束核聚变装置均配备有离子回旋加热系统，但离子回旋加热ICRF天线端口反射过大、辐射耦合效率低下的问题十分突出。我国磁约束托卡马克EAST装置ICRF天线在没有额外阻抗匹配系统支持的情况下失配严重，天线端口回波损耗很大且由于天线前端等离子体密度较低，天线的功率耦合不高。为了实现射频波功率在天线处的正向递送并且有效地与等离子体进行能量耦合，不仅要保证离子回旋加热ICRF天线端口具有较小的回波损耗，还要使天线的功率谱与等离子体吸收谱匹配。
发明内容
为了解决现有设备中出现的端口回波损耗大且功率耦合低的问题，本发明通过利用多电流条带之间的互耦效应，同时添加高阻抗表面结构和介质基板，提供一种射频波谐振加热天线，具有低反射、高耦合的特点，在有限的功率输入下，减小端口的回波损耗、增大功率输出与耦合。
为了实现本发明的目的，采用的技术方案为：一种射频波谐振加热天线，包括：
天线的支撑箱体、法拉第屏蔽板、辐射电流条带和谐振单元，所述辐射电流条带放置于天线的支撑箱体和法拉第屏蔽板围成的腔体内部，等间距并列排布，底面端部与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板、周期性高阻抗表面结构和接地金属棒，所述谐振单元用于改善天线共振频率和电磁波功率谱，所述谐振单元位于天线腔体内部，介质基板紧贴于辐射电流条带背部，高阻抗表面结构嵌入介质基板中，且通过金属棒与支撑箱体背部内表面固定连接用以接地。
进一步的，所述法拉第屏蔽板上端矩形金属横挡板和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。
进一步的，所述介质基板径向厚度与极向高度根据具体情况改变加工设计时的尺寸，根据辐射电流条带结构尺寸和发射机频率调整，环向长度即辐射电流条带并列排布方向与辐射电流条带环向总跨长度相当，紧贴辐射电流条带背面且与其固定连接，材料为碳化硅。
进一步的，所述高阻抗表面结构嵌入介质基板中，与辐射电流条带间距为10-20mm，中间为介质基板，辐射电流条带背部同样具有介质基板，背面通过矩形金属棒与天线支撑箱体背部内表面固定连接。
进一步的，所述的高阻抗表面结构HIS是一种周期性的金属表面结构，其周期尺寸小于电磁波波长的1/10，对应的天线运行频率为10-120MHz；当一束电磁波入射到此结构表面时，它的反射波相位随着频率的变化从π连续变为-π，其中必有一个频率所对应的反射相位为0，即存在同相位反射，将所述高阻抗表面结构HIS用做天线的反射面，入射电磁波将和反射电磁波同相位,电磁波在天线发射方向得到加强。
进一步的，所述加热天线，馈入功率由发射源和应用的装置共同决定，范围在几十千瓦～几十兆瓦，应用于等离子体磁约束装置，包括托克马克装置。
进一步的，所述法拉第屏蔽板FS上端部为矩形金属横挡板，和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体挡板前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。
进一步的，高阻抗表面结构阵列排布于辐射电流条带的背部，辐射电流条带由同轴线内导体连接穿过外导体。
进一步的，法拉第屏蔽板1与环向之间的夹角θ等同于磁约束核聚变装置中总磁场方向与环向之间的角度差。
进一步的，当辐射电流条带通电时，在介质基板中的高阻抗表面、接地金属杆和天线支撑箱体之间形成电路中调节谐振的感抗和容抗，从而对整个天线的辐射产生影响。
所述介质基板与电流条带背面固定连接，材料选用高介电常数低电导率的碳化硅，波在不同介质中的传播速度不同，同样频率下，介电常数越大波长越小，同样的天线尺寸，对应的频率就会向低频漂移，调节介质层厚度达到最佳谐振频率。
所述谐振单元，在辐射电流带的基础上，包括高阻抗表面结构和介质基板，高阻抗表面结构尺寸间距和介质基板的电参数厚度共同决定等效RLC谐振电路的共振频率和电磁波功率谱。
有益效果：
本发明能够在无外加阻抗匹配系统的情况下，基于辐射电流条带间的互耦，利用高阻抗表面结构和介质基板的组合可在谐振频率下获得较大的功率输出，端口回波损耗较小。
本发明在谐振频率下运行时，针对现有较低密度等离子体可获得较高的耦合阻抗，且天线的波峰出现在|10|m-1附近，能够将更多的射频波能量传输到等离子体中心区，达到更好的耦合效果。
附图说明
图1为本发明的射频波谐振加热天线结构示意图；
图2为本发明天线边缘剖面图；
图3为本发明主视图；
图4为本发明谐振单元原理图；
图5为本发明天线的端口回波损耗图；
图6为本发明天线前端15mm处不同相位下的平行功率谱分布图。
附图标记：
1：法拉第屏蔽板；2：FS上端部挡板；3：辐射电流条带；4：介质基板；5：高阻抗表面结构；6：接地金属杆；7：天线支撑箱体；8：同轴线外导体；9：同轴线内导体；10：磁约束核聚变装置中总磁场方向与环向角度差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
对本发明实施例中的技术方案所进行的清楚、完整的描述，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见附图1，一种射频波谐振加热天线，具有低反射、高耦合的特点，其包括有天线支撑箱体7、法拉第屏蔽板1、辐射电流条带3和谐振单元，所述辐射电流条带3并排放置于天线的支撑箱体7和法拉第屏蔽板1围成的腔体内部，并一端与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板4、周期性高阻抗表面结构5和接地金属棒6。
所述的高阻抗表面结构5(HIS)是一种周期性的金属表面结构，其结构可设计为周期性阵列排布的统一形状金属薄板，本实施例采用两行五列的矩形金属薄板，尺寸小于辐射电流条带，周期尺寸远小于电磁波波长，本例中对应的天线运行频率为10-120MHz。当一束电磁波入射到此结构表面时，它的反射波相位随着频率的变化从π连续变为-π，表明其中必有一个频率所对应的反射相位为0，即存在同相位反射，则这种结构的表面对所传播的电磁波呈现高的表面阻抗，在传播禁带内表面电流几乎为0。将高阻抗表面结构HIS用做天线的反射面，入射电磁波将和反射电磁波同相位,电磁波在天线发射方向得到加强。
波在不同介质中的传播速度不同，同样频率下，介电常数越大波长越小，同样的天线尺寸，对应的频率就会向低频漂移，因此适当增大介质层的介电常数有利于降低谐振频率，所述介质基板4与辐射电流条带3背面固定连接，材料选用高介电常数低电导率的碳化硅，调节介质层厚度达到最佳谐振频率。
所述谐振单元的谐振频率反比于
Figure BDA0002612215910000041
在辐射电流条带3的基础上，包括高阻抗表面结构5和介质基板4，高阻抗表面结构尺寸间距和介质基板的电参数厚度共同决定等效RLC谐振电路的共振频率和电磁波功率谱，调节HIS的周期尺寸以及高阻抗表面结构HIS距离辐射电流条带背面的距离来改变电路的阻抗和容抗，从而达到将谐振频率调节至源频率范围并优化功率谱的目的。
所述法拉第屏蔽板FS上端部挡板为矩形金属横挡板，和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。
图2为本发明天线边缘剖面图，可以看出高阻抗表面结构5阵列排布于辐射电流条带3的背部，辐射电流条带3由同轴线内导体9连接穿过外导体8。图3为本发明主视图，法拉第屏蔽板1与环向之间的夹角θ等同于磁约束核聚变装置中总磁场方向与环向之间的角度差。图4为本发明谐振单元原理图，当辐射电流条带3通电时，在介质基板4中的高阻抗表面5、接地金属杆6和天线支撑箱体7之间形成电路中调节谐振的感抗和容抗，从而对整个天线的辐射产生影响。
本发明天线的低反射性能体现在图5所示的端口回波损耗图，当不存在外加阻抗匹配系统时，在共振频率下，端口的回波损耗小于-9dB，相较于传统的加热天线，端口反射大大减小，降低了功率损耗以及反射击穿打火引入杂质的风险。
本发明天线的高耦合性能体现在图6，所示的本发明天线前端15mm处不同相位下的平行功率谱分布图，在端口反相时可得到最大的功率谱分布，在任何相位下，谱峰均集中在k//＝10m-1附近，这样的谱分布有利于射频波能量穿过截止层进入等离子体芯部进行共振，实现功率的沉积耦合。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种射频波谐振加热天线，其特征在于，包括：
天线的支撑箱体、法拉第屏蔽板、辐射电流条带和谐振单元，所述辐射电流条带放置于天线的支撑箱体和法拉第屏蔽板围成的腔体内部，等间距并列排布，底面端部与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板、周期性高阻抗表面结构和接地金属棒，所述谐振单元用于改善天线共振频率和电磁波功率谱，所述谐振单元位于天线腔体内部，介质基板紧贴于辐射电流条带背部，高阻抗表面结构嵌入介质基板中，且通过金属棒与支撑箱体背部内表面固定连接用以接地。
2.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述法拉第屏蔽板上端矩形金属横挡板和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述介质基板径向厚度与极向高度根据具体情况改变加工设计时的尺寸，根据辐射电流条带结构尺寸和发射机频率调整，环向长度即辐射电流条带并列排布方向与辐射电流条带环向总跨长度相当，紧贴辐射辐射电流条带背面且与其固定连接，材料为碳化硅。
4.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述高阻抗表面结构嵌入介质基板中，与辐射电流条带间距为10-20mm，中间为介质基板，辐射电流条带背部同样具有介质基板，背面通过矩形金属棒与天线支撑箱体背部内表面固定连接。
5.据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述的高阻抗表面结构HIS是一种周期性的金属表面结构，其周期尺寸小于电磁波波长的1/10，对应的天线运行频率为10-120MHz；当一束电磁波入射到此结构表面时，它的反射波相位随着频率的变化从π连续变为-π，其中必有一个频率所对应的反射相位为0，即存在同相位反射，将所述高阻抗表面结构HIS用做天线的反射面，入射电磁波将和反射电磁波同相位,电磁波在天线发射方向得到加强。
6.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述加热天线，馈入功率由发射源和应用的装置共同决定，范围在几十千瓦～几十兆瓦，应用于等离子体磁约束装置，包括托克马克装置。
7.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
所述法拉第屏蔽板FS上端部为矩形金属横挡板，和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体挡板前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。
8.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
高阻抗表面结构阵列排布于辐射电流条带的背部，辐射电流条带由同轴线内导体连接穿过外导体。
9.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
法拉第屏蔽板1与环向之间的夹角θ等同于磁约束核聚变装置中总磁场方向与环向之间的角度差。
10.根据权利要求1所述的一种射频波谐振加热天线，其特征在于：
当辐射电流条带通电时，在介质基板中的高阻抗表面、接地金属杆和天线支撑箱体之间形成电路中调节谐振的感抗和容抗，从而对整个天线的辐射产生影响。
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