CN113295918B - 一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，包括有多个金属电流引线、信号转接线、多个功分器、多个鉴相器、多个检波器、数据采集与处理模块、计算机；每个金属电流引线的一端连接天线电流带，金属电流引线输出的信号通过信号转接线传输到对应的功分器；每个功分器为一分三的功分器，其中一个输出端与功分器对应的检波器相连，另两个输出端分别连接到两个鉴相器；通过对应检波器测量电压的幅值，通过两个鉴相器测量电流带之间的相位差；检波器和鉴相器将输出信号传递给数据采集与处理模块，数据采集与处理模块利用天线阻抗信号和测得的电压信号，分别计算两个天线电流带上电流大小，并将电流和相位信号发送到计算机进行存储。
Description
技术领域
本发明涉及测量离子回旋天线电流带本身的特性技术领域，尤其涉及一种用于测量电流带电流强度和相位差的诊断系统。
背景技术
离子回旋加热系统是磁约束核聚变装置托卡马克中常用的辅助加热系统。离子回旋波在EAST托卡马克中工作频率范围在25-70MHz。离子回旋加热系统通过天线电流带上高频振荡的电流激发快磁声波(简称快波)，快波从位于等离子体边界的天线传播到等离子体芯部，并在吸收区域将能量传递给等离子体。边界离子回旋波功率耦合要求天线功率谱较小的平行波矢，以得到较小的快波截止密度和较窄的快波消逝层，从而达到较高的耦合。而芯部离子回旋波能量吸收要求功率谱较大的平行波矢，以实现共振层较大的多普勒展宽，提高芯部吸收效率。只有同时确保较好的离子回旋加热边界功率耦合和芯部能量吸收，才能保证好的离子回旋加热效果。因此，通过控制天线不同电流带之间电流的相位差和电流大小来调节并优化天线功率谱，以此获得合适的平行波矢峰值，对提高总体离子回旋加热功率非常重要。这对测量天线带的电流大小和相位差提出了明确要求。
发展测量天线电流带上电流的大小以及电流带之间的相位差的诊断系统，一方面对理解快波的激发以及天线的辐射功率非常重要；另一方面，天线电流带上电流的大小以及电流带之间的相位差直接决定了天线的功率谱和天线的加热性能。因此，托卡马克装置如EAST急需发展一种方便快捷且准确的可以测量天线电流带电流大小和相位差的诊断系统。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，包括有多个金属电流引线、信号转接线、多个功分器、多个鉴相器、多个检波器、数据采集与处理模块、计算机；
每个金属电流引线的一端连接天线电流带，金属电流引线输出的信号通过信号转接线传输到对应的功分器；
每个功分器为一分三的功分器，其中一个输出端与功分器对应的检波器相连，另两个输出端分别连接到两个鉴相器；
所述多个检波器与多个鉴相器的输出端均与数据采集与处理模块相连；数据采集与处理模块的输出端与计算机相连；
所述的金属电流引线和同轴传输线将天线电流带射频信号传输到功分器；功分器将射频信号等幅值、等相位分为三路，并通过对应检波器测量电压的幅值，通过两个鉴相器测量电流带之间的相位差；检波器和鉴相器将输出信号传递给数据采集与处理模块，数据采集与处理模块利用天线阻抗信号和测得的电压信号，分别计算两个天线电流带上电流大小，并将电流和相位信号发送到计算机进行存储。
进一步的，所述多个金属电流引线输出的信号通过信号转接线传输到对应的功分器，具体为：金属电流引线输出端通过N型转接头与同轴传输线的输入端相连；同轴传输线在托卡马克器壁处，即真空区与大气区交界处通过BNC接头相连；同轴传输线的输出端与一分三的功分器的输入端相连。
进一步的，所述的BNC接头采用五十欧姆陶瓷焊接阻隔超高真空的BNC转BNC的转接头，结合真空法兰安装在托卡马克壁上用于传输射频信号。
进一步的，所述的鉴相器是利用AD8302芯片测量两个天线带之间的相位差。
进一步的，所述的检波器是利用AD8307芯片将射频信号转换为直流信号，得到金属电流引线与天线电流带连接处信号幅值。
本发明的优点是：
1.它是目前唯一可以探测EAST中离子回旋天线电流带上电流强度以及电流带之间相位差的诊断系统，对离子回旋加热系统的运行有很好的检测作用。
2.它属于被动诊断，不会对等离子体或天线本身产生影响。
3.诊断理论和诊断几何结构简单，易安装，性价比高。
4.测量时间分辨率高(采集卡的采样率是100,000/s)，测量数据实时存储。
附图说明
图1为天线电流带电流强度和相位差诊断系统整体结构图；
图2为天线与金属电流引线放大结构图；
图3为鉴相器的相位与电压关系图；
图4为检波器的功率与电压关系图；
图5为实验测量电流带电流强度；
图6为实验测量电流带之间的相位差。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，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。
如图1所示，一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，包括有金属电流引线；N型转接头；BNC型转接头；同轴传输线；功分器；检波器；鉴相器；数据采集与处理模块；计算机。
所述的金属电流引线一端与天线电流带连接，另一端通过N型转接头与同轴传输线连接。所述同轴传输线再通过托卡马克器壁时通过BNC型转接头连接。同轴传输线输出端与所述的功分器连接，功分器将射频信号等幅值等相位分配为三路，通过检波器测量射频信号的幅值，通过鉴相器测量射频信号的相位差。检波器和鉴相器将输出信号传递给数据采集与处理模块，数据采集与处理模块利用测得的电压信号与天线阻抗信号，分别计算两个天线电流带上电流大小，并将电流和相位信号发送到计算机进行存储。
天线电流带之间的相位差通过鉴相器直接测得，而电流强度则是通过检波器测得的电势与阻抗计算得出。该计算过程由数据采集与处理模块快速处理。
如图2所示，天线电流带总长度为L，天线电流带与金属电流引线连接处至天线接地处长度为d。天线总共阻抗已知为ZL＝RL+jXL，其中RL为电阻，XL为感抗。由此可计算天线电流带与金属电流引线连接处至天线接地处之间的阻抗为Z0＝ZLd/L。由检波器测得的天线电流带与金属电流引线连接处的电压为V0，所以流经天线的电流为
其中
所述的鉴相器是利用AD8302芯片测量两个天线带之间的相位差。为了使得AD8302鉴相芯片鉴相范围扩展到0-360°，本发明采用两片AD8302鉴相芯片鉴相。由于两个鉴相芯片需要4路射频波输入，本发明采用两个功分器，将两个电流带产生的两路射频信号等相、等幅地分为6路。其中第一功分器的其中两路射频波分别通过两根等相位射频线输送给第一个AD8302鉴相芯片，第二功分器的其中两路射频信号通过两根不同长度的射频线输送给第二个AD8302鉴相芯片，这两根不同长度的射频线之间的相位差一般为90°左右。其目的是将AD8302的鉴相范围从0-180°度扩展到0-360°，并依此判断出相位的符号，即0-180°为负，180°-360°为正。按照这样电路设计的鉴相器的校准曲线如图3所示。根据该图，可以选择两条射频信号特性曲线V1和V2中的某一条的线性区并计算两路射频信号的相位差，并且回避了相位测量的二值性以及非线性等问题。
所述的检波器是利用AD8307芯片将射频信号转换为直流信号，用于测量金属电流引线与天线电流带连接处信号幅值的一种器件。检波器的校准曲线如图4所示，检波器测量的功率与电压是线性关系，可以通过检波器的信号准确地得到射频信号的电压幅值。
根据本发明的一个实施例，利用本发明上述的诊断系统进行测量实验，实验中，设定输入电流带的功率是1MW，两个电流带之间的相位是(0,π)。根据公式
和检波器的校准曲线图4，测量得出传输线电流带中的电流强度，如图5所示；图中可以看出电流带中电流的大小为1000A左右，并伴随着扰动，扰动是因为等离子体边界密度的变化影响了阻抗值|ZL|。
根据鉴相器的校准曲线图3，可以测量得出天线电流带之间的相位差，如图6所示，图中在电流带相位(0，π)时，测量的天线电流带之间的相位差在180°左右。实验上对电流带电流强度和相位差的成功测量，证明了这套诊断系统的可用性。
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 (4)
1.一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，其特征在于：包括有多个金属电流引线、信号转接线、多个功分器、多个鉴相器、多个检波器、数据采集与处理模块、计算机；每个金属电流引线的一端连接天线电流带，金属电流引线输出的信号通过信号转接线传输到对应的功分器；
每个功分器为一分三的功分器，其中一个输出端与功分器对应的检波器相连，另两个输出端分别连接到两个鉴相器；
所述多个检波器与多个鉴相器的输出端均与数据采集与处理模块相连；数据采集与处理模块的输出端与计算机相连；
所述的金属电流引线和同轴传输线将天线电流带射频信号传输到功分器；功分器将射频信号等幅值、等相位分为三路，并通过对应检波器测量电压的幅值，通过两个鉴相器测量电流带之间的相位差；检波器和鉴相器将输出信号传递给数据采集与处理模块，数据采集与处理模块利用天线阻抗信号和测得的电压信号，分别计算两个天线电流带上电流大小，并将电流和相位信号发送到计算机进行存储；
所述多个金属电流引线输出的信号通过信号转接线传输到对应的功分器，具体为：金属电流引线输出端通过N型转接头与同轴传输线的输入端相连；同轴传输线在托卡马克器壁处，即真空区与大气区交界处通过BNC接头相连；同轴传输线的输出端与一分三的功分器的输入端相连；
其中一个功分器三路输出中的两路射频波分别通过两根等相位射频线输送给对应的一个鉴相芯片，其中另一个功分器的三路中的两路射频信号通过两根不同长度的射频线输送给对应的另一个鉴相芯片，这两根不同长度的射频线之间具有预定的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，其特征在于：
所述的BNC接头采用五十欧姆陶瓷焊接阻隔超高真空的BNC转BNC的转接头，结合真空法兰安装在托卡马克壁上用于传输射频信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，其特征在于：
所述的鉴相器是利用AD8302芯片测量两个天线带之间的相位差。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量天线电流带电流强度和相位差的诊断系统，其特征在于：所述的检波器是利用AD8307芯片将射频信号转换为直流信号，得到金属电流引线与天线电流带连接处信号幅值。
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