CN113437515B - 一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，包括有馈口内导体、馈口外导体、可伸缩连接桥、外电流带连接板、内电流带连接板、滑动托板、电流带、接地板、天线外壳。馈口内导体与可伸缩连接桥连接，馈口外导体与天线外壳连接。可伸缩连接桥一端与外电流带连接板连接，另一端与内电流带连接板连接。外电流带连接板通过滑动托板与外面两个电流带连接，内电流带连接板通过滑动托板与里面两个电流带连接。四个电流带通过接地板与天线外壳连接。从馈口内导体激发的电流经可伸缩连接桥、内电流带连接板、外电流带连接板和滑动托板流传至电流带。电流带上的电流经接地板、天线外壳传至馈口外导体。通过改变可伸缩连接桥的长度，可以选择不同的天线最佳频率。

Description

一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线
技术领域
本发明涉及离子回旋天线设计领域，是一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线。
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最重要的辅助加热系统之一。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缘的天线传播到等离子体芯部，并在共振层将能量传递给等离子体。EAST托卡马克主要使用少数离子加热模式，少数离子共振层位置由R＝R0qiB0/2πfmi决定。其中，R0是EAST大半径，B0是磁轴处的磁场大小，qi和mi分别为少数离子的电荷数和质量，f为离子回旋天线的加热频率。通过选择适当的磁场大小和加热频率，才能使共振层位于等离子体芯部，将芯部快波能量吸收效率最大化。在不同的等离子体运行模式中，磁轴处磁场大小的变化会使少数离子共振层位置偏离芯部。此时，必须通过调节天线加热的频率使共振层重新回到芯部变得尤为重要。因此，发展适合多频率加热的天线变得尤为重要。这种天线的设计对实现EAST离子回旋加热功率的最大化以及对实现未来磁约束核聚变装置中灵活的离子回旋加热具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了弥补已有天线的技术缺陷，提供一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，包括有馈口内导体、馈口外导体、可伸缩连接桥、外电流带连接板、内电流带连接板、滑动托板、电流带、接地板、天线外壳。馈口内导体与可伸缩连接桥连接，馈口外导体与天线外壳连接。可伸缩连接桥一端与外电流带连接板连接，另一端与内电流带连接板连接。外电流带连接板通过滑动托板与外面两个电流带连接，内电流带连接板通过滑动托板与里面两个电流带连接。四个电流带通过接地板与天线外壳连接。从馈口内导体激发的电流经可伸缩连接桥、内电流带连接板、外电流带连接板和滑动托板流传至电流带。电流带上的电流经接地板、天线外壳传至馈口外导体。
所述的可伸缩连接桥可以自由改变长度。当连接桥改变其长度时，馈口的位置以及连接桥的中心位置不变。
进一步的，所述的滑动托板，可以在内外电流带上自由移动。当滑动托板移动时，连接桥长度作相应变化。
进一步的，所述的四个电流带的长度和宽度相同，电流带的一端天线外壳相连。天线外壳接地。
本发明的优点是：
1.它是目前唯一可以改变频率进行加热的离子回旋天线。
2.通过改变可伸缩连接桥的长度，可以灵活、快速地选择最佳频率。
3.使用最佳频率时，天线馈口反射系数低，功率耦合能力强。
附图说明
图1为天线结构图。
图2为可伸缩连接桥长度示意图。
图3(a)为天线单个电流带简化图，(b)为单个电流带的电路原理图。
图4为不同连接桥长度时，反射系数随频率的变化关系图。
图5为天线最佳频率随可伸缩连接桥长度的变化关系图。
图6为可伸缩连接桥的长度为d＝0.37m时，最佳天线频率为f＝107.1MHz时的电场强度图。
图7为可伸缩连接桥的长度为d＝0.37m时，非最佳天线频率为f＝120.0MHz时的电场强度图。
图中，1-馈口内导体；2-馈口外导体；3-可伸缩连接桥；4-外电流带连接板；5-内电流带连接板；6-滑动托板；7-电流带；8-接地板；9-天线外壳。
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。
一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线的结构如图1所示，包括：馈口内导体1；馈口外导体2；可伸缩连接桥3；外电流带连接板4；内电流带连接板5；滑动托板6；电流带7；接地板8；天线外壳9。
所述的馈口内导体1与可伸缩连接桥3连接。馈口位置和可伸缩连接桥3的中心位置不变，可伸缩连接桥3的两端可自由改变长度。可伸缩连接桥3的一端与外电流带连接板4连接，另一端与内电流带连接板5连接。外电流带连接板4通过滑动托板6与外面两个电流带7连接，内电流带连接板5通过滑动托板6与里面两个电流带7连接。四个电流带7通过接地板8与天线外壳9连接，天线外壳9与馈口外导体2连接。天线结构的正面图如图2所示。四个电流带7的长度和宽度相同，天线外壳9接地。
所述的滑动托板6，可以在内外电流带7上自由移动；当滑动托板6移动时，所述连接桥3长度作相应变化。从馈口内导体1激发的电流经可伸缩连接桥3、内电流带连接板5、外电流带连接板4和滑动托板6流传至电流带7；电流带7上的电流经接地板8、天线外壳9传至馈口外导体2。
该天线单个电流带的简化图和电路原理图如图3所示。天线的输入阻抗Zin可通过以下公式计算：
Figure BDA0003154038810000031
其中，ZT为天线电流带的互感(单位H)，ZL为天线电流带的自感(单位H)，Rrad为天线的辐射电阻(单位Ω)，Cp为天线与可伸缩连接桥以及天线外壳之间的电容(单位F)，i表示虚部，ω＝2πf，f为天线的加热频率(单位Hz)。计算得到的输入阻抗Zin后，可进一步通过以下公式计算天线馈口的反射系数Γin：
Figure BDA0003154038810000032
其中，Z0为传输线以及天线馈口的特性阻抗(单位Ω)，在以下计算中Z0值都设置为50Ω(EAST常用值)。在该天线设计中，通过改变天线可伸缩连接桥的长度，可以改变天线的电容、天线自感和天线的辐射电阻，进而改变天线的输入阻抗和天线馈口的反射系数。因此，当天线的频率固定时，可以改变可伸缩连接桥的长度来获得馈口最小的反射系数。
对于一定长度的可伸缩连接桥3，当天线馈口的反射系数最小时，天线的功率耦合能力最强，对应的频率为最佳频率。当改变可伸缩连接桥3的长度时，对应的最佳频率也会发生相应改变。通过HFSS模拟，可得出对于不同长度的可伸缩连接桥，天线馈口的反射系数随频率的变化关系，如图4所示。从该图可知，当可伸缩连接桥3的长度逐渐增大时，对应的最佳频率逐渐减小。因此，该天线设计可以通过改变可伸缩连接桥3的长度来选择天线的最佳加热频率。
进一步地，可计算得出最佳频率随可伸缩连接桥3长度变化的关系曲线，如图5所示。其中，红色实心点为计算得出的数据，蓝色曲线为线性拟合曲线，表达式f＝-70.067*d+132.673。其中f为最佳频率(单位为MHz)，d为可伸缩连接桥3的长度(单位为m)。计算结果与拟合结果基本吻合，表明最佳频率总体上随可伸缩连接桥3长度线性变化。因此，实际上可根据需要的加热频率，依据该线性拟合曲线，选择使功率耦合最大的可伸缩连接桥3长度。此外，当天线加热频率需要实时改变时，可伸缩连接桥3也可相应地实时改变其长度。
当馈口使用相同的电压，且可伸缩连接桥3长度一定时，天线最佳频率对应的馈口反射系数最小，所引起的天线耦合功率最大，天线电流带上辐射出的电场强度也最大。如图6和图7所示，当可伸缩连接桥长度固定为d＝0.37m，分别使用最佳频率为f＝107.1MHz以及非最佳频率为f＝120.0MHz时天线可伸缩连接桥3、内外电流带连接板、四个滑动托板6和四个电流带7上的电场强度图。结果显示，使用最佳频率产生的电场约为使用非最佳频率产生的电场的两倍。因此，为保证最大化地提高天线的功率耦合，该天线应严格按照如图5所示的最佳频率与可伸缩连接桥3长度之间的关系选择最佳频率。
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)

1.一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，其特征在于：包括有馈口内导体(1)、馈口外导体(2)、可伸缩连接桥(3)、外电流带连接板(4)、内电流带连接板(5)、多个滑动托板(6)、电流带(7)、接地板(8)和天线外壳(9)；
馈口内导体(1)与可伸缩连接桥(3)连接，馈口外导体(2)与天线外壳(9)连接；可伸缩连接桥(3)一端与外电流带连接板(4)连接，另一端与内电流带连接板(5)连接；外电流带连接板(4)通过滑动托板(6)与外面两个电流带(7)连接，内电流带连接板(5)通过滑动托板(6)与里面两个电流带(7)连接；四个电流带(7)通过接地板(8)与天线外壳(9)连接；从馈口内导体(1)激发的电流经可伸缩连接桥(3)、内电流带连接板(5)、外电流带连接板(4)和滑动托板(6)流传至电流带(7)；电流带(7)上的电流经接地板(8)、天线外壳(9)传至馈口外导体(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，其特征在于：所述的可伸缩连接桥(3)可以自由改变长度；当连接桥改变其长度时，馈口的位置以及连接桥的中心位置不变。
3.根据权利要求1所述的一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，其特征在于：所述的滑动托板(6)，可以在内外电流带上自由移动；当滑动托板(6)移动时，连接桥长度作相应变化。
4.根据权利要求1所述的一种用于可以改变频率进行加热的离子回旋天线，其特征在于：四个电流带(7)的长度和宽度相同，电流带的一端(7)与天线外壳(9)相连；天线外壳(9)接地。
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