CN116231259B - 一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器及其制备方法，包括外导体和在长度方向贯穿外导体内部的内导体；内导体包括第一内导体和第二内导体；第二内导体采用支撑结构套设在第一内导体的中间部位；第一内导体和第二内导体相接的区域为三维曲面，三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，流通管道用于水冷降温。本方案中采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免局域电场过大所导致的打火问题；内导体采用铜材料，提高导电率，降低阻值及产热，内导体内部贯穿有流通管道，可以通过水冷降低内导体温度，通过上述设计大大降低了传输线电压。

Description

一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传输系统技术领域，尤其涉及一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器及其制备方法。

背景技术

离子回旋波加热系统作为聚变装置中唯一可以直接加热离子的波加热系统，对于未来聚变装置中离子加热不可或缺。然而未来需要高达数十兆瓦的离子回旋波功率输入等离子体来实现聚变所需要的离子温度，这也给离子回旋波功率传输系统带来了巨大的压力。

在研究相关技术过程中发现，高功率下最大的一个问题就是传输线电压过高，过高的传输线电压会导致传输线出现打火等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，为此，本发明第一方面提出一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器，所述同轴阻抗变换器用于安装在发射机和天线之间的传输线上，以降低所述传输线的电压；

所述同轴阻抗变换器包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的内导体；所述外导体的材质是铝，所述内导体的材质是铜；

所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体的直径小于所述第二内导体的直径，所述第一内导体的长度大于所述第二内导体的长度；所述第二内导体采用支撑结构套设在所述第一内导体的中间部位，所述第一内导体上与所述第二内导体未重合的部分分别构成所述内导体的输入端和输出端；所述第一内导体的特征阻抗大于所述第二内导体的特征阻抗；

所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域为三维曲面，所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；

所述第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，所述流通管道用于水冷降温。

可选的，所述传输线的特征阻抗为50欧姆，所述第一内导体特征阻抗为50欧姆，所述第二内导体的特征阻抗小于50欧姆。

可选的，当所述同轴阻抗变换器的输入电流为直流电时，所述流通管道的数量为N个，N≥2；

当所述同轴阻抗变换器的输入电流为交流电时，所述流通管道的数量为1个。

可选的，N个所述流通管道均匀分布于所述第一内导体横截面的中心点周围。

可选的，所述第二内导体的特征阻抗为25欧姆。

本发明第二方面提出一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的制备方法，所述方法包括：

获取满足高功率传输的同轴传输线本体；所述同轴传输线本体包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的第一内导体，所述第一内导体的长度为预设第一长度、直径为第一直径；所述外导体的材质是铝，所述第一内导体的材质为铜；

获取长度为预设第二长度、直径为预设第二直径的第二内导体，所述第二直径大于所述第一直径且所述第一长度大于所述第二长度，所述第二内导体的材质为铜，所述第一内导体的特征阻抗大于所述第二内导体的特征阻抗；

在所述第一内导体的内部制备流通管道，所述流通管道贯穿所述第一内导体的长度方向，所述流通管道用于水冷降温；

采用支撑结构将所述第二内导体套设在所述第一内导体外部，并使所述第二内导体的位置处于所述第一内导体的中间部分；

将所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域用铜浇注为三维曲面，并使所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；

得到由所述同轴传输线本体、所述第二内导体、所述三维曲面组成的同轴阻抗变换器。

可选的，所述预设第一长度、所述预设第二长度、所述预设第二直径的确定方法为：

确定所述同轴阻抗变换器需要满足的最小驻波电压点的目标驻波比；

根据所述目标驻波比、所述同轴阻抗变换器连接的天线的特征阻抗，确定所述最小驻波电压点需满足的目标输入阻抗；

根据所述目标输入阻抗、所述最小驻波电压点的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输入电压、输入电流需满足的第一条件；所述第一条件为：所述输入电压与所述输入电流的商为所述目标输入阻抗；

通过测量获取与所述同轴阻抗变换器的输出端连接的天线的特征阻抗，根据所述天线的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输出电压、输出电流需满足的第二条件；所述第二条件为：所述输出电压与所述输出电流的商为所述天线的特征阻抗；

获取满足高功率传输的同轴传输线本体的外导体的直径和内导体的第一直径；

根据所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径，确定所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值，得到预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

可选的，根据所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径，确定所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值，包括：

根据传输线理论，将所述输入电压、所述输入电流表示成所述输出电压、所述输出电流的函数；所述函数的参数包括：所述外导体的直径、所述内导体的第一直径、所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径；

将所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径带入所述函数中，得到所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值；

将任意一组取值中的所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径作为预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的同轴阻抗变换器，用于安装在发射机和天线之间的传输线上，以降低所述传输线的电压；所述同轴阻抗变换器包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的内导体；所述外导体的材质是铝，所述内导体的材质是铜；所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体的直径小于所述第二内导体的直径，所述第一内导体的长度大于所述第二内导体的长度；所述第二内导体采用支撑结构套设在所述第一内导体的中间部位，所述第一内导体上与所述第二内导体未重合的部分分别构成所述内导体的输入端和输出端；所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域为三维曲面，所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；所述第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，所述流通管道用于水冷降温。本方案中第一内导体和第二内导体直径不同，可以引入不同的特征阻抗；第一内导体和第二内导体相接的区域采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免局域电场过大所导致的打火问题；并且，内导体采用铜材料，提高导电率，降低阻值及产热；此外，内导体内部贯穿有流通管道，可以通过水冷降低内导体温度，通过上述设计大大降低了传输线电压，避免了传输线打火。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的示意图；

图2为本发明实施例提供的内导体右视图；

图3为本发明实施例提供的内导体俯视图；

图4为本发明实施例提供的内导体流通管道设计示意图；

图5为本发明实施例提供的同轴阻抗变换器的安装位置示意图；

图6是本发明实施例提供的一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的制备方法的步骤流程图；

图7为本发明实施例提供的驻波比随阻抗变换器长度的变化关系示意图；

图8为本发明实施例提供的阻抗变换器加入之前传输线电压分布示意图；

图9为本发明实施例提供的阻抗变换器加入之后传输线电压分布示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。

图1为本发明实施例提供的用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的示意图。

同轴阻抗变换器安装于发射机和天线之间的传输线上，用于降低传输线的电压，以避免过高的传输线电压导致传输线打火问题。同轴阻抗变换器为对称结构，其输入端靠近天线，输出端靠近发射机。

如图1所示，同轴阻抗变换器包括外导体和在长度方向贯穿外导体内部的内导体；外导体的材质是铝，内导体的材质是铜。

内导体包括直径为d₁第一内导体和直径为d₂第二内导体。

第一内导体的长度l₁大于第二内导体的长度l₂；第二内导体采用支撑结构套设在第一内导体的中间部位，第一内导体上与第二内导体未重合的部分分别构成内导体的输入端和输出端。在图1中，v_in、I_in对应输入端，V_L、I_L对应输出端。

结合图2，为本发明实施例提供的内导体右视图。可以看出，第一内导体的直径d₁大于第二内导体的直径d₂。第一内导体的特征阻抗大于第二内导体的特征阻抗。

图3为本发明实施例提供的内导体俯视图。

如图3所示，第一内导体和第二内导体相接的区域为三维曲面，三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同。

图4为本发明实施例提供的内导体流通管道设计示意图。

如图4所示，第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，流通管道用于水冷降温。图4左侧为流通管道为N个的示意图，图4右侧为流通管道为1个的示意图。

具体地，外导体的材质是铝，具有内阻小质量轻的特点。外导体直径的选取和需要通过的功率相关，目前兆瓦量级的传输功率最常用的导体直径为230毫米，因此外导体的直径D为230毫米。

内导体的材质是铜，主要是降低传输线内阻，减少高功率长脉冲过程中的产热。在离子回旋几十MHz运行时，趋肤效应导致有效截面积减少，内阻增加。而对于大功率运行电流非常大，就会导致长脉冲高功率运行时整个内导体温度急剧升高。为了解决这一问题，我们在内导体采用铜材料，提高电导率，降低阻值及产热。

内导体包括直径不同的两个部分，第一内导体为第一直径d1，第二内导体为第二直径d2，这样可以引入不同的特征阻抗。

同轴阻抗变换器两侧的特征阻抗是：

，其中D为外导体直径，d₁为第一直径。同轴阻抗变换器中间部分的特征阻抗是：/>

，其中，d₂为第二直径。

如上所述，本方案为了实现阻抗变换，对内导体进行了变径，变径会引起结构突变，结构突变会引起局域电场过大，导致局域打火。因此，第一内导体和第二内导体相接的区域采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免尖端电压过高导致传输线打火，提高同轴阻抗变换器承受功率能力。

图3中的d₃为三维曲面的倒角所对应圆，即内切圆和外切圆的直径，三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同。

长脉冲高功率运行时电流非常大，整个内导体温度急剧升高。为了解决这一问题，我们在内导体内部设计了水冷系统。水冷的冷却能力和整体流速以及整体冷却面积相关。本方案在内导体内部的长度方向上设计有中空的流通管道，以提高整体冷却面积。流通管道内部可通水，从而及时将热量带走，降低内导体温度，防止内导体内阻增加所导致的产热现象。

图5为本发明实施例提供的同轴阻抗变换器的安装位置示意图。

如图5所示，同轴阻抗变换器安装于发射机和天线之间的传输线上，用于降低传输线的电压，以避免过高的传输线电压导致传输线打火问题。同轴阻抗变换器的输入端靠近天线，输出端靠近发射机。

在一种可能的实施方式中，所述传输线的特征阻抗为50欧姆，所述第一内导体特征阻抗为50欧姆，所述第二内导体的特征阻抗小于50欧姆。

由于主流的同轴传输线的特征阻抗是50欧姆，为了保证内导体两侧部分的特征阻抗与同轴传输线的特征阻抗匹配，通常取第一内导体的特征阻抗z₀=50欧姆。为了降低后端传输线电压，通常取第二内导体的特征阻抗z₁小于50欧姆。

在一种可能的实施方式中，当所述同轴阻抗变换器的输入电流为直流电时，所述流通管道的数量为N个，N≥2；当所述同轴阻抗变换器的输入电流为交流电时，所述流通管道的数量为1个。

在本发明实施例中，当同轴阻抗变换器的输入电流为直流电时，内导体中的电流的方向始终是一个方向，产生的热量分布在整个导体的范围内，因此，为了使内导体更好的散热，将流通管道的数量设置为N个，N≥2。如果同轴阻抗变换器的输入电流为交流电，则内导体中的电流方向周期性改变，产生的热量只分布在导体表面，这样，将流通管道的数量设置为1个，即内导体为中空设计。

参照图4，图4左侧为流通管道为N个的示意图，图4右侧为流通管道为1个的示意图。

在一种可能的实施方式中，所述N个流通管道均匀分布于所述第一内导体横截面的中心点周围。

N个流通管道均匀分布于内导体横截面的中心点周围，可以使整个内导体均匀散热，提高散热效率。

参照图4左侧，流通管道的数量为七个，每个流通管道的直径是r4，其中，一个流通管道位于中心，六个流通管道均匀分布于中心点周围，这种七个流通管道的设计可以最大程度的带走内导体所沉积的热量。

在一种可能的实施方式中，所述第二内导体的特征阻抗为25欧姆。

具体地，中间部分特征阻抗25欧姆，两侧部分特征阻抗50欧姆，是设计的整个核心，由于变化传输线内阻，传输线输入阻抗会改变。我们通过提高输入阻抗，来降低传输线电压，从而保证高功率下的安全稳定运行。

综上，本发明实施例提供的同轴阻抗变换器，用于安装在发射机和天线之间的传输线上，以降低所述传输线的电压；所述同轴阻抗变换器包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的内导体；所述外导体的材质是铝，所述内导体的材质是铜；所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体的直径小于所述第二内导体的直径，所述第一内导体的长度大于所述第二内导体的长度；所述第二内导体采用支撑结构套设在所述第一内导体的中间部位，所述第一内导体上与所述第二内导体未重合的部分分别构成所述内导体的输入端和输出端；所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域为三维曲面，所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；所述第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，所述流通管道用于水冷降温。本方案中第一内导体和第二内导体直径不同，可以引入不同的特征阻抗；第一内导体和第二内导体相接的区域采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免局域电场过大所导致的打火问题；并且，内导体采用铜材料，提高导电率，降低阻值及产热；此外，内导体内部贯穿有流通管道，可以通过水冷降低内导体温度，通过上述设计大大降低了传输线电压，避免了传输线打火。

图6是本发明实施例提供的一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的制备方法的步骤流程图。

如图6所示，该方法包括以下步骤。

步骤101、获取满足高功率传输的同轴传输线本体；所述同轴传输线本体包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的第一内导体，所述第一内导体的长度为预设第一长度、直径为第一直径；所述外导体的材质是铝，所述第一内导体的材质为铜；

步骤102、获取长度为预设第二长度、直径为预设第二直径的第二内导体，所述第二直径大于所述第一直径且所述第一长度大于所述第二长度，所述第二内导体的材质为铜，所述第一内导体的特征阻抗大于所述第二内导体的特征阻抗；

步骤103、在所述第一内导体的内部制备流通管道，所述流通管道贯穿所述第一内导体的长度方向，所述流通管道用于水冷降温；

步骤104、采用支撑结构将所述第二内导体套设在所述第一内导体外部，并使所述第二内导体的位置处于所述第一内导体的中间部分；

步骤105、将所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域用铜浇注为三维曲面，并使所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；

步骤106、得到由所述同轴传输线本体、所述第二内导体、所述三维曲面组成的同轴阻抗变换器。

在步骤101-步骤106中，首先获取应用最广泛的高功率同轴传输线，该同轴传输线本体包括外导体和在长度方向贯穿外导体内部的第一内导体，第一内导体的长度为预设第一长度、直径为第一直径；外导体的材质是铝，第一内导体的材质为铜，第一内导体的特征阻抗为50欧姆。

高功率同轴传输线对应的外导体直径为D=230毫米，内导体第一直径d₁=100毫米。

此外，获取长度为预设第二长度、直径为预设第二直径的第二内导体，第二直径大于所述第一直径且第一长度大于第二长度，第二内导体的材质为铜。

外导体的材质是铝，具有内阻小质量轻的特点。内导体的材质是铜，主要是降低传输线内阻，减少高功率长脉冲过程中的产热。在离子回旋几十MHz运行时，趋肤效应导致有效截面积减少，内阻增加。而对于大功率运行电流非常大，就会导致长脉冲高功率运行时整个内导体温度急剧升高。为了解决这一问题，我们在内导体采用铜材料，提高电导率，降低阻值及产热。

第一内导体为第一直径d1，第二内导体为第二直径d2，这样可以引入不同的特征阻抗。

本方案为了实现阻抗变换，对内导体进行了变径，变径会引起结构突变，结构突变会引起局域电场过大，导致局域打火。因此，第一内导体和第二内导体相接的区域采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免尖端电压过高导致传输线打火，提高同轴阻抗变换器承受功率能力。

长脉冲高功率运行时电流非常大，整个内导体温度急剧升高。为了解决这一问题，我们在内导体内部增加了水冷系统。水冷的冷却能力和整体流速以及整体冷却面积相关。本方案在内导体内部的长度方向上设计有中空的流通管道，以提高整体冷却面积。流通管道内部可通水，从而及时将热量带走，降低内导体温度，防止内导体内阻增加所导致的产热现象。

将同轴传输线本体、第二内导体、三维曲面组合起来，得到同轴阻抗变换器。

综上，本发明实施例提供的用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的制备方法，包括：获取满足高功率传输的同轴传输线本体；所述同轴传输线本体包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的第一内导体，所述第一内导体的长度为预设第一长度、直径为第一直径；所述外导体的材质是铝；获取长度为预设第二长度、直径为预设第二直径的第二内导体，所述第二直径大于所述第一直径且所述第一长度大于所述第二长度，所述第二内导体的材质为铜；在所述第一内导体的内部制备流通管道，所述流通管道贯穿所述第一内导体的长度方向，所述流通管道用于水冷降温；采用支撑结构将所述第二内导体套设在所述第一内导体外部，并使所述第二内导体的位置处于所述第一内导体的中间部分；将所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域用铜浇注为三维曲面，并使所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；得到由所述同轴传输线本体、所述第二内导体、所述三维曲面组成的同轴阻抗变换器。本方案中第一内导体和第二内导体直径不同，可以引入不同的特征阻抗；第一内导体和第二内导体相接的区域采用三维曲面设计，让变径面尽可能的平滑，避免局域电场过大所导致的打火问题；并且，内导体采用铜材料，提高导电率，降低阻值及产热；此外，内导体内部贯穿有流通管道，可以通过水冷降低内导体温度，通过上述设计大大降低了传输线电压，避免了传输线打火。

在一种可能的实施方式中，所述预设第一长度、所述预设第二长度、所述预设第二直径的确定方法为：

步骤201、确定所述同轴阻抗变换器需要满足的最小驻波电压点的目标驻波比；

步骤202、根据所述目标驻波比、所述同轴阻抗变换器连接的天线的特征阻抗，确定所述最小驻波电压点需满足的目标输入阻抗；

步骤203、根据所述目标输入阻抗、所述最小驻波电压点的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输入电压、输入电流需满足的第一条件；所述第一条件为：所述输入电压与所述输入电流的商为所述目标输入阻抗；

步骤204、通过测量获取与所述同轴阻抗变换器的输出端连接的天线的特征阻抗，根据所述天线的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输出电压、输出电流需满足的第二条件；所述第二条件为：所述输出电压与所述输出电流的商为所述天线的特征阻抗；

步骤205、获取满足高功率传输的同轴传输线本体的外导体的直径和内导体的第一直径；

步骤206、根据所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径，确定所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值，得到预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

如图1所示，第一长度为l₁，第二长度为l₂，第二直径为d₂。通常通过优化这几个参数值，可以取得更好的降低传输线电压的效果。

在步骤201-步骤206中，首先确定同轴阻抗变换器需要满足的最小驻波电压点的目标驻波比，将目标驻波比作为已知量去求出同轴阻抗变换器的各个参数。

根据最小驻波电压点的输入阻抗和天线特征阻抗，可以得到最小驻波电压点的驻波比，具体公式如下：

(1)

其中，VSWR表示最小驻波电压点的驻波比，Z₀表示最小驻波电压点的特征阻抗，R_min表示最小驻波电压点的输入阻抗。

由于通常应用最广泛的高功率同轴传输线是9寸50欧姆，因此，Z₀为50欧姆。

因此，在式（1）中VSWR为已知的目标驻波比的情况下，根据式（1）可以求得R_min的值。

而最小驻波电压点的输入阻抗R_min可表示为：

(2)

其中，Z_in表示输入阻抗，

，V_in、I_in表示输入电压和输入电流。

因此，通过式（2）可求得Z_in，由此得出V_in、I_in应该满足的第一条件为：V_in、I_in的比值为Z_in。

同轴阻抗变换器的输出端连接的是天线，通过测量可以得到与输出端连接的天线的阻抗Z_L，而

，从而可以得到输出电压V_L和输出电流I_L应该满足的第二条件为：V_L、I_L的比值为Z_L。

由于通常应用最广泛的高功率同轴传输线是9寸50欧姆，对应的外导体直径为R=230毫米，内导体直径r₁=100毫米。

综上，V_in、I_in应该满足的第一条件为：V_in、I_in的比值为Z_in，V_L、I_L应该满足的第二条件为：V_L、I_L的比值为Z_L；并且，R、r₁为已知。

在这些条件已知的情况下，根据传输线理论中V_in、I_in和V_L、I_L的关系，可以求出第一长度l₁，第二长度l₂，内导体的第二直径d₂能够满足的多组取值。

在一种可能的实施方式中，步骤206包括：

步骤2061、根据传输线理论，将所述输入电压、所述输入电流表示成所述输出电压、所述输出电流的函数；所述函数的参数包括：所述外导体的直径、所述内导体的第一直径、所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径；

步骤2062、将所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径带入所述函数中，得到所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值；

步骤2063、将任意一组取值中的所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径作为预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

在步骤2061-步骤2063中，根据传输线理论，可以将输入电压、输入电流表示成输出电压、输出电流的函数，具体表达式如下：

(3)

其中，V_in、I_in表示输入电压和输入电流，V_L、I_L表示输出电压和输出电流，l₁表示第一长度，l₂表示第二长度，d₁表示第一直径，d₂表示第二直径。

因此，在（3）中V_in、I_in应该满足的第一条件为：V_in、I_in的比值为Z_in，V_L、I_L应该满足的第二条件为：V_L、I_L的比值为Z_L。

同时，在D、d₁为已知的情况下，可以求出第一长度l₁，第二长度l₂，内导体的第二直径d₂能够满足的多组取值。

其中，每一组取值中的第一长度l₁，第二长度l₂，内导体的第二直径d₂共同构成同轴阻抗变换器的一种参数设计方案，不同组中的各个参数取值不能自由组合和拆分。

图7为本发明实施例提供的驻波比随阻抗变换器长度的变化关系示意图。

图7中为阻抗变换器内部的驻波分布曲线，该曲线与阻抗变换器的长度对应，即曲线左侧对应阻抗变换器A点附近的驻波比，曲线右侧对应阻抗变换器B点附近的驻波比。可以明显看出随着电流进入阻抗变换器内部，驻波比VSWR明显降低，意味着同样的功率，同样的天线阻抗，驻波电压更低。

图8为本发明实施例提供的阻抗变换器加入之前传输线电压分布示意图。

图9为本发明实施例提供的阻抗变换器加入之后传输线电压分布示意图。

图8中的天线阻抗2欧姆，输入功率1.5 MW，图9中的天线阻抗也为2欧姆，输入功率也为1.5 MW。

通过对比图8和图9，明显看出在加入阻抗匹配器之前传输线电压峰值在60kV左右，而加入阻抗变换器之后，传输线阻抗在40kV左右，极大的降低了传输线电压，同时极大的提高了系统的稳定性，为离子回旋波加热长脉冲高功率稳定运行提供保障。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器，其特征在于，所述同轴阻抗变换器用于安装在发射机和天线之间的传输线上，以降低所述传输线的电压；

所述同轴阻抗变换器包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的内导体；所述外导体的材质是铝，所述内导体的材质是铜；

所述内导体包括第一内导体和第二内导体，所述第一内导体的直径小于所述第二内导体的直径，所述第一内导体的长度大于所述第二内导体的长度；所述第二内导体采用支撑结构套设在所述第一内导体的中间部位，所述第一内导体上与所述第二内导体未重合的部分分别构成所述内导体的输入端和输出端；所述第一内导体的特征阻抗大于所述第二内导体的特征阻抗；

所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域为三维曲面，所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；

所述第一内导体内部的长度方向上贯穿有流通管道，所述流通管道用于水冷降温。

2.根据权利要求1所述的同轴阻抗变换器，其特征在于，所述传输线的特征阻抗为50欧姆，所述第一内导体的特征阻抗为50欧姆，所述第二内导体的特征阻抗小于50欧姆。

3.根据权利要求1所述的同轴阻抗变换器，其特征在于，当所述同轴阻抗变换器的输入电流为直流电时，所述流通管道的数量为N个，N≥2；

当所述同轴阻抗变换器的输入电流为交流电时，所述流通管道的数量为1个。

4.根据权利要求3所述的同轴阻抗变换器，其特征在于，N个所述流通管道均匀分布于所述第一内导体横截面的中心点周围。

5.根据权利要求1所述的同轴阻抗变换器，其特征在于，所述第二内导体的特征阻抗为25欧姆。

6.一种用于降低传输线电压的同轴阻抗变换器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

获取满足高功率传输的同轴传输线本体；所述同轴传输线本体包括外导体和在长度方向贯穿所述外导体内部的第一内导体，所述第一内导体的长度为预设第一长度、直径为第一直径；所述外导体的材质是铝，所述第一内导体的材质为铜；

获取长度为预设第二长度、直径为预设第二直径的第二内导体，所述第二直径大于所述第一直径且所述第一长度大于所述第二长度，所述第二内导体的材质为铜；所述第一内导体的特征阻抗大于所述第二内导体的特征阻抗；

在所述第一内导体的内部制备流通管道，所述流通管道贯穿所述第一内导体的长度方向，所述流通管道用于水冷降温；

采用支撑结构将所述第二内导体套设在所述第一内导体外部，并使所述第二内导体的位置处于所述第一内导体的中间部分；

将所述第一内导体和所述第二内导体相接的区域用铜浇注为三维曲面，并使所述三维曲面的内切圆与外切圆的直径相同；

得到由所述同轴传输线本体、所述第二内导体、所述三维曲面组成的同轴阻抗变换器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设第一长度、所述预设第二长度、所述预设第二直径的确定方法为：

确定所述同轴阻抗变换器需要满足的最小驻波电压点的目标驻波比；

根据所述目标驻波比、所述同轴阻抗变换器连接的天线的特征阻抗，确定所述最小驻波电压点需满足的目标输入阻抗；

根据所述目标输入阻抗、所述最小驻波电压点的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输入电压、输入电流需满足的第一条件；所述第一条件为：所述输入电压与所述输入电流的商为所述目标输入阻抗；

通过测量获取与所述同轴阻抗变换器的输出端连接的天线的特征阻抗，根据所述天线的特征阻抗确定所述同轴阻抗变换器的输出电压、输出电流需满足的第二条件；所述第二条件为：所述输出电压与所述输出电流的商为所述天线的特征阻抗；

获取满足高功率传输的同轴传输线本体的外导体的直径和内导体的第一直径；

根据所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径，确定所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值，得到预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径，确定所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值，包括：

根据传输线理论，将所述输入电压、所述输入电流表示成所述输出电压、所述输出电流的函数；所述函数的参数包括：所述外导体的直径、所述内导体的第一直径、所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径；

将所述第一条件、所述第二条件、所述外导体的直径、所述内导体的第一直径带入所述函数中，得到所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径能够满足的多组取值；

将任意一组取值中的所述第一长度、所述第二长度、所述第二直径作为预设第一长度、预设第二长度、预设第二直径。

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