CN116646702B - 一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，属于高功率宽频带发射机技术领域。本发明包括外腔体、内腔体、调谐滚珠丝杆组和调谐短路板，外腔体和内腔体均为方形腔，内腔体位于外腔体内部并和外腔体形成同轴空腔：调谐滚珠丝杆组设置有四组滚珠丝杆，四个滚珠丝杆绕内腔体的中线均匀分布；调谐短路板连接滚珠丝杆的螺母，四组滚珠丝杆分别位于外腔体的转角处，外腔体的顶部设置有上腔体，上腔体具顶板，顶板上安装有传动机构，传动机构的输出端连接滚珠丝杆的端部。本发明通过提高了短路板调谐速度、精度和稳定度，提高了发射机共振频率的调节精度和发射机同轴外腔体的寿命，而且缩小了宽频带发射机整体的高度。
Description
技术领域
本发明属于高功率宽频带发射机技术领域，特别是涉及一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节。
背景技术
射频波加热系统是磁约束核聚变装置较为普遍使用的辅助加热方式，发射机作为该系统重要的组成部分，能够直接将电功率转化为用于加热等离子体的波功率。由于等离子体加热需求的多样性，如少子加热、基频共振加热、高次谐波加热等模式选择，就要求发射机具备宽频带和高功率的使用要求。同时，由于聚变的维持是要求长脉冲稳态的功率注入，因此，发射机系统在运行过程中需要保证热负荷平衡。
针对目前常用的真空四极管放大器，常用具有一定特征阻抗的短路支节进行完成电子管和50欧姆传输线之间的阻抗匹配。
目前常用的发射机腔体调谐的短路支节是通过腔体外同步皮带传动结构同时带动螺杆和短路板相对于发射机腔体做相对运动，如北京北广科技股份有限公司设计的，这种结构所需要的体积约是发射机谐振腔体的两倍左右，对高功率宽频带发射机在聚变等离子体装置上使用及不便利，甚至到了无法安装的地步。同时，发射机在不同谐振频率使用时，要求短路支节能够快速精确的调谐至共振位置，因此改善整个传动机构来提高共振频率的精确控制也是十分必须的。
发展适配于聚变等离子体射频波加热使用的高功率宽频带发射机所需的可调谐短路支节结构，一方面对理解发射机长脉冲稳态运行机制非常重要；另一方面，精确的控制发射机谐振频率更有利于射频波加热实验的开展。因此，用于射频波加热系统的高功率宽频带发射机亟需发展一种紧凑型、传动速度快、精度更高和能够自动校准位置的可调短路支节。
发明内容
本发明目的就是为了满足高功率宽频带发射机的使用用途，提供一种用于高功率发射机调谐腔内可调节的短路支节。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，包括外腔体、内腔体、调谐滚珠丝杆组和调谐短路板，外腔体和内腔体均为方形腔，内腔体位于外腔体内部并和外腔体形成空腔：调谐滚珠丝杆组设置有四组滚珠丝杆，四个滚珠丝杆绕内腔体的中线均匀分布；调谐短路板连接滚珠丝杆的螺母。
进一步地，四组滚珠丝杆分别位于外腔体的转角处，滚珠丝杆的丝杆轴线和外腔体阴角上转角处的线平行并相距25mm～35mm。
进一步地，外腔体的顶部设置电机有上腔体，上腔体具顶板，顶板上安装有传动机构，传动机构的输出端连接滚珠丝杆的端部。
进一步地，传动机构包括伺服电机、第二换向箱和第一换向箱，第二换向箱的输入端连接伺服电机，第二换向箱的输出端通过传动轴连接第一换向箱，第一换向箱的一输出端连接滚珠丝杆，另一输出端通过传动轴连接另一第一换向箱。
进一步地，第一换向箱设置有四个。
进一步地，传动轴的端部通过联轴器连接第二换向箱或第一换向箱。
进一步地，伺服电机和第二换向箱之间通过减速器连接。
进一步地，调谐短路板上设置有温度振动传感器和位移传感器。
进一步地，空腔内设置有升降平台，调谐短路板安装在升降平台上，滚珠丝杆的螺母连接升降平台。
本发明具有以下有益效果：
1.它是针对高功率宽频带发射机的可调短路支节，既能够实现真空四极管类高功率的输出阻抗匹配，又能够实现不同共振频率的调谐。
2.通过传动机构可以非常便捷的通过控制单台电机，就能实现多组滚珠丝杆的同步旋转，该精密机械传动结构属于全固态连接，传动速度、精度和稳定度都很高。
3.滚珠丝杆采用内置于发射机同轴腔之间方式，大大缩小了发射机的整机高度，为紧凑型高功率发射机研制奠定了基础。
4.该可调支节具备位置和震动参数的实时监测，使得自动化发射机调谐过程更加精准。
5.该可调短路支节的研制不仅可以应用在高功率发射机，而且可以应用如射频波加热天线和50欧姆传输线之间的其他高功率宽频带阻抗匹配系统中，具有非常好的拓展性和适用性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高功率发射机谐振腔的结构示意图；
图2为可调短路支节的结构示意图；
图3为含滚珠丝杆（a）与不含滚珠丝杆(b)的短路支节截面电场场强分布图对比图；
图4为温振传感器测量的短路板在移动过程中的震动曲线图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、传动机构；2、内腔体；3、调谐滚珠丝杆组；4、调谐短路板；5、下腔体；6、外腔体；7、上腔体；8、第一换向箱；9、传动轴；10、伺服电机；11、减速器；12、第二换向箱；13、联轴器；14、直角支撑板；15、升降平台；16、滚动支撑轴承；17、螺母；18、顶板。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-4所示，本发明为一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节：谐振腔主要由外腔体6和上腔体7和下腔体5组成的，内腔体2位于外腔体6的内部，其中，安装时外腔体6、上腔体7和内腔体2的中心轴同轴。
具体的，外腔体6为四组相同的外铝内覆薄铜结构组成的方腔，构成高功率调谐支节的外导体，内腔体2为四组纯铜结构组成的方腔，置于外腔体6的中心处。
即外腔体6和内腔体2均为方形腔，内腔体2位于外腔体6内部并和外腔体6形成空腔，调谐短路板4用于改变高功率调谐支节接入到高功率发射机输入或输出匹配电路中的电长度，通过调谐短路板4置于空腔内，并通过调谐滚珠丝杆组3调节调谐短路板4在空腔内的位置，进而构成功高率调谐支节，调谐短路板4连接滚珠丝杆的螺母17。
其中，调谐短路板4的基板呈“回”形，即基板的中部开设有方形孔。
优选的，外腔体6的外铝内覆薄铜板外罩的拐角处设置有四个直角支撑板14，直角支撑板14内设置有升降平台15，即空腔内设置有升降平台15，将调谐短路板4安装在升降平台15上，滚珠丝杆的螺母17连接升降平台15，避免滚珠丝杆的螺母17之连接调谐短路板4，另外的，升降平台15上开设有螺母孔，滚珠丝杆的螺母17配合在螺母孔内。
四个直角支撑板14组成的框架内设置有屏蔽板，屏蔽板上设置有安装孔，调谐滚珠丝杆组3上丝杆的一端通过滚动支撑轴承16固定在安装孔内，升降平台15和屏蔽板上对应的安装孔、螺母孔同轴。
调谐滚珠丝杆组3设置有四组滚珠丝杆，四个滚珠丝杆绕内腔体2的中线均匀分布。
具体的，调谐滚珠丝杆组3由四组长度2.5m，直径2.5cm的滚珠丝杆，用于支撑调谐短路板4平衡，直角支撑板14的上端设置有顶板18，顶板18也为屏蔽板，即同时丝杆上下顶点固定在同轴腔内外导体上下屏蔽板上，丝杆放在靠近外导体四个角落位置，距离外腔体6顶点位置中心距约30mm。通过仿真计算，该四组丝杆位置对同轴腔特征阻抗影响比较小。滚珠丝杆上面具备与升降平台15配合的滚珠联动螺母17、滚动支撑轴承16，共同协助丝杆的左旋和右旋运动，进而可以带动短路板不同位置的调谐。升降平台15被四组滚珠丝杆固定，丝杆的同步转动可以带动短路板平衡上下移动。这种内置螺杆的结构非常有效的缩小了宽频带发射机的高度。
外腔体6的顶部设置有上腔体7，上腔体7具顶板18，顶板18上安装有传动机构1，传动机构1的输出端连接滚珠丝杆的端部。
进一步地，传动机构1包括伺服电机10、第二换向箱12和第一换向箱8，第二换向箱12的输入端连接伺服电机10，第二换向箱12的输出端通过传动轴9连接第一换向箱8，第一换向箱8的一输出端连接滚珠丝杆，另一输出端通过传动轴9连接另一第一换向箱8，具体的，第一换向箱8设置有四个，每个第一换向箱8均具有一个向下的输出端，滚珠丝杆的丝杆上端穿过顶板18的孔连接第一换向箱8第一换向箱8的输出端。
联轴器为花键式弹性联轴器，传动轴9为圆柱传动轴。
进一步地，传动轴9的端部通过联轴器13连接第二换向箱12或第一换向箱8，第一换向箱8为方型换向箱，第二换向箱12为T型锥齿换向箱。
进一步地，伺服电机10和第二换向箱12之间通过减速器11连接，其中减速器11为紧凑型行星减速机。
伺服电机10的正反旋转运动转换成滚珠丝杆的升降运动，通过单台伺服电机10旋转，通过减速器11将电机的高速旋转带动后续传动结构的缓慢移动，进而提高最终传动的控制精度；本结构通过第二换向箱12、第一换向箱8将伺服电机10的转动传递至四个丝杆方向，联轴器13用于实现换向箱和传动轴9之间的连接；传动轴9实现不同换向箱之间同步传动工作；顶板18可以将整个传动结构支撑住，并维持传动结构的稳定性。精密机械结构通过这样的一个全固态传动结构，精准的将电机的旋转同步传递给各组滚动丝杆转动，既保证了短路板的平衡度，同时大大提高了调谐短路板4重复定位精度。
进一步地，调谐短路板4上设置有温度振动传感器和位移传感器。
四组滚珠丝杆分别位于外腔体6的转角处，滚珠丝杆的丝杆轴线和外腔体6阴角上转角处的线平行并相距25mm～35mm。
该滚珠丝杆放置于外腔体6和内腔体2之间，在设计之前通过软件进行了仿真和参数扫描，进而判断丝杆对同轴腔体的影响。首先是丝杆对同轴腔体内射频电场的影响，通过对仿真出结果如图3所示，可以得到对称的丝杆分布对内腔体2、外腔体6间电场强度分布和大小影响不大，但是丝杆本身位置处会有一定的感应射频场。仿真得到的丝杆上射频电流约是高功率内腔体2支节表面电流的几千分之一，这对百千瓦功率而言，丝杆上面的功率损耗不到瓦量级，因此由于射频电流引起的热损耗可以通过腔体主动风冷系统冷却。仿真对丝杆的直径和丝杆相对同轴腔外腔体6的距离进行了扫描，得到的结论是丝杆直径越小，丝杆对电场分布影响越小，感应射频电流越小；丝杆离外腔体6距离越近，丝杆对电场分布影响越小，感应射频电流越小。结合丝杆本身承重，我们选择最小能用的丝杆和距离外腔体6最小的间隔固定，通过仿真得到无丝杆时同轴腔体特征阻抗为44.915欧姆，加入丝杆后同轴腔体特征阻抗为44.928+0.00005i欧姆，实数阻抗的微小变化对可调短路支节而言几乎没有影响，虚部的变化表明同轴腔体会出现微弱的热损耗，这个损耗本身由丝杆带来，该损耗是丝杆本身能够承受的。
并通过实验和理论分析的方式完成了可调短路支节在速度、稳定度和精确度的验证。本实验主要分为两个部分。第一部分的目的是检验可调谐短路支节的稳定性，它是通过测量升降平台15在运行过程中的震动偏转角来实现；第二部分的目的是测量新一代发射机调谐升降平台15的回程差，它是通过测量可调短路支节在长时间连续升降运行后的终点位置来实现。测量工具使用的是四套型号为SD321-TD3Z温振传感器和一套激光位移传感器。首先将该型号温振传感器安装在短路板的四个拐角处并接通电源，再通过一条485转USB的传输线连接至计算机。启动伺服电机10，让其匀速上升或下降，此时计算机配套软件会实时显示并记录升降板倾斜角度。同时通过位移传感器实时监测短路板的位置。如图4为温振传感器给出的不同时刻短路板在各个方向的倾斜角度曲线。其中X，Y，Z方向的震动都小于0.6度，这对于短路板而言，基本处于一个相对平衡的位置，表明此调谐结构能够满足调谐要求。同时，短路板的速度可以达到0.3m/min,同时控制精度在0.1mm范围内，这相对于之前性能已经有一个大幅的提升。当然，为了保证发射机能够长寿命使用，调谐短路板4需要对回程差进行实验测量和理论分析。
调谐短路板4在调谐伺服电机10的带动下会进行匀速上升或下降，但因机械结构的原因，电机输出轴带动运转的丝杠等传动结构会产生回程误差。为了测量短路板的回程差，让其长时间连续升降运行，利用激光测距仪测量终点位置，以此计算出回程差。首先在短路板静止时，使用激光测距仪测量出起始位置，然后使短路板按调谐时的最大速度连续往返运动10次，当短路板停止时，测量出终点位置。同理，让其连续往返运动50次，记录终点位置。测试结果如下表1格所示：
表1
其次我们对可调短路板的传动结构进行了计算误差传递的分析，针对传动误差来源分析。首先本一拖四同步丝杆的传动装置中，伺服电机10和加速器为一体式机构，传动轴之换向箱和丝杆之间连接采用刚性的联轴器进行直连，中间无任何柔性连接，传动的误差产生直接却决于丝杆本身的精度，本次实验采用的丝杆为ZZ2510型号，要求运行的最高速度为VMAX=84mm/s,只需计算出丝杆的传动精度范围即可。根据精密滚珠丝杆的导程精度进行如下计算：
精密滚珠丝杆（C0~C5级）的导程精度，以JIS规格为基准，并有4特性项目（记号为：E，e，e300，e2x）加以规定，各个特性之定义与容许值如下表2和表3所示。
一般用滚珠丝杆C7,C10之累积导程误差，则仅以在丝杆部之有效长度内任取300mm的误差容许值如表3之e300加以规定，各为0.05mm及0.21mm。
表2 导程精度用语
本次实际测算出的累积误差≤1mm,同步丝杆的长度为L1=1500mm，最大要求提升速度为：VMax=84mm/s;本次选取的为经济性的扎制滚珠丝杆，其丝杆精度等级为C5等级，精度为0.023mm/300mm,其运行范围的区间长度L2=1200mm，结合此次实验的行程1200mm范围对应的C5等级，查询表3、表4得出。
查表得知300mm长度范围滚珠丝杆C5等级精度，E1=0.023mm/300mm，换算丝杆本身1200mm长度精度为：E1=0.023x4=0.092mm/1200mm;
查表理论L2=1200mm长度丝杆累积代表导程误差：
E2=±E+e=0.045+0.03=0.075mm；
理论等效L2=1200mm往复导程重复定位精度误差：e1200=(0.018+0.008)*4=0.102mm；
此次实验为伺服电机10转速: n=8.5r/s;丝杆型号为ZZ2510,丝杆外径dOD=25mm,丝杆导程P=10mm；
伺服电机10的运行速度V=n*p=5*8.5=85mm,能满足最大运行速度Vmax.，取E1,E2和E1200,理论同步丝杆重复定位精度误差应为0.1mm。
我们从仿真模拟、实验验证测试和理论分析给出了本文设计的可调短路支节的高性能结果，证明了此可调短路支节用于高功率宽频带阻抗匹配的可用性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，包括：
外腔体(6)；
内腔体(2)，所述外腔体(6)和内腔体(2)均为方形腔，所述内腔体(2)位于外腔体(6)内部并和外腔体(6)形成空腔：
调谐滚珠丝杆组(3)，所述调谐滚珠丝杆组(3)设置有四组滚珠丝杆，四个滚珠丝杆绕内腔体(2)的中线均匀分布；
调谐短路板(4)，所述调谐短路板(4)连接滚珠丝杆的螺母(17)；
四组所述滚珠丝杆分别位于外腔体(6)的转角处，所述滚珠丝杆的丝杆轴线和外腔体(6)阴角上转角处的线平行并相距22mm～35mm；
所述外腔体(6)的顶部设置有上腔体(7)，所述上腔体(7)具顶板(18)，所述顶板(18)上安装有传动机构(1)，所述传动机构(1)的输出端连接滚珠丝杆的端部；
所述传动机构(1)包括伺服电机(10)、第二换向箱(12)和第一换向箱(8)，所述第二换向箱(12)的输入端连接伺服电机(10)，所述第二换向箱(12)的输出端通过传动轴(9)连接第一换向箱(8)，所述第一换向箱(8)的一输出端连接滚珠丝杆，另一输出端通过传动轴(9)连接另一第一换向箱(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，所述第一换向箱(8)设置有四个。
3.根据权利要求2所述的一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，所述传动轴(9)的端部通过联轴器(13)连接第二换向箱(12)或第一换向箱(8)。
4.根据权利要求3所述的一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，所述伺服电机(10)和第二换向箱(12)之间通过减速器(11)连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，所述调谐短路板(4)上设置有温度振动传感器和位移传感器。
6.根据权利要求1所述的一种用于高功率发射机谐振腔的可调短路支节，其特征在于，空腔内设置有升降平台(15)，所述调谐短路板(4)安装在升降平台(15)上，所述滚珠丝杆的螺母(17)连接升降平台(15)。
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