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摘要 摘要 徐辉( 核能科学与工程专业) 指导老师：单家方研究员 低杂波电流驱动( l h c d ) 是一种重要的托卡马克等离子体非感应电流驱动和 改善等离子体约束的技术。电流驱动效果不仅与微波功率有关，也与天线主波导 之间的相位差有很大关系。相位反馈控制系统是低杂波系统中极为重要的一个子 系统，它通过调节天线各主波导间的相位差，改善低杂波与等离子体的耦合效率， 方便地得到特定的微波功率谱以满足实验要求。 本文针对e a s t 托卡马克装置中2 4 5 g h z 的低杂波相位反馈控制要求，提出 利用正交方法检测相位，设计了一种新型的相位检测装置，以及基于此检测装置 和计算机的相位反馈控制软件系统。 论文介绍了低杂波相位反馈控制系统的设计方案与实现，从总体架构设计入 手，首先介绍了硬件系统的结构，包括相位检测装置、数字移相器、相位驱动放 大器等硬件组成部分，其次介绍了相位反馈控制软件系统的设计，包括人机界面 设计与各功能模块的实现以及多机通信，最后笔者在搭建的实验台上对该系统进 行了功能测试，并提出了系统完善和改进的方法。 从测试结果看，低杂波相位反馈控制系统的软硬件设计均符合设计要求，在 相位的采集、检测与反馈控制方面均实现了预想的效果。 关键词：低杂波，电流驱动，反馈控制，相位差 a b s t r a c t a b s t r a c t x u h u i ( n u c l e a rs c i e n c e & e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yj i a f a n gs h a n r e s e a r c h e r l o w e rh y b r i dc u r r e n td r i v e ( l h c d ) i so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e t h o df o r n o n i n d u c t i v ec u r r e n td r i v ei nf u s i o nd e v i c e sa n da l li m p o r t a n ta u x i l i a r ym e a n st o o b t a i np l a s m aw i t hi m p r o v e dc o n f i n e m e n t s t h ee f f e c to ft h ec u r r e n td r i v ei s d e p e n d e n to nn o to n l ym i c r o w a v ep o w e rb u ta l s oi t sg r i l lp h a s es h i f t f c s a p d ( f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mf o rt h ea n t e n n ap h a s ed i f f e r e n c e ) i sv e r yi m p o r t a n to nt h e l h c de x p e r i m e n t s b yc o n t r o l l i n gt h ep h a s ed i f f e r e n c eo ft h ea n t e n n ad i r e c t l y 、i t h p d a cs y s t e m ( p h a s ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e dt oc o n t r o l t h ep h a s ed i f f e r e n c e ) ，i tc a l li m p r o v et h ec o u p l ee f f i c i e n c yo fl h w ( 1 0 w e rh y b r i d w a v e ) a n dp l a s m a ，a n dg e tt h es p e c i a lp o w e rs p e c t r u mt om e e tt h ee x p e r i m e n t d e m a n d s i no r d e rt of u l f i l lt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to fa n t e n n ap h a s ed i f f e r e n c eo n 2 4 5 g h zl h c ds y s t e m ，an e wf a s tf c s a p dh a sb e e np r e s e n ti nt h i sp a p e r i nt h i s h i g h - s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，an e wp h a s ed e t e c t i n gm e t h o dc a l l e di qd e t e c t i o ni s a p p l i e da n dan e wr e a l t i m es o f t w a r es t r u c t u r eb a s e do nq n xo si si n t r o d u c e d h a r d w a r es u b s y s t e ma n ds o f t w a r es u b s y s t e mb u i l df c s a p do fl h c d h a r d w a r es u b s y s t e mi sm a d eu po fp h a s ed e t e c t i n gd e v i c e ，d i g i t a l s h i f t e r , d r i v i n g a m p l i f i e r a n do t h e ra c c e s s o r i e s s o f t w a r es u b s y s t e mi n t r o d u c e sm o d u l a r i z a t i o n e n g i n e e r i n g ，a n di tc o n s i s t so fg u id e s i g n ，f e e d b a c kc o n t r o lm o d u l e ，1 0t e s tm o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo n a tl a s t ，at e s to ff c s a p db a s e do nt h el h w e x p e r i m e n t a lb e n c hi sp r e s e n t e d t h et e s tr e s u l t ss h o wav e r yg o o da g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g no n e s k e y w o r d s ：l h w ，l h c d ，f e e d b a c kc o n t r o l ，p h a s ed i f f e r e n c e 声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属 于我的培养单位一中国科学院合肥物质科学研究院。 躲煽鹕睨，弓 第l 章绪论 1 i 未来能源 第1 章绪论 自第一次石油危机以来，世界各国竞相发展节能技术，但是人类广泛应用的 煤、石油和天然气等能源毕竟是有限的，主要是不可再生能源将在未来几十年至 i 0 0 多年的时间内枯竭。今后几十年里，世界各国为争夺石油资源将不可避免地 发生国家间的冲突乃至战争，比如伊拉克战争就是争夺石油资源最好的例子。同 时传统能源还会带来一系列的环境问题，如温室气体的增加可引起气候变化等。 二十世纪后半叶，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。 它们都是利用铀等大原子量的重元素原子核裂变，释放巨大的能量，这就是人们 所说的重核裂变，简称核裂变。然而，核电站放射性物质泄漏事故，核燃料埋藏 处理等终究会给人类带来隐患。因此人类索求的目光便投向了几乎不存在放射性 污染，无需担忧失控，不会发生爆炸的，真正清洁安全的新能源一一热核聚变反 应能源。 “聚变”是较轻的原子核聚合成较重的原子核的反应。能够产生聚变的元素 主要是氢的同位素氘和氚，人们称之为重氢。热核聚变所用的重要核燃料就是氘。 根据测算，每1 升海水中含3 0 毫克氘，3 0 毫克氘聚变产生的能量相当于3 0 0 升 汽油，即“1 升海水约等于3 0 0 升汽油。地球上海水中约有4 5 万亿吨氘，如 果通过聚变转化为能量，足够人类使用6 0 亿年。一座i 0 0 万千瓦的核聚变电站， 每年耗氘量只需3 0 4 千克。这就是人类苦苦探索的真正无限、清洁卫生、成本低 廉和安全可靠的新能源。 1 2 核聚变装置 核聚变的研究离不开反应装置，从开始研究核聚变反应至今，产生了仿星 器、磁镜装置、反向场箍镜装置、场反向位形装置、球马克装置以及托卡马克装 置，其中托卡马克装置可能成为在磁约束核聚变反应中首先实现聚变点火的装 置，并且在各国的核聚变研究中，托卡马克装置等离子体的确取得了很大的进展。 e a s t 低杂波相位反馈控制系统研究 托卡马克( t o k a m a k ) 是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的 名字t o k a m a k 来源于环形( t o r o i d a l ) 、真空室( k a m e r a ) 、磁( m a g n i t ) 、线圈 ( k o t u s h k a ) 。托卡马克最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维 齐等人在2 0 世纪5 0 年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠 绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等 离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 e a s t 托卡马克是我国自行设计、研制的世界上第一个全超导非圆截面托卡 马克核聚变实验装置。由于采用了先进的非圆界面和全超导技术，等离子体稳定 运行时间可达1 6 分钟，将成为迄今为止世界上能让等离子体运行时间最长的试 验装置。e a s t 的科学目标是通过实验研究为未来建造稳态、高效、安全的托卡 马克类型的聚变反应堆提供重要的工程技术和物理基础。e a s t 为世界上最大的 国际间科技合作项目i t e r 可控核聚变实验反应堆计划提供了工程和物理上的预 研，无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说，e a s t 都做出重要 的、实质性的贡献，并进而为人类开发和最终使用核聚变能量做出重要贡献。 1 3 低杂波系统介绍 1 3 1 低杂波系统在核聚变装置中的作用 低杂波( l o w e rh y b r i dw a v e ) 是指在磁约束等离子体中以低混杂模式传播的 准静电波，它可用于托卡马克等离子体电流驱动、加热及预电离。低杂波( l o w h y b r i dw a v e ) 是目前用来进行非感应电流驱动和加热的有效手段之一。利用低 杂波驱动和加热有明显的优点：低杂波有较高的耦合效率和驱动效率，不用调谐 元件也能使等离子体阻抗跟天线匹配地较好，这一点可以通过相控波导阵天线 ( p h a s e dw a v e g u i d ea r r a y ) 来实现；低杂波频率( o 5 5 g h z ) 的大功率源随 着近十几年来微波技术的日益成熟而比较容易获得；另外低杂波在托卡马克等 离子体中传播的过程和驱动电流机制的物理图像比较清晰。 1 3 2e a s t 低杂波系统组成 e a s t 上2 4 5 g h z 低杂波系统是一套可准稳态输出2 m w ，辐射功率谱灵活可调 的微波系统。整个低杂波系统由微波源、各类电源、天馈线子系统、计算机控制 及辅助子系统组成。 2 第1 n l 微波源 e a s t 的24 5 g h z 低杂波系统微波源采用的是2 0 只俄制k o 一24 5 型微渡速调 管放大器( k 1 y s t r o na m p l i f i e r ) 。其工作频带为24 5 g h z s m e z ，增益大干5 0 d b ， 额定输出功率大于1 0 0 k w ，效率_ 大于5 0 ，可工作在连续波状态。 配套使用的微波驱动电路是一台主微波振荡器，一只p i n 主微波丌关，两台 1 2 等分微波功率分配器2 0 台数字微波移相器，2 0 只p i n 分微波开关2 0 台微 波平衡放大器及单向隔离器等组成。 2 各类电源 在低杂波系统中，有各类电源为微波部件供电，主要有速调管灯丝电源、磁 场电源、钛泵电源、速调管阴极负高压电源以及给微波源驱动级设备供电的前级 电源。 3 天馈线子系统 天馈线于系统作用是将速调管输出的微波功率传输到天线，通过天线将能量 辐射到托卡马克装置中，对等离子体进行加热和电流驱动。天馈线子系统主要包 括环形器、双定向耦台器、打火探测装置，陶瓷窗和微波天线等。 环形器主要用于吸收反射波，防止速调管阴极受到反射波的损坏。双定向耦 合器用于从主波导中提取八射波、反射波信号用于检测和保护判断。打火探测装 置用于探测矩形波导内的打火光信号。陶瓷窗用于隔离托卡马克真空室和低杂玻 微波传输线。 e a s t 托卡马克的24 5 g h z 低杂波 天线为相控多节波导阵天线。各子波 导间相位差固定，具有非常良好的相 位和谱结构( nr ) 特性和匹配性能。天 线结构如图i1 所示。2 0 路主波导送 到天线后，每一路主波导分成8 路子 波导，形成5 排3 2 列的结构，各予波 囤11 相控多结波导阵天线结构 导之间固定相位差9 0 。各主波导之间的相位差是可以通过本论文设计的相位 反馈控制系统自由设定的。 4 辅助于系统 e a s f 杂镕目忸反目控幕r 辅助子系统包括水冷和魁冷子系统。水冷用于给速碍管收集收、逮调管输出 窗口、环形器、磁场线包、天线、馈线陶瓷窗等部f ，上提供冷却建立丁左离子水 水玲子系统，防止器件过热损坏。风冷主要用于给阴极部分冷却。 5 计算机控制子系统 计算机控制系统是由计算机和自动化仪表装置与被控对象琏接而成的具有 各种自动化功能的技术工程系统。1 。计算机控制管理集成系统是运用计算机通信 技术由多台计算机通过通信总线互连而成的计算机控制系统。系统具有网络分布 结构，所以又称分数( 或分布) 控制系统或集散控制系统，简称d c s ( d is t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 。d c s 具有整体安全性可靠性高；系统功能丰富多样：系统 设计、安装、维护、扩展方便灵活：数据获取、传递和处理快捷；操作、监视简 便等优点，可以实现系统控制管理一体化。 低杂波计算机控制于系统主要作用是保证咀上各个子系统协调运行，对系统 进行检测和控制，对实验数据进行有效管理和发布，并在发生意外的情况下实行 紧急保护。 基于分布式控制的设计思想，e a s t 低杂渡计算机反馈控制子系统采用如下图 12 结构。 图12e a s t 低朵波计算机监控网络桨构图 整个e a s t 低杂波计算机控制系统的网络采用总线型网络拓扑结构，通过工 业以太网交换机和光纤将数据服务器、控制室计算机以及现场计算机连接成一个 通讯网络。现场计算机与执行单元之间根据现场环境要求和速度要求采用相应的 第1 章绪论 连接方式。系统的通讯可靠性和实时性异常重要。 e a s t 低杂波计算机反馈控制系统采用分布式控制的设计思想，整个控制系统 从功能上看分为四个层次： 第一层：数据服务器及网页发布。主要功能是接收并保存现场采集的数据， 通过网页发布，为实验入员提供数据的远程访问服务； 第二层：上位机监控层。主要功能是实现控制室对现场的远程控制，用于远 程发布控制命令和定时或者根据需要对现场设备进行状态检测： 第三层：下位机控制层。主要功能是接收控制室上位机发送的控制命令和输 出指令或保护指令驱动执行单元，以及采集现场数据保存并送到上位机显示。 第四层：执行单元层，如p l c 、鉴相仪、数字微波移相器、打火保护装置等。 主要功能是执行下位机控制指令或保护指令，并在最短时间内完成相应的操作。 1 4 论文研究意义及主要工作 本论文所探讨的e a s t 低杂波系统是一个2 4 5 g h z 的2 m w 的大功率微波系统， 其中的相位反馈控制系统是一个结构复杂、性能要求高且对托卡马克实验有重要 意义的系统，其系统电路本身就十分复杂，涉及微波、电子、计算机、物理、机 械等多领域综合知识，具有高速度高精确度的采集要求和实时反馈控制与监测要 求，并需要与低杂波计算机控制系统的其他计算机进行可靠通信。基于人身安全 考虑，托卡马克放电试验过程中，实验人员无法进入聚变大厅，系统出现故障无 法及时修复，因此需要构建稳定可靠的分布式相位反馈控制系统，实现低杂波相 位的实时反馈控制。 笔者承担的主要课题是e a s t 2 4 5 g h z 低杂波相位反馈控制系统的设计与实 现，主要负责整个相位反馈控制系统的硬件结构设计、控制软件的设计以及系统 的测试。 本论文详细介绍了低杂波相位反馈控制系统的完整设计与实现，并对设计方 案进行了可行性论证。论文共分为六章。 第一章首先介绍了核聚变的意义和低杂波系统的组成，说明低杂波相位反馈 控制系统的背景。 e a s t 低杂波相位反馈控制系统研究 第二章通过介绍相位反馈控制系统在托卡马克实验中的作用，调研了国外低 杂波装置中相位反馈控制系统的实现方式，比较了锁相环鉴相和正交鉴相两种相 位检测方法的优缺点，提出e a s t 低杂波相位反馈控制系统总体的设计方案。 第三章主要介绍了相位反馈控制系统的硬件设计与实现。具体介绍了鉴相仪 的内部结构、数字移相器的结构、7 0 路相位驱动放大器的结构以及为了完成信 号转换、控制信号输出而安插在现场计算机上的工业多串口卡c p 一1 3 2 1 和数字输 出卡a c 4 0 3 1 。 第四章主要介绍了相位反馈控制系统的控制软件的设计与实现。详细介绍了 软件的总体设计思想，实现方案，主要功能以及各个功能的具体实现的流程图和 系统各个部分之间的通信方式。 第五章主要是相位反馈控制系统的测试。包括了相位反馈系统硬件各部件的 测试和软件功能模块的测试。 第六章是论文工作的总结和展望。 6 第2 章低杂波相位反馈系统总体设计 第2 章低杂波相位反馈控制系统总体设计 2 1 相位反馈控制的作用和意义 低杂波相位反馈控制系统是低杂波系统中极为重要的一个子系统。在磁约束 等离子体中传播的低杂波是准静电波，通过朗道衰减可以使电子获得定向动量。 低杂波通过天线辐射不对称谱的微波能量，使得入射的低杂波在环向传播的动量 具有单向性。当低杂波的相速度与电子的热速度近似相等时，微波通过朗道阻尼 与等离子体中的共振电子发生有效作用，波能量传递给电子，从而对电子在平行 于磁场的方向上加速，形成一个由高能电子群。就是低杂波电流驱动原理。这些 定向速度很大的高能电子在维持环向电流的同时并不消耗伏秒数，因此观察到环 电压的下降，在完全由低杂波驱动电流维持平衡的情况下，环压为零。 低杂波电流驱动要求天线在等离子体大环方向上的波的功率谱( 波功率关于 平行波矢量的分布) 是不对称的，如载电流粒子是电子，大部分波功率应主要位 于环电流的方向。对离子驱动则相反。可以通过调节天线阵列或波导阵列的相位 来获得所要求的波谱形状船】。通过调节天线波导单元间的相位差，可以改变天线 辐射谱，使得低杂波沉积的位置不在等离子体中心，通过改变耦合谱来改变与低 杂波相互作用的电子群及其位置，改变等离子体电流的分布，以达到改善约束的 目的。如图2 1 所示。 写 量 藿 岂 差 七_ 6- 4202468 n - 图2 1 不同相位角对应的天线辐射谱 由于电子速度分布中高能电子的数目随能量加大急剧减少，参与共振的电子 过少，被吸收的波功率也就很小，耦合到等离子体中的波能会重新逸出，或在其 7 e a s t s 自谊目位馈“系统 r 他的通道中损失，使实际坡利用于电流驱动或加热的渡功车的比例减9 。这已为 所有实验所证实。所以，具体司题中波功率谱的设计要根据各神条件练台起柬考 虑，在很大程度上要在实验甲寻找最佳耦合和驱动条件。军文所设计的相位反馈 控制系统是建立在天线结构确定的基础上通过微波数字移相器改变天线渡导单 元之间的相位差，从而寻找最佳耦舍和驱动条件的课题上的， 相位反馈控制的主要原理是利用计算机偏差调节原理实现对系统中各路渡 导预设相位的高速反馈控制，保证天线端口各波导间维持预设定的相差( 记为 中) ，即改变输出波的相位角，以期获得满足特定实验要求的波的功率谱，从而 控制低杂波在等离子体内部的沉积位置，改善低杂渡与等离子体的祸合效率。 22 国外相位反馈控制系统的研究 a l c a t o rcm o d 低杂波系统中数字控制嚣用于控 制1 2 只速调管的相位，响应时间为l m s 。快速固态正交 ( 即i q ) 向量模型用作速调管低电平微波驱动信号控 制相位和幅度的基础。l 2 只卜0 检澳4 器用于给控制器提 供相位幅度反馈信息。在这个频率的前端耦台器配置 下，端口尺寸和功率密度可以达到：每个速调管包含4 行2 4 列波导( 如图22 ) 。每个波导的尺寸是6 x 05 5 c m2 。 对2 1 7 源功率期望的耦台器端口功率密度c5 k w ，c m l ， 这个密度小于击穿的实验限制值。 图23 所示为正视图。每个速调管馈给一共8 只波 导，两相邻的垂直列。每只速调管支路包括一个垂直 方向上的3 d b 功分器，一个固定相移器用于校正由分路 器引起的相位差和由通道长度不同引起的相位差所 以在端口垂直方向上相位是一个常数。 图24 示意了相位是如何被控制的：高功率相移器 国23l h 耦台器正视留 调节两相邻波导列之间的相位到期望值，同时每个速调管前面的低功率相移器调 节两波导管模块之间的相位。第二个相移器是铁氧体器件，能够在微秒级单位下 改变相位：这允许m h d 模式下高精度地实时稳定地反馈控制n ，谱”1 。 $ 2 自 慨* m 反系* * 翻24传输线示意图囝25n ；与相位关系示意酗 图25 所示，n ，谱对应每一个唯一的相位差( 图中曲线所示) 。与之对比的 是在低功率相移中改变相位时通过保持高功率相移器在o = 9 0 6 时获得的频谱 ( 灰色) 。由此可见，通过改变相位可以调节n 1 谱，从而改善其与等离子体的耦 合效率。 23 相位检测方法 231 e a s t 低杂渡天线结构 e a s t 低杂波新的天线采用的是相控多结波导阵天线结构。2 0 路主波导到达 天线后每一路主波导被分成8 路子波导，构成了一个5 3 2 的波导阵。每路中 相邻子被导之间的相位差固定为9 0 。天线的主波导之间的相位差是可以通过 相位反馈系统进行控制的，通过控制主波导之间的相位差，可以控制天线辐射的 功率谱，从而改善微波与等离子体的耦合效率。天线主视图如图26 所示。 图26 天线主视图 茎雪 e a s t 低杂波榴位反馈控制系统研究 为了提高与等离子体的耦合效率，e a s t 低杂波天线多结波导阵端面被加工 成与等离子体形状楣切的孤西。等离子体形状类儆轮骀形，褶控多结波导降端萄 与等离子体相切，极向和环向都会出现弧面，这就引入了后文要提到的相位本底 的测量以及本底校准。 2 3 。2 锁相环鉴相 锁相环鉴相技术是一种常用的相位检测技术。锁相环路是一个相位反馈自动 控铡系统。它毒戬下三个基本部件组成：鉴裰器( 跨) 、环路滤波器( l p f ) 帮压 控振荡器( v c o ) 。其组成如图2 7 所示。 图2 + ? 镁福环黯维藏方框图 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之漓的相位同步。当没有基准( 参考) 输入信号时，环路滤波器的输出为零( 或为某固定值) 。这时，压控振荡器按 其固考频率f ￥进行惫蜜振荡。当有频率为f r 的参考信号输入时，u r 和u v 同时 输入到鉴相器进行鉴褶。 如果f r 和“相差不大，鉴相器对u r 和u v 进行鉴相的结果，输出一个与 强翼和毯￥麴相位差成正眈的误差电惩娃莲，再经过环路滤波器滤除娃( 1 中的高频成 分，输出一个控制电压u g ，u c 将使压控振荡器的频率f v ( 和相位) 发生变化，朝 着参考输入信号的频率靠拢，最后使f v = f r ，环路锁定1 。 2 。3 3 转了一了低杂波相位检测方法 h t - 7 低杂波相位反馈控制系统即采用锁相环鉴相的方法检测天线端口相位， 作为榴健反馈控制的对象，其装置称为锁相环鉴相仪。 锁相环鉴相仪出直流电源、1 2 路第一混频滤波器、1 2 路第二混频滤波器、 1 1 2 功分器、1 2 路隔离器、第一本振信号源、第二本振信号源、1 l 路鉴相器、 检波放大器、锁相控制器等组成( 如鹜2 。8 所示) 。其鉴相原理是： 1 2 路2 4 5 g h z _ + i o m h z 的微波信号和2 4 3 g h z i o m h z 第一本振信号经过第 一混频器混频后产生2 0 m h z 的中频信号，滤波后和1 7 2 2 m h z 的第二本振信号经 1 0 第2 章 低杂波相位反馈系统总体设计 过第二混频器混频后产生2 7 8 k h z 的鉴相信号，滤波去除高频信号后其中的一路 基准信号和其他的1 l 路被测信号进行比较鉴相得到0 - - 3 6 v 的鉴相电压输出， 此电压信号反映了被测信号与基准信号的相位差信息。 2 3 4 正交鉴相 图2 8 锁相环鉴相器结构图 除了锁相环鉴相的方法之外，图2 9 所示为利用正交鉴相的方法检测信号与 参考信号之间的相位差。因为这里我们只关心相位的检测，故假设参考信号与测 量信号的幅度相同。 孔勰聋耍= 箩母协p h a i 一4 , 硼t 嚯鬻q 芷墨岖卜僦 1 | 卜一- 咿 图2 9 正交鉴相示意图 如图所示，假设参考信号为2 4 5 0 m h z 正弦信号，初相为吼，即参考信号为 a s i n ( c o t + 0 0 ) ，其中缈= 2 z + 2 4 5 0 m h z 。现在我们需要测量频率相同，初相不同 的另一路信号a s i n ( c o t + 0 1 ) 与参考信号之间的相位差a o = q - e o 。 e a s t 低杂波相位反馈控制系统研究 参考信号通过二功分器分成幅度相同、相位相同的两路4s i n ( c o t + 岛) 分别进 入上下两个支路混频器，被测量信号通过功分和移相分成幅度相同，相位差9 0 。的两个信号，即4s i n ( c o t + 8 t ) 和鸽s i n ( c o t + 8 t - 9 0 。) ，即一4 c o s ( c o t + 8 1 ) ，也分 别进入上下两个支路混频器中。则： 上支路混频器输出为：下支路混频器输出为： 4s i n ( c o t + o o ) 4 s i n ( c o t + b )鸽s i n ( c o t + 吼) 幸卜4c o s ( c o t + q ) 】 = 名s i n ( c o t + o o ) s i n ( c o t + o x )= 一名s i n ( c o t + 0 0 ) e o s ( c o t + g ) = - 2 名 c o s ( 2 c o t + 0 0 + 0 , ) - c o s ( 0 0 目) 】- - 2 4 ； s i n ( 2 c o t + 0 0 + 0 1 ) + s i n ( 0 0 b ) 】 经滤波器滤除高频信号得到正交i 、q 信号分别为： i 信道：v = 2 名c o s ( 0 0 - 0 , ) = a c o s a 8 q 信道：峋= - 2 彳：s i n ( 8 0 - o , ) = a s i n a 8 由此可以很快得到被测量信号与参考信号的相位差为：a 8 ：口陀留( 等) ，l 口即为我们需要检测的相位差。如果以参考信号的初相作为零点，则被测 量信号与参考信号的相位差就可以认为是测量信号的相位值。 2 3 5 两种鉴相方法的比较 利用锁相环鉴相的方法检测相位差，需要将高频信号混频降到低频，然后锁 定相位，再进行相位的检测。当信号频率发生变化，锁相环需要反馈跟踪重新锁 定相位之后才能检测。若信号频率变化较快，或者频率变化较大时，会出现失锁 而无法检测到相位的情况。 与锁相环鉴相方法相比，正交鉴相的方法通过简单的反正切运算可以直接根 据信号的正交分量检测到信号的相位差信息，所以采用正交方法检测相位更直接 更简便，且鉴相精度更高。但对于输入的两个信号的频率变化不同引起的相位误 差不容易检测出来。 2 3 6e a s t 低杂波相位反馈系统总体设计 相位检测是相位反馈控制的前提和基础。如何稳定可靠准确地检测天线主波 导相位是异常重要的，反馈控制是以此相位为基础与预设相位比较求得相位差进 行调节，以实现准确的相位反馈控制的。为提高相位检测的精确性和实现高速的 1 2 第2 章1 氐杂渡# & 日系统总体垃 相位反馈控制，在e a s t 低杂渡相位反馈系统的设计中，我们采用正交( i q ) 鉴 相方法检测天线主波导相位差。检测方法如图21 0 所示。 e a s t 低杂渡天线在靠近每只速，品弱一 调管输出蚴波导传输线上及靠近j 蒯匦叫酽! l 天线处的波导传输线上粥性接- 呷懈号茸霞蛔 只波导双定向耦台器双定向耦合器 1 刭：b l 蚓 上外接检波器和鉴相器。双定向耦合材f ! 堡叫 器可以及时给出相应波导内入射波、 反射波的功率太小及相位信息。由于 2 0 个速调管的输入信号源来自同一 个本振，所以它们的输出波是完全相 干的。2 0 路微波相位信息由鉴相仪检 测出来传进到计算机计算偏差输出 需要调节的相位值反馈控制速调管 输入级中的数控微波移相器，从而可 以调节天线主波导相位，通过控制图2 1 0 相位检测方法 天线主波导间的相位关系，改变低杂波在等离子体中的沉积位置，改善电流驱动 效率，以达到最好的驱动效果。 托卡马克放电期间，电磁环境非常恶劣，电磁干扰大为了保证测量的可 靠性和稳定性，采用双机冗余设计，在2 0 个波导传输线上靠近天线位置的2 0 个 双定向耦合器和波导传输线中间的2 0 个双定向耦合器处取出信号接入两台鉴相 仪以测量天线主波导相位。 测量时，将取自天线附近的和波导传输线中间的各2 0 个双定向耦合器的微 波信号以及本振取出的参考信号分别通过鉴相器中的24 5 g h z 隔直滤波器、单刀 四掷p i n 开关( 也称i 4 p i n 开关) 、功分器等微波器件输入以a d 8 3 0 2 为核心的 鉴相模块中，则鉴相模块输出的鉴相电压对应a d 8 3 0 2 鉴相曲线上的相位差值就 是天线主波导相位与参考相位之间的相位差，以参考相位作为零点，则对应鉴相 电压的相位差值就是天线主波导相位。 2 4 相位本底的控准 瓣巍黪 e a s t 低杂波相位反馈控制系统研究 所谓低杂波天线主波导相位测量即为测定天线2 0 路主波导相位与选定的参 考相位的差值。为保证参考相位的稳定性，取本振信号作为参考。 为保证到达天线主波导端口中心点的相位一致，除考虑传输线引起的相位本 底外，主要就是多结波导阵与等离子体相切的弧面引起的固定相位本底。传输线 长度一旦确定，由传输线长度不同引起的相位本底可通过网络分析仪测量，并在 程序中扣除。传输线长度引起的固定本底这里不讨论。这里着重讨论计算多结波 导阵与等离子体相切的弧面引起的相位本底并在软件中进行校准的问题。一旦天 线端口形状与尺寸确定，这部分相位本底就是确定不变的，因此软件设计中只需 测量一次进行校准即可，称为静态校准。 为改善低杂波天线与等离子的耦合效率，天线的位置是可以前后移动的。 天线与固定波导之间通过长度可调的软波导相连。软波导可以随天线的前后移动 拉伸和收缩，这就引出可变相位本底。相位反馈控制系统的设计中，考虑天线处 测量的相位可能因受强电磁干扰而不准确，如果发现天线近端鉴相仪检测到的相 位不稳定或者误差大，就切换到天线远端波导传输线中间处的鉴相仪检测的相位 为主。由于软波导的长度变化，两台鉴相仪之间的相位本底差是个可以变化的值， 因此每次天线移动位置后都要进行一次校准，称为动态校准。 2 4 1 静态校准 l 、极向弧面引起的相位本底计算 首先计算极向弧面引起的相位本底。由于极向弧面和环向弧面引起的相位本 底相互独立，为了简化问题，将这两部分相位本底分开计算。 首先考虑极向弧面引起的相位差。以第3 排的波导中心作为基点，上下两侧 波导中心点关于这个中心点对称。所以只要计算第l 排波导中心点和第2 排波导 中心点到基点的距离差引起的相位差即可。 如图2 1 l 所示，定义弧面的半径为r ，即等离子体外环大半径。等离子体5 排波导( 等高) 每层的高度定义为h 1 ，间隔为h 2 ，现在求解由弧面引起的距离 差而引起的相位本底定义为，：。 如图，由直角三角形特性： l - - r 。2 。- - 。h 。2 。 t 4 第2 奄 低杂波相位反馈系统总体使计 对应图4 中的变量定义， j l - 。：竺：二兰! ! ! ：! 三! ： ( 1 ) ll 2 = r 2 一( h l + 厅2 ) 2 设微波在真空中的波长是兄，在天线中， 允( 3 ) 飞= 1 2 芦 1 ( 去) 2 距离差差a 为：= r 一上， 对应有： a 2 i ：= r r 一- 三l c 2 ) 波导波长是旯g ，则有： 上两式中1 2 是光速，f 天线中传输的微波频率，a 是波导的宽边尺寸，则距离 差引入的相位本底是： ，：鲁( 弧度) ( 4 ) 九g ，即为我们所要求的相位本底。 t u 上 谊喜 图2 1 1 天线与等离子相切极向弧面图图2 1 2 天线与等离子体相切环向弧面图 2 、环向弧面引起的相位本底计算 低杂波天线与等离子体相切在环向也有一个弧面，进行相位控制时，由于 大环方向上的弧面，各列主波导之间存在距离差，因而微波到达主波导中心位置 的相位就存在差异，这也是我们所说的相位本底的一部分，需要计算出来并在控 制程序中校准。这里的相位本底计算方法与上面类似。 e a s t 低杂波相位反馈控制系统研究 如图2 1 2 所示，定义弧面半径为r ，每列主波导宽度，间隔f 2 。以弧面中 点为基点，左右两列波导关于中心对称。两侧波导中心相对于基点的距离差定义 为6 。，6 ：。引起的相位差定义为。，。：。 类似的，我们有： 三= 碍- 1 2 则k12哆等筹九由此可求距离差：a眈b,：=rrb一-厶lb：,lb2=-(o 5h l - i - 伯， lr 2 + (j i l 2 ) ) 2 【6 z 。一乞2 同样，结合( 3 ) 可求得距离a 6 l ，a 6 ：引入的相位本底6 2 。 3 、计算结果 ( 1 ) 极向弧面引入的相位本底计算结果 已知条件： i 天线极向弧半径r每排波导高度h l两排波导间隔h 2 波导宽边尺寸a 微波频率f i 1 1 0 0 m m1 1 3 2 m m3 4 r a m1 0 9 2 咖2 4 5 g h z 根据上述公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ，可以求得： l 1 = 1 0 5 9 8 7 r a ml 2 = 1 0 9 0 1i m ma i = 4 0 1 3 r a ma 2 = 9 8 9 r a m 计算结果：l = 1 5 5 4 8 。，2 = 3 8 3 3 。 即第1 排波导中心点到基点的距离差引起的相位差为1 5 5 4 8 。，第2 排波导 中心点到基点的距离差引起的相位差为3 8 3 3 。由于对称性，第4 排波导中心 点到基点的距离差引起的相位差为3 8 3 3 。，同理，第5 排波导中心点到基点的 距离差引起的相位差为1 5 5 4 8 。这即为需要在软件中扣除的相位本底的一部 分。 ( 2 ) 环向弧面引入的相位本底计算结果 已知条件： l 天线定弧面半径r -每列波导宽度i l两列波导间隔i 2波导宽边尺寸a微波频率f j 1 7 0 0 m m1 0 8 m ml o m m1 0 9 2 m m2 4 5 g h z 同理，可得计算结果：6 。= 3 5 8 0 。，6 2 = o 3 9 7 。 由于对称性，即第1 列和第4 列波导中心点到基点的距离差引起的相位差为 3 5 8 0 。，第2 列和第3 列波导中心点到基点的距离差引起的相位差为0 3 9 7 。 由于引入的相位差较小，在允许的误差范围内，因此大环方向上的弧面引入的相 1 6 第2 章低杂波相位反馈系统总体殴计 位差可忽略其影响。即认为同一排主波导中心的相位一致。 4 弧面引起的相位本底校准 由上述计算可知，极向弧面引入的相位本底较大，在相位控制中会造成预设 相位与实调相位之间较大的误差，从而影响相位反馈控制的准确度，因此必须在 软件中进行校准，由于此部分相位本底只与天线形状和尺寸有关，是固定不变的， 因此只需要一次校准，称为静态校准。校准算法如下： 假设预设2 0 路主波导的相位为岔( f = l ，2 ，3 ，2 0 ) ，从本振源取信号作为 参考相位，即每路主波导与参考相位之间的相位差为岔。由上所述，忽略环向弧 面引入的相位本底，只考虑极向弧面引起相位本底。、，因计算时取第三排 主波导中心点相位作为基准，则根据图l 所示，岛、嚷、最，、q 。不需要校准，而 其它主波导必须要校准。第一排和第五排主波导均要对，校准，即 岛、皖、幺。、儡。、岛、g 。、q ，、需要分别减去o ：作为相移器的输出相位。同 理，岛、岛、研：、只，、幺、岛、幺。、最，需要分别减去q 作为相移器的输出相位。 这样即完成极向弧面弓l 入的相位差的校准。 2 4 2 动态校准 低杂波与等离子体相切的位置不同，则低杂波功率谱沉积的位置就不相同， 二者的耦合性能和效率也不同，这就引出了为了研究波与等离子体的耦合性能， 要求低杂波天线的位置相对于e a s t 托卡马克装置是可以变化的。天线的位置前 后移动是依靠天线与固定波导传输线之间连接的软波导伸长或者收缩实现的。天 线与固定波导传输线之间的软波导伸长或收缩，使得定向耦合器到天线端口的传 输线长度改变，这就必然引起相位本底的变化。 为了方便地测量软波导长度变化后引起的相位差，同时考虑由于托开马克放 电期间电磁干扰很强，为了避免放在e a s t 托卡马克装置附近的鉴相仪检测的相 位信号可能受到强电磁干扰的影响而使相位检测不准，我们采用两台鉴相仪同时 从两个地方测量相位。如图2 1 3 所示。 e a s t 托卡马克进行放电实验之前，利用相位反馈控制软件系统读取两个鉴相 1 7 e a s t * * & 日系 r 仪测量到的相位切值，由于托卡马克没放电时电磁干扰不强，两台鉴相仪测量到 的相位初值都相对稳定，加上各自的定向耦合器到天线端口的固定相位本底即可 以得到天线端口的相位值。根据测量的相位初值求出两台鉴相仪的相位差作为本 底。由于这部分相位本底是会随着软波导长度的变化而改变的，所以成为动卷相 位本底。 在e a s t 托卡马克放电实验期闻，托卡马克装置附近天线近端的鉴相仪由于 强电磁干扰的影响，相位的测量值可能不准，这时我们以天线远端的鉴相仪检测 的相位为准加上根据上述求出的动态相位本底来作为天线端口的相位，调节此 相位实现天线端口的相位反馈控制。这个过程就完成了由于软波导伸缩引起的动 态相位本底的校准。 目t * g = 】 * 刿21 3 两台鉴相仪同时测量相位示意圈 25相位反馈系统的整体架构 相位反馈控制系统是一个闭环回路，它是由控制室上位机、现场下位机、鉴 相仪、7 0 路相位放大驱动电路、数字移相器以及r s 4 8 5 工业总线、光纤等构成 的闭环系统。参照图2 1 3 。 首先由本振源产生24 5 g h z 的微波信号，经两个十二功分器输出2 0 路微波 信号经2 0 个数字微波移相器及相连的p i n 控制开关送入2 0 个前级放大器放大到 瓦级功率后，经隔直滤波器输入到微波速调管用于激励微波速调管，各路速调管 第2 章 低杂波相位反馈系统总体设计 前端连接一个环形器用于隔离以防止微波反射回速调管而打坏微波器件，输出的 高功率微波信号经多路矩形波导传输，馈送到多节波导阵天线，最后注入到托卡 马克装置中与等离子体耦合。矩形波导传输线上串接两个双定向耦合器，一个在 天线近端，一个在天线远端一相对远离天线端口。双定向耦合器主要用于测量微 波信号的功率、相位等参数特性。 相位反馈控制系统通过鉴相仪采集双定向耦合器耦合端输出的小功率微波 信号，提取鉴相电压，利用数据处理电路获取相位参数特性，得到2 0 路波导单 元的相位值。2 0 路波导相位通过4 8 5 总线通信方式从鉴相仪传输到现场下位机， 下位机通过工业多串口输入输出卡c p l 3 2 接收2 0 路相位数据并以数组存储。下 位机软件的反馈控制程序通过比较天线波导单元相位当前值和预设相位值，利用 计算机偏差调节算法计算需要移相的相位差并转换为二进制控制信号( 7 b i t ) 由 数字输出卡a c 4 0 3 1 输出经7 0 路相位驱动放大电路器放大驱动数字微波移相器改 变其内部微波p i n 管的开关状 态，改变微波通道的相位，实现 了图2 8 中相位的高速反馈控 制，即而实现对特定波谱形状的 控制。现场下位机通过光纤与控 制室上位机连接成网络，遵循 t c p i p 利用s o c k e t 通信的方式 进行命令和数据的传输。 图2 1 4 为相位