（核能科学与工程专业论文）icrh天线阻抗测量与调配.pdf

摘嫠 摘要 姓名：曾现详( 核能科学与工程) 导师：赵燕平研究员 本论文详细论述了i c r h 天线阻抗测量与调配的原理和方法，基于传输线探针 电压天线阻抗计算方法，采用虚拟仪器技术，实现了天线阻抗测量和调配系统。 该系统主要包括四部分：探针电压采集、天线阻抗测量、液态调配器控制以及天 线阻抗的测量与调配。系统软件采用虚拟仪器丌发平台、1l a b v i j w 软件进行 设计，配合凌华a d l i n k 多功能数据采集卡和模拟输出卡，缩短了j i ：发时| h j h ，整个 系统结构合理、界面友好、性能可靠、易于维护和扩展。 论文的第一章介绍了i c r h 系统组成结构，i c r h 天线附i 抗测镀和调配系统结 构和人致实现流程。第二章论述了 c r t t 天线阻抗测硅和凋配原理、办法和i 干细计 算过程。第三、四章分别讨论了i c r h 天线阻抗测量系统和液态调配器控制系统的 设计和实现，包括系统的硬件组成和软件设计，主要内容有：虚拟仪器及l , a b v i i ! w 简介、探针电压采集软件设计、天线阻抗计算和液念调配匹配参数计算软件设计、 天线阻抗测量系统以及液态调配器控制系统的实现。第血章结合第三、l g 章内容， 构成天线阻抗测量和调配系统。第六章为论文总结，进行系统测试并对结果进行 讨论。 关键词：离子回旋共振加热，阻抗测最，| 5 h 抗匹配，虚拟仪器，l 。a b v 限w a b s t r a c t a b s t r a c t n a m e ：z e n gx i a n x i a n g ( s c i e n c e e n g i n e e r i n g o fnu c l e a re n e r g y ) t u t o r ：z h a oy a n p i n gr e s e a r c h e r t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fi c r ha n t e n n ai m p e d a n c e m e a s u r e m e n ta n dm a t c h i n gi nd e t a i l b a s eo nt h em e t h o do fc a l c u l a t i n ga n t e n n a i m p e d a n c eb yp r o b ev o l t a g eo nt r a n s m i s s i o nl i n e ，a n db ya d o p t i n ga d v a n c e dt e c h n i q u e o fv i r t u a l i n s t r u m e n t ( v o ，t h es y s t e mo fi c r ha n t e n n ai m p e d a n c em e a s u r e m e n ta n d m a t c h i n gi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h es y s t e mi n c l u d e sf o u rp a r t sm a i n l y ：d a t a a c q u i s i t i o no fp r o b ev o l t a g eo nt r a n s m i s s i o nl i n e c a l c u l a t i o no fi c r ha n t e n n a i m p e d a n c e ，c a l c u l a t i o no fm a t c h i n gp a r a m e t e r so fl i q u i ds t u bt u n e r , a n dm e a s u r e m e n t a n d m a t c h i n g o fi c r ha n t e n n a i m p e d a n c e t h es p e c i a l s o f t w a r eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t - n il a b v i e wh a sb e e ne m p l o y e d c o o p e r a t i n gw i t ha d l i n kd a t a a c q u i s i t i o na n da n a l o go u t p u tc a r d s ，t h es y s t e mf e a t u r e sf r i e n d l yi n t e r f a c e 。h i g h r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y , g o o dm a i n t e n a n c ea n de x t e n s i b i l i t y i nc h a p t e r1 ，t h es t r u c t u r eo fi c r hs y s t e ma h da n t e n n ai m p e d a n c em e a s u r e m e n t a n dm a t c h i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 t h et h e o r ya n dm e t h o do fi c r h a n t e n n ai m p e d a n c em e a s u r e m e n ta n dm a t c h i n gi s p r e s e n t e d i nt h i sc h a p t e r , t h e p r i n c i p l eo fc a l c u l a t i n ga n t e n n ai m p e d a n c eb yp r o b ev o l t a g eo nt r a n s m i s s i o nl i n ei s i n t r o d u c e df i r s t l y ；t h e n ，t h ea n t e n n ai m p e d a n c ec a l c u l a t i o ne q u a t i o ni sd e d u c e d l a s t l y 。 t h en e wi m p e d a n c em a t c h i n ge q u i p m e n t - t h r e es t u bt u n e ri sp r e s e n t e d ，a n dt h e m a t c h i n gp a r a m e t e r so fs t u bt a n n e ri sc a l c u l a t e d i nc h a p t e r3a n d4 ，t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fs y s t e m so fa n t e n n ai m p e d a n c em e a s u r i n ga n dm a t c h i n gi sd i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y , w h i c h i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ec h a p t e r5a n d6 t h e m e a s u r e m e n ta n dm a t c h i n gs y s t e mo fi c r ha n t e n n ai m p e d a n c ei s i n t e g r a t e da n d t e s t e d k e y w o r d s ：i c r h ，i m p e d a n c em e a s u r i n g ，i m p e d a n c em a t c h i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， l a b v i e w 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。 躲甑呼嗍矽 2 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 能源与核聚变 第一章绪论 受控核聚变研究是一项有着重要意义的前沿课题。人类社会的可持续发展需 要洁净的，无限的能源，而目前人类社会主要依靠化石能源如煤、石油、天然气 等不可再生能源。但这些能源储量有限，短期内无法再生，并且存在严重的环境 污染。太阳能和核裂变能虽然在一定程度上可以解决能源危机，但太阳能的利用 成本太高，大规模使用存在困难；核裂变在地球上有限的燃料储能也不能维持人 类长期的需求，而且会产生难以解决的核废料问题。 核聚变能是目前公认的一种非常理想的潜在新能源，它是通过氘( d ) 氚( t ) 两种 同位素在高温高压下发生聚变反应产生的。单位质最的氘氚聚变反应能够释放fi 大的能量，对坏境的污染小，且地球上的氘的储量极为丰富，町谓墩之f i 尽、用 之不竭，而氚可以用成熟的技术进行生产。若能顺利地实现受控核聚变，则可以 解决人类永久的能源问题。因此，近5 0 年来受控核聚变的研究规模越来越大，投 入的人力、物力、财力越来越多，经过半个世纪探索，聚变领域的研究取得了令 人瞩目的进展。在新的2 1 世纪，受控核聚变有可能成为现实，永远的造福人类。 1 1 2 离子回旋共振加热的重要地位 托卡马克( t o k a m a k ) 是目前国际上丌展磁约束高温等离子体聚变研究的- 种主要装置。实现磁约束热核聚变反应的首要条件就是对等离子体进行加热，使 聚变燃料离子具有足够的动能，克服燃料离子之间的静电斥力。为此产生了许多 加热手段，如欧姆加热、高能中性粒子束加热和大功率射频波加热。 托卡马克试验的初期是由环向电流提供欧姆加热，因其功率密度与等离子体 的电阻率成正比，随着等离子体温度的提高，欧姆加热的功率密度将迅速下降。 由此可见，要实现聚变点火，必须在欧姆加热的基础上再辅助以其他加热手段。 现已获得成功并受到广泛重视的辅助加热手段有高能中性粒子束注入加热和大功 率射频波共振加热。高能中性粒子束注入加热的方法发展较日，目日仃单独使用它 i c r h 天线阻i 抗测量j 洲配 作为辅助加热手段已不多见。由于射频波加热的性能非常优越，这种辅助加热手 段应用更为广泛，更受人们的普遍关注。大功率的高频波主要有离子回旋波，低 混杂波和电子回旋波，其中离子回旋波的加热效果最令人鼓舞。 离子回旋共振加热( i o nc y c l o t r o nr e s o n a n c eh e a t i n g ，简称i c r h ) 是指馈入 托卡马克中的射频电磁波在等离子体中传播过程中因离子回旋共振使其能量被等 离子体吸收而产生加热效果的一种加热方式。由于离子回旋频段范围的大功率微 波源技术上已经成熟，比较容易获得大功率射频波，系统成本也较低。并且，离 子回旋加热能够直接加热燃料离子，所以加热效率明显高于其他加热手段。 另外，由于i c r h 的加热功率主要被共振离子所吸收，通过控制纵场的大小 或选择适当的快波加热频率，使共振吸收处在等离子体中心区域附近，可以将快 波能量有效的耦合到等离子体中心区域。理论分析和实验结果证明，采用少数离 子加热时，适当的控制少数离子的浓度，可以进一步改善加热效果。同时，离子 回旋共振加热还可以有效的驱动等离子体电流，因此它是未来商业聚变反应堆的 主要辅助加热手段之一。 1 2 离子回旋共振加热系统简介 整个离子回旋加热( i c r h ) 系统主要由发射机、传输系统、天线三个主要部分 组成。 1 高频发射机 目前h t - 7 上的i c r h 系统可输出3 0 0 k w 射频功率，可在连续波或脉冲 波两种模式下工作，主要用于对托卡马克中等离子体进行射频加热实验和 壁处理。在h t - t u ( e a s t ) 装置中，已建成一套高功率离子回旋共振加热系统， 新的系统具有1 5 m w 的射频输出能力，脉冲宽度大于1 0 0 秒。 2 传输系统 i c r h 传输系统如图1 1 所示，各部分情况如下。 第一章绪论 液态调配器 辅助调配支节 图1 1i c r h 传输系统示意图 同轴传输线的特性阻抗为5 0 欧姆； 定向耦合器用来监测入射电压和反射电压的大小，从而得知整个系统的匹配 情况，并隔离反射波防止其进入发射机，从而为高频发射机提供驻波保护： 液态调配器为三支节并联阻抗匹配器； 探针用来测量传输线上电压，从而计算出天线的输入阻抗，进而算出各液念 调配器的匹配参数，用来进行天线阻抗的调配。 3天线 天线是离子回旋加热系统中与等离子体直接耦合的器件，可看做是终端短路 的t e m 传输线。目前的i c r h 系统上有两种天线，一种为高场侧i c r h 天线，另 一种为低场侧离子波恩斯坦波( i o nb e m s t e i nw a v e ，r o w ) 天线。 在未来的h t 7 u ( e a s t ) 实验装置中，将采用4 - 6 个环天线，每个天线的 间的相位独立可调。并且，还可以一定范围内调节天线与等离子体柱之间的距离， 从而提高波与等离子体的耦合效率。在大型托卡马克j e t 上，天线与等离子体间 距离的反馈调节已获成功。 1 3i c r h 天线阻抗测量和调配 在h t - 7i c r h 射频传输系统中，高频发射机输出的阻抗和同轴传输线的特性 阻抗均为5 0q ，而天线的输入阻抗很小，在等离子体放电期间天线阻抗的实部只 有几欧姆，且随等离子体和放电参数的变化而变化，接着引起较大反射。为了实 现发射机和天线阻抗的匹配，必须准确测量天线阻抗，并在天线和发射机之间必 须接入相应的阻抗匹配装置( 阻抗匹配器) 。通过调1 了阻抗匹配器的特性阻抗， i c r h 天线阻抗测量j 调配 使其产生一个适当的反射波来抵消天线引起的反射波，从而达到传输系统的阻抗 匹配，使发射机的功率更加有效地耦合到等离子体中。 i c r h 天线阻抗测量和调配系统示意图如图1 2 所示。 l 发射机 一 液态调配器 珠针 天线 广一 州车嘲线1 定向耦合器 ， 探针屯压采集l - v 计 天线阻抗计算b 算 机 调配器 1 参数计算己l 控制系统r 图1 2i c r h 天线阻抗测量和调配系统示意图 我们采用电压探针法进行天线阻抗测量，阻抗匹配装置为三支节液态调配器 ( 详见第二章天线阻抗测量和调配原理) 。根据传输线理论，由测量得到的传输线 上不同点的探针电压，和已知的探针耦合系数( 详见第二章探针电压标定) 可以 得出探针处传输线上实际电压，经过传输线电压方程可以计算出天线阻抗，由天 线阻抗可进一步计算出调配器的匹配参数( 支节液面高度) ，通过调配器控制系统 调节各支节液面上升或下降到相应高度，就可以达到传输系统阻抗匹配的目的。 第一二章天线阻抗测量1 j 调配原理 第二章天线阻抗测量与调配原理 2 1 天线阻抗测量原理 2 1 1 引言 在托卡马克离子回旋共振加热( i c r h ) 系统中。天线阻抗的测量方法主要有： 复反射系数测量、网络插入法测量和电压探针测量。其中复反射系数测量，由于 相位测量需要额外线路，而且线路工作在比较高的频率上，因而在线路的设计和 调试上需要花费比较长的时间；网络插入法的计算又比较复杂：而探针电压法不 需要增加任何外部线路，只是在传输线内部完成了两路信号的叠加，这样就减小 了由于增加外电路给高频信号带来的某些影响所导致的误差，因此我们采用电压 探针法来设计i c r h 天线阻抗测量系统。 2 1 。2 探针电压法测量天线阻抗 在h t - 7 装置i c r h 系统中，有两路天线，一路为高场侧i c r h 天线，另一路为 低场侧离子波恩斯坦波( i b w ) 天线。在靠近i c r h 天线侧装有9 根电压探针，在 靠近i b w 天线侧装有6 根电压探针。实际上，只要采集任何三个探针上的电压， 就可根据传输线理论计算得出天线阻抗，安装6 根探针是为了增加冗余度和精确 度，各个探针分布如图2 ，l 所示。 发射机 探针 一一 同轴传输线 一一 液态调配器三支节辅助调配支节 图2 1i c r h 传输线探针分布图 天线 根据微波传输线理论，若已知传输线终端负载处的电压，( d ) 和电流，。，则 可得到传输线上距离负载d 处的电压v ( d ) 和电流l ( d ) 为： i c r h 天线阻抗测量与调配 ，( d ) ：匕! ! 互p 一匕二生互e 一 ( 2 1 ) 、7 2 z 一 2 z ， 上式中，d 为测量点到终端的距离，圪和五为终端电压和终端电流，z 为传 输线的特性阻抗，y 为传播常数 i c r h 系统中所用的传输线为传播t e m 波的同轴线，在无耗线的情况下， y ：卢，：型为相位常数，代入上式中，可得 y ( d ) = ( p 删+ g 一) + - i , z 2c - ( p 删一p 一删) ( 2 2 ) 根据欧拉公式化简得： 矿( d ) ：圪( c 。s 膨+ 事s i n 彤) ( 2 3 ) 厶r 式中，z 为终端阻抗，在这里，即为天线输入阻抗。令斧尼+ 批尼为阻抗实部， z 为阻抗虚部。 假设三个电压探针到天线的距离分别为，厶厶，探针上的采集电压为 “( - 。) ，k ( 厶) ，k ( 厶) ，贝0 有： v , q ) 宰k 。= ( c 。s 。+ 事s i n ) ( 2 4 a ) ( ，：) 。k ：= 圪( c 。s ：+ 事s i n ：) ( 2 4 b ) 圪( ，) 木恐= 圪( c 。s ：+ 事s i n ，) ( 2 4 c ) 在上述方程组中，盘，血，允分别为三探针的定标系数，可通过探针电压标 定计算得出。圪和磊未知数，而磊实际上包含尼，五两个未知数，三个方程，三 个未知数，联立解此方程组，就可求得天线阻抗的实部与虚部值，从而得到天线 阻抗。具体计算程序参见附录1 。 第二章天线阻抗测量与调配原理 2 2 天线阻抗调配原理 2 2 1 引言 在i c r h 系统中，由于天线输入阻抗和发射机输出阻抗以及传输线特性阻抗的 不匹配，必然会引起入射波的反射，为了使发射机的输出功率有效地馈入天线， 必须在天线与发射机之间加入阻抗匹配装置，其重要性主要表现为： 阻抗匹配时天线负载吸收的功率最大，且馈线中的功率损耗最小； 阻抗匹配与否直截影响天线和等离子体的耦合效率； 阻抗失配时传输大功率易导致击穿： 系统阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引作用，使信号源工作不稳 定，严重失配时，强烈的反射信号甚至会击穿电子管，使系统不能正常工作。 2 2 2 天线阻抗匹配方法 天线阻抗匹配方法是在天线与传输线之间接入一个匹配装置( 如图2 2 ) ，使其 输入阻抗等于传输线的特性阻抗。对阻抗匹配装置的基本要求是简单易行、插入 损耗小、频带宽、可调节以匹配天线阻抗变化。 _oo e g 匹配 c 一 1z g ；z 。 z o 装置 ， 2 2 天线阻抗匹配装置不惫图 实用的天线阻抗匹配方法有以下几种： l 集总元件l 节匹配网络 在1 h g h z 以下，可采用两个电抗元件组成的l 节网络使天线阻抗与传输线阻抗 匹配。 2入4 变换器 入4 变换器是实现实负载阻抗与传输线匹配的简单而实用的电路。若负载阻 抗为复阻抗，仍需采用入4 变换器来匹配，则可在负载与变换器之间加一段移相 i c r h 天线阻抗测量与调配 线段，或在负载处并联或串联适当的电抗短截线( 终端开路或短路传输线) 来变成 实阻抗。不过，这样做的结果将改变等效负载的频率特性，减小匹配的带宽。 3 渐变线( t a p e r e dl i n e ) 在用入4 变换器匹配时，若阻抗变换比很大或要求宽频带工作时，可采用多 节入4 变换器。当节数增加时，两节之间的特性阻抗阶梯变化就变得很小。在节 数无限大的极限下就变成了连续的渐变线。这种渐变线匹配节的长度l 只要远大 于工作波长，其输入驻波比就可以做到很小，而且频率越高，这个条件满足得越 好。 4 支节调配器( s t u bt u n e r ) 支节调配器( s t u bt u n e r ) 是在距离天线的某固定位置上并联终端短路或开路 的传输线段( 称之为支节) ，以产生驻波来抵消天线产生的驻波，从而达到天线 阻抗匹配的目的。支节调配器又分为单支节调配器，双支节调配器和多支节调配 器( 三支节或四支节) 。 单支节调配器( s i n g l e s t u bt u n e r ) 是在距离负载d 处并联长度为l 的终端 短路或开路的支节而构成的。它是利用调节支节的位置d 和支节长度l 来实现匹 配的。单支节调配器可用于匹配任意的负载阻抗，但它要求支节的位置d 可调， 这对同轴线、波导结构有困难。解决的办法是采用双支节调配器。 双支节调配器( d o u b l e s t u bt u n e r ) 是在距离负载的两固定位置并联接入终 端短路或开路的支节构成的。双支节调配器存在得不到匹配的禁区( f o r b i d d e n z o n e ) ，可采用三支节或四支节调配器。 2 3 液态调配器及其匹配参数计算 2 3 1 液态调配器 在目前的h t 一7 装置i c r h 系统中，采用的是一种新型的阻抗匹配装置液 态调配器( 如图2 3 ) 。它是在同轴线的内外导体之间充入一些具有低介电常数 的液体( 硅油) ，充分利用电磁波在空气和硅油这两种不同媒质中传播速度的不同， 第一t k 缝阻抗蔫量与渊配最目 来改变液态调配支节的特性阻抗，使得传输线和天线的阻抗达到匹配。图23 液 态调配器单支节示意图，实际为三支节液态调配器。在具体进行阻抗调配时只 需改变液态调配器三支节中的硅油液面高度找到天线在不同频率下的匹配点即 可。 圈2 3 液调配器单支节示意图 液态调配器的使用很好的避免了高频率、高功率下机械操作的危险性使线 的阻抗调配更加快速、精确理论上能适应等离子伴参数的快速变化，随著未来 h t - 7 u 等离子体放电时间的增加可以达到天线阻抗的实时调配。 2 3 2 液态调配器匹配参数计算 液态调配器匹配参数计算的原理图如图24 所示。其中d d d ，d 为液奄 调配器三支节及辅助调配支节和天问的相互距离：h ，h hh 为调配器三支节 液面高度和辅助调配支节长度：慨j b t , m 。西调配器三支节和辅助调配之节的 归一化输入导纳值，液态调配器支节液面匹配高度计算过程如下。 液态调配器三支节辅助调配支节 图2 s 液态调配器匹配参数计算示意冒 - 9 - i c r h 天线阻抗测量与调配 假设天线归一化阻抗为瓦= 如+ 以，其中如= ，l = 磋 ( z c = 5 0 q ) ，瓦2 夕象为天线的归一化导纳，设瓦亍+ 匕，则有， = r m ( r m 2 + y m 2 ) ，比= 一义0 ( 尺。2 + 爿二2 ) ( 2 5 ) 令聊l = t g ( f l d i ) ，聊2 = t g ( p 4 ) ，m 3 = t g ( f l d 3 ) ，m 4 = t g ( f l d , ) 根据传输线理论，从a 点右边向天线看去的归一化输入导纳为： 匕：迎：量丛型型 ( 2 5 ) “1 + j y l m 31 一，卯4 匕+ ，刀4 经过辅助调配支节导纳6 4 后，a 点左边的归一化输入导纳为： 驴钆= 业喘等蔫警捌 汜6 ， 令彳= l 一朋4 匕，b = 肌4 坛，c = ( 1 - m , b 4 ) y x ，d = m 4 + 乓+ ( 1 一脚4 y x ) b 4 经过传输线段d 。变换后，b 点右边的归一化输入导纳为： k = 塑：c - m 3 b + j ( d + m 3 a ) ( 2 7 ) 。 1 + j m 3 匕 a 一，卯3 d + j ( b + m 3 c ) 。 经过支节导纳6 3 后，b 点左边的归一化输入导纳为： 驴6 3 = 堕业粤a 等m 嚣1 3 杀m 攀8 ， 一，u + ，i+ ，乙) 令e = a - m 3 d ，f = b + m 3 c ，g = ( c m 3 b ) 一( b + 朋3 c ) 6 3 。 日= ( d m 3 a ) + ( a m 3 d ) b 3 经过传输线段d ：变换后，c 点右边的归一化输入导纳为： i ：塑：g - m 2 f + j ( h + m 2 e ) ( 2 9 ) 1 + 加2 艺 e 一聊2 h + ( f + 研2 g ) 一 经过支节导纳歹6 2 后，c 点左边的归一化输入导纳 匕：t + j b 2 ：坠兰坠堡竺业也型竺嫂塑型( 2 i 0 ) 。 e m 2 h + j ( f + m 2 g ) 令k = e m ，l = f + m ，g ，m = ( g m ，f ) 一( f + m ，g ) b ， 1 0 第二章天线阻抗测量与调配原理 n = ( 日+ m 2 e ) + ( e m 2 h ) b 2 经过传输线段d 变换后，d 点右边的归一化输入导纳为： 匕：塑：m - m l l + j ( n + m , m )( 2 。 1 + j m l 匕。m 一7 n + j ( l + ，”l m ) 经过支节导纳拍后，d 点左边的归一化输入导纳 匕=匕+6l=量生!二!鱼兰立二兰三兰会妻姜喜乡丰兰笔j毛i艺等上幽c 2 2 ， 当传输系统达到匹配时，从d 点左边向天线负载看过去有： 巧。= 1 ( 2 13 ) 即： ( 肘一m 1 ) 一( l m l m ) b i = k m i n ( n m 1 k ) + ( k m 1 n ) b l = l + m l m 将m ，n ，k ，l 代入上式，可得： ( 2 1 4 a ) ( 2 1 4 b ) ( 1 - 朋l6 1 ) ( g 一聊2 f ) 一( 砚+ 岛+ 6 2 + m 16 1b 2 ) ( f + m 2 g ) = ( 1 - m l b 2 ) ( e m 2 ) 一铂( h + 研2 e ) ( 2 1 5 a ) ( 1 一肌l b i ) ( + m 2 e ) + ( 朋l + 6 i + 6 2 + 肌l b ib 2 ) ( e m 2 ) = ( 1 一m i b 2 ) ( f + m 2 g ) + 忉i ( g + 朋2 f ) ( 2 1 5 b ) 令q = l 一，啊岛，p 2 = ，码+ 岛+ 6 2 一所i b i6 2 ，e 3 = 1 一m i 如，e 4 = 码 将e ，f ，gh 代入上式，可得： 飞慢x ( 一呢固一( 岛慢+ q 岛+ 乞一乞，必x 肌吧c ) = 鸱一弓，鹕慢一白岛) 一，码功坞慢+ ) 防，删 ( 2 1 6 a ) 心一岛慢：) 防哪+ q 锡+ q 鸟+ 呸一嘲) 0 一伤四= 鸭一皇 ，鸠一白仍畅岛) ( b 卜哟+ 心慢+ 白x ( 一他国 ( 2 1 6 b ) 令g l = c m 3 b ，9 2 = b + m 3 c ，9 3 = a 一，他d ，9 4 = d + m 3 a 将e i ，e 2 ，e 3 ，e 4 以及a ，b ，c ，d 代入上式，可得下述方程组： a j b i + 口2 b 2 + a 3 b 3 + a 4 b 1 6 2 + 口5 6 2 6 3 + a 6 b 1 5 3 + a t b i b 2 6 3 + q s = 0( 2 1 7 a ) 1 1 i c r h 天线阻抗测量与调配 q b i + c 2 6 2 + c 3 6 3 + c 4 b i b 2 + c 5 6 2 6 3 + 气6 l6 3 + c t b i b 2 b 3 + c 8 = 0 ( 2 1 7 b ) 冥中： 口l = ( m l + m 2 ) g l + ( 1 一i l l l i l l 2 ) 9 2 q = ( 卜i l l i i l l 2 ) 9 3 - ( m l + m 2 ) 9 4 呸2m z g l + g z - m i ( g a - m 2 9 4 ) 巳= ( 1 一i l l l m 2 ) 9 2 一( m i + m 2 ) 9 3 口4 = 一m l ( m 2 9 l + 9 2 ) 岛5 一m 2 ( 9 2 - m 1 9 3 ) a 6 = 一( m l + m 2 ) 9 2 口1 。m l m 2 9 2 吼= - ( i m i m 2 ) ( g l - 9 3 ) + ( m l + m 2 ) ( 9 2 一9 4 ) ( 2 1 8 a ) g i = 卜m 4 ( m 3 + b 4 ) y r 9 2 = m 3 + m 4 + m 3 m 4 b 4 ) y r 9 3 = 卜m 3 ( m d + b 4 ) m 3 + m 4 - m 3 m 4 b 4 y x c 2 = m i ( m 2 9 l + 9 2 ) + ( 9 3 - m2 9 1 ) 乞= ( m i + m 2 ) g z + ( 卜i l l i m 2 ) 9 3 0 4 = 一m l ( 9 3 - m 2 9 4 ) 岛= 一m 2 ( m 1 9 2 + 9 3 ) 口6 = 一( m i + m 2 ) 9 3 0 72m l m 2 9 3 口8 = - ( m l + m 2 ) ( g l - 9 3 ) 一( 1 一m l m 2 ) ( g z - g d ) ( 2 18 b ) 9 4 = m 3 + m 4 + b 4 ) + ( 1 一m 3 m 4 - m 4 b 4 ) y x( 2 1 8 c ) 联立方程( 2 1 9 a ) 与( 2 1 9 b ) ，两个方程，三个未知数b “6 z 尻。因此，知 道其中任何一个支节归一化导纳就可计算出其余两个支节的归一化导纳值。 在实际进行阻抗调配时，可以先固定任意一根支节中的硅油液面高度，通过 调整另外两个支节硅油液面高度达到天线阻抗与传输线阻抗匹配。假设先固定第 二支节硅油液面高度为h 。，其支节高度为h ，则该支节可以看成由下面硅( s i ) 油 段h 。和上面真空段h - h ：组成的终端短路线。根据终端短路线输入阻抗公式及传输 线阻抗变换公式，可以求出第二支节的归一化输入导纳为： ，b ：一互垒! 堡! 垒垒! ：堡 垒! 垒二垒1 3(22 1 9 ) 一 。【z 。t g ( p 红) + z g p ( h 一缟) 】 第二章天线阻抗测量与调配原理 其中，乙为支节同轴线特性阻抗( 5 0 欧姆) ，z c i 为硅油段支节传输线特性阻 抗，生7 = 冬= 万，q = 2 7 2 为硅油的介电常数，= 2 a f c 为真空段传输线的 一c i以1 传输常数，届= 2 万万c 为硅油段传输线的传输常数，厂为射频波频率，c 为光 速。 ( 2 2 0 ) 将6 2 代入方程组( 2 1 7 ) 中，可以解得6 l ，6 3 ，进而通过( 2 2 0 ) 式即可求出第 一支节和第三支节中的硅油液面匹配高度。 同理，也可以首先固定第一支节( 第三支节) 中的硅油液面高度，通过上面 的步骤求出另外两个支节中的硅油液面匹配高度。具体计算程序参见附录2 。 i c r m 天线阻抗测量与调配 第三章i c r h 天线阻抗测量系统 3 1 虚拟仪器简介 3 1 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成、其功能由用 户定义，具有可视化界面的一种计算机测试仪器系统。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其实质是通过软件将计算机硬件资源与 模块化功能硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理、显示功能和 模块化功能硬件的测量、控制功能结合在一起，使计算机成为一个具有各种测试 功能的自动化测试仪器系统，并通过软件生成的各种可视化仪器面板实现对数据 的采集、分析、存储以及显示等功能。 虚拟仪器和传统独立仪器的区别如表3 1 所示： 表3 ，1 虚拟仪器和传统仪器的区别 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较筹 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络卜 关键是硬件，升级成本较高。且升级必须上 载升级程序既可。 f j 服务。 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一股无法相互利用 用户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 - - 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 3 1 2 虚拟仪器特点 l 利用标准的商业化技术 计算机技术、总线技术和网络技术的突飞猛进必然带来虚拟仪器性能的改进 和大批量市场运作成本的降低，确保以更低的价格给用户提供更出色的性能。 2 功能强大的软件工具 软件工具一般由设备驱动程序、应用开发环境( 如l a b v i e w 、l a b w i 九d o w s c v i 第三章i c r h 天线阻抗测量系统 和m e a s u r e m e n ts t u d i o ) 以及高阶测试和数据处理工具三部分组成。使用者利用 这种集成式的软件结构，就可以自由的定义和生成功能强大的测试和控制系统。 3 模块化硬件 在虚拟仪器中，信号由模块化硬件进行数字化，再用软件对数字化信号进行 处理，模块化仪器和软件组合在一起，可以完成数据的采集、分析、存储和显示、 报告等。 3 1 3 虚拟仪器结构 目前的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、数据采集产品、信号调理产品、 g p i b 产品、p x i 和v x i 仪器控制产品为构造自己的专用仪器系统提供了完善的 解决方案。在这些模块化功能硬件的支持下，使用虚拟仪器软件开发平台将这些 硬件和相应的软件组织起来形成一个多功能测试化系统，系统组成如图3 1 所示： 一信号调理 _ 一数据采集卡卜_ 一g p z b 接口仪器hg r - b 接口卡卜 测 传p c 机 试 感串口仪器p l c虚拟仪器软件t 对 器作平台 象 p x i v x i 仪器 现场总线设备 图3 1 虚拟仪器系统组成图 l虚拟仪器硬件 计算机：一般为一台p c 机或工作站，是硬件平台的核心。 i o 接口设备：主要完成被测信号的采集、调理和控制输出。 2 虚拟仪器软件 虚拟仪器的关键技术之一是应用软件，仪器的主要功能多是通过软件来实现 的，所谓软件即仪器，仪器即软件”。目前虚拟仪器的软件开发工具有如下两 类： 文本式编程语言：如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等： i c r h 天线阻抗测量与调配 图形化编程语言：如美国国家仪器公司n a t i o n a li n s t r u m e n t s 的l a b v i e w 、 h p 公司的h p v e e 等。 3 2l a b v l e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室 虚拟仪器工程平台) 是美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 公司 推出的图形化虚拟仪器开发平台，它能够以其直观简便的图形化编程方式、众多 的源码级设备驱动程序、丰富实用的数据采集、信号分析与处理、数据存储和显 示、仪器控制功能函数库，使用户能快速地构建自己的测控系统。l a b v i e w 软件 的主要特点如下： 支持多种操作系统，如m a c i n t o s h 、h p u x 、s u ns p r a c 、w i n d o w s 9 5 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sn t 等 提供了简单、直观的图形化编程方式，把复杂、繁琐的文本语言编程简化为 工程师最熟悉的功能结构图的编程方式。 继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化、层次化设 计，增强了程序的可读性。 提供众多的源码级设备驱动程序，非常容易和多种数据采集硬件集成。 提供大量的库函数供用户直接调用。从基本的数学运算、数组运算、字符串 处理函数和文件i 0 函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，帮助 用户迅速组建自己的测试系统。 提供很多程序调试手段，如设置断点和探针、单步运行与高亮显示，错误的 自动检出和处理。尤其是高亮显示功能，使用动画的形式显示数据流的方向， 用户能够根据数据流向检查程序的流程，并随时察看每个节点的数值变化。 提供大量与其他应用程序的链接机制，如动态链接库d l l ( d y n a m i cl i n k l i b r a r y ) 、c 代码接口节点c i n ( c o d ei n t e r f a c en o d e ) 、动念数据交换d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 、n e t 、a c t i v e x 技术等。 提供了强大的网络通信功能，支持常用的网络协议，如d a t a s o c k e t 、t c p i p 、 u d p ，还可以在w e b 网上发布程序，进行远程测控。 第三章i c r h 天线阻抗测量系统 采用l a b v i e w 开发平台设计的基于p c 插卡型虚拟仪器测试系统结构如图3 2 所示： 电量传感器 设 虚拟仪器前面板 信 备 应用程序 号 数 驱 l 非电量传感器l - 调j 据 动 理 采 程 l a b v i e w 子莫板 电 集 序 路 卡 l a b v i e w 开发平台 其他传感器 计算机 图3 2 基于l a b v i e w 的虚拟仪器测试系统 3 3 探针电压采集系统 在i c r h 系统中，有两路天线，一路为高场侧的i c r h 天线，一路为低场侧 的i b w 天线，在每路天线附近传输线上都有探针分布。图3 3 为探针电压采集系 统结构图。 图3 3 探针电压采集系统结构示意图 探针电压采集过程如下：当同轴传输线上加载射频波时，探针耦合器从传输 线高压射频信号中耦合出低压高频信号，经过射频衰减器后由检波器整流滤波为 直流电压信号，再经隔离放大器放大后由数据采集卡采集，同时计算机读取数据， 并进行相应的分析与处理。 1 c r h 天线阻抗测量与调配 3 3 1 硬件组成 从图3 3 可以看出，探针电压采集系统硬件主要由探针耦合器、同轴衰减器、 检波器、隔离放大器、数据采集卡和计算机组成。 1 探针耦合器 实际上就是一个伸入到同轴传输线里面，同内导体平行的一小段导体，和内 导体组成电容，如图3 4 所示。b 与a 平行，当传输线加波时，a 板通有高频高压 信号，根据电磁感应原理，b 上感应出电压信号，频率与a 相同，但电压幅值不 同，我们将两者之间的电压比值定义为探针的偶合系数，可见，探针的偶合系数 主要由两者之间的距离值决定，当将b 插入深一些，a , b 间的距离变近，则偶合 系数就变大，反之，b 插入浅一些，a , b 距离变远，则偶合系数就变小。当距离不 变时，我们认为系数不变。 探针 i 司泉h 传输线 图3 4 探针耦合器示意图 2 同轴衰减器 采用上海华湘通信设备有限公司的t s 5 型同轴固定衰减器，包括3 d b ，1 0 d b 两种不同衰减。该型号同轴固定衰减器频率范围为d c 一1 g h z ，平均功率为1 0w ， 峰值功率达1 k w 衰减精度为0 4 d b ，最大驻波比为1 1 0 。 3 检波器 常用的检波电路多采用二极管将高频信号整流，再经适当的r c 回路平滑后得 到相应的直流电压，如图3 5 所示。其中，v i 为输入信号，v 0 为输出信号，二 极管有一定的管压降，约为0 3 v 左右。所以当v i 小于这个值时，v 0 就无法得 n 有效信号。 图3 5 常用检波电路图 第三章i c r h 天线阻抗测量系统 根据系统要求，我们设计了一种由运算放大器t l 0 8 2 组成的高频有源检波电 路，如图3 6 所示。该有源检波电路主要由输入电路、常用检波电路和运算放大 器t l 0 8 2 等组成。该检波电路将输入信号的正负半周分别检波，再由运算放大器 将其所得的电压相加，最后变换成直流电压。 在仅用二极管检波时，由于导线等的分布电容作用，会影响时间常数，而该 检波器由于使用了运算放大器作缓冲，同时由于正负峰值电压分别检波，从而使 检波后得到的电压值更为准确。 该有源检波器的主要技术指标为： 频率范围：1 m h z 1 0 0 m h z ( 3 d b ) 输入电平：1 0 v 输入阻抗：