一种fft铁氧体调配支节装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种FFT铁氧体调配支节装置，包括压力容器组件，设置在所述压力容器组件一端的电路系统组件，靠近所述压力容器组件远离电路系统组件的一端、设置在所述压力容器组件内部的磁回路系统，以及设置在所述磁回路系统组件两端的导体组件；所述导体组件与电路系统连接。本实用新型所述FFT铁氧体调配支节装置，可以克服现有技术中结构复杂、操作不方便和使用效果差等缺陷，以实现结构简单、操作方便和使用效果好的优点。
【专利说明】—种FFT铁氧体调配支节装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及ICRF加热实验设备【技术领域】，具体地，涉及一种FFT铁氧体调配支节装置。
【背景技术】
[0002]EAST新型离子回旋加热(ICRF)是托卡马克实验装置中辅助加热的主要手段之一。ICRF系统包括三个主要部分:RF发射机、传输线网络和天线。实际中天线的输入阻抗和发射机的输出阻抗并不匹配，特别是当天线的阻抗由于等离子体变化而随之变化时匹配问题将变得更为复杂。在tokamak加热实验中，为了获得有效的功率传输，匹配网络的任务就是调制天线的输入阻抗与发射机的输出阻抗使其达到一致，从而得到最大的天线辐射功率加热等离子体。传统上，在射频范围内的匹配，可以由可变的短路支节、移相器、以及可变或者固定的真空电容器组成的匹配系统来完成。
[0003]传统的阻抗匹配系统，它在每次放炮之前，根据下一炮的等离子体参数以及以前测量的天线负载阻抗可能变化的范围计算调配器的工作状态，从而实现匹配。但由于调配速度的限制，这种匹配系统无法实现在放炮期间的实时匹配，特别是在L-H mode，以及ELMS的情况下，失配的情况将越发的明显。传统的阻抗匹配系统已经不能满足ICRF加热实验的需要。
[0004]在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、操作不方便和使用效果差等缺陷。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种FFT铁氧体调配支节装置，以实现结构简单、操作方便和使用效果好的优点。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种FFT铁氧体调配支节装置，包括压力容器组件，设置在所述压力容器组件一端的电路系统组件，靠近所述压力容器组件远离电路系统组件的一端、设置在所述压力容器组件内部的磁回路系统，以及设置在所述磁回路系统组件两端的导体组件；所述导体组件与电路系统连接。
[0007]进一步地，位于所述导体组件的下方，在所述磁回路系统靠近电路系统组件的一端，设有冷却系统组件。
[0008]进一步地，所述磁回路系统组件，包括依次配合设置的第一磁回路组件和第二磁回路组件。
[0009]进一步地，所述第一磁回路组件的结构和第二磁回路组件的结构相同。
[0010]进一步地，所述导体组件，包括设置在所述磁回路系统靠近电路系统组件一端的外导体组件，以及设置在所述磁回路系统远离电路系统组件一端的内导体组件。
[0011]进一步地，所述外导体组件和内导体组件的结构相同外导体组件和内导体组件的结构不同。[0012]进一步地，所述压力容器组件，包括圆柱形压力容器。
[0013]本实用新型各实施例的FFT铁氧体调配支节装置，由于包括压力容器组件，设置在压力容器组件一端的电路系统组件，靠近压力容器组件远离电路系统组件的一端、设置在压力容器组件内部的磁回路系统，以及设置在磁回路系统组件两端的导体组件；所述导体组件与电路系统连接；可以实现铁氧体快速匹配；从而可以克服现有技术中结构复杂、操作不方便和使用效果差的缺陷，以实现结构简单、操作方便和使用效果好的优点。
[0014]本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
[0015]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
[0017]图1为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置适用的同轴线双支节匹配器的结构示意图；
[0018]图2为图1中铁氧体支节截面图；
[0019]图3为图1的模型立体图；
[0020]图4为图3的截面图；
[0021]图5为图1中终端短路带状线的等效射频电路；
[0022]图6为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置的差分相移随频率变化仿真图；
[0023]图7本实用新型FFT铁氧体调配支节装置的相位长度曲线图；
[0024]图8本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中最大电场强度E随外导体内半径b的变化图；
[0025]图9为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置的带状线电场立体图；
[0026]图10为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中渗入铁氧体材料内的磁场分布；
[0027]图11为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置不同工作频率下磁场线圈的自感曲线图；
[0028]图12为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置插入损耗随频率变化的仿真图；
[0029]图13为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中磁路设计的流程图；
[0030]图14为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中磁路设计的电路图；(a)为实物模型图；(b)为等效电路图；(c)等效电路简化图；
[0031]图15为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置的平面结构示意图；(a)为仰视结构示意图；(b)为主视结构的局部剖视图；(c)为左视结构示意图；
[0032]图16为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中压力容器的结构示意图；
[0033]图17为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中冷却系统组件的结构示意图；
[0034]图18为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中磁回路组件的结构示意图；
[0035]图19为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中内导体组件的结构示意图；
[0036]图20为本实用新型FFT铁氧体调配支节装置中外导体组件的结构示意图。
[0037]结合附图2，本实用新型实施例中附图标记如下:[0038]1-外导体组件；2-内导体组件；3_铁氧体；4_钕铁硼材料层；5_硅钢片；6_线圈。
[0039]结合附图16，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0040]1-压力容器组件；2_第一磁回路组件；3_第二磁回路组件；4_冷却系统组件；5-电路系统组件；6_内导体组件；7_外导体组件。
[0041]结合附图16，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0042]1-9英寸接口 ；2_壳体；3-充气接口 ；4_进水阀；5_出水阀；6_支脚。
[0043]结合附图17，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0044]1-外导体上冷板；2_内导体冷板；3_外导体下冷板；4_水箱；5_紫铜管；6_进水阀出水阀。
[0045]结合附图18，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0046]1-拖板；2_钕铁硼材料层；3_线圈；4-硅钢片。
[0047]结合附图19，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0048]1-连接套(数量I) ;2-辐条(数量5) ;3_固定板(数量I) ;4_紫铜管(数量5)。
[0049]结合附图20，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0050]1-紧固面板(数量I) ；2-盖板(数量2) ；3-紫铜管(数量10) ；4~侧板(数量2)。
【具体实施方式】
[0051]以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0052]在射频以及微波传播中，通常会由于不同工作状态下负载的变化而使得反射功率增大，降低线路的传输效率。因此，必须对传输线路进行调节，以保证传输线的传输效率，使器件处于最佳工作状态。
[0053]传输线理论中，要求负载与传输线相匹配以保证从发射源传输到负载的功率尽可能的多，而传输线本身的损耗尽可能的少。传输线的阻抗匹配主要包括两个方面:一是传输线与负载的阻抗匹配，以消除负载的功率反射，使传输线工作于行波状态；二是传输线与波源的阻抗匹配，目的是从微波源获得最大输出功率。通常情况下，发射机的阻抗匹配部分己经做在发射机内部，保证其输出阻抗等于传输线的特性阻抗。
[0054]阻抗匹配通常有三种，即负载阻抗匹配、波源阻抗匹配以及共轭阻抗匹配。负载阻抗匹配条件下，负载将吸收全部入射功率，保证传输线的效率最高；共轭阻抗匹配条件下，传输线任一截面上，输入阻抗Zi与信号源内阻ZO互为共轭值，此时信号源输出功率最大。工程应用中，三种匹配一般不能同时实现，最重要的阻抗匹配是负载阻抗匹配，以使得传输线能够工作于行波状态。为了能够使负载够吸收最大功率，因而当传输线与负载不匹配时，则需要接入阻抗匹配器，必须对其进行阻抗匹配。
[0055]传输线中，其特性阻抗其中:L1为单位长度传输线的电感；Cl为单
位长度传输线的电容。因此，在无耗或微波传输情况下，仅取决于传输线的分布参数LI和Cl，与工作频率无关，也与传输线的位置无关。因此，我们可以通过适当的方法负载阻抗与传输线特性阻抗ZO的匹配。[0056]为了克服原有匹配系统的局限性，需要计划设计和建设铁氧体快速匹配系统；根据本实用新型实施例，如图1-图20所示，提供了一种FFT铁氧体调配支节装置(1.5MW)。
[0057]参见图15，本实施例的FFT铁氧体调配支节装置，包括压力容器组件(如图15中的压力容器组件I)，设置在压力容器组件一端的电路系统组件(如图15中的电路系统组件5)，靠近压力容器组件远离电路系统组件的一端、设置在压力容器组件内部的磁回路系统(如图15中的第一磁回路组件2和第二磁回路组件3)，以及设置在磁回路系统两端的导体组件(如图15中的内导体组件6和外导体组件7);导体组件与电路系统组件连接。位于导体组件的下方，在磁回路系统靠近电路系统组件的一端，设有冷却系统组件(如图15中的冷却系统组件4)。压力容器组件，包括圆柱形压力容器。
[0058]这里，压力容器组件工作原理:参见图16，把压力容器组件的9英寸接口(如图16中的9英寸接口 I)安装到系统，通过充气接口(如图16中的充气接口 3)充入0.6MPa六氟化硫气体用于灭弧；通过进水阀(如图16中的进水阀4)进入0.5MPa压力水用于冷却内导体和外导体，并通过出水阀(如图16中的出水阀5)将热量排出。在图16中，压力容器组件还包括壳体(如图16中的壳体2)和支脚(如图16中的支脚6)，壳体安装在支脚上，9英寸接口设在壳体的一端，充气接口、进水阀和出水阀均设在壳体的另一端。
[0059]冷却系统组件工作原理:参见图17，各热耗大的单元都以冷板为基础，冷板分为内导体冷板(如图17中的内导体冷板2)和外导体上下冷板(如图17中的外导体上冷板I和外导体下冷板3)，冷却水通过进水阀(如图17中的进水阀6)后进入分层水箱(如图17中的水箱4)，经过紫铜管(如图17中的紫铜管5)路然后进入内外导体冷板进行热交换，最后通过出水阀完成热量输出，如图17所示。
[0060]其中，上述磁回路系统组件，包括依次配合设置的第一磁回路组件(如第一磁回路组件2)和第二磁回路组件(如第二磁回路组件3)。第一磁回路组件的结构和第二磁回路组件的结构相同。
[0061]这里，磁回路组件工作原理(第一磁回路组件和第二磁回路组件同):磁铁(钕铁硼)产生的磁场通过硅钢片形成磁回路，线圈在电流作用下产生偏置磁场，磁场改变磁导率，从而改变了电长度。参见图18，磁回路组件包括硅钢片(如图18中的硅钢片4)，设置在硅钢片内部、且分层设置在上方的线圈(如图18中的线圈3)和钕铁硼材料层(如图18中的钕铁硼材料2)，以及设置在硅钢片内部、且分层设置在下方的拖板(如图18中的拖板I)。
[0062]上述导体组件，包括设置在磁回路系统靠近电路系统组件一端的外导体组件(如外导体组件7)，以及设置在磁回路系统远离电路系统组件一端的内导体组件(如内导体组件6) ο
[0063]这里，内导体组件和外导体组件工作原理:内导体和外导体之间形成带状线，信号波通过带状线传输。参见图19和图20，装配时，应在平台上装配，要求各部件横平竖直，不得有歪斜现象；整体镀银，镀银厚度为20微米。
[0064]参见图19，内导体组件包括水平并行设置的多根辐条(如图19中的辐条2)，分别设置在辐条两端的连接套(如图19中的连接套I)和固定板(如图19中的固定板3)，设在固定板远离辐条一端的多根紫铜管(如图19中的紫铜管4)。
[0065]参见图20，外导体组件包括水平并行设置的多个盖板(如图20中的盖板2)，分别设在盖板两端的紧固面板(如图20中的紧固面板I)和一对侧板(如图20中的侧板4)，以及位于一对侧板之间、且并行设置在盖板端部的多根紫铜管(如图20中的紫铜管3)。
[0066]在上述实施例的FFT铁氧体调配支节装置中，所适用的双支节匹配器(FFT铁氧体调配支节属于双支节匹配器一种)主要结构参见图1。其中，各节传输线均为50Ω传输线，其中取d2 = 3/8 λ，特性阻抗ZO ( 一般定义为50 Ω )，负载阻抗ZL为任意阻抗。通过smith圆图的作图可以知道，适当调节第一铁氧体匹配支节(即第一铁氧体匹配支节8)的长度11和第二铁氧体匹配支节(即第二铁氧体匹配支节9)的长度12，可以实现任意频率和任意阻抗与50 Ω特性阻抗的匹配，实现功率源的最大功率输出。
[0067]铁氧体磁导率μ受铁氧体材料的磁化强度(M)以及外加磁场强度(H)的影响。因此，通过选择适当的铁氧体材料加入到传输线中，并对其在传输线中的几何尺寸、分布位置以及外加磁场强度(H)进行适当的设计，则通过对外磁场强度(H)的调节可使匹配器获得所需的有效电长度(β?)。
[0068]参见图2，铁氧体支节包括水平设置的内导体组件(如图2中的内导体组件2)，设置在内导体组件外围的外导体组件(如图2中的外导体组件I)，水平并行设置在内导体组件与外导体组件之间的铁氧体(如图2中的铁氧体3)，水平并行设置在外导体组件上、下侧的钕铁硼材料层(如图2中的钕铁硼材料层4)，竖直对称设置在外导体组件和钕铁硼材料层端部的硅钢片(如图2中的硅钢片5)，对称设置在硅钢片上、下端的线圈(如图2中的线圈6) ο
[0069]上述实施例的FFT铁氧体调配支节装置，技术要求如下:①工作频率:25~70MHz ;②差分电长度:60cm ;③插入损耗:< I④响应时间S IOms ;⑤系统阻抗:50Ω ；⑥可承受峰值功率:1.5MW。 [0070]上述实施例的FFT铁氧体调配支节装置，实施方案和结果包括:
[0071]㈠射频方案
[0072]铁氧体支节主要包括磁轭、永磁体、偏置磁场线圈及部分填充铁氧体材料的带状线(参见图2)。通过改变偏置磁场的大小，使铁氧体材料的磁导率发生相应的改变，最终实现该FFT铁氧体调配支节装置装置的等效电长度的变化。
[0073]该射频方案，采用低阻抗的带状线传输，带状线的内外导体开4条缝隙，达到减少润流的效果，每条缝的宽度为5mm,内导体厚10mm、长1370mm,外导体长1430mm,内导体采用中空结构以方便水冷降温。铁氧体分为两段有效区域，中间间隔200_(参见图3和图4)。
[0074]分段方式就是直接分段，不加短路板。间隔长度由矩形同轴线(类似带状线，但两侧有金属边界)构成，该长度由两段有效长度的相移线段对应的线包之间所需要的间隔长度决定。变换段其前半段是矩圆变换，后面用指数函数的矩矩变换。由于尺寸限制，不可能用λ g/4的变换长度，所以只能用渐变线方式实现。
[0075]⑴差分电长度
[0076]①差分相移的影响因素:差分相移的影响因素主要包括磁导率、支节长度、频率。
[0077]a、磁导率的影响:
[0078]该FFT铁氧体调配支节装置，工作在高场区，在铁氧体样品内部的偏置磁场，铁氧体表面的边界条件通常不同于外加场。当外磁场与铁氧体材料平面垂直时，由于材料表面上磁感应强度B的连续性，铁氧体材料的磁导率μ可表示为偏置磁场H和饱和磁化强度Ms的函数
【权利要求】
1.一种FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，包括压力容器组件，设置在所述压力容器组件一端的电路系统组件，靠近所述压力容器组件远离电路系统组件的一端、设置在所述压力容器组件内部的磁回路系统，以及设置在所述磁回路系统组件两端的导体组件；所述导体组件与电路系统连接。
2.根据权利要求1所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，位于所述导体组件的下方，在所述磁回路系统靠近电路系统组件的一端，设有冷却系统组件。
3.根据权利要求1或2所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，所述磁回路系统组件，包括依次配合设置的第一磁回路组件和第二磁回路组件。
4.根据权利要求3所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，所述第一磁回路组件的结构和第二磁回路组件的结构相同。
5.根据权利要求1或2所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，所述导体组件，包括设置在所述磁回路系统靠近电路系统组件一端的外导体组件，以及设置在所述磁回路系统远离电路系统组件一端的内导体组件。
6.根据权利要求5所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，所述外导体组件和内导体组件的结构不同。
7.根据权利要求1或2所述的FFT铁氧体调配支节装置，其特征在于，所述压力容器组件，包括圆柱形压力容器。
【文档编号】B01L7/00GK203803526SQ201320779544
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年11月30日 优先权日:2013年11月30日
【发明者】禹胜林, 李广辉 申请人:无锡信大气象传感网科技有限公司