一种快速三销钉自动阻抗匹配系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911267864.9
(22)申请日 2019.12.11
(71)申请人 四川大学
地址 610064 四川省成都市一环路南一段
24号
(72)发明人 杨阳　朱铧丞　黄卡玛　
(74)专利代理机构 成都东恒知盛知识产权代理
事务所(特殊普通合伙)
51304
代理人 何健雄　廖祥文
(51)Int.Cl.
G06F 30/398(2020.01)
(54)发明名称
一种快速三销钉自动阻抗匹配系统
(57)摘要
本发明涉及三销钉自动阻抗匹配技术领域，
具体涉及一种快速三销钉自动阻抗匹配系统。

该
快速三销钉自动阻抗匹配系统包括以下步骤：
1)建立三销钉波导等效电路；2)建立电路参数关
系；3)匹配算法设计。

本发明直接建立了三销钉
波导的反射系数、负载阻抗、销钉深度和S参数之
间的数学关系，能够根据反射系数和销钉深度快
速求出散射参数和负载阻抗，进而实现快速的阻
抗匹配计算。

基于等效电路法和数值计算，该发
明能够极大地减少运算量，简化自动阻抗匹配的
设计过程，不需要数据库，并且能够广泛被用于
不同尺寸的销钉波导。

权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 111062184 A 2020.04.24
C N 111062184
A
1.一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立三销钉波导等效电路模型
2)建立电路参数关系；
3)匹配算法设计。

2.根据权利要求1所述的一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述步骤1)中的R为销钉的半径；l1、l2、l3、l4为销钉间的波导长度；L、W和H分别为波导的长宽高；
步骤1)包括以下几步：
a.将单个销钉等效为并联的电容；
其容抗和插入深度的关系为
C＝0.3272tan(0.0452h) (1)
其链散射参数为
其中C为电容值，Z0为传输线的特征阻抗，ω为频率
b.将其余波导等效为串联的传输线；
其链散射参数为
其中l为传输线长度，β是相位常数；
c.将一段串联的传输线和一个并联的电容级联构成一个基本单位；
其链散射矩阵为
其中C i为根据公式(1)求出的第i个电容的容值，l i为传输线长度；
d.再分别将三销钉的三个等效并联电容和波导的四段等效串联传输线级联，插入销钉等效为并联的电容，其余波导等效为传输线，从而建立由三个并联等效电容和四段串联等效传输线交替级联组成的等效电路模型；
其中，l1、l2、l3、l4分别为一般三销钉波导结构中对应的销钉间的波导长度；C为各个销钉的等效电容值。

其链散射参数为：
T＝[T1(C1，l1)][T2(C2，l2)][T3(C3，l3)][T trans(l4)] (5)
e.由链散射参数T转换为散射参数S
其中ΔT＝T11T22-T12T21。

3.根据权利要求1所述的一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，其特征在于，根据步骤1)的等效模型和散射矩阵，结合传输线理论，可得出负载阻抗为：
其中S11、S12、S21、S22分别为4个S参数，Γ为图1中反射系数测量器测量的反射系数；
不同销钉深度和负载的情况下系统的反射系数为：。

4.根据权利要求1所述的一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，其特征在于，匹配算法的流程为：
a.匹配状态判定
算法会计算当前的驻波系数VSWR是否小于等于1.2，若驻波系数小于等于1.2则电路匹配，无需调节；若驻波系数大于1.2，程序会进入阻抗匹配调节的过程，调节后再进行计算，驻波系数大于1.2则继续调节；
b.计算等效电容和负载阻抗
系统能够检测当前入射端的反射系数和当前的销钉深度，由此程序可通过公式(6)计算出当前波导的S参数，并通过公式(7)计算出当前的负载阻抗；
c.模拟不同销钉深度下的反射系数
在已知S参数和负载阻抗的情况下，程序会模拟不同销钉深度下入射端口的反射系数，最终选择反射系数最小的情况作为最终解；
d.调整销钉位置
程序会控制步进电机调整到计算出的位置，从而实现阻抗匹配。

一种快速三销钉自动阻抗匹配系统
技术领域
[0001]本发明涉及三销钉自动阻抗匹配技术领域，具体涉及一种快速三销钉自动阻抗匹配系统。

背景技术
[0002]在动辄千瓦量级的大功率微波工业应用中，阻抗匹配系统是必不可少的组成部分。

由于系统中的各个微波器件的特征阻抗不同，系统本身存在反射。

反射回来的能量会造成低传输效率以及元件的损坏。

为了消除反射、使负载从电源获得最大的功率，我们需要将等效的波导阻抗与负载阻抗互成共轭值。

销钉波导能够通过调节销钉深度的方式调整波导的散射参数，从而实现阻抗匹配。

阻抗匹配的效率和精度对整个系统的效率和稳定性至关重要。

但由于负载的特征阻抗会不断变化，实时，快速且稳定的自动阻抗匹配并不容易实现。

[0003]传统的自动阻抗匹配技术通常是利用有限元法仿真或是实验测量的方式建立销钉深度和销钉波导两端口散射参数之间关系的数据库，通过六端口器件或者双定向耦合器测出三销钉波导馈电端口截面的反射系数，再设计阻抗匹配算法根据反射系数算出端接加热腔体对应的终端负载，然后查找已建立的数据库得到满足要求驻波比的三销钉插入深度，最终用控制程序对PLC发出指令控制步进电机驱动销钉到指定位置，完成阻抗匹配。

[0004]传统的阻抗匹配系统在设计时需要重复地仿真或是测量波导的参数，尤其是在匹配效率和精度要求较高时需要用到大量的计算，设计过程效率低下，需建立的数据库庞大，而且只适用于相同尺寸的销钉波导，一旦波导尺寸发生改变，整个系统又需重新设计。

发明内容
[0005]为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种匹配算法，该算法放弃原有的基于仿真和测量建立数据库的方法，改用等效电路分析法，将三销钉波导的波导部分等效为级联的传输线，将销钉部分等效为电容，通过传输线理论建立销钉深度、负载阻抗和反射系数之间的关系，最终通过模拟不同负载和不同销钉深度下的反射系数，选取反射系数最小的深度组合作为最终解。

[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007]一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，包括以下步骤：
[0008]1)建立三销钉波导等效电路；
[0009]2)建立电路参数关系；
[0010]3)匹配算法设计。

[0011]优选的，步骤1)中的R为销钉的半径；l1、l2、l3、l4为销钉间的波导长度；L、W和H分别为波导的长宽高；
[0012]步骤1)包括以下几步：
[0013] a.将单个销钉等效为并联的电容，其结构为；
[0014]其容抗和插入深度的关系为
[0015]C＝0.3272tan(0.0452h) (1)
[0016]其链散射参数为
[0017]
[0018]其中C为电容值，Z0为传输线的特征阻抗，ω为频率
[0019] b.将其余波导等效为传输线，其结构为；
[0020]其链散射参数为
[0021]
[0022]其中l为传输线长度，β是相位常数；
[0023] c.将一段传输线和一个电容构成一个基本单位，其结构为；
[0024]其链散射矩阵为
[0025]
[0026]其中Ci为根据公式(1)求出的第i个电容的容值，li为传输线长度；
[0027] d.再分别将三销钉的三个等效并联电容和波导的四段等效串联传输线级联，插入销钉等效为并联的电容，其余波导等效为传输线，从而建立由三个并联等效电容和四段串联等效传输线交替级联组成的等效电路模型；
[0028]其中，l1、l2、l3、l4分别为一般三销钉波导结构中对应的销钉间的波导长度；C为各个销钉的等效电容值。

其链散射参数为：
[0029]T＝[T1(C1，l1)][T2(C2，l2)][T3(C3，l3)][T trans(l4)] (5)
[0030] e.由链散射参数T转换为散射参数S
[0031]
[0032]其中ΔT＝T11T22-T12T21。

[0033]优选的，根据步骤1)的等效模型和散射矩阵，结合传输线理论，可得出负载阻抗为：
[0034]
[0035]其中S11、S12、S21、S22分别为4个S参数，Γ为图1中反射系数测量器测量的反射系数；[0036]不同销钉深度和负载的情况下系统的反射系数为：
[0037]
[0038]优选的，匹配算法的流程为：
[0039] a.匹配状态判定
[0040]算法会计算当前的驻波系数VSWR是否小于等于1.2，若驻波系数小于等于1.2则电
路匹配，无需调节；若驻波系数大于1.2，程序会进入阻抗匹配调节的过程，调节后再进行计算，驻波系数大于1.2则继续调节；
[0041] b.计算等效电容和负载阻抗
[0042]系统能够检测当前入射端的反射系数和当前的销钉深度，由此程序可通过公式(6)计算出当前波导的S参数，并通过公式(7)计算出当前的负载阻抗；
[0043] c.模拟不同销钉深度下的反射系数
[0044]在已知S参数和负载阻抗的情况下，程序会模拟不同销钉深度下入射端口的反射系数，最终选择反射系数最小的情况作为最终解；
[0045] d.调整销钉位置
[0046]程序会控制步进电机调整到计算出的位置，从而实现阻抗匹配。

[0047]相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明采用了等效电路分析法，减少了有限元仿真的使用，可以由销钉的插入深度快速计算出波导的参数，因此设计过程简单，可避免复杂繁琐的仿真和测量，并且针对不同的波导尺寸只需修改等效电路参数，具有一定的普遍适用性。

附图说明
[0048]图1为快速三销钉自动阻抗匹配算法流程图
[0049]图2为验证实验模型图。

[0050]图3为不同尺寸的膜片。

[0051]图4为计算与测量参数S对比图。

左图表示S参数的幅度，右图表示S参数的相位，黑色实线代表程序计算值，黑色虚线代表测量值。

具体实施方式
[0052]下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
[0053]该阻抗匹配系统可以用于多种微波能量传输装置，只需要将该系统接在微波源与负载中间即可进行阻抗调配。

[0054]验证实验模型如图2所示。

[0055]我们用不同尺寸的膜片来模拟不同的负载阻抗，如图3所示。

每一个膜片的阻抗都不相同，因此不同的膜片表示不同的负载。

[0056] 1.S参数计算测试
[0057]将销钉2和销钉3分别设置在8mm和9mm。

[0058]将计算所得的S参数与测量所得的S参数进行对比，如图4所示，我们发现计算结果和测量结果具有高度的一致性。

[0059] 2.匹配效果测试
[0061]表1各匹配结果
[0062]从表1可以看出，调配后的反射系数相比调配前的反射系数均有很大程度的减少，并且都在-10dB以下，从而验证了该系统的有效性。

[0063]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

因此，本发明的
保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

图1
图2
图3
图4。