数值模拟三支节液态调配器的调配参数对其阻抗匹配效果的影响

数值模拟三支节液态调配器的调配参数对其阻抗匹配效果的影响
作者：胡凌志杜丹向东王亮龚学余
来源：《科技创新导报》 2014年第3期
胡凌志1 杜丹2 向东1 王亮4 龚学余1
(1.南华大学核科学技术学院衡阳 421001；2.南华大学数理学院衡阳 421001)
摘要：该文基于传输线原理数值模拟了离子回旋共振加热时三支节液态调配器的阻抗匹配
过程，得到系统射频源处反射系数模随液态调配器支节液面高度变化的关系。

模拟结果表明，
当其它实验参数一定时，通过调节液态调配器支节液面高度，能够有效降低反射系数的大小，
提高ICRH系统对等离子体的加热效率。

关键词：离子回旋共振加热三支节液调配器反射系数阻抗匹配
中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)01(c)-0069-02
离子回旋共振加热（ICRH）是核聚变实验装置上加热等离子体的一种重要辅助手段[1-2]。

在聚变实验中，ICRH天线系统阻抗失配时，它不能实现长时间连续波的运行、且系统的反射能
量增加，这极大地降低了ICRH天线系统对等离子体的加热效率，因此ICRH天线系统的阻抗匹
配是一个很重要的问题，为此人们在这方面进行了大量的研究[3-7]。

EAST装置是我国自行设
计研制的国际首个全超导托卡马克装置，目前EAST装置上安装的ICRH天线系统的阻抗匹配装
置是三支节液态调配器，它是在同轴线的内外导体间充入一些具有低介电常数的液体（硅油），利用电磁波在空气和硅油这两种不同媒介中传播速度的不同[8]，通过改变液态调配器各支节液面的高度来改变各支节的特性阻抗，使传输线和天线的负载阻抗达到匹配。

该文基于传输线原理研究了支节液面高度变化对ICRH天线系统阻抗匹配效果的影响，得到了系统射频源处反射系数模随液态调配器支节液面高度变化的关系，模拟结果表明，当其他实
验参数一定时，通过调节液态调配器支节液面高度，能够达到降低ICRH天线系统反射系数，提高系统对等离子体的加热效率的目的。

1 射频源处反射系数的计算
假定传输线是均匀无损耗的，图1为三支节液态调配器示意图。

、、分别为天线负与支节1、支节1与支节2、支节2与支节3之间的距离，三个支节的总长度相等为，、、分别为支节1、支节2和支节3的液面高度值。

液态调配器三个支节的归一化输入导纳值分别为：
其中，为传输线的特征阻抗，为硅油的特征阻抗，，为硅油的介电常数。

，分别为空气和
硅油中的波数，为射频波的频率，为光速。

为了有效降低天线系统的打火行为，假设天线放置在电压波节处，天线的负载阻抗为(其中，)[9]，则天线负载处的反射系数为：
由传输线理论，可知A点左侧的反射系数为：
其中，则从A点看向天线负载的输入导纳为：
经过第1支节匹配后，A点的输入导纳为：
给定三支节液态调配器第1支节的液面高度，可确定的值。

从B点看向天线负载的输入导纳为：
经过第2支节匹配后，B点的输入导纳为:
从C点看向天线负载的输入导纳为：
经过第3支节匹配后，C点的输入导纳为:
射频源处的反射系数为：
求解方程（1）—（10）可得射频源处的反射系数，再根据求得射频源处反射系数的模。

2 数值计算结果与分析
图2、图3及图4分别为反射系数模随液态调配器第2支节液面高度及第3支节液面高度
变化的情况。

计算参数为m，m，m，m，m，天线的发射频率为f=38.47MHz。

从图2可以看出，当其它参数一定时，随着，的变化，反射系数模的取值是不同的，，选
取一些特定值时，反射系数模变小，阻抗匹配效果变好，从图2可知，当m、m时，反射系数模最小，此时阻抗匹配效果最好，系统的反射能量减少。

从图3和图4可以看出，固定液态调配器任意两个支节的液面高度，通过调节另外一个支
节的液面高度，也可以得到一个使反射系数模最小的最优匹配点，即通过调节液态调配器任一
支节液面高度，能够有效减小功率反射系数大小，提高ICRH系统对等离子体的加热效率。

另外，对比图3和图4可以看出，支节3在0～6m变化时的反射系数模整体比支节2在0～6m变化时
的要低，即当其它参数一定时，固定和调节时系统的阻抗匹配效果要比固定和调节时的情况要好。

4 结语
该文基于传输线原理数值模拟了离子回旋共振加热时三支节液态调配器的阻抗匹配过程。

通过对数值模拟结果的分析，得出在其它实验参数不变的情况下，液态调配器支节液面的高度
对射频源处的反射系数影响较大，合理调节液态调配器支节液面高度，能够有效降低反射系数
的大小，提高ICRH系统对等离子体的加热效率。

参考文献
[1]王鹏,赵燕平.EAST离子回旋系统液态相移器的理论设计[J].原子能科学技
术,2005,39(1).
[2]潘亚平,赵燕平,秦成明.关于液调配器的阻抗匹配算法的研究[J].计算机应用与软
件,2005,22(4):93-95.
[3]王磊，赵燕平.基于EAST装置上液态调配器系统的研究[J].原子能科学技
术,2008,44(8).。