HT-7装置新低杂波相控波导阵天线及其微波特性测量

介绍了HT 7装置新低杂波天线的结构。根据天线波导的特殊结构,设计了一些必需的测量器件(过渡波导和测量多结波导阵的波导 同轴转换器),并提出了新天线的测量方案,给出了测量结果及其功率谱计算结果。

新型大功率水负载的微波和流体设计

为了测试从法国Thales公司购买的频率为3700MHz,以连续波模式运行的TH2103C型速调管,提出了一种新型大功率水负载来吸收其单路高达375kW的庞大功率,采用陶瓷片隔开去离子水,再由后者吸收微波功率,所设计的水负载在超过100MHz带宽内驻波比小于1.1;经流体分析、仿真及优化,在高平均功率注入的情况下,微波在水体中产生的热量能迅速地被水流带出高压水箱;陶瓷片所受水体的压力也在其机械强度允许范围之内,满足测试新型速调管的要求。

EAST装置ECRH系统天线参数的优化计算

利用TORAY程序对电子回旋波的传播轨迹、功率沉积和电流驱动等参数与波束发射位置、发射角度的相互关系进行了数值模拟计算,给出了天线的最佳发射位置和天线平面反射镜在极向和环向转动角度的调节范围,分析了不同入射角对微波功率沉积及驱动电流的影响。

EAST 2MW/2450MHz低杂波电流驱动系统综述

为了研究全超导托卡马克稳态高参数等离子体性能，2008年在EAST装置上研制并成功建成了一套最大能传输2兆瓦，工作频率是2450MHz的低混杂波电流驱动系统。该系统主要由20个速调管放大器、4套高压源、20路每路30-40米长的WR430标准矩形波导传输线和多结波导天线阵列组成。辐射波谱的控制是通过子波导内的固定移相器和微波前级的数字可调移相器两种移相手段来实现。在低杂波系统的辅助下成功实现了：驱动中心密度为1～2×10^13cm^-3下150-500kA的等离子体，全波驱动250kA电流达23s和低杂波辅助启动实验，所有的这些实验都证明了整个低杂波系统的稳定和可靠性。详细描述了整个系统的构成和初步的实验结果。

3.7GHz低杂波传输线系统新陶瓷窗设计

结合陶瓷窗设计相关理论,采用电磁场仿真软件(CST)和有限元分析软件(Ansys),仿真计算了低杂波传输线系统新陶瓷窗的电磁和热力学性能。设计的陶瓷窗采用BeO陶瓷作为介质窗体,在中心频率点附近300MHz以上的带宽内,其驻波比小于1.1,窗片中心的最大温升为11.7°C。

EAST低杂波系统天馈线保护设计与实现

介绍了EAST低杂波系统天馈线保护的设计及其实现。针对EAST装置低杂波系统微波陶瓷窗破裂的原因,在低杂波系统天馈线上设置了高反射保护和打火保护两种保护措施,其中打火保护可以在打火发生后20μs以内迅速切断微波输出。实验结果表明,两种保护并行工作,能有效地保护整个波系统。

HT-7装置微波系统的功率测量

阐述了在HT-7装置的强电磁干扰环境下微波系统功率测量的相关技术,分析了功率测量的方法及测量遇到的干扰问题,提出了干扰的解决方法,并介绍了功率测量系统的组成及各部分的原理、性能、相关电路。

EAST4．6GHz／4MW低杂波电流驱动系统隔直器优化设计

为了研究全超导托卡马克稳态高参数等离子体性能，2008年在EAST托卡马克装置上研制并成功建成了一套能最大传输2兆瓦，工作频率是2450MHz的低混杂波电流驱动系统，要实现低杂波长时间地维持等离子体电流，还需要对低杂波系统的输出功率大小及运行时间长度提出更高要求，拟研制一套波源输出功率4MW，中心频率4．6GHz，波谱范围为1.7〈N〈2．5，运行脉冲宽度0～1000秒低杂波电流驱动系统。在EAST4．6GHz／4MW低杂波电流驱动系统中，因为速调管放大器和低杂波天线有共同的接地点，速调管放大器电源为负高压，有接地点，低杂波天线有接地点，并且和EAST托卡马克相连，在系统中要求不能有两个接地点，所以要通过隔直器来隔断托卡马克和速调管之间的的直流通路。论文详细介绍了隔直器的原理和设计过程，在以4．6GHz为中心频率，150MHz的频带范围内，隔直器各个端口微波性能良好。

高功率微波系统及速调管测试

针对LHCD系统的微波器件测试,建立了一套高功率(100kW级、连续波)的微波测试系统。介绍了这一高功率微波系统的组成以及相关的测量手段。对俄罗斯生产的速调管进行了测试,给出了测试结果。

HT-7装置低杂波前级系统及微波输出控制

详细介绍了HT-7装置低杂波前级系统的组成、低杂波系统的采集和功率模式控制。实验中通过前级PIN开关控制不同的低杂波输出模式,满足了HT-7装置相应实验对低杂波的要求。

高功率微波陶瓷窗的结构优化

介绍了2.45GHz频率高功率微波陶瓷窗的结构及对结构的优化。结构优化包括对结构尺寸和水冷结构的水流率取值这两方面。当陶瓷片厚度为4.4mm、圆波导长度为52.3mm时,微波性能达到最优。当水冷结构的水流率为0.4t·h-1时,效果最理想,此时陶瓷片的最大应力值远远小于陶瓷片本身的抗拉强度。优化后的陶瓷窗经过多轮实验的考验,没有出现破裂等问题。

脊波导特征值的有限元分析

本文主要运用电磁场有限元方法来分析计算脊波导的特征值以及截止波长。编制了一个计算各种对称和不对称单脊、双脊波导和矩形波导特征值的通用程序,并提出了一种简单的强加边界条件方法。给出了双脊波导的计算的结果。

EAST 4.6 GHz多结波导阵天线电磁特性研究

多结波导阵天线是EAST超导托卡马克装置等离子体加热和电流驱动系统的关键部件,其结构性能直接关系到等离子体电流的加热效果和驱动效率。当等离子体电流破裂时,极短时间内的电流衰减将会在天线上引起感应电流,此电流与众多磁场作用产生电磁力和电磁扭矩,从而对天线结构造成损坏。该文研究了EAST装置等离子体电流破裂下4.6 GHz天线的电磁问题,采用有限元方法分析计算了天线的电磁力及力矩,并给出了不同电磁载荷条件下天线的电磁应力及形变。数值模拟的结果为低杂波天线的设计提供了重要指导。

低杂波多结波导阵天线耦合特性的数值分析

通过数值模拟研究了低杂波多结波导阵天线的耦合特性。采用线型耦合理论,用艾黎函数计算了等离子体阻抗,推导出常规波导阵对等离子体的散射矩阵,并利用它和天线自身的散射矩阵研究了HT-7装置低杂波多结波导阵天线的耦合特性;计算了其平均功率反射系数、方向性系数和功率谱与等离子体边缘密度和主波导相位差等参数的关系。结果表明,与常规波导阵相比,由于多结波导阵天线存在自匹配特性,其天线功率反射系数小,且对相位不敏感。但由于存在多余副瓣,驱动效率较低。

HT-7低杂波相控天线阵的耦合特性分析

HT-7 2.45 GHz低混杂波系统利用相控波导阵列将微波能量耦合到等离子体中。本工作基于二维线性耦合理论,主要利用Step＋Ramp的等离子体密度剖面模型,详细分析了HT-7装置上各种关键参数（如边缘密度、密度梯度、相邻主波导相位差等）下低杂波波导阵列天线的耦合特性。分析表明,通过调节主波导之间-90°～90°的相差,天线的n∥谱可在1.93～3.15之间灵活调节;当天线口边缘密度为0.5×10^18～2×10^18m^-3时,波导阵天线的反射系数可保持在5%以下,方向性系数很大;主波导之间相位差的改变对波导阵的驱动效率有很大影响。

EAST低杂波天线耦合特性研究

采用数值模拟方法研究了EAST低杂波天线的耦合特性。基于二维线性耦合理论,计算了天线功率反射系数和方向性系数与等离子体参数的关系,分析了无源波导对天线耦合性能的影响,并给出了不同参数下天线的功率谱。结果表明,无源波导使天线的方向性略有下降,但减小了天线的功率反射系数,这有利于天线与等离子体的耦合。

915 MHz TE10-TE01模式转换器设计

本文设计了一种可实现矩形波导TE10模式转换为圆波导TE01模式的转换器,用于电子回旋共振(ECR)技术薄膜沉积,使微波功率以特定模式分布在反应腔中与磁场共同作用产生等离子体,并由磁控管输出的微波中心频率为915 MHz。在满足工作带宽要求的基础上尽量提高转换效率,抑制噪声模式。通过三维仿真软件HFSS对结构进行优化,在915 MHz中心频率处转换效率达到99.90%,在中心频率20MHz范围内转换效率达到99.00%,能够满足磁控管工作频率在915 MHz下的带宽要求。

EAST装置电子回旋共振加热系统波纹圆波导研究

在EAST装置上正在建设140GHz/4MW/1000s电子回旋共振加热(ECRH)系统,单个回旋管输出的1MW功率通过波纹圆波导传输到天线聚焦镜上,然后经天线反射镜进入等离子体。运用表面阻抗法对波纹圆波导进行了理论分析,针对EAST装置ECRH系统需求的140GHz波纹圆波导进行了设计研究,所设计的波导传输模式为HE11模,具备1MW连续波运行能力且欧姆损耗低于0.02d B/100m,同时分析了HE11模在波导口外辐射模式及其与TEM00模耦合特性。

电子回旋共振加热系统中功率监测用高速高精度放大器的设计

设计了高速高精度低噪声放大器用于磁约束核聚变中电子回旋共振加热系统中入射和反射功率的实时监测。提出了模块化的高速高精度放大器设计方案。给出了放大器的稳定性、响应速度、噪声、失调等特性的分析方法和仿真方法。基于Labview构建了放大器自动测试系统,测试了实际放大器的响应速度和精度并对实际测量结果给出分析。在常用配置（三级放大器放大倍数分别为10-20倍、30-50倍、2-20倍）情况下,级联放大器的响应时间小于10μs,等效输入噪声电压小于60μV,等效输入失调电压最大不超过32μV。放大器的性能、稳定性和可靠性在电子回旋实验中得到了验证。

交指型腔体滤波器设计

设计了一个用于2.45 GHz低杂波电流驱动系统的交指型腔体带通滤波器。根据交指型带通滤波器的准确设计理论,获得滤波器的结构尺寸。利用HFSS软件仿真,提高了设计效率和精度,最终仿真结果和理论结果一致,证明了设计方法的可行性。