一种降低射频系统传输线驻波电压的方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低射频系统传输线驻波电压的方法，包括有传输线，传输线的一端接天线负载，另一端接阻抗匹配网络，在天线负载侧一端的传输线上并联连接有短路或开路支节，使得在接短路或开路支节接入点位置的总输入阻抗实部与传输线的特性阻抗相等，而其虚部值近似等为零。本发明将支节接入后大幅降低了阻抗匹配网络与支节接入点之间的传输线电压，且其分布近似于行波状态，避免了射频系统在高功率运行时因传输线驻波电压过高而引起的打火现象的发生,大幅降低了传输线的射频欧姆损耗。
【专利说明】
一种降低射频系统传输线驻波电压的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及射频功率传输领域，具体是一种降低射频系统传输线驻波电压的方 法。
【背景技术】
[0002] 目前，射频系统广泛应用于工农业的生产中，如食品加工、炼钢、激光焊接与切割、 核聚变等领域。其中、射频系统主要用于提供高功率射频波能量，通过同轴传输线和阻抗匹 配网络，由射频天线将射频功率传输给标的负载，其功率水平从几千瓦至数十兆瓦，工作频 率范围一般为几兆赫兹到数百兆赫兹。依照应用标的的不同，射频功率传输有时需要几路 或十几路同轴传输线，每路传输线传输的射频功率小至几百瓦、大为1兆瓦以上;一般情况 下，同轴传输线的特性阻抗为50欧姆，内、外导体材料为铜。
[0003] 射频系统主要由射频发射机、阻抗匹配网络、传输线以及天线负载等子系统组成， 其中射频发射机提供高功率射频波能，阻抗匹配网络用于实现射频波源与天线负载的阻抗 匹配，传输线用于传输射频波，天线用于辐射射频波。
[0004] 由于射频发射机的输出阻抗一般为50欧姆，而射频加热天线通常仅为几欧姆，因 此需在射频发射机与天线之间接入一阻抗匹配网络，以实现射频功率的无反射传输，同时 也可保证射频发射机系统的工作稳定性;如果阻抗匹配网络距离被加热的负载装置较远， 那么在高功率运行的情况下，在阻抗匹配网络与射频天线之间的传输线上将会产生几个或 数十个的驻波电压最大点，如果该电压超过了传输线的击穿电压，那么将导致传输线内外 导体之间打火现象的发生，这将会对射频系统的稳定运行产生严重影响。同时由于调配器 与天线之间的传输线处于大驻波比工作状态，以及导体表面电阻和传输线内外导体之间绝 缘支撑的存在，传输线在高功率传输的过程中将会产生较大的射频损耗，这样在系统高功 率稳态运行时也将会产生热耗等问题，因此，解决这些问题可以确保整个射频系统稳定可 靠的运行。本发明提出了一种降低射频系统传输线驻波电压的方法，在靠近天线负载侧的 传输线上并联接入一短路支节或开路支节，使得支节接入点处的传输线总输入阻抗等于传 输线的特性阻抗，支节接入点与阻抗匹配网络支节之间的传输线电压分布近似呈行波状 态，这样就有效解决了因传输线驻波电压过高而产生的打火问题，同时也大幅降低了因传 输线驻波比过大而产生射频欧姆损耗。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出了一种降低射频系统传输线驻波电压的方法，保证能够大 幅降低射频系统传输线驻波电压，解决系统在高功率运行的条件下因系统传输线驻波电压 过高而产生的打火问题，此外还能够有效降低系统高功率运行时的射频欧姆损耗;对于给 定的天线负载，通过在传输线上并接一短路或开路支节，使得在接入点位置的总输入阻抗 实部与传输线的特性阻抗相等，而其虚部值等于零;支节接入后，在理想情况下阻抗匹配网 络与支节接入点之间的传输线电压分布近似于行波状态。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] 降低射频系统传输线驻波电压的方法，其特征在于包括有传输线，传输线的一端 接天线负载，另一端接阻抗匹配网络，在天线负载侧一端的传输线上并联连接有短路或开 路支节，使得在接短路或开路支节接入点位置的总输入阻抗实部与传输线的特性阻抗相 等，而其虚部值近似等为零。
[0008] 所述的降低射频系统传输线驻波电压的方法，其特征在于，所述支节接入点、性 质、长度的选取包括如下步骤：
[0009] (1)首先通过传输线阻抗测量系统测出天线负载的反射系数的幅值和相位，以确 定传输线驻波电压分布，并求出天线负载侧一端第一个传输线电压最小点的位置；
[0010] (2)根据所测得的天线反射系数的幅值和相位，求出传输线归一化输入导纳心二^ +jBi的实部等于G1 = l的点，且G1 = l的点有两个，分别位于天线负载侧第一个传输线电压最 小点左右两侧，这两点即为支节接入点，同时，求得这两点相对应的归一化输入导纳Y1的虚 部B1值，其中这两点B1值大小相等，符号相反，即其中一点的输入阻抗为感性，另一点输入 阻抗为容性;为了实现支节接入后总归一化输入导纳Y=1的目的，那么要求接入的短路或 开路支节能够完全抵消这两点输入导纳相应的虚部；
[0011] (3)如果接入短路支节，由于短路支节的输入导纳为感性，那么需选择传输线输入 导纳为容性的Gl = l的点；如果接入开路支节，由于开路支节的输入导纳为容性，那么需选 择传输线输入导纳为感性的Gl = 1的点；
[0012] (4)根据所求得的传输线归一化导纳的虚部B1的值，最后求出所接的短路或开路 支节的归一化长度：
[0013] 对于短路支节，其归一化输入导纳 对于开路支节，其归一 Λ 化输入导纳Υ2 = jB2 = j tan(2JiA)，式中Α为短路或开路支节的归一化电长度;接入支节后， 接入点的总输入归一化导纳为：
[0014] Y = Yi+Y2 = Gi+jBi+jB2 = l+j(Bi+B2)
[0015] 令Y=l，则有他=，，式中B1为已知，那么则可以求出支节的归一化长度A，而对 于某一确定的工作频率，则可得到相应支节的实际物理长度;此表明在接入归一化长度为A 的支节后，接入点处的总归一化输入导纳Y=l，即支节接入点处总的传输线输入阻抗等于 传输线的特性阻抗，支节接入点与阻抗匹配网络之间的传输线电压分布处为行波状态。
[0016] 本发明的优点是：
[0017] 本发明将支节接入后大幅降低了阻抗匹配网络与支节接入点之间的传输线电压， 且其分布近似于行波状态，避免了射频系统在高功率运行时因传输线驻波电压过高而引起 的打火现象的发生，大幅降低了传输线的射频欧姆损耗。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的原理不意图。
[0019]图2为一个实施例中显示短路支节接入前后的传输线驻波电压分布图。
[0020]图3为在传输线电压分布图中短路支节或开路支节接入位置示意图。
[0021]图4为一个实施例中显示接入点偏离理想点时开路支节接入前后的传输线驻波电 压分布图。
【具体实施方式】
[0022] 如图1所示，降低射频系统传输线驻波电压的方法，包括有传输线，传输线的一端 接天线负载，另一端接阻抗匹配网络，在天线负载侧一端的传输线上并联连接有短路或开 路支节，使得在接短路或开路支节接入点位置的总输入阻抗实部与传输线的特性阻抗相 等，而其虚部值近似等为零。
[0023] 其中，传输线用于传输高功率射频波，天线负载用于辐射射频波，支节为一截终端 短路或开路的射频同轴线；如果传输线的特性阻抗为50欧姆，那么在支节接入后传输线总 的输入阻抗近似为50欧姆，这样在支节接入点与阻抗匹配网络之间的传输线电压分布近似 为行波状态，从而达到降低主传输线上的驻波电压的目的，因此，降低系统传输线驻波电压 的关键在于支节接入点的选取，以及如何确定支节的长度和性质；图1中的传输线、短路支 节的特性阻抗皆为50欧姆，它们的内、外导体的直径分别为100mm、230mm，内导体材料为铜， 外导体材料为铜或铝。
[0024] 对于某一给定的天线负载，在天线负载与阻抗匹配网络之间的传输线上有多个归 一化输入导纳(YiiGdjBi)的实部等于1的点，gPG 1 = l处，那么，在该点并联接入一短路或 开路支节，使支节的归一化输入导纳(Υ2 = jB2)与该点传输线的归一化输入导纳的虚部幅值 大小相等，符号相反，也即也=32,这样支节接入后该点处的总归一化输入导纳有:Y = h+ Y2 = Gl+J_Bl+J_B2=1，这表明该点的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，在该点与阻抗匹配网 络之间的传输线电压分布为行波状态，该支节接入点被称为理想接入点。图2为接入短路支 节前后的主传输线电压分布理论计算结果，从图中可以看出，当天线负载阻抗Ζα=2Ω时， 接入短路支节后传输线电压驻波比VSWR从25减小到接近为1，传输线电压分布近似为行波 状态，当传输线的特性阻抗为50欧姆时，接入点Ρ处传输线的总输入阻抗Ζ Ρ ? 50 Ω，此时短 路支节归一化长度Αρ为0.0327，支节接入点到天线负载的归一化长度Ααρ为0.4686，而且，对 于短路支节，当天线负载阻抗Ζα较小时，Ααρ+Αρ ? 0.5。
[0025] 本发明的支节接入点、性质、长度的选取步骤主要如下：
[0026] 首先，通过传输线阻抗测量系统测出天线负载的反射系数的幅值和相位，以确定 传输线驻波电压分布，并求出天线侧一端第一个传输线电压最小点的位置；
[0027] 其次，根据所测得的天线反射系数的幅值和相位，求出传输线归一化输入导纳￥: 的实部等于G1 = l的点，且G1 = l的点有两个，分别位于天线侧第一个传输线电压最 小点左右两侧，这两点即为支节接入点，同时，还可以求得这两点相对应的归一化输入导纳 Y!的虚部也值，其中这两点m值大小相等，符号相反，即其中一点的输入阻抗为感性，另一点 输入阻抗为容性。为了实现支节接入后总归一化输入导纳Y=1的目的，那么要求接入的短 路或开路支节能够完全抵消这两点输入导纳相应的虚部，图3为在传输线驻波分布图中短 路支节或开路支节接入点位置示意图；
[0028] 第三，如果接入短路支节，由于短路支节的输入导纳为感性，那么需选择传输线输 入导纳为容性的61 = 1的点；如果装置接入开路支节，由于开路支节的输入导纳为容性，那 么需选择传输线输入导纳为感性的Gi= 1的点；
[0029]第四，根据所求得的传输线归一化导纳的虚部也的值，最后求出所接的短路或开 路支节的归一化长度：
[0030] 对于短路支节，其归一化输入导纳
〖对于开路支节，其归一 化输入导纳Y2 = jB2 = j tan(2JiA)，式中A为短路或开路支节的归一化电长度;接入支节后， 接入点的总输入归一化导纳为：
[0031] Y = Yi+Y2 = Gi+jBi+jB2 = l+j(Bi+B2)
[0032] 令Y = 1，则有:= -B2，式中也为已知，那么则可以求出支节的归一化长度A，而对 于某一确定的工作频率，则可得到相应支节的实际物理长度;此表明在接入归一化长度为A 的支节后，接入点处的总归一化输入导纳Y=l，即支节接入点处总的传输线输入阻抗等于 传输线的特性阻抗，支节接入点与阻抗匹配网络之间的传输线电压分布处为行波状态;如 果传输线的特性阻抗为50欧姆，则支节接入点处总的传输线输入阻抗等于50欧姆。
[0033]在工程应用中，实际的支节接入点与理想支节接入点相比，总会存在一定的偏差， 所接入的支节长度也会存在一些误差，图4所示开路支节接入点存在偏差的情况下传输线 电压分布情况;从图中可以看出，支节接入点Ρ处总输入阻抗为:Zp = 119-j 15 Ω，支节接入 点与理想值都存在一定的误差，但在支节接入后，传输线电压驻波比从25大幅降到7.8左 右，传输线电压驻波仍然得到有效降低。在实际的生产应用中，由于负载标的通常为气体， 它们处于不稳定状态，天线受到气体状态的影响也时刻处于变化之中，要精确测量出天线 的阻抗值是非常困难的，同时也难以确定短路或开路支节接入点的准确位置和所接入支节 的精确长度，所以在工程上只要能确保支节接入后传输线驻波电压大幅降低即可，这样整 个射频射频功率传输系统在高功率条件下能够稳定可靠运行，不会因传输线驻波电压过高 而发生打火现象。
【主权项】
1. 降低射频系统传输线驻波电压的方法，其特征在于包括有传输线，传输线的一端接 天线负载，另一端接阻抗匹配网络，在天线负载侧一端的传输线上并联连接有短路或开路 支节，使得在接短路或开路支节接入点位置的总输入阻抗实部与传输线的特性阻抗相等， 而其虚部值近似等为零。2. 根据权利要求1所述的降低射频系统传输线驻波电压的方法，其特征在于，所述支节 接入点、性质、长度的选取包括如下步骤： (1) 首先通过传输线阻抗测量系统测出天线负载的反射系数的幅值和相位，W确定传 输线驻波电压分布，并求出天线负载侧一端第一个传输线电压最小点的位置； (2) 根据所测得的天线反射系数的幅值和相位，求出传输线归一化输入导纳Yi = Gi+jBi 的实部等于Gi = I的点，且Gi = I的点有两个，分别位于天线负载侧第一个传输线电压最小点 左右两侧，运两点即为支节接入点，同时，求得运两点相对应的归一化输入导纳Yi的虚部Bi 值，其中运两点Bi值大小相等，符号相反，即其中一点的输入阻抗为感性，另一点输入阻抗 为容性;为了实现支节接入后总归一化输入导纳Y=I的目的，那么要求接入的短路或开路 支节能够完全抵消运两点输入导纳相应的虚部； (3) 如果接入短路支节，由于短路支节的输入导纳为感性，那么需选择传输线输入导纳 为容性的Gi = I的点；如果接入开路支节，由于开路支节的输入导纳为容性，那么需选择传 输线输入导纳为感性的Gi= 1的点；(4) 根据所求得的传输线归一化导纳的虚部Bi的值，最后求出所接的短路或开路支节的 归一化长度： 对于短路支节，其归一化输入导自P 对于开路支节，其归一化输 入导纳Y2 =巧2 = jtanUnA)，式中A为短路或开路支节的归一化电长度;接入支节后，接入点 的总输入归一化导纳为： Y = Yi 巧 2 = Gi+jBi+jB2=l+j(Bi+B2) 令Y=I，则有:Bi = -B2,式中Bi为已知，那么则可W求出支节的归一化长度A，而对于某 一确定的工作频率，则可得到相应支节的实际物理长度;此表明在接入归一化长度为A的支 节后，接入点处的总归一化输入导纳Y=I,即支节接入点处总的传输线输入阻抗等于传输 线的特性阻抗，支节接入点与阻抗匹配网络之间的传输线电压分布处为行波状态。
【文档编号】H04B1/04GK105991144SQ201510976066
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年12月22日
【发明人】陈根, 宋云涛, 毛玉周, 赵燕平, 王永胜, 冯汉升, 袁帅, 秦成明, 张新军
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所