一种三销钉阻抗调配器的路径规划方法

本发明涉及微波能应用领域中的阻抗匹配，具体涉及一种三销钉阻抗调配器的路径规划方法。

背景技术：

1、微波能作为一种新兴能源，已广泛应用于工业应用的各个方面，如微波加热、微波等离子体和微波杀菌等。在高功率微波应用中，为了减少能量的反射，使负载从微波源获得最大的功率，阻抗匹配系统是必不可少的组成部分，阻抗失配可能导致大反射，造成低效率甚至设备损坏。

2、现有技术中，在微波源和负载之间经常采用三销钉波导来执行阻抗匹配并减少反射，当连接的负载发生变化时，通过调节三销钉插入的深度，从而达到良好的阻抗匹配。如公告号为cn 111062184 b的中国专利公开了一种快速三销钉自动阻抗匹配系统，其匹配过程为：基于等效电路的分析方法，对三销钉波导进行粗略的数值计算，通过不断的迭代计算和查找得到满足条件的销钉深度的基本位置，将其调节后，再通过微调算法调节三销钉使其达到阻抗匹配。该方案能达到良好的匹配效果，但存在的问题是：一是在调节过程中，需要对三根销钉都进行调节，需要计算的参数和数值较多，计算过程复杂；二是没有考虑销钉在调节过程中反射的变化情况，当计算出三销钉深度后，同时调节三销钉，而三销钉在同时调节的过程中可能会产生大反射损坏设备，并导致保护电路跳闸，影响系统的稳定性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三销钉阻抗调配器的路径规划方法，拟解决现有三销钉阻抗调配器在阻抗匹配时未考虑销钉在调节过程中反射变化情况、计算过程复杂等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种三销钉阻抗调配器的路径规划方法，包括以下步骤：

3、步骤s100、负载发生变化时，根据端口所测得的反射系数计算出三根销钉深度的最优解；

4、步骤s200、根据计算出的三根销钉深度最优解，实施一种低反射调节策略调节三根销钉的深度，避免调节过程中产生大的反射。

5、进一步的，所述负载发生变化时，根据端口所测得的反射系数计算出三根销钉深度的最优解的步骤包括：

6、步骤s110、建立三销钉波导等效电路模型；

7、步骤s120、设计阻抗匹配方法。

8、进一步的，所述设计阻抗匹配方法的步骤包括：

9、步骤s121、计算负载：根据端口所测得的反射系数计算负载，假设三根销钉初始深度都为0：

10、

11、l是波导的长度；γ为端口的反射系数；β为相位常数；ze为波导的等效阻抗；zl为负载阻抗；

12、步骤s122、计算等效负载：第三根销钉与负载之间有一段波导，将负载和这一段波导等效为一个新的负载，即等效负载：

13、

14、η0为波导的波阻抗；z′l为等效负载；l3为第三根销钉与负载之间的波导长度；

15、步骤s123、等效负载区域判定：

16、z′l∈(re(z)>η0)∪((re(1/z)<1/η0)∩(im(1/z)<0))      (3)

17、则等效负载位于上半区域，执行上半区域阻抗匹配调节步骤，得到三根销钉深度的最优解；

18、z′l∈((re(z)<η0)∩((im(z)<0)∪((re(1/z)>1/η0))      (4)

19、则等效负载位于下半区域，执行下半区域阻抗匹配调节步骤，得到三根销钉深度的最优解；z为负载变量；re表示取一个复数的实部；im表示取一个复数的虚部。

20、进一步的，所述上半区域阻抗匹配调节步骤包括：

21、a.假设三根销钉初始深度都为0；

22、b.调节第三根销钉：调节第三根销钉，使第三根销钉端口的输入阻抗满足以下条件：

23、

24、c.阻抗变换：经过四分之一波导波长后，z3与z2在史密斯圆图上关于匹配点成中心对称，即z3*z2＝η02；

25、d.调节第二根销钉：调节第二根销钉，使re(z2)＝η0，完成阻抗匹配；

26、e.选取最优解：调节第三根销钉直至最大调节深度hmax，将每一个满足公式(5)的第三根销钉值h3都代入计算一遍，得到一个与之对应的第二根销钉值h2，使产生的反射最小；从众多集合中选取反射系数最小的一组解为最优解：

27、

28、为第一根销钉、第二根销钉和第三根销钉的最优深度，此时hmax为销钉最大调节深度；h1、h2、h3为三根销钉插入的深度值；z1、z2、z3分别为第一根销钉、第二根销钉、第三根销钉端口的输入阻抗。

29、进一步的，所述下半区域阻抗匹配调节步骤包括：

30、a.假设三根销钉初始深度都为0；

31、b.阻抗变换：经过四分之一波导波长后，z3与z2在史密斯圆图上恰好关于匹配点成中心对称，即z3*z2＝η02；

32、c.调节第二根销钉：调节第二根销钉，使第二根销钉端口的输入阻抗满足以下条件：

33、

34、d.阻抗变换：经过四分之一波导波长后，z2与z1在史密斯圆图上恰好关于匹配点成中心对称，即z1*z2＝η02；

35、e.调节第一根销钉：调节第一根销钉，使re(z1)＝η0，完成阻抗匹配；

36、f.选取最优解：调节第二根销钉直至最大调节深度hmax，将每一个满足公式(7)的第二根销钉值h2都代入计算一遍，得到一个与之对应的第一根销钉值h1，使产生的反射最小；从众多集合中选取反射系数最小的一组解为最优解：

37、

38、为第一根销钉、第二根销钉和第三根销钉的最优深度，此时hmax为销钉最大调节深度；h1、h2、h3为三根销钉插入的深度值；z1、z2、z3分别为第一根销钉、第二根销钉、第三根销钉端口的输入阻抗。

39、进一步的，所述z1、z2、z3的计算公式为：

40、

41、p″′0、p″′0、p′0分别为第三根销钉、第二根销钉、第一根销钉端口的特征阻抗；ω为角频率；c1、c2、c3为三根销钉对应的等效电容；l1、l2为销钉间的波导长度。

42、进一步的，所述根据计算出的三根销钉深度最优解，实施一种低反射调节策略调节三根销钉的深度，避免调节过程中产生大的反射的步骤包括：

43、步骤s210、匹配状态判定：当负载值不发生变化，执行静态匹配路径调节策略；当负载值发生变化，执行动态匹配路径调节策略；

44、步骤s220、静态匹配路径调节策略步骤包括：

45、步骤s221、计算等效负载，并判定等效负载区域；

46、步骤s222、根据等效负载所处区域，执行相应路径调节策略；

47、当等效负载位于上半区域时，第一根销钉深度为0：

48、′

49、若zl∈((re(1/z)<1/η0)∩(im(1/z)<0))，先调节第三根销钉，使im(z3)＝0，再同时调节第三根销钉和第二根销钉；

50、′

51、若zl∈((re(z)>η0)∩(im(z)<0))，同时调节第三根销钉和第二根销钉；

52、当等效负载位于下半区域时，第三根销钉深度为0：

53、′

54、若zl∈((re(z)<η0)∩(im(z)<0))，先调节第二根销钉，使im(z2)＝0，再同时调节第二根销钉和第一根销钉；

55、′

56、若zl∈((re(1/z)>1/η0)∩(im(1/z)<0))，同时调节第二根销钉和第一根销钉；

57、步骤s230、动态匹配路径调节策略步骤包括：

58、步骤s231、计算等效负载，并判定等效负载区域；

59、当等效负载只在上半区域变化时，第一根销钉深度为0，先调节第三根销钉，再调节第二根销钉；

60、当等效负载只在下半区域变化时，第三根销钉深度为0，先调节第二根销钉，再调节第一根销钉；

61、当等效负载从上半区域变换到下半区域时，先调节第三根销钉的深度为0，再同时调节第二根销钉和第一根销钉；

62、当等效负载从下半区域变化到上半区域时，先调节第一根销钉的深度为0，再调节第三根销钉，最后调节第二根销钉。

63、本发明的有益效果是：

64、本发明公开了一种三销钉阻抗调配器的路径规划方法，属于微波能应用领域中的阻抗匹配技术领域，该方法包括负载发生变化时，根据端口所测得的反射系数计算出三根销钉深度的最优解；再根据计算出的三根销钉深度最优解，实施一种低反射调节策略调节三根销钉的深度，避免调节过程中产生大的反射。本发明的三销钉阻抗调配器的路径规划方法，通过调节两根销钉达到良好的匹配效果，同时避免了调节过程中产生大的反射损坏微波源并影响系统的稳定性，无需复杂的参数测量，计算快速准确，适用于不同规格的三销钉矩形波导。本发明能有效解决现有三销钉阻抗调配器在阻抗匹配时未考虑销钉在调节过程中反射变化情况、计算过程复杂等问题。