[发明专利]一种射频波谐振加热天线

说明书

本发明公开了一种低射频波谐振加热天线，包括天线的支撑箱体、法拉第屏蔽板、辐射电流条带和谐振单元，所述辐射电流条带放置于天线的支撑箱体和法拉第屏蔽板围成的腔体内部，等间距并列排布，底面端部与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板、周期性高阻抗表面结构和接地金属棒，所述谐振单元用于改善天线共振频率和电磁波功率谱，所述谐振单元位于天线腔体内部，介质基板紧贴于辐射电流条带背部，高阻抗表面结构嵌入介质基板中，且通过金属棒与支撑箱体背部内表面固定连接用以接地。该天线利用电路谐振降低了磁约束核聚变装置中离子回旋加热系统的端口能量反射，提高天线辐射功率与等离子体负载的耦合程度。

技术领域

本发明涉及用于磁约束核聚变装置中磁约束等离子体射频波加热领域，具体是一种低反射、高耦合射频波谐振加热天线。

背景技术

离子回旋加热(ICRF)是磁约束核聚变装置中等离子体加热的重要方式，其系统产生的射频波可对等离子体中的离子进行直接有效的加热。国内外各大型磁约束核聚变装置均配备有离子回旋加热系统，但离子回旋加热ICRF天线端口反射过大、辐射耦合效率低下的问题十分突出。我国磁约束托卡马克EAST装置ICRF天线在没有额外阻抗匹配系统支持的情况下失配严重，天线端口回波损耗很大且由于天线前端等离子体密度较低，天线的功率耦合不高。为了实现射频波功率在天线处的正向递送并且有效地与等离子体进行能量耦合，不仅要保证离子回旋加热ICRF天线端口具有较小的回波损耗，还要使天线的功率谱与等离子体吸收谱匹配。

发明内容

为了解决现有设备中出现的端口回波损耗大且功率耦合低的问题，本发明通过利用多电流条带之间的互耦效应，同时添加高阻抗表面结构和介质基板，提供一种射频波谐振加热天线，具有低反射、高耦合的特点，在有限的功率输入下，减小端口的回波损耗、增大功率输出与耦合。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案为：一种射频波谐振加热天线，包括：

天线的支撑箱体、法拉第屏蔽板、辐射电流条带和谐振单元，所述辐射电流条带放置于天线的支撑箱体和法拉第屏蔽板围成的腔体内部，等间距并列排布，底面端部与支撑箱体底部内表面固定连接；所述天线的谐振单元包括介质基板、周期性高阻抗表面结构和接地金属棒，所述谐振单元用于改善天线共振频率和电磁波功率谱，所述谐振单元位于天线腔体内部，介质基板紧贴于辐射电流条带背部，高阻抗表面结构嵌入介质基板中，且通过金属棒与支撑箱体背部内表面固定连接用以接地。

进一步的，所述法拉第屏蔽板上端矩形金属横挡板和下端法拉第屏蔽条端部均通过螺栓与天线支撑箱体前侧固定连接，横挡板高度与前端等离子体吸收功率谱相匹配；法拉第屏蔽条的倾斜角度与磁约束核聚变装置中总磁场方向一致。

进一步的，所述介质基板径向厚度与极向高度根据具体情况改变加工设计时的尺寸，根据辐射电流条带结构尺寸和发射机频率调整，环向长度即辐射电流条带并列排布方向与辐射电流条带环向总跨长度相当，紧贴辐射电流条带背面且与其固定连接，材料为碳化硅。

进一步的，所述高阻抗表面结构嵌入介质基板中，与辐射电流条带间距为10-20mm，中间为介质基板，辐射电流条带背部同样具有介质基板，背面通过矩形金属棒与天线支撑箱体背部内表面固定连接。

进一步的，所述的高阻抗表面结构HIS是一种周期性的金属表面结构，其周期尺寸小于电磁波波长的1/10，对应的天线运行频率为10-120MHz；当一束电磁波入射到此结构表面时，它的反射波相位随着频率的变化从π连续变为-π，其中必有一个频率所对应的反射相位为0，即存在同相位反射，将所述高阻抗表面结构HIS用做天线的反射面，入射电磁波将和反射电磁波同相位,电磁波在天线发射方向得到加强。

进一步的，所述加热天线，馈入功率由发射源和应用的装置共同决定，范围在几十千瓦～几十兆瓦，应用于等离子体磁约束装置，包括托克马克装置。