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射频离子源激励器自动阻抗匹配系统的设计与实现开题报告

 2020-02-10 23:38:34  

1. 研究目的与意义(文献综述)

大功率强流中性束注入是磁约核聚变的重要辅助加热手段,而大功率射频(rf)负离子源是未来磁约束核聚变中性束注入的必然选择。

在负离子源运行的过程中,rf功率源通过同轴传输线将rf功率送至激励器rf天线,以产生等离子体。

然而,在等离子体激发的过程中,激励器rf天线的等效负载阻抗变化较大,引起阻抗失配,导致在负载端产生功率反射。

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2. 研究的基本内容与方案

内容:针对1kw rf离子源阻抗匹配电路,完成rf信号高速采样,研究基于fpga的dft/fft算法实现,实现1mhz的rf阻抗测量,为阻抗匹配的实现提供条件。
目标:≤1kw条件下的激励器rf负载阻抗测量,建立rf阻抗与匹配电容的数学关系。
方案:高速采样、dft/fft变换、频谱校正、计算基波频率下的rf阻抗。
由于rf信号的频率非常高,因此需要ad进行快速采样,以获得较为准确的rf电压、电流波形。目前实验室已有现成的快速采样系统,该系统基于fpga,控制高速ad芯片对输入的信号进行采样,可获得rf信号波形。

由于在离子源rf系统中存在多种谐波,检测到的rf电压、电流并不能直接用来计算总的负载阻抗,还需要提取基波频率、幅值和相位,减少多谐波对计算总负载阻抗带来的干扰。目前,提取基波信号的方法包括dft/fft变换。利用dft/fft算法可对信号进行傅里叶变换,直接获取各次谐波的各个特征量。另外,采用离散频谱校正的方法,对通过直接dft/fft获得的离散频谱结果进行校正,减少偏差。

在获取了总的负载阻抗值之后,搭配匹配电路相关参数计算基波频率下的rf阻抗,可为阻抗匹配的实现提供条件。

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3. 研究计划与安排

2019.1-2019.2 阅读相关文献,撰写开题报告。

2019.2-2019.4 掌握现成的快速采样系统的使用,获取RF信号波形;利 用FPGA获取测量端口的输入阻抗。

2019.4-2019.5 利用离散频谱校正的方式对通过直接DFT/FFT获得的 离散频谱结果进行校正。

2019.5-2019.6 撰写毕业论文并完成答辩。


在此期间,每两周汇报进度。

4. 参考文献(12篇以上)

[1] Motomura T , Kasashima Y , Fukuda O , et al. Note: Practical monitoring system using characteristic impedance measurement during plasma processing[J].Review of Scientific Instruments, 2014,

85(2):026103.

[2] Staples, J., Schenkel, T.. High-efficiency matching network for RF-driven ion sources[P]. Particle Accelerator Conference, 2001. PAC 2001. Proceedings of the 2001,2001.
[3] 岳海昆. 大功率射频负氢离子源射频系统研究[D].华中科技大学,2016.
[4] 岳海昆, 李冬, 刘开锋, et al. 大功率RF离子源阻抗匹配电路的设计与实现[J]. 核聚变与等离子体物理, 2015(4):346-349.
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[6] Speth E . Overview of the RF source development programme at IPP Garching[J]. Nuclear Fusion, 2006, 46(6):págs. 220-238.
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[8] Yue H , Li D , Zhao P , et al. The Matching Unit for the RF Ion Source at HUST[J]. Journal of Fusion Energy, 2015, 34(6):1229-1233.
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[10] 林思苗. 基于FPGA的高速信号采集[D].西南交通大学,2017.
[11] 张鹏. 浅谈FPGA器件设计技术发展综述[J]. 电子测试, 2014(10):41 43.
[12] 杜建和. 基于FPGA的高速信号采集与处理系统[D].云南大学,2010.
[13] 杨永清. 基于STM32和FPGA的多通道步进电机控制系统设计[D].西南交通大学,2017.
[14] 刘小群, 周云波. 基于Matlab的DFT及FFT频谱分析[J]. 山西电子技术, 2010(4):48-49.
[15] 丁康, 谢明, 杨志坚. 离散频谱分析校正理论与技术[M].科学出版社, 2008.
[16] 朱小勇, 丁康. 离散频谱校正方法的综合比较[J].信号处理, 2001,17(1):91-97.

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