射频离子源激励器自动阻抗匹配系统的设计与实现文献综述
2020-04-15 17:45:17
1．目的及意义
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。为了实现最大功率传输，需要在同轴传输线负载端引入阻抗匹配电路，在等离子体激发的过程中动态调节匹配元件，使得总的负载阻抗与RF功率源输出阻抗相匹配。因此，阻抗匹配是大功率RF负离子源稳定运行的关键。
阻抗匹配通常采用可调无源网络实现，根据总的负载阻抗值或者激励器RF天线等效阻抗，调节相关匹配元件的参数,实现负载与功率源的阻抗匹配。其中，如何获得RF条件下的负载等效阻抗是较为关键的一步。目前RF负载阻抗主要基于RF电压电流及相位差检测法。由于RF系统中通常存在一些非线性因素，导致RF信号中存在许多谐波成分，为RF阻抗的检测带来了诸多困难。本毕业设计拟采用DFT/FFT及离散频谱校正的方式，分离RF信号中的多谐波成分，获得基波频率下的RF阻抗，为阻抗匹配的实现提供条件。
国内外的许多研究机构都对阻抗匹配系统进行了相关的研究。日本J-PARC中心研制的负离子源对入射功率和反射功率进行检测，在检测到无反射功率的情况下，推算激励器RF天线的等效阻抗[1]；劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）提出了一种新的电容耦合阻抗匹配网络，通过消除变压器，提供了一个无限可调的匹配[2]；华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室介绍了一种由RF变压器和电容组成的阻抗匹配电路，分析并推导相关电气参数[3]；另外，华中科技大学在其开发的负氢离子源中采用了文献[3]的阻抗匹配电路，将激励器RF天线的等效阻抗视为一个电阻和一个电感的串联，并分析推导了阻抗匹配时匹配电路中两个可调电容的电气要求，然后将阻抗匹配电路组装到激励器实验装置，成功地将RF功率耦合进激励器并产生了等离子体[4]。
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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。
[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.
[5] Franzen P, Falter H, Heinemann B, et al. RADI —— a RF source size-scaling experiment towards the ITER neutral beam negative ion source [J]. Fusion engineering and design, 2007, 82(4): 407#8722;423.
[6] Speth E . Overview of the RF source development programme at IPP Garching[J]. Nuclear Fusion, 2006, 46(6):págs. 220-238.
[7] Zamengo A, Recchia M, Kraus W, et al. Electrical and thermal analyses for the radio-frequency circuit of ITER NBI ion source[J]. Fusion Engineering and Design, 2009,84(7-11):2025-2030.
[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.
[9] Julián S. Bruno,Vicen#231; Almenar,Javier Valls. FPGA implementation of a 10 GS/s variable-length FFT for OFDM-based optical communication systems[J]. Microprocessors and Microsystems,2018.
[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.
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。为了实现最大功率传输，需要在同轴传输线负载端引入阻抗匹配电路，在等离子体激发的过程中动态调节匹配元件，使得总的负载阻抗与RF功率源输出阻抗相匹配。因此，阻抗匹配是大功率RF负离子源稳定运行的关键。
阻抗匹配通常采用可调无源网络实现，根据总的负载阻抗值或者激励器RF天线等效阻抗，调节相关匹配元件的参数,实现负载与功率源的阻抗匹配。其中，如何获得RF条件下的负载等效阻抗是较为关键的一步。目前RF负载阻抗主要基于RF电压电流及相位差检测法。由于RF系统中通常存在一些非线性因素，导致RF信号中存在许多谐波成分，为RF阻抗的检测带来了诸多困难。本毕业设计拟采用DFT/FFT及离散频谱校正的方式，分离RF信号中的多谐波成分，获得基波频率下的RF阻抗，为阻抗匹配的实现提供条件。
国内外的许多研究机构都对阻抗匹配系统进行了相关的研究。日本J-PARC中心研制的负离子源对入射功率和反射功率进行检测，在检测到无反射功率的情况下，推算激励器RF天线的等效阻抗[1]；劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）提出了一种新的电容耦合阻抗匹配网络，通过消除变压器，提供了一个无限可调的匹配[2]；华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室介绍了一种由RF变压器和电容组成的阻抗匹配电路，分析并推导相关电气参数[3]；另外，华中科技大学在其开发的负氢离子源中采用了文献[3]的阻抗匹配电路，将激励器RF天线的等效阻抗视为一个电阻和一个电感的串联，并分析推导了阻抗匹配时匹配电路中两个可调电容的电气要求，然后将阻抗匹配电路组装到激励器实验装置，成功地将RF功率耦合进激励器并产生了等离子体[4]。
2. 研究的基本内容与方案
{title} 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。
3. 参考文献
[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.
[5] Franzen P, Falter H, Heinemann B, et al. RADI —— a RF source size-scaling experiment towards the ITER neutral beam negative ion source [J]. Fusion engineering and design, 2007, 82(4): 407#8722;423.
[6] Speth E . Overview of the RF source development programme at IPP Garching[J]. Nuclear Fusion, 2006, 46(6):págs. 220-238.
[7] Zamengo A, Recchia M, Kraus W, et al. Electrical and thermal analyses for the radio-frequency circuit of ITER NBI ion source[J]. Fusion Engineering and Design, 2009,84(7-11):2025-2030.
[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.
[9] Julián S. Bruno,Vicen#231; Almenar,Javier Valls. FPGA implementation of a 10 GS/s variable-length FFT for OFDM-based optical communication systems[J]. Microprocessors and Microsystems,2018.
[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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