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低杂波电流驱动是托卡马克维持长脉冲稳态运行的一种重要的非感应电流驱动手段。波源输出的微波功率通过低杂波天线耦合到等离子体中。极向功率分配组件是低杂波天线的重要组成部分,用于在天线前级将主传输波导馈入的微波功率在托卡马克极向上等分到多结波导阵天线的多路波导单元中。
本文首先详细地介绍了国内外托卡马克装置低杂波系统功率分配的研究现状,结合EAST4MW/4.6GHz低杂波系统的工作特点,采用“先变换后等分”的分配方案,选择了由过渡渐变波导、TE10~TEn0模式变换波导和H面等分波导组成的极向功率分配结构,并对其进行了深入的研究。
文中对TE10~TEn0模式转换波导和过渡波导均利用了耦合模理论进行理论分析。在一定的近似条件下对各自的耦合模方程进行数值求解。在理论分析的基础上,利用三维高频全波电磁场分析软件HFSS对极向功率分配各个组成部分进行了参数化计算和优化。文中设计了TE10~TE30和TE10~TE50两种模式转换波导。其中TE10~TE30模式转换波导利用周期性扰动结构,获得97.5%的转换效率;TE10~TE50模式转换波导则采用扰动周期不同的变换序列获得了99.35%的转换效率,4.6GHz时对应的回波损耗为0.08%。在50MHz的带宽范围内,极向功率分配系统的三个组成器件的驻波比均小于1.1。
基于以上分析方法,设计加工了一个4.77dB极向功率分配组件及相应的辅助测试器件(波导-同轴转换器等)。对功分组件进行了低功率微波性能测试。实验测得:极向功率分配三个子波导的功率传输系数分别是0.3467、0.3076、0.3508,子波导间的相位差分布符合OπO的规律;在50MHz的带宽内,回波损耗小于0.5%。测试结果表明技术参数满足系统要求,且与理论设计值的变化趋势一致。这个结果验证了本文对极向功率分配系统研究方法的正确性。