Load-resilient antenna impedance matching for an antenna array in iter

88 Pages·2008·16.43 MB·Dutch

by  Djamel Grine

Faculty of Engineering / Plasma Physics Department
Load-resilient antenna impedance
matching for an antenna array in iter
Djamel Grine
Promotors: dr. A. Messiaen (Royal Military Academy)
Prof. dr. ir. H. Rogier (Universiteit Gent)
Prof. dr. ir. G. Van Oost (Universiteit Gent)
Department chairmen: Prof. dr. ir. P. Lagasse (Information Technology)
Prof. dr. ir. C. Leys (Applied Physics)
Prof. dr. R. Weynants (Plasma Physics)
Thesis submitted for the degree of Master of Science in Electrical Engineering
Academic year 2007–2008

Acknowledgements
This thesis is the result of personal work, but also of aid and opportunities given to me by a
number of people. Therefore, I would like to thank each and every one who has contributed to
this end.
Many thanks go to ir. Pierre Dumortier and ir. Michel Verviers for their practical help at
the Royal Military Academy (RMA), and to my promotor Prof. dr. ir. Hendrik Rogier at
the University of Ghent (UGent) for his thorough verification of the thesis and the various
mathematical analyses in it.
Special thanks go out to my promotor dr. Andr´e Messiaen at the RMA for his help, both
practical and theoretical, as well as Prof. dr. Roger Weynants (RMA) for giving me the
opportunity to join their research activities via a joint RMA/UGent PhD.
Furthermore, IwouldliketoexpressmydeepestgratitudetowardsmypromotorProf.dr.ir.Guido
Van Oost (UGent) for the given opportunities, his organization of the internship at the RMA,
and his acceptance as my PhD promotor at the UGent in the near future.
Finally, I would like to thank my parents, my brother and my sister for their unconditional
support over the past years.
Djamel Grine

Load-resilient antenna impedance matching for an
antenna array in ITER
DjamelGrine
Promotors: dr.A.Messiaen,Prof.dr.ir.G.VanOost,Prof.dr.ir.H.Rogier
Abstract—Thisarticleisashortsummaryofthethesissubmittedforthe circuitmustcopewithstrongmutualcouplingbetweenthean-
degreeofMasterofScienceinElectricalEngineeringattheUniversityof tenna straps, the plasma load variations as well as spatial ra-
Ghent(Belgium).
diation requirements that determine the type of heating in the
Keywords— Load-resilience, antenna, matching, ITER, RF heating,
plasma.
plasma,fusion
I. INTRODUCTION
THISthesis studies a solution for the load-resilient
impedance matching of an antenna array for RF heating
in the ITER nuclear fusion project using a scaled 1:5 mock-up
locatedattheRoyalMilitaryAcademy(RMA)inBrussels. Itis
thecontinuationofaninternshipattheRMAinJuly-September
2007 and is part of a study of different matching schemes for
ITERconductedatthePlasmaPhysicsDepartmentoftheRMA.
II. PROBLEMANALYSIS
A. Practicalissues
Fusionreactionsrequireveryhightemperatures. Anyknown
materialatthesetemperatureswillbeinitsfourthstate:thestate
of plasma or ionized gas. In this distinct state the plasma is
Fig.1. RFantennasystem
electrically conductive and strongly responsive to electromag-
netic fields. This requires that the plasma be confined and be
keptatasafedistancefromthereactorinordertopreventmelt- In this study, the Conjugate-T (CT) matching scheme forms
ing. Two practical problems arise: the heating method and the thebasisofthematchingnetworkofFigure2. Asecondstage
plasmaconfinement. aftereachCTispresenttofurtherreducethestandingwaveratio
In the case of ITER, plasma confinement is achieved via onthelinestowardsthegenerators.Itisimplementedasaseries
a tokamak and the heating of the plasma is implemented via stubfollowbyashuntstuband–onthemock-up–ismatched
ohmicheatingandantennas:RFelectromagneticwavesaregen- tofixedimpedances.
eratedoutsidethetokamaktorusbyoscillatorsandthechoiceof
frequency will determine the type of particles and the region
thatwillbeheated.Thismethodhasseveralissuesincludingthe
strong mutual coupling between the radiating straps of the an-
tennaarrayandtheloadvariationsoftheplasma1.Theserequire
the presence of a matching network between the antenna array
andthegeneratorsinordertominimizereflections2andimprove
thepowertransfertotheplasma.
B. Matchingnetwork
TheantennasystemonITERconsistsofanarrayof24radi-
ating λ /4 monopole antennas (straps) recessed in an antenna
0
Fig.2. Matchingnetwork
box(seeFigure1). Thestrapsaregroupedin8tripletsbyeight
4-ports junctions and fed by four 5MW power sources. The
triplet ports are the input ports for the matching network. The Decouplingisachievedbyplacingcapacitances3betweenthe
tripletportsofcorrespondingbranchesinneighboringCTs.
1Theplasmaloadvariesrapidlyintimebecauseoflargeedgefluctuations
calledELMs.
2Inordertoavoidthesafetyshutdownofagenerator,|Γ|<0.2isrequired. 3Thecapacitancesarecalibratedforthevacuumsituation.
C. Simulation ally generate the signals for the steering of the line stretchers
andadjustmentofthegenerators.
AMatlabsimulation–usingthemeasuredS-parametersfrom
Itisimportanttomentionthatthedevelopedalgorithmscan-
the mock-up – of the load-resilience for a 0, π/2, π, 3/2π
notbeusedintherealimplementationofthematchingnetwork
toroidalphasedistributionofthevoltageatthetripletportsand
inITER.Thisisduetothefixednatureofthesecondmatching
∆ =10mmisshowninFigure3:
wm stage.
1
CT IV. RESULTS
1
0.9 CT2 Theimplementationofthematchingnetworkonthemock-up
CT
3 resultsintheload-resiliencemeasurementofFigure4.
0.8 CT
4
0.7 1
CT1
CT2
0.6 0.9 CT3
CT4
Γ|| 0.5 0.8
0.4
0.7
0.3
0.6
0.2
Γ| 0.5
0.1 |
0 0.4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
∆ (mm)
antenna−water
0.3
Fig.3. Load-resiliencesimulation
0.2
Matchingisachievedfor∆wm =10mmandload-resilience4 0.1
for large ∆ variations depending on each CT from 0mm to
wm
17mm or 27mm. This simulation along with other results dis- 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
cussedinthethesisallowforthematchingnetworktobeimple- ∆antenna-water (mm)
mentedonthemock-up.
Fig.4. Load-resiliencemeasurements
III. IMPLEMENTATION
Measurements were made using the same toroidal voltage
Theimplementationofthematchingnetworkusesthemock-
phase distribution at the triplet ports as in Figure 3. It shows
up of the antenna system and a salted water tank. The latter
thatload-resilienceisachievedforalltheCTswithvariousper-
simulatesthebehavioroftheplasmaforRFheating. Thissetup
formancedegrees.
allowsthemeasurementoftheload-resilienceofeachgenerator
connected to a CT as the distance ∆wm between the mock-up V. CONCLUSIONS
andthewatertankdeterminestheantennaload.
UsingtheConjugate-Tmatchingscheme,anetworkwasde-
The circuit not only requires the obvious hardware compo-
veloped. Therequiredload-resilienceandspatialradiationcon-
nentssuchasgenerators,linestretchers,decouplers,DAQhard-
ditionsweresimulatedandtheresultsprovethattheCTscheme
ware, transmission lines, etc. but also the necessary feedback
is a suitable option. The implementation on the mock-up reaf-
algorithms in order to achieve the wanted load-resilience and
firms that the circuit is able to obtain low reflections for rela-
spatialradiation.
tively great distance variations. Resilience is better than pre-
Thefeedbackconsistsofamatchingfeedbackalgorithmand
dicted,thankstoimprovementsattheantennaarray,approxima-
a phase feedback algorithm. The matching feedback measures
tions in the Matlab simulations and considerable losses in the
themagnitudeofthereflectioncoefficientateachgeneratorand
transmissionlines.
employs single-stub matching to drive the two line stretchers
of the corresponding CT in order to minimize reflections. The ACKNOWLEDGMENTS
phase feedback adjusts the phase of the generators based on
The author would like to thank the following people:
measurements at the triplet ports using one port as a reference
ir. P. Dumortier, dr. A. Messiaen, Prof. dr. ir. H. Rogier,
untiltheuser-settoroidalvoltagedistributionisachieved. Both
Prof. dr. ir. G. Van Oost, ir. M. Verviers and Prof. dr. R. Wey-
feedbacksrequiredtheconstructionofdemodulatorstoconvert
nants.
the measured RF signals to DC signals as input for the DAQ
hardware. TheacquireddataisthenprocessedbyaPCrunning REFERENCES
the algorithms written in LabVIEW. These programs continu-
[1] P.DUMORTIER,A.MESSIAEN,S.BRONS,F.DURODIE, AICRFAn-
tenna and System Design for ITER (Laboratory Report n◦ 121), Royal
4Load-resilienceisdefinedasthe∆wminterval(s)forwhich|Γ|<0.2. MilitaryAcademy–PhysicsDepartment,August2004.
Load-resilient antenna impedance matching for an
antenna array in ITER
DjamelGrine
Promotors: dr.A.Messiaen,Prof.dr.ir.G.VanOost,Prof.dr.ir.H.Rogier
Abstract—Ditartikeliseenkortesamenvattingvandegelijkgenaamde zijn de input poorten van het matching netwerk. Het circuit
thesisingediendtothetbehalenvandegraadvanMasterofScienceinElec- moetbestendigzijntegendesterkemutuelekoppelingtussende
tricalEngineeringaandeUniversiteitGent.
antenne straps en de plasma ladingsvariaties. Bovendien moet
Keywords—Ladingsresilie¨ntie,antenne,matching,ITER,RFverwarm-
hetookderuimtelijkestralingsvereistenkunnenimplementeren.
ing,plasma,fusie
Dezelaatstebepalenhettypeverwarmingdatplaatsvindt.
I. INLEIDING
DEZEthesis bestudeert een oplossing voor de ladingsre-
silie¨nte impedantiematching van een antennerooster
gehanteerdbijdeRFverwarmingbijhetITERkernfusieproject,
gebruikmakend van een geschaalde 1:5 maquette gesitueerd
bij de Koninklijke Militaire School (KMS) te Brussel. Het is
het vervolg van een stage bij de KMS in Juli-September 2007
en maakt deel uit van een lopende studie binnen de vakgroep
Plasma Fysica van de KMS omtrent verscheidene matching
schema’sdieinaanmerkingkomenvoorITER.
II. PROBLEEMANALYSE
A. Praktischeobstakels
Fusiereacties vereisen zeer hoge temperaturen, waarbij ma-
terialen verkeren in hun vierde toestand: de plasmatoestand
of ge¨ıoniseerd gas. In deze toestand is het plasma elektrisch Fig.1. RFantennesysteem
geleidendensterkreactiefopelektromagnetischevelden. Hier-
doormoethetplasmaruimtelijkbeperktwordenenveiligheid- HetConjugate-T(CT)schema–endebijhorendesingle-stub
shalveopeenvoldoendeafstandvandereactorgehoudenwor- matching – vormt de basis van het netwerk van Figuur 2. Een
den. Twee praktische obstakels doen zich voor: de verwarm- tweedetrapwordttoegevoegdnaelkeCTomdeVSWRopde
ingsmethodeenderuimtelijkebeperking(plasmaconfinement). lijnennaardegeneratorenverdertereduceren. Dezetrapwordt
Bij ITER wordt plasma confinement bereikt via een toka- ge¨ımplementeerdalseenseriestubgevolgddooreenshuntstub.
makendeverwarmingvanhetplasmawordtge¨ımplementeerd Bijdemaquettewordt–omwillevanpraktischebeperkingen–
via ohmische verwarming en antennes: RF elektromagnetis- detweedetrapgematchedvoorvasteimpedanties.
che golven met een bepaalde frequentie worden gegenereerd
buitendetokamaktorusdooroscillatorszodoendeeentypepar-
tikels te exciteren en de overeenkomende regio te verwarmen.
Dezemethodeheefthaareigenproblemen,waaronderdesterke
mutuele koppeling tussen de stralende straps van het anten-
neroosterendeladingsvariatiesvanhetplasma1. Dezevereisen
de aanwezigheid van een matching netwerk tussen het anten-
neroosterendegeneratorszodoendedereflectiesteminimalis-
eren2endevermogensoverdrachtnaarhetplasmatebevorderen.
B. Matchingnetwerk
HetantennesysteembijITERbestaatuiteenroostervan24
Fig.2. Matchingnetwerk
λ /4monopoolantennes(straps)(zieFiguur1). Destrapszijn
0
per 8 gegroepeerd in triplets m.b.v. 4-poort juncties en worden
gevoed door vier 5MW vermogensbronnen. De triplet poorten De mutuele koppeling wordt sterk verminderd door het
plaatsen van capaciteiten3 tussen de triplet poorten en de
1Fluctuatiestredenopt.g.v. ”largeedgefluctuations”(ELMs).
2Generatorenwordenuitgeschakeldindien|Γ|<0.2. 3Decapaciteitenwordengecalibreerdvoordevacuumsituatie.
overeenkomstigetakkeninnabijgelegenCTs. Hetisbelangrijktevermeldendatdeontwikkeldealgoritmes
nietgebruiktkunnenwordenvooreenechteimplementatievan
C. Simulatie hetmatchingnetwerkinITER.Ditisomwillevandestatische
EenMatlabsimulatie–opbasisvandegemetenS-parameters matchingvandetweedetrapinhetnetwerk.
vandemaquette-vandeladingsresilie¨ntievooreen0, π/2, π,
IV. RESULTATEN
3/2π toro¨ıdalefasedistributievandespanningenaandetriplet
poorteneneen∆ =10mmwordtgetoondinFiguur3. Deimplementatievanhetmatchingnetwerkopdemaquette
wm
geeftdeladingsresilie¨ntievanFiguur4.
1
CT
1 1
0.9 CT2 CT1
0.8 CCTT34 0.9 CCCTTT234
0.7 0.8
0.6 0.7
Γ|| 0.5 0.6
0.4
Γ| 0.5
|
0.3
0.4
0.2
0.3
0.1
0.2
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
∆ (mm)
antenna−water
0.1
Fig.3. Ladingsresilie¨ntiesimulatie
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Matching wordt bereikt voor ∆ = 10mm en ladingsre- ∆antenna-water (mm)
wm
silie¨ntie4 wordtbekomenvoorgrote∆wm variaties. Dezesim- Fig.4. Ladingsresilie¨ntiemetingen
ulatieenanderen–zoalsbeschrevenindethesis–latenonstoe
hetmatchingnetwerkteimplementerenopdemaquette.
De metingen werden uitgevoerd bij dezelfde toro¨ıdale span-
ningsfasedistributie aan de triplet poorten als in Figuur 3. Uit
III. IMPLEMENTATIE
de figuur zien we dat ladingsresilie¨ntie bereikt wordt voor alle
De implementatie van het matching netwerk gebruikt niet
CTs.
alleen de maquette van het antenne systeem, maar ook een
watertank met een welbepaalde zoutconcentratie. Deze laat- V. BESLUIT
ste bootst het gedrag van het plasma na bij de RF verwarm-
Op basis van het Conjugate-T schema werd een matching
ingsmethode. Het beschreven systeem laat toe de ladingsre-
netwerk ontwikkeld. De ladingsresilie¨ntie werd gesimuleerd
silie¨ntie van elke generator na te gaan, daar de afstand ∆
wm en de resultaten duiden aan dat het schema een goede basis
tussendemaquetteendewatertankdeantennaladingbepaalt.
vormtvooreenmatchingnetwerk. Deimplementatieopdema-
Hetcircuitvereistbuitendenoodzakelijkehardwareonderde-
quette bevestigt dat het circuit in staat is de reflecties laag te
len zoals generatoren, line stretchers, capaciteiten, DAQ hard-
houdenvoorrelatiefgroteafstandsveranderingen.Deladingsre-
ware,transmissielijnen,enz.ookdenodigefeedbackalgoritmes
silie¨ntie is beter dan verwacht, dankzij verbeteringen aan het
zodoendedebeoogdeladingsresilie¨ntietebekomen.
antennerooster, benaderingen bij de Matlab-simulaties en niet-
Defeedbackbestaatuiteenmatchingfeedbackalgoritmeen
verwaarloosbareverliezenindetransmissielijnen.
een fase feedback algoritme. De matching feedback meet de
magnitudevandereflectiecoe¨fficie¨ntaanelkegeneratorenstu- DANKWOORD
urt twee line stretchers corresponderend met een CT aan zodat
De auteur wenst volgende mensen te bedanken: ir. P. Du-
– m.b.v. single-stub matching – de reflecties worden gemini-
mortier,dr.A.Messiaen,Prof.dr.ir.H.Rogier,Prof.dr.ir.G.Van
maliseerd.
Oost,ir.M.VerviersenProf.dr.R.Weynants.
De fase feedback vereist demodulators om de gemeten RF
signalen om te zetten in DC signalen als input voor de DAQ
REFERENTIES
hardware. De gegevens worden vervolgens verwerkt door een
[1] P.DUMORTIER,A.MESSIAEN,S.BRONS,F.DURODIE, AICRFAn-
PC waarop de algoritmes in LabVIEW draaien. Deze pro- tenna and System Design for ITER (Laboratory Report n◦ 121), Royal
gramma’s genereren continu de sturingssignalen voor de line MilitaryAcademy–PhysicsDepartment,August2004.
stretchersengeneratoren.
4Ladingsresilie¨ntiewordtgedefinieerdalsintervallenwaarvoor|Γ|<0.2.

Introduction
This thesis studies a solution for the load-resilient impedance matching of an antenna array
employed for RF heating in the ITER project using a mock-up located at the Royal Mili-
tary Academy in Brussels. It includes the simulations, the implementation and the results
obtained on the mock-up. Where necessary, the source code for important simulations has
been added in Appendix A. In order to facilitate the reading, the code is available on an
accompanying CD located at the back of this bundle.
The thesis is divided in six chapters. The first chapter briefly introduces important fusion-
related concepts such as plasma confinement and plasma heating. Next, the RF heating
antenna system is discussed as well as the Conjugate-T system. Furthermore, it is explained
how the antenna system can be simulated using a mock-up. The third chapter studies the
matching network and the feedback algorithms are detailed in chapter 4. Finally, the im-
plementation of the full matching network on the mock-up is discussed in chapter 5 and the
results are presented in chapter 6.
1