深度剖析直脊波導(dǎo)耦合器的射頻和熱仿真

介紹

WR2300 半高型矩形波導(dǎo)廣泛用于通過(guò)端脊和加速器腔之間的虹膜耦合功率以加速腔。然而，本研究?jī)H關(guān)注過(guò)渡部分，因?yàn)楣馊︸詈细鶕?jù)腔體類型和耦合要求進(jìn)行調(diào)整。高功率加速器系統(tǒng)中感興趣的參數(shù)是回波損耗、插入損耗、諧振頻率及其熱行為。

本研究說(shuō)明了使用 Solidworks 和 HFWorks 組合的設(shè)計(jì)和仿真功能，使用戶能夠設(shè)想和設(shè)計(jì)射頻耦合器。提出了一種耦合 RF 到波導(dǎo)熱分析的方法。HFWorks 的 S 參數(shù)模塊與熱耦合用于模擬此波導(dǎo)。

設(shè)計(jì)與仿真

圖 1 顯示了使用 Solidworks 設(shè)計(jì)的耦合器結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由三部分組成。如圖 2 所示，一個(gè)傳入的矩形 WR2300 半高波導(dǎo)命名為第 I 部分，一個(gè)中心脊波導(dǎo)命名為第 II 部分，一個(gè)末端脊波導(dǎo)命名為第 III 部分。直脊波導(dǎo)耦合器的整體尺寸為400mm x 400mm x 150mm。

圖 1 - 直脊波導(dǎo)耦合器的 3D Solidworks 模型

波導(dǎo)耦合器側(cè)視圖示意圖如圖2所示。使用 ATLASS［1］ 模擬TE 10模式的截止頻率隨脊間隙的變化，如圖 3 所示。

圖 2 - 波導(dǎo)耦合器示意圖

幾何參數(shù)可以在文件中定義，并使用軟件的方程式功能導(dǎo)入 Solidworks。這些參數(shù)總結(jié)在表 1 中。

表 1 - 耦合器的尺寸細(xì)節(jié)

結(jié)果

圖 3 顯示了使用 ATLASS 通過(guò)改變脊間隙的TE 10模式的截止頻率變化。

圖 3 - 脊間隙函數(shù)中的截止頻率

使用 HFWorks模擬的回波損耗S 11和插入損耗S 21以及耦合器的測(cè)量結(jié)果如圖 4 所示。波導(dǎo)耦合器的諧振頻率為 0.353 GHz，如圖 4 所示。

圖 4 - 直脊波導(dǎo)耦合器的回波和插入損耗

HFWorks 自動(dòng)計(jì)算耦合器壁上的導(dǎo)體損耗，即熱負(fù)載，并將其饋送到熱模塊，假設(shè)入射功率為 250kW。假設(shè)周圍空氣的連接傳熱系數(shù) （h） 為 1000 W / m 2 K ，環(huán)境溫度為 293 K。

圖 5 - 0.353 GHz 和 250kW 入射功率下的溫度分布

溫度分布如圖5所示。顯然，盡管入射功率為 250kW，但溫度幾乎沒有增加，這確保了波導(dǎo)上沒有任何熱水器結(jié)構(gòu)缺陷。

結(jié)論

使用 HFWorks 模擬了用于將功率耦合到加速器的 RF 直脊波導(dǎo)耦合器。介紹了插入損耗、回波損耗和諧振頻率，并與測(cè)量數(shù)據(jù) ［2］ 進(jìn)行了比較，顯示出良好的一致性。不幸的是，該參考沒有任何熱模擬。因此，我們?cè)诓慌c任何參考比較的情況下提供熱結(jié)果。