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HF- und thermische Simulation von Straight Ridge Waveguide Coupler

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Anwendungen

Gebrauchte Werkzeuge:

Einführung

Rechteckwellenleiter vom Typ WR2300 mit halber Höhe werden häufig zum Koppeln von Leistung verwendet, um den Hohlraum durch eine Iris zwischen dem Endgrat und dem Beschleunigerhohlraum zu beschleunigen. Die vorliegende Studie konzentriert sich jedoch nur auf den Übergangsteil, da die Iriskopplung in Abhängigkeit von der Art des Hohlraums und den Kopplungsanforderungen angepasst wird. Die interessierenden Parameter in Hochleistungsbeschleunigersystemen sind Rückflussdämpfung, Einfügungsdämpfung, Resonanzfrequenz und deren thermisches Verhalten.

Diese Studie veranschaulicht die Konstruktions- und Simulationsfunktionen, die das Duo SolidWorks und HFWorks verwenden, um Benutzern das Vorstellen und Konstruieren von HF-Kopplern zu ermöglichen. Eine gekoppelte RF-zu-Thermo-Analyse des Wellenleiters wird vorgestellt. Zur Simulation dieses Wellenleiters wird das S-Parameter-Modul von HFWorks mit Kopplung an Thermal verwendet.

Design und Simulation

Abbildung 1 zeigt die mit SolidWorks erstellte Kopplerstruktur. Diese Struktur besteht aus drei Teilen. Ein ankommender rechteckiger WR2300-Wellenleiter halber Höhe mit der Bezeichnung Teil I, ein Wellenleiter mittlerer Rippe mit der Bezeichnung Teil II und eine Endrippe mit der Bezeichnung Teil III, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Gesamtgröße des Wellenleiterkopplers mit geradem Steg beträgt 400 mm x 400 mm x 150 mm .

Das 3D-Solidworks-Modell eines Wellenleiterkopplers mit geradem Grat
Abbildung 1 - Das 3D-Solidworks-Modell eines Wellenleiterkopplers mit geradem Grat

Das schematische Diagramm der Seitenansicht des Wellenleiterkopplers ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Variation der Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Firstlücke für den TE 10- Modus wird mit ATLASS [1] simuliert und in Abbildung 3 dargestellt.

Das Prinzipschaltbild des Wellenleiterkopplers
Abbildung 2 - Das schematische Diagramm des Wellenleiterkopplers

Die geometrischen Parameter können in einer Datei definiert und mit der Funktion Gleichungen der Software in Solidworks importiert werden. Diese Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1 - Maßangaben des Kupplers
Maßangaben des Kupplers

Ergebnisse

Fig. 3 zeigt die Änderung der Grenzfrequenz für den TE 10- Modus unter Verwendung von ATLASS durch Ändern des Gratabstands.

Grenzfrequenz in Abhängigkeit vom Kammspalt
Abbildung 3 - Grenzfrequenz in Abhängigkeit vom Kammspalt

Die mit HFWorks simulierte Rückflussdämpfung S 11 und Einfügungsdämpfung S 21 sowie die Messergebnisse des Kopplers sind in Abbildung 4 dargestellt. Der Wellenleiterkoppler schwingt mit 0,353 GHz mit, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Rückführungs- und Einfügungsverluste des geraden Stegwellenleiterkopplers
Abbildung 4 - Rückführungs- und Einfügungsverluste des Wellenleiterkopplers mit geradem Grat

HFWorks berechnet automatisch den Leiterverlust, dh die Wärmebelastung der Kopplerwände und speist ihn unter der Annahme einer Einfallsleistung von 250 kW in das Wärmemodul ein. Für die Umgebungsluft wird ein Wärmeübergangskoeffizient (h) von 1000 W/m 2 K und eine Umgebungstemperatur von 293 K angenommen.

Temperaturverteilung bei 0,353 GHz und einer Einfallsleistung von 250 kW
Abbildung 5 - Die Temperaturverteilung bei 0,353 GHz und einer Einfallsleistung von 250 kW

Die Temperaturverteilung ist in Abbildung 5 dargestellt. Es ist klar, dass die Temperatur trotz der einfallenden Leistung von 250 kW nur wenig ansteigt, wodurch sichergestellt wird, dass keine thermostrukturellen Defekte am Wellenleiter auftreten.

Fazit

Ein HF-Wellenleiterkoppler mit geradem Grat zum Koppeln der Leistung an Beschleuniger wird mit HFWorks simuliert. Der Einfügungsverlust, der Rückflussverlust und die Resonanzfrequenz werden dargestellt und mit gemessenen Daten [2] verglichen, die eine gute Übereinstimmung zeigen. Leider hat die Referenz keine thermische Simulation. Daher präsentieren wir die thermischen Ergebnisse ohne Vergleich mit irgendwelchen Referenzen.

Verweise

[1] https://www.emworks.com/product/ATLASS
[2] Rajesh Kumar, Mentes Jose, G.N. Singh, Girish Kumar and P.V. Bhagwat "RF characterization and testing of ridge waveguide transitions for RF power couplers ", published at Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 838, pp. 66-7, 2016