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Thermostrukturelles Verhalten des HF-Mikrowellen-Leistungsteilers

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Anwendungen

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Einführung

Hochfrequenz- und Mikrowellensysteme erfordern typischerweise perfekte Leistungsverteilungsnetze, die über zwei Arten von Mikrowellenstrukturen ausgeführt werden: Teiler zum Aufteilen eines Eingangssignals in zwei oder mehr Ausgangssignale und Kombinierer zum Zuordnen von HF-Eingangssignalen von mehreren Eingängen zu einem einzelnen HF-Ausgangssignal . Diese Strukturen sind in Hochleistungsanwendungen wie Beschleunigern, Radaren und Heizsystemen unverzichtbar, die eine hochgenaue Leistungsaufteilung (mit der erforderlichen Amplituden- und Phasenverteilung an den Ausgängen) und geringe Betriebsleistungsverluste erfordern.

Bei einem mittleren Leistungspegel werden Wellenleiterstrukturen üblicherweise für eine Vielzahl von Leistungsteilern/-kombinierern mit mehreren Anschlüssen verwendet. Eine solche Technologie ist auf Stromverteilungsnetze anwendbar, da sie inhärente Vorteile in Bezug auf die Belastbarkeit und die Signalintegrität mit der Eigenschaft eines geringen Leistungsverlusts bei hohen Frequenzen aufweist.
Es gibt viele Klassen von Leistungsteilern auf Wellenleiterbasis: T-Typ, Y-Typ, E-Typ, Magic Tee Waveguide (WG) -Übergang usw. Der in dieser Studie vorgeschlagene untersuchte WG-Leistungsteiler ist das Folded H-Plane-T-Stück Kreuzung. Es handelt sich um einen Drei-Port-Teiler, bei dem die Ausgabe- und Eingabearme in einer einzigen Ebene entlang einer einzigen Achse implementiert sind, wodurch weniger Platz im Gesamtsystem beansprucht wird. Die nächste Abbildung zeigt den funktionierenden Prototyp des analysierten Splitters.

Funktionsprototyp des vorgeschlagenen WG-Leistungsteilers
Abbildung 1 - Funktionsprototyp des vorgeschlagenen WG-Leistungsteilers [1]

Problembeschreibung

Der vorgeschlagene Waveguide-Leistungsteiler besteht aus 3 Anschlüssen. Es ermöglicht die Aufteilung der Eingangsleistung in zwei gleichphasige und gleichamplitudenförmige Signalausgänge. Die dreidimensionale geometrische Struktur des äußeren Kupfergehäuses mit seinem Luftraum ist in Abbildung 2 dargestellt. Es besteht aus vier Abschnitten: Der erste Einheitsabschnitt S1 besteht aus einem rechteckigen Standardwellenleiter WR-284, der von der Betriebsfrequenz abhängt (3,7 GHz) In unserem Fall, um die dominante Ausbreitungsmode sicherzustellen, folgte ein zweiter verjüngter Abschnitt S2, gefolgt von einem geraden Wellenleiterabschnitt S3, der zwei gleiche Ausgangsarme hervorbrachte. Die geometrischen Abmessungen der einzelnen Abschnitte sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Das 3D-Design des untersuchten Leistungsteilers
Abbildung 2 - Der 3D-Entwurf des untersuchten Leistungsteilers
Tabelle 1 - Geometrische Abmessungen
Sektion Abmessung (mm)
Abschnitt S1 width=72.136 Höhe=34,036 Länge=100
Abschnitt S2 width=121 Höhe=34,036 Länge=40,54
Abschnitt S3 width=121 Höhe=34,036 Länge=100
Abschnitt S4 (Arm1,2) width=43.659 Höhe=34,036 Länge=100

Simulations-Setup

Der S-Parameter-Löser von HFWorks wird verwendet, gekoppelt an die thermischen und strukturellen Fälle für einen Arbeitsfrequenzbereich von [3,45 GHz-3,9 GHz]. Die Eigenschaften der verwendeten Materialien sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2 - Materialeigenschaften
Material Relative Dielektrizitätskonstante Tangens des dielektrischen Verlusts Elektrische Leitfähigkeit (S/m) Wärmeleitfähigkeit (W/mK) Wärmeausdehnungskoeffizient (1/K) Elastizitätsmodul
(GPa)
Poisson-Verhältnis
Kupfer 1 0 5,96E + 7 401 1.6 E-5 110 0,343

Elektromagnetische Randbedingungen

Wave-Port: Die Wave-Port-Grenze wird auf die Eingangs- und Ausgangshohlraumports angewendet.

Thermische Randbedingungen

Für eine Anregungskraft von Der Index P am Ende entspricht 500 kW an den Eingangsanschluss angelegt wird, wird eine Wärmegrenzenkonvektion an die Innenflächen des Kupfergehäuses bei einer Umgebungstemperatur von 20 ° C angelegt und ein Konvektionskoeffizient auf eingestellt 11,5 W geteilt durch m im Quadrat C .

Strukturelle Randbedingungen

An den Seitenflächen des Kupfergehäuses, die den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen entsprechen, wird eine feste Randbedingung angelegt.
Angewandte mechanische Randbedingungen
Abbildung 3 - Angewandte mechanische Randbedingungen

Gittergewebe

Um die Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu verbessern, wurde eine Feinmaschenkontrolle auf das untersuchte Modell angewendet, wie in der nächsten Abbildung des vermaschten Modells gezeigt.

Meshed-Modell
Abbildung 4 - Maschenmodell

Ergebnisse

Eine Fast-Sweep-S-Parameter-Studie für den Frequenzbereich von [3,45 GHz-3,9 GHz] ergab die nächsten Ergebnisse für eine Resonanzfrequenz um 3,7 GHz:

Die Verteilung des elektrischen Feldes gegenüber der Phase ist in der nächsten Abbildung dargestellt. Es zeigt eine hervorragende Leistungsteilung bei 3,7 GHz.

Elektrisches Feld-Animation gegen Phase
Abbildung 5 - Animation des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Phase.

Der Frequenzgang des Splitters ist im nächsten 2D-Diagramm der Ergebnisse der Rückführungs- und Einfügungsverluste (S11-S21) dargestellt. Es zeigt eine akzeptable Reaktion unter -20 dB für eine Bandbreite von 140 MHz, die um 3,7 GHz zentriert ist.

Ergebnisse der Rückleitung und Einfügungsdämpfung im Verhältnis zur Frequenz
Abbildung 6 - Ergebnisse der Rückführung und Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz

Thermische Ergebnisse

HFWorks wird mit einem integrierten Thermolöser geliefert. Es ermöglicht die Analyse des thermischen Verhaltens Ihres Hochfrequenzdesigns durch Berechnung der Temperatur, des Temperaturgradienten und des Wärmeflusses aufgrund der thermischen Belastungen, die in unserem Fall durch die Leiterverluste verursacht werden.

Eine stationäre thermische Analyse des Leistungsteilers wurde bei einer Resonanzfrequenz von 3,7 GHz durchgeführt. Für eine Eingangsleistungserregung von 500 kW, die an den Eingangsanschluss bei einer Umgebungstemperatur von 20 ° C und unter den genannten thermischen Randbedingungen angelegt wird, liefert die Simulation die folgenden Ergebnisse:

Die Temperaturverteilung über das Metallgehäuse ist in Abbildung 7 dargestellt. es wird ein maximaler Wert von 573 ° C quer zu den Ausgangsarmen erreicht. Dieser Temperaturanstieg kann in der Struktur nicht toleriert werden; Es beeinträchtigt die Sicherheit bei der Handhabung und verringert die elektromagnetische Leistung.

Temperaturverteilung bei 3,7 GHz
Abbildung 7 - Temperaturverteilung bei 3,7 GHz

Strukturelle Ergebnisse

Der thermische Löser leitet die thermischen Lasten an den strukturellen Löser weiter, der die endgültigen Spannungen und Verschiebungen berechnet, die sich auf das elektromagnetische Verhalten des Teilers auswirken, während die angewendeten strukturellen Einschränkungen berücksichtigt werden.

Die nächste Abbildung zeigt die thermische Von-Mises-Spannungsverteilung über das Metallteil. Die maximale Beanspruchung an bestimmten Stellen beträgt 3,72 E + 9 N/m² und die maximale Verformung beträgt bis zu 1,2 mm.

Von-Mises-Spannungsverteilung
Abbildung 8 - Von-Mises-Spannungsverteilung
Mechanische verschiebung animation
Abbildung 9 - Animation der mechanischen Verschiebung

Selbst bei kleinen Verformungen kann es, wenn es dauerhaft ist, die S-Parameter der Struktur verschlechtern und die Lebensdauer nach wiederholter Verwendung verkürzen. Daher ist eine erzwungene Konvektionskühlung erforderlich, um den Leistungsteiler abzukühlen und seine volle Effizienz über einen langen Arbeitszyklus zu erhalten.

Fazit

Das thermische und strukturelle Management des HF-Leistungsteilers/-kombinators ist bei hoher durchschnittlicher Leistung extrem erforderlich. Es ermöglicht, die induzierten thermischen Spannungen zu vermeiden, die sich auf ihre Struktur auswirken, und begrenzt dann ihre effektive Lebensdauer. In diesem Beispiel ermöglicht eine erzwungene Konvektionskühlung, den Temperaturanstieg der Struktur auf einen zehnmal niedrigeren Wert als im ungekühlten Fall gemäß der Referenz [1] zu reduzieren. Eine solche Lösung trägt dazu bei, die Belastbarkeit dieser Komponenten auf Wellenleiterbasis zu verbessern.

Verweise

[1]. Dixit, Harish V., et al. "Design data for quick development of folded H plane tee at high average power level." S?dhan?43.3 (2018): 33.
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