深度剖析直脊波導耦合器的射頻和熱仿真

介紹

WR2300 半高型矩形波導廣泛用于通過端脊和加速器腔之間的虹膜耦合功率以加速腔。然而，本研究僅關注過渡部分，因為光圈耦合根據(jù)腔體類型和耦合要求進行調(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。

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

設計與仿真

圖 1 顯示了使用 Solidworks 設計的耦合器結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)由三部分組成。如圖 2 所示，一個傳入的矩形 WR2300 半高波導命名為第 I 部分，一個中心脊波導命名為第 II 部分，一個末端脊波導命名為第 III 部分。直脊波導耦合器的整體尺寸為400mm x 400mm x 150mm。

圖 1 - 直脊波導耦合器的 3D Solidworks 模型

波導耦合器側(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入 Solidworks。這些參數(shù)總結(jié)在表 1 中。

表 1 - 耦合器的尺寸細節(jié)

結(jié)果

圖 3 顯示了使用 ATLASS 通過改變脊間隙的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以及耦合器的測量結(jié)果如圖 4 所示。波導耦合器的諧振頻率為 0.353 GHz，如圖 4 所示。

圖 4 - 直脊波導耦合器的回波和插入損耗

HFWorks 自動計算耦合器壁上的導體損耗，即熱負載，并將其饋送到熱模塊，假設入射功率為 250kW。假設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 直脊波導耦合器。介紹了插入損耗、回波損耗和諧振頻率，并與測量數(shù)據(jù) ［2］ 進行了比較，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，我們在不與任何參考比較的情況下提供熱結(jié)果。