RF マイクロ波電力分配器の熱構造挙動

序章

無線周波数 (RF) およびマイクロ波システムは通常、2 種類のマイクロ波構造を介して実行される完全な配電ネットワークを必要とします。入力信号を 2 つ以上の出力信号に分割するディバイダーと、複数の入力からの RF 入力信号を単一の RF 出力信号に関連付けるコンバイナーです。 .これらの構造は、高精度の電力分割 (出力で必要な振幅と位相の分布を伴う) と低い動作電力損失を必要とする加速器、レーダー、加熱システムなどの高出力アプリケーションに不可欠です。

高出力平均レベルでは、導波路ベースの構造が、さまざまなマルチポート電力分配器/結合器に一般的に使用されます。このような技術は、高周波での低電力損失の特性を備えた電力処理能力と信号の完全性における固有の利点により、配電ネットワークに適用できます。
導波路ベースのパワー ディバイダーには、T 型、Y 型、E 型、マジック ティー導波路 (WG) ジャンクションなど、多くの種類があります。この検討で提案された検討対象の WG パワー スプリッターは、折り畳まれた H プレーン ティーです。ジャンクション。これは、出力アームと入力アームが 1 つの軸に沿って 1 つの平面に実装されている 3 ポート ディバイダであるため、システム全体で占めるスペースが少なくなります。次の図は、解析されたスプリッターの動作プロトタイプを示しています。

問題の説明

提案されている導波路電力分割器は、3 つのポートで構成されています。入力電力を 2 つの等位相および等振幅信号出力に分割できます。エア キャビティを備えた外側の銅製ハウジングの 3D 幾何学的構造を図 2 に示します。これは 4 つのセクションで構成されています。最初のユニット セクション S1 は、動作周波数 (3.7 GHz で伝搬の支配的なモードを確保するための私たちのケース）、2番目のテーパーセクションS2に続いて、2つの等しい出力アームを生み出すストレート導波路セクションS3が続きます。各セクションの幾何学的寸法を表 1 に示します。

セクション	寸法 (mm)
セクション S1	幅=72.136	高さ=34.036	長さ=100
セクション S2	幅=121	高さ=34.036	長さ=40.54
セクション S3	幅=121	高さ=34.036	長さ=100
セクション S4 (アーム 1、2)	幅=43.659	高さ=34.036	長さ=100

シミュレーションの設定

[3.45GHz-3.9GHz] の動作周波数範囲の熱および構造ケースに結合された HFWorks の S パラメータ ソルバーが使用されます。使用した材料の特性を表 2 にまとめます。

材料	比誘電率	誘電正接	電気伝導率 (S/m)	熱伝導率 (W/mK)	熱膨張係数 (1/K)	弾性率 (GPa)	ポアソン比
銅	1	0	5.96E+7	401	1.6 E-5	110	0.343

電磁境界条件

ウェーブ ポート:ウェーブ ポート境界は、入力および出力キャビティ ポートに適用されます。

熱境界条件

の励起電力の場合入力ポートに熱境界対流を適用すると、周囲温度 20°C で熱境界対流が銅製ハウジングの内面に適用され、熱伝達係数は .

構造境界条件

入力ポートと出力ポートに対応する銅製ハウジングの側面には、固定境界条件が適用されます。

メッシュ

得られた結果の精度を高めるために、次のメッシュ モデルの図に示すように、検討対象のモデルに細かいメッシュ調節を適用しました。

結果

[3.45GHz-3.9GHz] の周波数範囲の高速掃引 S パラメータの調査により、3.7 GHz 付近の共振周波数の次の結果が明らかになりました。

電界分布対位相は、次の図に示されています。 3.7GHzで優れた電力分割を示しています。

スプリッターの周波数応答は、リターン損失と挿入損失 (S11-S21) の結果の次の 2D プロットに示されています。 3.7GHz を中心とした 140MHz の帯域幅で、-20dB 未満の許容可能な応答を示しています。

熱結果

HFWorks には統合されたサーマル ソルバーが付属しています。この場合、導体損失によって引き起こされる熱負荷による温度、温度勾配、および熱流束を計算することにより、高周波設計の熱的挙動を分析できます。

パワースプリッターの定常状態の熱解析は、3.7GHz の共振周波数で実行されました。 20°C の周囲温度で前述の熱境界条件の下で入力ポートに適用される 500kW の入力電力励起の場合、シミュレーションは次の結果を示します。

金属製ハウジング全体の温度分布を図 7 に示します。出力アームを横切る最大値は 573°C です。この温度上昇は構造上許容できません。取り扱いの安全性に影響を与え、電磁性能を低下させます。

構造結果

熱ソルバーは、熱負荷を構造ソルバーに送ります。構造ソルバーは、適用された構造拘束を考慮しながら、スプリッターの電磁的挙動に影響を与える最終的な応力と変位を計算します。

次の図は、金属部品全体の熱フォン ミーゼス応力分布を示しています。特定のポイントで得られる最大応力は 3.72 E+9 N/m² で、最大変形は 1.2 mm です。

わずかな変形であっても、それが永久的なものである場合、構造の S パラメータが低下し、繰り返し使用すると寿命が短くなる可能性があります。そのため、電力分配器を冷却し、長い動作サイクルで完全な効率を維持するには、強制対流冷却が必要です。

結論

高い平均電力レベルでは、RF 電力分配器/結合器の熱および構造管理が非常に必要です。構造に影響を与え、有効な耐用年数を制限する、誘発された熱応力を回避することができます。この例では、参考文献 [1] によると、強制対流冷却により、構造の温度上昇を非冷却の場合の 10 分の 1 にまで下げることができます。このようなソリューションは、これらの導波路ベースのコンポーネントの電力処理能力を向上させるのに役立ちます。

参考文献