深度剖析直脊波导耦合器的射频和热仿真

介绍

WR2300 半高型矩形波导广泛用于通过端脊和加速器腔之间的虹膜耦合功率以加速腔。然而，本研究仅关注过渡部分，因为光圈耦合根据腔体类型和耦合要求进行调整。高功率加速器系统中感兴趣的参数是回波损耗、插入损耗、谐振频率及其热行为。

本研究说明了使用 Solidworks 和 HFWorks 组合的设计和仿真功能，使用户能够设想和设计射频耦合器。提出了一种耦合 RF 到波导热分析的方法。HFWorks 的 S 参数模块与热耦合用于模拟此波导。

设计与仿真

图 1 显示了使用 Solidworks 设计的耦合器结构。这个结构由三部分组成。如图 2 所示，一个传入的矩形 WR2300 半高波导命名为第 I 部分，一个中心脊波导命名为第 II 部分，一个末端脊波导命名为第 III 部分。直脊波导耦合器的整体尺寸为400mm x 400mm x 150mm。

图 1 - 直脊波导耦合器的 3D Solidworks 模型

波导耦合器侧视图示意图如图2所示。使用 ATLASS［1］ 模拟TE 10模式的截止频率随脊间隙的变化，如图 3 所示。

图 2 - 波导耦合器示意图

几何参数可以在文件中定义，并使用软件的方程式功能导入 Solidworks。这些参数总结在表 1 中。

表 1 - 耦合器的尺寸细节

结果

图 3 显示了使用 ATLASS 通过改变脊间隙的TE 10模式的截止频率变化。

图 3 - 脊间隙函数中的截止频率

使用 HFWorks模拟的回波损耗S 11和插入损耗S 21以及耦合器的测量结果如图 4 所示。波导耦合器的谐振频率为 0.353 GHz，如图 4 所示。

图 4 - 直脊波导耦合器的回波和插入损耗

HFWorks 自动计算耦合器壁上的导体损耗，即热负载，并将其馈送到热模块，假设入射功率为 250kW。假设周围空气的连接传热系数 （h） 为 1000 W / m 2 K ，环境温度为 293 K。

图 5 - 0.353 GHz 和 250kW 入射功率下的温度分布

温度分布如图5所示。显然，尽管入射功率为 250kW，但温度几乎没有增加，这确保了波导上没有任何热水器结构缺陷。

结论

使用 HFWorks 模拟了用于将功率耦合到加速器的 RF 直脊波导耦合器。介绍了插入损耗、回波损耗和谐振频率，并与测量数据 ［2］ 进行了比较，显示出良好的一致性。不幸的是，该参考没有任何热模拟。因此，我们在不与任何参考比较的情况下提供热结果。