pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2024-15-3-248-258pimi-893Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsКалориметрические измерения ВЧ-сигнала большой мощностиCalorimetric Measurements of a High-Power RF SignalБударагинР. B.BudaraginR. V.

ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород 603950

Minin str., 24, Nizhny Novgorod 603950

СаласенкоЗ. Ю.SalasenkoZ. Ju.

Адрес для переписки:

Саласенко З.Ю. –Нижегородский государственный технический университет, ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород 603950, Россияe-mail: zina.salasenko@mail.ru

Address for correspondence:Salasenko Z.Iu. – Nizhny Novgorod State Technical University, Minin str., 24, Nizhny Novgorod 603950, Russia e-mail: zina.salasenko@mail.ru

zina.salasenko@mail.ruСеровА. Д.SerovA. D.

ул. Нартова, 2, этаж 2, помещ. 5, г. Нижний Новгород 603098

Nartov str., 2, 5, Nizhny Novgorod 603098

ЦветковаИ. А.TsvetkovaI. A.

ул. Парковая, 8, г. Саров 607328, Нижегородская область

Parkovaya str., 8, Sarov 607328, Nizhny Novgorod region

Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevRussian FederationНаучно-производственное предприятие «Юнион»РоссияScientific and Production Enterprise “Union”Russian FederationФилиал Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в г. СаровРоссияBranch of Lomonosov Moscow State University in SarovRussian Federation202406112024153248258Copyright © Бударагин Р.B., Саласенко З.Ю., Серов А.Д., Цветкова И.А., 20242024Бударагин Р.B., Саласенко З.Ю., Серов А.Д., Цветкова И.А.Budaragin R.V., Salasenko Z.J., Serov A.D., Tsvetkova I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/893

Представлена  разработка  измерителя  ВЧ-сигналов  большой  мощности,  основанного на методе калориметрических измерений, который в ряде случаев является единственно возможным. Устройство представляет систему элементов, обменивающихся либо энергией, либо информацией, работа и взаимосвязь которых обеспечивает устойчивость его функционирования. Основными элементами измерителя являются: согласованная нагрузка и двухконтурная водовоздушная система охлаждения, преобразующие ВЧ-энергию сначала в тепловую энергию электрического тока, а затем во внутреннюю энергию теплоносителя (рабочего тела). Система измерения и управления обеспечивает отображение информации на монитор и выработку внутренних управляющих сигналов. В работе делается акцент на процессе преобразования энергии электромагнитного излучения во внутреннюю энергию теплоносителя, так как согласованная ВЧ-нагрузка интегрируется в систему охлаждения и требует специальных конструктивных и технологических решений для обеспечения эффективной работы. Для испытания разработанного ВЧ-поглотителя мощностью до 5 кВт спроектирована система охлаждения и измерения ВЧ-сигнала. Параметры системы охлаждения определялись исходя из минимизации времени достижения теплового равновесия (времени установления показаний) и заданных параметров (входная температура не более 35 °С, перепад температуры не более 40 °С). По электродинамической модели, построенной методом частичных областей, определены геометрические размеры, при которых коэффициент стоячей волны по напряжению нагрузки в рабочем частотном диапазоне (от постоянного тока до 1300 МГц) будет наименьшим. Представлены результаты проектирования измерителя большой ВЧ-мощности, охлаждаемого жидкостью (водой), рассматриваются происходящие в ней теплофизические процессы и влияние наличия теплоносителя в контуре охлаждения.

Development of a high-power RF signal meter based on the method of calorimetric measurements, which in some cases is the only possible one is presented. The device is as a system of elements exchanging either energy or information, the operation and interconnection of which ensures the stability of its functioning. The main elements of the device are: a coordinated load and a two-circuit water-air cooling system that convert RF energy first into thermal electrical energy, and then into internal energy of the coolant (working fluid). The measurement and control system provides information display on the monitor and generation of internal control signals. The work focuses on the process of converting electromagnetic energy into internal energy of the coolant, since the matched RF load is integrated into the cooling system and requires special design and technological solutions to ensure efficient operation. A cooling and measurement system has been designed to test the developed RF absorber with a power of up to 5 kW. The parameters of the cooling system were determined based on minimizing the time to achieve thermal equilibrium (time to establish readings) and the set parameters (input temperature no more than 35 °С, temperature difference no more than 40 °С). Based on calculations of the electrodynamic model constructed by the partial domain method, the geometric dimensions were determined at which the voltage standing wave ratio of the load in the operating frequency range (from DC to 1300 MHz) will be the smallest. The article presents the results of designing a high-frequency wattmeter cooled by a liquid (water), examines the thermophysical processes occurring in it and the influence of the presence of a coolant in the cooling circuit.

метод калориметрического детектированиясистема охлажденияметод частичных областейВЧ-нагрузкаcolorimetric detection methodcooling systempartial domains methodmicrowave loadReferencesПопов, И.А. Физические основы и промышленное применение интенсификации тепло-обмена: Интенсификация теплообмена: монография / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2009. – 560 с.Popov IA, Makhyanov HM, Gureev VM. Physical foundations and industrial application of heat transfer intensification: Heat transfer intensifi monograph. Kazan: Center for Innovative Technologies, 2009. 560 p.Власова, К.В. Структурная схема измерительного стенда для измерения электрической мощности калориметрическим методом / К.В. Власова // Вопросы устойчивого развития общества. – 2022. – № 4. – С. 987–991.Vlasova KV. Block diagram of a measuring stand for measuring electrical power by the calorimetric method. Issues of sustainable development of society. 2022;(4):987-991.Killinger A., Gantenbein G., Illy S., Ruess T., Weggen J., Martinez-Garcia V. Plasma Spraying of a Microwave Absorber Coating for an RF Dummy Load. THE Coatings, 11(7):801. DOI: 10.3390/COATINGS11070801Killinger A, Gantenbein G, Illy S, Ruess T, Weggen J, Martinez-Garcia V. Plasma Spraying of a Microwave Absorber Coating for an RF Dummy Load. Coatings 2021;11(7):801. DOI: 10.3390/COATINGS11070801Jiang H.C. Microwave power thin film resistors for high frequency and high power load applications / H.C. Jiang [et al.] // Applied Physics Letters. – 2010. – Vol. 97, No. 17. – P. 173504-3. DOI: 10.1063/1.3507883Jiang HC. [et al.] Microwave power thin film resistors for high frequency and high power load applications. Applied Physics Letters.2010;97(17):173504-3. DOI: 10.1063/1.3507883Ryu S.K. High-voltage ultra wideband coaxial load with distributed ceramic-carbon-rod resistor / S.K. Ryu [et al.] // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. – 2012. – Vol. 54, No. 3. – Pp. 681–684. DOI: 10.1109/TEMC.2012.2197001Ryu SK. [et al.] High-voltage ultra wideband coaxial load with distributed ceramic-carbon-rod resistor. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2012;54(3):681-684. DOI: 10.1109/TEMC.2012.2197001Кириллов П.Л. Теплообмен в турбулентном потоке. Ч. 2. Распределение скорости и температуры / П.Л. Кириллов // Атомная энергия. – 2017. – Т. 122. – № 4. – С. 192–203.Kirillov PL. Heat transfer in a turbulent flow. Part 2. Distribution of velocity and temperature. Atomic energy. 2017;122(4):192-203.Vlasova S.S., Prosviryakov E.Yu. Two-dimensional convection of an incompressible viscous fluid with theheat exchange on the free border, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara StateTech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2016, Vol. 20, No. 3. – Pp. 567–577. DOI: 10.14498/vsgtu1483Vlasova SS, Prosviryakov EYu. Two-dimensional convection of an incompressible viscous fluid with the heat exchange on the free border, Vestn. Samar. Gos.Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara StateTech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.]. 2016;20(3):567-577. DOI: 10.14498/vsgtu1483Андреопулос Я. Корреляция завихренности и скорости в сжимаемых потоках: экспериментальное исследование плотности спиральности в турбулентном потоке и вихрях / Я. Андреопулос // Электрохимия. – 2008. – Т. 44. – № 4. – С. 422–428.Andreopoulos Ya. Correlation of vorticity and velocity in compressible flows: experimental study of helicity density in turbulent flow and vortices. Electrochemistry. 2008;44(4):422-428.Salnikov M.V. Swirl flow in a cylindrical container: lattice Boltzmann equations and Navier-Stokes equations / M.V. Salnikov [et al.] // In: Thermophysics and Aeromechanics. – 2022. – Vol. 29, No. 4. – Pp. 531–541. DOI: 10.1134/S0869864322040060Salnikov MV. [et al.]. Swirl flow in a cylindrical container: lattice Boltzmann equations and Navier— Stokes equations. Thermophysics and aeromechanics. 2022;29(4):531-541. DOI: 10.1134/S0869864322040060Manzhai V.N. Behavioral model of macromolecules in a turbulent flow and its analytical consequences / V.N. Manzhai, K.B. Konovalov, M.A. Kazaryan // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2017. – Vol. 44, No. 12. – Pp. 347–349. DOI: 10.3103/S1068335617120016Manzhai VN, Konovalov KB, Kazaryan MA. Behavioral model of macromolecules in a turbulent flow and its analytical consequences. Brief reports on physics of the FIAN. 2017;44(12):347-349. DOI: 10.3103/S1068335617120016Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена в трубах с турбулизаторами при турбулентном течении при высоких числах Рейнольдса / И.Е. Лобанов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2017. – Т. 21. – № 4(78). – С. 69–77.Lobanov IE. Mathematical modeling of intensified heat transfer in pipes with turbulators in turbulent flow at high Reynolds numbers. Bulletin of the Ufa State Aviation Technical University. 2017;21(4(78)):69-77.Измерения генерируемой СВЧ-мощности и тепловых нагрузок при испытаниях прототипов гиротронов ИТЭР на испытательном стенде / В.И. Ильин [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. – 2011. – № 2. – С. 53–57.Ilyin VI. [et al.]. Measurements of the generated microwave power and thermal loads during testing of ITER gyrotron prototypes on a test bench. Issues of atomic science and technology. Series: Thermonuclear fusion. 2011;(2):53-57.Бударагин Р.В. Исследование относительной сходимости решения при расчете ступенчатых нерегулярностей в линии передачи методом частичных областей с использованием условия энергетической ортогональности / Р.В. Бударагин, Ю.А. Зыков, А.А. Радионов // Антенны. – 2021. – № 2(270). – С. 35–38. DOI: 10.18127/j03209601-202102-05Budaragin R, Zykov YuA, Radionov AA. The study of the relative convergence of the solution when calculating stepwise irregularities in a transmission line by the partial domain method using the energy orthogonality condition. Antennas. 2021;270(2):35-38. DOI: 10.18127/j03209601-202102-05Рекомендации МСЭ-R серии P. 527-4, Электрические характеристики земной поверхности. Серия Р. Распространение радиоволн, 2017, № 06.ITU-R recommendations of the P. 527-4 series, Electrical characteristics of the Earth's surface. Series R. Propagation of radio waves, 2017, No. 06.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.