Калориметрические измерения ВЧ-сигнала большой мощности

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.

1. Попов, 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.

2. 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.

3. 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/COATINGS11070801

4. Jiang 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: 10.1063/1.3507883

5. Ryu 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.2012.2197001

6. Кириллов П.Л. Теплообмен в турбулентном потоке. Ч. 2. Распределение скорости и температуры / П.Л. Кириллов // Атомная энергия. – 2017. – Т. 122. – № 4. – С. 192–203.

7. 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/vsgtu1483

8. Андреопулос 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.

9. 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/S0869864322040060

10. Manzhai 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/S1068335617120016

11. Лобанов 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.

12. 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.

13. 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/j03209601-202102-05

14. Рекомендации МСЭ-R серии P. 527-4, Электрические характеристики земной поверхности. Серия Р. Распространение радиоволн, 2017, № 06.