Волновод нагревается, когда RF-потери преобразуются в тепло. Однако входная мощность и потери сами по себе не определяют температуру. Нужны условия теплоотвода, среда, время работы и состояние контактов. 100 W не являются общей границей перегрева.
Где возникает тепло
Один из источников — проводниковые потери из-за конечной проводимости стенок. В прямой трубе с воздухом обычно нет объёмных потерь сплошного твёрдого диэлектрика. Окна, опоры и диэлектрическое заполнение требуют отдельного анализа.
Плохой контакт фланцев, загрязнение, деформация и высокая плотность тока могут создавать локальный нагрев. Горячая точка возможна и при небольших суммарных потерях.
Перевод потерь в dB в тепловую мощность
Если отражением и внешней утечкой можно пренебречь, а потери соответствуют рассматриваемой внутренней диссипации, приблизительно Pтепло = Pin[1−10−L/10]. L — потери участка в dB, мощность подставляется в W.
При условном входе 1 kW и 0,1 dB в тепло переходят примерно 22,8 W; при 0,5 dB — около 108,7 W. Это расчётные примеры, а не гарантированные параметры любого размера WR.
Использование только S21 может ошибочно приписать отражённую мощность нагреву. В подходящей одномодовой двухпортовой схеме с согласованным выходом отсутствующая в учтённых волнах доля мощности равна 1−|S11|²−|S21|². Если энергия уходит в излучение или неизмеренные моды, она не полностью превращается в тепло металла.
Как читать потери WR-90
Microwaves101 приводит расчёт около 0,108 dB/m для идеального медного WR-90 при 10 GHz. Реальные поверхности, материалы и соединения меняют результат. 0,5 dB/m не являются универсальным значением каждого медного WR-90.
Для данных в dB/m учитывайте длину. Не смешивайте локальные потери перехода или фланца с погонным затуханием прямой трубы.
Электрическая и тепловая проводимость
Электропроводность σ в S/m характеризует перенос тока. Для хорошего проводника поверхностное сопротивление приблизительно Rs ≈ √(πfμ/σ). Важны частота, магнитная проницаемость и состояние поверхности.
Теплопроводность k в W/(m·K) описывает перенос тепла. Это другая величина. Тепловое сопротивление контактов, толщина стенки и крепление влияют на охлаждение.
Температура по тепловой модели
В простой стационарной сосредоточенной модели ΔT ≈ PтеплоRθ. При условных 22,8 W и 0,5 K/W до окружающей среды получается примерно 11,4 K превышения температуры. Rθ зависит от формы, монтажа, конвекции и излучения.
После включения существенны теплоёмкость и время. Одна точка на внешней стенке не обязательно показывает максимальную температуру окна или контакта. Фиксированного нагрева на 10–20 °C на каждый метр не существует.
При измерении тепловизором учитывайте излучательную способность поверхности и отражение от блестящего металла. Контактный датчик также имеет особенности крепления и теплового контакта. Сравнивайте одинаковые места и режимы.
Средняя и пиковая мощность
Для идеальных прямоугольных импульсов средняя мощность равна пиковой, умноженной на длительность импульса и частоту повторения. Пробой при пиковом поле оценивают отдельно от среднего нагрева.
Отражающая нагрузка меняет распределение полей стоячей волны. Низкая температура не подтверждает запас по пиковой мощности. VNA со слабым сигналом не заменяет испытание в номинальном режиме.
Что проверять при повышении температуры
- Записать частоту, входную мощность, отражение нагрузки и режим работы.
- Сравнить потери и температуру в одинаковых условиях.
- По установленной процедуре отключить систему, при необходимости снять давление и осмотреть контакты.
- Проверить изменения крепления, вентиляции и охлаждения.
- Учесть ограничения окон, уплотнений и соседних деталей.
Вентилятор или жидкостное охлаждение выбирают по тепловому расчёту и конструкции, а не как обязательное решение для любого волновода. Температура ниже 100 °C не означает допустимость для каждого изделия. Рассматривайте потери волновода вместе с RF- и тепловыми данными оборудования.
