BJ84矩形波導(dǎo)溫升有限元仿真

鄧 達，呂宏坤

（1.上海子波電子科技有限公司，上海 200072；2.首鋼總公司設(shè)備部，北京 100041）

0 引言

文獻［1］計算出了BJ84矩形波導(dǎo)在傳導(dǎo)頻率為10 GHz的連續(xù)波、傳輸?shù)钠骄β嗜萘繛? 019 W時，其溫升為41℃，峰值功率為1.547 MW，允許功率為516 k W。因此，在BJ84矩形波導(dǎo)傳導(dǎo)高于2 019 W的10 GHz的連續(xù)波時，應(yīng)該有一極限值使得BJ84矩形波導(dǎo)既不會被擊穿，也不會因波導(dǎo)損耗引起的溫升過高而導(dǎo)致其不能使用（過高的溫度會使得波導(dǎo)的機械性能大大降低而損壞，或者使得波導(dǎo)附近的電子設(shè)備環(huán)境溫度超標(biāo)等等）?；谝陨戏治觯疚睦肍EM仿真軟件對BJ84矩形波導(dǎo)在傳導(dǎo)10 k W連續(xù)波時的溫升情況進行了電磁場－熱場耦合仿真分析，以探尋一個通過有限元技術(shù)來獲取矩形直波導(dǎo)使用功率極限的辦法，也為波導(dǎo)在傳輸10 k W連續(xù)波時是否添加冷卻水套或散熱片提供理論依據(jù)。

1 仿真步驟分析

波導(dǎo)在傳輸微波時溫度升高的原因是波導(dǎo)在傳輸微波過程中存在損耗，這些損耗主要包括波導(dǎo)傳輸介質(zhì)和波導(dǎo)壁因表面電阻內(nèi)通過表面電流引起的損耗。由于將要分析的波導(dǎo)的傳輸介質(zhì)是干燥空氣，它引起的損耗可以忽略不計，因此波導(dǎo)溫升主要是由于波導(dǎo)壁的表面電阻內(nèi)通過的表面電流產(chǎn)生的功耗引起的。為計算波導(dǎo)傳輸過程中的電阻損耗，可利用微擾法，通過讀取波導(dǎo)電磁場仿真分析結(jié)果中波導(dǎo)壁上的磁場強度分布（即表面電流密度分布），再根據(jù)公式（其中，pav為平均功率流密度，H 為磁場強度，Rs為表面電阻）來計算波導(dǎo)壁處透射波的平均功率流密度，并利用表面單元面積獲得該處的功率損耗，然后利用全局矩陣變量將這些結(jié)果傳遞到波導(dǎo)的熱場分析模型中進行穩(wěn)態(tài)熱分析。矩形波導(dǎo)電磁－熱順序耦合分析流程如圖1所示。

圖1 矩形波導(dǎo)電磁－熱順序耦合分析流程

為了驗證上面流程的正確性和可靠性，首先我們給BJ84矩形直波導(dǎo)施加2 019 W的連續(xù)波功率激勵，對流換熱系數(shù)參考暖氣片的空氣自然對流換熱系數(shù)，其余物理參數(shù)均參考文獻［1］中數(shù)據(jù)，如果計算結(jié)果同文獻［1］的溫度條件相符，即認為上述分析流程是正確和可靠的。然后再給BJ84矩形波導(dǎo)施加10 k W的功率激勵，其余物理參數(shù)不變，計算波導(dǎo)壁的溫升情況。

2 分析模型及結(jié)果

2.1 仿真物理幾何參數(shù)

幾何尺寸（m）：1.0×0.031 75×0.015 875；

工作頻率（GHz）：10；

電導(dǎo)率（s／m）：1.57×107（黃銅），

3.25×107（黃銅 H96）；

導(dǎo)熱系數(shù)［W／（m·k）］：109.0；

空氣對流換熱系數(shù)［W／（m2·k）］：兩側(cè)面為7～8，上下面4～5；激勵功率（k W）：2.019和10；環(huán)境溫度（℃）：30。

2.2 仿真分析模型

圖2為電磁分析模型局部網(wǎng)格圖，圖3為熱分析模型局部網(wǎng)格圖。

2.3 仿真分析結(jié)果

BJ84矩形波導(dǎo)在環(huán)境溫度為30℃、波導(dǎo)壁最高溫度為71℃、通過10 GHz平均功率容量為2 019 W的微波時，當(dāng)空氣對流換熱系數(shù)兩側(cè)面為8 W／（m2·K）、上下面為5W／（m2·K）時的最終溫度分布見圖4；當(dāng)空氣對流換熱系數(shù)兩側(cè)面為7 W／（m2·K）、上下面為4 W／（m2·K）時的最終溫度分布見圖5；當(dāng)空氣對流換熱系數(shù)兩側(cè)面為8 W／（m2·K）、上下面為5 W／（m2·K）、激勵功率為10 k W、電導(dǎo)率為1.57×107S／m時的最終溫度分布見圖6。

圖2 電磁分析模型局部網(wǎng)格

圖3 熱分析模型局部網(wǎng)格

從圖4和圖5可以看出，BJ84矩形波導(dǎo)在傳導(dǎo)10 GHz激勵功率為2 019 W的連續(xù)波時，其溫升在41.62℃～51.62℃之間，這與文獻［1］的理論分析結(jié)果基本一致，其計算結(jié)果精度在可接受范圍內(nèi)。

圖4 空氣對流較強時BJ84矩形波導(dǎo)的溫度分布

圖5 空氣對流較弱時BJ84矩形 波導(dǎo)的溫度分布

圖6 激勵功率為10 kW時BJ84 矩形波導(dǎo)的溫度分布

3 降低波導(dǎo)溫升的措施及結(jié)果

從圖6可以看出，波導(dǎo)在傳輸10 k W連續(xù)波時，其溫升達到了237℃，雖然離黃銅的熔點1 083℃還很遠，但大大降低了波導(dǎo)的機械強度，而且會引起其他電子設(shè)備環(huán)境溫度升高，進而影響其他電子設(shè)備的正常工作，因此必須降低波導(dǎo)的溫升。降低波導(dǎo)溫升一般可以通過給波導(dǎo)上水套或者添加散熱片。由于添加水套會增加一套波導(dǎo)的冷卻系統(tǒng)，而且還要考慮冷卻液泄漏的防止問題，因此該方法不是首選辦法。

基于以上分析，本文采用了給矩形波導(dǎo)添加散熱片的辦法來降低波導(dǎo)溫升，為了檢驗該方法的正確性和可行性，在只改變模型的情況下利用前面的仿真流程，對其溫升進行了仿真分析。添加散熱片后，當(dāng)空氣對流換熱系數(shù)兩側(cè)面、上下面和散熱片均為6 W／（m2·K）、激勵功率為10 k W、電導(dǎo)率為1.57×107S／m時波導(dǎo)的最終溫度分布見圖7。從圖7可以看出，散熱片的降溫作用是非常明顯的，特別是波導(dǎo)中間部分，溫升降到了原來的1／4，實際波導(dǎo)中還有法蘭，這也相當(dāng)于添加了一個散熱片，因此可以預(yù)計實際中最高溫度能降到110℃以下，這樣最高溫升就可以降到原來的1／3左右。

圖7 添加散熱片后BJ84矩形波導(dǎo)溫度分布圖

4 結(jié)論

本文基于多物理場仿真軟件ANSYS，參考文獻［1］中的數(shù)據(jù)對BJ84矩形波導(dǎo)傳輸連續(xù)波時波導(dǎo)溫升仿真流程的正確性和可靠性進行了檢驗，結(jié)果表明該分析方法是可靠的。

利用已檢驗過的仿真分析流程，仿真了BJ84矩形波導(dǎo)在傳輸10 k W連續(xù)波時波導(dǎo)壁的溫度分布，分析發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)壁溫升過高。在此基礎(chǔ)上，建立了添加散熱片的波導(dǎo)溫升仿真模型，并進行了仿真計算，結(jié)果表明散熱片的降溫效果明顯。

［1］ 王典成，虞萍.矩形波導(dǎo)功率容量研究［J］.現(xiàn)代雷達，1993（8）：62－65.

［2］ 沈熙寧.電磁場與電磁波［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.