Opera-3d中射频腔的电磁,热和应力分析

七月 8, 2019by OPERAFEA0
介绍

许多高频设备在高功率下运行,如果不加以控制,材料损失会导致温度显着升高。在这样的设备中,重要的是要知道温度分布以确定尺寸和材料特性变化对性能的影响,以确保不超过允许的最大工作温度和材料应力,并且如果需要,可以实现热量要设计的管理系统。显然,模拟这些效应需要能够在同一物理模型上进行电磁,热和机械分析。一段时间以来,Opera-3d已经能够执行这样的多物理场模拟,该工具的一个特征是所有相关结果从分析的一个阶段传递到后续阶段而无需用户干预。这包括由热和应力分析产生的变形 – 允许立即评估尺寸变化的影响。最近的发展增加了专门用于计算与高频应用相关的效果的功能。

RF器件通常包含低导电率和高导电率的各种材料。例如,前者可能是故意有损耗的电介质,用作负载; 后者包括金属结构,其损失是不可避免的。热损失的评估需要知道材料内的电流分布。电流随深度的特征速率衰减,取决于频率和材料特性 – 导致趋肤深度的概念。由于Opera-3d分析使用有限元,通常的要求是垂直于表面的网格元素大小必须足够小以分辨趋肤深度。

对于低导电率,小于10 S / m的材料,即使在GHz频率下,趋肤深度也为毫米量级。这样的距离通常与RF部件的物理尺寸相当,并且可以用可行的网格尺寸相对容易地捕获电流分布。即使物理尺寸远大于趋肤深度,Opera-3d也包括网格分层和六面体/棱镜元素等特征,使这些结构能够与高纵横比的体积元素进行网格划分。然而,随着电导率朝着典型金属的电导率增加,趋肤深度变得很小,以至于这些工具不能提供足够的电流分布分辨率,并且必须采用不同的方法。

在Opera-3d中,采用的方法是通过表面阻抗边界条件(SIBC)表示材料属性。在此,计算表面电流密度,然后根据已知的电流随深度衰减来评估损耗功率密度; 在皮肤深度远小于物理尺寸的地方,这是一个出色的工程近似。

下面的示例说明了Opera评估包含高导电率和低导电率材料的器件的耗散能力,以及将高频EM结果与热和应力分析相结合的能力。选择的示例是RF四极杆(RFQ),通常用于低能粒子加速器。

射频四极杆

静磁和静电四极结构通常用作粒子束装置中的聚焦元件和光谱仪中的分析部件。对静电四极杆的改进 – 在极片上引入纹波 – 可以在正确频率下驱动时聚焦,聚集和加速粒​​子。然而,这种装置的许多示例在高功率下操作,并且该设计必须减轻损失对装置的温度和变形的影响。

图1中的剖视图显示了本例中使用的RF四极杆(RFQ)的结构。它包括一组成形的杆和位于真空室内的RF馈送探针; 冷却管连接到真空室的外部。大多数结构由高导电率材料制成,并且在EM分析中使用SIBC表示。同轴馈电探针中的电介质是网状的。

 

图1 RFQ几何图形

图1 RFQ几何图形

在分析的第一部分中,使用Opera的EM特征值求解器(称为Modal HF)确定正确的模态频率。然后在Harmonic HF求解器中以此频率驱动该模型,然后进行热和压力模拟。这三个分析使用Opera Multiphysics进行。图2显示了原始几何形状谐波驱动时的电场幅度。元件损耗的功耗自动传递给Opera热解算器,并产生温度曲线,如图2所示.Opera Multiphysics然后将温度曲线传递给应力求解器,在应力求解器中计算应力和变形。变形在图3中很明显,其中变形的几何体 – 夸大并以网格轮廓描绘 – 覆盖在原始几何体上。

应力分析中的变形几何形状可用于后续分析,以评估其对性能的影响。

图2电场幅度和温度曲线

图2电场幅度和温度曲线

图3由热诱导应力引起的几何形状变形(显示为网格轮廓)

图3由热诱导应力引起的几何形状变形(显示为网格轮廓)


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