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矩形波導在傳導頻率為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矩形波導傳導高于2 019 W的10 GHz的連續(xù)波時，應該有一極限值使得BJ84矩形波導既不會被擊穿，也不會因波導損耗引起的溫升過高而導致其不能使用（過高的溫度會使得波導的機械性能大大降低而損壞，或者使得波導附近的電子設(shè)備環(huán)境溫度超標等等）?；谝陨戏治?，本文利用FEM仿真軟件對BJ84矩形波導在傳導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)來獲取矩形直波導使用功率極限的辦法，也為波導在傳輸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

波導在傳輸微波時溫度升高的原因是波導在傳輸微波過程中存在損耗，這些損耗主要包括波導傳輸介質(zhì)和波導壁因表面電阻內(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，因此波導溫升主要是由于波導壁的表面電阻內(nèi)通過的表面電流產(chǎn)生的功耗引起的。為計算波導傳輸過程中的電阻損耗，可利用微擾法，通過讀取波導電磁場仿真分析結(jié)果中波導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)果傳遞到波導的熱場分析模型中進行穩(wěn)態(tài)熱分析。矩形波導電磁－熱順序耦合分析流程如圖1所示。

圖1 矩形波導電磁－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矩形波導施加10 k W的功率激勵，其余物理參數(shù)不變，計算波導壁的溫升情況。

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；

電導率（s／m）：1.57×107（黃銅），

3.25×107（黃銅 H96）；

導熱系數(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矩形波導在環(huán)境溫度為30℃、波導壁最高溫度為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矩形波導在傳導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矩形波導的溫度分布

圖5 空氣對流較弱時BJ84矩形 波導的溫度分布

圖6 激勵功率為10 kW時BJ84 矩形波導的溫度分布

3 降低波導溫升的措施及結(jié)果

從圖6可以看出，波導在傳輸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，因此必須降低波導的溫升。降低波導溫升一般可以通過給波導上水套或者添加散熱片。由于添加水套會增加一套波導的冷卻系統(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添加散熱片的辦法來降低波導溫升，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、電導率為1.57×107S／m時波導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，特別是波導中間部分，溫升降到了原來的1／4，實際波導中還有法蘭，這也相當于添加了一個散熱片，因此可以預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矩形波導傳輸連續(xù)波時波導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矩形波導在傳輸10 k W連續(xù)波時波導壁的溫度分布，分析發(fā)現(xiàn)波導壁溫升過高。在此基礎(chǔ)上，建立了添加散熱片的波導溫升仿真模型，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：科學出版社，2006.