Peut-on raisonnablement s'attendre à ce qu'une cavité RF en cuivre comme celle-ci ait un Q> 7000?

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Le document Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum (H. White et al, J.Propulsion & Power, novembre 2016, http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) fait référence à une cavité en cuivre de forme inhabituelle avec une résonance à environ 1,94 GHz. Ceci est décrit dans la section citée ci-dessous. (lecture supplémentaire: /space/tagged/emdrive )

La figure 4 suggère que le Q de cette cavité est supérieur à 7 000 (7E + 03). Pour autant que je sache, rien ne suggère un revêtement inhabituellement conducteur à l'intérieur du cuivre.

Ma question porte sur le Q. extrêmement élevé. Je pense que parmi ceux qui ont une expérience avec les cavités en cuivre résonant à ~ GHz devraient être en mesure de répondre à cela sur la base de l'expérience, sans que ce soit trop basé sur l'opinion. Peut-on raisonnablement s'attendre à ce qu'une cavité RF en cuivre comme celle-ci ait un Q> 7000?

Je suis curieux - avec un lecteur de 50W, quel serait l'ordre des champs électriques de magnitude à l'intérieur? kV / m? MV / m? Je peux interrompre cela en tant que question distincte si nécessaire.

Un exemple de quelque chose de proche dans la configuration et de Q pourrait être la base d'un "oui" et un exemple de quelque chose de proche dans la configuration, hautement optimisé, et même pas de proche dans Q pourrait être la base d'une réponse "non".

Article d'essai

L'article d'essai de résonance RF est un tronc de cuivre avec un diamètre intérieur de 27,9 cm sur la grande extrémité, un diamètre intérieur de 15,9 cm sur la petite extrémité et une longueur axiale de 22,9 cm. L'article d'essai contient un disque de polyéthylène de 5,4 cm d'épaisseur avec un diamètre extérieur de 15,6 cm qui est monté sur la face intérieure de l'extrémité de plus petit diamètre du tronc. Une antenne cadre de 13,5 mm de diamètre pilote le système en mode TM212 à 1937 MHz. Parce qu'il n'y a pas de solutions analytiques pour les modes résonants d'un cône tronqué, l'utilisation du terme TM212 décrit un mode avec deux nœuds dans la direction axiale et quatre nœuds dans la direction azimutale. Une petite antenne fouet fournit une rétroaction au système de boucle à verrouillage de phase (PLL). La figure 3 fournit un schéma de principe des principaux éléments de l'article de test.

entrez la description de l'image ici

ci-dessus: Figure 4 d'ici . Cliquez avec le bouton droit pour ouvrir dans une fenêtre séparée pour afficher clairement en taille réelle, ou afficher sur le lien d'origine.

entrez la description de l'image ici

ci-dessus: "Fig. 14 Configuration de montage à poussée avant (le dissipateur de chaleur est un élément à ailettes noires entre l'article de test et l'amplificateur)." d'ici

entrez la description de l'image ici

ci-dessus: "Fig. 17 Configuration de montage à poussée nulle, b) vue de côté" d'ici

uhoh
la source
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Si le Q est si élevé et la poussée de sortie (et vraisemblablement la puissance) si faible, alors pourquoi y a-t-il un très gros dissipateur de chaleur à l'extrémité du seau en cuivre? Où va tout le pouvoir?
Andy aka
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@Andyaka Cela ressemble à un joli radiateur à utiliser là où il y a de la convection. Dommage qu'ils l'utilisent dans le vide.
Andrew Morton
@Andyaka Je pense que le dissipateur thermique est sur l'électronique d'entraînement, pas sur le résonateur. Tout ce qu'il fait dans le vide est une autre affaire!
Brian Drummond

Réponses:

4

L'astuce pour obtenir une bonne cavité résonante micro-ondes Q est d'avoir un bon conducteur, une finition lisse, un alignement précis, un couplage léger du signal d'entrée et un capteur microphonique limité.

Le design de l'image semble avoir été limité par la microphonie, puis retravaillé pour les éliminer. Par exemple, il utilise un grand dissipateur thermique au lieu d'un ventilateur. Il semble également que l'alignement serait une véritable corvée!

La spécification Q chargée pour le résonateur à cylindre divisé Keysight est> 20 000 à 10 GHz. Si vous regardez dans l'une des moitiés du résonateur, vous vous verrez dans la finition de la surface du miroir. Le résonateur est plaqué or et tourné au diamant de précision . Les pièces sont si belles qu'elles ont utilisé du plastique transparent pour les couvercles d'instruments! Très inhabituel pour l'équipement Keysight.

Voici plus d'informations sur le résonateur à cylindre divisé, au cas où quelqu'un serait intéressé:

L'alignement se fait avec une monture cinématique, similaire à la façon dont un miroir de télescope est ajusté. Les moitiés de résonateur peuvent ensuite être ajustées d'avant en arrière, tout en maintenant l'alignement. Un échantillon de mesure est placé dans l'espace. L'échantillon modifie le Q et la fréquence de résonance du résonateur. Ceci, avec un analyseur de réseau, permet de mesurer la constante diélectrique et la perte de l'échantillon. La précision de la mesure diélectrique repose sur la présence d'un résonateur à Q élevé.

Voici les détails sur la finition de surface de la fiche technique: "Les cylindres sont des diamants de précision tournés Al 6061-T6 plaqués avec 0,5 μm Cu, 0,25 μm PdNi et 2,0 μm Au."

Divulgation complète: je parle pour moi, pas pour Keysight, même si j'y travaille.

Tom Anderson
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Cette réponse est très utile, car vous avez donné beaucoup d'informations de base pratiques. Considérant que la question dit "Un exemple de quelque chose de proche dans la configuration et Q pourrait être la base d'un" oui "..." et c'est exactement ce que vous montrez ici, je peux supposer que c'est une attente raisonnable, à condition que l'on sache ce que l'on fait . Merci!
uhoh
On dirait que Keysight devrait offrir de faire de la Nasa une meilleure pour voir si l'amélioration du Q améliore la poussée ...
Brian Drummond
Remarque: dans cette application, la cavité et la source RF reposent sur un équilibre très sensible, et les forces micro-Newton sont inférées, donc je pense qu'un ventilateur serait exclu dès le début. Considérez également le titre de l'article: "Mesure de la poussée impulsive d'une cavité radioélectrique fermée sous vide "
uhoh
Les résonateurs Keysight sont basés sur les recherches effectuées par le NIST, voir nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Cette analyse d'incertitude du NIST a été utile pour le développement de produits. L'un des défis consiste à concevoir avec des formes qui peuvent être mesurées mécaniquement avec une grande précision, afin que les mesures mécaniques puissent être reliées via le modèle d'incertitude dans une prédiction des performances des micro-ondes. C'est la base des normes d'étalonnage et de vérification des micro-ondes.
Tom Anderson
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dix6dix12

Le calcul de l'énergie stockée dans une cavité conique tronquée n'est pas trivial et nécessite l'intégration des champs magnétiques transverses et électriques transversaux, calculés pour une géométrie donnée à l'aide des équations de Maxwell. Comment le faire est au-delà de la portée de cette question, mais il existe un excellent ensemble de solutions et d'équations différentielles pour un cône sphérique tronqué (pas tout à fait le même que celui-ci, mais assez proche) ici . En fait, cette page entière n'est qu'un merveilleux article sur ce sujet et je le recommande chaleureusement à toute personne intéressée à se salir avec les mathématiques.

Faisons simplement un simple, une cavité résonante qui est un simple cylindre. Ce n'est pas un substitut complètement terrible pour un cône tronqué, je pense que vous seriez d'accord.

Le facteur Q pour une telle cavité est:

Q=2πFμ2vH2vR2sHt2s

et j'ai déjà des brûlures d'estomac donc je vais faire ce que n'importe quel ingénieur ferait et utiliser l'approximation beaucoup plus simple à la place! On peut montrer qu'une cavité résonante aura un Q qui est de l'ordre de grandeur de:

Q2δVUNE

δ est la profondeur de peau à la fréquence de résonance en question, et V et A est le volume et la surface de la cavité. En d'autres termes, le rapport entre le volume d'une cavité et la surface va définir une plage assez étroite de facteurs Q qu'une cavité, quelle que soit la géométrie exacte, peut éventuellement avoir.

Il devrait maintenant être évident que la création d'une simple cavité cylindrique en cuivre avec un Q bien supérieur à 7000, plus comme entre 10 000 et 100 000. 7000 semble en fait inhabituellement bas pour une cavité en forme comme celle sur les photos. À la profondeur de la peau où ils se trouvent, la douceur de la surface et les imperfections deviennent une préoccupation, donc si la qualité de la surface à l'intérieur est minable, cela pourrait entraîner une baisse significative du Q.

Quoi qu'il en soit, pour répondre à la question non posée ici, qui est de savoir comment cette chose produit une poussée ... eh bien, ce n'est pas du tout anamoleux. Il semble que ce soit exactement la bonne amplitude pour la poussée attendue en raison d'un rayonnement de chaleur inégal , comme le montre l'écriture que j'ai reliée plus tôt. Cela produit une poussée et cela fonctionnera dans le vide. Malheureusement, la relativité impose une limite plutôt déprimante sur la poussée par puissance.

Ce lecteur ne produira jamais plus de micronewtons par killowatt. Cela en fait le moyen de propulsion spatiale le plus inefficace et le moins pratique disponible, masse de réaction ou non. Et ça ne s'améliorera pas. C'est du moins la conclusion que j'ai tirée, mais j'aimerais bien me tromper.

métacolline
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Belle analyse sur le Q, et le lien de support justifie la poussée attendue due à un rayonnement inégal - ou à l'émission de photons d'une lampe de poche dans le vide - à 3,3 uN / kw - comme vous le suggérez. Mais les mesures rapportées par la NASA dans le vide sont des ordres de grandeur plus élevés - environ 1 uN / watt.
Brian Drummond
C'est une réponse très intéressante, et je vais prendre un peu de temps pour regarder le lien. Pour l'équation pour Q d'une cavité cylindrique, pourriez-vous également ajouter un lien distinct (dans la réponse) vers un site non lié à un engin spatial? Je n'ai pas de textes micro-ondes à portée de main. Vous avez raison - les estimations d'ordre de grandeur sont très bien pour les besoins de cette question. Merci!
uhoh
note de côté: maintenant que vous m'avez présenté le (s) site (s) de Greg Egan, ma productivité pour le reste de la semaine est probablement atteinte. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html
uhoh
@Brian Drummond hmmm, une vieille, vieille controverse où la poussée mesurée était bien supérieure à la force de réaction de rayonnement attendue était ... le radiomètre de Crookes. L'élimination de l'artefact de la "force du radiomètre" causée par des traces de gaz ou des contaminants de surface n'est pas anodine, surtout si la température de surface diff. est beaucoup plus élevé que celui des pagaies dans un moulin à lumière. Même un aspirateur extrêmement dur peut ne pas être suffisant. Un expert en chambres ultra-propres, UHV pourrait peut-être le faire, mais mieux serait de simplement mettre la fichue chose dans un environnement à orbite terrestre élevée, bien nettoyé, et de le laisser dégazer pendant des semaines avant de tester.
wbeaty
@wbeaty ... oui, si le phénomène observé est le dégazage, la poussée devrait diminuer à mesure que la masse réactionnelle de dégazage est consommée. Nous verrons ... bien que j'aurais du mal à croire que les expérimentateurs de la NASA n'aient pas déjà examiné cette hypothèse.
Brian Drummond du