¿Se podría esperar razonablemente que una cavidad RF de cobre como esta tenga un Q> 7000?

El documento Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum (H. White et al, J. Propulsion & Power, noviembre de 2016, http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) hace referencia a Una cavidad de cobre de forma inusual con una resonancia de aproximadamente 1.94 GHz. Esto se describe en la sección citada a continuación. (lectura adicional: /space/tagged/emdrive )

La figura 4 sugiere que la Q de esta cavidad es superior a 7,000 (7E + 03). Por lo que puedo decir, no hay indicios de un revestimiento inusualmente conductor dentro del cobre.

Mi pregunta es sobre la Q extremadamente alta. Creo que entre aquellos con experiencia en cavidades de cobre resonantes de ~ GHz deberían poder responder esto en base a la experiencia, sin que sea demasiado basada en la opinión. ¿Se podría esperar razonablemente que una cavidad RF de cobre como esta tenga un Q> 7000?

Tengo curiosidad: con una unidad de 50 W, ¿cuál sería el orden de magnitud de los campos eléctricos en el interior? kV / m? MV / m? Puedo separar esto como una pregunta separada si es necesario.

Un ejemplo de algo cercano en la configuración y Q podría ser la base de un "sí" y un ejemplo de algo cercano en la configuración, altamente optimizado y ni siquiera cercano en Q podría ser la base de una respuesta "no".

B. Artículo de prueba

El artículo de prueba de resonancia de RF es un tronco de cobre con un diámetro interno de 27,9 cm en el extremo grande, un diámetro interno de 15,9 cm en el extremo pequeño y una longitud axial de 22,9 cm. El artículo de prueba contiene un disco de polietileno de 5,4 cm de grosor con un diámetro externo de 15,6 cm que se monta en la cara interna del extremo de menor diámetro del tronco. Una antena de bucle de 13,5 mm de diámetro impulsa el sistema en modo TM212 a 1937 MHz. Debido a que no hay soluciones analíticas para los modos resonantes de un cono truncado, el uso del término TM212 describe un modo con dos nodos en la dirección axial y cuatro nodos en la dirección azimutal. Una pequeña antena de látigo proporciona retroalimentación al sistema de bucle de fase bloqueada (PLL). La Figura 3 proporciona un diagrama de bloques de los elementos principales del artículo de prueba.

arriba: Figura 4 desde aquí . Haga clic derecho para abrir en una ventana separada para ver claramente a tamaño completo, o ver en el enlace original.

arriba: "Fig. 14 Configuración de montaje de empuje hacia adelante (el disipador de calor es un elemento con aletas negras entre el artículo de prueba y el amplificador)". de aquí

arriba: "Fig. 17 Configuración de montaje de empuje nulo, b) vista desde el lado" desde aquí

rf resonance

— UH oh
fuente

Si la Q es tan alta y el empuje de salida (y presumiblemente la potencia) tan bajo, ¿por qué hay un gran disipador de calor sangriento en el extremo del cubo de cobre? ¿A dónde va todo el poder?

— Andy alias

@Andyaka Parece un disipador de calor encantador para usar donde hay convección. Es una pena que lo estén usando en el vacío.

— Andrew Morton el

@Andyaka Creo que el disipador térmico está en la electrónica de la unidad, no en el resonador. ¡Todo lo que hace en el vacío es otra cuestión!

— Brian Drummond el

Respuestas:

El truco para obtener una buena cavidad resonante de microondas Q es tener un buen conductor, un acabado liso, una alineación precisa, un acoplamiento ligero de la señal de entrada y una captación microfónica limitada.

Parece que el diseño en la imagen podría haber sido limitado por microfonía, y luego rediseñado para eliminarlos. Por ejemplo, utiliza un disipador térmico grande en lugar de un ventilador. ¡También parece que la alineación sería una verdadera tarea!

La especificación Q cargada para el resonador de cilindro dividido Keysight es> 20,000 a 10 GHz. Si observa una de las mitades del resonador, se verá en el acabado de la superficie del espejo. El resonador está chapado en oro y con precisión de diamante torneado . ¡Las partes se ven tan bien que usaron plástico transparente para las cubiertas del instrumento! Muy inusual para el equipo Keysight.

Aquí hay más información sobre el Resonador de cilindro dividido, en caso de que alguien esté interesado:

La alineación se realiza con una montura cinemática, similar a cómo se ajusta un espejo telescópico. Las mitades del resonador se pueden ajustar de un lado a otro, manteniendo la alineación. Se coloca una muestra de medición en el espacio. La muestra cambia la Q y la frecuencia de resonancia del resonador. Esto, junto con un analizador de red, permite la medición de la constante dieléctrica de la muestra y la pérdida. La precisión de la medición dieléctrica se basa en tener un resonador de alta Q.

Aquí están los detalles sobre el acabado de la superficie de la hoja de datos: "Los cilindros son de precisión de diamante torneado Al 6061-T6 plateado con 0.5 μm Cu, 0.25 μm PdNi y 2.0 μm Au".

Revelación completa: estoy hablando por mí mismo, no por Keysight, a pesar de que trabajo allí.

— Tom Anderson
fuente

Esta respuesta es muy útil, ya que ha brindado mucha información práctica básica. Teniendo en cuenta que la pregunta dice "Un ejemplo de cualquier cosa cercana en configuración y Q podría ser la base de un 'sí' ..." y eso es justo lo que está mostrando aquí, puedo asumir que es una expectativa razonable, siempre que uno sepa Lo que uno está haciendo . ¡Gracias!

— uhoh

Parece que Keysight debería ofrecer hacer que la NASA sea mejor para ver si una Q mejorada mejora el empuje ...

— Brian Drummond

Nota: en esta aplicación, la cavidad y la fuente de RF se encuentran encima de un equilibrio muy sensible, y se deducen las fuerzas de micro-Newton, por lo que creo que un ventilador estaría excluido desde el principio. Considere también el título del artículo: "Medición del empuje impulsivo de una cavidad de radiofrecuencia cerrada al vacío "

— uhoh

Los resonadores Keysight se basan en la investigación realizada por NIST, ver nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Este análisis de incertidumbre de NIST fue útil para el desarrollo de productos. Uno de los desafíos es diseñar con formas que puedan medirse mecánicamente con gran precisión, de modo que las mediciones mecánicas puedan relacionarse a través del modelo de incertidumbre con una predicción del rendimiento de microondas. Esta es la base para la calibración de microondas y los estándares de verificación.

— Tom Anderson el

$10^6$ $10^{12}$

Calcular la energía almacenada en una cavidad cónica truncada no es trivial y requiere la integración de los campos magnéticos transversales y eléctricos transversales, calculados para una geometría dada usando las ecuaciones de Maxwell. Cómo hacerlo está más allá del alcance de esta pregunta, pero hay un excelente tutorial y conjunto de soluciones de ecuaciones diferenciales para un cono esférico truncado (no es lo mismo que esto, pero lo suficientemente cerca) aquí . De hecho, toda la página es simplemente una maravillosa redacción sobre este tema y la recomiendo de todo corazón a cualquier persona interesada en ensuciarse con las matemáticas.

Hagamos una fácil, una cavidad resonante que es un cilindro simple. No es un sustituto completamente terrible para un cono truncado, creo que estaría de acuerdo.

El factor Q para dicha cavidad es:

Q = \frac{2 π F \cdot \frac{μ}{2} \int_{v} H^{2} re v}{\frac{R}{2} \oint_{s} H_{t}^{2} re s}

$Q = \frac{2\pi f\cdot \frac{\mu}{2}\int_{v}H^2dv}{\frac{R}{2}\oint_{s}H_{t}^{2}ds}$

y ya tengo acidez estomacal, así que haré lo que haría cualquier ingeniero y utilizaré la aproximación mucho más simple. Se puede demostrar que una cavidad resonante tendrá una Q que está en el orden de magnitud de:

Q ≅ \frac{2}{δ} \cdot \frac{V}{UN}

$Q\cong \frac{2}{\delta}\cdot \frac{V}{A}$

$\delta$

Ahora debería ser evidente que crear una cavidad cilíndrica simple de cobre con una Q muy por encima de 7000, más como entre 10,000 y 100,000. 7000 en realidad parece inusualmente bajo para una cavidad con forma de la de las fotos. En la profundidad de la piel en la que se encuentran, la suavidad de la superficie y las imperfecciones se convierten en una preocupación, por lo que si la calidad de la superficie en el interior es mala, esto podría hacer que la Q disminuya significativamente.

De todos modos, para responder a la pregunta no formulada aquí, que es cómo produce esto empuje ... bueno, no es para nada análoga. Parece ser exactamente la magnitud correcta para el empuje esperado debido a la radiación de calor desigual , como se puede ver en el artículo que relacioné anteriormente. Esto produce empuje, y funcionará en el vacío. Desafortunadamente, la relatividad impone un límite bastante deprimente en el empuje por poder.

Esta unidad nunca producirá más de micronewtons por killowatt. Esto lo convierte en el medio más ineficiente y poco práctico de propulsión espacial disponible, masa de reacción o no. Y no mejorará. Al menos, esa es la conclusión que he sacado, pero me encantaría que me demuestren lo contrario.

— metacollin
fuente

Un buen análisis de la Q, y el enlace de apoyo justifica el empuje esperado debido a la radiación desigual, o la emisión de fotones de una linterna en el vacío, como 3.3uN / kw, como sugiere. Pero las mediciones reportadas por la NASA en el vacío son órdenes de magnitud más altas, alrededor de 1 uN / watt.

— Brian Drummond el

Esta es una respuesta muy interesante, y me tomaré un tiempo para mirar el enlace. Para la ecuación para Q de una cavidad cilíndrica, ¿podría agregar también un enlace adicional separado (dentro de la respuesta) a un sitio no relacionado con naves espaciales? No tengo ningún texto de microondas a mano. Tiene razón: las estimaciones del orden de magnitud están bien para los fines de esta pregunta. ¡Gracias!

— uhoh

Nota al margen: ahora que me presentó a los sitios de Greg Egan, mi productividad durante el resto de la semana probablemente se disparó. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html

— uhoh

@Brian Drummond hmmm, una vieja y vieja controversia donde el empuje medido era mucho mayor que la fuerza de reacción a la radiación esperada era ... el radiómetro de Crookes. Eliminar el artefacto de "fuerza del radiómetro" causado por gases traza o contaminantes superficiales no es trivial, especialmente si la temperatura de la superficie difiere. es mucho más alto que el de las palas en un molino ligero. Incluso el vacío extremadamente duro puede no ser lo suficientemente bueno. Un experto en cámaras UHV ultralimpias tal vez podría hacerlo, pero lo mejor sería simplemente poner la maldita cosa en un entorno de órbita terrestre alta, bien limpia, además de dejar salir gases durante semanas antes de la prueba.

— wbeaty

@wbeaty ... sí, si el fenómeno observado es desgasificación, se puede esperar que el empuje disminuya a medida que se consume la masa de reacción de desgasificación. Ya veremos ... aunque me resultaría difícil creer que los experimentadores de la NASA no hayan examinado esa hipótesis.

— Brian Drummond el