Poderia razoavelmente esperar que uma cavidade de RF de cobre como essa tivesse um Q> 7000?

O artigo Medição do impulso impulsivo de uma cavidade de radiofreqüência fechada no vácuo (H. White et al., J. Propulsion & Power, novembro de 2016, http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) refere-se a uma cavidade de cobre de formato incomum com uma ressonância de cerca de 1,94 GHz. Isso é descrito na seção citada abaixo. (leitura adicional: /space/tagged/emdrive )

A Fig. 4 sugere que o Q desta cavidade é superior a 7.000 (7E + 03). Tanto quanto posso dizer, não há sugestão de um revestimento extraordinariamente condutor no interior do cobre.

Minha pergunta é sobre o Q extremamente alto. Acho que entre aqueles com experiência com cavidades ressonantes de cobre ~ GHz deve ser capaz de responder a isso com base na experiência, sem que seja muito baseado em opiniões. Poderia ser razoavelmente esperado que uma cavidade de RF de cobre como essa tivesse um Q> 7000?

Estou curioso - com uma unidade de 50W, qual seria a ordem dos campos elétricos de magnitude dentro? kV / m? MV / m? Posso interromper isso como uma pergunta separada, se necessário.

Um exemplo de algo próximo na configuração e Q poderia ser a base de um "sim" e um exemplo de qualquer coisa próxima na configuração, altamente otimizado, e nem mesmo próximo de Q poderia ser a base de uma resposta "não".

B. Artigo de teste

O artigo de teste de ressonância de RF é um frustum de cobre com um diâmetro interno de 27,9 cm na extremidade grande, um diâmetro interno de 15,9 cm na extremidade pequena e um comprimento axial de 22,9 cm. O artigo de teste contém um disco de polietileno com 5,4 cm de espessura e 15,6 cm de diâmetro externo, que é montado na face interna da extremidade de menor diâmetro do frustum. Uma antena de loop de 13,5 mm de diâmetro aciona o sistema no modo TM212 a 1937 MHz. Como não há soluções analíticas para os modos ressonantes de um cone truncado, o uso do termo TM212 descreve um modo com dois nós na direção axial e quatro nós na direção azimutal. Uma pequena antena chicote fornece feedback ao sistema PLL (Phase-Locked Loop). A Figura 3 fornece um diagrama de blocos dos principais elementos do artigo de teste.

acima: Figura 4 daqui . Clique com o botão direito do mouse para abrir em uma janela separada e exibir claramente em tamanho real ou no link original.

acima: "Fig. 14 Configuração da montagem de empuxo frontal (o dissipador de calor é um item de aleta preto entre o artigo de teste e o amplificador)." daqui

acima: "Fig. 17 Configuração de montagem de impulso nulo, b) vista de lado" daqui

rf resonance

— uhoh
fonte

Se o Q é tão alto e a pressão de saída (e provavelmente a energia) é tão baixa, por que existe um grande e grande dissipador de calor na extremidade do balde de cobre? Para onde está indo todo o poder?

— Andy aka

@ Andyaka Parece um dissipador de calor adorável para usar onde há convecção. Pena que eles estão usando no vácuo.

— Andrew Morton

@ Andyaka Eu acho que o dissipador de calor está nos componentes eletrônicos da unidade, não no ressonador. O que faz no vácuo é outra questão!

— Brian Drummond

Respostas:

O truque para obter uma boa cavidade ressonante de microondas Q é ter um bom condutor, um acabamento suave, alinhamento preciso, acoplamento leve do sinal de entrada e captação microfônica limitada.

O design da imagem parece ter sido limitado pelos microfones e depois retrabalhado para eliminá-los. Por exemplo, ele usa um dissipador de calor grande em vez de um ventilador. Também parece que o alinhamento seria uma tarefa real!

A especificação Q carregada para o ressonador de cilindro dividido da Keysight é> 20.000 a 10 GHz. Se você olhar para uma das metades do ressonador, verá-se no acabamento da superfície do espelho. O ressonador é banhado a ouro e diamante de precisão girado . As peças parecem tão boas que usaram plástico transparente para as capas dos instrumentos! Muito incomum para equipamentos da Keysight.

Aqui estão mais informações básicas sobre o ressonador de cilindro dividido, caso alguém esteja interessado:

O alinhamento é feito com uma montagem cinemática, semelhante à forma como um espelho do telescópio é ajustado. As metades do ressonador podem ser ajustadas para frente e para trás, mantendo o alinhamento. Uma amostra de medição é colocada no espaço. A amostra altera o Q e a frequência ressonante do ressonador. Isso, junto com um analisador de rede, permite a medição da constante e perda dielétrica da amostra. A precisão da medição dielétrica depende de um ressonador de alto Q.

Aqui estão os detalhes sobre o acabamento superficial da folha de dados: "Os cilindros são revestidos com diamante de precisão Al 6061-T6 banhados com 0,5 μm Cu, 0,25 μm PdNi e 2,0 μm Au."

Divulgação completa: estou falando por mim, não pela Keysight, mesmo trabalhando lá.

— Tom Anderson
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Esta resposta é muito útil, pois você forneceu muitas informações práticas. Considerando que a pergunta diz "Um exemplo de algo próximo na configuração e Q pode ser a base de um 'sim' ..." e é exatamente isso que você está mostrando aqui, posso assumir que é uma expectativa razoável, desde que se saiba o que alguém está fazendo . Obrigado!

— uhoh

Parece que a Keysight deveria oferecer para tornar a Nasa uma melhor, para ver se Q melhorado melhora o impulso ... #

— 407 Brian

nota: nesta aplicação, a cavidade e a fonte de RF estão em cima de uma balança muito sensível, e as forças micro-Newton estão sendo inferidas, então acho que um ventilador seria excluído desde o início. Considere também o título do trabalho: "Medição de empuxo impulsivo de um Radio-Frequency Closed Cavity no vácuo "

— uhoh

Os ressonadores da Keysight são baseados na pesquisa realizada pelo NIST, consulte nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Essa análise de incerteza do NIST foi útil para o desenvolvimento do produto. Um dos desafios é projetar com formas que possam ser medidas mecanicamente com grande precisão, para que as medições mecânicas possam ser relacionadas através do modelo de incerteza a uma previsão do desempenho do microondas. Essa é a base para os padrões de calibração e verificação de microondas.

— Tom Anderson

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

O cálculo da energia armazenada em uma cavidade cônica truncada não é trivial e requer a integração dos campos magnéticos transversais e elétricos transversais, calculados para uma determinada geometria usando as equações de Maxwell. Como fazer isso está além do escopo desta pergunta, mas há um excelente passo a passo e um conjunto de soluções de equações diferenciais para um cone esférico truncado (não exatamente o mesmo, mas próximo o suficiente) aqui . De fato, a página inteira é apenas uma maravilhosa redação sobre esse tópico e eu recomendo vivamente a qualquer pessoa interessada em se sujar com a matemática.

Vamos fazer uma fácil, uma cavidade ressonante que é um cilindro simples. Não é um substituto completamente terrível para um cone truncado, acho que você concorda.

O fator Q para essa cavidade é:

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

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

e eu já tenho azia, então vou fazer o que qualquer engenheiro faria e usar a aproximação muito mais simples! Pode-se mostrar que uma cavidade ressonante terá um Q na ordem de magnitude de:

Q ≅ \frac{2}{δ} \cdot \frac{V}{UMA}

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

$\delta$

Deveria estar claro agora que a criação de uma cavidade cilíndrica simples de cobre com um Q bem acima de 7000, mais ou menos entre 10.000 e 100.000. O 7000, na verdade, parece incomumente baixo para uma cavidade com o formato das fotos. Na profundidade da pele, a suavidade da superfície e as imperfeições se tornam uma preocupação; portanto, se a qualidade da superfície for ruim, isso poderá causar uma queda significativa do Q.

Enfim, para responder à pergunta não feita aqui, que é como essa coisa produz impulso ... bem, não é de todo anamoloso. Parece ser exatamente a magnitude certa para o impulso esperado devido à radiação desigual do calor , como pode ser visto pela redação que liguei anteriormente. Isso produz empuxo e funcionará no vácuo. Infelizmente, a relatividade impõe um limite bastante deprimente no impulso por potência.

Essa unidade nunca produzirá mais do que micronewtons por killowatt. Isso o torna o meio mais ineficiente e impraticável de propulsão espacial disponível, massa de reação ou não. E não vai melhorar. Pelo menos, essa é a conclusão que tirei, mas adoraria provar que estou errado.

— metacolina
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Uma boa análise sobre o Q e o link de suporte justificam o impulso esperado devido à radiação irregular - ou emissão de fótons de uma lanterna no vácuo - como 3,3uN / kw - como você sugere. Mas as medições relatadas pela NASA no vácuo são de magnitude superior - em torno de 1 uN / watt.

— Brian Drummond

Esta é uma resposta muito interessante, e levarei algum tempo para olhar o link. Para a equação de Q de uma cavidade cilíndrica, você poderia adicionar um link adicional separado (dentro da resposta) a um site não relacionado a naves espaciais? Não tenho textos de microondas à mão. Você está certo - as estimativas de ordem de magnitude são boas para os fins desta pergunta. Obrigado!

— uhoh

observação: agora que você me apresentou aos sites de Greg Egan, minha produtividade para o resto da semana provavelmente está prejudicada. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html

— uhoh

@ Brian Drummond hmmm, uma velha e velha controvérsia em que o impulso medido era muito maior do que a força de reação à radiação esperada era ... O radiômetro de Crookes. A eliminação do artefato "força do radiômetro" causada por gases traços ou contaminantes da superfície não é trivial, especialmente se a temperatura da superfície for diferente. é muito maior do que a das pás em um moinho de luz. Mesmo o vácuo extremamente duro pode não ser bom o suficiente. Um especialista em câmaras UHV ultra-limpas talvez pudesse fazê-lo, mas o melhor seria colocar a maldita coisa em um ambiente de alta órbita terrestre, bem limpo, além de deixá-la sair por semanas antes do teste.

— Wbeaty

@ wbeaty ... sim, se o fenômeno observado for super-gasoso, pode-se esperar que o impulso diminua à medida que a massa da reação de super-gás é consumida. Veremos ... embora eu ache difícil acreditar que os pesquisadores da NASA ainda não tenham examinado essa hipótese.

— Brian Drummond