Mungkinkah rongga RF tembaga seperti ini diharapkan secara wajar memiliki Q> 7000?

Kertas Pengukuran Dorongan Impulsif dari Rongga Frekuensi Radio Tertutup dalam Vakum (H. White et al, J. Propulsion & Power, November, 2016, http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) mengacu pada rongga tembaga berbentuk luar biasa dengan resonansi sekitar 1,94 GHz. Ini dijelaskan pada bagian yang dikutip di bawah ini. (bacaan lebih lanjut: /space/tagged/emdrive )

Gambar. 4 menunjukkan bahwa Q rongga ini lebih dari 7.000 (7E + 03). Sejauh yang saya tahu tidak ada saran dari lapisan konduktif luar biasa di dalam tembaga.

Pertanyaan saya adalah tentang Q yang sangat tinggi. Saya pikir di antara mereka yang berpengalaman dengan ~ GHz resonansi tembaga harus bisa menjawab ini berdasarkan pengalaman, tanpa terlalu berbasis opini. Mungkinkah rongga RF tembaga seperti ini diharapkan secara wajar memiliki Q> 7000?

Saya ingin tahu - dengan drive 50W, berapakah urutan medan listrik besarnya di dalam? kV / m? MV / m? Saya dapat memutuskan ini sebagai pertanyaan terpisah jika perlu.

Contoh dari apa pun yang dekat dalam konfigurasi dan Q bisa menjadi dasar dari "ya" dan contoh dari apa pun yang dekat dalam konfigurasi, sangat dioptimalkan, dan bahkan tidak menutup dalam Q bisa menjadi dasar dari jawaban "tidak".

B. Artikel Uji

Artikel uji resonansi RF adalah frustum tembaga dengan diameter bagian dalam 27,9 cm pada ujung besar, diameter bagian dalam 15,9 cm pada ujung kecil, dan panjang aksial 22,9 cm. Artikel uji berisi cakram polietilen setebal 5,4 cm dengan diameter luar 15,6 cm yang dipasang ke permukaan bagian dalam ujung diameter yang lebih kecil dari frustum. Antena loop 13,5-mm-diam menggerakkan sistem dalam mode TM212 pada 1937 MHz. Karena tidak ada solusi analitis untuk mode resonansi dari kerucut terpotong, penggunaan istilah TM212 menggambarkan mode dengan dua node dalam arah aksial dan empat node dalam arah azimut. Antena cambuk kecil memberikan umpan balik ke sistem loop-terkunci loop (PLL). Gambar 3 menyediakan diagram blok elemen utama artikel uji.

di atas: Gambar 4 dari sini . Klik kanan untuk membuka di jendela terpisah untuk melihat dengan jelas sebagai ukuran penuh, atau melihat di tautan asli.

di atas: "Gbr. 14 Konfigurasi pemasangan dorong maju (unit pendingin bersirip hitam antara benda uji dan amplifier)." dari sini

di atas: "Gbr. 17 Konfigurasi pemasangan dorong kosong, b) lihat dari samping" dari sini

rf resonance uh oh
sumber

Jika Q begitu tinggi dan output dorong (dan mungkin daya) sangat rendah maka mengapa ada heatsink besar berdarah besar di ujung ember tembaga? Kemana perginya semua kekuatan?

Andy alias

@ Andyaka Itu tampak seperti heatsink yang bagus untuk digunakan di mana ada konveksi yang terjadi. Malu mereka menggunakannya dalam ruang hampa.

Andrew Morton

@ Andyaka Saya pikir heatsink ada di drive elektronik, bukan resonator. Apa yang dilakukannya di ruang hampa adalah masalah lain!

Brian Drummond

Jawaban:

Trik untuk mendapatkan rongga resonansi-gelombang mikro yang baik adalah memiliki konduktor yang baik, hasil yang halus, perataan yang tepat, kopling cahaya dari sinyal input, dan pickup mikrofonik yang terbatas.

Desain dalam gambar terlihat seperti mungkin dibatasi oleh mikrofonik, dan kemudian dikerjakan ulang untuk menghilangkannya. Misalnya, menggunakan heatsink yang besar, bukan kipas. Ini juga terlihat seperti penyelarasan akan menjadi tugas nyata!

Spesifikasi Q yang dimuat untuk Keyson Split Cylinder Resonator adalah> 20.000 pada 10 GHz. Jika Anda melihat ke salah satu bagian resonator, Anda akan melihat diri Anda berada di permukaan cermin. Resonator berlapis emas dan berlian presisi berubah . Bagian-bagian terlihat sangat baik sehingga mereka menggunakan plastik bening untuk penutup instrumen! Sangat tidak biasa untuk gigi Keysight.

Berikut ini informasi latar belakang lebih lanjut tentang Split Cylinder Resonator, kalau-kalau ada yang tertarik:

Penjajaran dilakukan dengan mount kinematik, mirip dengan bagaimana cermin teleskop disesuaikan. Bagian resonator kemudian dapat disesuaikan bolak-balik, sambil mempertahankan perataan. Sampel pengukuran ditempatkan di celah. Sampel mengubah Q dan frekuensi resonansi resonator. Ini, bersama dengan Network Analyzer, memungkinkan pengukuran konstanta dan kerugian dielektrik sampel. Keakuratan pengukuran dielektrik bergantung pada memiliki resonator Q-tinggi.

Berikut adalah spesifik pada permukaan akhir dari lembar data: "Silinder adalah berlian presisi berubah Al 6061-T6 berlapis dengan 0,5 μm Cu, 0,25 μm PdNi, dan 2,0 μm Au."

Pengungkapan penuh: Saya berbicara untuk diri saya sendiri, bukan Keysight, meskipun saya bekerja di sana.

Tom Anderson
sumber

Jawaban ini sangat membantu, karena Anda telah memberikan banyak informasi latar belakang praktis. Mempertimbangkan bahwa pertanyaan tersebut mengatakan "Sebuah contoh dari apa pun yang dekat dalam konfigurasi dan Q dapat menjadi dasar dari 'ya' ..." dan itulah yang Anda tunjukkan di sini, saya dapat menganggap itu adalah harapan yang masuk akal, asalkan ada yang tahu apa yang kita lakukan . Terima kasih!

uhoh

Kedengarannya seperti Keysight harus menawarkan untuk menjadikan NASA lebih baik untuk melihat apakah peningkatan Q meningkatkan daya dorong ...

Brian Drummond

Catatan: dalam aplikasi ini sumber rongga dan RF duduk di atas keseimbangan yang sangat sensitif, dan gaya mikro-Newton sedang disimpulkan, jadi saya pikir kipas akan dikeluarkan dari awal. Pertimbangkan juga judul makalah ini: "Pengukuran Dorongan Impulsif dari Rongga Frekuensi Radio Tertutup dalam Vakum "

uhoh

Resonator Keysight didasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh NIST, lihat nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Analisis ketidakpastian dari NIST ini berguna untuk pengembangan produk. Salah satu tantangan adalah mendesain dengan bentuk yang dapat diukur secara mekanis hingga presisi tinggi, sehingga pengukuran mekanis dapat dihubungkan melalui model ketidakpastian ke dalam prediksi kinerja gelombang mikro. Ini adalah dasar untuk kalibrasi gelombang mikro dan standar verifikasi.

Tom Anderson

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

Menghitung energi yang disimpan dalam rongga kerucut terpotong adalah nontrivial, dan membutuhkan mengintegrasikan medan magnet transversal dan transversal, dihitung untuk geometri tertentu menggunakan persamaan Maxwell. Cara melakukannya adalah di luar cakupan pertanyaan ini, tetapi ada langkah-langkah yang sangat baik dan solusi set persamaan diferensial untuk kerucut bola terpotong (tidak persis sama dengan ini, tetapi cukup dekat) di sini . Bahkan, seluruh halaman itu hanya merupakan tulisan yang bagus untuk topik ini dan saya sungguh-sungguh merekomendasikannya kepada siapa pun yang tertarik untuk menjadi kotor dengan matematika.

Mari kita lakukan yang mudah, rongga resonansi yang merupakan silinder sederhana. Ini bukan pengganti yang benar-benar mengerikan untuk kerucut terpotong, saya pikir Anda akan setuju.

Faktor Q untuk rongga tersebut adalah:

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}

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

dan saya sudah memiliki mulas jadi saya akan melakukan apa yang akan dilakukan insinyur dan menggunakan pendekatan yang jauh lebih sederhana sebagai gantinya! Seseorang dapat menunjukkan bahwa rongga resonansi akan memiliki Q yang berada dalam urutan besarnya:

Q ≅ \frac{2}{δ} \cdot \frac{V}{SEBUAH}

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

$\delta$

Seharusnya jelas sekarang bahwa menciptakan rongga silinder sederhana dari tembaga dengan Q jauh di atas 7000, lebih seperti antara 10.000 dan 100.000. 7000 sebenarnya tampak luar biasa rendah untuk rongga berbentuk seperti yang ada di foto. Pada kedalaman kulit mereka, kehalusan permukaan dan ketidaksempurnaan menjadi perhatian, jadi jika kualitas permukaan di dalamnya jelek, ini dapat menyebabkan Q turun secara signifikan.

Bagaimanapun, untuk menjawab pertanyaan yang tidak diminta di sini, yaitu bagaimana hal ini menghasilkan daya dorong .... yah, itu sama sekali tidak aneh. Tampaknya persis tepat besarnya untuk daya dorong yang diharapkan karena radiasi panas yang tidak merata , seperti yang dapat dilihat oleh tulisan yang saya tautkan sebelumnya. Ini menghasilkan dorongan, dan itu akan bekerja dalam ruang hampa. Sayangnya, relativitas memberlakukan batas yang agak menekan pada daya dorong per kekuatan.

Drive ini tidak akan pernah menghasilkan lebih dari tombol mikron per killowatt. Ini membuatnya menjadi sarana propulsi ruang yang paling tidak efisien dan tidak praktis yang tersedia, massa reaksi atau tidak. Dan itu tidak akan menjadi lebih baik. Setidaknya, itulah kesimpulan yang saya buat, tapi saya ingin terbukti salah.

metacollin
sumber

Analisis yang bagus pada Q, dan tautan pendukung membenarkan daya dorong yang diharapkan karena radiasi yang tidak merata - atau emisi foton dari senter dalam ruang hampa udara - sebesar 3.3uN / kw - seperti yang Anda sarankan. Tetapi pengukuran yang dilaporkan NASA dalam ruang hampa adalah urutan besarnya lebih tinggi - sekitar 1 uN / watt.

Brian Drummond

Ini adalah jawaban yang sangat menarik, dan saya akan meluangkan waktu untuk melihat tautannya. Untuk persamaan untuk Q dari rongga silindris, dapatkah Anda menambahkan tautan terpisah tambahan (dalam jawaban) ke situs yang tidak terkait dengan pesawat ruang angkasa juga? Saya tidak punya teks microwave berguna. Anda benar - urutan estimasi besarnya baik-baik saja untuk keperluan pertanyaan ini. Terima kasih!

uhoh

catatan: sekarang setelah Anda memperkenalkan saya ke situs Greg Egan, produktivitas saya untuk sisa minggu ini mungkin ditembak. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html

uhoh

@Brian Drummond hmmm, kontroversi lama, lama di mana daya dorong yang diukur jauh lebih besar daripada gaya reaksi radiasi yang diharapkan adalah ... Radiometer Crookes. Menghilangkan artefak "kekuatan radiometer" yang disebabkan oleh gas jejak atau kontaminan permukaan adalah non-sepele, terutama jika suhu permukaan berbeda. jauh lebih tinggi dari dayung di kilang cahaya. Bahkan vakum yang sangat keras mungkin tidak cukup baik. Seorang ahli dalam ruang ultra-bersih, UHV mungkin bisa melakukannya, tetapi lebih baik menempatkan benda sialan itu di lingkungan orbit bumi tinggi, dibersihkan dengan baik, ditambah biarkan gas itu keluar selama beberapa minggu sebelum pengujian.

wbeaty

@wbeaty ... ya, jika fenomena yang diamati adalah outgassing, dorong dapat diharapkan menurun karena massa reaksi outgassing dikonsumsi. Kita akan melihat ... meskipun saya akan merasa sulit untuk percaya bahwa para peneliti NASA belum memeriksa hipotesis itu.

Brian Drummond