极客实验
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大功率微波定向能加热装置,微波无线输电装置,微波武器(微波炮)的设计与DIY制作
虎哥 2018-5-31 23:19:07

十多年来,我创有关大功率微波定向发射的讨论有上百篇(例如:https://www.kechuang.org/t/80719),但是没有一篇关于实践的指南(有实践报道,例如https://www.kechuang.org/t/80731 ;;)。介于这种形势,我就来开个先河吧。

1、引言

微波是电磁波的一种,曾经严格的定义是频率范围300MHz-3GHz的无线电波。随着技术的发展,频率越做越高,因此习惯上把频率范围1GHz~数百GHz的无线电波称为微波,而频率高于30GHz的最近又更多的直接叫做毫米波。

微波的波长较短,与更长波长的无线电波相比,可以用更小尺寸的天线获得较高的方向性。微波在空间中主要依靠直线传播,较大功率的微波可以用波导来传输,损耗小、成本合理。因此,用微波传输能源(微波输能)是一种有前景的应用方式。微波作用于极性分子,例如水和含水较多的蔬菜、肉类,会高效的转变为热。微波炉是微波能在生活中最常见的应用。

产生微波的方式很多。对于中大功率微波而言,常用的设备是磁控管、行波管等。当然,也可以用半导体振荡器和放大器经过功率合成来产生大功率微波,但是成本较高,效率较低(以电能转换为微波辐射的效率计,~45%),暂时还难以普遍推广。磁控管是最成熟、最简便、最廉价、效率最高(以电能转换为微波辐射的效率计,70%~)的方式。微波炉中的磁控管通常只需要30多元人民币,可以说已经廉价到极致。工业加热和微波输能中,还会用到更大的磁控管,目前常用的最大规格为75kW。当然,一般很难用到这么大的管子,在日常的工业应用中,最常使用的是1kW的磁控管,价格大约100元人民币。

强的微波辐射可以用来加热产品,或者一些有趣的用途,比如杀灭白蚁(可能,我还没做实验)、捅马蜂窝,或者也可以用于打无人机、消灭暗藏的间谍设备等特殊用途。微波也是电能无线传输的可行方式,经过良好设计的设备,已经可以在千米以上距离,传输千瓦量级的电能。当然由于微波的聚焦不像激光那么好,照到天线的只有很小一部分,因此无线传输能量的效率偏低,目前暂时只具有军事实用价值。

微波作用于生物,主要发生热效应,和微波炉加热食物的道理是一样的。关于微波的“危害”,历史上有很多争论。目前学术界主流的观点是,弱的微波没有什么危害,强的微波会加热组织,引起局部热损害(烫伤)或引起中暑,过强的微波可以直接烤熟生物。不过持不同观点的学者也不少。例如,微波能够使某些化学反应以不常见的速率或平衡来进行,然而目前缺少完美的理论解释。弱的微波也会导致细胞膜穿孔,这方面有较强的实验证据支撑,但也缺少有效的理论解释。因此,许多人认为尽管弱微波的有害证据不足,但由于未知的方面较多,尚不能武断的轻信弱的微波没有危害。综合目前研究成果,我们认为短期的非热照射不会产生不良后果;短期的热照射(通常指功率通量密度高于10mW/cm2,100W/m2),在不引起局部过热(超过40℃)的前提下也是安全的。事实上,人体由于含水丰富,血液循环迅速,有较强的散热能力。感觉到微波“温暖”的强度,短时间不会引起严重后果,但是需要注意某些组织的散热能力差,且变热以后人不会马上察觉,就容易引起严重后果。其典型代表是眼睛的晶状体、男性的睾丸。某些内脏过热时并不表现为热感,可能引起疏忽,也应特别注意。

用微波作为武器是古已有之的研究。这种武器通常需要较高的频率。军事上的实验发现,频率在30~150GHz(110GHz附近为佳)的微波由于深入人体较浅,能量主要在皮下释放,正好刺激皮肤的感受器,因此具有较好的人员驱散和震慑作用。这种微波武器可以被独裁者用于镇压聚集人群,当功率足够大时,甚至可以瞬间点燃被试动物的表皮和毛发。某些微波发射器也用于打击飞行器,扰乱敌方的通信设备等用途。工业上常用的915MHz和2.45GHz微波发生器由于频率太低,会加热到肌肉层。换句话说,要加热的组织体积巨大,热得慢,需要很大的功率和较长的时间,不太适合军事用途。

2、DIY的方法和设备

这里以DIY一台2.45GHz频率的磁控管微波发射器为例。所有的零件都可以方便的买到或者自制。

微波发射器至少需要包括电源、磁控管、激励腔、天线(这里用喇叭天线)和必要的控制设备。下图是某型微波炉的电路图,可以拆解废弃微波炉直观的了解。

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我们要DIY的发射器,在上图中只出现了高压电源、灯丝电源、磁控管;为了能够定向的发射,还需要激励腔和喇叭天线。

关于磁控管原理,请通过PPT了解(转载)。

磁控管原理.ppt84次下载   

磁控管可以用几十元一个的家用微波炉管子,不过本文为了效果更好,用的是1kW工业加热磁控管。这种磁控管满大街都是,略微贵点:

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激励腔是磁控管的输出元件,它的目地是把磁控管的微波震荡转变为波导中适当传播模式的电磁波。

下图是一种廉价的BJ22激励腔(网络图)。

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磁控管直接安装在这个激励腔上。注意图左边的那些螺丝孔,与常见磁控管是匹配的。

这种激励腔较大,不过由于已经钣金或者压铸化了,非常便宜,只需要几十元。本文使用细长一些的BJ26激励腔,经过淘宝搜索可得:

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这个激励腔实际要不了这么多钱,估计也就几十元的水平。不过专业用的高精度波导是铣削加工的,必然很贵,除了实验室研究用途,通常没有太大必要。

激励器的输出法兰,可以连接更长的波导,也可以直接连接喇叭天线。本文直接连接喇叭天线。

但是喇叭天线却不好找,淘宝上几乎没有,有也很贵,因为工业上通常不是用我们需要的喇叭天线来做输出的,因此适配的喇叭就贵。不过,DIY当然要追求较低的成本,于是我们祭出大杀器:

纸糊的喇叭

首先,用3D打印打印一个对应BJ26的法兰,留一截两三厘米长的波导:

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在等待3D打印的过程中,可以趁机对喇叭进行设计仿真:

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根据需要的增益(这里为13dB)、副瓣抑制比(这里为20dB)并尽量往小尺寸的方向上优化,得到喇叭的结构参数。

喇叭设计是本科阶段的课程,没学过的请补习《微波工程》或参考下面课程设计(网上转载):

喇叭天线设计.doc41次下载

 本文所用喇叭,其HFSS仿真模型直接公布如下,仅供参考,不保证正确

角锥喇叭 2.45G BJ26.aedt35次下载

 知道了喇叭的结构参数,就好办了。

首先请实验室的妹纸帮忙做个剪纸手工:

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在里面糊上铜箔

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大功告成

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那么,还剩下没准备好的部分就是电源了。

众所周知,微波炉一般用变压器将电压提升到接近2KV交流,然后用二倍压整流电路再将其提升到4kV直流。这种组合具有皮实耐操等特点,但不可避免的用到笨重的变压器和体积硕大的工频倍压电容。巨大的体积和巨大的重量都导致装置难以移动,所以,咱肯定不能用这么low的方法。

作为实验,本文用了一个比较贵的电源:

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 这个电源是专业级的,确实有点贵,如果想便宜,很简单:

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 注意这种几十元的都是拆机件,不是全新的。

如果想移动使用怎么办呢?好办:

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电源的问题,就被人民币大法解决了。

磁控管的接法通常是外壳接地,两个电极都接4000V负高压。磁控管的两个电极之间是灯丝,也就是说,对于变压器,高压绕组上需要有一个灯丝绕组。对于开关电源,也会引出两根高压线,一般不用区分这两根线的极性。

磁控管如果短时间(几秒钟)工作,可以不用冷却。长期工作必须冷却,因此需要一个强力风扇,以及对应的风扇电源。

把上述东西攒起来,就得到我们的实验装置:

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 下面,就进行作死实验

3、效果实测

先测个场强

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  功率出来了吗?感受下

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点个灯看看(可以激励荧光灯管,输出比灯管本身设计要强得多的光功率,此处用的紫外线灯管,当心紫外危害)

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 谁说电磁波“看不见摸不着”?这不就摸着了吗。用热感来判断场强分布,准确、迅速。。

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 直观感觉一下温度和场强的关系

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 测个近点的

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 窝草,天线着火了

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 对应于2.45GHz左右的那一对振子,产生高温,烧坏了塑料保护盖,点燃了部分PCB。

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 轻伤不下火线,PCB的延烧面积迅速扩大。

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 另一个角度。从频谱也可看出,加热用磁控管的输出品质不佳。

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 录到的功率通量密度。此数值偏小,这种测试方法不太准确。另外就是天线已经被烧坏了。

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 最后,火腿肠被烤干,但并未着火。

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 剧终。

无线输电的接收器,还没做。

长数君对本文有重要贡献。

免责声明:本文内容仅供拓展知识,滥用可能导致危险和危害,非专业人士切勿模仿。

[修改于 1 个月前 - 2019-01-23 16:54:42]

2018-6-1 00:17:40
1楼
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输电呢 输电呢。。。。。

2楼
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焊一堆led延长引脚大概3cm撒满天台,然后2.4G扫过去. 用led应该可以让距离远一点吧。

[修改于 9 个月前 - 2018-06-01 00:51:05]

3楼
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记得之前在网上看到过类似的,两个俄罗斯人把四个磁控管绑在一根棍子上,然后开机,用家用电器做实验,全部烧了,记得一个收音机的喇叭直接爆了弹出来。

4楼
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引用:20!Dopaminor 发表于2 楼的内容:
焊一堆led延长引脚大概3cm撒满天台,然后2.4G扫过去

实测可以直接烧掉,建议用氖泡。

话说这东西要用来输电应该怎么接收?微波二极管检波?

[修改于 9 个月前 - 2018-06-01 00:56:00]

5楼
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@HCN ; 在那个视频的结尾,视频发布者有说明 ,那是假的。是用烟花来玩的。 而且想一想都知道啊,他就用电击棒作为电源,能有多大功率?

7楼
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引用:rocket_man_8 发表于5 楼的内容:
@ HCN ; 在那个视频的结尾,视频发布者有说明 ,那是假的。是用烟花来玩的。 而且想一想都知道啊.....

我看的没说,可能是被人剪过的

8楼
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虎哥的人马有点勇敢不要命,这磁控管平均输出功率这么高,也敢无防护近距离裸体测试,远远超过人体耐受辐射剂量

9楼
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不错不错,我一直想做不敢做的实验被虎哥干了

[修改于 9 个月前 - 2018-06-01 16:52:01]

虎哥(作者)
10楼
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纸糊的波导效果拔群

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 由于市售的激励腔比较短,端口的模式可能不太对,用波导延长一些效果会更好。

[修改于 9 个月前 - 2018-06-01 21:51:49]

虎哥(作者)
11楼
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引用:阮洪文 发表于8 楼的内容:
虎哥的人马有点勇敢不要命,这磁控管平均输出功率这么高,也敢无防护近距离裸体测试,远远超过人体耐受辐射.....

“人体耐受辐射”是多少呢?世界上没有人做出规定。个人认为在2.4GHz耐受10mW/cm2全身照射一小时没有任何问题,局部组织(如手掌)耐受50mW/cm2,即500W/m2一分钟也没有太大问题。刚才我对手掌用1KW/m2照了一会儿,感觉很热,是那种从内向外的热,照射停止以后感觉更烫,持续了一两分钟。

一个人的截面积就按30厘米乘以2米算,也才0.6平方米。在10mW/cm2匀强辐射下,接受的功率才60W,还没有一个小太阳电暖气的辐射大。需要注意的是,场强要均匀,不能有局部的强辐射,否则局部就会倒霉。另外就是人要动一动,不要总是一个姿势照,由于人体介电常数的不同,可能在局部聚焦产生热点。

[修改于 9 个月前 - 2018-06-01 21:47:23]

12楼
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医院现在也有用2.4G微波做治疗的。用的管子就是我们家用的微波炉管子呢。效果就不知是如何了,老虎搞了,说一下感觉,是否能去疲劳呢。

13楼
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引用:虎哥 发表于11 楼的内容:
“人体耐受辐射”是多少呢?世界上没有人做出规定。个人认为在2.4GHz耐受10mW/cm2全身照射一.....

虎哥,美国职业与健康标准给出的极限是10mw/cm2,六分钟。另外,据我所知,2.4ghz微波可深入人体组织将近20毫米,组织内部过热造成的损失是后显类型的,主要是破坏细胞组织和造成血液组织凝结。有些影响持续多年。具体案例可参考维基microwave burn条目。以前我们做雷达工作的时候,是绝对禁止人在开机时近距处于雷达辐射方向上的。很多类型的小雷达平均功率只有几十瓦,但还是不能暴露,大剂量暴露绝对是危险的。

虎哥(作者)
14楼
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引用:阮洪文 发表于13 楼的内容:
虎哥,美国职业与健康标准给出的极限是10mw/cm2,六分钟。另外,据我所知,2.4ghz微波可深入.....

国内业余无线电圈子里第一篇关于电磁辐射安全的文章是我写的(后来在《业余无线电家》J和《中国业余无线电》C发表),很可能也是中文圈第一篇介绍电磁辐射安全的科普文章,参见:https://www.kechuang.org/p/60371

可以看出,当年我是主张有害论的,这些年,我对此事的认识发生了180度逆转。

2000年前后写这些文章时,我查阅了大量的资料,其中,华约国家的资料主要是中文译述和综述;美国资料有很多原文。限于那时候的文献流通水平,主要资料截止于90年代初。

90年代前的研究手段是有限的。凡基于动物实验或生物学的资料基本没有找到什么除了热效应之外的证据;凡基于流行病学调查的研究,几乎都发现了各种神奇的“危害”——例如微波炉泄露强度的暴露,使儿童白血病发病率提高2倍之类。众所周知,流行病学调查的证据强度非常低,并且往往越老越越不可信。2000年以后就有许多否定性的调查结论。

然而,电磁辐射成为一个公共问题,是90年代之后的事情。在这段时间世卫组织做了大量的工作,对证据进行了分级和排除。现在我们知道,基于科学的实证原则,没有充分证据表明微波辐射的非热效应存在且明显有害。对于热效应导致的温度变化,可以用物理学的方法来建模和评估,它对组织的加热作用只要没有达到损伤组织的程度,就可以认为是安全的。

与二十年前显著不同,目前主流已经一边倒的认为只要温度不太高,微波辐射并不比晒太阳更危险,谈各种神奇的“危害”反而成了民科,比如神奇的“后显类型”

当然,安全标准依然需要,因为只要现实中可能遇到导致伤害的强度,就需要为工程和防护提供基础依据。但是安全标准不等于耐受值,能耐受的功率(微波辐射无积累效应,不适合用剂量来描述)比安全标准高不少。过去从华约体系照搬过来的过于苛刻的标准很难迅速降下来,但这是一个社会问题,不是科学问题。需要提醒的是,标准中的6分钟是指平均时间,意思是“任意六分钟内的平均值”,不是指只能照6分钟。

参考文献:

IEEE Standard for Safety Levels withRespect to Human Exposure to RadioFrequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz.pdf18次下载

[修改于 9 个月前 - 2018-06-03 02:42:21]

15楼
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这个波导太牛逼了。

16楼
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期待后续关于微波无线输电的实验

17楼
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(不懂射频的看这里)直观的理解就是..  微波=远远远远远红外线

鉴于没有理论支持紫外波长以上波长能对化学键直接产生影响,紫外以上波段只需要研究热效应就够了吧,也就是简化成烤多久烤多热会有害。

70GHz左右(氢氧键吸收峰)好像也没什么可怕的,有空查查。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-07 04:14:55]

18楼
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引用:20!Dopaminor 发表于17 楼的内容:
(不懂射频的看这里)直观的理解就是..  微波=远远远远远红外线鉴于没有理论支持紫外波长以.....

没有理论支持紫外波长以上波长能对化学键直接产生影响

这个紫外线的划分好像是按照原子电离能来算的吧,紫外线以上波长只是不能使原子电离而已。

例如可见光对化学键产生影响:

CH4+Cl2=光照=CH3Cl+HCl

2AgBr=光照=2Ag+Br2

[修改于 8 个月前 - 2018-06-05 00:33:05]

2018-6-6 03:23:29
虎哥(作者)
19楼
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(续前文)大功率微波定向能加热装置的测试

今天趁着风和日丽,对稍作改变后的装置进行了进一步测试。

主要有以下改动:

1、在激励器和喇叭天线之间,增加了一截纸糊的方波导。

2、在对比了铁芯变压器和开关电源供电时,磁控管的输出信号差别之后(功率没有明显的差别),用铁芯变压器替代开关电源。

首先是装置全貌,可以看到增加了一截纸糊的方波导

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 同时对场强进行了一个几乎瞬间完成的测试,测试条件和先前的文章相同,不过天线做出了更大的牺牲。在增加方波导后,喇叭前10厘米处的功率通量密度提高约一倍,达到了惊人的360mW/cm2。(注:绝对值可能偏小,但可以和上次的值进行对比得出“提高一倍”的结论)

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 使用另一种平面螺旋宽带天线试试,迅速冒烟。

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 该天线的微带巴伦多处过热,导致PCB变色、隆起(下图因为光线原因,不是很明显)。天线连接的频谱仪测到了100~150W的接收功率(此时,距离比上图近)。

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 用山寨的辐射计(真的特山寨,读数仅供参考娱乐)测一下远处的功率通量密度。在距离大约15米处,能量已经严重损失,典型的功率密度只有3mW/cm2。理论上,如果要达到“打马蜂窝”的实用效果,天线增益至少还需提高10dB,或者输出功率需提高到10kW。

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注意第一张图片挂着的黑色吸波材料,这其实是一张防静电橡胶板。因为库存的金属粉吸波材料都被裁成了小张,而重新买整张的又比较贵,所以使用具有导电性的防静电胶板来替代。

为了明确该吸波材料的性能,提前做了测试,让电波通过单层的该材料,得到不同频率下的损耗如下图。运气问题,拍的照正好是没有归一化的图,只能口头解释下,大概意思就是2.7GHz以下,吸收很少,多数微波会透过该材料。

不过,也正是因为吸收较少,而又有一点吸收,所以能够近距离使用(否则就会着火)。

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大家应该猜到咱要干啥了

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 质量良好、质地均匀的防静电胶板,是用来观察近距离功率分布的有效工具。结合热成像,能够直接看到喇叭的输出波瓣。

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 这是更近距离的结果

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这张图可以看出,纸糊的波导基本是冷的。后来里面铜箔被拉裂了一点,马上就打火,不过稍微摇一摇看样子是重新粘上了,也就恢复正常了。

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 最后,还是暴露了吃货的本质。

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经过这些实验,基本掌握了微波定向输能的玩法,初步体验就到此结束了。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-06 03:30:14]

2018-6-7 04:09:00
20楼
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心疼一秒。巴伦可以刮开来铺锡,但pcb还是会热。   

圆极化天线接收线极化会少3db。

天线末端可以接两个灯泡或者散热器😂。(接成偶极子的样子就行)

真·蚊香盘天线,带烟的。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-08 00:42:20]

21楼
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引用:20!Dopaminor 发表于20 楼的内容:
心疼一秒。巴伦可以刮开来铺锡,但pcb还是会热。   圆极化天线接收线极化会少3.....

巴伦刮开来铺锡对于减少巴伦上的损耗发热是用处不大的。一方面有一些损耗是介质损耗,和铺锡关系不大。另一方面,由于高频趋肤效应和临近效应,2.4GHz的高频电流只在铜箔的紧贴FR4介质板的几微米厚的薄层里流动。在铜皮外侧铺锡是没用的。

其实相当大一部分损耗来自于铜皮的粗化。为了提高粘接力,低成本板材往往在铜箔内面故意做粗糙,导致表层电流在凹凸不平的表面做曲线流动,额外增加了很多损耗。

22楼
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目测这个喇叭口大约是15厘米口径。一般来说,主瓣宽度大概是12.2cm(2.45G微波波长)/15cm=0.81弧度,或46度。比较散。很难给远处供电的。

23楼
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引用:量子隧道 发表于21 楼的内容:
巴伦刮开来铺锡对于减少巴伦上的损耗发热是用处不大的。一方面有一些损耗是介质损耗,和铺锡关系不大。另一.....

散热!散热!pcb过热膨胀立刻就阻抗不匹配了,更加加剧发热。同样末端碳化之后也会导致天线实际长度发生变化,或者变成末端加载电阻。


是啊,又想口径小又想方向性好是不可能的


缅怀R100, 感谢R100做出的重要贡献。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-09 01:02:10]

虎哥(作者)
24楼
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经过重新计算,这个喇叭的增益只有13dB,实际上不用这么长就能达到同等效果。如果把喇叭做到1米的开口,能够达到25dB左右的增益,其远场比现有方案提高十多倍,具有实用价值。但这么大尺寸的喇叭,也是头疼。

我们也仿真了多层多孔金属板和超材料聚焦方案,在体积基本不增加的情况下还能提高大约3dB,但严重增加制造难度,看起来意义不显著。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-07 22:54:24]

2018-6-19 21:43:44
虎哥(作者)
25楼
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由于纸糊的喇叭有若干不可控因素,决定用全金属喇叭重新进行测试。

首先是仿真计算。权衡尺寸和增益,设计目标定为16dB,理论上比纸糊的喇叭多3dB。

仿真结果是:16.86dB,实际做出来估计能达到16dB。

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  对该天线的仿真模型,依然直接公布如下,欢迎打脸:

喇叭2.45G17db.aedt14次下载

 这个喇叭开口尺寸已经很大了,有足足30厘米。这样的喇叭当然是很贵很贵的,但是本着没有困难创造困难也要上的极客精神,长数君找了个做烟囱的铺子,采取了铝板焊接的方案 ,成本主要是工钱。

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恢复到和上次实验类似的条件。

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 通电,用山寨辐射计看的话,距离喇叭口10米远处场强较上次实验提高10倍(均为峰值功率通量密度)。

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喇叭口附近近场比上次实验显著降低(3dB左右,图略)。  

录得的时域功率,可见由于采用了变压器半波倍压整流,磁控管间歇工作,实际只工作了大约三分之一时间(输出时间中部的凹陷,可能是因为磁控管频率飘出了分析带宽之外导致的)。经过改进电源,该装置的平均功率还有3倍的提升空间。

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结论:更换喇叭以后,远场有明显提升,提升的量高于理论预期,说明纸糊的喇叭效率不高,可能是反射较大的缘故。


[修改于 8 个月前 - 2018-06-20 01:36:38]

26楼
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引用:虎哥 发表于19 楼的内容:
(续前文)大功率微波定向能加热装置的测试今天趁着风和日丽,对稍作改变后的装置进行了进一步测试。主要有.....

纸糊喇叭内表面铜箔贴不平产生的凹凸起伏应该也会增大损耗吧。。

27楼
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喇叭XY口径均增大一倍,远场提升4倍,即12db。这里提升了10倍。超出了预期。

更新:果然喝多了就糊涂。昨晚估算错了。

喇叭XY口径均增大一倍,远场能量提升4倍,即6db。至于场强,应该只提升到原来的2倍。

[修改于 8 个月前 - 2018-06-20 11:39:26]

28楼
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微波可以加热金属么?

29楼
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引用:飘飘飘 发表于28 楼的内容:
微波可以加热金属么?

我10年前在微波炉里实验,可以加热微波炉里的金属。

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盖世豪杰
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