Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков

• Название: Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
• Дата: 01.05.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: 1_00676 (1).docx
• Тип: Диссертация; #506934
• страница: 5 из 23

Излучатели СВЧ энергии и электромагнитные волны в камерах лучевого типа

Линия передачи, представляющая собой обычный стандартный волно- вод и соединяющая СВЧ генератор с рабочей камерой, в КЛТ заканчивается излучающей системой (рис 2.3) [4, 51].

Излучающие системы в КЛТ должны удовлетворять следующим тре- бованиям:

• 
  обеспечивать равномерное распределение СВЧ энергии по облучае- мой поверхности модифицируемого объекта;
  
• 
  линия передачи должна быть согласована с пространством, в кото- рое идет излучение;
  
• 
  иметь малые габариты и простую конструкцию.
  

Соблюдение первого из этих требований обеспечивает качество тех- нологического процесса, второго – энергетическую эффективность уста- новки, третьего – минимальные затраты на её изготовление, то есть эконо- мическую эффективность.



абвг




деж
Рис. 2.4. Излучатели камер лучевого типа: а, б– вибраторные; в, г– волноводные; д–

рупорный; е, ж– волноводно-щелевые
Штыревые (рис.2.4 а) или петлевые (рис.2.4 б) вибраторные излучатели ис- пользуются, как правило, из-за низкой электрической прочности в мало- мощных установках.

Для размещения на стенках камеры удобны отверстия прямоугольной формы, соответствующие сечению прямоугольных волноводов линии пере- дачи (рис. 2.4 в,ж).

Наибольшее распространение получили рупорные излучатели с пря- моугольным поперечным сечением рупора (рис. 2.4 д) и волноводно- щелевые излучатели (рис.2.4 ж). Они дают возможность получить доста- точно равномерное облучение объекта. Размеры волноводно-щелевых излу- чателей сравнительно с рупорными излучателями меньше, возбуждение щели (щелей) осуществляется обычно с помощью прямоугольного волно- вода, имеющего с рабочей камерой общую стенку, в которой и прорезыва- ется щель (щели). Чтобы щель излучала, она должна пересекать своей ши- рокой стороной поверхностные токи в стенке волновода. Мощность излу- чения максимальна, когда щель перпендикулярна линии тока. При доми- нантной волне в прямоугольном волноводе в широкой стенке волновода из- лучающая щель должна быть прорезана перпендикулярно оси волновода (рис. 2.4 ж), а в узкой стенке – вдоль оси (рис.2.4 е).

Равномерное облучение модифицируемого объекта можно обеспечить подбором числа щелей, их ширины и расстояния между ними, если щели прорезаны в широкой стенке, длины и ширины щели, если щель прорезана в узкой стенке. Щелевой волновод на своем конце может быть закорочен.

Рупорные излучающие системы относятся к классу поверхностных излучающих систем. Простейшим типом таких систем является конец от- крытого волновода.

Направленность действия излучающей системы описывается соотно- шением [52]

=
4S

₀ χD_λ2

, (2.1)

где

D₀ –максимальный коэффициент направленного действия (КНД);

χ – коэффициент использования раскрыва рупора; S – действительная излу- чающая поверхность; λ – длина волны в волноводе.

В КЛТ линии передачи практически всегда выполнены на прямо- угольном волноводе сечением а×b, работающем на основной (доминантной)

волне Н₁₀. При этом S = abи

D₀ в этом случае невелико. Увеличение разме-

ров аиb при фиксированной длине волны генератора приводит к появле- нию в волноводе высших типов электромагнитных волн, что нежелательно, поскольку это, в свою очередь, приводит к такому распределению электро- магнитного поля в раскрыве излучающей системы, при котором уменьша- ется коэффициент его использования χ [52]. Из-за этого в КЛТ применяют излучающие системы в виде постепенно расширяющегося волновода, то есть рупора. В этом случае основная волна волновода в рупоре, конечно, деформируется, однако высшие типы волн в постепенно расширяющемся рупоре практически не возникают [50].

В зависимости от способа расширения волновода различают пирами- дальный рупор (рис. 2.5 а), секториальные рупоры в плоскости Н (рис. 2.5 в) и в плоскости Е(рис. 2.4 б). Волны на выходе из секториальных рупоров имеют фронт волны в виде цилиндрической поверхности, а в пирамидаль- ных – в виде сферической поверхности.

Основная волна претерпевает в раскрыве рупора отражение, причем коэффициент отражения в этом случае равен

Г= ^{Z0н− Z0}, (2.2)

Z₀+ Z₀

где

Z_0н– волновое сопротивление в раскрыве волновода;

Z₀– волновое со-

противление воздуха, то есть раскрыв волновода в пространство можно рас-

сматривать как сочленение двух линий с

Z_0ни

Z₀.

С увеличением площади раскрыва рупора волна типа Н ₁₀ приближает-

ся к волне типа Т, отчего Г0 .

Соотношение для напряженности

Ев плоскостиН(α= 90 ^◦) в далеко

m
лежащей точке М(рис. 2.6) имеет вид [52]

− iEab^{� Z}

_� cos^�1 kasin�^�

−ikr_{� �} ^{� �}

Е= α

0_e0� 0

cos�_�+ <sup>�2

□</sup> , (2.3)

^m0πλr₀

^�Z0н

^□ �^2a�² ₂

λ
^{□ �1−} �

�

□ ^sin�

�

а в плоскости Е(α = 0)

1
sin^�1 kbsin�^�

Eab

−ikr^{� Z}

□ ^{� �}

�
^Еm0

0_e

πλr₀

0^{� 0}


�
^{□ Z}0н

+c�o=s�^�+


�
�

�

_�2

¹ kbsin�

2

^�. (2.4)

аб




в
Рис. 2.5. Виды рупоров на прямоугольном волноводе: а – пирамидальный рупор, б – сек- ториальный в плоскостиЕ, в– секториальный в плоскости Н

Рис. 2.6. Ориентация декартовой и сферической системы координат для описания полей в волноводе и окружающей среде
В таком случае максимальный коэффициент направленного действия от открытого конца прямоугольного волновода согласно[52] равен
2πr² E²

_D=,0m

(2.5)

⁰РZ₀

где Р–полная излучаемая мощность, причем

abE²

Здесь

Р=.⁰

2 Z_0н

E₀– максимальная амплитуда электрического поля, а

(2.6)
Е_mполу-

чим из (2.3) или (2.4), при �= 0, то есть
Eab^{� Z�}


�
E1 = ^0� +^0�. (2.7)

mmax
С учетом (2.1), (2.3) − (2.7) получим

πλr^�


0
�

^Z0н^�

4πab<sup>Z

□</sup> Z^�2
4πab

Z

�

Z

�
D= ^{0н �}1

₊0н�

χ= . (2.8)

⁰_λ2_π2 ₀^� ₀^� _λ2

Тогда, сопоставляя соотношения (2.1) и (2.8), находим коэффициент использования поверхности излучения в случае открытого волновода

Z^� Z^�2

_=χ 0н�₁₊ 0� _.

π Z

Z
₂ �

₀�

�

^н0�

Результаты, полученные для излучения открытого конца волновода, можно использовать для рупорных излучающих систем, принимая во вни- мание следующее обстоятельство. В прямоугольном рупоре к его открыто- му концу приходит фронт волны (волна Н₁₀ прямоугольного рупора) с не- равномерным по амплитуде и фазе распределением напряженности Е по поверхности раскрыва S. Эта основная волна в рупоре уже не является пло- ской, но если угол раскрыва мал, а длина рупора велика, можно считать, что коэффициент направленного действия с допустимой точностью определяет- ся соотношением, полученным для открытого конца волновода. Характер неравномерности фазы электромагнитной волны в рупоре поясняет рис.

7. 
   , а на рис. 2.8 и 2.9 изображены семейства кривых, показывающих за- висимость максимального коэффициента направленного действия сектори- ального рупора в плоскости Н(рис.2.8) и в плоскости Е(рис.2.9) от его относительных размеров.
   

Как видно из этих рисунков, величина максимума коэффициента на- правленного действия повышается с увеличением длины рупора [52].

Кроме этого с увеличением а поверхность раскрыва излучателя увели- чивается, причем коэффициент χ уменьшается. Максимальному коэффици- енту направленного действия соответствуют оптимальные условия, когда поверхность S уже довольно велика, а коэффициент χ еще не мал. Это име- ет место для секториального рупора в плоскости Н при [52].

Рис. 2.7. Неравномерность фазы в раскрыве рупора

Рис. 2.8. Максимальный коэффициент направленного действия секториального в плос- кости Н рупора для фиксированных значений длины рупора

Рис.2.9. Максимальный коэффициент направленного действия секториального в плоско- стиЕ рупора для фиксированных значений длины рупоров

R= ^a2 .

3λ
(2.9)

а для секториального рупора в плоскости Епри

R.= ^b2

3λ

(2.10)

Что касается коэффициента направленного действия пирамидального рупора, то он равен [52]

D= ^πλ2 D

D, (2.11)

32ab

0Е0Н0

где

^D0H^и

D_0E– коэффициенты направленного действия секториальных

рупоров с расширением в плоскости Ни Есоответственно, причем суще-

ственный размер первого есть а, а второго b.
графиков рис. 2.8, 2.9.

^D0H

и D_0E

определяются из

Из рис. 2.10 следует, что распределение относительной удельной мощ-

ности Р₀Р

по поверхности модифицированного диэлектрика весьма не-

равномерно и ширина пятна в плоскости Енесколько больше, чем в плос- кости Н [53]. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании КЛТ с достаточно большой поверхностью обработки. Решением проблемы равномерной модификации в этом случае является применение системы не- скольких, определенным образом расположенных друг около друга рупор- ных излучателей.


аб
Рис. 2.10. Распределение относительной удельной мощности по поверхности диэлектри- ка при облучении его одиночным рупорным излучателем (а = 180 мм, b = 90 мм, рас- стояние от рупора до диэлектрика h = 500 мм): а − в плоскости Е ; б − в плоскости Н, Р – максимальная удельная мощность, падающая на поверхность диэлектрика от одиночного рупора
На основании изложенного расчет рупорного излучателя можно про- вести по следующему алгоритму:

1. 
   Определяют геометрические размеры модифицируемого объекта;
   
2. 
   Из разрешенных к применению в СВЧ диэлектрическом нагреве частот выбирают частоту СВЧ генератора и соответственно размеры широ- кой и узкой стенок волновода линии передачи. В качестве линии передачи
   

следует выбрать волновод стандартного сечения для данной частоты. При выборе частоты следует руководствоваться принципом: чем толще слой мо- дифицируемого диэлектрика, тем ниже частота генератора;

3. 
   Выбирают для данной рабочей камеры длину рупора R (рис.2.8). При этом следует иметь в виду, что согласование рупорного излучателя с воздушной средой тем лучше, чем больше R, однако при этом увеличивает- ся металлоемкость излучателя и габариты установки. Другими словами, увеличение энергетической эффективности КЛТ приводит к увеличению за- трат на изготовление СВЧ электротермической установки, что уменьшает её экономическую эффективность;
   
4. 
   По соотношениям (2.9) и(2.10) выбирают геометрические размеры раскрыва рупора (размер а= _р– для рупора в плоскости Н и размер b=b_р
   

• 
  для рупора в плоскости Е) при R, определенным по п. 3.
  

5. 
   Определяют размеры пятна, оставляемого излучателем на поверх- ности модифицируемого диэлектрика. При этом следует руководствоваться кривыми, приведенными на рис. 2.10 а– для рупора в плоскостиНи на рис.2.10 б– для рупора в плоскости Е. В инженерных расчетах в первом приближении можно считать, что распределение Р_удпо площади пятна рав- номерное, размеры пятна равны площади раскрыва излучателя.
   
6. 
   Если пятно не закрывает весь объект, то рассчитывают число и рас- положение дополнительных рупорных излучателей.
   

При проектировании рупоров по приведенному алгоритму следует помнить, что все соотношения получены для случая, когда от излучающей поверхности до модифицируемого объекта расстояние порядка 4-6 длин волн (случай так называемого дальнего поля излучателя). Следовательно, расчет излучателя по приведенному алгоритму для большинства КЛТ явля- ется ориентировочным.