Методы и системы возбуждения электромагнитного поля в волноводах сложных поперечных сечений

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.372

В.Ю. Косолап, А.Э. Семенов

МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

В ВОЛНОВОДАХ СЛОЖНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ

Рассмотрены два наиболее эффективных метода решения внутренней краевой задачи электродинамики, а также системы возбуждения применительно к СВЧ-нагревательным установкам волноводного и резонаторного типов.

СВЧ-нагревательная установка, методы решения краевой задачи.

V.Yu. Kosolap, A.E. Semenov

ELECTROMAGNETIC FIELD EXCITATION METHODS AND SYSTEMS IN COMPLEX CROSS-SECTION WAVEGUIDES

Two most effective methods of solving coupled boundary electrodynamics problem and systems of excitation in waveguide and resonator microwave heating devices are discussed in this paper.

SHF-heater, boundary-value problem solution method.

Как показано в работах [1, 2, 3, 4], микроволновые установки волноводного и резонаторного типов, как правило, состоят из трех основных элементов: генератора СВЧ-мощности, системы возбуждения электромагнитного поля и рабочей камеры, в которой происходит взаимодействие СВЧ-поля с обрабатываемым материалом, то есть заданный электротехнологический процесс термообработки. Необходимо отметить, что во многих установках используются генераторы магнетронного типа, вывод энергии которого выполнен на основе стандартных волноводных структур, при этом на рабочей частоте -v = 2450 МГц ± 2,5% вывод генератора, как правило, выполнен на основе прямоугольного волновода сечением 45x90 мм, а на частотах 433 и 915 МГц ± 2,5% - на основе коаксиального волновода. Заметим, что геометрические размеры вывода СВЧ-мощности выбираются таким образом, чтобы рабочая длина волны - Х0 находилась в доминантном диапазоне длин волн волновода. Так, на частотах 2450 МГц ± 2,5% величина Х0 = 12,24 см располагается практически в середине доминантного диапазона (^с0 = 18 см, ^с1 = 9 см, Хср = 13,5 см - длина волны в середине диапазона распространения основной волны прямоугольного волновода сечением 45x90 мм), что является наиболее оптимальным условием определения геометрии волноводных выводов СВЧ-мощности (^0 = 1,41-^с1).

Таким образом, геометрия вывода энергии волноводного типа в основном определяется положением рабочей длины волны в доминантном диапазоне и уровнем выходной СВЧ-мощности. Заметим, что данная часть конструкции СВЧ-нагревательных установок является одинаковой как для резонаторных, так и для волноводных систем стационарного и конвейерного типов.

Системы возбуждения и рабочие камеры СВЧ-нагревательных установок существенно различаются для установок резонаторного и волноводного типов. В системах волноводного типа (стационарного и конвейерного типов) возбуждение рабочей камеры осуществляется посредством плавных согласующих переходов между выводом генератора СВЧ-мощности и выходом рабочей камеры. Это связано с тем, что если геометрия рабочей камеры во многом определяется габаритами и электродинамическими свойствами обрабатываемого материала, то размеры выходного сечения вывода энергии определяются положением рабочей длины волны - А0 в доминантном диапазоне длин волн, а также уровнем выходной СВЧ-мощности. Поэтому практически во всех установках волноводного типа размеры вывода энергии СВЧ-поля не совпадают с выходными габаритами поперечного сечения рабочей камеры. Расчет формы плавного согласующего перехода и особенно его продольной геометрии резко усложняется, если рабочая камера выполнена на основе квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения, а вывод СВЧ-мощности - на основе традиционных волноводов (прямоугольного, коаксиального типов и др.), то есть когда формы поперечных сечений существенно различаются между собой [1, 2].

Системы возбуждения электромагнитного поля в резонаторных СВЧ-нагревательных установках представляют собой более сложные электродинамические системы в конструкционном и функциональном плане. Расчет данных систем возбуждения является наиболее трудноразрешимой задачей в технике и энергетике СВЧ, поскольку это связано с решением внутренней краевой задачи электродинамики для различных взаимосвязанных электродинамических систем (волновод-резонатор). Задача резко усложняется при частичном произвольном диэлектрическом заполнении, электрические и тепловые свойства которого изменяются в процессе нагрева. При этом основную трудность в данных структурах представляет достижение требуемого уровня удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и, соответственно, режима термообработки чисто электродинамическим путем, что предъявляет более высокие требования к системам возбуждения резонаторных рабочих камер СВЧ-нагревательных установок.

Как показано в работах [1, 3], обеспечение заданного электротехнологического процесса термообработки в резонаторных СВЧ-нагревательных установок может быть достигнут на основе существенной модернизации существующих систем возбуждения резонаторных структур с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением и создание нового перспективного класса распределенных (многощелевых) управляемых систем возбуждения. Это требует комплексного использования электродинамических и тепловых свойств СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа для различных многощелевых систем возбуждения, при изменении конфигурации рабочей камеры в области расположения обрабатываемого материала.

Рассмотрим электродинамические свойства и методику расчета систем возбуждения рабочих камер СВЧ-нагревательных установок волноводного типа. Данная система представляет собой плавный согласующий переход между стандартными волноводами (СВ) и волноводами сложных поперечных сечений (ВСС), то есть переходов СВ-ВСС, которые позволяют обеспечить направленную передачу СВЧ-мощности от генератора в рабочую камеру установки. Как показано в работах [1, 3], расчет плавных согласующих переходов СВ-ВСС строится на решении внутренней краевой задачи электродинамики для полых ВСС, при этом при определении диапазонных свойств перехода в направлении распространения доминантной волны используются зависимости

критических длин волн основного - Х0 и первого высшего - Хс1 типов волн ВСС от геометрических параметров поперечного сечения, то есть на комплексном исследовании собственных электродинамических параметров различных волноводных структур - Хс0, Хс1, в, £.

Сложность расчета геометрии переходов СВ-ВСС заключается в многопараметрической зависимости электродинамических параметров от геометрических параметров поперечного сечения ВСС, что усложняет решение обратной внутренней краевой задачи электродинамики для квазистационарных ВСС, на основе которых определяется геометрическая форма

согласующего перехода. Так, если

электродинамические параметры

прямоугольного волновода определяются двумя геометрическими параметрами (а - размер

широкой и Ь - размер узкой стенки волновода), то в прямоугольном волноводе с Т-ребром (см. рисунок) - уже пятью параметрами ( / а; й / Ь;

I / а; Ь / а; а). Для решения обратной ВКЗЭ для ВСС в основном существуют два эффективных метода. Во-первых, это достаточно наглядный и широко апробированный графоаналитический метод [1, 3] определения геометрии

согласующего перехода СВ-ВСС. Данный подход подразумевает представление результатов решения прямой ВКЗЭ для собственных электродинамических параметров

Х яо = ^...^ );

Хм = ЛФ, 32,.А);

$ = /3

w

Рис. 1. Профили волноводов с прямоугольным поперечным сечением: П-волновод

в виде комплекса кривых, сведенных в номограмму синтеза согласующих переходов СВ-ВСС. В соотношении (1) В1, $2, ..., % -

геометрические параметры, определяющие форму поперечного сечения ВСС. Такой подход был успешно реализован в работе [6] при расчете конструкции плавного согласующего перехода ПВ-ПВТР (ПВ - прямоугольный волновод, ПВТР -прямоугольный волновод с Т-ребром).

В данном случае целесообразно использовать второй подход при определении геометрии согласующих переходов СВ-ВСС, связанный с автоматизированным расчетом конструкции перехода. При этом расчет конструкции перехода может осуществляться (для полых электродинамических структур) как методом конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок [5], так и методом конечных элементов с применением быстрого преобразования Фурье.

Данный подход позволяет определить геометрию согласующего перехода СВ-ВСС так же, как и графоаналитическим методом, в два этапа. На первом этапе, на основе решения прямой ВКЗЭ определяются функциональные зависимости собственных электродинамических параметров (1). Полученные данные представляют собой исходную базу данных для автоматизированного расчета геометрии согласующего перехода СВ-ВСС, с

а

б

в

помощью специальной программы, осуществляющей нахождение геометрических параметров перехода, соответствующих заданным значениям собственных электродинамических параметров по длине перехода.

Сложность определения требуемой геометрии плавного перехода СВ-ВСС во многом определяется его назначением. Если переход используется в измерительной технике и технике СВЧ, то он должен обеспечивать направленную неотражающую передачу СВЧ-мощности во всем доминантном диапазоне СВ, что определяется условием:

Хяо

Хя

где Хя0(г) и Хя1(г) - изменение критических длин волн основного и первого высшего типов волн по длине перехода и соответственно Хя0 . и Хя1 - критические длины волн

основного и первого высшего типов волн вывода СВЧ-генератора (СВ).

Как показано в работах [1, 2], реализовать условие (2) в полном объеме возможно только в нелинейных переходах СВ-ВСС, в которых как внутренняя, так и внешняя геометрия ВСС нелинейно изменяется в направлении распространения доминантной волны, что представляет определенные трудности в расчете и изготовлении данного класса согласующих переходов. При этом расчет данных переходов основывается на задании продольного распределения Хя0(г) и Хя1(г), удовлетворяющих условию (2), и автоматизированном определении геометрии перехода на основе базы данных, определенной решением прямой внутренней краевой задачи электродинамики. Естественно, при решении обратной ВКЗЭ условию (2) могут соответствовать различные нелинейные переходы. Оптимизация согласующего перехода в данном случае определяется наиболее плавным изменением волнового сопротивления перехода в направлении распространения волны, при котором обеспечивается минимальная направленность подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру, что достигается плавным, монотонным изменением геометрии перехода в продольном направлении. Оптимизация геометрии согласующего перехода - в данном случае достаточно трудоемкий процесс.

Узкий диапазон частот, отпущенных для целей СВЧ-энергетики - у0±2,5% не требует выполнения условия (2) в полном объеме, что несколько упрощает требование к геометрии согласующего перехода. В данном случае условие (2) преобразуется в два условия. Первое условие определяет положение рабочей длины волны - Х0 в доминантном диапазоне длин волн - АХд = Хс0-Хс1, что принципиально важно при определении геометрической формы перехода. Второе условие определяет, какую часть доминантного диапазона занимает рабочий диапазон длин волн АХ0. Следовательно, для установок СВЧ-нагрева условие (2) трансформируется в условия:

АХо

Х1 = АХ"~;

А

Хо

Х2 = 7"Ч

Х сО

которые в данном случае определяют условие создания согласующих переходов СВ-ВСС для целей СВЧ-энергетики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коломейцев В. А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом /

В.А. Коломейцев, В.В. Комаров. Саратов: СГТУ, 1997. 160 с.

2. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дис. . доктора техн. наук /

В.А. Коломейцев. Саратов, 1999. 439 с.

3. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. М.: Энергия, 1967. 376 с.

4. Архангельский Ю.С. СВЧ-электрометрия / Ю.С. Архангельский. Саратов: СГТУ, 1998. 336 с.

5. Хомяков С.В. Моделирование СВЧ-нагревательных установок с равномерным объемным тепловыделением на волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом: дис. ... канд. физ.-мат. наук / С.В. Хомяков. Саратов, 1999. 157 с.

6. Коломейцев В. А. Плавные переходы для согласования прямоугольного волновода и прямоугольного волновода с Т-ребром / В.А. Коломейцев, В.В. Яковлев // Радиотехника. 1990. № 2. С. 89-90.

Косолап Вадим Юрьевич -

аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Kosolap Vadim Yuryevich -

Graduate Student of the Department

of «Radio Engineering»

of Saratov State Technical University

Семенов Александр Эдгарович - Semyonov Aleksandr Edgarovich -

инженер ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», Engineer of JS Co «Scientific Production Center

г. Саратов “Almaz-Pfazotron”», Saratov

Статья поступила в редакцию 10.06.08, принята к опубликованию 26.11.08