СВЧ устройство на связанных прямоугольных и шестигранном волноводах для термообработки диэлектрических материалов

А.А. Скворцов

СВЧ УСТРОЙСТВО НА СВЯЗАННЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ И ШЕСТИГРАННОМ ВОЛНОВОДАХ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Рассматривается СВЧ устройство на связанных посредством шлейфовых разветвлений прямоугольных и шестигранном волноводах, позволяющее использовать менее мощные СВЧ источники при более эффективном воздействии на термообрабатываемый материал.

AA. Skvortsov A MICROWAVE DEVICE ON COUPLED RECTANGULAR AND HEXAGONAL WAVEGUIDES FOR THERMAL PROCESSING OF DIELECTRIC MATERIALS

A microwave device on coupled by means of stub bifurcations rectangular and hexagonal waveguides is considered in this article. Proposed design allows increasing ejficiency of thermal processing using less powerful microwave sources.

В последнее время бурное развитие технологий СВЧ нагрева, требующих повышения интенсивности и равномерности воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал, заставило обратиться к суммированию мощностей нескольких СВЧ генераторов [15].

Решение этих двух задач одновременно может быть достигнуто в СВЧ устойстве на связанных прямоугольных и шестигранном волноводах, во вторичном канале которого возбуждаются три волны доминантного типа, отличающиеся плоскостями поляризации (рис. 1). Возбуждение таких волн осуществляется с помощью совокупности шлейфовых разветвлений (изображены схематично), расположенных на соответствующих гранях шестигранного волновода (ТТТГВ) и связывающих его с прямоугольными волноводами (ПрВ), к которым подключаются СВЧ генераторы, различающиеся по частоте и мощности [3]. Обрабатываемый материал предпочтительнее располагать в центральной части ТТТГВ, где напряженность электромагнитного поля максимальна.

При выборе формы поперечного сечения волноводов связи (шлейфов) необходимо учитывать, что их геометрические размеры ограничены размерами стенок связываемых волноводов, минимальным расстоянием между центрами соседних шлейфов и толщиной разделяющей их стенки. Кроме того, для получения малого перепада характеристики переходного ослабления критическая длина основной волны используемых в качестве шлейфов волноводов Хс1ш должна быть больше критических длин основных волн связываемых волноводов ^с11 (первичные каналы выполнены на идентичных ПрВ) и ^с12

[5, 6]:

^йш > ^c11’

^ш >^

Применение в качестве шлейфов ПрВ с размерами широких стенок аш=а1=а2 не позволяет получить удовлетворительные диапазонные характеристики, поскольку критическая длина основной волны образующих шлейфы волноводов меньше критической длины основной волны вторичного волновода (полого равностороннего ШГВ), определяемой по формуле [5, 7]

X,

Хп 2 + л/э

где х и=1,841 - 1-й корень производной функции Бесселя первого рода 1-го порядка.

Наиболее полно предъявляемым к шлейфам требованиям отвечают волноводы связи сложных поперечных сечений, которые по сравнению со связываемыми волноводами имеют не только большую критическую длину волны, но и больший диапазон работы на доминантной волне [5, 6].

^ а™  -

/ / / 1 1 к г ✓ ✓

У/< '/}

Рис. 1. Поперечное сечение СВЧ устройства на связанных ПрВ и ШГВ для термообработки диэлектрических материалов

Коэффициент передачи шлейфового разветвления СВЧ устройства, в котором первичные каналы выполнены на ПрВ, а вторичный - на ШГВ, со связью через волновод сложного поперечного сечения определяется выражением [5, 6]

\К ш

24т

( ( СОБ

Хв

V а1

2а

пИ1

V а

1/2

СОБ у1

12

V с12

где 4к* «1; а1, Ь1 - размеры первичного волновода; ёш - зазоры между выступами волновода связи; Тш и Ф2 - параметры, зависящие от формы поперечного сечения волновода связи и вторичного волновода; И1, И2 - смещение центра волновода связи относительно средней линии соответственно первичного и вторичного волноводов; у1, у2 -углы поворота волновода связи относительно средних линий тех же волноводов; Хвш, Хв1 и Хв2 - длины основной волны в шлейфе, основном и вспомогательном волноводах;

2

2

X

2

X

Хс12 = 2я/Хс12 ; Хс12 - критическая длина основной волны вспомогательного волновода;

^ = Л^0 Д:/В0В1 , 702 = и 20ш = <^0 Дш/В0Вш - волновые сопротивления

материалов, заполняющих основной, вспомогательный волноводы и шлейф; в1, в2, Вш, д1, Д2, Дш - относительные диэлектрические и магнитные проницаемости материалов, заполняющих основной, вспомогательный волноводы и шлейф; в0 и д0 - электрическая и магнитная постоянные.

Уменьшение неравномерности переходного ослабления СВЧ устройства на связанных ПрВ и ШГВ в диапазоне длин волн может быть достигнуто применением шлейфов на Н-волноводах (НВ) (рис. 2, а), параметр Тш которых рассчитывается по формуле [6]

ш ш

X

с1ш

а — ї —

шш

вІП (Хсіш (аш — їш Ъ

X

с1 ш

\Ъш —

ЛшК ^

где хс1ш = 2тс/Л,с1ш ; Хс1ш - критическая длина основной волны волновода связи.

Для дальнейшего выравнивания диапазонной характеристики переходного ослабления СВЧ устройства на связанных ПрВ и ШГВ, обусловленной изменением диэлектрической проницаемости в процессе термообработки, можно использовать шлейфы на основе прямоугольных волноводов с двумя Т-ребрами (ПВДТР) (рис. 2, б), параметр Тш которых определяется выражением [6]

т = ї + вш (ХсЩш ) +

шш

X

с1ш

а — ї —

шш

вІП (Хс1ш (аш — їш Ъ

X

с1ш

\Ьш — Я'ш +(Ъш — аш )(У2 — (%Лш1ш12))] +

ЛшК ^

+ Ьш

ї — я

шш

вІП

X

с1ш

^

^

Рис. 2. Поперечные сечения шлейфов на НВ

Приближенно-аналитический расчет критической длины основной волны шлейфов (Хс1ш) на основе НВ и ПВДТР не вызывает особых трудностей и подробно изложен в работе

[5].

Влияние диэлектрического материала во вспомогательном волноводе на коэффициент передачи одиночного шлейфового разветвления СВЧ-устройства можно в первом приближении оценить по формуле [5, 8]

где X,1s - длина основной волны во вспомогательном волноводе при наличии в нем материала с потерями; ф = arctg(Г"2/Г'с12); Г'с12 и Г"2- действительная и мнимая части

комплексной постоянной распространения основной волны во вспомогательном волноводе.

Для уменьшения зависимости переходного ослабления СВЧ устройства от диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала, расположенного в его вторичном волноводе, необходимо, чтобы волноводы связи не перекрывались диэлектриком [5, 9].

Равномерное тепловыделение в продольном направлении обрабатываемого материала (считая затухание волн достаточно интенсивным) может быть достигнуто, если коэффициенты передачи шлейфовых разветвлений связаны между собой соотношением

[5, 10]

кn = K„_\1 - K„4 ]-1 .

Как показывает анализ выражения (3), необходимый закон распределения энергии возбуждаемой волны по длине обрабатываемого материала может быть достигнут несколькими способами: за счет выбора размеров волноводов связи, за счет расположения шлейфов на широких стенках основных волноводов, за счет изменения высоты основных волноводов по заранее заданному закону [5, 10]. Возможно также сочетание

перечисленных выше способов. С технологической точки зрения предпочтение следует отдать последнему способу, когда размеры шлейфов остаются постоянными.

Из сказанного выше следует, что рассмотренное СВЧ устройство на связанных посредством шлейфовых разветвлений прямоугольных и шестигранном волноводах позволяет использовать менее мощные СВЧ источники при более эффективном воздействии на термообрабатываемый материал.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кожевников В.Ю. Спекание пьезокерамических материалов в

сверхвысокочастотной камере на шлейфовых волноводных разветвлениях / В.Ю Кожевников // Технологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998. С. 66-70.

2. Ильин В. С. Распространение электромагнитных волн и транспорт энергии в сложных волноведущих структурах: дис. ... д-ра физ.-мат. наук / В.С. Ильин. Саратов, 1999.

3. Сосунов В.А. Камера бегущей волны на шестигранном волноводе / В.А. Сосунов, В.И. Беляев // Электротехнология на рубеже веков: материалы Поволжской науч.-техн. конф. Саратов, 24-26 апр. 2001 г. Саратов, 2001. С. 33.

4. Скворцов А.А. СВЧ-устройство на квадратном волноводе / А. А. Скворцов // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП - 2002): материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 18-20 сент. 2002 г. Саратов, 2002. С. 203-205.

5. Скворцов А. А. СВЧ-устройства на связанных волноводах для термообработки диэлектрических материалов: дис. ... канд. техн. наук / А.А. Скворцов. Саратов, 2003. 167 с.

6. Сосунов В.А. Шлейфовые волноводные разветвления и устройства на их основе/

В. А. Сосунов. Саратов: СГТУ, 1995. 104 с.

7. Сосунов В.А. Расчет критической длины волны доминантного типа колебаний шестигранного волновода / В.А. Сосунов, А.А. Скворцов // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП - 2002): материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 18-20 сент. 2002 г. Саратов, 2002. С. 201-202.

8. Sosunov V.A. Waveguide cell for thermal processing of lossy material / V.A. Sosunov, A.A. Skvortsov // Proceedings of the 2nd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT - 2000). September 14-16, 2000. Beijing, China. Beijing, 2000. P. 565567.

9. Сосунов В.А. Ответвитель с изменяющейся критической длиной волны вторичного волновода / В. А. Сосунов, А.А. Скворцов // Функциональные электродинамические системы и устройства, линии передачи СВЧ: межвуз. науч. сб. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 1999. С. 45-48.

10. Сосунов В. А. Использование волноводного делителя мощности для термообработки диэлектрических материалов с потерями / В. А. Сосунов, А.А. Скворцов // Электродинамические устройства и линии передачи СВЧ: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2000. С. 41-43.

Скворцов Алексей Анатольевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета