Электрическое поле в СВЧ-камере резонаторного типа при трехщелевом боковом способе возбуждения

УДК 621.372

В.Ю. Косолап, В.А. Коломейцев, Д.И. Карпов ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В СВЧ-КАМЕРЕ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА ПРИ ТРЕХЩЕЛЕВОМ БОКОВОМ СПОСОБЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Рассмотрены структуры электрического поля в камере резонатора, заполненной диэлектрическим слоем, при возбуждении камеры трехщелевой боковой системой возбуждения. Рассчитаны коэффициенты неравномерности электрического поля в объеме диэлектрического слоя при различной высоте расположения слоя относительно системы возбуждения.

Резонатор, электрическое поле, тепловое поле, математическое моделирование.

V.Y. Kosolap, V.A. Kolomeitsev, D.I. Karpov ELECTRIC FIELD STRUCTURE IN THE WORKING CHAMBER OF RESONATOR TYPE MICROWAVE HEATING DEVICE IN CASE OF THREE-APERTURE LATERAL EXCITATION

The structures of electric field in the resonator chamber loaded with dielectric strip in case of three-aperture lateral excitation are represented. The values of the electric field no homogeneity coefficients with different height of the arrangement of the dielectric material are calculated.

Resonator, electric field, heat field, mathematical modeling.

В современных СВЧ-камерах резонаторного типа, как правило, используется способ возбуждения посредством одной прямоугольной щели (расположенной сбоку камеры), при этом, однако, без механического перемещения нагреваемого материала или применения диссекторов обеспечить однородную плотность тепловых источников в объеме материала невозможно [1, 2]. Для решения этой задачи представляет интерес рассмотреть использование многощелевой системы возбуждения для обеспечения требуемого распределения электрического поля в области расположения обрабатываемого материала.

Как показано в работе [3], расположение обрабатываемого материала в ближней зоне возбуждения позволяет посредством изменения свойств возбуждающей системы управлять распределением удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого диэлектрического материала и повышать уровень равномерности нагрева. Это положение апробируется при моделировании трехщелевой системы возбуждения электромагнитного поля.

В данной работе исследуется прямоугольная резонаторная камера с размерами 300х270х250 мм, что соответствует габаритам рабочей камеры СВЧ печи LG MS-192U. В камере находится диэлектрический образец в форме сплошного слоя высотой 20 мм.

Возбуждение электромагнитного поля осуществляется посредством прямоугольного волновода сечением 90x45 мм и длиной 270 мм, соединенного с генератором частоты 2,45 ГГц. Проводимость стенок волновода и резонаторной камеры считается идеальной. Система возбуждения представляет собой три прямоугольные щели размером 10x60 мм, расположенные на боковой стенке камеры, при этом расстояние между щелями равно половине длины волны Н10 в прямоугольном волноводе, то есть 83,5 мм (^у~167 мм).

Проведение численного расчета структуры электрического поля в данной работе осуществляется на основе программы метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и метода взвешенных невязок [2], при этом исследуются два материала с относительной диэлектрической проницаемостью є'=49 и є'=25. Для определения структуры теплового поля в объеме нагреваемого материала исследовалась структура квадрата модуля электрического поля в резонаторе.

На рис. 1-4 (а) приведены структуры электрического поля при возбуждении тремя прямоугольными щелями. На рис. 1-4 (б) с помощью черно-белой цветовой гаммы показано распределение величины | Е |2 в объеме диэлектрического образца.

а б

Рис. 1. Структура электрического поля в резонаторной камере. Диэлектрический образец (е' = 49) на высоте 80 мм

Рис. 2. Структура электрического поля в резонаторной камере. Диэлектрический образец (є' = 49) на высоте 120 мм

Как видно из групп рис. 1-2 (а) и 3-4 (а), при перемещении образца в ближнюю зону возбуждения (на высоту 120 мм, рядом со щелями возбуждения) амплитуда напряженности электрического поля повышается.

Во всех исследованных случаях расположения диэлектрического образца помимо структуры электрического поля рассчитывались значения коэффициентов неравномерности электрического поля по формуле (1), которая аналогична формуле коэффициента неравномерности температурного поля в объеме обрабатываемого материала [1] и позволяет количественно оценить однородность структуры электрического поля:

а б

Рис. 3. Структура электрического поля в резонаторной камере. Диэлектрический образец (є' = 25) на высоте 80 мм

а

б

Рис. 4. Структура электрического поля в резонаторной камере. Диэлектрический образец (в'= 25) на высоте 120 мм

Лі =

2 2

E - E

max min

E

cp

где |Ё| , |Ё| , |Ё| - соответственно максимальное, минимальное и среднее значения

I Imax I Imin I \cp

квадрата модуля электрического поля в объеме обрабатываемого материала.

Значения коэффициентов неравномерности представлены в таблице.

2

Значения коэффициента неравномерности электрического поля в диэлектрическом образце в СВЧ-камере в зависимости от высоты расположения

и диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость образца, s' Высота расположения диэлектрика, h, мм

80 120

Коэффициент неравномерности цЕ

49 1,71 0,97

25 1,95 1,11

Таким образом, значение коэффициента неравномерности электрического поля существенно снижается при перемещении исследуемого образца в ближнюю зону возбуждения (к = 120 мм) для в' = 49 и в' = 25. При этом структура электрического поля и коэффициент неравномерности определяются параметрами системы возбуждения (количеством щелей, их размером, формой и характером расположения на стенке рабочей камеры).

ЛИТЕРАТУРА

1. Коломейцев В. А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Ч. 1 / В. А. Коломейцев, В.В. Комаров. Саратов: СГТУ, 1997. 160 с.

2. Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника / А.Д. Григорьев. СПб.: Лань, 2007. 704 с.

3. Критерии оценки равномерности теплового поля в области взаимодействия при СВЧ-нагреве / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров, А.В. Цыганков, А. А. Скворцов // Технологические СВЧ-установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998. С. 35-40.

Косолап Вадим Юрьевич -

аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Коломейцев Вячеслав Александрович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Kosolap Vadim Yuryevich -

Graduate Student of the Department

of «Radio techniques»

of Saratov State Technical University

Kolomeitsev Vyacheslav Aleksandrovich -

Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of the Department of «Radio techniques» of Saratov State Technical University

Карпов Дмитрий Игоревич - Karpov Dmitry Igorevich -

аспирант кафедры «Радиотехника» Graduate Student of the Department

Саратовского государственного of «Radio techniques»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 02.07.08, принята к опубликованию 05.09.08