Сравнение структуры поверхностных токов волноводов различного поперечного сечения с целью выбора оптимального для дальнейшего щелевого возбуждения резонаторной камеры

УДК 621.372

В.С. Рыбков, П.В. Замоторин, И.И. Салимов СРАВНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТОКОВ ВОЛНОВОДОВ РАЗЛИЧНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА

ОПТИМАЛЬНОГО

ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЩЕЛЕВОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАТОРНОЙ КАМЕРЫ

Приводятся амплитудно-векторные структуры поверхностных токов волноводов различного поперечного сечения и анализ этих структур с точки зрения возможности наиболее энергетически выгодного щелевого возбуждения резонаторных камер посредством данных волноводов.

V.S. Rybkov, P.V. Zamotorin, I.I. Salimov COMPASSION OF SURFACE CURRENT PATTERNS OF DIFFERENT CROSS-SECTION SHAPED WAVEGUIDES BECAUSE OF NEXT OPTIMAL MICROWAVE CHAMBER’S SPLIT EXCITATION

The article presents amplitude and vector surface current structures in different cross-section shaped waveguides, which are important for the most optimal microwave chamber’s split excitation.

Одной из актуальных задач, решаемых при проектировании СВЧ нагревательных установок, является оптимальное согласование генератора с резонаторной камерой при изменении физических свойств и габаритов обрабатываемого материала, необходимое для максимальной направленной мощности от генератора в рабочую камеру [1].

Необходимым условием решения данной задачи является определение токов, протекающих на внутренних поверхностях стенок волновода и резонаторной камеры, частично заполненной диэлектрическим материалом, с целью оптимального расположения щелей в месте соединения волновода с рабочей камерой, а также совпадение линий этих токов в волноводе и резонаторной камере. При этом необходимо учесть, что волновые сопротивления волновода и резонатора должны быть как можно ближе по значению. Соблюдение этих двух условий позволяет осуществить практически не отражающую передачу СВЧ-мощности от генератора в рабочую камеру, с последующим поглощением в обрабатываемом материале [2].

В данной работе были исследованы структуры поверхностных токов волноводов с тремя различными поперечными сечениями: прямоугольный волновод, П-волновод и П-волновод с дуговым емкостным зазором (ПВДЕЗ). Представленные волноводы обладают плоской широкой стенкой, что упрощает согласование с рабочей камерой, а также конструирование соединения волноводного тракта и резонаторной камеры.

Аналитические соотношения, позволяющие проводить расчет поверхностных токов в волноводах сложных поперечных сечений, еще не разработаны [3]. Однако современное развитие ЭВМ и численные методы позволяют нам моделировать электромагнитное поле в данных структурах. В представленной работе расчет производился с помощью

алгоритма, основанного на методе конечных элементов с использованием метода взвешенных невязок.

При расчетах все параметры системы были одинаковыми: длина волны источника СВЧ энергии - 12,63 см, тип волны - Ию, ширина волновода - 9 см, а его высота - 4,5 см. Ось х прямоугольной декартовой системы координат направлена вдоль широкой стенки волновода, ось у - вдоль узкой, а ось ъ совпадает с направлением распространения волны. При расчете рассматривались волноводы бесконечной протяженности.

Из представленных в данной работе волноводов лучше всего изучен прямоугольный волновод, для которого известны аналитические соотношения, на основании которых можно получить структуру поверхностных токов на его стенках [4].

Структура поверхностных токов прямоугольного волновода, полученная с помощью алгоритма, представлена на рис. 1. Анализируя данную структуру на широкой импедансной стенке, можно сказать, что линии тока на участках максимальной амплитуды имеют далеко не параллельную структуру, что не позволяет вырезать щели простой прямоугольной формы, так как при этом токи смещения в щелях не будут совпадать с токами проводимости на стенке волновода [2]. Изготовление щелей, необходимых для возбуждения резонаторной камеры, с помощью прямоугольного волновода конструктивно сложно и дорого.

Для того, чтобы изготовление приемлемых для возбуждения резонаторной камеры щелей стало конструктивно более простым, необходимо, чтобы линии тока на широкой стенке имели бы структуру, близкую к параллельной. Тогда можно возбуждать волновой процесс в резонаторной камере с помощью щелей прямоугольной формы. Для этого необходимо создать в поперечном сечении волновода емкостной зазор, который позволит выровнять структуру магнитного поля в плоскости х0ъ, а, следовательно, и линии тока, возбуждаемого магнитным полем на широкой стенке волновода.

Таким емкостным зазором обладает также хорошо изученный П-волновод. На рис. 2 представлена амплитудно-векторная характеристика поверхностных токов П-волновода. Анализируя структуру поверхностных токов на широкой стенке П-волновода, можно сказать, что линии токов близки к параллельным на участках, где амплитуда этих токов имеет свой максимум. Данное обстоятельство позволяет утверждать, что возбуждение резонаторной камеры с помощью волновода данного типа является конструктивно более легким по сравнению с прямоугольным волноводом, так как в данном случае для возбуждения можно использовать щели простой по изготовлению прямоугольной формы.

Мах: 0.611

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

М1п: 0.0388

Мах: 0.449

Min: 0.0631

Рис. 2. Линии и структура поверхностного тока П-волновода

Однако, чтобы добиться еще более правильной структуры токов, необходимо, чтобы электрическое поле вдоль оси у было бы равномерным, что невозможно при емкостном зазоре постоянного размера [2]. Следовательно, можно предположить, что в волноводной структуре с переменной величиной емкостного зазора структура поверхностных токов на широкой стенке будет наиболее выгодной для решения задачи возбуждения резонаторной камеры.

В качестве волноводной структуры с переменной величиной емкостного зазора в поперечном сечении представлен П-волновод с дуговым емкостным зазором (ПВДЕЗ). Поверхностные токи этого типа волновода представлены на рис. 3-5. Различие между этими волноводами в максимальной ширине емкостных зазоров в их поперечном сечении: 20, 30 и 40 мм соответственно.

0.45

Min: 0.0274

Рис. 3. Линии и структура поверхностного тока ПВДЕЗ. Максимальная ширина емкостного зазора 20 мм

0.45

и

Мг[ 0.0137

Рис. 4. Линии и структура поверхностного тока ПВДЕЗ.

Максимальная ширина емкостного зазора 30 мм

Анализируя структуру ПВДЕЗ, представленную на рис. 3, можно сказать, что она действительно более правильна по сравнению с П-волноводом. Участки, на которых линии тока практически параллельны и на которых можно вырезать щели, более протяженные, что связано с более равномерной структурой поперечного электрического поля вдоль оси х, вследствие чего выравнивается структура магнитного поля, что, в свою очередь, ведет к выравниванию структуры поверхностных токов, вызываемых магнитным полем.

Однако, представляет интерес исследовать структуру поверхностных токов этого типа волновода, при изменении максимальной ширины емкостного зазора в его поперечном сечении. Для этого помимо ПВДЕЗ с максимальной шириной емкостного зазора 20 мм, были рассчитаны и проанализированы ПВДЕЗ с максимальной шириной 30 и 40 мм, структуры поверхностных токов для которых представлены на рис. 4 и 5 соответственно.

Если сравнивать структуры ПВДЕЗ в зависимости от максимальной ширины емкостного зазора, можно заметить, что участки, на которых линии тока практически параллельны, наиболее протяженны у волновода, представленного на рис. 4, при максимальной ширине емкостного зазора в 30 мм. Очевидно, что такая форма емкостного зазора наиболее близко повторяет амплитуду компоненты Еу электрического поля в зависимости от изменения координаты х, т.е. при прохождении от одного края волновода к другому. Следовательно, при такой форме емкостного зазора электрическое поле в нем будет иметь наиболее равномерную структуру по оси х, что в свою очередь влияет на структуру компонент магнитного поля Нх и И А структуры этих компонент магнитного поля и определяют амплитудно-векторные структуры токов на внутренних сторонах стенок волновода, в частности, наиболее важные с учетом поставленной в начале задачи амплитудно-векторные структуры на широкой стенке волновода [4].

Мах: 0.572

0.55

0.5

Мп 0.00953

Рис. 5. Линии и структура поверхностного тока ПВДЕЗ.

Максимальная ширина емкостного зазора 40 мм

Анализируя структуры токов на стенках волноводов, представленных в данной работе, можно отметить, что, несмотря на то, что наилучшей структурой поверхностных токов обладает ПВДЕЗ с максимальной шириной емкостного зазора 30 мм, все-таки при решении многих задач более выгодным будет применение П-волноводов с постоянными емкостными зазорами, так как изготовление волноводов этого типа конструктивно просто по сравнению с ПВДЕЗ, изготовление которых осложнено трудностью точного воспроизведения форм емкостных зазоров.

Однако, для решения задач, в которых необходима наиболее полная передача СВЧ-мощности в рабочую камеру, применение ПВДЕЗ представляется оправданным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дис. ... доктора техн. наук / В. А. Коломейцев. Саратов, 1999. 432 с.

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

3. Заргано Г.Ф. Волноводы сложных сечений / Г.Ф. Заргано. М.: Радио и связь, 1986. 124 с.

4. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: учебник для вузов. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. 558 с.

Рыбков Вадим Сергеевич -

аспирант кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета

Замоторин Павел Владимирович -

аспирант кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета

Салимов Ильдар Ибрагимович -

генеральный директор компании «АЛСиТЕК», г. Саратов Статья поступила в редакцию 10.10.07, принята к опубликованию 13.11.07