Волноводная нагрузка
WAVEGUIDE LOAD

01
Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к технике миллиметрового диапазона длин волн, и может быть использовано для поглощения волны Н круглого волновода.
Известна волноводная нагрузка по авторскому свидетельству №448519, кл. Н01Р 1/22, 1974 г., в которой поглотителями СВЧ энергии являются два цилиндрических слоя твердого диэлектрика, разделенных кольцевым зазором и установленных заподлицо с внутренней поверхностью волновода. Недостатком описанного устройства в миллиметровом диапазоне длин волн является низкая надежность. Это обусловлено выгоранием поверхностного слоя диэлектрика, деформацией кольцевого зазора и рассогласованием устройства.
Известна волноводная нагрузка по патенту США № 3474360, кл. 333-22, 1969 г., содержащая основной волновод и расположенную перпендикулярно его оси цилиндрическую трубу. Основной волновод и труба связаны четвертьволновым окном, образованным цилиндрическим слоем диэлектрика. Слой диэлектрика расположен в трубе соосно и прилегает к ее внутренней поверхности. В основном волноводе на расстоянии четверти длины волны от окна связи установлен согласующий элемент. Внутри полости диэлектрика прокачивается вода. Недостатком описанного устройства является меняющееся во времени согласование, обусловленное зависимостью импеданса водяного потока от температуры.
Известна волноводная нагрузка по патенту Англии № 1372697, кл. Н01Р 1/26, 1974 г., в которой поглотителем СВЧ энергии является вода. Она прокачивается по зигзагообразной диэлектрической трубке, пронизывающей противоположные стенки волновода с периодом, равным половине длины волны. Недостатком описанного устройства является возможность работы лишь с типами волн, имеющими радиальную компоненту напряженности электрического поля.
Известна волноводная нагрузка по патенту США № 4061991, кл. 333-22, 1977 г., в которой СВЧ энергия поглощается плазмой. Недостатком такой нагрузки является сложность конструкции, обусловленная устройствами ввода в волновод рабочего вещества и его поджига, которые необходимы для создания столба плазмы.
Известна волноводная нагрузка по патенту Японии №57-18362, кл. Н01Р 1/26, 1982 г., в которой СВЧ энергия поглощается твердым диэлектриком, расположенным на внешней поверхности волновода. В стенках волновода прорезаны щели, через которые СВЧ энергия поступает в поглощающий материал. Размер щелей увеличивается по мере приближения к концу нагрузки. Недостатком описанного устройства в миллиметровом диапазоне длин волн является низкая надежность. Это обусловлено затруднением теплоотвода в твердом диэлектрике из участков вблизи щелей. Диэлектрик растрескивается, падает через щели в волновод и нарушает согласование нагрузки.
10
01
Известна волноводная нагрузка по патенту Англии № 1106429, кл. Н01Р 1/26, 1968 г., выполненная в виде прямоугольного волновода, в котором установлена наклонно диэлектрическая пластина, параллельная поперечной компоненте вектора напряженности магнитного поля волны Н. В полости между диэлектрической пластиной и широкой стенкой волновода прокачивается вода, поглощающая СВЧ энергию. Описанное устройство не обладает осевой симметрией и не может быть использовано для поглощения энергии волны Н круглого волновода.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является волноводная нагрузка по патенту Англии № 934616, кл. H01W, 1962 г., принятая за прототип.
Это устройство (фиг. 1) содержит круглый волновод 1 с фланцем 2, диэлектрический полый конус 3, установленный соосно внутри круглого волновода 1, и водяную рубашку с входным 4 и выходным 5 штуцерами.
Диэлектрический конус 3 обращен вершиной в сторону входного фланца 2 нагрузки. Вода прокачивается внутри диэлектрического конуса 3, а для согласования нагрузки используется система настроечных элементов, установленных перед вершиной диэлектрического конуса 3.
01
Недостатком устройства, принятого за прототип, является низкий уровень поглощаемой мощности волны Н. Это обусловлено противоречием между тепловыделением в тонком поверхностном слое воды вблизи стенок диэлектрического конуса и организацией прокачки воды во всем объеме диэлектрического конуса. Часть воды вблизи стенок диэлектрического конуса перегревается, а вода вблизи оси диэлектрического конуса оказывается более холодной, так как участвует в поглощении СВЧ энергии лишь косвенно в процессе конвекции. Кроме того, водяной поток не симметричен относительно продольной оси волновода, так как отсутствуют симметрирующие выводящие устройства.
Указанные причины приводят к кипению воды вблизи стенок полого диэлектрического конуса, деформации его стенок из-за выделяющегося пара, нарушению теплообмена и разрушению нагрузки.
01
Целью изобретения является устранение недостатка прототипа, а именно, увеличение уровня поглощаемой мощности волны Н.
Указанная цель достигается тем, что в волноводной нагрузке, содержащей круглый волновод с фланцем, диэлектрический полый конус, установленный соосно внутри круглого волновода, и водяную рубашку с входным и выходным штуцерами, диэлектрический полый конус герметично прикреплен по периметру размещенного у фланца основания к внутренней стенке круглого волновода, водяная рубашка выполнена в виде цилиндрической и конической труб, цилиндрическая труба размещена соосно снаружи круглого волновода и герметично закрыта с одного торца плоской крышкой, а с другого - конической крышкой, соединенной герметично по периметру круглого волновода с конической трубой, расположенной снаружи эквидистантно диэлектрическому полому конусу, на круглом волноводе в области конической крышки выполнена кольцевая щель, края которой скошены по конической поверхности вершиной к фланцу, и ближний к фланцу край щели соединен с кольцевым цилиндрическим водозаборником, охватывающим с зазором противоположный край щели, в цилиндрической трубе водяной рубашки установлены перпендикулярно оси круглого волновода с зазорами между собой плоские кольцевые диафрагмы с отверстиями, при этом входной штуцер установлен на цилиндрической трубе между плоской крышкой и первой плоской кольцевой диафрагмой, а выходной штуцер размещен в области вершины конической трубы.
Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг. 2 изображен продольный разрез предлагаемого устройства, на фиг. 3, 4, 5 - вид плоских кольцевых диафрагм.
Предлагаемая волноводная нагрузка состоит из круглого волновода 1 с фланцем 2, диэлектрического полого конуса 3 и водяной рубашки с входным 4 и выходным 5 штуцерами. Диэлектрический полый конус 3 установлен соосно внутри круглого волновода 1 основанием к фланцу 2 и прикреплен герметично по периметру основания к внутренней поверхности круглого волновода 1. Водяная рубашка выполнена в виде цилиндрической 6 и конической 7 труб. Цилиндрическая труба 6 размещена соосно снаружи круглого волновода 1 и герметично закрыта с одного торца плоской крышкой 8, а с другого - конической крышкой 9. Коническая крышка 9 соединена герметично по периметру круглого волновода 1 с конической трубой 7, расположенной снаружи, эквидистантно полому диэлектрическому конусу 3. На круглом волноводе 1 в области конической крышки 6 выполнена кольцевая щель 10. Края кольцевой щели 10 скошены по конической поверхности вершиной к фланцу 2. Ближний к фланцу 2 край кольцевой щели 10 соединен с кольцевым цилиндрическим водозаборником 11, охватывающим с зазором противоположный край кольцевой щели 10. В цилиндрической трубе 6 установлены перпендикулярно оси круглого волновода 1 с зазорами между собой три плоские кольцевые диафрагмы 12, 13 и 14. Первая плоская кольцевая диафрагма 12 (фиг. 3) расположена со стороны плоской крышки 8 и имеет два диаметрально противоположных отверстия. Вторая плоская кольцевая диафрагма 13 (фиг. 4) имеет четыре отверстия, а третья плоская кольцевая диафрагма 14 (фиг. 5) - восемь отверстий. Отверстия плоских кольцевых диафрагм 12, 13 и 14 расположены так, что каждое отверстие предыдущей диафрагмы находится между двумя соседними отверстиями последующей диафрагмы. Входной штуцер 4 установлен на цилиндрической трубе 6 между плоской крышкой 8 и первой плоской кольцевой диафрагмой 12 симметрично относительно двух отверстий этой диафрагмы. Выходной штуцер 5 размещен в области вершины конической трубы 7.
01
Описанное устройство работает следующим образом. В круглом волноводе 1, диаметр которого превышает длину волны λ, в положительном направлении оси Z (фиг. 2) создается поток СВЧ энергии в виде волны Н. Диэлектрический полый конус 3 выполнен из материала с малым тангенсом угла диэлектрических потерь, поэтому СВЧ энергия распространяется в нем практически не затухая. Поглощение СВЧ энергии происходит в слое воды между диэлектрическим полым конусом 3 и конической трубой 7.
01
Поскольку диаметр круглого волновода 1 больше λ, продольная компонента напряженности магнитного поля волны Н мала, и можно считать, что затухание волны в слое воды подчиняется закону Бугера-Ламберта, справедливому для плоских волн (см., например, "Справочник по физике". - М.: Наука, 1977, 683, Яворского Б.М. и Детлафа А.А.). При этом затухание η связано с толщиной слоя воды d, действительной частью ее относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ соотношением
.
Согласно справочнику Дж. Кэя и Т. Лэби "Таблицы физических и химических постоянных". - М.: Физ-мат. литература, 1962, в миллиметровом диапазоне длин волн при температуре 60°С ε=44, tgδ=0,33. При этом на длине λ мощность волны уменьшается в 940078 раз, т.е. практически вся поступающая СВЧ энергия выделяется в тонком слое воды, толщиной в несколько миллиметров. Выделяемое тепло отводится путем прокачки воды в водяной рубашке.
Для увеличения уровня поглощаемой мощности в предлагаемом устройстве применен ряд мер, улучшающих процесс отвода тепла.
Учитывая, что тепловыделение носит поверхностный характер, прокачка воды должна осуществляться в тонком слое толщиной от долей λ до λ. Указанные величины определяют нижний предел толщины водяного слоя, необходимого для полного поглощения СВЧ энергии. Верхний предел определяется секундным расходом и давлением воды в водяной рубашке и прочностью полого диэлектрического конуса 3.
01
Линиями равной плотности потока мощности волны Н являются окружности, лежащие в поперечном сечении круглого волновода 1, поэтому и водяной слой в поперечном сечении должен иметь форму кольца с плотностью линий тока, симметричной относительно оси Z. В соответствии с этим диэлектрический полый конус 3 и коническая труба 7 выполнены круговыми, эквидистантно сдвинутыми вдоль оси Z.
Для симметрирования водяного потока введены три диафрагмы 12, 13 и 14. Водяной поток от входного штуцера 4 в водяной рубашке между цилиндрической трубой 6 и круглым волноводом 1 разделяется на два одинаковых потока отверстиями первой диафрагмы 12. Так как каждая пара соседних отверстий диафрагм 13 и 14 расположена симметрично относительно соответствующего отверстия предыдущей диафрагмы, водяной поток делится поровну на четыре части в отверстиях диафрагмы 13 и на восемь частей в отверстиях диафрагмы 14. Получаемая при этом асимметрия водяного потока относительно оси Z является допустимой.
01
Через кольцевую щель 10 водяной поток поступает в зазор между диэлектрическим полым конусом 3 и конической трубой 7, образуя слой постоянной толщины. Кольцевая щель 10 круглого волновода 1 практически не вызывает дополнительного отражения волны Н, так как выполнена в центральной части водяного слоя. Вода вводится в кольцевую щель 10 с помощью водозаборника 11. Назначение водозаборника 11 и скошенных краев щели 10 - создать водяной поток, одна из составляющих которого направлена к основанию диэлектрического полого конуса 3 и ликвидирует застойную область вблизи него.
01
Использование предлагаемого устройства вместо прототипа позволяет увеличить уровень поглощаемой мощности волны Н за счет симметрирования водяного потока с помощью диафрагм, прокачивания воды в тонком слое, прилегающем к поверхности полого диэлектрического конуса, и ликвидации застойных областей водяного потока.