Оптимизация многощелевой системы возбуждения электромагнитного поля в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.372.8

О.В. Дрогайцева, В.А. Коломейцев, А.Э. Семенов ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОЩЕЛЕВОЙ СИСТЕМЫ

ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

В СВЧ-НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА

Предложена методика экспериментальной оптимизации системы возбуждения прямоугольной резонаторной рабочей камеры СВЧ-нагревательной установки, направленной на обеспечение максимальной передачи СВЧ-мощности от генератора в рабочую камеру.

Многощелевая система возбуждения, нагревательные установки резонаторного типа.

O.V. Drogaitseva, V.A. Kolomeitsev, A.E. Semenov

QPTIMIZING OF THE MULTI-SLOTTED SYSTEM OF ELECTROMAGNETIC FIELD EXCITATION IN UHF RADIATOR CAVITY TYPE SYSTEMS

The experimental optimization technique of excitation the rectangular cavity working chamber of microwave heating installation is aimed at maximizing the transmission of microwave power from the generator into the working chamber.

Multi-slotted excitation system, radiator cavity type systems.

СВЧ-нагревательные установки резонаторного типа представляют собой сложную взаимосвязанную электродинамическую систему, включающую: прямоугольный волновод (ПВ), посредством которого осуществляется подвод электромагнитной энергии в резонаторную камеру; непосредственно магнетронный генератор СВЧ-мощности; многощелевую излучающую решетку (МР); прямоугольную резонаторную камеру (РК), частично заполненную обрабатываемым материалом произвольной формы (рис. 1).

Фактически на рис. 1 представлена принципиальная схема СВЧ-нагревательной установки, основными элементами которой являются РК и система возбуждения (СВ) электромагнитного поля. Если в качестве непосредственно излучающей системы используется многощелевая распределенная решетка, то СВ представляет собой систему со многими степенями свободы. Следовательно, электродинамические и тепловые процессы в РК зависят от многих параметров СВ, что значительно усложняет процесс оптимизации режима термообработки диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках

резонаторного типа. Ситуация усложняется тем обстоятельством, что данные установки являются универсальными и предназначены для термообработки диэлектрических материалов произвольной формы, электрофизические и тепловые свойства которых могут изменяться в процессе термообработки.

Рис. 1. Функциональная схема СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа:

Г - генератор СВЧ-мощности; ИМ - измеритель мощности; ИУ - индикаторное устройство;

2 - суммирующее устройство; Пл - левый поршень; Ппр - правый поршень; В - волновод;

Ш - многощелевая система возбуждения резонатора; З - зонд возбуждения СВЧ;

Р- резонаторная камера; ОН1, ОН2 - направленные ответвители; Д1г Д2 - детекторы

В данной работе предложена методика экспериментальной оптимизации СВ применительно к заданному технологическому процессу термообработки диэлектрического материала, физические свойства которого неизменны в процессе нагрева. Это позволяет наиболее просто и полно раскрыть суть процесса оптимизации СВ. В экспериментальной установке в качестве РК используется резонатор прямоугольной формы размером 210x310x300 мм.

Обрабатываемым материалом является вода, разлитая в 16 пластиковых стаканчиков, равномерно расположенных на нижней стенке резонатора. Подвод СВЧ-мощности от генератора к излучающей системе осуществляется посредством прямоугольного волновода сечением 45x90 мм. В качестве излучающей системы (ИС) используется трехщелевая система возбуждения с щелями прямоугольной формы, расположенными на расстоянии ХВ/2 друг от друга (ХВ - длина волны в прямоугольном волноводе в доминантном диапазоне).

Рассмотрим систему параметров, определяющих заданный электродинамический процесс термообработки диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа. Во-первых, это система параметров, позволяющая определить эффективность передачи СВЧ-мощности от магнетрона в рабочую камеру посредством прямоугольного волновода, работающего в доминантном режиме, при котором в волноводе распространяется основная волна - Н10. Одним из основных параметров, определяющих уровень поступающей в резонаторную рабочую камеру СВЧ-мощности, является расстояние от левого короткозамыкающего поршня до центра вывода СВЧ-мощности магнетрона - Lл (рис. 2).

Необходимо отметить, что в бытовых микроволновых установках используется емкостной способ возбуждения, когда вывод магнетрона вводится непосредственно в центре широкой стенки волновода параллельно вектору напряженности электрического поля волны Н10. Следует заметить, что параметр Lл определяется с помощью измерительной линии, нагруженной на согласованную нагрузку с КСВ = 1,2; кроме того, данный параметр

может быть определен и с помощью панорамных измерений с той же нагрузкой. Данный процесс измерения относится к «холодным» измерениям собственных электродинамических параметров СВЧ-устройств [1], который проводится на малых уровнях мощности (Р = 5 мВт). При указанном распределенном способе возбуждения для облегчения оптимизации подачи СВЧ-мощности параметр Ьл, определенный по максимуму уровня поглощенной мощности в согласованной нагрузке, в последующих исследованиях является неизменной величиной (Ьл = 23 мм). Оптимизация же распределенной системы возбуждения определяется положением короткозамыкающего поршня с противоположной расположению магнетрона стороны - Ьпр.

Пп

П,

пр

Рис. 2

Параметр Ьпр является наиболее важным параметром, определяющим поток СВЧ-мощности в резонаторную рабочую камеру при многощелевом способе возбуждения, который существенно зависит от конструкции распределенной системы возбуждения и ее расположения в резонаторе. Особое влияние, как показано в работе [2], на поток СВЧ-мощности в рабочую камеру при неизменности геометрии, электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала оказывает положение излучающей щели Щ\. Наибольшую трудность при этом представляет определение оптимального расстояния ближайшей к магнетронному генератору СВЧ-мощности излучающей прямоугольной щели Ьл1. Это во многом зависит от количества щелей в распределенной системе возбуждения электромагнитного поля в резонаторной рабочей камере, от геометрии излучающих щелей, а также от положения правого короткозамыкающего поршня Ьпр. Необходимо отметить, что в отличие от методики измерения Ьл определение Ьпр может быть проведено только панорамным методом, при этом оптимальное значение Ьпр определяется минимумом КСВ резонаторной камеры с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением. Поскольку в резонаторной рабочей камере величина Ьпр должна быть фиксирована, то это накладывает определенное условие на габариты и электрофизические параметры обрабатываемого материала. В таком случае величина Ьпр должна быть рассчитана на среднестатистические габариты и электрофизические параметры обрабатываемого материала. В данной работе определение Ьпр производится на образце с относительной диэлектрической проницаемостью в' = 81 (вода) с толщинами диэлектрической пластины с1 = 20 мм, с1 = 40 мм, с1 = 60 мм. Необходимо заметить, что оптимизация параметров Ьл и Ьпр проводится по минимуму КСВ в рабочем частотном диапазоне V = 2450±2,5% МГц (2,39-2,51 ГГЦ).

На рис. 3 приведено распределение КСВ в резонаторной камере с частичным диэлектрическим заполнением для различных по толщине материалов (ё = 20 мм, с1 = 40 мм, ё = 60 мм) по минимуму КСВ на рабочей частоте магнетронного генератора

V = 2450±2,5% МГц при малых уровнях СВЧ-мощности (холодные измерения). Легко видеть, что с увеличением толщины образца КСВ уменьшается, то есть уровень поглощаемой в рабочей камере СВЧ-мощности возрастает.

Как следует из кривых, приведенных на рис. 3, зависимости КСВ (V) носят ярко выраженный резонансный характер, при этом минимальное отражение СВЧ-мощности наблюдается в области рабочей частоты - vр = 2450 МГ ц в разрешенном диапазоне частот. В области частот слева и справа от vр кривые КСВ (V) слева от vр с уменьшением частоты и справа от vр с увеличением частоты резко возрастают, при этом с уменьшением объема обрабатываемого материала крутизна нарастания КСВ (V) увеличивается. Кроме того, с увеличением толщины образца минимум КСВ смещается в область более коротких длин волн. Это принципиально важно с точки зрения КПД установки. Заметим, что минимум КСВ в области рабочей частоты vр = 2450 МГц достигается соответствующим подбором оптимальных значений параметров Ьл\ и Ьпр.

5

4.5 4

3.5 3

“ 2,5 “ 2

1.5 1

0,5

0

График КСВ

График КСВ

-- '•-I

, 1

\

1

1

\ >

5

4.5 4

3.5

ш 3

£2,5

2

1.5 1

0,5

0

'

1 і

!

\ *

' 1

1

2,38 2,4 2,42 2,44 2,46 2,48 2,5

1. ГГц

а

5

4.5 4

3.5

3 3

* 2,5 2

1.5 1

0,5

2,33 2,40 2,42 2,44 2,46 2,48 2,50

І ГГц

б

График КСВ

1? і

\ 1

1

V

\

2,3В 2,4 2,42 2,44 2,46 2,4В 2,5

1, ГГц

в

Рис. 3. Распределение КСВ в резонаторной камере при различном объеме воды в пластиковых стаканчиках: а - при объеме V = 60 г; б - при объеме V = 40 г; в - при объеме V = 20

г

Одним из основных параметров, характеризующих процесс термообработки диэлектрического материала в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа является уровень поглощенной образцом электромагнитной мощности - Рпог, который существенно зависит от габаритов, электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала, а также от места его расположения в рабочей камере. Кроме того, уровень Рпог во многом определяется конструкцией системы возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере и однозначно определяет КПД СВЧ-нагревательной установки. Необходимо отметить, что величина уровня поглощенной СВЧ-

мощности может быть определена только в динамическом режиме по исследованию распределения теплового поля в объеме обрабатываемого материала. Мощность определяется классическим соотношением [3] для высокоскоростных процессов нагрева:

Рпог Ст^-Мсррт/Т ,

где V - объем обрабатываемого материала; т - время термообработки; Агср = гср-г0 (0 -температура окружающей среды; гср - средняя температура нагрева образца, которая для образцов нестандартной формы однозначно определяется теоремой о среднем значении:

1 V

*ср _ тт 1г

у 0 0

где У0 - объем обрабатываемого материала. В нашем случае средняя температура гср определяется соотношением:

N

IX

г _ к_—,

ср 16

где гк - температура в к-м стаканчике). Особо следует отметить, что остальные параметры, характеризующие электродинамические и тепловые процессы в резонаторных рабочих камерах, так же как и Рпог, определяемая соотношением (1), при своем определении требуют экспериментального исследования температурного поля в объеме обрабатываемого материала, то есть г и Рпог определяются в динамическом режиме. Это означает, что соотношение (1) позволяет определить величину Рпог лишь на рабочей частоте генератора, а не во всем разрешенном диапазоне частот, отпущенных для целей СВЧ-энергетики, что не позволяет определить потенциальные возможности микроволновых нагревательных установок резонаторного типа. В связи с этим представляет практический интерес распределение уровня поглощенной СВЧ-мощности по частоте Рпог^) в рабочем диапазоне частот V = 2450±2,5% МГц.

Анализ Рпог^) проведен на основе кривых КСВ (V) (рис. 3) во всем рабочем диапазоне частот. Для вывода соотношения, связывающего уровень поглощенной мощности с величиной КСВ (V), воспользуемся следующими соотношениями теории длинных линий и регулярных волноводов [4]:

Г _ Г I2 _Г КСВ -11 •

р 1 “I ^ КСВ +1);

р р - р

Г отР ген погл.

р~ р ~ р ’

ген ген

где Г“ и Гр - коэффициенты отражения по напряжению и мощности; Ротр - мощность, отраженная от нагрузки (резонатор с частичным, поглощающим СВЧ-мощность диэлектрическим заполнением); Рген - мощность, излучаемая генератором. Соотношения (3) позволяют определить выражение, напрямую связывающее Рnог(v) с КСВ (V), которое имеет следующий вид:

Рпог^) = 3(У) • Рген ;

г КСВ (V) -1

КСВ(у) +1

На рис. 4 приведены кривые Рпог^) для значений КСВ (у), приведенных на рис. 3 во всем рабочем диапазоне частот. Данные результаты получены для Рген = 700 Вт. Поскольку диапазонные кривые Рпог^) напрямую связаны с КСВ (V), то выводы,

сделанные по результатам анализа кривых КСВ (у), рис. 3, справедливы и для диапазонного изменения уровня поглощаемой образцом СВЧ-мощности.

График Рп

График Рп

і, ГГц

а

750 600 о 450 £ 300 150 0

2,4

График Рп

г ч 1 1 г -

2,42 2,44 2,46 2,48

і, ГГц

б

2,5

1, ГГц

в

Рис. 4. Изменение Рпог в рабочем диапазоне частот для различных объемов воды в пластиковых стаканчиках: а - при объеме V = 60 г; б - при объеме V = 40 г; в - при объеме V = 20

г

Необходимо особо отметить резкое изменение Рпог(V) в рабочем диапазоне частот -

V = 2450±2,5% МГц = 122,5 МГц). Так, изменение частоты генератора на 20 МГц от vр = 2450 МГц, что укладывается в ТУ при серийном выпуске магнетронов фирмы ЬО-е1ее1ХОШС8, может привести к заметному (порядка 30%) изменению уровня поглощенной СВЧ-мощности. Это обстоятельство имеет важное практическое значение в технике и энергетике СВЧ, поскольку замена вышедшего из строя магнетрона может привести к необходимости дополнительной настройки СВЧ-нагревательной установки резонаторного типа с учетом изменения рабочей частоты - Д^ для достижения максимального КПД нагревательной установки и обеспечения устойчивого режима работы магнетронного генератора СВЧ-мощности (КСВ < 3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: справ. руководство / Ф. Тишер; пер. с нем.; под ред. В.Н. Сретенского. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1963. 367 с.

2. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ / Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б. А. Микустин. М.: Высшая школа, 1981. 295 с.

3. Неганов В.А. Современные методы проектирования линий передачи и резонаторов сверх- и крайневысоких частот / В. А. Неганов, Е.И. Нефедов, Г.П. Яровой. М.: Педагогика-пресс, 1998. 327 с.

4. Левин Л. Теория волноводов / Л. Левин. М.: Радио и связь, 1981. 312 с.

5. Калинин В.И. Введение в радиофизику / В.И. Калинин, Г.М. Герштейн. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1963. 340 с.

Дрогайцева Ольга Викторовна -

ассистент кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Drogaitseva Olga Viktorovna -

Assistant of the Department

of «Radio Engineering»

of Saratov State Technical University

Коломейцев Вячеслав Александрович -

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

Kolomeitsev Vyacheslav Aleksandrovich

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Radio Engineering» of Saratov State Technical University

Семенов Александр Эдгарович - Semenov Aleksander Edgarovich -

кандидат технических наук, Candidate of Technical Sciences,

заместитель генерального директора Deputy Director of ALMAZ-PHAZOTRON

ЗАО НПЦ «АЛМАЗ-ФАЗОТРОН»

Статья поступила в редакцию 21.04.10, принята к опубликованию 14.07.10