СВЧ нагрев полем поверхностного волновода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Библиографический список

долыютотнпа//Доклады Академии каук высшей школы России, 2006. - К» I (6). - С. 114-121.

I. Новиков А.А., ШустерЯ.Б., I ІегровД.А. Разработка широкополосных волноводных систем // При клали мо гідами механики ; под ред. В.П Пвстифоепл. — Омск : Изд. ОмГТУ, 1999. -С. 149- 152

?. І Іовиков Л.Д.. Шустер Я.Б., 1 Іегрои А-А. Разработка нысо-коймнлтудных волноводных систем // Диализ и синтез механических систем : под ред. и.В.Пвстифеевд. - Омск: Изд. ОмГТУ, 2004. - С. 214-217

3. Квашнин С.Е. К вопросу проектирования пкусгмчсских у:іл(іи на иьсэокерамнке для Общей хирургии // Труды МГТУ им. 11.0. Баумана. - І95ИЗ. - N*457. — С. 144- 153.

4. Новиков А. А. К вопросу определении фактора электроакустического изоморфизма для ультразвукового излучателя про-

НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

ШУСТЕР Яков Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технологии конструкционных материалов».

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, II.

Статья поступила п редакцию 31.08.2009 г.

© А. А. Моиикоп, Я. В. Шустер, А А. Негрон

УДК 621.372.8 : 621.385.6 В. П. КИСМЕРЕШКИН

Г. Н. ЛОБОВА А. В. ДУДАРЕВ Д. В. РИТТЕР

Омский государственный технический университет

Северо-Казахстэнский государственный университет им. М. Козыбаева, Республика Казахстан, г. Петропавловск

СВЧ НАГРЕВ ПОЛЕМ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНОВОДА

В статье предложен способ нагрева органических промышленных объектов на основе поверхностного волновода. Обсуждены преимущества предлагаемого способа: использование маломощных СВЧ генераторов без синхронизации по частоте и фазе колебаний, использование переизлучателей СВЧ энергии. Такие преимущества позволяют реализовать установки с требуемым распределением, минимальной металлоемкостью и низкой стоимости.

Ключевые слова: СВЧ нагрев, поверхностный волновод, распределение поля, граничный радиус, переизпучатель, балластная нагрузка

В практике СВЧ нагрева традиционно используют излучатели в ниде рупоров, которые размещаюттаким образом, чтобы обеспечивать равномерный нагрев тех или иных объектов. Вместе с тем равномерность нагрева указанным выше способом оставляет желать лучшего, т.к. рупорные излучатели сами но себе имеют неравномерное распределение поля в раскрыве, и устанавливают их на некотором расстоянии друг от друга. Практика требует равномерного нагрева, особенно протяженных объектов. Среди них можно указать такие как сушка древесины, нагрев грунта для вскрытия в зимних условиях, обработка почв и т.д. Наиболее подходящим инструментом дли решения данной задачи, на наш взгляд является поверхностный волновод главной особенностью которого является наличие открытого электромагнитного поля около провода п пределах цилиндра с радиусом порядка одной длины водны. Размещение объекта в поле по-

верхностного волновода приведет к тому, что объектом будет поглощаться определенная часть энергии и, соответственно, будет иметь место нагрев.

Технически равномерность нагрева подлине может быть обеспечена соответствующим положением объекта относительно оси поверхностного волновода, п качестве которого использована однопроводная линия передачи электромагнитной энергии.

Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия ноля волновода с объектом. Прежде всего обратим внимание на распределение поля в поперечном сечении поверхностного волновода, показанное па рис. I.

По внешнем пространстве около провода волновода с диэлектрическим покрытием составляющие электромагнитного поля имеют вид 111:

...

У

к;Ы

кда

х;гх

н>>

£.• ft. {{> - {ядоДмюш мекярмыт&югя лм» t цаґхндріт£сг,сй ежехж гмрйимт г г ?■ а - ртЬус rpo&sJa

Рис. 1. Структури ПОЛЯ поверхностного ІІОЛІІОКОД.І

С, = В——//, (Лг)е г/

СОЕ,,

Н =ВН,(,,(Лг)е*т/.

(2)

(3)

и объекта. В соответствии с [3| поглощаемая мощность может быть вычислена с помощью выражения:

гле //J,° —функция Ган коля 1-го рода/i-ш порядка, у — постоянная распространения вдоль провода, г — текущий радиус, h — постоянная распространения п пространстве, окружающем провод со— круговая частота. e„ —диэлектрическая проницаемость свободного 11 ростраз icrna.

Уравнение, связывающее постоянные распростра-нения в слое диэлектрика и в пространстве около провода, имеет вид:

_Л _

Л' (4)

_ 1 Н">МН"'(1,Л)- Н!ЖаУПЧ1'л)111'>(к1и,) е„ Н'"(Л,о)Н™(Л,а,)- Н?(Л,а)Н,(ЛлК'(А,£<,)'

где H.V - функция Гапкеля второго рода нулевого порядка. /I,- посгояиная распространения н диэлектрическом покрытии провода, а, - рад!гусдиэлектрического покрытия.

Анализ выражений (1 - А), описывающих поведение электромагнитного поля около провода показывает, что при соответствующем выборе толщины диэлектрического покрытия провода и его диаметра можно достичь режима, при котором энергия поля сосредоточена и цилиндрической области с радиусом порядка одной мины волны.

Другая особенность поверхностного волновода состоит в том, что неоднородность, помещенная в его иоле, привода к частичному переизлучению И ПОГЛОЩЕНИЮ энергии волновода. При этом можно реализо-пать режимы как максимального переизлучения, так и максимального поглощения энергии. Эго достигается соответствующим выбором функции связи иореизлучагелей с нолем волновода и их свойств. В работе [2| показана возможная реализация распределений электромагнит! ЮГО I юля вдоль системы пере-излучателей при минимуме энергии в балластной нагрузке.

В данном случае необходимо обеспечить минимум отражения и излучения при равномерном поглощении энергии подлине объекта, расположенного в поле поверхностного волновода. Минимум отражения достигают компенсацией отраженной волны в тракте. Излучение минимизируют путем установки соответствующего отражателя около провода с поверхностной волной.

Что касае тся поглощаемой энергии объектом, то она зависит от целого ряда параметров как поля, так

где о) — частота колебаний ноля, е„е — абсолютная диэлектрическая проницаемость, /$г5 —тангонс угла диэлектрических потерь, —соответствующие составляющие напряженности электрического ноля.

Серьезной проблемой является эиергетикалинни, т.с. реализация требуемой энергии в области, где помещае тся объект. Использование влипни с поверхностной волной многовходового устройства возбуждения (4) позволяет в принципе неограниченно наращивать подаваемую мощность. При этом эффект нагрева объекта может быть осуществлен рядом независимых источников малой и средней мощности.

Мощный магнетронний генератор имеет высокую стоимость, «капризен» в эксплуатации, т.к. требует высокого уровня согласования с нагрузкой, характер которой по мере нагревания изменяется. Следовательно, в этом случае необходима система авторегулирова-иия, реализация которой при больших мощностях сопряжена с известными трудностями. В этом отношении источники СВЧ малой и средней мощности менее критичны к нагрузке и к питающим напряжениям.

Немаловажным является и то. что д.\я суммирования мощностей потребуется синхронизации источников СВЧ энергии, т.к. каждый из них вносит независимый вклад в нагрев тех или иных объек тов.

Таким образом, применение многовходового устройства возбуждения поверхностной волны является основой для наращивания СВЧ мощности и ее дискретной регулировки без заметного нарушения режима их нормальной работы.

Остановимся далее на многовходовом устройстве возбуждения линии поверхностной волны. В соответствии со структурой электромагнитного поля около провода (рис. 1) имеется радиальная составляющая напряженности электрического поля. Вводя элемент возбуждения, например полуволновый вибратор, вдоль силовых линий, можно обеспечить эффективное возбуждение поверхностной волны. Соответственно, распределив по кругу ряд таких вибра торов, можно получить многопходовое устройство возбуждения. Указанные парциальные устройства возбуждения в принципе слабо зависимы друг от друга, и потому в проводе будет иметь место совокупность поверхностных воли, которые не обязательно сип хронизнровать.т.к. их конечным эффектом является нагрев помещенного в поле объекта. Аналогично может быть построена балластная нагрузка, только вместо генераторов вибраторы подключают к парциальным нагрузкам.

*

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 ИЗ) 2000 ПРИЬОРОСТРОСНИб, МЕТРОЛОГИ# И ИН«ОРМАЦИОНКО-И1М|РИПЛЬНЫ£ ПРИЬОРЫ И СИС1СМЫ

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ МЕТРОЛОГИЯ И ИНвОРМАЦИОННО-ИІМЕРИТЕЛЬНМЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Of V- '

/ - груо.ча Jixgpaavpti СВЧ

2 - жлг/>А»лМт? ус.ърсйслЪо йоэдугдехим taitpjHKmm A?..wy ) - npMfawd оЯа і - перя/щчвши 5 - домости* югруз>:о О - рхфхег.тр 7 - oihsi.fr> сума

Риг. 2. Схема устанопки СВЧ нзгренл

МиОГОВХОДОВОС устройство возбуждения позволяет достаточно просто осуществлять ступенчатую регулировку тепловой мощности в нагреваемом объекте путем соотве тствующего подключения (отключения) парциальных генераторов.

Таким образом, использование поля поверхностного волновода для промышленного нагрева протяженных объектов является перспективным, т.к. позволяет решить целый рядпроблем в отличие оттрадици-опных способов.

При использовании открытых поверхностных волноводов вызывает интерес для нагрева объекта использование переизлученпого поля. Остановим внимание па механизме переизлучепия. Неоднородность, помещенная в иоле поверхностного волновода, псреизлучаетТ волну. В этой связи с помощью ряда неоднородностей возможно формирование определенного распределения переизлученпого поля с кон-цсштрацией излучения в определенном направлении. Такою рода устройства хорошо отмоделированы и их используют в антенной технике. Применительно к пагреву чех или иных объектов имеет место ряд особенностей. В частности, несколько упрощена реализация равномерною нагрева протяженных объектов. т.к. в таком случае равномерность будет определяться не расстоянием между объектом и осью провода, а размерами переизлучателей [5]. Установка для равномерного нагрева вы глядит следующим образом (рис. 2).

Па проводе с бегущей поверхностной волной устанавливают группу переизлучателей, электрически (но не гальванически!) связанных с проводом. Козф-фицнеитсвязи выбирают исходя из требуемого распределения поля. Так как система, состоящая из переизлучателей, имеет осесимметричное излучение относительно провода, то целесообразно ее разместить па фокальной линии параболическою цилиндра, обеспечив тем самым относительно равномерный поток энергии на протяженный объект нагрева. Перспективность системы напереизлучателяххотя и несколько сложнее, чем на эффекте непосредственного воздействия поля в пределах граничною радиуса, вместе с тем она более конструктивна и менее критична к установке объектов нагрева и влияния изменения их параметров.

Таким образом, использование волноводов с поверхностной волной позволяет реализовать различные системы для организации воздейст вия электромагнитною ноля СВ* I на целый ряд объектов промышленною и сельскохозяйственною назначения.

Библиографический список

I. Ефимов И.!і. Радиочастотныелинии передачи. — М.: Сои. радію. - 1064. - ООО с.

Кисмерешкин П.П.. Добова Г.М. Моделирование амплитудных распределений ноля вибраторно-волноводной решетки на основе однопроиоднойлинии передачи // Приборы и техника эксперимента. - 1998. — N«4. — С. 92 —93.

3. Диденко А.Н., Зверев Б.Н. СВЧ — энергетика. - М.:1 (аукл, 2000. - 264 с.

4. Кисмерешкин П.П., Лобова Г.М. Устройствовозбуждении поверхностной полны. - Патент Nu 2144720. - 1101 09/00.9/44.

5. Кисмерешкин В.П.. Лобова Г.Н. Всенаправленная антенная решетка на основе открытого волновода // Проектирование и технология электронных средств - 2004, - N«4. - С, 12- 15.

КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конст руирования и производства радиоаппара туры Омского ітх^ларствониоготехіїическою университета. ЛОБОВА Галина Николаевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры Омскою государственного технического университета.

ДУДАРЕВ Алексей Валерьевич, аспирант кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры Омского государственного технического университета.

РИТТЕР Дмитрий Викторович, соискатель кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры Омского государственною технического университета, старший преподаватель кафедры радиотехники и телекоммуникаций Северо-Казахстанското государственного университета им. М. Козыбаива.

Адрес дли переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 30.09.2009 г.

@ В. П. Кисмерешкин. Г. Н. Лобова. Л. В. Дударев, Д, В. Риттер