Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Конструкции свч-устройств с бегущей волной для термообработки диэлектрических материалов 17
1.1. Способы обеспечения равномерного нагрева обрабатываемого материала в СВЧ-устройствах с бегущей волной 17
1.2. Согласующие элементы СВЧ-устройств с бегущей волной для термообработки диэлектрических материалов 28
ГЛАВА 2. СВЧ-устройство на связанных прямоуголь ных волноводах 36
2.1. Ответвитель с изменяющейся критической длиной волны вторичного волновода 36
2.2. Учет потерь диэлектрического материала в СВЧ-устройстве на связанных волноводах 45
2.3. Влияние материала с потерями на структуру поля основной волны в прямоугольном волноводе 52
2.4. СВЧ-устройство на квадратном волноводе 65
ГЛАВА 3. СВЧ-устройство на связанных прямоуголь ном и двугребневом волноводах 69
3.1. Влияние выступов в двугребневом волноводе на структуру поля основной волны 69
3.2. Расчет коэффициента передачи шлейфового разветвления на двугребневом волноводе 76
3.3. Расчет критической длины основной волны двугребневого волновода 80
3.4. Электродинамические характеристики СВЧ-устройства на связанных прямоугольном и частично заполненном диэлектриком двугребневом волноводах 83
3.5. Экспериментальные исследования передаточных характеристик макета СВЧ-устройства на двугребневом волноводе 91
ГЛАВА 4. Шлеифовые разветвления свч-устройств на связанных волноводах с элементами связи сложных сечений 100
4.1. Электродинамические характеристики шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств на связанных волноводах 100
4.2. Шлейфовое разветвление со связью через П- и Н-волноводы 103
4.3. Шлейфовое разветвление со связью через гантелеобразный волновод 111
4.4. Шлейфовое разветвление со связью через двухгребневый и четы-рехгребневый волноводы 112
4.5. Шлейфовое разветвление со связью через прямоугольные волноводы с одним и двумя Т-ребрами 116
4.6. Экспериментальное исследование макета СВЧ-устройства на связанных волноводах со шлейфами сложных сечений 128
Заключение 137
Библиографическое описание 140
Приложение 1.
- Согласующие элементы СВЧ-устройств с бегущей волной для термообработки диэлектрических материалов
- Учет потерь диэлектрического материала в СВЧ-устройстве на связанных волноводах
- Расчет коэффициента передачи шлейфового разветвления на двугребневом волноводе
- Шлейфовое разветвление со связью через П- и Н-волноводы
Введение к работе
В настоящее время в целом ряде технологических процессов используется взаимодействие диэлектрических материалов с электромагнитными волнами высоких и сверхвысоких частот [1 - 48], что обусловлено рядом причин: избирательностью нагрева многокомпонентных материалов; равномерностью нагрева независимо от теплопроводности материала; высокой чистотой нагрева, так как СВЧ-энергия может подводиться к материалу через защитные диэлектрические оболочки; саморегуляцией нагрева; высоким коэффициентом преобразования СВЧ-энергии в тепловую энергию.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволило осуществить интенсивные безотходные и экологически чистые технологии, повысив управляемость технологическим процессом и создав условия его автоматизации. Такие установки требуют разработки специализированных СВЧ-устройств. Поэтому исследование и создание СВЧ-устройств для равномерного нагрева материалов с диэлектрическими потерями, параметры которых зависят от температуры, представляется актуальным и перспективным, так как они во многом определяют эффективность работы технологических СВЧ-установок.
Известные разновидности СВЧ-устройств для термообработки диэлектрических материалов, работающих в режиме бегущей волны, представляют собой отрезки волноводов того или иного поперечного сечения или замедляющую систему и элементы их возбуждения. В тех случаях, когда определяющим является требование сочетания малых габаритов с высокими электродинамическими параметрами, становится наиболее целесообразным применение СВЧ-устройств на связанных волноводах [27 - 36].
В данной работе предлагается новая разновидность СВЧ-устройства на связанных волноводах, которая в принципе позволяет решить задачу равномерного объемного нагрева поглощающего СВЧ-мощность материала. Создание такого устройства непосредственно связано с обеспечением сильной связи основного (возбуждающего) волновода со вспомогательным (вторичным) волноводом, где располагается обрабатываемый материал. При этом в качестве вторичного канала СВЧ-устройства могут быть использованы как волноводы стандартных, так и сложных поперечных сечений.
Одним из путей выравнивания плотности тепловых источников в поперечном сечении обрабатываемого материала является использование в качестве вторичного канала СВЧ-устройства волноводов сложных сечений (ВСС), позволяющих изменять распределение электрической компоненты основной волны в их поперечном сечении [44 - 47]. Сложность рассматриваемых структур делает актуальной задачу проведения комплексного анализа электродинамических свойств и структуры электромагнитного поля в данных волноводных системах с целью определения условий и критериев достижения однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.
Особое внимание при разработке СВЧ-устройств на связанных волноводах обращается на частотную зависимость коэффициентов передачи шлей-фовых разветвлений, обеспечивающих однородную плотность тепловых источников в продольном направлении. Важно, чтобы передаточная характеристика шлейфовых разветвлений мало изменялась в диапазоне длин волн во вспомогательном волноводе, обусловленном изменением диэлектрической проницаемости материала в процессе термообработки. Поэтому актуальной является и задача, связанная с уменьшением неравномерности переходного ослабления шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств на связанных волноводах в рабочем диапазоне длин волн.
Малые перепады характеристики переходного ослабления в полосе час- тот 10-15% в СВЧ-устройствах на связанных волноводах можно получить, если в качестве элементов связи (шлейфов) использовать ВСС [27]. Поэтому, кроме выбора вида ВСС, в котором располагается материал с изменяющейся в процессе термообработки диэлектрической проницаемостью, решалась задача усовершенствования методики оперативного расчета передаточных характеристик шлейфовых разветвлений с элементами связи сложных сечений.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании СВЧ-устройства на связанных посредством шлейфовых разветвлений волноводах для термообработки диэлектрических материалов с потерями, которое обеспечивало бы близкое к равномерному распределение электрической компоненты поля в поперечном сечении обрабатываемого материала и заданное распределение амплитуды бегущей волны в продольном направлении.
Методы исследований. Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод эквивалентных схем (МЭС), метод частичных областей (МЧО), метод конечных элементов (МКЭ), метод физических аналогий, методы математической физики и линейной алгебры, методы экспериментальных исследований.
Достоверность исследований обусловлена достаточной строгостью математических преобразований и подтверждена результатами экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
СВЧ-устройство на связанных посредством шлейфовых разветвлений волноводах для термообработки диэлектриков, у которого область возбуждения объединена с областью взаимодействия электромагнитной волны с материалом.
Установленная связь между коэффициентами передачи шлейфовых разветвлений СВЧ-устройства на связанных волноводах, позволяющая, не изменяя поперечного сечения рабочей камеры в направлении распростране- ния волны, обеспечить равномерный нагрев диэлектрического материала по его длине.
Установленная особенность структуры поля поперечной электрической компоненты основной волны в двугребневом волноводе, позволяющая обеспечить рациональное размещение диэлектрического материала, когда он, находясь в области равномерного электрического поля, в то же время слабо влияет на передаточные характеристики шлейфовых разветвлений.
Полученные на основе методов эквивалентных схем и частичных областей соотношения, позволяющие проводить аналитический расчет передаточных характеристик шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств с волноводами связи сложных сечений.
Научная новизна.
Разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими материалами в СВЧ-устройствах на связанных волноводных структурах различных поперечных сечений, позволяющая определить оптимальные электродинамические параметры шлейфовых разветвлений, обеспечивающих требуемый закон распределения электромагнитного поля в объеме обрабатываемого материала.
Предложена методика учета влияния диэлектрических материалов с потерями на структуру поля основной волны, распространяющейся во вторичном канале СВЧ-устройства на связанных прямоугольных волноводах.
Показана перспективность использования связанных волноводных структур для создания СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов, размещаемых во вторичном волноводе сложного поперечного сечения, возбуждаемом посредством шлейфовых разветвлений со стороны стандартного волновода, на основе которого выполнен вывод энергии большинства СВЧ-генераторов.
Получены аналитические соотношения, позволяющие для заданного коэффициента затухания основной волны определить оптимальные значения коэффициентов передачи шлейфовых разветвлений, обеспечивающих однородную плотность источников в объеме обрабатываемого материала и, следовательно, равномерный нагрев данного материала.
Проведен комплексный анализ собственных электродинамических параметров и структуры поля основной волны двугребневого волновода, показана целесообразность использования его в качестве рабочей камеры СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на связанных волноводах.
На основе методов эквивалентных схем и частичных областей получены аналитические соотношения для определения коэффициентов передачи шлейфовых разветвлений СВЧ-устройства на связанных прямоугольном и двугребневом волноводах.
Впервые предложено СВЧ-устройство, в котором достижение однородной погонной плотности тепловых источников в обрабатываемом материале не требует изменения поперечного сечения волноводной рабочей камеры в направлении распространения волны и применения согласующих переходов.
Предложена методика определения геометрических размеров волноводов связи по заданным коэффициентам передачи шлейфовых разветвлений, обеспечивающих однородную плотность источников в объеме обрабатываемого материала.
9. Предложены оперативные методики приближенно-аналитического расчета электродинамических параметров регулярных волноводных структур сложных поперечных сечений, которые могут быть использованы в качестве вторичного канала СВЧ нагревательных устройств на связанных волноводах.
Практическая значимость работы.
Предложена новая модификация СВЧ-устройств с бегущей волной, обеспечивающих однородную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого диэлектрического материала без изменения поперечного се- чения рабочей камеры в продольном направлении.
Даны практические рекомендации по оптимизации методов расчета СВЧ-устройств на связанных волноводах для равномерной термообработки диэлектрических материалов.
Предложена оперативная методика учета влияния диэлектрика на структуру поля основной волны в регулярном прямоугольном волноводе.
Даны практические рекомендации по использованию ДГВ в качестве вторичного канала СВЧ-устройств на связанных волноводах.
Даны практические рекомендации по расчету электродинамических параметров шлейфов сложных поперечных сечений.
Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре «Радиотехника», в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках, проводимых в лаборатории НИЧ «Техническая электродинамика и устройства СВЧ» Саратовского государственного технического университета, а также в ООО «Славутич-И» и «Центр-Прогресс».
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (Воронеж, 26 - 28 мая 1997 г.), «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП)» (Саратов, 7 - 9 сент. 1998 г., 20 - 22 сент. 2000 г., 18 - 20 сент. 2002 г.), «Проблемы управления и связи (ПУС - 2000)» (Саратов, 20 - 22 сент. 2000 г.), 2nd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT -2000) (China, Beijing, September 14 - 16, 2000), региональной конференции «Молодежь и наука на пороге XXI века (МиН - XXI)» (Саратов, 4-5 апр. 1998 г.), научно-технической конференции «40 лет ГНПП «Контакт»» (Саратов, 22 - 23 февр. 1999 г.), Поволжской научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (Саратов, 24 -26 апр. 2001 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано
25 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Текст диссертации изложен на 167 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и содержит 70 рисунков, 10 таблиц, а также список использованной литературы из 115 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, изложены новые научные результаты, полученные в работе, показана ее практическая ценность, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту. Представлены сведения об апробации работы и внедрении результатов исследований, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.
В первой главе диссертации рассмотрены известные конструкции СВЧ-устройств, обеспечивающих равномерное тепловыделение в обрабатываемом материале. Рассмотренные конструкции СВЧ-устройств подтверждают, что задача обеспечения равномерного объемного тепловыделения в обрабатываемом материале распадается на две: первая - обеспечение равномерного тепловыделения в поперечном сечении обрабатываемого материала, вторая -создание равномерного тепловыделения по длине рабочей камеры.
Анализ известных конструкций СВЧ-устройств показал, что равномерность нагрева в поперечном сечении обрабатываемого материала достигается следующими способами: использованием замедляющих систем, применением ВСС, обеспечивающих перераспределение плотности электрического поля в поперечном сечении, с помощью тонких вставок из диэлектрического материала, за счет изменения поляризации распространяющейся волны.
Отмечено, что задача обеспечения равномерности нагрева по длине обрабатываемого материала решается путем изменения поперечного сечения рабочих камер систем СВЧ-нагрева на бегущей волне в продольном направлении, использования дополнительного поглотителя, применения меандро- вых систем, за счет распределения по определенному закону выделения энергии по длине изделия с учетом изменения электрофизических параметров материала в процессе нагрева и за счет изменения поляризации распространяющейся волны.
Из рассмотренных конструкций волноводных устройств выделены конструкция СВЧ-устройства на четырехгребневом волноводе (ЧГВ), позволяющем перераспределять плотность электрического поля основной волны вдоль широкой стенки, и СВЧ-устройство на основе ПВ, в верхней стенке которого по длине прорезаны поперечные щели, обеспечивающие необходимый технологический закон распределения энергии по длине обрабатываемого материала, расположенного снаружи волновода со щелями.
Для подключения СВЧ-устройств на основе ВСС к генераторам СВЧ-мощности, выходные тракты которых выполнены, как правило, на волноводах стандартных сечений, необходимы согласующие переходы. В связи с этим были рассмотрены некоторые особенности применения согласующих переходов от СВЧ-генераторов к рабочим камерам СВЧ нагревательных установок на ВСС, частично заполненных диэлектриком, комплексная диэлектрическая проницаемость которого может изменяться в процессе термообработки.
Во второй главе рассмотрена возможность совмещения волновода, содержащего обрабатываемый материал, с системой его возбуждения (переходом к стандартному волноводу). Устройством, позволяющим осуществить такое совмещение, является волноводный многоэлементный шлейфовый делитель мощности, в котором обрабатываемый материал расположен во вторичном канале, а первичный канал имеет вход на волноводе стандартного поперечного сечения.
Комплексные исследования диапазонных свойств СВЧ-устройства на связанных прямоугольных волноводах (ПрВ) показали, что интервал изменения длины волны во вторичном волноводе уменьшается по мере приближе- ния рабочей длины основной волны ответвителя к критической длине волны (А,/2а2 = 0,5) первого высшего типа Н20.
Результаты эксперимента с восьмиэлементным шлейфовым ответвите-лем на ПрВ, в котором связь осуществляется через эквидистантно расположенные Н-волноводы, подтвердили, что в исследуемом диапазоне длин волн изменение диэлектрической проницаемости материала, расположенного во вспомогательном волноводе ответвителя, мало влияет на входной коэффициент стоячей волны основного канала, через который ответвитель подключается к источнику СВЧ-мощности.
Таким образом, многоэлементный шлейфовый ответвитель с малым переходным ослаблением и рационально выбранным месторасположением волноводов связи может быть использован в качестве СВЧ-устройства для термообработки диэлектрического материала с потерями, расположенного во вторичном канале в области связи.
Коэффициенты передачи по напряжению шлейфовых разветвлений, образующих область связи ответвителя с поглощающим материалом во вспомогательном волноводе, можно в первом приближении рассчитать через коэффициент передачи шлейфового разветвления без материала во вспомогательном волноводе.
Из равенства распространяющихся навстречу друг другу амплитуд волн, возбуждаемых п-1 и п шлейфовыми разветвлениями, без учета волн, ответвленных более ранними разветвлениями (считая затухание волн достаточно интенсивным), следует, что коэффициент передачи каждого последующего шлейфового разветвления определяется коэффициентом передачи предшествующего. Учет амплитуды электромагнитной волны, возбуждаемой п - 2 шлейфовым разветвлением на входе участка волновода между п-1 ип разветвлениями (элементами связи), приводит к появлению сомножителя е-а^, обусловленного затуханием волны за счет потерь в диэлектрике волновода длиной ( — расстояние между центрами соседних волноводов связи).
При соблюдении приведенных соотношений можно считать, что нагрев диэлектрика с потерями будет равномерным по его длине.
Таким образом, изменение коэффициентов передачи разветвлений можно осуществить либо за счет выбора размеров волноводов связи (шлейфов), либо за счет расположения шлейфов на широкой стенке основного волновода, либо за счет изменения высоты основного волновода. Возможно сочетание перечисленных выше способов изменения коэффициентов передачи шлейфовых разветвлений. С технологической точки зрения предпочтение следует отдать последнему способу, когда размеры волновода связи остаются постоянными.
При разработке СВЧ-устройств на связанных ПрВ, предназначенных для термической обработки диэлектрических материалов с потерями, представляется существенным учет влияния диэлектрика на структуру поля электромагнитной волны, распространяющейся во вторичном канале. Применение концепции парциальных волн позволило получить аналитические соотношения, определяющие поле внутри диэлектрического материала с потерями, расположенного в центральной части вторичного канала СВЧ-устройства на связанных ПрВ.
Повышение интенсивности и равномерности воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал достигается использованием в качестве базового элемента камеры бегущей волны волновода квадратного поперечного сечения, в котором возбуждаются две волны доминантного типа Н10 и Н01 с помощью совокупности шлейфовых волноводных разветвлений, расположенных на смежных стенках волновода. Такие совокупности волноводных разветвлений обеспечивают развязку между источниками СВЧ-колебаний и могут иметь разные законы изменения амплитуды возбуждаемой волны по длине волновода с обрабатываемым материалом, обеспечивая в нем две взаимно перпендикулярные компоненты электрического поля.
В третьей главе проведены комплексные исследования электродинами- ческих свойств СВЧ-устройства на связанных прямоугольном и двугребне-вом волноводах, позволяющего обеспечить объемный равномерный нагрев диэлектрических материалов.
Исследовано влияние геометрических размеров выступов в двугребне-вом волноводе (ДГВ) на структуру поля основной волны. Для расчета структуры полей ДГВ был использован метод конечных элементов. Показано, что, изменяя геометрические размеры выступов, можно добиться выравнивания электрической компоненты основной волны в поперечном сечении ДГВ.
На основе МЭС и МЧО получено аналитическое выражение для расчета минимального коэффициента передачи шлейфового разветвления СВЧ-устройства, в котором первичный канал выполнен на ПрВ, а вторичный - на ДГВ, со связью через ПрВ, широкая стенка которого перпендикулярна средним линиям широких стенок связываемых волноводов.
Критическая длина основной волны, необходимая для определения коэффициента передачи шлейфового разветвления СВЧ-устройства на связанных ПрВ и ДГВ, была рассчитана исходя из замены ДГВ эквивалентной схемой из сосредоточенных индуктивности и емкости. Сравнение полученных изложенным методом результатов с известными расчетными данными, показало, что их расхождение в большинстве практически важных случаев не превышает 10-15 %.
Показано, что интерес представляет такое расположение обрабатываемого диэлектрического материала, когда он находится в области наиболее равномерного и интенсивного электрического поля. Кроме того, поскольку в СВЧ-устройстве волноводы предпочтительнее связывать по широкой стенке, диэлектрик не должен полностью заполнять область над гребнями. В этом случае гребни служат также направляющими для транспортировки обрабатываемого материала.
Эксперимент полностью подтвердил возможность создания СВЧ-устройств на связанных ДГВ с номинальным значением переходного ослаб- ления 0 - 10 дБ и малыми перепадами передаточных характеристик в диапазоне частот, которые можно использовать в конструкциях СВЧ-систем для термообработки диэлектриков.
Четвертая глава посвящена исследованию передаточных характеристик шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств с волноводами связи сложных сечений, расположенными эквидистантно или неэквидистантно на общей широкой стенке связываемых волноводов.
Внешние геометрические размеры поперечного сечения волноводов, используемых в качестве шлейфов, ограничены и вписываются в прямоугольник ах, где а = а{ = а2 - размер широкой стенки связываемых волноводов; ^ = min ~~ ^ ' ^ min _ минимальное расстояние между центрами соседних шлейфов; М - толщина разделяющей их стенки.
Для получения малого перепада характеристики переходного ослабления критическая длина основной волны используемых в качестве шлейфов волноводов Х,с1ш должна быть больше критических длин волн основного типа связываемых волноводов Я,с1]и А,с12.
С другой стороны, зависимость переходного ослабления Сш от диэлектрической проницаемости материала, расположенного во вспомогательном волноводе СВЧ-устройства, уменьшается, если шлейфы не перекрываются обрабатываемым материалом.
Из сказанного выше следует, что наиболее полно предъявляемым к элементам связи требованиям отвечают ВСС, отличающиеся повышенными значениями критической длины волны основного типа и полосы одномодового диапазона, а также малыми габаритами.
Применение МЭС в совокупности с МЧО к исследованию собственных параметров ВСС позволило усовершенствовать методику расчета коэффициентов передачи шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств на связанных волноводах с элементами связи сложных сечений. Кроме того, это дало возможность оценить влияние допусков при изготовлении волноводов связи слож- ных сечений на коэффициенты передачи шлейфовых разветвлений. Сравнение полученных МЭС результатов расчета критической длины основной волны волноводов связи сложных сечений, знание которой необходимо для определения коэффициентов передачи шлейфовых разветвлений, с известными теоретическими и экспериментальными данными показало, что они достаточно хорошо согласуются: их максимальное расхождение в большинстве практически важных случаев не превышает 10-15 %.
В заключительной части четвертой главы приведены результаты экспериментальных исследований передаточных характеристик шлейфовых разветвлений макета СВЧ-устройства на связанных коллинеарных ПрВ, в качестве элементов связи которого использовались ВСС. Сопоставление теоретических и экспериментальных частотных характеристик переходного ослабления шлейфовых разветвлений СВЧ-устройства на связанных волноводах показало, что их расхождение в области максимума в большинстве случаев составляет менее 0,3 дБ, то есть соответствует точности эксперимента.
Таким образом, полученные в настоящей главе соотношения могут быть с успехом использованы для оперативного расчета передаточных характеристик шлейфовых разветвлений СВЧ-устройств на связанных волноводах с элементами связи сложных сечений.
В заключении представлены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе, намечены пути и перспективы дальнейших исследований СВЧ-устройств на связанных волноводах для термообработки диэлектрических материалов.
В приложении приведены приближенно-аналитические соотношения для расчета критической длины основной волны и волнового сопротивления некоторых ВСС, применение которых в качестве базовых элементов СВЧ-устройств для термообработки диэлектрических материалов позволяет расширить функциональные возможности последних.
Согласующие элементы СВЧ-устройств с бегущей волной для термообработки диэлектрических материалов
Поскольку генераторы СВЧ имеют выводы на волноводах стандартных сечений (прямоугольном или коаксиальном), использование ВСС в качестве базовых элементов рабочих камер СВЧ-устройств с бегущей волной требует создания специальных элементов для их возбуждения. Эта задача может быть успешно решена путем применения согласующих переходов между волноводами стандартных и сложных сечений, позволяющих осуществить возбуждение рабочей камеры во всем рабочем диапазоне длин волн. Следует заметить, что под рабочим диапазоном согласующего перехода здесь и далее подразумевается интервал изменения длины волны в волноводе с обрабатываемым материалом при фиксированной длине волны в свободном пространстве. В связи с этим рассмотрим некоторые особенности применения согласующих переходов от волноводов стандартных сечений к рабочим камерам СВЧ нагревательных систем на ВСС, частично заполненных диэлектрическим материалом, комплексная диэлектрическая проницаемость которого может изменяться в процессе термообработки.
В настоящее время в технике СВЧ используются различные типы переходов, отличающиеся не только конструктивными особенностями (плавные, ступенчатые переходы), но и типом волноводных структур, между которыми осуществляется согласование. Поэтому различают переходы между волноводами одинаковой формы, но с различными размерами поперечных сечений, и между волноводами различных типов. Известно [49], что в зависимости от характера изменения волнового сопротивления переходы могут быть ступенчатыми и плавными, причем плавный переход можно рассматривать как предельный случай ступенчатого перехода при неограниченном увеличении числа ступеней и уменьшении их длины. Как показывает сравнение ступенчатых и плавных переходов, при одинаковых перепадах волновых сопротивлений согласуемых линий передачи и равных допусках на рассогласование в фиксированной полосе частот длина ступенчатого перехода всегда меньше, чем плавного [49]. Однако, из-за концентрации электрического поля в местах стыков ступенек ступенчатый переход уступает плавному по электрической прочности.
Среди ступенчатых переходов наибольшее распространение получили переходы с чебышевскими и максимально плоскими частотными характеристиками коэффициента отражения. В заданной полосе частот такие системы, в частности чебышевские переходы [49], позволяют добиться очень хороше го согласования, причем металлоемкость их конструкции ниже, чем у плавных переходов.
Так, в работе [50] рассмотрены конструкции ступенчатых переходов с круглого волновода на прямоугольный, содержащие согласующий трансформатор в виде четвертьволновой секции ПрВ. Показано, что в зависимости от сечений прямоугольного и круглого волноводов, положения центральной частоты полосы перехода в пределах рабочего диапазона ПрВ односекцион-ные конструкции могут обеспечить уровень КСВН 1,2 в полосе, не превышающей 14 %. В случае более широких полос необходимо использовать переходы с двумя и более согласующими секциями.В работе [51] приведены конструкции переходов с ПВ на коаксиал с КСВН не хуже 1,2 в 70 % рабочей полосы частот ПВ.
Многие известные методы синтеза ступенчатых переходов основываются на свойствах бездисперсионных систем [49] и дают в случае создания перехода между волноводом стандартного и сложного поперечных сечений значительную погрешность. В связи с этим обычно применяют подход, рассмотренный в работе [51], согласно которому конструктивные параметры ступенчатого перехода определяются в следующей последовательности: расчет начального приближения, анализ характеристик полученного перехода, дальнейшее уточнение размеров перехода путем оптимизации характеристик.
Так, в работе [51] были рассчитаны геометрические размеры ряда пяти-и четырехсекционных переходов с ПрВ на ПВ, полученные в результате оптимизации по минимуму КСВН, причем для уменьшения реактивностей и упрощения конструкции использован линейный закон изменения геометрических размеров поперечного сечения по длине перехода.Ступенчатые переходы, как правило, применяются в случае, когда требования по обеспечению максимальной широкополосности и электрической прочности системы не являются жесткими [17]. Так, они могут использоваться в системах СВЧ-нагрева диэлектриков, проницаемость которых на часто тах выше 1 МГц очень слабо зависит от температуры. Кроме того, процесс должен осуществляться на относительно невысоких мощностях, чтобы избежать электрического пробоя. Наконец, в некоторых ВСС при ступенчатом изменении продольного профиля емкостного зазора происходит резкая деформация электромагнитного поля в области поперечного сечения непосредственно под емкостным зазором, что приводит к резкому изменению волнового сопротивления по длине перехода и является недопустимым при создании ступенчатых переходов [23].
Осуществить направленную передачу СВЧ-мощности от генератора в рабочую камеру, выполненную на основе отрезка волноводной линии сложного поперечного сечения, и избежать всех этих трудностей позволяют плавные согласующие переходы. Как правило, в качестве согласующих элементов используются монотонные плавные переходы, у которых изменение волнового сопротивления по длине происходит монотонно. Немонотонные переходы, хотя и могут быть короче монотонных, обладают более сложной конфигурацией.
Как правило, различают линейные и нелинейные плавные переходы. Одним из примеров монотонного плавного нелинейного перехода может служить экспоненциальный переход, представляющий собой отрезок нерегулярной линии передачи, волновое сопротивление которой изменяется по закону [52]
Учет потерь диэлектрического материала в СВЧ-устройстве на связанных волноводах
В технологических установках СВЧ для термообработки диэлектрических материалов с потерями достаточно широкое распространение нашли устройства, использующие отрезки волноводов той или иной формы поперечного сечения в режиме бегущей волны, в которых располагаются обрабатываемые объекты.
Весьма существенным в таких устройствах СВЧ-нагрева является способ их возбуждения, поскольку он непосредственно влияет на характер изменения амплитуды распространяющейся волны в области взаимодействия с материальным объектом. Один из вариантов возбуждения прямоугольного волновода с термически обрабатываемым диэлектрическим материалом представлен на рис. 2.6. Возбуждение второго волновода осуществляется с помощью совокупности шлейфовых волноводных разветвлений, расположенных эквидистантно или неэквидистантно на общей широкой стенке волноводов [30, 31].
Такой вариант возбуждения волновода с материалом позволяет упростить его согласование с источником СВЧ-мощности, на которое влияет изменение диэлектрической проницаемости материала в процессе нагрева. Рассматриваемое СВЧ-устройство (рис. 2.6) представляет собой шлейфовый направленный ответвитель, расчет которого без обрабатываемого материала не представляет собой каких-либо сложностей [27].
При наличии во вторичном канале ответвителя материала с потерями, диэлектрическая проницаемость которого изменяется в процессе нагрева, расчет требует определенных уточнений в используемых соотношениях. Прежде всего, необходимо учитывать, что волны в волноводе с поглощающим материалом, когда тангенс угла электрических потерь нельзя считать много меньше единицы, не имеют критической длины волны. Их дисперси онные характеристики имеют плавный спадающий вид [59].
Направление распространения плоских волн, образующих поле во вторичном волноводе, определяется параметрами материала с потерями и зависит от его проводимости и коэффициента затухания. Особенностями волновода с таким заполнением являются сложный пространственный вид фазовых фронтов, зависящих от частоты, и частотная зависимость структуры полей, особенно вблизи критических частот высших типов волн волновода без материала с потерями.
Из последнего следует, что все волны во вспомогательном волноводе будут иметь и магнитную, и электрическую продольные компоненты. В рассматриваемом случае это гибридные волны типа НЕ, которые трансформируются в Н-волны.
Коэффициенты передачи по напряжению шлейфовых разветвлений, образующих область связи ответвителя с поглощающим материалом во вспомогательном волноводе, можно в первом приближении рассчитать, используя соотношение вида:
Кш- коэффициент передачи шлейфового разветвления при наличии вовспомогательном волноводе материала с потерями; КШ - коэффициент передачи шлейфового разветвления без материала во вспомогательном волноводе; АГв2 - длина основной волны при наличии материала во вспомогательном волноводе; А,в2 - длина основной волны во вспомогательном волноводе без материала; фг =arctg(r"l2/rj.l2); ҐСІ2 - комплексная постоянная распространения основной волны во вспомогательном волноводе.
Таким образом, определение Кщ требует знания Хъ2 и фг.Типичные зависимости составляющих комплексной постоянной распро странения от частоты для волновода, содержащего материал с потерями, приведены на рис. 2.7. Из рис. 2.7 видно, что в результате действия поглощающей среды постоянная распространения Гс12 комплексна при всех частотах, причем Г СІ2 Ф О.
Приведенные зависимости позволяют сделать вывод, что критическая частота вспомогательного волновода рассматриваемого шлейфового ответвителя без заполнения должна быть несколько выше критической частоты основного волновода для обеспечения большего коэффициента полезного действия устройства. Величина смещения определяется по совокупности зависимостей Гс12 от частоты при параметре tg52.
Эксперимент показал, что в широком диапазоне изменения tg52 коэффициент стоячей волны по напряжению на входе ответвителя не более 1,1 при отклонении от средней частоты до ± 15 %.
Рассмотрим возможность использования шлейфового волноводного де Рис. 2.7. Зависимости нормированных составляющих комплексной постоянной распространения от f/fc]2 для волновода, содержащего диэлектрический материал с потерямилителя мощности в качестве СВЧ-устройства для термообработки диэлектрического материала с потерями, расположенного в области связи его вторичного канала.
С этих позиций определим особенности изменения электрической компоненты электромагнитной волны в области связи волноводного делителя мощности при условии расположения во вторичном канале диэлектрического материала с потерями [32].В первом приближении будем считать, что основное влияние материал с потерями оказывает на дисперсионные характеристики вторичного волноводного канала за счет изменения его диэлектрической проницаемости и на амплитуду распространяющейся волны из-за распределенных потерь.
На рис. 2.8 схематически представлена область связи шлейфового волноводного делителя мощности с малым переходным ослаблением, во вспомогательном волноводе которого расположен материал с комплексной диэлектрической проницаемостью s2.Как известно, в волноводном делителе амплитуды волн, возбуждаемые отдельным шлейфовым соединением (элементом связи) и распространяющиеся в противоположных направлениях во вторичном волноводе, равны по величине. Если коэффициент передачи п-1 шлейфового разветвления по мощности - Kn_j, то амплитуды волн, распространяющихся в противоположных направлениях от п-1 шлейфового разветвления (элемента связи), определяются выражением
Из рис. 2.8 видно, что отрезок волновода между п -1 и п шлейфовым разветвлением с расположенным в нем диэлектриком можно рассматривать как элементарную ячейку для термообработки диэлектрического материала с потерями с двусторонним возбуждением, в которой затухающие по экспоненциальному закону волны распространяются навстречу друг другу. Таким образом, эту ячейку можно рассматривать как своеобразную разновидность волноводной камеры бегущей волны.Для более полной аналогии с известными конструкциями необходимо
Расчет коэффициента передачи шлейфового разветвления на двугребневом волноводе
Будем считать, что в качестве основного канала и волновода связи (шлейфа) используются ПрВ на основной волне типа Н10. В случае связи волноводов по широкой стенке ДГВ, на которой нет гребней, приближенные условия равенства тангенциальных составляющих магнитного поля основной волны для центра шлейфа, широкая стенка которого перпендикулярна средней линии широкой стенки ДГВ, записываются в виде [27]:где Нх2 - соответствующая компонента магнитного поля основной волны, распространяющейся в ДГВ; Нхш - поперечная составляющая магнитногополя основной волны шлейфа.Компоненты электромагнитного поля основной волны ДГВ, необходимые для использования выражения (3.1), можно определить исходя из замены реальной электродинамической системы эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами [74].
Составляющая Еу2(х) основной волны ДГВ, удовлетворяющая граничным условиям, будет иметь вид:где E0 -значение Ey2(o); xci2 = 27i/A,cl2 и A,cl2 - поперечное волновое число и критическая длина основной волны ДГВ.Поперечная компонента Нх2(х) основной волны ДГВ может быть найдена из соотношения
напряженности электрического и магнитного полей ДГВ; S - площадь поперечного сечения ДГВ; Р02 и Рк2- составляющие потока мощности, создаваемые основным и краевыми полями.Используя известное из работы [27] выражение для поперечной компоненты магнитного поля ПрВ Нхш, представим граничные условия в центре волновода связи (3.1) в виде: Zci = -\/Мч)Ш/soci J єі и M-i - волновое сопротивление и относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости материала, заполняющего основной волновод; cosGj = [і - А /є Х,2,] J ; ХсП - критическая длина доминантной волны основного волновода.
Так как минимальный коэффициент передачи шлейфового разветвления можно выразить через коэффициенты передачи соответствующих Т-соединений [27 где Vk «1; XBU1, Л-в1 и Хв1 - длины основной волны в шлейфе, основном и вторичном волноводах.
Таким образом, соотношение (3.15) может быть использовано для расчета минимального коэффициента передачи СВЧ-устройства, в котором первичный канал выполнен на ПрВ, а вторичный - на ДГВ, со связью через ПрВ, широкая стенка которого перпендикулярна средним линиям широких стенок связываемых волноводов.
Следует заметить, что выше рассмотрен достаточно простой случай связи ПрВ и ДГВ по широкой стенке через ПрВ. Для уменьшения перепада частотной характеристики переходного ослабления СВЧ-устройства на связанных ПрВ и ДГВ следует использовать шлейфы сложных поперечных сечений, которые по сравнению со связываемыми волноводами имеют не только большую критическую длину основной волны, но и больший диапазон работы на доминантной волне.
Для расчета минимального коэффициента передачи СВЧ-устройства, вторичный канал которого выполнен на ДГВ, необходимо знать критическую длину основной волны рассматриваемого волновода. Рассчитать критическую длину основной волны ДГВ на основе точного аналитического решения внутренней краевой задачи электродинамики не удается из-за сложной формы границ волновода. Поэтому приходится прибегать к приближенным методам расчета, среди которых, прежде всего, необходимо отметить численные подходы [15 - 17, 22 - 26, 51, 61 - 64, 76 - 81]. Достоинством численных методов является универсальность, а недостатками - частный характер результатов, значительные трудности математического и вычислительного характера. Кроме того, первое приближение этих методов довольно часто дает результат с большой погрешностью.
В инженерной практике хорошо зарекомендовал себя метод эквивалентных схем (МЭС), основанный на замене реальной электродинамической системы эквивалентной цепью с сосредоточенными параметрами [53, 75, 82 -99]. К достоинствам МЭС относятся наглядность, возможность выявить общие закономерности функционирования устройств и сравнительная простота вычислений. Выбор эквивалентной схемы зависит от физических свойств замещаемой структуры и используемого подхода. Точность расчета МЭС зависит от точности определения параметров эквивалентной схемы, которые могут быть либо оценены качественно, либо рассчитаны методами теории поля.
Наиболее просто критическую длину основной волны можно рассчитать, представив эквивалентную схему отрезка ДГВ единичной длины в виде параллельного резонансного контура из сосредоточенных емкости и индуктивности (рис. 3.6) [75].
В этом случае критическая частота основной волны определяется выражениемСоответственно критическая длина волны может быть найдена из соотношениягде с - скорость света.Поперечное волновое число рассчитывается по фомулеИндуктивность контура, эквивалентного ДГВ, может быть представлена в виде ц0 - магнитная постоянная; \х2 - относительная магнитная проницаемость заполнения.
Емкость контура в этом случае определяется выражениемгде Cj и С3 - электростатические емкости; С2 - краевая емкость.
Электростатические емкости С! и С3 можно рассчитать с помощью формулы плоского конденсатора из соотношений:) где є0 - электрическая постоянная; є2 - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения.где LH и CH - погонные индуктивность и емкость эквивалентного колебательного контура, описываемые нормированными геометрическими размерами волновода.На рис. 3.7-3.9 представлено сравнение результатов расчета нормированной критической длины основной волны ДГВ с параметрами Ь2/а2 =0,5;е2=ц2=1; t2/a2 =0,055 (рис. 3.7), t2/a2 =0,115 (рис. 3.8) и t2/a2 =0,215 (рис. 3.9), полученных МЭС и в работе [68]. Как и следовало ожидать, полученные соотношения не дают хорошей точности для всех размеров выступов. Однако использование МЭС позволило установить в явном виде простую аналитическую зависимость, обеспечивающую достаточную точность расчета А,с12/а для ряда практически важных случаев.несколько вариантов расположения обрабатываемого диэлектрика в ДГВ (ЧГВ). Так, в работах [44 - 46] рассмотрен ЧГВ с центральным симметричным расположением диэлектрической пластины. Свойства ДГВ с зазорами, заполненными диэлектриком, достаточно подробно исследованы в работе [72]. Следует, однако, отметить, что в литературе рассмотрены далеко не все важные для практического применения случаи расположения диэлектрика в ДГВ.Анализируя структуру поля компоненты ЕУ2 основной волны ДГВ с параметрами Ь2/а2 = 0,5; s2/a2 = 0,5; t2/a2 = 0,125 ; d2/b2 =0,5 (рис. 3.5 б),естественно предположить, что представляет интерес такое расположение
Шлейфовое разветвление со связью через П- и Н-волноводы
Уменьшение неравномерности переходного ослабления СВЧ-устройствна связанных волноводах в диапазоне длин волн может быть достигнуто применением шлейфов П- (рис. 4.1 а) и Н-образных (рис. 4.1 б) поперечных сечений, имеющих по сравнению с прямоугольным волноводом связи большую критическую длину основной волны, более широкий диапазон одномо-дового режима работы и меньшие габариты [27]. Как видно из рис. 4.1, Н-волновод (НВ) можно рассматривать как линию передачи, состоящую из двух одинаковых П-волноводов (ПВ). Поэтому выводы, полученные для ПВ, будут справедливы также и для НВ.
Если ПВ или НВ связывает широкую стенку ПрВ с широкой стенкой волновода произвольного поперечного сечения, то минимальный коэффициент передачи такого шлейфового разветвления определяется выражением (2.1) или (4.3), в котором параметр Тш определяется по формуле [27] поперечное волновое число основной волны шлейфа.
При построении СВЧ-устройств в качестве шлейфов применяются, как правило, ПВ и НВ с симметрично расположенным ребром [15 - 17, 22 - 27, 49, 51, 52, 61 - 64, 81, 83 - 86, 88, 92, 97, 100]. В то же время в практических конструкциях иногда возникает необходимость смещения выступа к одной из узких стенок (рис. 4.2) [66 - 68, 77, 98, 101, 102]. Кроме того, при изготовлении шлейфов рассматриваемого поперечного сечения вследствие различных технологических погрешностей возможно смещение ребра относительно центра, которое сильнее всего влияет на величину номинального переходного ослабления СВЧ-устройства.
С этих позиций представляет интерес оценить влияние смещения ребра ПВ на критическую длину основной волны [98]. В этом случае индуктивность контура определяется выражениемгде Lj = (-і0М-шЬш (аш 0/2 - индуктивность боковой секции ПВ с симметрично расположенным ребром [86].
Емкость контура, эквивалентного ПВ со смещенным ребром, как и в случае симметричного ПВ, определяется выражением [86]С = С!+2С2, (4.14)где С2 -электростатическая емкость; С2 -краевая емкость.
Электростатическую емкость зазора С, можно рассчитать с помощью формулы плоского конденсатора из соотношениягде є 0 - электрическая постоянная; єш - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения.
Краевая емкость С2 вычисляется по формуле (3.24), в которойПри sm = 0 формула (4.13) переходит в соответствующее выражение дляЕмкость контура в этом случае определяется по тем же формулам, что и для ПВ со смещенным ребром.
Для НВ индуктивность контура рассчитывается так же, как и для ПВ, а Описанный выше подход был использован для расчета нормированной критической длины (частоты, волнового числа) доминантной волны полых (ЕШ = иш = 1) ПВ и НВ при различных значениях размеров поперечного сечения. Так, на рис. 4.3 представлены результаты расчета нормированной критической длины основной волны ПВ (Ьш/аш =0,5; tm/am =0,2) при различных значениях Бш/аш и с!ш/Ьш. Для сравнения на этом же рисунке приведены данные работы [68]. Из рис. 4.3 следует, что с уменьшением sm/am и с1ш/Ьш расхождение результатов расчета А,с1ш/аш, полученных МЭС и в работе [68], уменьшается.
В табл. 4.1 представлены результаты сравнения данных расчета нормированного поперечного волнового числа несимметричного ПВ с параметрами ьш/аш =0 5 ш/аш =0,1; эш/аш =0,1; аш/Ьш =0,1. Для оценки расхождения результатов расчета Хсішаш была использована формула
Рис. 4.3. Зависимость нормированной критической длины основной волны ПВ со смещенным ребром от геометрических размеров: 1 - dm/bm=0,25; 2 - с1ш/Ьш=0,5 Как показывает анализ, наблюдается достаточно хорошее согласование результатов расчета %сішаш, полученных в настоящей работе по формуле (3.27)и в работе [77] в соответствии с МКР.Результаты расчета нормированной критической длины основной волны ПВ (Ьш/аш =0,45; tm/am =0,1), полученные по формуле (3.26) и методомРитца-Галеркина [103], приведены в табл. 4.2. Оценка расхождения результатов расчета Х,с1ш/аш проводилась по формуле
