Введение к работе
Актуальность работы. В последние два десятилетия активно про-одились исследования, направленные на расширение сфер применения гсектромагнитных полей (ЭМП) СВЧ-диапазона. Физические свойства, рисущие ЭМП СВЧ, а также эффекты биологического характера пределили перспективность использования СВЧ-полей для решения шрокого круга задач в медицине, биологии, сельском хозяйстве и ромышленности.
Теоретические и экспериментальные исследования показывают начителъные преимущества использования СВЧ-энергии в промышлен-ом и сельскохозяйственном производстве: ускорение процессов обра-отки, экологическую чистоту, сокращение энергетических затрат, воз-южность полной механизации и автоматизации. Кроме того, в ряде пучаев достигается эффект, превышающий потенциальные возмож-ости традиционных методов.
Одной из причин, сдерживающих более широкое промышленное спользование СВЧ-методов (микроволновых технологий) является от-осительно высокая стоимость оборудования. При этом большинство озданных установок являются узкоспециализированными, предназна-енными для обработки конкретных материалов при определенных ре-симах. Совершенствование микроволновых технологий требует разви-ия методов создания унифицированных СВЧ-установок с перестраи-аемыми структурой и режимами обработки.
Системы управления перспективных СВЧ-установок должны обес-ечивать формирование электромагнитных или тепловых полей с требуемым распределением в объеме обрабатываемого материала, необхо-имые изменения их во времени, вносить коррективы, учитывающие вменение электрофизических свойств в процессе обработки. В этих це-ях необходимо создание эффективных устройств возбуждения ЭМП в іабочих камерах СВЧ-установок, которые должны обладать гибкой труктурой, позволяющей осуществлять требуемую перестройку в доста-очно широких пределах. К настоящему времени одним из наиболее [ерспективных направлений является использование многоэлементных озбудителей. Однако, несмотря на их несомненную перспективность и шределенные достижения в этой области, к настоящему времени вопросы создания эффективных устройств возбуждения для СВЧ-техноло-ических установок не решены в достаточной мере.
В этой связи актуальной задачей, связанной с созданием сов-іеменньїх систем управления СВЧ-установками, является разработка ффективных устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах техноло-ических установок, обеспечивающих требуемое распределение энергии і объемах обрабатываемых материалов при минимальном уровне ізлучения за пределами объекта обработки.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повы-пение эффективности устройств возбуждения электромагнитных полей і рабочих камерах технологических установок открытого типа.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
выбор и обоснование моделей, описывающих процесс формирования электромагнитных полей в рабочих СВЧ-камерах откры того типа;
формулировка критериев и разработка методов и алгорит мов решения задач оптимизации по сформулированным критериям для различных видов возбуждения излучателей;
изучение общих свойств и решение задач оптимизацт возбуждения для камер открытого типа, а именно: фокусировки і точку для когерентного и некогерентного возбуждения излучателей максимизации поглощенной мощности в пределах заданной области задачи повышения равномерности;
оценка положительных эффектов, достигаемых при опта мизации возбуждения СВЧ-камер открытого типа с использование! методов сфокусированной апертуры;
выработка практических рекомендаций для проектирова ния СВЧ-установок.
Методы исследований. Для решения поставленных задач : работе использовался аппарат теории электродинамики, метода оптимизации, а также моделирование на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
сформулированы критерии оптимизации, обеспечивающи решение задач максимизации поглощенной мощности и повышени равномерности в заданной области пространства. Изучены общи свойства задач оптимизации возбуждения электромагнитных полей технологических СВЧ-установках открытого типа. Установлено, чт в ряде случаев задачи оптимизации являются многоэкстремальным) а в качестве начальной точки, при проведении численно оптимизации, целесообразно использовать синфазное равноамгоп тудное возбуждение излучателей, расположенных эквидистантно н расстоянии XJ2.
решены задачи оптимизации возбуждения для каме открытого типа, а именно: фокусировка в точку для когерентного некогерентного возбуждения излучателей, максимизации поглощеі ной мощности в пределах заданной области, задачи повышен* равномерности. Установлено, что для различных технологическ* процессов увеличение поглощаемой мощности в заданной області составляет от 0,25 до 8 дБ и зависит от решаемой задачи оптимиз; ции, вида обрабатываемой среды, соотношения размеров систем возбуждения и области фокусировки.
определены оптимальные и квазиоптимальные виды во буждения излучателей для различных задач оптимизации. Проведи
сравнение эффективности методов сфокусированной апертуры при когерентном и некогерентном возбуждении излучателей.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
полученные при оптимизации возбуждения рабочих камер технологических СВЧ-установок , позволяют повысить поглощаемую мощность или равномерность распределения интенсивности электромагнитного поля в пределах заданной области. Это дает возможность уменьшить время обработки и, следовательно энергозатраты, а также повысить качество получаемой продукции в различных производственных процессах;
разработанные методы, алгоритмы решения задач фокусировки по различным критериям и программы позволяют рассчитывать оптимальные амплитудно-фазовые распределения и геометрию системы возбуждения для любых процессов СВЧ-обработки, использующих рабочие камеры открытого типа, что позволит повысить эффективность данного технологического процесса;
на основе анализа решенных задач выработаны практические рекомендации для проектирования технологических СВЧ-установок.
На защиту выносятся:
модели, описывающие процесс формирования СВЧ-полей в рабочих камерах открытого типа;
критерии решения задач оптимизации, описывающие требования максимизации поглощенной мощности и повышения равномерности распределения интенсивности СВЧ-поля в заданной области пространства;
методики решения задач оптимизации по сформулированным критериям для различных видов возбуждения излучателей;
анализ общих свойств задач оптимизации возбуждения рабочих камер технологических СВЧ-установок при обработке сред со значительным удельным поглощением;
оценки эффективности решения задач оптимизации по критериям энергетической эффективности и равномерности, полученные для различных видов возбуждения излучателей и размеров области фокусировки;
сравнительные результаты решения задач оптимизации возбуждения рабочих камер открытого типа по различным критериям для когерентного и некогерентного возбуждения излучателей;
выработанные практические рекомендации для проектирования реальных СВЧ-установок.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской НТК "Фазированные антенные решетки и перспективные средства связи ФАР-94", г.Казань, 1994 г.; на Всероссийской НТК "Микроволновые
технологии в народном хозяйстве (МВТ-95)", г.Казань, 1995 г.; ні молодежной НК "XXII Гагаринские чтения", г.Москва, 1996 г.; на I Республиканской конференции молодых ученых и специалистов г.Казань, 1996 г.; на Международной НТК "Молодая наука новом; тысячелетию, г.Набережные Челны, 1996 г.; на Межрегионально! научно-практической конференции "Пищевая промышленность 2000", г.Казань, 1996 г.; на VI Международной Крымской конферен ции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", г.Севасто поль, 1996 г.; на Юбилейной научной и научно-методическоі конференции, посвященной 65-летию КГТУ им. А.Н.Туполева, г.Ка зань, 1997 г.; на II Международной конференции по антенної технике и технологиям, г.Киев, 1997 г.; на III Международна симпозиуме "Электромагнитная совместимость и электромагнитна экология", г.Санкт-Петербург, 1997 г.; на VII Международно! Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные тех нологии", г.Севастополь, 1997 г.
Результаты работы использованы в 2 плановых НИОКР проведенных НИЦ ПРЭ КГТУ им.А.Н.Туполева в 1996-1998 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 работ, в том числе 1 статья депонирована в ВИНИТИ, 1 стать опубликована в журнале "Вестник КГТУ", 7 докладов в сборника трудов международных и всероссийских конференций, а также международного симпозиума.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работ состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы і приложения.
