Особенности распространения электромагнитных волн в частично заполненных волноводах сложных сечений и устройства на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕШКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

-П / /

ЯКОВЛЕВ Вадим Викторович

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Саратовском политехническом институте и Институте радиотехники и электроники Российской Академии наук

Научный руководитель -

В.А.КОЛОМЕЙЦЕВ, кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты -

Б. 3.КАЦЕНЕЛЕНБАУМ, доктор физико-математических наук, профессор В. Я. АДАМЕНКО, кандидат технических наук, старая сотрудник

Ведущая организация -

Таганрогский научно-исследовательский институт связи

оо

Зацита состоится 21 февраля 1992 г. в 12 на заседании специали-оированного совета Д 002.74.02 ИРЭ РАН по адресу: 103907, Москва, ГСП-З, проспект Маркса, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан "СО'' января 1992 г.

Ученый секретарь

спец! пллзировашого созета,

кандидат технических наук

.на! '

«С'.'.- лы <~гд=м1

¡УкартупЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Наибольшее распространение в качестве? базовых 'Лементсв различных устройств техники СВЧ получили волноводы ростейших сечений - прямоугольный, круглый, коаксиальный.

Вместе с тем существуют ситуации, когда параметры указанных линий .ередачи препятствуют расширению функциональных возможностей уст-юйства. Так в СВЧ энергетике к нагревательны,! установкам с бегущей юлкой часто предъявляются требования повышенной широкополосности, ¡аличия обширней области однородного электрического поля, малой >:е-■аллсемкости, высокой предельной меткости. Волноводы сложных сече-;ий как системы с большим числом степеней свободы предоставляй:1 ¿и-юкие перспективы в плане обеспечения указанных характеристик.

Традиционное применение волноводов - это направленная перодача »нергии электромагнитных волн от источника к нагрузке. При этом ;елается все возможное, чтобы избежать потерь в стенках и в ¡аполнении волновода. В установках же СВЧ нагрева имеет место поглощение электромагнитной энергии и ее преобразование в тепловую. Следовательно, при разработке соответствующих устройств необходимо считывать влияние диэлектрических потерь на характеристики распространения и структуру поля.

Подобные задачи актуальны и при исследовании узлов измерительной техники, согласованных нагрузок, аттенюаторов и ряда других элементов, для которых потери в среде играют принципиальную роль.

Закономерности функционирования камер СВЧ нагревательных устлно-301: и элементов антенно-фидерных трактов на волноводах сложных се--;эяий с учетом потерь в заполняющем их материале недостаточно хоро-ЕО изучены и поэтому представляют научных и прикладной интерес.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ проектирования и использования линий 7ередачи сложных сечений, содержащих поглещаюнугй материал, большая ' трудоемкость, высокая стоимость экспериментального исследования зпределяют актуальность работы, посвященной разработке методов автоматизированного проектирования и изучения некоторых электродинамических свойств указанных структур.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование собственных параметров и структурь электромагнитного поля волноводов сложных сечений, ' чаотичнс заполненных диэлектриком и поглощающим материалом, а также выработка рекомендаций к эффективному и рациональному использования зтих волноводов в технике и энергетике СВЧ.

ОСКОВНЬЕ ЗАДАЧИ:

a. Выбор волнободных профилей, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к высокоэффективным и универсальным рабочим камераь СВЧ нагревательных установок с бегущей волной.

b. Разработка алгоритма численного решения внутренней краево? задачи электродинамики для регулярных волноводов произвольны} сечений, содерааЕуж произвольное заполнение поглсщакицим материалом; реализация алгоритма в виде программы для ЭВМ.

c. Анализ собственных параметров и структуры электромагнитногс поля волноводов специально подобранных сечений, содеражщи? поглощающий материал в области равномерно распрэделенногс электрического поля; изучение закономерностей вариаций поля г материала при изменении диэлектричесрсой проницаемости и тангенсг угла потерь в рабочем диапазоне температур.

с!. Разработка методики инженерного проектирования элементов СВ1 техники на волноводах сложных сечений, изучение возможностей т практического применения в технике, и энергетике СВЧ.

е. Экспериментальная проверка полученных результатов, построение практических конструкций, использующих результаты теоретически? исследований.

ПОЛОЖЕНИЯ, КОТОРЬЕ ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ.

1. При расчете волноводов с емкостным зазором, частично заполненных поглощающим материалом (коэффициент смещения от 0,1 до 0,4), метод возмущений дает приемлемую точность определения собственны; параметров и полей С до 5%) в случае, если тангенс угла диэлект] ческих потерь не превышает 0,05-0,1.

2. В процессе СВЧ термообработки в камерах на прямоугольном с Т-ребром и подковообразном волноводах (коэффициент заполнения от 0,1 до 0,4) рост тангенса угла диэлектрических потерь свыше 0,05-0,1 пс

арактеру влияния на распределение поперечного электрического поля дектичен увеличению вещественной части диэлектрической прсницае-ости с нелинейным коэффициентом пропорциональности 0,03-0,3.

3. В плавных согласующих переходах между прямоугольным и прямоу-ольным с Т-ребром, прямоугольным и подковообразным волноводами охранение рабочей полосы входного сигнала в каждом сечении требует елинейного изменения по длине по крайней мере одного геометричес-ого параметра.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов работы состоит в следующем:

a. Предложен новый вид металлического волновода, названной поц-;овообразнь!м; исследованы его собственные параметры в случае за-:олнения его емкостного зазсра диэлектриком и поглотителем, а та:с-:е при отсутствии заполнения; показано, что он обладает рядом пр->-:муществ по сравнению с П-волноэодом и может использоваться б Естестве базового элемента СВЧ нагревательных установок конвейерного чша для термообработки жидких и сыпучих материалов.

b. Впервые с учетом высших типов волн проведен анализ собственных гараметров и структуры поля П-волновода и прямоугольного волновода : Т-ребром, емкостной зазор которых заполнен диэлектриком или юглощающим материалом; проведено численное моделирование изменения шектрических параметров и структуры поля, которое имеет место в >абочей камере в процессе СВЧ термообработки, показавшее нарушение ¡авномерности распределения электрического поля в поперечном :ечении при вариации диэлектрической проницаемости и тангенса угла ютерь матёриала,

c. Предложен метод графоаналитического анализа и согласованного зыборз геометрических и электрических параметров линий передачи СВЧ »кергш на прямоугольном с Т-ребром и подконообраэном волноводах.

с!. Теоретически и экспериментально исследованы диапазонные сарактеристики плавных переходов с прямоугольного волновода на пря-гоугольный с Т-ребром; показано, что в переходах с линейным изменением -геометрических параметров сечения по длине зсуществляется уменьшение доминантного диапазона входного сигнала, сто ограничивает его применение в технике СВЧ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

a. Впервые создана и внедрена в практическое пользованш универсальная программа для ЭВМ серии ЕС, предназначенная дш численного расчета регулярных волноводов произвольного сечения, частично заполненных поглощающим материалом.

b. Предложено использование класса волноводов сложных сечеюи С прямоугольного с Т-ребром, подковообразного и других, обладающих I поперечном сечении участком емкостного зазора) в качестве базовые элементов СВЧ нагревательных установок.

c. Выработан ряд практических рекомендаций к построению камер СБ1 нагрева на волноводах сложных сечений для интенсификацш технологических процессов термообработки с учетом противоречивости некоторых требований, предъявляемых к подобным устройствам в целяз расширения их функциональных возможностей.

с1. Разработаны номограммы, позволяющие проводить инженерный графоаналитический расчет конфигурации и некоторых электрически? параметров элементов СВЧ устройств на прямоугольном с Т-ребром * подковообразном волноводах.

е. Выполнена экспериментальная апробация рабочей камеры устройства для СВЧ стерилизации жидкости и плавного перехода с прямоугольного волновода на прямоугольный с Т-ребром, используеысгс в установке плазменной очистки керамических цилиндров.

РЕАЛИЗАЦИЯ. Разработанная в диссертации программа расчета регулярных волноводных линий, содержащих поглощающий материал, передана в фонд алгоритмов и программ САПР МЭП С держатель фонда -НПО "Исток"), а также внедрена в научно-исследовательские работа у учебный процесс КФ ОЭИС, МИРЭА и СПИ.

На основании теоретических исследований и практических рекомендаций были созданы широкополосные оконечные поглощающие волноводныг нагрузки, различные пассивные элементы СВЧ цепей, волноводные переходы и другие устройства (ПО "Контакт" и "Знамя труда",г. Сарато 1

Практическое использование результатов и выводов диссертации подтверждается соответствующими актами внедрения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Результаты, вошедшие в диссерта-

да, получены автором в период с 1930 по 1988 гг. Материалы всех шделов докладывались на Декадах науки СПИ С1980-1985), на Сбласт->й конференции молодых ученых (Саратов, 1980), на Всесоюзной конвенции по машинному проектированию устройств СВЧ (Киев, 1981) , на динаре "Элементы и устройства СВЧ волноводных трактов" (Киев, ?82), на научно-технических семинарах - выездных заседаниях секции полноводные устройства" НТО РЭС им. А.С.Попова "Элементы и узлы злноводных трактов радиорелейных линий" (Таллинн, 1983), "Антенно-¡дернье тракты и СВЧ компонента систем связи" (Фрунзе, 1986) и Золноводнне элемента антенно-фидерных устройств" с Днепропетровск, 339), на IV-ой и V-сй научно-технических конференциях по проблемам зименения СВЧ энергии в народном хозяйстве (Саратов, 1983, 1986), 1 1Х-ом Всесоюзном семинзрз по решении внутренних краевых адач электродинамики (Новороссийск, 1986), на научно-техническом зминаре специалистов на ВДНХ СССР "Современные проблемы зэрхвысокочастотнсй обработки в энергетике" (Москва, 1989), а исже на семинарах ряда организаций.

Основной материал диссертации изложен в 8 печатных, одной эпонированной работах и одном авторском свидетельстве. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, этырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, элный обьем работы - 226 страниц, из них 126 страниц с ашнописным текстом, 67 - с рисунками, 10 - с таблицами; текст рограммь для S3M занимает 23 страницы. Библиография включает 182 аименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

о введении отмечается актуальность решения внутренней краевой адачи электродинамики и определения собственных параметров и полей олиоводов сложных сечений, содержащих частичное заполнение диэлек-риком и поглощающим материалом, в связи с необходимостью универса-изации и повышения эффективности камер СВЧ нагревательных устгно-ок и некоторых узлов измерительной техники и техники связи.

В первой главе описывается метод численного расчета собственны параметров и структуры электромагнитного поля регулярных волноводо произвольных сечений, частично заполненных поглощающим материале

Исходная формулировка содержит пару дифференциальных уравнени Гельмгольца относительно комплексных амплитуд продольных составляю 1цих электрического и магнитного поля, а также граничные услови. Дирихле и Неймана, налагаемые на решения этих уравнений н. металлических- стенках структуры, и условия непрерывност; тангенциальных составляющих поля на границах раздела сред.

Строгое решение краевой задачи для частично заполненных направля ющих систем представляет значительные трудности. В диссертации раз работай алгоритм дискретизации исходных дифференциальных уравнений основанный на методе конечных элементов С МКЭЗ. Обзор отечественных и зарубежных публикаций за последние 15-20 лет показал высокую эф фективность метода и его перспективность для исследования волново дов произвольных сечений, частично заполненных поглощающей средой.

Значения искомой функции, определяющие аппроксимационный полино! в узлах элементной сетки, неизвестны, поэтому их часто находят ка наилучшее приближение к истинному узловому значению искомой функции. Обычно для этого осуществляется минимизация некоторого функционала, связанного с физической спецификой задачи. Однако вариационная формулировка рассматриваемой дифференциальной задачи с неса-мосопрякенным оператором связана с дополнительными трудностями. Поэтому формулировка основного уравнения МКЭ выполнена с использованием метода взвешенных невязок С МВЮ.

Согласно ЫВН, требование малости невязки Ст. е. минимальност! погрешности приближенного решения) идентично условию ортогонально стн вектора невязок некоторой системе линейно независимых С весовых' функций, которую моасно выбрать различными способами. Наиболее приемлемым представляется критерий Галеркина, согласно которому 1 качестве весовых функций выбираются функции формы МКЭ; эт< позволяет получить интегральное уравнение - своего рода анало! условия минимизации функционала. Граничные условия Неймана в МВ1 удовлетворяются в соотношении, полученном в результате преобразо-

ания интегрального уравнения по формуле Грина.

После вычисления интегралов, разделения вещественной и мнимой

астей и ряда преобразований получается алгебраическое уравнение

яда А в = Л В 9 , известное как обобщенная задача на собственные

2

начения. Здесь А = С со/с) - собственные значения уравнения, 9 -оответствующие собственные векторы, А, В - вещественные несиммет-«чнье блочные С многоленточные) матрицы, и - круговая частота. Для удовлетворения граничных условий Дирихле га матриц А и В "вы-:еркиваются" строки и столбцы, соответствующие узлам, расположенным ;а границах, на которых эти условия заданы.

Собственные значения уравнения являются комплексными величинами, [олучить при решении данной задачи комплексное собственное значение • значит получить комплексные собственные частоты и, следовательно, итухание вслнсводго процесса во времени. Это противоречит исходной госьшке о рассмотрении установившихся колебаний. Поэтому решение ¡удет иметь физический смысл только для того типа волн, у которого ишая часть соответствующего собственного значения равна нулю.

В заключительном подразделе первой главы приводится краткое ¡писание программы MELOS, реализующей представленный численный ал-'сритм. Программа составлена на языке FORTRAN-IV для ЭВМ серии ЕС.

Решение начинается с ввода исходных . данных о геометрии »перечного сечения волновода и заполнения, а такке о комплексных 1роницаемостях сред Се = s'- >s'', (U .= ¡j'- . Введением экви-

валентных граничных условий типа электрической'и магнитной стенки вчитывается симметричность структуры. Специальная процедура вырабатывает триангуляцию произвольных двумерных областей, границы которых могут быть описаны как прямыми линиями, так" и кривыми второго горядка, причем сетку можно задавать более плотной на тех участках, ■де ожидаются наибольшие градиенты полей. В качестве элемента разбиения используется линейный треугольник.

Затем в программе формируются локальные матрицы элементов и глобальные матрицы Л и В, определяющие'. итоговое , ,алгебраическое /равнение. Построение глобальных матриц основано на процедуре, тоэлементного объединения локальных матриц. Локальные прибавляются

к глобальным сразу же после вычисления. Поскольку в зависимости ог физического характера решаемой задачи С имеются или отсутствую1: потери, соблюдается или не соблюдается принцип поляризационно: двойственности) матрицы А и В состоят из различных блоков, реализовано вычисление только необходимых локальных и оптимально« формирование глобальных матриц.

Если тангенс угла потерь отличен от нуля С tg<5 * О), в итоговог уравнение входят несимметричные матрицы; тогда в программа используется Ог-алгоритм, решающий полную проблему собственных значений. Для более быстрого и точного расчета волноводов, заполненных материалом без потерь С симметричные матрицы А и В), программа обращается к методу бисекции и связанным с ним процедурам преобразована уравнения, позволяющим найти заданное число собственных значений

Поскольку нахождение имеющих физический смысл собственных часто: линии передачи с потерями требует многократного решения матричногс уравнения, в программе предусмотрена возможность его последовательного решения в условиях перебора (с некоторым шагом) значений вещественной и мнимой частей комплексной постоянной распространен!!

Представленные образцы тестовых испытаний программы [сравнение с аналитически вычисленными значениями критических частот десят1 типов волн круглого волновода, с дисперсионными зависимостями частично заполненного диэлектриком круглого волновода С данные Иларпо-нова и соавторов) и с результатами расчета прямоугольного волноводе со слоем поглощающего материала в Н-гшоскости, полученными Архангельским и Буниным] показали ее работоспособность и достижение удовлетворительной точности решения при сравнительно небольшой числг элементов аппроксимации.

Вторая глава содержит результаты анализа характеристик полос! одномодового режима волноводов сложных сечений как базовы: элементов рабочих камер СЕЧ нагревательных установок. Полагается что емкостной зазор волноводов заполнен диэлектриком без потерь.

В кратком обзоре дана общая характеристика рабочих камер со стоячей и бегущей волной; отмечено, что в качестве последних нашл; применение главным образом волноводы простейших сечений. Однако пр!

этом не удается построить камеры с обширной областью равномерно распределенного электрического поля, с высокой широкополосностьв и малой металлоемкостью.

Указанные свойства можно обеспечить использованием волноводов сложных специально подобранных сечений, а именно, обладаниях в сечении участком так называемого емкостного зазора - П- волновода (ПВ), уже нашедшего некоторое применение в СВЧ энергетике, прямоугольного волновода с Т-ребром (ПВТР), подковообразного С ПСВЗ и других им подобных. Конфигурации рассмотренных 5 диссертации структур приведены на рис.1.

В первом подразделе установлены закономерности влияиял kx гоо'*5т-рических параметров на электрические характеристики, н частности, на критические длины волн основного (А } и нескольких пь.с;':их С,-.^, А. »...) типов. Еакной особенностью рассматриваемых вслнсводсз яз-ляятся повышенные значения критических длин волн и коэффициента гси-рокополосности % = > что обьясЕшется расположением Екступсн

в пучностях электрического поля основной е-олкы.

Перспективы повьгления эффективности установок СВЧ энергетики в значительной степени связаны с освоением более низких частот С 433 и 515 МГц), дающих выигрыш в глубине проникновения поля в материал. Построение камер для указанных частот на базе круглого и прямоугольного волноводоэ приводит к значительному увеличению габаритов и уменьшенью удельной мощности, рассеиваемой в образце. Проведенный анализ показал, что ПВ, ПВТР и ПОВ в силу повышенных значений X позволяет освоить частоты 433 и 915 ЫГЦ без особого увеличения габаритов поперечного сечения.

Из расчета следует, что ПОВ по сравнению с ПВ обладает более низкими частотами отсечки (рис.2, ПВ - сплошные, ПОВ - штриховые кривые), однако несколько уступает ему по широкополосности. Представлены также результаты анализа высших типов в ПОВ и их классификация как полостных мод С trough modes) С понятие предложено Монтгомери и использовано Уцуми при анализе ПВ).

Полезным для СВЧ энергетики выводом из проведенных расчетов является то, что при различных конфигурациях данных волноводов поле

основной волна в области емкостного зазора при отсутствии материального включения распределяется достаточно равномерно. Эта особенность указывает на целесообразность использования ПВ, ПВТР и ПОВ для термообработки материалов, принимающих форму емкостного зазор

Существенной особенностью термообработки с помощью энергии элек-ромагнитного поля является изменение электрофизических параметров материала в зависимости от температуры нагрева. В свои очередь s' играет определяющую роль по отношению к диапазонным свойствам волновода, из чего, в частности, следует принципиальная вариация характеристик полосы одноыодового режима в процессе термообработки.

Во втором подразделе изложены результаты анализа диапазонных свойств и структуры поля частично заполненных волноводов. В целях верификации результатов вычислений по программе MELOS некоторые расчеты ПВТР проведены с привлечением другой программы, реализующей метод конечных элементов для расчета электродинамических структур, не имеющих потерь в заполняющем их материале савтор - И. П. Чэпур-ныхэ. Сравнение результатов, полученных с помощью обеих программ, показало, что их расхождение не превышает 5%.

Критические длины волн обратно пропорциональны высоте емкостного зазора и прямо пропорциональны диэлектрической проницаемости материала. Тот факт, что начиная с некоторого значения проницаемости коэффициент широкополосности уже не зависит от s', объясняется тем, что поле практически полностью локализуется в емкостном зазоре и свойства столь сложной структуры в значительной степени определяются параметрами этой прямоугольной области. Данное обстоятельстве позволило получить простые приближенные соотношения для расчета критических длин волн основного и первого высшего типа рассматриваемых структур, которые дают высокую точность с до 5%) е достаточно широком диапазоне их конфигураций.

В третьем подразделе рассмотрены происходящие в процессе термообработки изменения в распределении поперечного электрического поля. В камерах с бегущей волной перепад температуры приводит к изменении диэлектрической проницаемости материала, постоянной распространени у = ¡3 - ia, а следовательно, и коэффициента замедления ¡ЗЛ. с здесь

с/

А

ШШ

Ы

а.

Рис. 1

0,1 03 (15 075/а Рис. 2

в / /9 Ю / ЗМ а*50т а*=40мм а'ЗОт оС

Т

2.0

1,0

У 1

1 1

—1 Г -- 1

Ряс. 3

С

■ фазовая постоянная, а - постоянная затухания, к - волновое число вобсдного пространствам; в частности, возможен переход через раницу быстрых и медленных волн, определяемую выражением /3/к = 1.

Это приводит к некоторому перераспределению электрического поля [з емкостного зазора в боковые полости, причем по сравнению с кри-■ическш режимом поле искажается тем больше, чем больше коэффициент амедления. С дальнейшим ростом рЛ. амплитуда электрического поля тановится максимальной в некоторых точках вблизи границы раздела ред, что приводит к нарушению равномерности, снижению интенсивно-ти термообработки и к преимущественному нагреву некоторых поверх-остных участков образца.

Отсюда следует, что для обеспечения равномерной одномодовой

термообработки габариты рабочей камеры следует выбирать с таким расчетом, чтобы рабочая длина волны X удерживалась на краю полосы

о

доминантного диапазона вблизи А ; в этом случае волна будет либо быстрой, либо ее замедление не намного превысит 1. Очевидно, что когда проницаемость валика се' >20^, значительная часть полосы од-номодового режима связана с распространением медленных волн; это не позволяет сохранить равномерность тепловыделения в образце.

Таким образом, обеспечиваемая рассматриваемыми волноводами возможность сохранения одномодового режима при значительных вариациях а' является фактически альтернативой требованию равномерности термообработки во всем рабочем диапазоне температур.

Наблюдаются и другие противоречивые тенденции. К примеру, повышение критических длин волн путем уменьшения высоты емкостного зазора С с целью снижения металлоемкости конструкции з приводит к понижению электрической прочности системы. Это значит, что для учета подобных противоречий проектирование рабочих камер на волноводах сложных сечений должно основываться на детальном анализе собственных параметров и полай базовой линии передачи.

В третьей главе представлены результаты анализа собственных параметров и электромагнитного поля волноводов, содержащих в области емкостного зазора поглощающий материал сдиэлектрик с потерями). В первом подразделе рассматриваются дисперсионные характеристики фазовой постоянной и постоянной затухания рис.3. Заметное отличие дисперсионных зависимостей при е"=0 и е'*0 наблюдается в случае tg6 > 0.05 - 0,1, когда граница мезду докритической и запредельной областями, или областями преимущественно волноводого и затухающего процессов, становится размытой.

Во втором подразделе изложены результаты сравнительного анализа полей в волноводах с диэлектриком и поглощающим материалом. Существенно, что сравнение структуры полей может проводиться с ориентацией на дисперсионные характеристики с рис.35 двояким образом: при Х/а = const и |3/k = var; при А/а = var и рЛ = const.

Первый случай отвечает реальному режиму многих элементов техники СВЧ, когда с течением времени tg<5 материала меняется под действк

JML

/ / J а // 14 "У i» /Л ? У f^^jr-

6 \\ 8 \V ш Vs

d/S о? 0.5 Q3 Ja/a-Рис. 4

Рис. 3

здэляищейся в нем энергии электромагнитного поля, т.е. в зависи-эоти от температуры t, а частота генератора остается, постоянной, оделить влияние тангенса угла потерь на структуру поля при неиз-знной фазовой характеристике позволяет второй подход, реализуемый iuib повышением A it)/а в соответствии о неким нелинейным законом. Сравнительный анализ полей с точки зрения первого условия пока-ал, что с ростом тангенса угла потерь замедление волны может дцественно увеличиться. Как показано во второй главе, в волново-IX, частично заполненных диэлектриком, с ростом [ЗЛ. от 0 до 1 1блюдается некоторое втягивание электрического поля в материал, а эи дальнейшем увеличении ¿от 1 до Уе') - локализация вблизи заницы раздела сред. Сходный эффект имеет место и в данном случае, зтя и в более слабой форме и лишь при достаточной близости ¡З/к к Таким образом, при \/а = const рост tg<5 и е' материала влияет i структуру поперечного электрического поля сходным образом. Анализ полей с позиций второго подхода показал, что когда точки ютветствующих дисперсионных кривйх для s"=0 и удовлетво-

шт условию , _о> отличий в конфигурации электрических по-

:й почти нет. Если же точка характеристики поглощающей системы на-щится в запредельной области, а непоглощающей - в докритической, мплексное поле распределено по сечению волновода более равномер->, чем вещественное. Отмеченная закономерность зависит от величи-i коэффициента замедления: чем меньше (ЗУк, тем больше мнимая со-<Э

ставляющая комплексного поля и тем меньше вещественная. Следозате льно, в смысле влияния на распределение поперечного электричэског поля увеличение при ¡З/к^сопБ! идентично снижению е' материа;

Общее сопоставление результатов третьей главы и работ Архангель ского и Бунина, Заксона и Корчемкина позволяет сделать вывод, что рассматриваемых волноводах вариации материала как одного и параметров, определяющих структуру, значительно реке приводят преобразованию типов волн, чем это встречается в волноводах прос тейших сечений при вариации геометрии поглощающего материала.

Четвертая глава содержит описание графоаналитического метода рас чета полых ГЕТР и ПОВ и результаты анализа диапазонных свойст плавных переходов для их сочленения с прямоугольными волноводам;

В первом подразделе дается описание номограммы С рис.4), предназ наченной для согласованного выбора геометрических и электрически параметров ПВТР. При ее построении использована функция /си,?) I / С1 - и + кО, где х = (Л - X )/С\ - X. ) - коэффициен

' 1-п о с2 с I с2

иерш! определяющий относительное положение X в интервал ). Параметрами номограммы являются = 2С1), 2,8С2), 3, СЗ), 5,2С 4); \= 12,25(5), 12,63С6), 32,8(7) см; а = 4,0(8), 4,

'о

(9), 9,ОС 10), И,ОСИ), 13,«12) см; =0,05(13), 0,2(14), 0, (15), 0,6(16), 0,8(17). Оперативность и удобство расчета позволяк использовать номограмму как инструмент инженерного проектирован!: узлов и элементов СВЧ трактов на основе данного волновода.

Для практического применения ПОВ и ПВТР как в качестве элементе фидерных линий, так и рабочих камер установок СВЧ нагрева, требуе решения задача их сочленения со стандартными волноводнкми линиям! в частности, с прямоугольным волноводом СПрВ).

Основным критерием выполненного во втором подразделе графоаналг тического расчета переходов принято условие сохранения однемодовог режима в каждом сечении. Графоаналитические построения выполняйте независимым образом для различных значений а; при этом Ь/а =еопз1 Последующая аппроксимация поперечных конфигураций нерегулярно: отрезка позволяет определить продольную геометрию структур* Плавность изменения волнового сопротивления обеспечивается плавнг

менением геометрических параметров, причем длина перехода ределяется из условия L>0,5MA , где M - некоторое целое число,

дбираемсэ экспериментально, X - средняя длина волны в волноводе.

з

Показано, что рассмотренным разновидностям линейных ПрВ-ПБТР-пе-ходов присущ принципиальный недостаток - деформация и перемещение апазона однсмодовости ПрВ. Это сужает область применения таких реходов и не позволяет полностью использовать преимущества ПВТР. Подобных искажений не наблюдается в случае нелинейного изменения длине перехода по крайней мере одного из размеров Т-ребра при хранении линейности внешней геометрии. На рис. 5 представлены лученные с помощью номограммы конфигурации таких нерегулярных резкоа, обеспечивающих равномерное увеличение К и уменьшение . Кривые на рис.5 являются функциями продольной нормированной ординаты ZL= г/L при а^/а^ = 2,0, t/a^ = 0,6, d/b|nBTp = ICI и 4), 0,2С2 и 5), 0,4СЗ и 5); кроме того, используется эзначение hCz) = bCz) - dCz).

Ъказано, что невозможно построить переход, в котором бы при ли-йнсм* изменении dCzVbC z) выполнялось условие сохранения в каждом лети одномодового диапазона ПрВ. В то se время допускается сознание этого диапазона при линейном изменении t/a и а . Диапазонное согласование линейными и нелинейными ПрВ-ПВТР-перехо-лк исследовалось экспериментально. Наблюдался удовлетворительный :вень согласования СКСВН S 1,2) в рассматриваемом частотном шазоне. Подтвержден теоретический вывод об уменьшении диапазона ш, обеспечивающего неискажаюцуга передачу доминантного диапазона 3 з ПВТР, при использовании линейных переходов. 3 третьем подразделе дается качественная характеристика некоторых змохных способов сочленения ПрВ с волноводами сложных сечений, состной зазор которых заполнен материалом. ! заключении сформулированы основные результаты диссертации. , Класс нестандартных волноводов, в сечении которых имеется ictok емкостного зазора, предложено использовать в качестве базо-: элементов рабочих камер СВЧ нагревательных установок. Вырабора-некоторые рекомендации к разработке на их основе конкретных ус-

тройств для интенсификации процессов термообработки; в частност! отмечена противоречивость таких выигрышных с точки зрения СВЧ эне] гетики параметров, как высокие критические длины волн и электричес кая прочность, повышенные значения коэффициентов заполнения и пирс кополосности и равномерное распределение поля в материале.

2. Предложен и проанализирован новый вид металлического волново,: - подковообразной. Исследования его собственных параметров показг ли, что он обладает некоторыми преимуществами по сравнению с П-вс: новодом (более высокими критическими длинами болн и коэффициента: широкополоскоста и заполнения) и может использоваться в качесэт базовых элементов камер конвейерных СЗЧ нагревательных уставов; (в частности, для термообработки жидких и сыпучих материалов).

3. Разработана и внедрена в практическое использование униве] сальная программа расчета собственных параметров и электромагнл ных полей регулярных волноводов произвольного сечения, произвольга образом заполненных диэлектриком и поглощающим материалом.

4. Выполнен анализ собственных параметров и структуры гю. П-волнозода и прямоугольного волновода с Т-ребрсм, емкостной заз' которых заполнен диэлектриком и поглощающим материалом. Результат в частности, показали нарушение равномерности распределения эле трического поля в поперечном сечении при вариациях диэлектрическ проницаемости и тангенса угла потерь. Сравнение структуры поля вс новодоа с потерями в материале и без потерь показало,- что при фи сированной рабочей длине волны рост ыуг^ипля влияет на стру туру поперечного электрического поля так же, как и рост с'; в же время при фиксированной фазоЕой характеристике возрастание та генса угла потерь влияет на поле идентично уменьшающейся веществе ной части диэлектрической проницаемости.

5. Разработаны номограммы, позволяющие осуществить оперативн согласованный выбор геометрических и электрических параметр прямоугольного волновода с Т-ребром и подковообразного волновод Предложен способ расчета геометрии и диапазонных свойств плавя переходов для сочленения с прямоугольным волноводом; показано, ц для неискажающей передачи входного сигнала помимо плавного измек

ния волнового сопротивления необходимо обеспечить нелинейное изменение внутренней геометрии перехода по его длине.

Приложение I содержит листинг оригинальной части программы MELOS, предназначенной для расчета на ЕС ЭВМ собственных параметров и полей регулярных волноводов произвольных сечений, содержащих произвольное заполнение поглощающим магнитодиэлектриком.

В приложении II кратко описаны два устройства, разработанные на основании результатов и выводов диссертационной работы.

Î. Камера для СВЧ стерилизации жидкостей. Для решения задач стерилизации продукции пищевой промышленности, физиологических растворов и т.п. было предложено использовать камеру на основе ПВТР с тонкостенной трубкой для транспортировки жидкости в области емкостного зазора. В целях обеспечения нагрева воды со сверхвысоким (до 200 град/сек) темпом была выбрана хлорвиниловая трубка длиной соссного участка 150 мм и диаметром 5 мм. Попадая в область электрического поля повышенной напряженности, жидкость подвергалась разогреву из-за выделения в среде энергии СВЧ поля. В силу резкого перепада температур было достигнуто уничтожение микроорганизмов и бактерий, находящихся в растворе. Измерения показали, что с точки зрения СВЧ энергетики уровень согласования в структуре можно считать удовлетворительным С КСВН < 1,5).

2. Волноводный переход с ПрВ на ПВТР. Данный элемент волноводного тракта использовался в экспериментальной заводской установке плазменной очистки поверхности керамических изоляторов, используемых в конструкциях мощных генераторных ламп. Для этой цели был построен отрезок нерегулярного волновода, аналогичный элементу сочленения ПрВ и ПВТР. Через эту структуру электрическое поле повышенной напряженности поддерживало плазменный разряд вблизи внутренней поверхности цилиндра. Уровень согласования, обеспечиваемый устройством , так:ке удовлетворителен ( KCBHS1,7).

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Коломейцев В. А. , Яковлев В.В. Расчет собственных параметров и структуры поля волноводов сложной формы методом кгнгчни:.; элементов/В кн. : Создание и расчет электронных устройств г

приборов. - Саратов: Изд-во СГУ, 1982. - С. 3-7.

2. Коломейцев В. А. , Яковлев В. В. Синтез прямоугольного волновода с Т-ребром//Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. -1983. - Т. 26.

- N 1. - С. 85-87.

3. Чепурных И. П., Яковлев В. В. Характеристики полосы одномодового режима прямоугольного волновода с Т-ребром, частично заполненного диэлектриком // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1983.

- Вып. 7. - С. 37-41.

4. Коломейцев В. А. , Яковлев В. В. Численный расчет собственных параметров и структуры поля регулярных волноводов произвольного поперечного сечения, частично заполненных поглощающим материалом // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1985. -Вып. 10. -С. 71 -77.

5. Авторское свидетельство N 1575326. Камера СВЧ-нагрева / В. А. Коломейцев, В. В. Огарков, В. Н. Соколов, В. В.Яковлев, А. П. Пиденко. Приоритет от 29 июня 1987 г.

6. Каток В. Б. , Коломейцев В. А., Яковлев В. В. Собственные параметры и структура электромагнитных полей подковообразного волновода // Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. -1987. -Т. 30. -И 1. -С. 20-25.

7. Каток В. Б. , Коломейцев В. А. , Яковлев В. В. Электромагнитные поля подковообразного волновода, частично заполненного диэлектриком// Рукопись депонирована в ВИНИТИ 20. СБ. 87, N 3580-В86, 17 с. Реферат: Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. -1987. -Т. 30. -И 10. -С. 95-96.

8. Коломейцев В. А. , Яковлев В.В. Расчет электромагнитных полей рабочей камеры СВЧ нагревательной установки на П-волноводе // Радиотехника. - 1987. - N 9. - С. 65-66.

9. Коломейцев В. А. , Яковлев В. В. 0 влиянии диэлектрических потерь на собственные параметры прямоугольного волновода с Т- ребром // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - N 8. - С. 1629-1635.

10. Коломейцев В. А. , Яковлев В. В. Плавные переходы для согласования прямоугольного волновода и прямоугольного волновода с Т-ребром // Радиотехника. -1990. -К 2. -С. 86-90.

Подписано в печать 09-01.1992 г.

Формат 60 х 84 / 16. Обьем 1,16 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.2.