МНОГОМОДОВЫЙ ЗАГРАДИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ЩЕЛЕВОГО ВОЛНОВОДА Российский патент 1997 года по МПК H05B6/76 

Изобретение относится к технической физике, в частности к заградительным фильтрам, препятствующим утечке электромагнитной энергии из резонаторов устройств для нагрева диэлектриков с помощью электромагнитного поля, и может быть использовано, например, в бытовых СВЧ-печах для предотвращения утечки высокочастотной энергии из СВЧ-нагревательной камеры, в системах связи, различных технических устройствах, локационной технике, а также в лабораторном оборудовании.

Проблеме предотвращения утечки электромагнитной энергии всегда уделялось серьезное внимание, т. к. в системах связи в условиях активной электромагнитной обстановки большое значение имеет электромагнитная совместимость аппаратуры, а следовательно, и уровень создаваемых аппаратурой помех. В настоящее время эта проблема приобрела особое значение уже с позиций обеспечения безопасности персонала вследствие того, что СВЧ-устройства начали широко использоваться не только в научных исследованиях и системах связи, но и в промышленности, в частности пищевой и медицинской, а также и в бытовых приборах, в различных устройствах для нагрева диэлектриков, например в бытовых СВЧ-печах. Естественно, что наибольшее развитие решение этой проблемы получило применительно к бытовым СВЧ- печам.

Широко известно, что бытовая СВЧ-печь содержит источник электромагнитной энергии и резонатор. Резонатор включает корпус, имеющий загрузочно-разгрузочный люк, и дверной блок, установленный с возможностью открывания и закрывания загрузочно-разгрузочного люка (см. например, патент США N 4584447, кл. 219/10.55 D, 1986 г (Re. 33657, 1991) патент США N 4659891, кл. 219/10.55 D, 1987 г; патент США N 4700034, кл. 219/10.55 D, 1987 г; патент США N 4868359, кл. 219/10.55 D, 1989 г; патент EP N 0196214, кл. F 24 C 15/02, 1991 г; патент США N 5075525, кл. 219/10.55 D, 1991 г и др.). Между корпусом резонатора СВЧ-печи и периферией дверного блока при закрытом загрузочно-разгрузочном люке всегда существует некоторая щель. Эта щель по существу является волноводом, по которому происходит утечка электромагнитной энергии, находящейся в резонаторе СВЧ-печи. Проблема предотвращения утечки электромагнитной энергии традиционно решается использованием поглощающих материалов, а также установкой заградительного фильтра, который размещают либо по периметру дверного блока, либо по периметру отверстия загрузо-разгрузочного люка (см. указанные патенты).

Заградительный фильтр часто выполняют в виде четвертьволнового дросселя с распределенными параметрами (см. например, патент США N 4584447, кл. 219/10.55 D, 1986 г (Re. 33657, 1991 г), который размещен по периметру дверного блока и связан с полостью щелевого волновода с помощью отверстия связи. Такой фильтр достаточно эффективно предотвращает утечку высокочастотной энергии из резонатора СВЧ-печи на основной частоте резонатора, но не препятствует утечке высокочастотной энергии на высших гармониках. При этом он эффективен только для ограниченного диапазона углов падения фильтруемых волн.

Известные усовершенствования заградительных фильтров направлены на улучшение их характеристик при одновременном уменьшении габаритов и стоимости.

Так заградительный фильтр, используемый в СВЧ-печи по патенту EP N 0196214, кл. F 24 C 15/02, 1991 г, выполнен многомодовым в виде двух четвертьволновых дросселей с распределенными параметрами, один из которых настроен на основную частоту резонатора, а другой на частоту высшей гармоники (например, пятой). Однако это решение существенно не расширяет диапазон углов падения волн, для которого фильтр обеспечивает эффективную фильтрацию вследствие сильной связи между элементами дросселя.

Многомодовый заградительный фильтр, используемый в СВЧ-печи по патенту США N 5075525, кл. 219/10.55 D, 1991 г, содержит два четвертьволновых дросселя с распределенными параметрами, один из которых настроен на основную частоту резонатора, а другой на частоту высшей гармоники, и два емкостных фильтра. Достоинством этого фильтра является некоторое расширение диапазона направлений распространения фильтруемых волн. Недостатком является сложность конструкции, относительно большие размеры дросселя и неравномерная зависимость коэффициента отражения фильтруемых волн от направлений их распространения.

В СВЧ-печи по патенту США N 4700034, кл. 219/10.55 D, 1987 г многомодовый заградительный фильтр представляет собой последовательный LC-контур, содержащий элементы с распределенными параметрами. LC-контур размещен внутри четвертьволнового дросселя вдоль линии, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк. Фильтр связан с полостью щелевого волновода с помощью отверстия связи.

Недостатком фильтра является то, что он обеспечивает хорошую фильтрацию на основной частоте и на частоте второй гармоники лишь в ограниченном диапазоне направлений распространения волн. Кроме того, конструктивно заградительный фильтр достаточно сложен, что усложняет конструкцию СВЧ-печи в целом.

Ближайшим аналогом разработанного многомодового заградительного фильтра для щелевого волновода по совокупности сходных существенных признаков является многомодовый заградительный фильтр, известный по ст. S. Ohkava, H. Watanabe, K. Kaneko "High response door seal for microwave oven" ("Microwave Power Symposium Digest" in 1978). Этот заградительный фильтр предназначен для использования в бытовых СВЧ-печах для предотвращения утечки высокочастотной энергии из резонатора. Заградительный фильтр содержит систему последовательных LC-контуров с сильной связью, размещенных внутри четвертьволнового дросселя, по заданной линии, которая пересекает волновые векторы фильтруемых волн. Фильтр содержит также параллельный LC-контур, размещенный внутри другого четвертьволнового дросселя. Оба четвертьволновых дросселя связаны с полостью щелевогго волновода с помощью отверстия связи. LC-контуры выполнены из элементов с распределенными параметрами.

Недостатком многомодового заградительного фильтра (ближайшего аналога) является сложность конструкции, а также наличие зависимости, хотя и ослабленной по сравнению с другими известными фильтрами того же назначения, коэффициента прохождения от направления распространения фильтруемой волны. Следствием этого является недостаточный диапазон углов падения волн, для которых фильтр обеспечивает активную фильтрацию.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка многомодового заградительного фильтра для щелевого волновода с улучшенными эксплуатационными характеристиками, не требующего для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений, который будучи использованным в устройстве для нагрева диэлектриков, в частности в бытовой СВЧ-печи, может обеспечить повышенную степенью защиты от утечки электромагнитных волн из резонатора.

Сущность разработанного многомодового заградительного фильтра заключается в том, что он так же, как и многомодовый заградительный фильтр, который является ближайшим аналогом, содержит по меньшей мере одну систему связанных последовательных LC-конторов, размещенных по заданной линии, которая пересекает волновые векторы фильтруемых волн.

Новым в разработанном многомодовом заградительном фильтре является то, что система связанных LC-контуров размещена по меньшей мере частично в полости упомянутого щелевого волновода. LC-контуры содержат элементы с сосредоточенными параметрами, а связь между LC-контурами выполнена слабой. Число K LC-контуров в системе определяется соотношением:
K≥BM/dLT,
где B длина многомодового заградительного фильтра;
M взаимная индуктивность LC-контуров;
d эффективный поперечный размер LC-контура;
L индуктивность LC-контура;
T заданный коэффициент прохождения электромагнитной волны.

В частном случае одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура системы связанных контуров является одна из стенок упомянутого щелевого волновода.

В другом частном случае щелевой волновод образован частью корпуса многомодового резонатора устройства для нагрева диэлектриков электромагнитной энергией, в которой выполнен загрузочно-разгрузочный люк, и периферией дверного блока, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк. Дверной блок установлен с возможностью открывания и закрывания загрузочно-разгрузочного люка, а линия, по которой размещена система связанных LC-контуров выполнена замкнутой, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк.

В другом частном случае устройство для нагрева диэлектриков выполнено в виде бытовой СВЧ-печи.

В конкретной реализации одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура является корпус резонатора.

В другой конкретной реализации одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура является дверной блок резонатора.

В другой конкретной реализации LC-контуры по меньшей мере одной системы связанных контуров настроены на частоту фильтруемой волны.

В другой конкретной реализации LC-контуры по меньшей мере одной системы связанных контуров настроены на разные частоты вблизи частоты фильтруемой волны.

В другой конкретной реализации LC-контуры разных систем связанных контуров настроены на разные частоты, соответствующие частотам фильтруемых волн.

Выполнение многомодового заградительного фильтра в виде по меньшей мере одной системы слабо связанных последовательных LC-контуров, содержащих элементы с сосредоточенными параметрами и размещенных по заданной линии, пересекающей волновые векторы фильтруемых волн и по меньшей мере частично в полости щелевого волновода, а применительно к устройству для нагрева диэлектриков, размещенных по замкнутой линии, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк, и по меньшей мере частично в полости щелевого волновода, образованного периферией дверного блока и частью корпуса резонатора, позволяет путем оптимизации параметров многомодового заградительного фильтра обеспечить весьма малые значения коэффициента прохождения для широкого диапазона углов падения фильтруемых волн, а также свести к минимуму зависимость коэффициента прохождения от углов падения фильтруемых волн. Это расширяет диапазон углов падения волн, для которых фильтр обеспечивает активную фильтрацию, обеспечивая тем самым необходимый технический результат.

Использование в качестве одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура одной из стенок щелевого волновода, а применительно к устройству для нагрева диэлектриков корпуса резонатора либо дверного блока позволяет уменьшить габариты фильтра и, следовательно, габариты устройства для нагрева диэлектриков. Настройка LC-контуров по меньшей мере одной системы связанных контуров на разные частоты вблизи частоты фильтруемой волны обеспечивает расширение полосы частот фильтруемых волн, а также снижает эксплуатационные требования к фильтру. Настройка LC-контуров разных систем связанных контуров на разные частоты, соответствующие частотам фильтруемых волн, в частности на частоты, соответствующие гармоникам рабочей частоты источника электромагнитной энергии, обеспечивает дополнительную фильтрацию на этих частотах. Все это позволяет выполнить задачу, на решение которой направлено настоящее изобретение разработать многомодовый заградительный фильтр для щелевого волновода с улучшенными эксплуатационными характеристиками, не требующий для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений, который будучи использованным в устройстве для нагрева диэлектриков, в частности в бытовой СВЧ-печи, может обеспечить повышенную степень защиты от утечки электромагнитных волн из резонатора.

В настоящем описании сущность изобретения иллюстрируется на примере использования многомодового заградительного фильтра в устройстве для нагрева диэлектриков при реализации устройства в виде бытовой СВЧ-печи. Устройство для нагрева диэлектриков может представлять собой также устройство для непрерывного технологического процесса с использованием конвейерной линии для погрузочно-разгрузочных операций и др.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез бытовой СВЧ-печи; на фиг. 2 - размещение контуров многомодового заградительного фильтра (сечение A-A) в бытовой СВЧ-печи; на фиг. 3 фрагмент сечения B-B многомодового заградительного фильтра в одном из частных случаев его реализации; на фиг. 4, 5 показаны частные случаи реализации LC-контуров; на фиг. 6 приведены графики зависимости коэффициента прохождения электромагнитной энергии через многомодовый заградительный фильтр.

Бытовая СВЧ-печь по фиг. 1 содержит источник 1 электромагнитной энергии и резонатор 2. Резонатор 2 включает корпус 3, в котором выполнен загрузочно-разгрузочный люк 4 с соответствующим ему дверным блоком 5. Дверной блок 5 установлен с возможностью открывания и закрывания загрузочно-разгрузочного люка 4. Периферия дверного блока 5 охватывает загрузочно-разгрузочный люк 4 и образует с корпусом 3 резонатора 2 щелевой волновод 6. Устройство содержит также многомодовый заградительный фильтр 7, включающий в общем случае по меньшей мере одну систему последовательных LC-контуров 8 со слабой связью между ними. Система последовательных LC-контуров 8 размещена в общем случае по меньшей мере частично в полости щелевого волновода 6.

Многомодовый заградительный фильтр 7 (см фиг. 2) размещен по замкнутой линии, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк 4. Фиг. 2 иллюстрирует случай, когда многомодовый заградительный фильтр 7 содержит одну систему последовательных LC-контуров 8. LC-контуры 8 содержат элементы с сосредоточенными параметрами и частично размещены в выемках 9.

LC-контуры 8 многомодового заградительного фильтра 7 на фиг. 3 также частично размещены в выемках 9, выполненных в дверном блоке 5, и так же, как волновод 6, заполнены диэлектриком 10. При этом одной из обкладок конденсатора LC-контуров 8 является одна из стенок щелевого волновода 6, а именно корпус 3.

В частном случае реализации многомодового заградительного фильтра 7 по фиг. 4 LC-контур 8 полностью размещен в щелевом волноводе 6, при этом одной из обкладок конденсатора LC-контура 8 является корпус 3.

В частном случае реализации многомодового заградительного фильтра 7 по фиг. 5 одной из обкладок конденсатора LC-контура 8 является дверной блок 5. При этом LC-контур 8 частично размещен в волноводе 6, а частично в специальной выемке 11, выполненной в корпусе 3. В этой реализации волновод 6 и выемка 11 залиты диэлектриком 10. В качестве диэлектрика 10 может быть использован, например, полиэтилен, тефлон и др.

Коэффициент связи между LC-контурами определяется заданным значением коэффициента прохождения по мощности фильтра 7 при допустимой зависимости коэффициента прохождения от углов падения фильтруемых волн.

Многомодовый заградительный фильтр работает следующим образом.

Загрузочно-разгрузочный люк 4 закрыт дверным блоком 5. При этом источник 1 формирует сложную структуру поля в многомодовом резонаторе 2, а на щелевой волновод 6, образованный периферией дверного блока 5 и частью корпуса 3 резонатора 2, падают плоские волны под произвольными углами от 0 до π/2 Эти плоские волны в щелевом волноводе 6 возбуждают соответствующие моды, которые распространяются в щелевом волноводе 6 до многомодового заградительного фильтра 7. Многомодовый заградительный фильтр 7 осуществляет фильтрацию падающих на него плоских волн. При этом коэффициент прохождения по мощности волны при наклонном падении на систему резонансных LC-контуров 8, расположенных в поперечном сечении щелевого волновода 6, определяется следующим соотношением:

где T² коэффициент прохождения по мощности;
B длина многомодового заградительного фильтра 7;
K число LC-контуров 8 в системе;
d эффективный поперечный размер LC-контура 8;
M взаимная индуктивность LC-контуров 8;
L индуктивность LC-контура 8;
k = 2π/λ_i,
λ_i длина фильтруемой волны;
θ угол падения волны на многомодовый заградительный фильтр 7.

Как видно из этого выражения, при нормальном падении волн коэффициент прохождения по мощности имеет минимальное значение. Уменьшение максимального значения коэффициента прохождения по мощности достигается уменьшением взаимной индуктивности M (т.е. связи между LC-контурами), а также увеличением индуктивности L резонансных LC-контуров 8 и их числа K.

Таким образом, путем оптимизации параметров многомодового заградительного фильтра можно обеспечить весьма малые значения коэффициента прохождения для широкого диапазона углов падения фильтруемых волн, а также свести к минимуму зависимость коэффициента прохождения от углов падения фильтруемых волн. Это расширяет диапазон углов падения волн, для которых фильтр обеспечивает активную фильтрацию, что наглядно иллюстрируется графическими зависимостями коэффициента прохождения по мощности от угла q падения волны при различных значениях параметра 1 (1 B/K), приведенными на фиг. 6. Как видно из фиг. 6, для указанных параметров фильтра значения коэффициента прохождения не превышают 0,0001 и могут быть уменьшены до 0,00001. Кроме того, хорошо видно, что зависимость от угла падения слабая и не превышает 0,0001 во всем диапазоне углов от -90 до +90^o (на фиг. 6 график зависимости приведен в логарифмическом масштабе).

Настройка LC-контуров 7 по меньшей мере одной системы связанных контуров на разные частоты вблизи частоты фильтруемой волны обеспечивает расширение полосы частот фильтруемых волн, а также снижает эксплуатационные требования к фильтру. Настройка LC-контуров 7 разных систем связанных контуров на разные частоты, соответствующие частотам фильтруемых волн, в частности на частоты, соответствующие гармоникам рабочей частоты источника 1, обеспечивает дополнительную фильтрацию на этих частотах.

Разработан многомодовый заградительный фильтр с улучшенными эксплуатационными характеристиками, не требующий для своей реализации сложных, громоздких и дорогостоящих конструктивных решений, который при использовании в устройстве для нагрева диэлектриков, в частности в бытовой СВЧ-печи, обеспечивает повышенную степень защиты от утечки электромагнитных волн из резонатора. Фильтр выполнен в виде по меньшей мере одной системы слабо связанных последовательных LC-контуров, содержащих элементы с сосредоточенными параметрами, и размещен по меньшей мере частично в полости щелевого волновода, образованного частью корпуса многомодового резонатора устройства для нагрева диэлектриков электромагнитной энергией (в частности, бытовой СВЧ-печи), в которой выполнен загрузочно-разгрузочный люк, и периферией дверного блока, охватывающей загрузочно-разгрузочный люк. Такое конструктивное выполнение многомодового заградительного фильтра позволяет путем оптимизации его параметров обеспечить весьма малые значения коэффициента прохождения электромагнитной энергии для широкого диапазона углов падения фильтруемых волн, а также свести к минимуму зависимость коэффициента прохождения от углов падения фильтруемых волн. Использование в качестве одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура одной из стенок щелевого волновода (применительно к устройству для нагрева диэлектриков, корпуса резонатора, либо дверного блока) позволяет уменьшить габариты фильтра и, следовательно, габариты устройства, в котором он используется. Настройка LC-контуров по меньшей мере одной системы связанных контуров на разные частоты вблизи частоты фильтруемой волны обеспечивает расширение полосы частот фильтруемых волн, а также снижает эксплуатационные требования к фильтру. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многомодовый заградительный фильтр для щелевого волновода, содержащий по меньшей мере одну систему связанных последовательных LC-контуров, размещенных по заданной линии, которая пересекает волновые векторы фильтруемых волн, отличающийся тем, что система связанных LC-контуров размещена по меньшей мере частично в полости упомянутого щелевого волновода, при этом LC-контуры содержат элементы с сосредоточенными параметрами, связь между LC-контурами выполнена слабой, а число К LC-контуров в системе определяется соотношением
K ≥ BM/dLT,
где B длина многомодового заградительного фильтра;
M взаимная индуктивность LC-контуров;
d эффективный поперечный размер LC-контура;
L индуктивность LC-контура;
T заданный коэффициент прохождения электромагнитной волны. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура системы связанных контуров является одна из стенок упомянутого щелевого волновода. 3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что щелевой волновод образован частью корпуса многомодового резонатора устройства для нагрева диэлектриков электромагнитной энергией, в которой выполнен загрузо-разгрузочный люк, и периферией дверного блока, охватывающей загрузо-разгрузочный люк, при этом дверной блок установлен с возможностью открывания и закрывания загрузо-разгрузочного люка, а линия, по которой размещена система связанных LC-контуров, выполнена замкнутой, охватывающей загрузо-разгрузочный люк. 4. Фильтр по п.3, отличающийся тем, что устройство для нагрева диэлектриков выполнено в виде бытовой СВЧ-печи. 5. Фильтр по п. 3 или 4, отличающийся тем, что одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура является корпус резонатора. 6. Фильтр по п. 3 или 4, отличающийся тем, что одной из обкладок конденсатора по меньшей мере одного LC-контура является дверной блок резонатора. 7. Фильтр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что LC-контуры по меньшей мере одной системы связанных контуров настроены на частоту фильтруемой волны. 8. Фильтр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что LC-контуры по меньшей мере одной системы связанных контуров настроены на разные частоты вблизи частоты фильтруемой волны. 9. Фильтр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что LC-контуры разных систем связанных контуров настроены на разные частоты, соответствующие частотам фильтруемых волн.