УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛН С ЗАДАННОЙ ЭЛЛИПТИЧНОСТЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H01P1/163 H05B6/64 

Изобретение относится к технике СВЧ нагрева, в частности к устройствам для нагрева диэлектриков с помощью высокочастотного электромагнитного поля, и может быть использовано, например, в бытовых микроволновых печах и в плазменных источниках оптического излучения для возбуждения эллиптически и циркулярно поляризованных волн при решении задачи обеспечения равномерного пространственного распределения СВЧ излучения в области расположения нагреваемого диэлектрика.

Широко известно, что проблеме обеспечения равномерного нагрева диэлектрика, находящегося в СВЧ камере, будь то пищевой продукт или колба безэлектродной лампы, традиционно уделяется большое внимание. Известно также, что одним из путей решения этой проблемы является формирование в СВЧ камере вращающегося поля путем возбуждения в ней волн, поляризованных с заданной эллиптичностью, т.е. эллиптически или циркулярно поляризованных волн.

Так, по патенту США 4580023, 1986 г. возбуждение циркулярно поляризованных волн в микроволновой печи предлагается осуществлять с помощью полосковой спиральной антенны, размещенной в верхней части СВЧ камеры. Спиральная антенна включает цилиндрическую часть, расположенную под углом к верхней стенке СВЧ камеры, что уменьшает полезный объем СВЧ камеры.

По патенту США 4596915, 1986 г. для увеличения полезного объема СВЧ камеры антенна циркулярно поляризованного излучения выполнена в виде прямоугольной проводящей пластины, размещенной на расстоянии несколько более 1/8 длины волны от верхней стенки СВЧ камеры. Размеры пластины выбраны так, что пластина в одном направлении имеет резонанс на частоте ниже частоты источника СВЧ энергии, а в ортогональном направлении имеет резонанс на частоте выше частоты источника СВЧ энергии. Ортогональные магнитные токи, параллельные взаимно ортогональным сторонам пластины, формируют ортогонально ориентированные компоненты, равные по величине и сдвинутые по фазе на π/2. Однако конструкция, обеспечивающая крепление этой антенны, весьма сложна, что ставит под сомнение возможность практической реализации такой антенны. Кроме того, очевидно, что даже небольшие отклонения в размерах сторон пластины от оптимальных приведут к снижению доли циркулярно поляризованных волн в излучении, т. е. к снижению эффективности возбуждения циркулярно поляризованных волн. Таким образом, это устройство недостаточно технологично, поскольку требования к точности изготовления ее элементов весьма высоки, а конструкция не допускает возможности подстройки для повышения эффективности возбуждения циркулярно поляризованных волн.

Часто возбуждение эллиптически и циркулярно поляризованных волн осуществляют с помощью устройств, включающих крестообразный излучатель, содержащий два взаимно ортогональных парциальных щелевых излучателя (например, патент США 4301347, 1981 г., патент США 4324968, 1982 г., патент США 4336434, 1982 г. , патент США 5227698, 1993 г.). Достоинством такого типа устройств является то, что они не уменьшают рабочий объем СВЧ камеры.

Например, по патенту США 4301347, 1981 г. известно устройство для возбуждения с заданной эллиптичностью поляризации в СВЧ камере микроволновой печи, содержащее два идентичных прямоугольных волновода, имеющих общую узкую стенку. Волноводы связаны между собой с помощью прямоугольного окна связи, размещенного в общей узкой стенке. Это устройство представляет собой 3 dB гибридный мост, в одно из плеч которого включен источник СВЧ излучения (этим плечом является короткозамкнутый конец одного из волноводов). В другое плечо, которым является короткозамкнутый конец другого волновода, включен регулируемый механический фазовращатель, который, впрочем, может быть и электронным. Противоположные концы короткозамкнутых волноводов, смежные с СВЧ камерой, также являются плечами гибридного моста. В широких стенках этих волноводов прорезаны излучающие щели одинаковой длины, ориентированные взаимно ортогонально и под углом π/4 к узкой стенке. В зависимости от положения фазовращателя в СВЧ камере возбуждаются либо эллиптически, либо циркулярно поляризованные волны. Как видно, это достаточно сложное устройство.

Устройство по патенту США 4324968 предназначено для возбуждения циркулярно поляризованных волн в СВЧ камере микроволновой печи. Устройство содержит крестообразный излучатель, размещенный в широкой стенке одномодового прямоугольного волновода, в конце которого расположена короткозамыкающая стенка. Широкая стенка одномодового прямоугольного волновода принадлежит также СВЧ камере, при этом крестообразный излучатель смещен относительно оси симметрии этой стенки. Как известно, необходимым требованием, предъявляемым к таким излучателям, является идентичность парциальных излучателей (в частности, равенство их электрических длин), их взаимно ортогональная пространственная ориентация и расположение центра излучателя на определенном расстоянии от узкой стенки одномодового прямоугольного волновода.

Недостатком этого устройства является технологическая трудность обеспечения идентичности парциальных излучателей. Кроме того, как известно, необходимый сдвиг фаз π/2 между парциальными компонентами существует только в бегущей ТЕ₁₀ волне. Однако без принятия специальных мер невозможно обеспечить существование бегущей волны в волноводе с короткозамыкающей стенкой. Это обусловлено тем, что часть падающей волны проходит за излучатель и полностью отражается от короткозамыкающей стенки, при этом в отраженной волне сдвиг фаз между соответствующими парциальными компонентами противоположен сдвигу фаз в падающей волне. Это обстоятельство, хорошо описанное в патенте США 5227698, существенно снижает долю циркулярно поляризованных волн в излучении, т.е. снижает эффективность возбуждения циркулярно поляризованных волн таким излучателем.

В патенте США 5227698 описан целый ряд устройств, предназначенных для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации в СВЧ камере безэлектродной микроволновой лампы. Заданная эллиптичность поляризации обеспечивается возбуждением двух пространственно разнесенных ортогонально поляризованных волн, имеющих заданную разность фаз. Пространственное разнесение может устанавливаться в пределах от 60 град. до 120 град., разность фаз может устанавливаться в пределах от 75 град. до 105 град. При пространственном разнесении, равном 90 град., равных амплитудах этих волн и сдвиге фаз между ними на 90 град. результирующее поле излучения имеет циркулярную поляризацию. При других значениях пространственного разрешения, сдвига фаз и невыполнении условия равенства амплитуд ортогонально поляризованных волн результирующая поля излучения имеет эллиптическую поляризацию.

Например, одно из устройств для возбуждения циркулярно поляризованных волн содержит две щели, выполненные в стенке цилиндрической СВЧ камеры на угловом расстоянии ≈90 град. друг от друга. СВЧ излучение от источника подводится к щелям через одномодовый прямоугольный волновод, разветвляющийся на две ветви, каждая из которых запитывает соответствующую щель. Длина одной из ветвей на нечетное число четвертей длин волн превышает длину другой, что обеспечивает необходимый сдвиг фаз между излучениями приблизительно равных амплитуд, подводимыми к щелям. Недостатком этой конструкции является жесткость указанных выше ограничений, накладываемых на длины волноводных ветвей, на месторасположение щелей и на соотношение интенсивностей излучений, подводимых к щелям. Кроме того, устройство предназначено для возбуждения только ТЕ₁₁₁ колебаний, при этом возможность возбуждения циркулярно поляризованных волн связана также и с типом используемой СВЧ камеры, т.е. СВЧ камера должна быть выполнена резонансной и работающей на вырожденных ТЕ₁₁₁ модах.

Прототипом первого варианта настоящего изобретения по совокупности сходных существенных признаков принято устройство для возбуждения эллиптически поляризованных волн, описание которого также приведено в патенте США 5227698. Это устройство содержит источник СВЧ излучения, резонансную СВЧ камеру цилиндрической формы и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, включающий область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку. В части широкой стенки прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен излучатель эллиптически поляризованных волн, включающий два пространственно разнесенных парциальных излучателя. Парциальные излучатели размещены в цилиндрической стенке СВЧ камеры, выполнены в виде щелевых излучателей и ориентированы параллельно друг другу, что обеспечивает возможность излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально. Заданная эллиптичность поляризации обеспечивается выбором углового расстояния между щелевыми излучателями порядка 60 град. либо порядка 120 град. и фазового сдвига между излучаемыми волнами порядка 75 град. либо порядка 105 град. При этом необходимый фазовый сдвиг обеспечивается выбором соответствующих размеров прямоугольного волновода.

Недостатком этого устройства так же, как и описанного выше, является то, что оно предназначено для возбуждения только ТЕ₁₁₁ колебаний, причем именно в резонансной СВЧ камере, работающей на вырожденных ТЕ₁₁₁ модах. Кроме того, присутствие волны, отраженной от короткозамыкающей стенки, снижает эффективность излучения эллиптически поляризованных волн.

Прототипом второго варианта настоящего изобретения по совокупности сходных существенных признаков принято устройство для возбуждения циркулярно поляризованных волн, описание которого также приведено в патенте США 5227698. Это устройство аналогично устройству по патенту США 4324968 и содержит источник СВЧ излучения, СВЧ камеру и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, включающий область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку. В части широкой стенки прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен крестообразный излучатель. Крестообразный излучатель смещен относительно оси симметрии этой стенки и включает два взаимно ортогональных парциальных щелевых излучателя. Для уменьшения влияния волны, отраженной от короткозамыкающей стенки, на эффективность излучения циркулярно поляризованных волн предлагается ввести в одномодовый прямоугольный волновод неоднородность, уменьшив его высоту на конце, примыкающем к короткозамыкающей стенке, либо разместить там поглотитель.

Недостатком этого устройства для возбуждения циркулярно поляризованных волн так же, как и других известных устройств такого типа, является невысокая эффективность излучения циркулярно поляризованных волн. Введение неоднородности в одномодовый прямоугольный волновод, равно как и размещение там поглотителя, действительно, может несколько повысить долю циркулярно поляризованных волн в излучаемых волнах, но приведет к снижению общего КПД.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройств для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации, а именно устройства для возбуждения эллиптически поляризованных волн и устройства для возбуждения циркулярно поляризованных волн с улучшенными эксплуатационными характеристиками, характеризующихся высокой эффективностью возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации при заданном КПД, а также технологичностью конструкции.

Сущность разработанного устройства для возбуждения эллиптически поляризованных волн заключается в том, что оно так же, как и устройство, принятое прототипом, содержит источник СВЧ излучения, СВЧ камеру и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, который включает область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку. В части широкой стенки одномодового прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен излучатель эллиптически поляризованных волн, включающий два пространственно разнесенных парциальных излучателя, ориентированных с возможностью излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально. Фазовые центры парциальных излучателей расположены на разных расстояниях от короткозамыкающей стенки, а фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен вблизи короткозамыкающей стенки.

Новым в разработанном устройстве является то, что фазовый центр другого парциального излучателя также расположен вблизи короткозамыкающей стенки, а электрические длины парциальных излучателей приблизительно равны их резонансным длинам, при этом фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн, а фазовый центр другого парциального излучателя расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн.

В частном случае электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на большем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, а электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько превышает его резонансную длину.

В частном случае фазовые центры парциальных излучателей расположены в соседних пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн.

В конкретной реализации по меньшей мере один из парциальных излучателей расположен вблизи одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода.

В другой конкретной реализации по меньшей мере один из парциальных излучателей смещен относительно оси симметрии широкой стенки одномодового прямоугольного волновода.

В другой конкретной реализации по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода.

В другом частном случае по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к короткозамыкающей стенке.

В другом частном случае парциальные излучатели выполнены в виде щелевых излучателей, ориентированных взаимно ортогонально.

В конкретной реализации парциальные щелевые излучатели выполнены в виде прямоугольных щелей.

В другой конкретной реализации парциальные щелевые излучатели выполнены в виде фигурных щелей.

В другой конкретной реализации один из парциальных излучателей выполнен в виде прямоугольной щели, а другой парциальный излучатель выполнен в виде фигурной щели.

В другом частном случае парциальные излучатели выполнены в виде петлевых излучателей, плоскости петли которых ориентированы взаимно ортогонально.

В другом частном случае один из парциальных излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой парциальный излучатель выполнен в виде щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу.

В другом частном случае по меньшей мере один из парциальных излучателей снабжен диэлектрическим телом, размещенным по меньшей мере частично в ближнем поле этого парциального излучателя.

Сущность разработанного устройства для возбуждения циркулярно поляризованных волн заключается в том, что оно так же, как и устройство, принятое прототипом, содержит источник СВЧ излучения, СВЧ камеру и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, который включает область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку. В части широкой стенки одномодового прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен излучатель циркулярно поляризованных волн, включающий два парциальных излучателя, ориентированных с возможностью излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально.

Новым в разработанном устройстве является то, что парциальные излучатели пространственно разнесены, а их фазовые центры расположены вблизи короткозамыкающей стенки на разных расстояниях от нее. Электрические длины парциальных излучателей приблизительно равны их резонансным длинам. При этом фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн, а фазовый центр другого парциального излучателя расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн. Электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на большем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, а электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько превышает его резонансную длину.

В частном случае фазовые центры парциальных излучателей расположены в соседних пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн.

В конкретной реализации фазовый центр парциального излучателя, электрическая длина которого несколько превышает его резонансную длину, расположен вблизи одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода.

В другой конкретной реализации фазовый центр парциального излучателя, электрическая длина которого несколько меньше его резонансной длины, смещен относительно оси симметрии широкой стенки одномодового прямоугольного волновода.

В другой конкретной реализации по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода.

В другой конкретной реализации парциальный излучатель, электрическая длина которого несколько превышает его резонансную длину, по меньшей мере частично прилегает к короткозамыкающей стенке.

В другом частном случае парциальные излучатели выполнены в виде щелевых излучателей, ориентированных взаимно ортогонально.

В конкретной реализации этого частного случая парциальные щелевые излучатели выполнены в виде прямоугольных щелей.

В другой конкретной реализации этого частного случая парциальные щелевые излучатели выполнены в виде фигурных щелей.

В другой конкретной реализации этого частного случая один из парциальных излучателей выполнен в виде прямоугольной щели, а другой парциальный излучатель выполнен в виде фигурной щели.

В другом частном случае парциальные излучатели выполнены в виде петлевых излучателей, плоскости петли которых ориентированы взаимно ортогонально.

В другом частном случае один из парциальных излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой парциальный излучатель выполнен в виде щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу.

В некоторых случаях целесообразно по меньшей мере один из парциальных излучателей снабдить диэлектрическим телом, размещенным по меньшей мере частично в ближнем поле этого парциального излучателя.

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.

На широких стенках одномодового прямоугольного волновода в любой фиксированной точке продольные и поперечные поверхностные токи, сопровождающие бегущие ТЕ₁₀ волны, сдвинуты по фазе на 90 град. или на -90 град. (фиг.2а). В волноводе же с короткозамыкающей стенкой возбуждаются стоячие волны, продольные и поперечные поверхностные токи которых синфазны и пространственно разнесены (фиг.2б). Поэтому пространственное разнесение взаимно ортогональных парциальных излучателей и расположение их фазовых центров в пучностях распределений соответствующих токов обеспечивают в разработанном устройстве (его вариантах) согласованное возбуждение одного из парциальных излучателей продольными, а другого - поперечными пространственными токами питающей волны. Указанное расположение, а также выбор режима работы парциальных излучателей близким к резонансному на их основных собственных колебаниях, что определяется выбором электрических длин, реализуют полное согласование парциальных излучателей с питающей волной. Последовательное по отношению к питающей волне размещение сильно излучающих парциальных излучателей приводит к возникновению небольшого сдвига фаз между возбуждающими их токами: ток, возбуждающий парциальный излучатель, размещенный на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, запаздывает по отношению к току, возбуждающему парциальный излучатель, размещенный на большем расстоянии от нее. Этот небольшой сдвиг фаз, вызванный возникновением бегущей компоненты волны, недостаточен для формирования циркулярно поляризованных волн. Дальнейший сдвиг фаз между взаимно ортогонально поляризованными волнами достигается установлением соответствующих небольших расстроек от резонансных режимов работы парциальных излучателей, что реализуется выбором их электрических длин. При этом электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого дальше отстоит от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, что обеспечивает индуктивный сдвиг фаз между излучающим полем и током, возбуждающим этот парциальный излучатель. Электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого находится на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько больше его резонансной длины, что обеспечивает емкостный сдвиг фаз между излучающим полем и током, возбуждающим этот парциальный излучатель. При таком выборе расстроек все три фазовых сдвига имеют один знак и в сумме легко обеспечивают необходимый фазовый сдвиг 90 град. или -90 град. между взаимно ортогонально поляризованными волнами. Равенство интенсивностей волн, поляризованных взаимно ортогонально, необходимое для формирования циркулярно поляризованных волн, достигается путем небольшого изменения соотношения электрических длин парциальных излучателей совместно с небольшим изменением их местоположений при сохранении неизменным суммарного фазового сдвига 90 град. или -90 град.

Для возбуждения эллиптически поляризованных волн признаки, касающиеся соотношения электрических длин парциальных излучателей, являются факультативными, поскольку заданный фазовый сдвиг может быть получен и при других соотношениях их электрических длин. Соотношение интенсивностей поляризованных взаимно ортогонально волн определяется заданной эллиптичностью и достигается путем соответствующего изменения соотношения электрических длин парциальных излучателей совместно с небольшим изменением их местоположений при сохранении неизменным заданного суммарного фазового сдвига.

Отсутствие поглощающих элементов обеспечивает высокий общий КПД как первого, так и второго вариантов устройства, при этом разработанные устройства могут быть реализованы с помощью стандартных средств. Размещение парциальных излучателей вблизи короткозамыкающей стенки, во-первых, минимизирует длину волноводного тракта и, соответственно, омические потери в нем и, во-вторых, расширяет полосу согласования излучения с одномодовым прямоугольным волноводом и тем самым обеспечивает меньшую критичность устройства как к настройке, так и к точности изготовления. Таким образом обеспечивается высокая эффективность возбуждения эллиптически поляризованных волн и циркулярно поляризованных волн при заданном общем КПД, а также технологичность конструкции, т. е. разработанные варианты устройства обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с известными устройствами для излучения эллиптически и циркулярно поляризованных волн.

Конкретные виды и формы выполнения излучателей, а также различное их местоположение относительно стенок одномодового прямоугольного волновода и короткозамыкающей стенки характеризуют изобретение в частных конкретных случаях его выполнения.

На фиг.1а показан общий вид одного из вариантов разработанного устройства для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации; на фиг.1б показан короткозамкнутый участок одномодового прямоугольного волновода устройства по фиг.1а.

Фиг. 2а иллюстрирует распределение поверхностных токов для бегущей ТЕ₁₀ волны в одномодовом прямоугольном волноводе; фиг.2б иллюстрирует распределение поверхностных токов для стоячей ТЕ₁₀ волны в одномодовом прямоугольном волноводе с короткозамыкающей стенкой.

Фиг. 3а и 3б иллюстрируют различные варианты расположения парциальных излучателей при выполнении их в виде прямоугольных щелевых излучателей.

Фиг. 4а, 4б и 4в иллюстрируют выполнение парциальных излучателей в виде фигурных щелевых излучателей различной конфигурации.

Фиг.5 иллюстрирует выполнение парциальных излучателей в виде излучателей разных типов.

Фиг. 6 иллюстрирует выполнение парциальных излучателей в виде петлевых излучателей.

На фиг.7 приведена векторная диаграмма, иллюстрирующая обеспечение необходимого фазового сдвига между парциальными излучателями для возбуждения циркулярно поляризованных волн.

Разработанное устройство для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации по фиг.1 содержит источник 1 СВЧ излучения, СВЧ камеру 2 и соединяющий источник 1 СВЧ излучения с СВЧ камерой 2 одномодовый прямоугольный волновод 3. Одномодовый прямоугольный волновод 3 включает область 4, смежную с СВЧ камерой 2, и короткозамыкающую стенку 5. В части 6 широкой стенки 7 одномодового прямоугольного волновода 3, ограничивающей смежную область 4, размещен излучатель 8 волн с заданной эллиптичностью поляризации. При реализации устройства для возбуждения эллиптически поляризованных волн излучатель 8 выполнен в виде излучателя эллиптически поляризованных волн, а при реализации устройства в виде устройства для возбуждения циркулярно поляризованных волн излучатель 8 выполнен в виде излучателя циркулярно поляризованных волн. Излучатель 8 включает два парциальных излучателя 9 и 10, ориентированных с возможностью излучения взаимно ортогонально поляризованных волн. В конкретной реализации по фиг. 1 парциальные излучатели 9 и 10 выполнены в виде прямоугольных щелевых излучателей 11 и 12 соответственно, ориентированных взаимно ортогонально. Во всех вариантах реализации изобретения фазовые центры F₁ и F₂ парциальных излучателей соответственно 9 и 10 расположены в пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн вблизи короткозамыкающей стенки 5 на разных расстояниях от него. В конкретной реализации по фиг.1 фазовые центры F₁ и F₂ расположены в соседних пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн. При этом фазовый центр F₁ парциального излучателя 9 расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн, а фазовый центр F₂ парциального излучателя 10 расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн. Это иллюстрируется фиг.2б, где показано распределение поверхностных токов стоячих волн в стенке одномодового прямоугольного волновода, закороченного короткозамыкающей стенкой 5. Во всех вариантах реализации изобретения электрические длины L₁ и L₂ парциальных излучателей соответственно 9 и 10 приблизительно равны их резонансным длинам L₀₁ и L₀₂. При этом при реализации устройства в виде устройства для возбуждения циркулярно поляризованных волн электрическая длина L₁ парциального излучателя 9 несколько меньше его собственной резонансной длины L₀₁ и его фазовый центр F₁ отстоит от короткозамыкающей стенки 5 на расстояние A₁, большее расстояния А₂ между короткозамыкающей стенкой 5 и фазовым центром F₂ парциального излучателя 10 (см. фиг.3б), электрическая длина L₂ которого несколько превышает его собственную резонансную длину L₀₂. При этом при реализации устройства в виде устройства для возбуждения эллиптически поляризованных волн требование к соотношению электрических длин парциальных излучателей 9, 10 является факультативным.

Фиг. 3а иллюстрирует вариант реализации изобретения, в котором парциальные излучатели 9 и 10 также выполнены в виде прямоугольных щелевых излучателей 11, 12. В этой реализации фазовый центр F₁ парциального излучателя 9 смещен относительно оси OO' симметрии широкой стенки 7 в сторону узкой стенки 13, а фазовый центр F₂ парциального излучателя 10 расположен вблизи узкой стенки 14 одномодового прямоугольного волновода 3 (очевидно, что здесь и на остальных фигурах распределение поверхностных токов соответствует изображенному на фиг.2).

Ширина каждого из щелевых излучателей 11, 12, а также толщина широкой стенки 7 одномодового прямоугольного волновода 3, в которой прорезаны щелевые излучатели 11, 12, много меньше их длин L₁, L₂ и много меньше длины волны излучения λ=С/f, где
С - скорость света;
f - рабочая частота источника 1 СВЧ излучения.

Резонансная длина L₀ такой щели, как известно, определяется соотношением
L₀≅V/2f, где
V - фазовая скорость щелевых волн, которая при отсутствии диэлектрических элементов в щели равна скорости света С.

Поэтому при отсутствии диэлектрических элементов в щели электрическая длина L₁ щелевого излучателя 11 несколько меньше половины длины волны излучения λ, а электрическая длина L₂ щелевого излучателя 12 несколько больше половины длины волны излучения λ (как уже указывалось, выполнение этого условия принципиально для возбуждения циркулярно поляризованных волн, но не является необходимым при возбуждении эллиптически поляризованных волн).

Фиг.4а, 4б и 4в иллюстрируют выполнение парциальных излучателей 9 и 10 в виде фигурных щелевых излучателей 15 и 16 соответственно различной конфигурации.

Фиг. 4а иллюстрирует вариант, когда фазовый центр F₁ парциального излучателя 9 (15) расположен в пучности распределения продольного тока стоячих волн и смещен относительно оси OO' симметрии широкой стенки 7 в сторону узкой стенки 13 одномодового прямоугольного волновода 3, а фазовый центр F₂ парциального излучателя 10 (16) расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн вблизи противоположной узкой стенки 14.

На фиг.4б показан случай, когда фазовый центр F₁ парциального излучателя 9 (15) расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн и смещен относительно оси OO' симметрии широкой стенки 7 в сторону узкой стенки 13, а фазовый центр F₂ парциального излучателя 10 (16) расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн вблизи той же узкой стенки 13. При этом парциальный излучатель 10 (16) частично прилегает к короткозамыкающей стенке 5. В этой реализации парциальный излучатель 9 (15) снабжен диэлектрическим телом 17, размещенным в его ближнем поле.

Возможна также реализация, когда парциальные излучатели 9 и 10 по меньшей мере частично прилегают к одной из узких стенок (13 или 14) одномодового прямоугольного волновода 3 (не показано) либо когда парциальные излучатели 9 (15) и 10 (16) по меньшей мере частично прилегают к противоположным узким стенкам соответственно 13 и 14 одномодового прямоугольного волновода 3 (фиг. 4в).

На фиг.5 показан вариант реализации, в котором парциальный излучатель 9 выполнен в виде прямоугольной щели 11, а его фазовый центр F₁ смещен относительно оси OO' симметрии широкой стенки 7 в сторону узкой стенки 13, а парциальный излучатель 10 выполнен в виде петлевого излучателя 18, фазовый центр F₂ которого расположен вблизи узкой стенки 14. При этом щелевой излучатель 11 и плоскость петли петлевого излучателя 18 ориентированы параллельно друг другу.

На фиг. 6 показана реализация, в которой парциальные излучатели 9 и 10 выполнены в виде петлевых излучателей 19 и 20 соответственно, плоскости петли которых ориентированы взаимно ортогонально.

На фиг.7 приведена векторная диаграмма, иллюстрирующая обеспечение необходимого фазового сдвига между парциальными излучателями 9 и 10.

Очевидно, что в рамках формулы изобретения возможны и другие варианты реализации настоящего изобретения.

Устройство для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации, общий вид которого приведен на фиг.1, работает следующим образом.

СВЧ излучение от источника 1 по одномодовому прямоугольному волноводу 3 поступает на излучатель 8, выполненный в виде пространственно разнесенных ортогонально ориентированных щелевых излучателей 11, 12. Излучатель 8 осуществляет возбуждение волн с заданной эллиптичностью поляризации в СВЧ камере 2. Это обеспечивается геометрией излучателя 8 и будет понятно из следующего.

Как известно, условием возбуждения циркурярно поляризованных волн является возбуждение волн ортогональных поляризаций равной интенсивности при обеспечении фазового сдвига 90 град. или -90 град. между ними. В конкретной реализации возбуждение волн ортогональных поляризаций обеспечивается взаимно ортогональной ориентацией щелевых излучателей 11, 12. Расположение фазовых центров щелевых излучателей 11, 12 на разных расстояниях от короткозамыкающей стенки 5 обеспечивает небольшой сдвиг фаз Δϕ₁ = ϕ_I1-ϕ_I2 между возбуждающими их токами I₁ и I₂ соответственно, где ϕ_I1,ϕ_I2 - фазы возбуждающих токов I₁, I₂ стоячих волн. Этот сдвиг фаз составляет ≅(30-40) град., что иллюстрируется векторной диаграммой, представленной на фиг.7. Поскольку электрическая длина щелевого излучателя 11 несколько меньше половины длины волны излучения, то его входной импеданс имеет индуктивный характер. Это обеспечивает соответствующий сдвиг фаз Δϕ₂ = ϕ_U1-ϕ_I1 между напряжением U₁ в щелевом излучателе 11 и возбуждающим его током I₁, где ϕ_U1,ϕ_I1 - фазы напряжения U₁ и возбуждающего тока I₁ соответственно, что иллюстрируется той же векторной диаграммой. Этот сдвиг фаз также может составлять ≅(30-40) град. Электрическая длина щелевого излучателя 12 несколько больше половины длины волны излучения, поэтому его входной импеданс имеет емкостный характер. Это обеспечивает соответствующий фазовый сдвиг Δϕ₃ = ϕ_I2-ϕ_U2 между напряжением U₂ в щелевом излучателе 11 и возбуждающим его током I₂, где ϕ_I2,ϕ_U2 - фаза возбуждающего тока I₂ и фаза напряжения U₂ соответственно (см. фиг.7). Очевидно, что, выбирая конкретное местоположение парциальных излучателей 9 и 10 и конкретные величины их электрических длин, можно не только обеспечить суммарный сдвиг фаз между ортогонально поляризованными волнами, равным 90 град. , но обеспечить также и равенство интенсивностей излучений парциальных излучателей 9 и 10.

Работа варианта разработанного устройства, которое обеспечивает возбуждение эллиптически поляризованных волн, аналогична работе варианта устройства, обеспечивающего возбуждение циркулярно поляризованных волн. Очевидно, что, выбирая конкретное местоположение парциальных излучателей 9 и 10 и конкретные величины их электрических длин, можно обеспечить необходимый суммарный сдвиг фаз, отличный от 90 град., между ортогонально поляризованными волнами, а также необходимое соотношение их интенсивностей для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации.

Работа вариантов разработанного устройства, в которых парциальные излучатели 9 и 10 выполнены в виде щелевых излучателей различных конфигураций либо в виде петлевых излучателей, а также в виде комбинаций этих излучателей, аналогична работе варианта, описанного выше.

Разработано устройство для возбуждения волн с заданной эллиптичностью поляризации, характеризующееся высокой эффективностью возбуждения эллиптически и циркулярно поляризованных волн при заданном общем КПД, а также технологичностью конструкции. Устройство может быть использовано в устройствах для нагрева диэлектриков с помощью высокочастотного электромагнитного поля, в частности в бытовых микроволновых печах и в плазменных источниках оптического излучения. В разработанном устройстве излучатель волн с заданной эллиптичностью поляризации размещен в части широкой стенки одномодового прямоугольного волновода, ограничивающей область, смежную с СВЧ камерой, и выполнен в виде двух пространственно разнесенных парциальных излучателей, ориентированных с возможностью излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально. Фазовые центры парциальных излучателей расположены в пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов вблизи короткозамыкающей стенки волновода на разных расстояниях от нее, а электрические длины парциальных излучателей приблизительно равны их резонансным длинам. В варианте устройства, реализующем возбуждение циркулярно поляризованных волн, электрическая длина парциального излучателя, центр излучения которого расположен на большем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, а электрическая длина парциального излучателя, центр излучения которого расположен на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько превышает его резонансную длину. Необходимое соотношение интенсивностей волн, поляризованных взаимно ортогонально так же, как и необходимый фазовый сдвиг между ними, для получения заданной эллиптичности поляризации возбуждаемых в СВЧ камере волн обеспечивается путем небольшого изменения соотношения электрических длин парциальных излучателей совместно с небольшим изменением их местоположений, что является техническим результатом изобретения. 2 с. и 25 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для возбуждения эллиптически поляризованных волн, содержащее источник СВЧ излучения, СВЧ камеру, и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, который включает область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку, при этом в части широкой стенки одномодового прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен излучатель эллиптически поляризованных волн, включающий два пространственно разнесенных парциальных излучателя, ориентированных с возможностью излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально, при этом фазовые центры парциальных излучателей расположены на разных расстояниях от короткозамыкающей стенки, а фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен вблизи короткозамыкающей стенки, отличающееся тем, что фазовый центр другого парциального излучателя также расположен вблизи короткозамыкающей стенки, а электрические длины парциальных излучателей приблизительно равны их резонансным длинам, при этом фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн, а фазовый центр другого парциального излучателя расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на большем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, а электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько превышает его резонансную длину. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что фазовые центры парциальных излучателей расположены в соседних пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн. 4. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей расположен вблизи одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода. 5. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей смещен относительно оси симметрии широкой стенки одномодового прямоугольного волновода. 6. Устройство по п. 1, или 2, или 3, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода. 7. Устройство по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к короткозамыкающей стенке. 8. Устройство по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что парциальные излучатели выполнены в виде щелевых излучателей, ориентированных взаимно ортогонально. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что парциальные щелевые излучатели выполнены в виде прямоугольных щелей. 10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что парциальные щелевые излучатели выполнены в виде фигурных щелей. 11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что один из парциальных излучателей выполнен в виде прямоугольной щели, а другой парциальный излучатель выполнен в виде фигурной щели. 12. Устройство по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что парциальные излучатели выполнены в виде петлевых излучателей, плоскости петли которых ориентированы взаимно ортогонально. 13. Устройство по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что один из парциальных излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой парциальный излучатель выполнен в виде щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу. 14. Устройство по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей снабжен диэлектрическим телом, размещенным по меньшей мере частично в ближнем поле этого парциального излучателя. 15. Устройство для возбуждения циркулярно поляризованных волн, содержащее источник СВЧ излучения, СВЧ камеру, и соединяющий источник СВЧ излучения с СВЧ камерой одномодовый прямоугольный волновод, который включает область, смежную с СВЧ камерой, и короткозамыкающую стенку, при этом в части широкой стенки одномодового прямоугольного волновода, ограничивающей указанную смежную область, размещен излучатель циркулярно поляризованных волн, включающий два парциальных излучателя, ориентированных с возможностью излучения волн, поляризованных взаимно ортогонально, отличающееся тем, что парциальные излучатели пространственно разнесены, их фазовые центры расположены вблизи короткозамыкающей стенки на разных расстояниях от нее, а электрические длины парциальных излучателей приблизительно равны их резонансным длинам, при этом фазовый центр одного из парциальных излучателей расположен в пучности распределения продольного поверхностного тока стоячих волн, а фазовый центр другого парциального излучателя расположен в пучности распределения поперечного поверхностного тока стоячих волн, электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на большем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько меньше его резонансной длины, а электрическая длина парциального излучателя, фазовый центр которого расположен на меньшем расстоянии от короткозамыкающей стенки, несколько превышает его резонансную длину. 16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что фазовые центры парциальных излучателей расположены в соседних пучностях распределений взаимно ортогональных поверхностных токов стоячих волн. 17. Устройство по п. 15 или 16, отличающееся тем, что фазовый центр парциального излучателя, электрическая длина которого несколько превышает его резонансную длину, расположен вблизи одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода. 18. Устройство по п. 15, или 16, или 17, отличающееся тем, что фазовый центр парциального излучателя, электрическая длина которого несколько меньше его резонансной длины, смещен относительно оси симметрии широкой стенки одномодового прямоугольного волновода. 19. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей по меньшей мере частично прилегает к одной из узких стенок одномодового прямоугольного волновода. 20. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, или 19, отличающееся тем, что парциальный излучатель, электрическая длина которого несколько превышает его резонансную длину, по меньшей мере частично прилегает к короткозамыкающей стенке. 21. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, отличающееся тем, что парциальные излучатели выполнены в виде щелевых излучателей, ориентированных взаимно ортогонально. 22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что парциальные щелевые излучатели выполнены в виде прямоугольных щелей. 23. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что парциальные щелевые излучатели выполнены в виде фигурных щелей. 24. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что один из парциальных излучателей выполнен в виде прямоугольной щели, а другой парциальный излучатель выполнен в виде фигурной щели. 25. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, отличающееся тем, что парциальные излучатели выполнены в виде петлевых излучателей, плоскости петли которых ориентированы взаимно ортогонально. 26. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, отличающееся тем, что один из парциальных излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой парциальный излучатель выполнен в виде щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу. 27. Устройство по п. 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, отличающееся тем, что по меньшей мере один из парциальных излучателей снабжен диэлектрическим телом, размещенным по меньшей мере частично в ближнем поле этого парциального излучателя.