ВИБРАТОРНАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2013 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к области техники СВЧ, а более конкретно - к антенной технике для концентрации СВЧ энергии вдоль линии.

Известна малогабаритная СВЧ-сушилка для леса мод. «МС-2» [Малогабаритная СВЧ-сушилка для леса мод. «МС-2» // http://www.kodosagregat.ru/z12st4.htm), позволяющая при значительной скорости сушки добиться высококачественного высушенного материала с помощью СВЧ-излучения.

В малогабаритной СВЧ-сушилке рабочая камера, в которой осуществляется сушка, представляет блок магнетронов и системы распределения энергии электромагнитного поля в диапазоне СВЧ по длине камеры.

Недостатками СВЧ-сушилки являются трудности концентрации мощности СВЧ-генераторов, распределения плотности энергии вдоль камеры в узкой области, в которой происходит облучение.

Известна вибраторная решетка [Патент №2190907], содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и вибраторную решетку, образованную размещением вибраторов коллинеарно проводу однопроводной линии передачи поверхностной волны.

При возбуждении однопроводной линии передачи устанавливается соответствующая поверхностной волне структура электромагнитного поля Е₀₀-типа, содержащая радиальную и продольную составляющие электрического поля. Вибраторы решетки установлены на проводе вдоль линий напряженности электрического поля. При возбуждении однопроводной линии передачи в вибраторе наводится соответствующий электрический ток и происходит переизлучение поля однопроводной линии передачи.

Вибраторы выполнены в виде цилиндров, надетых на провод. Под действием продольной составляющей напряженности электрического поля в них наводится электрический ток, радиальная составляющая напряженности электрического поля не наводит электрический ток, т.к. перпендикулярна оси вибратора.

Такая вибраторная решетка на основе возбуждения коллинеарных продольных вибраторов позволяет получить всенаправленную диаграмму направленности. Эксперименты доказали работоспособность такой вибраторной решетки в СВЧ диапазоне.

В патенте [Патент №2190907] обращает внимание два теоретически обоснованных и экспериментально проверенных факта. Один из них указывает на возможность манипулирования переизлученным полем однопроводной линии передачи без искажения поверхностной волны. Второй - использование рефлектора, отражающего электромагнитное излучение.

Совокупность недостатков аналога и особенности прототипа позволяют поставить задачу изобретения.

Задачей изобретения является создание конструкции установки СВЧ-излучения на основе вибраторной решетки, позволяющей получить повышенную плотность энергии СВЧ-излучения вдоль продольной линии с помощью вибраторной решетки, расположенной внутри рефлектора в виде зеркального эллиптического проводящего цилиндра.

Данный технический результат достигается тем, что вибраторная решетка, содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и размещенные соосно с проводом однопроводной линии передачи вибраторы, располагается внутри зеркального эллиптического проводящего цилиндра с торцевыми стенками, который имеет две фокальные оси O₁ и O₂

Зеркальный эллиптический проводящий цилиндр имеет две равнозначные фокальные оси, так как в поперечном сечении имеет место эллипс, имеющий два фокуса. Эллипс обладает оптическим свойством, которое заключается в том, что луч света (т.е. электромагнитное излучение) от источника, находящегося в одном из фокусов, отражается эллипсом так, что отраженные лучи пересекаются во втором фокусе.

В нашем случае имеется объемная фигура в виде эллиптического цилиндра, в котором образуются две параллельные фокальные оси, равноправные (равнозначны) между собой. Если на одной любой из фокальных осей зеркального эллиптического проводящего цилиндра поместить линейный источник СВЧ-излучения, то это излучение, распространяясь в объеме цилиндра, концентрируется на второй фокальной оси. Другими словами, отраженные поверхностью эллиптического цилиндра лучи суммируются в фазе.

В основу конструкции положен зеркальный эллиптический проводящий цилиндр, т.е. стенки выполнены из проводящего материала. СВЧ-излучение, распространяясь от линейного источника, расположенного на одной из фокальных осей, падает на проводящую поверхность такого цилиндра и отражается от нее по закону зеркального отражения. Повышенная плотность энергии получается за счет оптического свойства зеркального эллиптического проводящего цилиндра.

Коллинеарная антенная решетка представляет собой линейную совокупность элементов - соосных с проводом поверхностного волновода переизлучателей в форме объемных вибраторов - металлических цилиндров, надетых на провод поверхностного волновода, совпадающую с одной из фокальных осей зеркального эллиптического проводящего цилиндра. Вибраторы установлены вдоль линий напряженности продольной составляющей электрического поля поверхностной волны, поэтому в каждом из них наводится соответствующий электрический ток и происходит переизлучение энергии поля поверхностной волны Е₀₀ в энергию поля Т-волны. Коллинеарная антенная решетка с равномерным распределением коэффициента связи каждого элемента с проводом [Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи. // Приборы и техника эксперимента. 1996. №5. С.85-86] преобразует поле поверхностной волны Е₀₀ в Т-волну, которая отражаясь от стенок зеркального эллиптического проводящего цилиндра, концентрируется вдоль второй фокальной оси зеркального эллиптического цилиндра.

На фиг.1 изображена схема вибраторной решетки, концентрирующей СВЧ энергию вдоль линии, состоящая из 1 - коллинеарная решетка излучателей, 2 - излучатель, 3 - провод поверхностного волновода, 4 - устройство возбуждения поверхностной волны (трансформатор волн Т в «Е₀₀»), 5 - балластная нагрузка, 6 - генератор СВЧ-колебаний, 7 - зеркальный эллиптический проводящий цилиндр, 8 - торцевые стенки.

Вибраторная решетка, выполненная в виде коллинеарной решетки излучателей 1, расположена внутри зеркального эллиптического проводящего цилиндра 7 с торцевыми стенками 8, который имеет две фокальные оси O₁ и О₂. Вдоль одной фокальной оси расположен провод поверхностного волновода (линия Губо) 3 [Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. - М.: Сов. Радио, 1964] с подведенным к нему устройством возбуждения поверхностной волны 4 [Патент №2144720], которое возбуждает коллинеарную антенную решетку излучателей 1. Излучатели представляют собой объемные тела с проводящими цилиндрическими поверхностями 2, надетыми на диэлектрическую поверхность провода поверхностного волновода 3, оканчивающегося балластной нагрузкой 5. Устройство возбуждения поверхностной волны 4 соединено с генератором СВЧ-колебаний 6.

На фиг.1 показано также сечение А-А зеркального эллиптического проводящего цилиндра с фокальными осями O₁ и О₂.

Для возбуждения поверхностной волны, распространяющейся вдоль провода поверхностного волновода, используют устройство возбуждения поверхностной волны (4), которое также играет роль трансформатора волны Т-типа в волну Е-типа.

Вдоль провода поверхностного волновода расположена коллинеарная антенная решетка излучателей (1), состоящая из одинаковых излучателей (2), возбуждаемых электрической составляющей поля поверхностной волны. Каждый излучатель антенной решетки возбуждается полем поверхностной волны и переизлучает электромагнитную волну Т-типа. После переизлучения коллинеарной решеткой излучателей энергии поверхностной волны оставшаяся (не переизлученная) ее часть поступает в балластную нагрузку 5.

Генератор СВЧ-колебаний (6), расположенный вне зеркального эллиптического проводящего цилиндра, соединен с устройством возбуждения поверхностной волны.

Провод поверхностного волновода, на котором расположены устройство возбуждения поверхностной волны, коллинеарная решетка излучателей и балластная нагрузка, совпадает с одной фокальной осью O₁ зеркального эллиптического проводящего цилиндра.

Вторая фокальная ось O₂ зеркального эллиптического проводящего цилиндра является зоной повышенной плотности энергии СВЧ-излучения или зоной концентрации СВЧ энергии на протяженной линии.

Первая фокальная ось O₁ совпадает с проводом поверхностного волновода, на котором размещена коллинеарная антенная решетка излучателей с устройством возбуждения и балластной нагрузкой. На второй фокальной оси O₁ происходит концентрация энергии СВЧ-излучения с помощью расположенной на первой оси коллинеарной антенной решетки излучателей.

Таким образом, генератор СВЧ-колебаний 6 соединен с устройством возбуждения поверхностной волны 4, которое формирует поверхностную волну вдоль провода поверхностного волновода 3. На проводе поверхностного волновода, совмещенным с одной фокальной осью O₁, расположена коллинеарная антенная решетка излучателей 1. Каждый излучатель представляет объемную проводящую цилиндрическую поверхность 2, надетую на диэлектрическую поверхность провода поверхностного волновода. Провод поверхностного волновода оканчивается балластной нагрузкой 5, которая предназначена для достижения режима согласования между генератором СВЧ-колебаний 6 и коллинеарной антенной решеткой.

Устройство концентрации СВЧ энергии на протяженной линии функционирует следующим образом.

Под действием распространяющейся поверхностной волны Е₀₀ элементы коллинеарной антенной решетки возбуждаются и переизлучают Т-волну. Излучение коллинеарной антенной решетки отражается от его поверхности и концентрируется на второй фокальной оси О₂.

Таким образом, мощность генератора СВЧ-колебаний преимущественно идет на излучение элементами коллинеарной антенной решетки, оставшаяся неизлученная СВЧ мощность поступает в балластную нагрузку 5.

Вся переизлученная элементами коллинеарной антенной решетки СВЧ энергия заключена в замкнутом объеме зеркального эллиптического проводящего цилиндра и сосредоточена на второй фокальной оси О₂ в виде протяженной линии.

Наличие зеркального эллиптического проводящего цилиндра, на одной фокальной оси которого расположена коллинеарная антенная решетка излучателей, переизлучающая электромагнитное поле поверхностной волны в замкнутом объеме этого цилиндра, обеспечивает концентрацию СВЧ энергии на второй фокальной оси зеркального эллиптического проводящего цилиндра. Длина зеркального эллиптического проводящего цилиндра не ограничивается физическими требованиями, предъявляемыми к реализации устройства концентрации СВЧ энергии на протяженной линии.

Таким образом, предложена вибраторная решетка, позволяющая за счет ее размещения внутри зеркального эллиптического проводящего цилиндра концентрировать СВЧ энергию на протяженной линии. Преимуществами такой вибраторной решетки являются:

во-первых, достигается концентрация СВЧ-излучения вдоль второй фокальной оси в полости зеркального эллиптического проводящего цилиндра, которая обусловлена размещением на первой фокальной оси коллинеарной антенной решетки излучателей;

во-вторых, электрическая замкнутость объема зеркального эллиптического проводящего цилиндра обеспечивает экранирование процессов в объектах, в которых сконцентрировано СВЧ-излучение;

в-третьих, при выборе соответствующих размеров зеркального эллиптического проводящего цилиндра появляется возможность использования объема такого цилиндра в качестве трехмерного эллиптического резонатора.

Заявленное изобретение относится к области техники СВЧ. Технический результат заключается в достижении концентрации СВЧ-излучения вдоль второй фокальной оси в полости зеркального эллиптического проводящего цилиндра, которая обусловлена размещением на первой фокальной оси коллинеарной антенной решетки излучателей; обеспечении экранирования процессов в объектах, в которых сконцентрировано СВЧ-излучение, благодаря электрической замкнутости объема зеркального эллиптического проводящего цилиндра; и возможности использования объема такого цилиндра в качестве трехмерного эллиптического резонатора при выборе соответствующих размеров зеркального эллиптического проводящего цилиндра. Для этого предложена вибраторная решетка, содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и размещенные соосно с проводом однопроводной линии передачи вибраторы, расположенная внутри зеркального эллиптического проводящего цилиндра, выполненного с торцевыми стенками и с двумя фокальными осями O₁ и О₂. 1 ил.

Вибраторная решетка, содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и размещенные вдоль провода однопроводной линии передачи поверхностной волны вибраторы, отличающаяся тем, что вибраторная решетка размещена внутри зеркального эллиптического проводящего цилиндра с торцевыми стенками, который имеет две фокальные оси O₁ и О₂.