Жидкостная СВЧ согласованная нагрузка Российский патент 2018 года по МПК H01P1/26 

Предлагаемая жидкостная СВЧ согласованная нагрузка относится к области техники СВЧ и может быть использована для поглощения энергии электромагнитной волны моды Н₁₀ прямоугольном волноводе.

Известны волноводные нагрузки (англ. патент №1372697, кл. H1W, опубл. 08.11.1971 г., патент РФ №123584, опубл 27.12.2012 г. патент США 0003660784, опубл. 01.2006 г.), состоящие из прямоугольного волновода, в котором под острым углом в плоскости симметрии волновода, перпендикулярной широким стенкам, расположена радиопрозрачная трубка с находящейся в ней поглощающей жидкостью.

Недостатками данных устройств является то, что для улучшения согласования диаметр радиопрозрачных трубок должен быть как можно меньше (около 0,1λ), в то же время для увеличения поглощаемой мощности необходимо больше поглощающей жидкости, а следовательно, и необходимо брать диаметр как можно больше. В результате нагрузки недостаточно согласованы и не могут быть использованы на больших уровнях мощности.

Известна волноводная нагрузка для обработки растворов, жидкостей и сыпучих материалов (патент РФ 170944, опубл. 16.05.2017), содержащая короткозамкнутый отрезок волновода, в котором перпендикулярно к узким стенкам волновода расположена радиопрозрачная труба с нагреваемым материалом. При этом использована труба увеличенного диаметра (от 0,4λ до 0,56λ). В данном случае для согласования включена в конструкцию согласующая диафрагма и участок волновода, имеющий большие поперечные размеры относительно подводящего волновода. Все это в совокупности представляет собой резонатор.

Недостатком данного устройства является неравномерность поля в резонаторе, что ведет к неравномерному поглощению и даже практически к отсутствию поглощения, если область, занимаемая радиопрозрачной трубой, окажется в минимуме поля. Кроме того, согласование резонатора одной лишь диафрагмой невозможно. Для достижения фазовых соотношений отраженных волн понадобиться перемещать короткозамкнутый конец волновода, что значительно усложняет конструкцию. А в случае изменения электродинамических характеристик нагреваемого материала данная конструкция может оказаться неработоспособной.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой СВЧ согласованной нагрузки для поглощения высокого уровня мощности является известная согласованная нагрузка (АС 1332420, опубл. 23.08.1987), содержащая отрезок прямоугольного волновода, в котором установлен полый диэлектрический вкладыш, имеющий клинообразный конец, симметричный относительно продольной плоскости симметрии отрезка прямоугольного волновода, параллельный его широким стенкам. Электромагнитная волна поглощается в жидкости, находящейся в диэлектрическом вкладыше.

Недостатком данного устройства является высокий уровень отраженной волны для основной моды Н₁₀, поскольку ребра клина расположены неоптимальным образом. В данном случае парциальные волны, падающие на ребра клина и составляющие моду Н₁₀, будут иметь перпендикулярную поляризацию, в то время, как известно, что оптимальным является параллельная поляризация волны, падающей на границу раздела сред под углом Брюстера.

Технический результат состоит в улучшении согласования и увеличения мощности поглощаемой электромагнитной волны.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что жидкостная СВЧ согласованная нагрузка содержит отрезок прямоугольного волновода, поглощающую жидкость в металлическом сосуде, радиопрозрачную герметичную перегородку, отделяющую внутренний объем волновода от поглощающей жидкости. Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что радиопрозрачная герметичная перегородка состоит из двух состыкованных пластин, причем стык лежит в плоскости симметрии волновода, перпендикулярной широкой стенке, и пластины симметричны относительно стыка, при этом угол (β) между линией, образованной пересечением широкой стенки волновода и каждой из пластин, и осью симметрии широкой стенки волновода равен

где a - размер широкой стенки волновода, λ - длина волны, а угол (β) между плоскостью пластины и широкой стенкой волновода равен

где ε - модуль относительной диэлектрической проницаемости поглощающей жидкости.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой жидкостной СВЧ согласованной нагрузки;

На фиг. 2 показано пересечение радиопрозрачной вставки 3 с широкой стенкой волновода (сечение в плоскости XOY);

На фиг. 3 показана ориентация радиопрозрачной вставки 3 относительно широкой стенки волновода (Разрез С-С)

Жидкостная СВЧ согласованная нагрузка содержит волновод 1, радиопрозрачную герметичную перегородку 2, сосуд с поглощающей жидкостью 3, a - ширина широкой стенки волновода, b - ширина узкой стенки волновода. Металлический сосуд с поглощающей жидкостью может быть заменен короткозамкнутым отрезком волновода со штуцерами подачи и отвода жидкости.

Жидкостная СВЧ согласованная нагрузка работает следующим образом. Электромагнитная волна в прямоугольном волноводе в основной моде H₁₀ представляет собой суперпозицию двух плоских волн с вектором E перпендикулярного широким стенкам волновода, направленных под углом α к оси симметрии волновода, как показано на фиг.2. Известно, что в случае параллельной поляризации при падении под углом Брюстера будет минимум отражений. Это условие может быть выполнено при наклоне радиопрозрачных перегородок относительно оси волновода на угол β и относительно широкой стенки волновода на угол γ. Если в качестве поглощающей жидкости выбрать воду, то глубина проникновения электромагнитной волны в сантиметровом диапазоне составит около сантиметра, то есть отражениями от задней стенки металлического сосуда можно пренебречь.

Макет заявленного устройства на частоту 2450 МГц экспериментально исследован и имеет КСВН менее 1.1. Поглощение мощности 600 Вт на объем 20 литров воды проходило без перегрева радиопрозрачной перегородки (стекловолокно) и не требовало принудительной циркуляции. Отвод поглощенной СВЧ-энергии и выравнивание температуры по объему воды успешно проходили за счет конвекции.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к нагрузкам для поглощения энергии электромагнитной волны высокой мощности моды H₁₀. Нагрузка содержит отрезок прямоугольного волновода, поглощающую жидкость в металлическом сосуде, радиопрозрачную герметичную перегородку, отделяющую внутренний объем волновода от поглощающей жидкости. Радиопрозрачная герметичная перегородка состоит из двух состыкованных пластин, причем стык лежит в плоскости симметрии волновода, перпендикулярной широкой стенке, и пластины симметричны относительно стыка, при этом угол (β) между линией, образованной пересечением широкой стенки волновода и каждой из пластин, и осью симметрии широкой стенки волновода равен

где a - размер широкой стенки волновода, λ - длина волны, а угол (β) между плоскостью пластины и широкой стенкой волновода равен

где ε - модуль относительной диэлектрической проницаемости радиопоглощающего диэлектрика. Технический результат - улучшение согласования и увеличение мощности поглощаемой электромагнитной волны. 3 ил.

Жидкостная СВЧ согласованная нагрузка, содержащая отрезок прямоугольного волновода c поглощающей жидкостью в металлическом сосуде, радиопрозрачную герметичную перегородку, отделяющую внутренний объем волновода от поглощающей жидкости, отличающаяся тем, что, с целью улучшения согласования и увеличения мощности поглощаемой электромагнитной волны, радиопрозрачная герметичная перегородка состоит из двух состыкованных пластин, причем стык лежит в плоскости симметрии волновода, перпендикулярной широкой стенке, и пластины симметричны относительно стыка, при этом угол (β) между линией, образованной пересечением широкой стенки волновода и каждой из пластин, и осью симметрии широкой стенки волновода равен

где α - размер широкой стенки волновода, λ - длина волны, а угол (β) между плоскостью пластины и широкой стенкой волновода равен

где ε - модуль относительной диэлектрической проницаемости радиопоглощающего диэлектрика.