Способ согласования волноводов Российский патент 2024 года по МПК H03B9/10 

Изобретение относится области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к технике сверхвысоких частот и может быть использовано при построении активных и пассивных узлов аппаратуры, при согласовании волноводов с нагрузкой, при сложении мощностей нескольких магнетронов как в оборудовании сверхвысоких частот, так и в технологических процессах использующих излучение СВЧ для обработки продукции агропромышленного комплекса.

При использовании излучения СВЧ для обработки продукции АПК электромагнитное поле через различные волноводы направляется в объём обрабатываемого продукта. Диэлектрические свойства обрабатываемого продукта могут изменяться в широком диапазоне в зависимости как от вида продукта, так и в процессе его обработки полем СВЧ. Поэтому эффективность передачи СВЧ энергии по волноводам (коэффициент стоячей волны, радиационная эффективность излучения) к обрабатываемому продукту также будет разной. Поэтому, при изготовлении СВЧ установок для обработки продукции АПК, для повышения эффективности передачи СВЧ энергии от магнетрона к обрабатываемому продукту, необходимо осуществлять согласование волноводов с нагрузкой.

Известен способ согласования волновода с нагрузкой, используемый в волновом методе измерения параметров веществ в СВЧ диапазоне (Пчельников Ю. Н., Свиридов В. Т. Электроника сверхвысоких частот. - М.: Радио и связь, 1981. - 96 с, С. 65-66. - (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1039), заключающийся в том, что в волновод помещают материал, а согласование волновода и материала осуществляют, перемещая короткозамкнутый поршень до тех пор, пока не добьются минимального значения коэффициента стоячей волны (КСВ).

Недостатком известного метода является то, что он не применим для устройств, которые используются для СВЧ обработки материалов, поскольку в них обрабатывают большие объёмы материала и требуется обеспечить большую производительность таких установок. Это невозможно обеспечить при таком способе согласования.

Наиболее близким по реализации к предлагаемому изобретению является способ согласования, изложенный в изобретении (RU 2392733, МПК H03B 9/10, 2009). Способ согласования заключается в том, что подбирают расстояние от короткозамкнутого конца волновода до вывода энергии магнетрона в волновод. Способ осуществляют, перемещая магнетрон и короткозамкнутый поршень.

Недостатки известного способа заключаются в том, что имеется необходимость перемещения магнетрона, что создаёт дополнительные сложности в конструкции волновода и в том, что не обеспечивается максимальная эффективность передачи энергии к обрабатываемому продукту по волноводу. Также нет возможности управления диаграммой направленности излучения.

Технической задачей изобретения является упрощение процедуры согласования и повышение КПД за счет увеличения эффективности поглощаемой мощности.

Техническим результатом является повышение эффективности передачи энергии от магнетрона к обрабатываемому продукту и управление диаграммой направленности излучения при одновременном упрощении процедуры согласования.

Указанный результат достигается тем, что в способе согласования волноводов, заключающимся в том, что подбирают расстояние от короткозамкнутого поршня волновода до вывода энергии магнетрона в волновод и перемещают поршень в горизонтальной плоскости, согласно изобретения, изменяют угол поворота короткозамкнутого поршня волновода вокруг его вертикальной оси.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически представлен прямоугольный волновод 1, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху при горизонтальном перемещении короткозамкнутого поршня; на фиг. 3 - то же, с поворотом поршня; на фиг. 4 представлен график зависимости коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты излучаемых волн и угла поворота короткозамкнутого поршня; на фиг. 5 - график зависимости общей эффективности излучения от частоты излучаемых волн и угла поворота короткозамкнутого поршня; на фиг. 6 диаграмма направленности СВЧ излучения, показывающая зависимость амплитуды излучения от расстояния вдоль волновода и угла поворота короткозамкнутого поршня.

Способ заключается в том, что подбирают расстояние от короткозамкнутого поршня волновода до вывода энергии магнетрона в волновод и перемещают поршень в горизонтальной плоскости, при необходимости изменяют угол поворота короткозамкнутого поршня волновода вокруг его вертикальной оси. Достигают значения КСВ равного единице и необходимой диаграммы направленности СВЧ излучения.

Устройство для реализации способа содержит, например, прямоугольный волновод 1, на широкой стороне которого расположены излучающие щели 2. Волновод 1 может также быть и круглым, и полукруглым. Всё зависит от особенностей технологического процесса, в котором используются волноводы. Расстояние между излучающими щелями 2 составляет ¼ длины волны, на которой работает магнетрон. Другая сторона волновода 1 закорочена неподвижной пластиной. Длина волновода 1 и количество излучающих щелей 2 может быть различным. Это зависит от конструкции установки, в которой поле СВЧ используют для обработки продукции. Вывод магнетрона 3 расположен на расстоянии ¼ длины волны от первой излучающей щели 2. От вывода магнетрона 3 СВЧ излучение попадает в волновод 1 и возбуждает его. Перед выводом магнетрона 3 расположен короткозамкнутый поршень 4. Короткозамкнутый поршень 4 можно передвигать по волноводу 1 посредством синхронного перемещения штоков 5 и поворачивать его вокруг вертикальной оси, асинхронно перемещая штоки 5 и обеспечивая необходимый угол поворота поршня 4. На короткозамкнутом поршне 4 расположены гибкие пластины 6, которые обеспечивают хороший контакт со стенками волновода 1 при повороте поршня 4 на угол до 45°, не допуская проникновения электромагнитного поля за пределы волновода 3. Максимальный угол разворота поршня в 45° выбран исходя из конструктивных параметров волновода 3 и гибких пластин 6.

Реализация способа заключается в следующем.

Первоначально короткозамкнутый поршень 4 располагают в волноводе 1 на расстоянии ¼ длины волны, на которой работает магнетрон, от вывода магнетрона 3. Все стенки короткозамкнутого поршня 4 перпендикулярны стенкам волновода 1. Включают магнетрон. Поле СВЧ от вывода магнетрона 3 попадает в волновод 1, который возбуждается и начинается излучение электромагнитного поля через излучающие щели 2. Кроме того, электромагнитное поле отражается от короткозамкнутого поршня 4 и направляется в волновод 1. Излучение поля СВЧ из излучающих щелей 2 попадает за пределы волновода 1, где располагается продукт, который обрабатывают электромагнитным полем СВЧ. Обрабатываемый продукт выступает в роли нагрузки для волновода 1. Этот продукт может иметь диэлектрические свойства, изменяющиеся в широком диапазоне. Поэтому эффективность передачи энергии поля СВЧ от вывода магнетрона 3 к нагрузке также будет зависеть от изменения диэлектрических свойств нагрузки. После включения магнетрона с помощью измерительных приборов измеряют коэффициент стоячей волны (КСВ) волновода 1 и мощность электромагнитного поля P_изл, на выходе излучающих щелей 2. Если КСВ больше единицы, то перемещая короткозамкнутый поршень 4, посредством штоков 5, добиваются минимального значения КСВ и максимального значения мощности P_изл излучения электромагнитного поля.

Перемещая штоки 5 на разные расстояния возможно изменять угол поворота α короткозамкнутого поршня 4 вокруг своей вертикальной оси. Это также позволяет изменять КСВ, величину P_изл и диаграмму направленности СВЧ излучения из излучающих щелей 2 волновода 1.

Чтобы подтвердить высказанные положения проводили моделирование процесса распространения поля СВЧ на выходе излучающих щелей 2 волновода 1 с использованием программы CST Microwave Studio. Результаты моделирования представлены на фиг. 4 - 6. Для моделирования были приняты следующие параметры волновода 1: сечение 55х110 мм; длина части волновода 1 с излучающими щелями 2 - 400 мм. На широкой стороне волновода 1 расположены семь излучающих щелей 2, расстояние между которыми равно 1/4 длины волны. Первоначальное расстояние l между короткозамкнутым поршнем 4 и выводом магнетрона 3 равно 1/4 длины волны, угол наклона поршня 3 составляет α=0°, основная частота излучения магнетрона 2,45 ГГц. В результате моделирования получены графики изменения КСВ, общей эффективности излучения, диаграмм направленности излучения. На первом этапе моделирования, при угле α=0°, было установлено, что наилучшие показатели согласования волновода 2 получены при расстоянии короткозамкнутого поршня 4 от вывода магнетрона 3 l=60 мм. Далее моделировали изменение угла поворота α короткозамкнутого поршня 4 c 0° до 45° с интервалом в 1°. На фиг. 4 приведены результаты моделирования по изменению величин КСВ, общей эффективности излучения (фиг. 5), диаграммы направленности излучения (фиг. 6) при углах α поворота короткозамкнутого поршня 4 на 0°, 5°, 15°.

Результаты моделирования показывают, что изменение угла поворота α короткозамкнутого поршня 4 позволяет регулировать величину КСВ. Изменение угла α поворота короткозамкнутого поршня 4 с 0° до 5° и до 15° привело к уменьшению КСВ до единицы, что говорит о полной согласованности волновода 1 с нагрузкой. При этом наблюдается изменение величины общей эффективности излучения.

Для угла α поворота короткозамкнутого поршня 4 равного 0°, для частоты работы магнетрона 2,45 ГГц, общая эффективность излучения составляет 3 дБ.

Для угла α короткозамкнутого поршня 4 равного 5° общая эффективность излучения уже составляет 19 дБ.

При увеличении угла α поворота короткозамкнутого поршня 4 до 15° наблюдается уменьшение общей эффективности излучения до 11 дБ.

Изменение угла α поворота короткозамкнутого поршня 4 влияет на диаграмму направленности излучения из излучающих щелей 2 волновода 1.

Из графиков видно, что изменение угла α поворота короткозамкнутого поршня 4 влияет на изменение амплитуд СВЧ излучения из излучающих щелей 2 волновода 1. В результате происходит изменение диаграммы направленности излучения вдоль волновода 1. Это очень важно, поскольку позволяет регулировать распределение мощности СВЧ излучения вдоль длины волновода 1 в зависимости от технологических задач.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективности передачи энергии от магнетрона к обрабатываемому продукту, управление диаграммой направленности излучения, при одновременном упрощении процедуры согласования.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано при построении активных и пассивных узлов аппаратуры, при согласовании волноводов с нагрузкой. Технический результат - повышение эффективности передачи энергии от магнетрона к обрабатываемому продукту, управление диаграммой направленности излучения, при одновременном упрощении процедуры согласования. Способ согласования волноводов заключается в том, что измеряют коэффициент стоячей волны волновода и мощность электромагнитного поля на выходе излучающих щелей и изменяют угол поворота короткозамкнутого поршня вокруг своей вертикальной оси посредством штоков, уменьшая значение коэффициента стоячей волны, увеличивая значение мощности излучения электромагнитного поля и изменяя диаграмму направленности СВЧ-излучения из излучающих щелей волновода. 6 ил.

Способ согласования волноводов, заключающийся в том, что подбирают расстояние от короткозамкнутого поршня волновода до вывода энергии магнетрона в волновод и перемещают поршень в горизонтальной плоскости, отличающийся тем, что измеряют коэффициент стоячей волны волновода и мощность электромагнитного поля на выходе излучающих щелей и изменяют угол поворота короткозамкнутого поршня вокруг своей вертикальной оси, посредством штоков, уменьшая значение коэффициента стоячей волны, увеличивая значение мощности излучения электромагнитного поля и изменяя диаграмму направленности СВЧ-излучения из излучающих щелей волновода.