CC BY
72
УДК 621.372.8
О.В. Дрогайцева, В.А. Коломейцев, В.А. Лойко
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ СОГЛАСУЮЩИХ ПЕРЕХОДОВ МЕЖДУ СТАНДАРТНЫМИ ВОЛНОВОДАМИ И ВОЛНОВОДАМИ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ
Исследуются электродинамические свойства плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и прямоугольным волноводом с Т-ребром, а также полоса пропускания данных переходов в зависимости от изменения геометрии перехода в направлении распространения доминантной волны.
Согласующий переход, полоса пропускания, критическая длина волны, доминантная волна, прямоугольный волновод с Т-ребром
O.V. Drogaytseva, V.A. Kolomeytsev, V.A. Loiko
THE RESEARCH OF WIDE BAND PROPERTIES OF THE MATCHING TRANSITION BETWEEN STANDARD WAVEGUIDE AND WAVEGUIDE WITH COMPOUND CROSS-SECTION
Electrodynamic properties of waveguide tapers between rectangular waveguide and rectangular waveguide with T-edge, passband of these waveguide tapers, which depends of geometry of the taper in dominant wave direction, are researched in this article.
X,C()/a, A,C|/a
10
0.1
Matching transition, a passband, critical length of a wave, a dominant
wave, a rectangular waveguide with T-edge
10
11
12
13 1
2 14 з Ьч
4\
7 X 9
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 d/b
b/a=0.5; I/a=0.05;
4-1=4.0: 5-^=3.6;
9-4=2.0; !0-t/a=0,8; !4-t/a=0.05 [ПВ]
I-4=5.2; -4=3.2; t/a=0,6;
11 -t/a=l
24=4.8;
74=2,8;
12-t/a=0,4;
3-^=4.4; 84=2.4;
13-t/a=0,2;
В настоящее время СВЧ нагревательные установки находят широкое применение в
промышленности и быту, при этом наибольший интерес представляют установки с однородной удельной плотностью тепловых источников в объёме обрабатываемого материала, что позволяет обеспечить равномерный нагрев материала. Необходимым условием равномерного нагрева является обеспечение однородной плотности тепловых источников в поперечном сечении камеры ^=^^^, при этом достаточным условием является обеспечение в объёме обрабатываемого материала qV=const в
Рис. 1. Номограмма синтеза плавных согласующих переходов
направлении распространения волны. Обеспечить выполнение условия дз=еоп81 можно путём использования волноводов сложного поперечного сечения (ВСС), имеющих чётко выраженный ёмкостной зазор, электрическое поле в котором однородно [1]. Создание СВЧ нагревательных установок на основе волноводов сложного поперечного сечения требует разработки плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (прямоугольным, цилиндрическим, коаксиальным), на основе которых осуществляется вывод СВЧ мощности и волноводами сложных сечений, лежащих в основе рабочей камеры.
Волноводы сложного поперечного сечения обладают рядом преимуществ перед стандартными волноводами (СВ). Во-первых, на заданной рабочей длине волны данные волноводы обладают меньшими габаритами. Во-вторых, электрическое поле доминантной волны в основном сосредоточено в области ёмкостного зазора, при этом само поле имеет однородную структуру, что принципиально важно для обеспечения равномерного нагрева диэлектрических материалов (ду=оопБ1). В-третьих, в ВСС напряженность электрического поля значительно выше, чем в стандартных волноводах, что позволяет на основе данных волноводов создать СВЧ установки с высоким темпом нагрева, позволяющие обеспечить высокотемпературную термообработку материалов.
В-четвёртых, ВСС обладают значительно большей широкополосностью, нежели СВ, что принципиально важно при термообработке материалов, электрофизические и тепловые параметры которых изменяются в процессе нагрева.
Для направленной передачи СВЧ мощности от генератора в рабочую камеру необходимо осуществить сочленение стандартного волновода с ВСС, что достигается посредством плавных согласующих переходов СВ-ВСС. Для перехода между волноводами различных поперечных сечений используются разнообразные согласующие переходы, построение которых основано на решение внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ). Данные переходы должны отвечать ряду требований, предъявляемых к ним. К таким требованиям относятся: плавное изменение волнового сопротивления по всей длине перехода в направлении распространения волны, что позволяет повысить уровень прошедшей в рабочую камеру СВЧ мощности; пропускная способность согласующего перехода должна обеспечивать прохождение СВЧ мощности во всём доминантном диапазоне частот СВ.
Все согласующие переходы в зависимости от их внешней геометрии можно классифицировать следующим образом:
1) линейные - линейное изменение как внешней, так и внутренней геометрии;
2) нелинейные: нелинейное изменение внешней геометрии; нелинейное изменение внутренней геометрии; нелинейное изменение как внешней, так и внутренней геометрии.
Переходы с линейным изменением как внешней, так и внутренней геометрии являются наиболее простыми с точки зрения их изготовления, что, неоспоримо, является одним из достоинств переходов данного типа. Построение согласующих переходов различной конфигурации основано на решении прямой или обратной внутренней краевой задачи электродинамики.
Провести расчёт плавных согласующих переходов СВ-ВСС чисто аналитическим путём невозможно вследствие сложности геометрии ВСС. В данной работе расчёт плавных согласующих переходов осуществляется графоаналитическим методом с помощью номограммы синтеза. В качестве примера рассмотрим процесс расчёта геометрии согласующего перехода между прямоугольным волноводом (ПрВ) и прямоугольным волноводом с Т-ребром (ПВТР). На рис. 1 приведена номограмма синтеза переходов ПрВ-ПВТР, являющаяся результатом комплексного исследования электродинамических свойств полых ВСС на основе численного решения внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ) для ПВТР методом конечных элементов с использованием принципа Галёркина и взвешенных невязок [2]. Данная номограмма справедлива при соблюдении следующих условий:
Ь I
- = 0,5; - < 0,05,
а
а
где а, Ь - соответственно размеры широкой и узкой стенок прямоугольного волновода с Т-ребром; I - толщина стенки Т-ребра. Считается, что при выполнении соотношения (1) величина I не оказывает существенного влияния на собственные электродинамические параметры согласующего перехода. Номограмма содержит зависимости кривых X и
1с0 / а от геометрических размеров г / а, d / Ь, соответствующих рассматриваемому сечению согласующего перехода. В основе определения величины 1с1 лежит соотношение
Номограмма синтеза согласующих переходов позволяет производить расчёты в достаточно широких пределах изменения соотношений основных геометрических параметров:
Зная геометрические параметры линейного согласующего перехода, на основании номограммы (рис. 1) можно определить критическую длину волны основного типа, а также широкополосность в данном сечении перехода, а используя соотношение (2), легко определить критическую длину волны первого высшего типа.
Рассмотрим построение линейных согласующих переходов на примере сочленения прямоугольного волновода (72 х 34 мм) и прямоугольного волновода с Т-ребром (40 х 20 мм). Основные геометрические параметры прямоугольного волновода (ПрВ) и прямоугольного волновода с Т-ребром (ПВТР) приведены на рис. 2.
(2)
0,05 < - < 0,9;
а
(3)
0,1 < d < 0,9. Ь
При этом широкополосность изменяется в пределах
2 < X < 5,2.
Рис. 2. Геометрические параметры волноводов, а также конфигурация линейного
согласующего перехода
В таблице приведены данные, полученные в результате расчёта электродинамических параметров линейного перехода (полосы пропускания перехода), то есть распределения длин волн основного и первого высшего типов по длине перехода.
Основные параметры линейного согласующего перехода
ПрВ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 ПВТР
ао 72 68,8 65,6 62,4 59,2 56 52,8 49,6 46,4 43,2 40 а
t 0 2,4 4,8 7,2 9,6 12 14,4 16,8 19,2 21,6 24 t
Ьо 34 32,6 31,2 29,8 28,4 27 25,6 24,2 22,8 21,4 20 Ь
Рис. 3. Распределение длин волн по длине линейного согласующего перехода
СІ 34 30,8 27,6 24,4 21,2 18 14,8 11,6 8,4 5,2 2 С
Уа 0 0,035 0,073 0,115 0,162 0,214 0,273 0,339 0,414 0,500 0,6 ^а
С/Ь 1 0,945 0,885 0,819 0,746 0,667 0,578 0,479 0,368 0,243 0,1 С/Ь
2 2 2 2,02 2,1 2,2 2,4 2,48 2,7 3,4 5,2
Ас0 144 137,6 131,2 129,17 127,3 128,8 137,3 148,8 169,4 216 320 Ас0
Ас0/а 2 2 2 2,07 2,15 2,3 2,6 3 3,65 5 8 Ас0/а
Ас1 72 68,8 65,6 63,94 60,61 58,55 57,20 60 62,73 63,53 61,5 Ас1
Зависимости длин волн основного и первого высшего типов приведены на рис. 3. В результате исследований данного согласующего перехода установлено, что максимальная полоса пропускания при линейном изменении внутренней геометрии (геометрии Т-ребра) соответствует 77,8 % от доминантного диапазона прямоугольного волновода, то есть в данных переходах происходит уменьшение полосы пропускания. Для того, чтобы повысить ширину полосу пропускания, необходимо, чтобы критическая длина волны основного типа перехода (ЛС 0) была больше критической длины волны прямоугольного
волновода (Л0п В), а критическая длина волны ЛС1 перехода должна быть меньше ЛС1п в ,
то есть изменение как внешней, так и внутренней геометрии начинается в одном и том же сечении перехода. Легко видеть, что линейные переходы не удовлетворяют условию
Лс о( ^) >Л0 ПрВ;
Лс1( 2) £ Лс1ПрВ.
Существуют два пути решения этой задачи. Рассмотрим первый способ повышения полосы пропускания. Он заключается в следующем: не меняя геометрии Т-ребра, линейно продолжим прямоугольный волновод до точки перегиба 1С 0 (точке перегиба
соответствует сечение перехода, где длина волны 1С0 наименьшая). Далее линейно
соединяем данный переход с прямоугольным волноводом с Т-ребром. На рис. 4 приведены зависимости длин волн основного и первого высшего типов линейного согласующего перехода данной конфигурации в направлении распространения волны. Как видно, данный согласующий переход обеспечивает передачу во всём доминантном диапазоне длин волн и полностью удовлетворяет условию (4). Такой переход обладает достаточно простой конфигурацией и лёгок в изготовлении [3]. Расчёт линейных переходов базируется на решении прямой ВКЗЭ для ПВТР, когда для заданной геометрии перехода требуется определить его электродинамические параметры (полоса пропускания). Второй способ устранения уменьшения полосы пропускания ПрВ может быть достигнут на основе нелинейных согласующих переходов. Расчёт нелинейных переходов ПрВ-ПВТР представляет собой графоаналитическое решение обратной внутренней краевой задачи электродинамики для ВСС, когда неизвестна геометрия, обеспечивающая заданные электродинамические свойства перехода. Решение обратной ВКЗЭ для ВСС значительно труднее решения прямой внутренней краевой задачи электродинамики, поскольку заданному распределению 1С 0 (X) и 1С1 (X) могут
удовлетворять различные профили переходов в силу многопараметрической функциональной зависимости собственных электродинамических параметров от геометрии поперечного сечения по длине перехода. В связи с этим для нелинейных переходов необходимо решить задачу оптимизации перехода, основными требованиями которой являются выполнение условия (4) и максимально плавное изменение как внутренней, так и внешней геометрии перехода, то есть максимально плавное изменение волнового сопротивления перехода в направлении распространения волны.
Наиболее сложным вариантом нелинейного согласующего перехода является переход с одновременным нелинейным изменением геометрии. Данный переход является наиболее тяжелым в изготовлении из всех вышеприведённых согласующих переходов в силу как внешней, так и внутренней нелинейности своей геометрии. На рис. 5 приведены графики распределения длин волн по длине перехода с нелинейным изменением как внутренней, так и внешней геометрии, а также его конфигурация.
Рис. 4. Внешний вид и распределение длин волн по длине линейного модернизированного
согласующего перехода
Рис. 5. Заданное распределение длин волн по длине согласующего перехода с нелинейным изменением геометрии и его схематическое изображение
Таким образом, наиболее простыми в изготовлении и расчёте являются линейные согласующие переходы, но данные переходы не позволяют передать СВЧ мощность во всем доминантном диапазоне длин волн, что является основным требованием в технике СВЧ. Модернизированные линейные переходы позволяют обеспечить передачу СВЧ мощности во всём доминантном диапазоне длин волн прямоугольного волновода, но его эффективность определяется положением точки перегиба кривой 1С0 /а (X) в направлении распространения волны X £ 0,5 . Лучшими электродинамическими свойствами обладают переходы с нелинейным изменением либо внешней, либо внутренней геометрии, данные переходы сложнее в изготовлении и расчёте, но такие переходы позволяют передать СВЧ мощность во всём доминантном диапазоне длин волн. Наиболее приемлемыми электродинамическими свойствами обладают согласующие переходы с одновременным нелинейным изменением как внешней, так и внутренней геометрии, несмотря на более сложную конфигурацию данных переходов, они позволяют добиться наибольшей передачи СВЧ мощности во всем доминантном диапазоне частот. Создание оптимальных плавных согласующих переходов позволит создать эффективные конвейерные СВЧ установки продольного и поперечного типов равномерного нагрева листовых, жидких и сыпучих материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом: в 2 ч. Ч. 1. Саратов: СГТУ, 1997. 160 с.
2. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные системы равномерного нагрева: дис. ... д-ра техн. наук. Саратов, 1999. 432 с.
3. Коломейцев В. А., Яковлев В.В. Плавные переходы для согласования прямоугольного волновода и прямоугольного волновода с Т-ребром // Радиотехника. 1990. №2. С. 89-90.
Дрогайцева Ольга Викторовна -
ассистент кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета
Коломейцев Вячеслав Александрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического
Drogaytseva Olga Viktorovna -
the assistant of Department «Radio Engineering» of Saratov State Technical University
Kolomeytsev Vyacheslav Aleksandrovich -
Ph.D., Professor of Department «Radio Engineering», Saratov State Technical University
университета
Лойко Виталий Анатольевич - Loiko Vitaliy Anatolievich -
студент 4 курса кафедры «Радиотехника» the fourth year student of Department «Radio
Саратовского государственного Engineering» of Saratov State Technical
технического университета University
Статья поступила в редакцию 21.05.2011, принята к опубликованию 30.05.2011
