CC BY
54
УДК 621.372
В.А. Коломейцев, A^. Хамидуллин, А.А. Железов, П.В. Ковряков
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ СОГЛАСУЮЩИХ
ПЕРЕХОДОВ ПРВ - ПВТР
Проведен комплексный анализ диапазонных свойств согласующих переходов. Установлено, что только переход с нелинейным изменением как внешней, так и внутренней геометрии обеспечивает полосу пропускания во всем доминантном диапазоне длин волн прямоугольного волновода.
Волновод сложного сечения, стандартный волновод, прямой волновод, согласующий переход, геометрия перехода
V.A. Kolomeitsev, A.Ph. Khamidullin, A.A. Zhelezov, P.V. Kovryakov RESEARCH RANGE OF PROPERTIES MATCHING TRANSITIONS PRV - PVTR
The article provides a comprehensive analysis of the range of properties matching transitions. Found that only the transition from the non-linear change in both external and internal geometry provides the bandwidth around the dominant wavelengths of rectangular waveguide.
Waveguide cross-section of complex, standard waveguide, waveguide line, matching transition, geometry of the transition
В настоящее время процесс возбуждения рабочих камер на основе волноводов сложного поперечного сечения (ВСС) является актуальной задачей при создании конвейерных СВЧ нагревательных установок равномерного нагрева материала [1]. Основной проблемой при проектировании СВЧ нагревательных установок равномерного нагрева на основе ВСС является обеспечение неотражающей передачи СВЧ мощности в рабочую камеру от генератора, выход которого выполнен на отрезке стандартного (прямоугольного) волновода. Данная задача может быть решена путем создания плавных согласующих линейных и нелинейных переходов между стандартным волноводом (СВ) и ВСС (волновод с Т-ребром).
Расчет согласующего перехода СВ-ВСС для СВЧ нагревательных установок равномерного нагрева материала конвейерного типа базируется на решении внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ) для полых ВСС. Комплексный анализ электродинамических свойств и структуры электромагнитного поля для данных волноводов позволяет решить обратную задачу электродинамики и определить геометрию согласующего перехода. Данная задача решается графоаналитическим методом.
Общими требованиями, предъявляемыми к согласующему переходу СВ-ВСС, являются: плавное изменение волнового сопротивления в направлении распространение волны, что позволяет практически исключить отражение СВЧ мощности по длине нерегулярной волноводной линии; при вариации продольной геометрии в системе не должны возникать высшие типы волн, поскольку равномерную термообработку материала в СВЧ нагревательных установках на основе ВСС возможно провести лишь в одномодовом режиме; при изменении геометрии емкостного зазора по длине нерегулярного ВСС должна обеспечиваться электрическая прочность в волноводе при заданной входной мощности в каждом поперечном сечении. Имеются и принципиальные отличия в требованиях, предъявляемых к согласующему переходу СВ-ВСС при использовании их в СВЧ нагревательных установках с равномерным нагревом.
Так, согласующий переход должен обеспечивать направленную передачу СВЧ мощности в рабочую камеру на доминантной волне, то есть продольное изменение геометрии перехода не должно приводить не только к возникновению высших типов волн, но и к отсечке сигнала на заданной рабочей длине волны (Хс1< Хо< Хсо).
Поскольку согласующий переход представляет собой отрезок полого нерегулярного волновода, то расчет геометрии перехода основывается на исследовании критических длин волн основного и первого высшего типов волн в зависимости от изменения размеров поперечного сечения ВСС. Расчет структуры электромагнитного поля в каждом поперечном сечении согласующего перехода позволяет однозначно определить изменение волнового сопротивления линии в направлении распространения электромагнитной волны, при этом оптимизация геометрии согласующего перехода определяется минимальным отражением мощности на доминантной волне.
В основе расчета, как отмечалось выше, лежат кривые зависимости критических длин волн основного (Хсо) и первого высшего (Хс1) типов волн от геометрических параметров поперечного сечения волновода. Методику расчета геометрии плавных согласующих переходов СВ-ВСС рассмотрим на примере сочленения прямоугольного волновода (ПрВ) с ПВТР. На рис. 1 приведена номограмма, на основе которой графоаналитическим методом рассчитывается геометрия согласующего перехода, исходя из требований, предъявляемых к переходу ПрВ-ПВТР для конкретного технологического процесса термообработки.
IV
N |\\ / Ху /К J ' Л
I;
N тд
4\
0.1 0.2 0.3 0-4 (1.5 о.б и, 7 0.8 <№
Рис. 1. Номограмма графоаналитического расчета плавных согласующих переходов ПрВ - ПВТР
Номограмма синтеза плавных переходов с ПрВ на ПВТР Хс0/а, Хс11/а.
Номограмма содержит кривые зависимости Хс0/а и £, от геометрических параметров поперечного сечения волновода 1Уа, ё/Ь при Ь/а = 0,5. При этом считается, что толщина Т-ребра достаточно мала по сравнению с размером широкой стенки волновода - 1/а <0,1 и не оказывает существенного влияния на электродинамические свойства ПВТР. Заметим, что использование кривых ^= Хс0/ Хс1 в номограмме, а не Хс1/а продиктовано удобством графоаналитического синтеза согласующего перехода ПрВ-ПВТР.
В данной номограмме Приведены результаты решения ВКЗЭ необходимые для построения переходов, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к ним, при использовании в СВЧ нагревательных установках с равномерным нагревом. Расчет собственных электродинамических параметров Хс0/а, £, проведен при изменении основополагающих геометрических параметров поперечного сечения волновода в пределах -0< 1/а <8; 0,1< ё/Ь <1; 2< £, <11. Необходимо отметить, что приведенная на рис. 1 номограмма может быть использована также для расчета элементов и узлов техники СВЧ на основе ПВТР и оценки эффективности использования данного волновода в СВЧ нагревательных системах применительно к Конкретному технологическому процессу термообработки [2, 3].
В данной работе рассматриваются свойства переходов ПрВ - ПВТР при линейном изменении не только внешней геометрии перехода, но и внутренней геометрии (рис. 2). На рис. 2 в приведены значения критических длин волн основного и первого высшего типов волн по длине согласующего перехода ПрВ - ПВТР. Как следует из приведенных на рис. 2 в зависимостей Хс0(г), Хс1(г), в данных переходах происходит уменьшение полосы пропускания перехода, которое существенно зависит от поперечного сечения ПВТР.
30...................
о-------------------
0123456783 10
в)
Рис. 2. Линейный переход ПрВ-ПВТР: а) размер узкой стенки Ь и высота Т-ребра; б) размер широкой стенки а и ширина Т-ребра I, в) полоса пропускания
Основным преимуществом линейного согласующего перехода ПрВ-ПВТР перед другими согласующими переходами является простота изготовления и максимально плавное изменение волнового сопротивления по длине перехода. Существенным недостатком при этом являются уменьшение диапазона длин волн одномодовой передачи СВЧ мощности по сравнению с доминантным диапазоном стандартного волновода, что снижает их потенциальные возможности при использовании в устройствах и системах СВЧ техники. Таким образом, обеспечение полосы пропускания согласующего перехода ПрВ - ПВТР во всем доминантном диапазоне длин волн необходимо использовать нелинейные согласующие переходы.
Рассмотрим нелинейные согласующие переходы ПрВ - ПВТР.
По характеру изменения геометрических параметров в направлении распространения волны нелинейные переходы ПрВ - ПВТР можно разделить на три группы:
1) переход с нелинейным изменением внутренней геометрии Т-ребра и линейным изменением внешней геометрии (рис. 3);
2) переход с линейным изменением внутренней геометрии Т-ребра и нелинейным изменением внешней (рис. 4);
3) переход с нелинейным изменением как внешней, так и внутренней геометрии (рис. 5). На рис. 3-5 приведены кривые зависимости Хс0/а(г) и Хс1/а(г) нелинейных переходов с
прямоугольного волновода (сечение 90 х 45 мм) на ПВТР (сечение 30 х 15,5 мм при - 1Уа=0,8, с1/Ь=0,1 при Ь/а = 0,5).
О -------------------------------------------------------------------
о 1 2 3 4 5 в 7 Й 9 10
в)
Рис. 3. Переход ПрВ-ПВТР с нелинейным изменением внутренней геометрии Т-ребра и линейным изменением внешней геометрии: а) размер узкой стенки Ь и высота Т-ребра; б) размер широкой стенки а и ширина Т-ребра 1, в) полоса пропускания
1234 56789 10
Рис. 4. Переход ПрВ-ПВТР с линейным изменением внутренней геометрии Т-ребра и нелинейным изменением внешней геометрии: а) размер узкой стенки Ь и высота Т-ребра; б) размер широкой стенки а и ширина Т-ребра 1, в) полоса пропускания
0 1 2 3 4 #8 7 8 9 10 В)
Рис. 5. Переход ПрВ-ПВТР с нелинейным изменением внутренней геометрии Т-ребра и нелинейным изменением внешней геометрии: а) размер узкой стенки Ь и высота Т-ребра; б) размер широкой стенки а и ширина Т-ребраД в) полоса пропускания
Как следует из иллюстрационного материала, приведенного на рис. 3, согласующие переходы с линейным изменением внешнего профиля перехода и нелинейным изменением геометрии Т-выступа обеспечивают прохождение СВЧ мощности во всем доминантном диапазоне длин волн прямоугольного волновода. Однако у данных переходов наблюдается достаточно быстрое шмемемме профиля Т-ребра во входной части перехода в направлении распространения волны, что приводит к разному изменению волнового сопротивления Z0 и соответственно к увеличению уровня отраженной мощности. Однако существенным преимуществом данного типа переходов является удобство их изготовления.
Лучшими электродинамическими свойствами обладают согласующие переходы с линейным изменением профиля Т-ребра и нелинейным изменением внешней геометрии (рис.
4). Единственным недостатком данных переходов является сложность изготовления внешнего профиля перехода. Однако это наиболее удобный с точки зрения эксплуатационных возможностей в технике и энергетике СВЧ переход. Еще более сложный с точки зрения изготовления является согласующий переход с нелинейным изменением внешней геометрии перехода и нелинейным изменением геометрии Т-ребра. Однако его потенциальные возможности выше, чем у переходов первых двух типов, что позволяет обеспечить неотражающую передачу СВЧ мощности во всем доминантном диапазоне длин волн прямоугольного волновода.
Необходимо отмстить, что использование нелинейных переходов данного типа во многом определяется размерами входного сечения рабочей камеры СВЧ нагревательной установки на прямоугольном волноводе с Т-ребром.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коломейцев В. А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дис.. .д-ра техн. наук: 05.12.21 / СГТУ. -Саратов, 1999. - 439 с.
2. Перспективы использования прямоугольного канального волновода с Т-ребром / В.А. Коломейцев [и др.] // Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи: сб. трудов III Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 1997. - Т.2. - С. 270 - 277.
3. Коломейцев В. А. Электродинамические и тепловые характеристики СВЧ нагревательной камеры на основе сочлененного прямоугольного волновода с двумя Т-ребрами / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров // Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях: сб. трудов Всесоюз. VI науч.-практ. конф. - Саратов, 1991. - С. 161-163.
Коломейцев Вячеслав Александрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Хамидуллин Артур Фарухович -
аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.
Железов Антон Анатольевич -
студент кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.
Ковряков Павел Валерьевич -
аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.
Vyacheslav A. Kolomeitsev -
Dr. Sc., Professor Department of Radiotechnics,
Gagarin Saratov State Technical University
Artur Ph. Khamidullin -
Postgraduate
Department of Radiotechnics,
Gagarin Saratov State Technical University
Anton A. Zhelezov -
Student
Department of Radiotechnics,
Gagarin Saratov State Technical University
Pavel V. Kovryakov -
Postgraduate
Department of Radiotechnics,
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 19.05.12, принята к опубликованию 18.06.12
