СВЧ-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноводных структур

Актуальность темы

.

В основе многих технологий современного производства продукции различного назначения лежит термообработка материалов. Одним из перспективных направлений улучшения^ качества термообработки диэлектрических материалов является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. СВЧтехнологии нагрева и сушки* диэлектрических материалов являются высокоэффективными экологически чистыми технологиями высокого уровня.

При этом к СВЧ' нагревательным устройствам предъявляется ряд требований: они должны при минимальной металлоемкости конструкции обеспечивать высокотемпературный, интенсивный и равномерный нагрев поглощающих материалов.

Как правило, эти требования^ удовлетворяются выбором соответствующих значений таких параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ, как критическая длина волны основного типа, широкополосность, глубина проникновения и напряженность поля в области взаимодействия.

Применяющиеся в настоящее время в качестве рабочих камер СВЧ простые волноведущие структуры хотя и являются хорошо изученными и простыми в изготовлении, но в ряде случаев, не могут удовлетворить предъявляемым требованиям.

Одним из путей расширения функциональных возможностей СВЧ нагревательных устройств является применение линий передачи сложных сечений, и в первую очередь, квазистационарных волноводов.

Анализ возможностей волноводов сложных сечений [1−8] показывает, что они могут обеспечить равномерность нагрева в широком интервале изменения диэлектрической проницаемости материалов, получить однородное распределение тепловых источников в области взаимодействия не только в поперечном сечения камеры, но и по длине системы, интенсифицировать процесс за счет высокой напряженности электрического поля в емкостного зазоре, куда можетзагружаться нагреваемый объект, снизить металлоемкость конструкций рабочих камер СВЧ. Последнее особенно существенно при создание малогабаритных СВЧ-нагревательных устройств равномерного нагрева на частотах 433 и 915 МГЦ.

Разработка ипроектирование рабочих камер СВЧ нагревательных устройств на основе волноводов сложных сечений" связаны с задачей исследования электромагнитных процессов в волноводах и резонаторах с частичным поглощающим заполнением. При этом экспериментальные методы изучения данных процессов зачастую являются весьма дорогостоящими, а строгий математический аппарат, позволяющий аналитически проводить расчет, еще не разработан. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмов и пакетов программ численных методов расчета, электродинамических структур.

Цель и задачи диссертационной работы.,.

Целью диссертационной работы является создание двумерных и трехмерных математических моделей процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими ЭМГ мощность материалами, описывающие электродинамические свойства СВЧ-устройств волноводного и резонаторного типов с частичным поглощающим заполнением. Разработка алгоритма и комплекса программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для сложных электродинамических СВЧ-устройств на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения частично заполненных произвольным диэлектрическим материалом. Проведение комплексных исследований электродинамических свойств квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения цилиндрической формы и резонаторов с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных СВЧустройств поглощающего типа с равномерным нагревом поглотителя.

Методы исследования.

Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод конечных разностей, метод конечных элементов с применением векторных базисных функций с использованием принципа Галеркина и метода взвешенных невязок, объектно-ориентированные методы вычислений, линейная алгебра, метод эквивалентных схем^ методы математической физики, принцип поляризационной двойственности.

Научная новизна работы.

— предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧустройствах волноводного и резонаторного типов;

— разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в СВЧ нагревательных устройствах волноводного и* резонаторного типов, позволяющая описать электродинамические свойства СВЧ-устройств волноводного иs резонаторного типов с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением;

— разработаны эффективные алгоритмы и комплекс программ численного решения внутренней краевой: задачи электродинамики для произвольных волноводных и: резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением методами конечных разностей и конечных элементов, позволяющие проводить комплексные исследования? электродинамических свойств данных структур;

— проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением на примере подковообразного, секторного и якорного волноводов и их сравнение с ранееисследованными Пволноводом и прямоугольным волноводом с Требром;

— исследованы дисперсионные зависимости: собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в частично заполненных диэлектриком с потерями волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы: секторного и? якорного;

— исследованы* структурыэлектромагнитного поля" и собственные электродинамические параметры прямоугольного? резонатора с частичнымдиэлектрическим: заполнением при различных значениях относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала;

— исследованы структуры электромагнитного" поля и собственные электродинамические параметры резонатора, выполненного^ на отрезке Пволновода с частичным диэлектрическим заполнением.

Практическая значимость работы заключается в^следующем: -даны практические рекомендации по оптимизации методовчисленного расчета (метод конечных элементов и метод конечных разностей) рабочих камер СВЧустройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов выполненных на основе отрезков! нерегулярных квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения и резонаторных систем с частичным диэлектрическим или поглощающими заполнением;

— даны практические рекомендации по использованию^ квазистационарных волноводов: сложного сечения цилиндрического профиля" в качестве базовых элементов рабочих камер нового перспективного: класса малогабаритных СВЧустройствравномерного нагрева различных диэлектрических материалов-, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в* процессе нагрева, а также в качестве малогабаритных, широкополосных поглощающих элементов технике СВЧ;

— разработаны конструкции базовых элементов рабочих камер малогабаритных, высокоэффективных, с высоким темпом нагрева СВЧустройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе отрезковквазистационарных нерегулярных волноводов цилиндрического профилятаких как: секторный и якорный волноводы;

— даньи практические рекомендации по повышению уровня равномерности? нагрева произвольных диэлектрических материаловобладающих определенными джоулевыми потерями? в СВЧ-устройствах резонаторного типа, включая микроволновые устройства бытового назначения;

— даны практические рекомендации^ по оптимизацииалгоритма численного решения внутренней краевойзадачи электродинамики различных СВЧустройств (аттенюатора, оконечные, согласованные нагрузки и др.) и автоматизации процесса обработки исходных и выходных данных-:

— результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках, проводимых в Саратовском государственном: техническом университете, в учебном процессе на кафедре Радиотехникиа также в Саратовском филиале института радиотехники и электроники РАН РФ и на предприятияхГНПП «Алмаз-Фазатрон?', СЭПО (Саратовское электроагрегатное производственное объединение), КБ «Электроприбор'' (г.Саратов).

Апробация работы.

Работы выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета, в период с 2000.

2004гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:

— международной научно-технической: конференции «Проблемы управления и связи», СГТУ, Саратов, 2000;

— XV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ТГУ, Тамбов- 2002.

— международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», ФГУП «НПП Контакт», Саратов, 2003.

— международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», СГТУ, Саратов, 2004.

Публикации.

По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, имеющих подразделения, заключения, списка литературы и двух приложений. Диссертации изложена на 231 страницах, из: них 154 страниц с текстом, 77 -с рисунками.

Список литературы

содержит 102 наименования и изложен на 13 страницах.

В работе осуществлено решение актуальной научно технической задачи по созданию моделей и критериев, позволяющих обеспечить однородную плотность рассеиваемой СВЧ мощности в диэлектрических материалах при частичном заполнении волноводов L сложных сечений и резонаторов. В данном разделе изложены основные выводы и результаты диссертационной работы./ Г. Предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.2.Разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в GB4 нагревательных установках волноводного и резонаторного типов, и показано, что решение ВКЗЭ для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением базируется на решении? системы* уравнений Максвелла.З.На основе проведенного обзора методов решения ВКЗЭ для произвольных волноводных Hi резонаторных структур с частичным Д диэлектрическим и поглощающим заполнением были выбраны эффективные численные методы решения ВКЗЭМКР и МКЭ.

4.Разработаны алгоритмы решения ВКЗЭ для произвольных волноводных или резонаторных структур с частичным диэлектрическим и поглощающим заполнением методами конечных разностей и конечных элементов.5.Разработан комплекс программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики, позволяющий проводить комплексный анализ диапазонных свойств, собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическимили поглощающим заполнением методами конечных элементов с применением векторных функций формы и конечных разностей.б.На основе проведенного тестирования пакета программ численногоУ^ решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением МКР и МКЭ установлено, что погрешность расчета собственных электродинамических параметров произвольных волноводных и резонаторных структур с произвольным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалом не превышает 2:5%- У. Показано, что* применение векторных базисных функций в МКЭ^ позволяет избежать появление ложных решений внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных электродинамических структур с частичным заполнением.8.Проведено исследование диапазонных свойств полых BGC со /^ скругленным емкостным зазором на примере секторного и якорного волноводов и установлено, что якорный волновод за^ счет расширения областей над Т-образным выступомобладает более высокими значениями критической длины волны" основного типа и коэффициента широкополосности в сравнении с секторным волноводом:

9.Установлено, что^ секторный и якорный волноводы за счет увеличения ширины емкостного зазора обладают более высокими значениями критических длин волн основного и первого высшеготиповчем Пволновод и прямоугольный волновод с Требромчто позволяет снижать габариты СВЧустройств на основе GB и ЯВ.

10.Проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим, заполнением на примере секторного, якорного и подковообразного Vr волноводов, установлено, что в сравнении с Пволноводом и прямоугольным волноводом с Требром ВСС соскругленным емкостным, зазором обладают болеевысокими значениями критических длин волн основного типа, что позволяет уменьшать габариты рабочих камер СВЧнагревательных установок на фиксированной длине волны.11 .На основе проведенного исследованияструктуры электромагнитного поля в области быстрых волн в волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением напримере секторного и якорного Р волноводов установлено, что для обеспечения однородности электрического поля в объеме жидкого или сыпучего материала в РК j^t GB4- нагревательных установок волноводного типа на^ основе секторного и якорного волноводов, обрабатываемой материал должен занимать емкостной зазора по уровню середины волновода.12.Проведено исследование дисперсионных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы на примере секторного И! якорного волноводов и установлено. ЧТО' В (рабочих камерах для обработки листовых (пленочных) материалов. с большим значением действительной части относительной диэлектрической проницаемостина основе секторного и якорного волноводов главным фактором стабильности структуры электромагнитного поля в объеме: поглощающего материала становится коэффициент замедления электромагнитной* волны основного типа.13.Разработаны продольные профили рабочих камер GB4;

нагревательных установок с бегущей волной для обработки Vr жидких (сыпучих) и листовых (пленочных) материалов на основе, секторного и якорного волноводов;

14.Проведено исследование собственных электродинамических параметрови структуры электромагнитного поля первых четырех колебаний. прямоугольного резонатора с частичным диэлектрическим заполнениеми установлено, что однородное электрическое поле вобъеме диэлектрического^ материала" может быть получено путем возбуждения большего количества, колебаний с амплитудами, определяемыми требуемым уровнем нагрева обрабатываемого материала. Р 15-Проведено исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля первых трех.

1^ колебаний резонатора, выполненного на отрезке Пволновода, установлено, что данный резонатор в сравнении спрямоугольным резонатором* обладает более высокими значениямирезонансных длин волн, что позволяет уменьшать габариты рабочихкамер GB4;

нагревательных установок резонаторного типа, а" также обеспечить более однородное электрическоеполе в объеме обрабатываемого материала.16.Показано, что данные волноводы успешно могут быть использованы в метрологии СВЧ диапазона при проектировании малогабаритных измерительных линий и оконечных согласованных поглощающих нагрузок.