Технические науки / 6.Электротехника и радиоэлектроника

Д.т.н. Кисмерешкин В.П., к.ф.-м.н. Лобова Г.Н.,

к.т.н. Риттер Д.В., Дударев А.В.

Омский государственный технический университет, Россия

О системе распределения энергии

при облучении поверхностей

Равномерное распределение СВЧ-поля на площади требуемой конфигурации является актуальной задачей. Такие технические приложения как равномерное облучение протяженных цилиндрических (внешней или внутренней) и плоских поверхностей достаточно часто встречаются в решении многих инженерных задач. К таким задачам следует отнести нагрев или облучение жидких нефтепродуктов для снижения вязкости, локальный нагрев или облучение потока жидкости в трубопроводе, сушка органических материалов, облучение посевов и т.д.

Обычно в СВЧ диапазоне нагрев осуществляют рядом облучателей рупорных или щелевых с помощью прямоугольного волновода. Указанная система распределения оказывается весьма металлоемкой и дорогостоящей. Кроме того, равномерность распределения энергии оставляет желать лучшего.

В данном сообщении предлагается систему распределения энергии строить на основе нитевидного коллинеарного излучателя [1]. Нитевидный излучатель выполняют в виде коллинеарной антенной решетки с равномерным распределением поля, возбуждаемой открытым резонатором. Такой резонатор образован волноводом поверхностных волн и парой параллельных зеркал, каждое из которых установлено на концах волновода (рис.1).

Предлагаемое построение системы распределения энергии представляется нам оптимальным по следующим соображениям. Прежде всего, этот облучатель на основе поверхностного волновода, в принципе, не ограничен по длине. Распределение электромагнитного поля по длине излучателя может быть выполнено любым. Плоскость поляризации излучаемого поля лежит в плоскости провода. Так как излучатель представляет собой коллинеарную решетку, то в плоскости, ортогональной проводу волновода, имеет место всенаправленное излучение. Таким образом, нитевидный излучатель является идеальной конструкцией как для применения в чистом виде, так и в качестве облучателя для отражателей в виде цилиндров.

Ниже рассмотрим основные особенности построения СВЧ установок с использованием поверхностного волновода.

Основным звеном в предлагаемых системах распределения (концентрации) энергии является нитевидный излучатель. Излучатель состоит из провода с диэлектрическим покрытием, в котором возбуждают поверхностную волну. Провод по обе стороны замкнут на плоские проводящие зеркала, а его возбуждение осуществлено сосредоточенно в конструктивно удобном месте волновода.. По длине волновода установлены переизлучатели в виде соосных с проводом трубчатых цилиндров, образующих в совокупности антенную решетку. С помощью коэффициентов связи достигают требуемого распределения поля вдоль решетки. Таким образом образуется всенаправленный нитевидный излучатель, вектор напряженности электрического поля которого колеблется в плоскости провода, а его длина L определяется количеством переизлучателей и расстоянием между ними (L=Nхd). Описанный нитевидный излучатель может использоваться как самостоятельно, так и в совокупности с тем или иным рефлектором.

Прежде всего, рассмотрим нитевидный излучатель в качестве самостоятельной антенны, обладающей всенаправленными свойствами в плоскости, ортогональной проводу, и сжатой характеристикой направленности в плоскости провода. Опуская задачи радиосвязные, остановимся на ряде промышленных установок СВЧ-нагрева. В частности, разогрев нефти в цистернах. С этой целью разрабатывают зонд, в основе которого имеется однопроводный волновод с переизлучателями, который вводят в разогреваемую среду.

Количество зондов, начальная и конечная температуры, а также подводимая мощность будут определять время разогрева до определенной вязкости.

Аналогично, возможно использование нитевидного излучателя для сыпучих органических продуктов и слабопроводящих сред.

Представляется полезным использование нитевидного излучателя в качестве облучателя рефлектора в виде параболического цилиндра (рис.2).

В этом случае мы получаем направленный поток мощности, определяемый в сечении длиной антенной решетки и размером раскрыва параболы, образующей цилиндр. Такое решение позволяет проектировать СВЧ-установки для сушки древесины, отходов ее обработки и т.п. При этом, стоимость установок и их металлоемкость существенно ниже традиционных, где распределение энергии осуществляют волноводами с рупорными или щелевыми излучателями.

Использование нитевидного излучателя оказывается возможным и в эллиптическом цилиндре, обладающим, как известно, двумя фокальными осями (рис.3).

В этом случае вдоль одной фокальной оси прокладывают нитевидный излучатель, а в окрестности второй оси фокусируется излучаемая энергия. Это позволяет, разместив вдоль второй фокальной оси диэлектрический трубопровод, пропускать те или иные жидкости, предназначенные для облучения. Преимущества данной системы несомненны. Прежде всего, это замкнутость электромагнитного поля. Другое преимущество состоит в высокой концентрации поля на второй фокальной оси.

Таким образом, распределение энергии на поверхности целесообразно осуществлять с использованием волновода поверхностных волн в виде провода с диэлектрическим покрытием. Такие преимущества, как простота волновода, возможность сосредоточенного возбуждения в любых точках по его длине рядом независимых источников СВЧ энергии, возможность реализации отрытого резонатора позволяют создавать оптимальные конструктивные решения для различных задач промышленности.

Литература:

1.Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Вибраторная решетка. Патент № 2190907.

2.Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Устройство возбуждения поверхностной волны. Патент на изобретение № 2144720.

3. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н., Риттер Д.В. Сверхвысокочастотный промышленный нагрев с помощью открытых волноводов / Динамика систем, механизмов и машин. Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. 10-12 ноября. Книга 3. Изд-во ОмГТУ, 2009. С.306 - 309.