книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

14.А з а ш 1 У., Мкголуауе ргорабаНоп 1П зпо\уу сИзЫск, Ларап, Кез. 1пзГ. Арр1. Е1ес., НоккаЫо 1Лшу., рр. 20—68, 1958.

15.V о з з №. А. О., РасГогз аГГесИп^ 1Ье орегаМоп о! Ы§Ь ро\уег

17.§ к а а г С., ТЬе 01е1ес(пс РгорегПез оГ №оо6 а! Зеуега! Ка(Ио Ргеяиепспез, ТесЬ. РиЫ. 69, N. У. ЗГаГе СоПе^е оГ Рогез1гу,

35.В г о \у п 3. Ь., М1Сго\уауе Огут§-Апо1Ьег Ас1уапсе 1П Соуегйгу Со1оиг, Соуеп1гу Еуешп^ Те1ебгарЬ-Соуеп1гу 5Ы ., р. 2, Арп1 1967

36.В а г 1 о п О. М., ТЬе РЬепоНсз оГ 1Ьгее АМез^егп СапаЩап сош-

1егз, 1п Р1ап1 РНепоНсз апс! ТЬе1г йпЛизЫа! З^шПсапсе, (Зутр. Ргас. оГ Н1е Р1ап1з РЬепоПсз Огоир оГ Ыог1К А тепса), Оге^оп ЗЫ е ишуегзйу, СогпуаШз Оге§оп, рр. 59—80, Аи^из* 1962.

5 . 1 . 1 8 . О Б Р А Б О Т К А Л И С Т О В Ы Х Д И Э Л Е К Т Р И К О В

Ви л ь я м с , В а р н е р

I. Общее описание СВЧ-систем

СВЧ-система — это устройство, которое передает мощ­ ность, поступающую от передающей линии, к обрабаты­ ваемым материалам. Это нужно делать с минимальными потерями мощности и отражениями. В этом разделе опи­ сываются специальные установки для1обработки гладких листов. В настоящее время СВЧ-установки обычно пред­ ставляют собой нагруженные или ненагруженные пере­ дающие линии, резонаторы или антенны. Поскольку по­ тери мощности ^изменяются прямо пропорционально по­ верхности СВЧ-системы, а полезная энергия сосредото­ чена только вблизи места обработки, очевидно, что сле­ дует избегать любого удлинения или расширения системы сверх величин, необходимых для работы. Следовательно, конструкция должна быть насколько возможно прямой, поэтому мы ограничимся практически рассмотрением пе­ редающих линий (согласованных или резонансных) и плоских резонаторов. Теоретические аспекты обобщенных СВЧ-установок такого типа рассмотрены в работе [1].

А. Системы со стоячей волной. Если система заканчи­ вается отражателем, то в ней будет иметь место интерфе­ ренция волн, иначе — стоячие волны. Одновременно мо­ жет существовать одна или несколько стоячих волн, по­ добно тому как в музыкальном инструменте существуют одновременно много обертонов. Примерами таких систем являются одновидовый и многовидовый резонаторы и резб-

волновода (фиг. 1), МОЖНО вычислить довольно точно по

формуле

2450 Мгц, мощность, поглощаемая диэлектриком, выра­

жается в виде

Положим, что типичная величина для интересую­ щих нас материалов приблизительно равна единице. Тогда часть мощности, поглощаемой материалом на 1 см

8 : 1 . При использовании волновода с «половинной высо­ той», т. е. волновода с отношением сторон 4 : 1 , плот­ ность мощности в помещенном в волновод диэлектрике удваивается. Однако если диэлектрический материал пропускается через волновод в виде непрерывной пласти­ ны, то увеличения плотности мощности на единицу по­ верхности материала не происходит, так как только поло­ вина поверхности используется за единицу времени (по сравнению с обычным волноводом с отношениями сторон 2 : 1 , — Прим, перев,). Несмотря на это, использование

волноводов с «половинной высотой» может сэкономить пространство (и материал) в СВЧустройствах, в которых используется много секций щелевых волноводов.

Размеры щели некритичны и не ограничены жестко, однако следует рассмотреть влияние некоторых факторов. Например, длина щели в волноводе может быть бесконеч­ но большой, но при этом возникают механические ограни­

другой) улучшается. Действительно, при добавлении всего лишь еще одной секции (фиг. 2), указанная разница в нагреве окажется меньше 3%. Использование добавоч­ ных секций уменьшает неоднородность до величин, мень­ ших 3%, при условии, что общее число секций четное. Нечетное число секций приводит к большей неоднородно­

сти, и чтобы ее уменьшить, приходится применять очень много секций. Например, разница в нагреве (от стороны к стороне) составляет более 5% для пяти секций и более 3,5% для девяти секций.

Очевидно, диэлектрические материалы с высоким коэф­ фициентом потерь нельзя обрабатывать в последователь­ но соединенных волноводных системах. В таком случае вся поступающая мощность поглотится при одном про­ хождении через ширину материала. Материалы этой ка­ тегории можно распознавать, проведя измерения началь­ ных потерь (обычно на низком уровне мощности).

Другой фактор следует принять во внимание, когда при обработке используется не непрерывная подача материала, а ступенчатая. Зная, каким образом СВЧ-энергия пере­ дается из волновода диэлектрическому материалу, а так­ же принимая во внимание, что каждая секция СВЧ-систе- мы присоединена последовательно, можно опасаться, что будет иметь место неравномерная передача энергии мате­ риалу по его длине. Это наблюдается на практике, когда

Фи г . 3. Распределение энергии при ступенчатой подаче материала в 8-секционной системе с затуханием на сек­ цию 1 д б .

1„ — длина шага подачи и / — длина системы в направлении по­ дачи.

участок материала, находящийся ближе к СВЧ-источни- ку, потребляет большую энергию, чем более удаленные участки (независимо от направления подачи материала).

Распределение поглощенной энергии по длине иллю­ стрируется на фиг. 3. Отметим, что наихудшие условия получаются в том случае, когда длина материала равна длине секции СВЧ-системы. В непрерывно протекающем процессе только начальные или конечные области листа получают энергию больше или меньше средней, поглощае­ мой материалом (в зависимости от направления подачи материала). Поскольку это составляет незначительный процент общей плошади обрабатываемого *матернала, можно смириться с его потерями или потерями его каче­

ства. Однако если используется подача отдельными сту­ пенями, то эту неравномерность в обработке допускать нельзя.

Для решения задачи очевидны два пути. В принципе можно программировать как величину СВЧ-мощности, так и скорость конвейера для выравнивания энергии, передаваемой материалу. Указанные средства легко обе­ спечить электронным управлением.

Неравномерность в нагреве может также наблюдаться, когда имеются неоднородности в волноводной системе. Например, плохо выполненные 11-образные изгибы или плохо согласованная нагрузка могут привести к образо­ ванию стоячих волн. К. с. в. н., равный 1,2, приводит к изменению поглощения мощности в 1,44 раза. Такая вариация уровня мощности (44%) была бы недопустима во многих применениях.

Г. Измерение параметров системы. Для определения параметров системы, заполненной различными материала­ ми, которые неподвижны или подаются с различными скоростями, конвейера, требуется минимум измеритель­ ных средств. Во-первых, измеритель падающей мощности, подключенный вместо согласованной нагрузки, можно использовать для определения количества неиспользован­ ной (потерянной) мощности, поступающей к точке подклю­ чения согласованной нагрузки. Зная величину мощности, поступающей от генератора (или предварительно опреде­ лив ее, помещая измеритель мощности на вход системы), можно легко определить величину мощности, переданную диэлектрическому материалу, пренебрегая потерями в са­ мом волноводе. Поскольку материал, проходящий через волновод, не может являться идеальной нагрузкой,* луч­ ше определять как падающую, так и отраженную мощ­ ности на входном конце системы. Истинная мощность, поступающая в систему, определится тогда как разность показаний прибора. Такое уточнение нет необходимости делать йа выходном конце системы, где используется хорошо согласованная нагрузка, поскольку ее величина