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

средственно связаны с электрическими и магнитными свойствами материала на данной частоте.

Во всех СВЧ-системах поглощенная мощность, отне­ сенная к величине подведенной мощности, и глубина, на которую эта мощность проникает, определяются тремя

метрией СВЧ-системы. Наиболее простым случаем яв­ ляется система, представляющая собой неограниченную среду, в которой распространяется плоская волна. Если б мал, то глубина проникновения мощности \/е опре­

имеющиеся аномалии обусловливаются размерами мате­ риала и "его тепловыми характеристиками. Однако теоре­ тически можно решить все задачи, связанные с нагревом материала в поле резонатора, если известны диэлектри­ ческие свойства материала. Хорошим примером является расстойка теста. В этом случае материал ведет себя как однородный ^расширяющийся диэлектрик; дляшспарения требуется лишь небольшая величина энергии'вследствие необходимости в малом повышении температуры. В этих условиях однородность нагрева получить гораздо легче, чем в случае нагрева листовых материалов, пропускае­ мых через волноводные СВЧ-системы с бегущей волной.

В работе [2] дан исчерпывающий анализ меандровой волноводной системы для случая, когда волна слабо свя­ зана с нагрузкой в основном для листовых материалов. Для материалов с большими потерями, как указано в 12], необходимо получить функцию распространения волны при решении задачи о граничных условиях. Это было сде­ лано в работе [3] и выразилось в виде нелинейных урав­ нений, которые были решены методом итераций на счет­ ной машине [4]. Результаты хорошо согласуются с из­ вестными решениями методом возмущений для случая частично нагруженного волновода [5, 6]. Этим методом можно воспользоваться для измерения диэлектрических свойств образцов, подвешенных или передвигающихся внут­ ри волновода.

П. Техника частично нагруженных волноводов

Следуя Альтману 15],* можно показать, что постоянная распросгранения нагруженного волновода у, которую принято записывать в виде а + / Р , имеет составляющие

( 1)

(2)

где а0 и р0 —соответственно постоянная затухания и фазовая постоянная данного волновода; Д5 и 5 соответ­ ствуют площадям поперечного сечения образца и волно­ вода, как показано на фиг. 1, а и б; — длина волны в

незаполненном волноводе. Как а, так и р можно измерить на СВЧ-мосте Бачанана [7].

Решение основывается на предположении, что энер­ гия в волноводе незначительно изменяется при наличии материала и что взаимодействие происходит на основном типе волны. Указанное изменение получается за счет перераспределения поля, вызванного б7, и за счет погло­ щения', обусловленного е". На фиг. 2 показан диапазон линейности величины а для случаев е" = 0,35 и 0,2,

при этом сравнение ведется между точным решением 13] и уравнением (2). Измерение линейности легко осуществ­ ляется при изменении частоты маломощного генератора, питающего мост. В общем случае необходимо так выбрать Н/а и длину образца, чтобы получить величины затухания,

поддающиеся измерению в контрольном плече моста. Преимущество указанной методики размещения об­

разца состоит в том, что контакт с металлическими стен­ ками исключен и, если требуется, можно использовать изолированные камеры. Таким образом, обходятся тре­ бования прецизионной машинной обработки и влияние поверхностной конденсации. Далее, образец, помещенный в волновод, может быть доступным для контролируемой окружающей среды, что невозможно в большинстве обыч-

можно показать, связана с перераспределением поля при различных условиях (фиг. 3). Поле концентрируется в области больших е'; а может изменяться со временем,

Отношение толщиныматериалакшириневолновода Ь/а

Фи г . 2 . Зависимость поглощенияТот коэффициента заполнения для листового материала, расположенного в волноводе, как пока­ зано на фиг. 1 ,а .

Рабочая частота 915 Мгц. Отмеченные экспериментальные значения были изме­ рены на образцах, помещенных в действующую волноводную систему при т — = 0,06 и Т = 27 °С. На нижнем семействе кривых кружками отмечены случаи е' = 2,4 и 6 при Н/а = 0,2, полученные машинным расчетом решения задачи

например когда капля воды диффундирует в поры мате­ риала. Это может служить одной из иллюстраций того, что называют проблемой предыстории — образцы не мо­ гут долго сохраняться в предшествующем физическом состоянии вследствие естественного стремления к какомуто уровню влажности.

хуже ±3% . Так как в мосте используются коаксиальные линии, следует принимать меры, чтобы избежать ошибок, вызванных фазовыми сдвигами из-за изгибания линий. Один из путей решения этой задачи состоит в использова­ нии полужесткой коаксиальной линии. При этом точность может быть повышена до значений, лучших 1%.

Для Л/а < 0,1 расчет, проведенный на базе теории возмущений, приводит к ошибке порядка 0,15 дб/м (или 2,55%) для в" = 0,1. Эта ошибка уменьшается с увели­ чением в" Все сказанное выше относится к значениям

е' < 8.

На частотах, лежащих в низкочастотной части диапа­ зона СВЧ, волноводный мост становится слишком боль­ шим/ а при использовании для всех компонентов коак-

спальных линий приходится жертвовать точностью. На практике для частоты 915 Мгц приемлемый компромисс

был найден при использовании основной меандровой вол­ новодной системы, согласованной с обоих концов с коак­ сиальными линиями. Вместо относительно толстых об­ разцов малой ширины можно использовать тонкие образ­ цы материала, но имеющие большую поверхность, что дает эквивалентный средний эффект (высокое значение а для малого А 5/5). При проведении относительных измерений можно обойтись без большинства систем, выделяющих значения а 0, а точные прямые измерения а дадут средние значения е" (фиг. 4). При условии предохранения мало­ мощных детекторов во время цикла СВЧ-нагрева можно подключить измерительную систему непосредственно к ра­ бочему меандровому волноводу. Как правило, ошибка не превышает ±20% с воспроизводимостью ±10% . Это до­ статочно для определения отклонений в ходе процесса и распознавания нежелательных эффектов вследствие концентрации или образования складчатого скопления материала и других неоднородностей нагрева..I

III. Некоторые экспериментальные результаты

Результаты экспериментов, показанные на фиг. 5 и 6, относятся к образцам древесины мягкой породы — дугласовой пихты. Эти результаты демонстрируют положитель­ ный температурный коэффициент ге древесины с низким

содержанием влаги. Для древесины в ее естественном со­ стоянии переход наблюдается примерно при 13%-ном содержании влаги. При низких значениях т на частоте 2,45 Ггц скорость увеличения составит 2% на 1 °С.

Другие материалы, например, твердые породы, дают по­ хожие результаты, каждый из которых важен для опре­ деления возможности выравнивания уровня влажности в неравномерно высушенных перед СВЧ-сушкой материа­ лах.

В работе ПО] сообщаются данные о диэлектрических свойствах ломтиков очищенного картофеля при фиксиро­ ванных Т, т и /. При этом использовалась методика ра­

боты [11]. Из полученных в [10] результатов видно, что на частоте 1 Ггц д&"1дт меньше, чем на частоте 3 Ггц.

Температура,0С

в" увеличивается с температурой при любых содержаниях влаги, представляющих интерес, и при обеих частотах, как и для большинства смешанных диэлектриков, ре­ зультаты сложны и их трудно анализировать; концентра­ ция растворенных солей и их подвижность должны, повидимому, иметь особое значение. Мы исследовали влия­ ние естественных воздушных включений, которые всегда присутствуют при сушке ломтиков, измеряя параметр в" у образцов, взятых из производственной линии предва­ рительной сушки, дг"/дт и е" также имеют явно выражен­ ный рост с увеличением. температуры (фиг. 7), однако величина в" уменьшается на порядок в сравнении со зна­ чением е" для целого картофеля. Низкая частота, очевид­ но, более подходит для стабильного СВЧ-нагрева, однако