Разработка кольцевого перестраиваемого резонатора 2450±50 МГц

Разработан кольцевой резонатор с рабочей частотой (2450 ± 50) МГц для проточной обработки жидких и сыпучих материалов, имеющий систему перестройки резонансной частоты. Рассмотрены методы высокотемпературного нагрева, а также преимущества использования СВЧ-излучения при тепловой обработке различных материалов. Рассчитаны параметры кольцевого резонатора. Разработана система перестройки рабочей частоты кольцевого резонатора.

Для проточной обработки жидких и сыпучих диэлектриков предложено кольцевое устройство резонаторного типа, рассчитанное и промоделированное с применением пакета прикладных программ CST Microwave Studio. Расчетная модель показана на рис.1, 2. Устройство представляет собой два параллельных друг другу прямоугольных волновода сечениями 90x45 мм², длиной 234 мм и толщиной стенок 5 мм, соединенных с обеих сторон двумя поворотными участками на 180^o того же сечения меньшим радиусом 45 мм и большим радиусом 135 мм.

В центре одного из прямолинейных волноводов присутствует отверстие радиусом 26 мм. С обеих сторон отверстия расположены запредельные волноводы цилиндрической формы длиной 70 мм, радиусами 26 мм, толщиной стенки 3 мм. На противоположном прямолинейном волноводе расположен подводящий СВЧ-мощность прямоугольный волновод 90х45 мм² с односторонней индуктивной диафрагмой. Длина волновода 50 мм. Диафрагма имеет прямоугольную форму, ширина может варьироваться от 0 до 40 мм, высота 45 мм, толщина 5 мм.

Рис. 1. Внешний вид модели кольцевого резонатора

Рис. 2. Кольцевой резонатор в разрезе

Разработана модель резонатора с волноводной нагрузкой № 1. Расчетная модель показана на рис.3. В центре одного из прямолинейных волноводов присутствует отверстие радиусом 26 мм. С обеих сторон отверстия расположены запредельные волноводы цилиндрической формы длиной 70 мм, радиусами 26 мм, толщиной стенки 3 мм. В запредельных волноводах установлена керамическая алундовая трубка диаметром 52 мм с обрабатываемым материалом. Материал трубки имеет диэлектрическую проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь . Нагрузка моделировалась в виде заполняющим трубку объектом с диэлектрическими проницаемостями ,, , , , тангенсом угла диэлектрических потерь .

Разработана модель резонатора с волноводной нагрузкой № 2. Расчетная модель показана на рис.4. В запредельных волноводах установлена керамическая алундовая трубка диаметром 30 мм с обрабатываемым материалом. Нагрузка моделировалась в виде заполняющим трубку объектом с диэлектрическими проницаемостями , , , тангенсом угла диэлектрических потерь .

Рис. 4. Расчетная модель волноводной нагрузки

В ходе работы было проведено численное моделирование кольцевого резонатора с нагрузкой № 1. При изменении диэлектрической проницаемости нагрузки резонансная частота f_рез рабочей камеры меняется в пределах Δ f_рез равной 45МГц. После полученных расчетов в качестве системы перестройки рабочей частоты кольцевого резонатора предложено устройство на основе фторопластовой пластины, являющееся аналогом пластинчатого волноводного фазовращателя. Материал пластины — фторопласт, диэлектрическая проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь . Размеры пластины: длина 140 мм, высота 43 мм, толщина пластины t = 10 мм. Пластина расположена в центре одного из прямолинейных волноводных участков резонатора, напротив окна связи с подводящим волноводом. Для уменьшения искажений бегущих по волноводу волн пластина сделана со скошенными под углами 30˚ торцами. В начальном положении она прижата к узкой стенке прямолинейной волноводной секции резонатора, противоположной окну связи. Диапазон перемещения пластины составляет 0…40 мм.

Были исследованы параметры перестраиваемого резонатора с нагрузкой 1. Выполнено численное моделирование резонатора при различных положениях пластины при толщине пластины 10 мм. При всех использованных характеристиках нагрузки полученный диапазон регулировки резонансной частоты рабочей камеры не превышает 25 МГц, что представляется недостаточным для обеспечения надежной работы устройства в рабочем диапазоне частот при различном значении диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала.

Для увеличения диапазона регулировки частоты резонатора было выполнено численное моделирование параметром рабочей камеры с увеличенными размерами пластины. Варьировались толщина пластины и длина пластины. При длине пластины больше 210 мм прямолинейные участки резонатора удлинялись таким образом, чтобы их длина была на 2 мм больше длины пластины. Выполнено численное моделирование резонатора с нагрузкой 1 при различных положениях пластины с несколькими вариантами диэлектрической проницаемости нагрузки: , , при толщине пластины 20 мм; при толщине пластины 25 мм и 30 мм, а также резонатора с нагрузкой 2 при диэлектрической проницаемости нагрузки: , , при толщине пластины 20 мм; при толщине пластины 25 мм и 30 мм.

В результате проведенного моделирования установлено, что изменение толщины пластины не приводит к существенному улучшения диапазона перестройки резонансной частоты рабочей камеры. После полученных значений были исследованы характеристики рабочей камеры с удлиненной пластиной. Выполнено численное моделирование резонатора с нагрузкой 2 при различных положениях пластины с несколькими вариантами диэлектрической проницаемости нагрузки: при длине пластины 210 мм, толщине 20 мм; при длине пластины 210 мм, толщине 20 мм; при длине пластины 210 мм, толщине 20 мм. Для всех диэлектрических проницаемостей нагрузки достигнут диапазон перестройки частоты не менее 43 МГц. При этом коэффициент отражения от входа при малых значениях перемещения пластины превышает приемлемые значения.

Выполнено численное моделирование резонатора с нагрузкой 1 при различных положениях пластины с несколькими вариантами диэлектрической проницаемости нагрузки: с пластиной длиной 210 мм, толщиной 20 мм; при длине прямолинейного участка резонатора 262 мм с пластиной длиной 260мм, толщиной 20 мм; при длине прямолинейного участка 312 мм с пластиной длиной 310 мм, толщиной 20 мм.

Из результатов проведенного моделирования следует, что для нагрузки 1 при длине пластины 210 мм и 260 мм достигнут диапазон перестройки частоты, составляющий около 70 МГц. При длине пластины 310 мм удалось получить ситуации когда диапазоны регулировки 2-х соседних видов колебаний, принадлежащих рабочему диапазону частот (2450 ± 50) МГц, составляют 69 МГц и 93 МГц соответственно, причем диапазоны регулировки перекрываются, обеспечивая возможность перестройки резонансной частоты в диапазоне 149 МГц, что со значительным запасом перекрывает всю рабочую область. При этом коэффициент отражения от входа в ряде случаев превышает приемлемые значения.

Литература:

1. Н. П. Собенин, О. С. Милованов. Техника сверхвысоких частот. М.: Энергоатомиздат. 2007 г.
2. Крэйт Ф., БлэкУ. Основы теплопередачи: пер. с англ. / Под ред. Н. А. Анфимова. М.: Мир, 1983, с 512.
3. Clemens J. and Saltiel C. Int. // Heat Mass Transfer. 1996. V. 39. 1665–1675.