Пристрої формування електромагнітного надвисокочастотного випромінювання поля опромінення діелектричних сипучих матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки україни

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПРИСТРОЇ ФОРМУВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО НВЧ-ПОЛЯ ОПРОМІНЕННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ СИПУЧИХ МАТЕРІАЛІВ

ТУРОВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Київ - 2015

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі радіоконструювання та виробництва радіоапаратури Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Зіньковський Юрій Францевич,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут", професор кафедри радіоконструювання та виробництва радіоапаратури.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Козловський Валерій Валерійович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри засобів захисту інформації.

кандидат технічних наук Карушкін Микола Федорович,

Державне підприємство "Науково-дослідний інститут "Оріон",

начальник відділу

Захист відбудеться 18 травня 2015 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 1, ауд. 163.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розіслано «8» квітня 2015 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.002.14

д.т.н., професор Л.О. Уривський

АНОТАЦІЯ

Дисертаційна робота присвячена розробленню методів формування електромагнітного поля НВЧ для побудови пристроїв опромінення діелектричних сипучих матеріалів електромагнітним полем надвисоких частот, що забезпечують рівномірну обробку сировини та високу ефективність поглинання енергії поля. Запропоновано і розроблено методи формування поля в камері обробки ДСМ на основі багатократного проходження хвиль із забезпеченням поляризаційно-фазових умов їх безінтерференційного накладання, що відрізняється високою енергоефективністю та рівномірністю поля.

Для розрахунку проходження електромагнітних хвиль у камеру обробки розроблено методику визначення коефіцієнтів відбиття та проходження хвиль при падінні під довільним кутом на поляризаційно-вибіркову поверхню та на межу розділу двох середовищ, що відділяє робочу камеру від зовнішнього середовища. З метою підвищення ефективності пристрою запропоновано використовувати діелектричну узгоджувальну стінку у поєднанні з поляризаційним дзеркалом для зменшення відбиття енергії від зовнішньої стінки камери обробки.

Виконано аналіз складових елементів робочої камери -- поляризаційних дзеркал і трансполяризаційних відбивачів (роторефлекторів), для яких отримано аналітичні вирази для розрахунку відбитого поля та розроблено моделі для їх чисельного комп'ютерного моделювання.

Розроблена методика проектування оптимального варіанту випромінювача, утвореного хвилеводно-щілинною решіткою, на основі задачі виконання умов, реалізована у вигляді рекурсивного алгоритму. Запропоновано елементи випромінювання представити у вигляді еквівалентних схем теорії кіл. Виконано аналіз розподілу поля перед решіткою, за яким визначено оптимальну відстань від випромінювача до оброблюваної сировини. трансполяризаційний дзеркало хвиля енергія

Моделюванням у середовищі HFSS визначено розподіл поля у двох типах камер обробки з сировиною, виконаних на основі зустрічнорефлекторної та роторефлекторної моделей при опроміненні вісьмома та дванадцятьма опромінювальними решітками; при цьому забезпечено коефіцієнт нерівномірності розподілу щільності енергії по перетину камери обробки не більше 5%.

Ключові слова: електромагнітне поле, надвисокі частоти, сипучі діелектричні матеріали, формування розподілу поля, рівномірність поля, енергоефективність, щілинна випромінювальна решітка, камера обробки, роторефлектор, поляризаційне дзеркало.

АННОТАЦИЯ

Диссертация посвящена разработке методов формирования электромагнитного поля для построения устройств облучения диэлектрических сыпучих материалов электромагнитным полем сверхвысоких частот, обеспечивающих равномерную обработку сырья и высокую эффективность поглощения энергии.

Рассмотрено влияния энергии СВЧ поля на физические свойства и биохимический состав зерна сельскохозяйственных культур. Проведен анализ известных устройств для сушки и предпосевной обработки зерна электромагнитным полем и особенностей их построения.

Для построения эффективных камер обработки предложен принцип многоразового прохождения волн сквозь обрабатываемое сырье, который обеспечивает улучшение характеристик равномерности облучения и повышение энергоэффективности процесса. Разработан ряд моделей, реализующих предложенный метод, в которых заключение энергии в объеме камеры обработки обеспечивается вспомогательными элементами -- поляризационным зеркалом, роторефлектором, согласующей пластиной. Использование роторефлектора способствует повышению равномерности распределения поля благодаря уменьшению коэффициента стоячей волны путем изменения ориентации плоскости поляризации отраженной волны на 90.

Для расчета прохождения энергии в камеру обработки разработана методика исследования коэффициентов отражения и прохождения волн при произвольных угле падения и поляризации волны на поляризационно-избирательную поверхность и на границу раздела двух сред, отделяющую рабочую камеру от внешней среды. Проанализированы методы повышения эффективности устройства; для уменьшения отражения энергии от камеры обработки предложено использовать диэлектрическую компенсирующую стенку в сочетании с поляризационным зеркалом. Для снижения уровня мощности, покидающей рабочую камеру, ее диаметр рассчитывается достаточным для затухания волны до предельного уровня.

Выполнен анализ составляющих элементов рабочей камеры -- поляризационных зеркал (ПЗ) и трансполяризационных отражателей (роторефлекторов), для которых получены аналитические выражения или разработаны методики численно-аналитического определения рассеиваемого поля. Для ПЗ полученные зависимости описывают коэффициент отражения (прохождения) электромагнитных волн для случаев наклонного падения, когда вектор поляризации, и когда вектор магнитного поля перпендикулярен оси поляризации ПЗ. Разработаны модели численного компьютерного моделирования перечисленных элементов.

Проведено исследование влияния модуля и фазы коэффициента отражения на выходную мощность магнетронного генератора и рассмотрены пути повышения его эффективности и стабильности характеристик.

На основании анализа предложено использовать в качестве облучателя камеры обработки волноводно-щелевую решетку. Разработана методика проектирования оптимального варианта решетки с использованием алгоритма поиска с возвратом для выполнения условий предъявленных к излучателю. Излучающие щели представлены в виде П-схемы, состоящей из эквивалентных элементов теории цепей. Для сопоставления параметров щели и ее эквивалентной схемы в начале процедуры создается база данных по результатах компьютерного моделирования. Выполнен анализ распределения поля перед решеткой, по которому определено оптимальное расстояние от излучателя к обрабатываемой среде.

Для двух типов камер обработки, выполненных на основе встречнорефлекторной и роторефлекторной моделей, выполнены моделирования в среде HFSS, в которых определено распределение поля при облучении восемью и двенадцатью решетками соответственно; рассчитан коэффициент неравномерности облучения и коэффициент отражения. Исследования показали, что при изменении диэлектрических свойств обрабатываемой среды роторефлекторная камера обеспечивает значительно высшую стабильность характеристик. При этом коэффициент неравномерности обработки сырья не превышал 5% для обоих камер.

Разработаны экспериментальные стенды, за которыми проведены исследования характеристик ПД и роторефлекторов.

Ключевые слова: электромагнитное поле, сверхвысокие частоты, сыпучие диэлектрические материалы, формирования распределения поля, равномерность поля, энергоэффективность, щелевая излучающая решетка, камера обработки, роторефлектор, поляризационное зеркало.

SUMMARY

The thesis is devoted to development of the methods of design of the devices for dielectric bulk materials irradiation with a microwave field which ensure uniform processing of the raw materials and high efficiency of the energy absorption.

In order to calculate the energy transmission into the processing chamber the methods of investigation of reflection and transmission coefficients of arbitrary incident waves onto a polarization-selective surface and onto an interface between two dielectric media which separates the processing chamber from the external environment are developed. The efficiency improving methods of the devices are analyzed; in order to reduce the power reflection from the processing chamber the use of the matching dielectric wall combined with polarizing reflector is proposed. To reduce the power leakage from the processing chamber, its diameter should be calculated for sufficient waves attenuation to the critical power level.

The analysis of the constituent elements of the working chamber such as polarization-selective reflectors and transpolarizing reflectors are performed, the analytical expressions for the scattered field are obtained as well as models for their numerical computer simulation.

For the design of waveguide slot array for the processing chamber irradiation the backtracking algorithm is developed according to which the radiative elements are represented as equivalent circuit elements. The analysis of the field distribution near the array is carried out in order to establish the optimal distance from the emitter to the treated material.

By means of simulation in HFSS the field distribution in the two described types of processing chambers filled with raw materials based on the opposite reflector and rotoreflector models when irradiated with eight and twelve irradiation array, respectively, is determined; herewith the rate of unevenness treatment of raw materials does not exceed 5%.

Key words: electromagnetic field, microwaves, bulk dielectric materials, forming of field distribution, uniform processing, efficiency, radiating slot array, processing camera, rotoreflector, polarizing reflector.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність теми дослідження. У сучасних умовах модернізація матеріально-технічного забезпечення аграрної галузі виробництва є ключовою у підвищенні його ефективності та конкурентоспроможності. Для підвищення якості сільськогосподарської продукції і зменшення втрат при виробництві та зберіганні актуальним є впровадження фізичних методів обробки. Ефективним методом обробки сировини є її опромінення електромагнітним полем (ЕМП) надвисокої частоти (НВЧ), дослідження впливу якого на характеристики обробленого продукту ведуться впродовж кількох десятиліть. Найбільш вагомі дослідження в цій області виконувались під керівництвом таких дослідників як Nelson S. O., Shivare U., Raghavan G., Vicas S., Юсупова Г. Г., Цугленок Н. В., Берека О. М. та ін. Результати досліджень свідчать про переваги використання електромагнітного поля у порівнянні з традиційними методами обробки зерна для передпосівної обробки, знезараження, дезінсекції, сушіння тощо.

Незважаючи на значну кількість досліджень, присвячених впливу електромагнітної (ЕМ) енергії на біоматеріали, перелік пристроїв для реалізації цієї технології залишається незначним. Основою у більшості таких пристроїв є резонаторна камера, у якій створюється режим стоячої хвилі, і через яку пропускається потік оброблюваної речовини. Інша значна частина конструкцій базується на основі транспортера, по якому переміщується сировина, і який опромінюється енергією ЕМП розташованими вздовж нього випромінювачами. Основною проблемою таких конструкцій є принципова неможливість забезпечення рівномірного розподілу поля у камері обробки, а використані підходи не дають змоги електромагнітній хвилі ефективно поглинатися сировиною, що призводить до значних її втрат внаслідок розсіювання на елементах конструкції і в лініях передачі. Для успішного застосування ЕМП НВЧ для опромінення діелектричних сипучих матеріалів (ДСМ) актуальним є розроблення нових ефективних методів побудови камер обробки, формування розподілу електромагнітного поля у яких забезпечить високу рівномірність опромінення сировини та енергоефективність процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, виконані у дисертаційній роботі, виконувались на кафедрі радіоконструювання та виробництва радіоапаратури радіотехнічного факультету НТУУ "КПІ" в межах науково-дослідної роботи “Розроблення високоефективного пристрою для електромагнітного опромінення зернових матеріалів”, держ. р. № 0113U006372.

Мета і задачі дослідження полягають у розробленні методів та відповідних елементів пристроїв для реалізації опромінення електромагнітним полем надвисокої частоти діелектричних сипучих матеріалів для забезпечення високої ефективності та рівномірності обробки.

Вказана мета вимагає вирішення наступних завдань:

1. Проаналізувати особливості конструкцій існуючих пристроїв опромінення діелектричних сипучих матеріалів електромагнітним полем.

2. Розробити методи формування електромагнітного поля та моделі пристроїв для реалізації опромінення ДСМ електромагнітним полем, які забезпечать високу ефективність та рівномірність обробки сировини.

3. Дослідити електродинамічні характеристики складових елементів моделей робочих камер для забезпечення побудови пристроїв із заданими параметрами.

4. Проаналізувати розроблені моделі робочих камер та дослідити значення показників рівномірності опромінення ДСМ та оцінити їх ефективність.

Об'єктом дослідження є камери обробки для опромінення діелектричних сипучих матеріалів електромагнітним полем.

Предмет дослідження -- формування рівномірного електромагнітного поля для опромінення діелектричних сипучих матеріалів.

Методи дослідження. Теоретичні задачі вирішено чисельно-аналітичними методами електродинаміки, методами розрахунку вузлів НВЧ-техніки, на основі яких створювались розрахункові програми у системі комп'ютерної алгебри Maple та у середовищі програмування Borland C++ Builder. Комп'ютерні моделювання електродинамічних структур виконувались у середовищах HFSS та MWS (Microwave studio). Натурні експериментальні дослідження окремих пристроїв виконані на основі розроблених макетів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано і розроблено методи формування електромагнітного поля в камері обробки ДСМ на основі багатократного проходження хвиль із забезпеченням поляризаційно-фазових умов їх безінтерференційного накладання, що відрізняються високою рівномірністю та енергоефективністю поля.

2. На основі вирішення рівнянь Максвелла розроблено математичні моделі

3. S-характеристик конструктивних складових пристроїв енергоефективного формування високорівномірного електромагнітного поля (поляризаційних дзеркал, трансполяризаційних відбивачів (роторефлекторів), елементів узгодження), що відрізняються аналітичним характером та можливістю застосування як для аналізу, так і для синтезу пристроїв із заданими параметрами.

4. Розвинено модель еквівалентних схем хвилеводно-щілинних випромінювачів для випадку косих зміщених щілин та розроблено рекурсивну методику проектування з суттєвим, у порівнянні з традиційною хвильовою моделлю, спрощенням синтезу випромінювача із заданим вздовж нього розподілом поля.

5. Розроблено оригінальні конструктивні рішення пристроїв формування електромагнітного НВЧ-поля, що реалізують запропонований метод.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Використовуючи розроблені методики розрахунку елементів робочих камер можна виконувати проектування поляризаційних дзеркал, трансполяризаційних відбивачів із заданими параметрами як для побудови робочих камер пристроїв опромінення ДСМ, так і для інших цілей.

2. Розроблена методика проектування лінійної хвилеводної решітки опромінювачів може бути застосована як при розробленні пристрою ЕМ-опромінення ДСМ, так для інших пристроїв, що потребують формування заданого розподілу поля у ближній і проміжній зонах випромінювання.

3. Запропоновані методи побудови робочих камер, реалізовані за допомогою розроблених моделей, забезпечують створення пристроїв опромінення діелектричних сипучих матеріалів електромагнітним полем НВЧ з довільною продуктивністю, забезпечують рівномірне опромінення сировини з низьким коефіцієнтом втрат енергії на відбиття і розсіювання.

4. Результати дисертаційної роботи впроваджено у ТОВ "Агросервіс-СВ".

Особистий внесок здобувача. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить виконання чисельних розрахунків та моделювання, а також у [1] -- розроблена загальна методика розрахунку проходження електромагнітних хвиль крізь поляризаційні поверхні; у [2, 3, 9] -- розробленні методики розрахунку проходження ЕМХ крізь поляризаційні структуру; у [10] розроблено метод побудови пристроїв опромінення ДСМ електромагнітним полем та виконано дослідження рівномірності його розподілу, та у [11, 12] запропоновано конструкції пристроїв для сушіння і обробки зерноподібних матеріалів електромагнітним полем надвисоких частот; у [13, 14, 15] здобувачем розроблено алгоритм трасування променів з використанням геометричної теорії дифракції та створено відповідну програму для розрахунку розподілу поля у циліндричній робочій камері; у [4, 5] розроблено конструкцію камери обробки на основі багатогенераторної робочої камери та запропоновано її використання для сушіння і дезінсекції зерна; у [6] досліджено розподіл поля у камері обробки при обертовому характері живлення збуджувальних елементів; у [7] досліджено рівномірність поля у багатогенераторній робочій камері опромінення ДСМ шляхом її моделювання; у [16, 17] - розрахунок параметрів рівномірності поля у об'ємі оброблюваного матеріалу у багатофазній опромінювальній структурі; у [18, 19, 20, 21] -- збір матеріалів щодо застосування електромагнітного поля НВЧ для оброблення зерна; у [22] розроблена конструкція лінійної випромінювальної решітки для забезпечення необхідного розподілу поля вздовж її осі, у [8, 23, 24] виконано розрахунок ближнього поля випромінювача та аналіз отриманих результатів; у [25] розроблено алгоритм і створена програма для перетворення форматованого файлу даних HFSS у табличний вигляд.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи представлялись на дев'яти міжнародних науково-технічних конференціях ("Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи", 11--15 березня 2013р., м. Київ, НТУУ «КПІ»; 23rd International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology, Sept. 8--13, 2013, Sevastopol; IX International conference on antenna theory and techniques ICATT'13, Sept. 16--20, 2013, Odessa; «Проблеми сучасної енергетики і автоматики в системі природокористування», 14--26 жовтня 2013 р, м. Київ, НУБіПУ; «Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи», 10--16 березня 2014 р., м. Київ, НТУУ «КПІ»; міжнародна науково-технічна конференція "Актуальні питання сталого розвитку сільськогосподарського виробництва", 24--25 квітня 2014р, м. Бережани; 18-й Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке», 14--16 апреля 2014, Харьков, ХНУРЭ, ХIII міжнародна науково-технічна конференція "Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів", 7--9 листопада 2014 р., м. Кременчук; IV міжнародна науково-практична конференція "Фізико-технологічні проблеми радіотехнічних пристроїв, засобів телекомунікацій, нано- та мікроелектроніки", 23--25 жовтня 2014р., Чернівці); всеукраїнській ("Фізика, електроніка, електротехніка", 21--26 квітня 2014 р, м. Суми) та університетській (VIII науково-технічна конференція студентів, аспірантів та викладачів РТФ, 10--11 квітня 2014 р. м. Київ, НТУУ "КПІ", РТФ). Результати дисертації представлялися на наукових семінарах на кафедрі радіоконструювання та виробництва радіоапаратури НТУУ "КПІ".

Публікації. Результати дисертаційного дослідження відображені у 25 публікаціях, 8 з яких -- статті у наукових фахових виданнях України (6 з них включено до міжнародних наукометричних баз), 2 -- патенти України на корисну модель, 15 -- матеріали та тези конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи становить 179 сторінок, з них 168 сторінок основного тексту, включаючи 87 рисунків, 4 таблиці. Перелік посилань містить 102 позиції.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми та тему дисертації, визначено мету, об'єкт, предмет і методи дослідження, показано його наукову новизну і практичне значення результатів, наведено інформацію про публікації, апробацію отриманих результатів, структуру дисертації та її зв'язок з науковими програмами.

Вказано, що застосування енергії електромагнітного поля є ефективною альтернативою традиційним методам сушіння діелектричних сипучих матеріалів, передпосівної обробки та дезінфекції зерна.

У першому розділі розглянуто особливості впливу енергії ЕМП на фізичні та біохімічні зміни у зерні та деяких біоо'бєктах; проаналізовано зразки відомих пристроїв для обробки зерна електромагнітним полем НВЧ, показано властиві їм недоліки та запропоновано шляхи їх удосконалення.

За правильного вибору і дотримання необхідних режимів опромінення зерна (тривалість, щільність енергії, температура тощо) забезпечується відсутність погіршення його товарних характеристик. Залежно від режиму, нагрівання зерна енергією ЕМП сприяє підвищенню індексу клейковини, енергії проростання, покращенню хлібопекарських властивостей тощо.

ЕМП НВЧ також є ефективним інструментом для дезінфекції та дезінсекції, основним діючим фактором яких є швидкість нагрівання v_наг, і при v_наг=0,6--0,8С/с представники мікрофлори та шкідників піддаються тепловому шоку, що призводить до їх загибелі навіть при відносно невисокій температурі. Крім того, завдяки відмінності діелектричних характеристик зернової маси і тіла шкідників можливе їх вибіркове нагрівання і знищення.

Важливим ефектом нагрівання насіння у електромагнітному полі НВЧ є підвищення проростання та урожайності, забезпечуючи екологічну чистоту методу. Нагріваючи насіння зі швидкістю 0,6--0,8С/с протягом 60--90 с їх урожайність зростає на 10--20%, інтенсивність захворювань суттєво знижується.

Основними перевагами ЕМП при сушінні ДСМ є безпосередність нагрівання сировини без нагрівання агента сушіння, безінерційність процесу, залежність інтенсивності сушіння від вологості продукту, що сприяє витісненню парів води із внутрішніх шарів зернівки назовні.

Пристрої для опромінення ДСМ електромагнітним полем відповідно до призначення можна розділити на дві групи -- пристрої для сушіння та пристрої для передпосівної обробки, дезінсекції, дезінфекції. Основна відмінність їх полягає у тому, що зразки першої групи орієнтовані на швидке відведення вологи, завданням другої частини пристроїв є нагрівання сировини енергією електромагнітного поля.

Більшість відомих засобів, призначених для оброблення ДСМ електромагнітним полем, передбачають опромінення сировини, що переміщується транспортером, електромагнітними хвилями від випромінювачів, розташованих вздовж нього; функціонування деякої частини пристроїв ґрунтується на періодичному завантаженні та розвантаженні камери, що, звичайно, не сприяє продуктивній роботі таких установок. У більш вдалих конструкціях використовуються шнекові, стрічкові транспортери чи забезпечено просування сировини у вертикальній камері під дією сили тяжіння. Недоліком стрічкових транспортерів є принципова складність забезпечення рівномірного опромінення сировини, для чого розподіл щільності енергії поля по його ширині повинен відповідати товщині шару матеріалу на стрічці. Для більшості пристроїв характерним є розташовування сировина на транспортері тонким шаром, внаслідок чого при однократному проходженні хвилею лише незначна частина її енергії віддається матеріалу, що підвищує розсіювання енергії на стінках і елементах конструкції камери, крім того це призводить до низької продуктивності пристрою.

Значним недоліком, властивим більшості установок, є використання одногенераторного джерела енергії, що, з однієї сторони, сприяє зниженню рівномірності розподілу поля у камері внаслідок утворення стоячої хвилі, і, з іншого боку, призводить до значного зростання вартості та зниження ресурсу пристрою.

В силу того, що практично відсутні заходи щодо підвищення рівномірності розподілу поля по перетину шару сировини, поширеними є механічні засоби для перемішування матеріалу, що, однак, не в силі забезпечити рівномірного поглинання енергії по об'єму зерна.

З проведеного аналізу існуючих пристроїв обробки ДСМ полем НВЧ випливає висновок, що на даний час відсутня достатня методологічна і теоретична база для проектування установок, які забезпечують рівномірне опромінення матеріалу у поєднанні з високою енергетичною ефективністю процесу.

У другому розділі запропоновано підхід до побудови пристроїв опромінення ДСМ енергією ЕМП НВЧ та приведено вирішення загальнотеоретичних проблем, присвячених розрахунку проходження та відбиття електромагнітних хвиль при довільному падінні на поверхневі неоднорідностей, представлені межею розділу повітря і діелектрика та поляризаційною площиною

Основним показником якості оброблення ДСМ електромагнітним полем є об'ємна рівномірність розподілу напруженості електричного поля, яка визначає рівномірність температурного профілю у сировині. Важливою характеристикою такого пристрою є ефективність поглинання електромагнітної енергії сировини і зниження активних втрат.

Для підвищення ефективності поглинання енергії ЕМП і зниження втрат енергії на відбиття і розсіювання необхідно забезпечувати умови, щоб хвиля, потрапляючи у камеру обробки, проходила нею кілька разів, віддаючи свою енергію. Для цього розроблено методи формування електромагнітного поля на основі багатократного проходження хвиль камерою обробки. Залежно від характеру накладання прямої та відбитої хвиль їх названо зустрічнорефлекторним та роторефлекторним методами.

Зустрічнорефлекторний метод формування поля базується на основі симетричної моделі робочої камери, зображеної на рис. 1, а. Вздовж верхньої та нижньої екрануючих стінок 5 розміщені випромінювальні решітки 1а та 1б, які для зменшення рівня взаємодії поляризовані у взаємно ортогональних площинах. Решітки відділені від камери обробки 2, у якій відбувається взаємодія сировини з ЕМП, діелектричними узгоджувальними пластинами 6, призначеними для зниження рівня відбитих хвиль. Поляризаційні дзеркала (ПД) 3 виконують функцію поляризаційного фільтра, пропускаючи хвилі, площина поляризації яких ортогональна до осі поляризації ПД. Осі поляризації ПД співпадають з поляризацією прилеглих до них випромінювачів і є «прозорими» для них.

Випромінена джерелом 1 хвиля вільно проходить через прилегле до випромінювача ПД, проходить камерою обробки віддаючи їй частину енергії, а пройшовши товщу матеріалу і вийшовши за її межі, відбивається від протилежного ПД у зворотному напрямі, повторно поширюючись крізь матеріал. Таким чином, в описаній моделі ЕМХ двічі проходить крізь оброблюваний матеріал, що дозволяє певним чином вирівняти розподіл поглинутої у ньому енергії. Певну проблему для описаної конфігурації становить те, що відбита від протилежного ПД хвиля поляризована у тій же площині, що й падаюча, і, на жаль, сприятиме підвищенню коефіцієнта стоячої хвилі вздовж напряму її поширення.

Роторефлекторний метод реалізується моделлю, зображеною на рис. 1, б. Принциповою відмінністю і удосконаленням, порівняно з попередньою моделлю є використання так званого трансполяризаційного відбивача (ТПВ) 4. Переваги такої моделі полягають у тому, що після випромінювання решіткою 1 хвиля, вільно пройшовши крізь поляризаційне дзеркало, проходить камерою обробки 2 віддаючи частину енергії, після чого відбивається від роторефлектора 4, який повертає площину поляризації хвилі на 90є; як наслідок, при другому проходженні хвилі крізь оброблюваний матеріал не відбувається утворення стоячої хвилі, оскільки хвилі поляризовані у ортогональних площинах. Після другого проходження хвилі крізь камеру обробки 2 осі поляризації ПД 3 і падаючої хвилі є взаємно паралельними, і хвиля відбивається назад, проходить камеру обробки, змінює поляризацію на початкову і ще раз проходить камерою обробки.

а б

Рисунок 1 -- Моделі робочих камер

Основна проблема плоскопаралельних робочих камер полягає у складності забезпечення рівномірного розподілу напруженості поля від центральної до периферійної частин внаслідок спадання напруженості електричного поля на краях камери. Для подолання цієї проблеми доцільно використовувати робочу камеру, виконану у формі циліндра. Моделі, що відповідають запропонованим у дисертації технічним рішенням, зображені на рис. 2.

У першій моделі (рис. 2, а) джерела електромагнітних коливань 1 розміщені навколо камери обробки 2 і представлені лінійними хвилеводними випромінювачами; взаємна поляризаційна розв'язка протилежних випромінювачів забезпечується завдяки тому, що їх поляризація орієнтована під кутом 45° до осі структури і є взаємно ортогональною.

Для підвищення щільності потоку енергії через оброблюваний матеріал запропонована модель, зображена на (рис. 2, б), у якій матеріал опромінюється з обох боків. Продуктивність такої установки може бути довільною і визначається діаметром структури.

Суттєво підвищити рівномірність напруженості електричного поля у камері обробки можна завдяки моделі, приведеній на рис. 2, в, яка є циліндричним аналогом плоскої моделі роторефлекторної камери.

абв

Рисунок 2 -- Типи циліндричних опромінюючих структур

1 -- лінійний опромінювач, 2 -- оброблюване середовище, 3 -- поляризаційне дзеркало, 4 -- роторефлектор, 5 -- зовнішній екран, 6 -- узгоджувальна стінка

Для розрахунку коефіцієнтів проходження і відбиття хвиль при падінні під довільним кутом з довільною поляризацією на просторові неоднорідності, представлені поляризаційним дзеркалом або межею розділу діелектричних середовищ, хвилю доцільно представляти у вигляді суперпозиції хвиль характерних випадків.

При падінні хвилі на межу розділу діелектричних середовищ представимо її у вигляді суперпозиції хвиль E- та H-випадків, а при розгляді ПД відповідні Е- та Н-випадки розкладемо на перпендикулярну () та паралельну поляризації ( || ). Випадком E назвемо орієнтацію ЕМХ, за якої вектор напруженості електричного поля паралельний до площини падіння, випадком H -- випадок, за якого паралельним до площини падіння є вектор напруженості магнітного поля. Перпендикулярно поляризованою назвемо хвилю, вектор поляризації якої, буде перпендикулярним до осі поляризації поверхні падіння; паралельно поляризованою -- хвилю, вектор магнітного поля якої перпендикулярний до її осі поляризації.

Виконавши розклад і підставивши коефіцієнти проходження для характерних випадків отримаємо коефіцієнт відбиття і проходження хвилі:

(1)

де -- кут між вектором хвилі і площиною падіння, и -- кут падіння хвилі, R_H, R_E, T_H, T_E -- відповідно коефіцієнти відбиття і проходження для Н і Е-випадків, дорівнює фазі коефіцієнта відбиття чи проходження.

Виконавши аналіз падіння хвилі на поверхню ПД отримано вираз коефіцієнта проходження

(2)

де , , , , -- комплексний коефіцієнт проходження для відповідної компоненти при падінні під кутом и,

Підвищення ефективності камери шляхом узгодження хвильових опорів. Конструкції розроблених робочих камер складаються з ряду концентричних неоднорідностей; таку особливість їх побудови запропоновано використати для підвищення ефективності камери завдяки узгодженню характеристичних імпедансів матеріалу у камері обробки і зовнішнього середовища. Принцип узгодження полягає у створенні хвилі, відбитої додатковими елементами (поляризаційним дзеркалом, узгоджувальною пластиною), такої, що її амплітуда дорівнює амплітуді хвилі, відбитої від зовнішньої межі камери обробки, але їх фази зміщені на 180.

Аналіз ефективності узгодження зведено до задачі розгляду НВЧ-кола, для чого просторові неоднорідності представлено у вигляді еквівалентних елементів. Розрахунок еквівалентних кіл виконано матричним методом, в результаті чого отримано співвідношення, що описують залежність коефіцієнта відбиття електромагнітної енергії від камери обробки. Запропоновано варіанти як комплексного узгодження за допомогою ПД і узгоджувальної діелектричної пластини (рис. 3, а), так і узгодження лише діелектричною пластиною (рис. 3, б) або лише поляризаційним дзеркалом (рис. 3, в).



а

бв

Рисунок 3 -- Еквівалентні схеми узгоджувальних структур

Запропоновані узгоджувальні структури забезпечують компенсацію відбитої хвилі, підвищуючи ефективність пристрою. Крім того, застосування комплексного підходу до узгодження, який враховує відбиття хвиль як від узгоджувальної пластини, так і від ПД, дає змогу зменшити товщину узгоджувальної пластини виконанням поляризаційного дзеркала з малою міжпровідниковою відстанню.

У третьому розділі виконано чисельне та аналітичне дослідження складових елементів робочої камери пристрою електромагнітного опромінення ДСМ; проведені аналітичні дослідження взаємодії поля із поляризаційними дзеркалами та трансполяризаційними відбивачами різних типів. Розроблено метод проектування лінійної випромінювальної решітки для опромінення робочої камери. Виконано моделювання розроблених типів робочих камер з оцінкою досяжних параметрів рівномірності та ефективності опромінення діелектричної сипучої сировини.

Аналіз трансполяризаційних відбивачів. Принцип розкладання довільно падаючої хвилі приведено у розділі 2, тому у даному розділі аналіз виконується для характерних випадків падіння хвиль на трансполяризаційну поверхню.

Основна функція трансполяризаційного відбивача -- повертання площини поляризації відбитих хвиль завдяки різниці фаз коефіцієнта відбиття паралельно- та перпендикулярно поляризованих хвиль. З виразу коефіцієнта еліптичності відбитої хвилі

(3)

де Е₁ і Е₂ -- амплітуди паралельно- та перпендикулярно поляризованих складових падаючої хвилі, видно, що для забезпечення повертання площини поляризації відбитої хвилі на 90 необхідно забезпечити рівність амплітуд Е₁ і Е₂, а різниця фаз їх відбиття =180.

Аналіз відбитого від ТПВ поля виконано для конструкцій гофрованого та плоскорешітчастого типу.

Гофрований роторефлектор. Конструкція роторефлектора утворена шляхом безпосереднього з'єднання відбиваючої стінки із поляризаційною структурою, зображена на рис. 4.

Рисунок 4 -- Гофрований роторефлектор

Ребра вважаємо нескінченно подовженими вздовж осі y (орієнтована перпендикулярно площині рис. 4), а їх кількість нескінченно великою. Аналіз такої структури виконано на основі спектрально-ітераційного підходу. Виділяючи одну елементарну комірку, обмежену сусідніми паралельними ребрами (x0..(d-S), z=0), задача зводиться до розгляду поля в межах одного елемента Флоке.

Розрахунок структури поля зводиться до розв'язання операторного виразу

(4)

де оператор L_A позначає поле зовнішньої області А, L_B -- області В, F^пад відповідає падаючому електричному полю у області А, якщо вектор магнітного поля паралельний до осі у (-поляризація), то ш позначає невідоме електричне поле у апертурі.

Першим кроком ітераційного методу розрахунку рівняння (4) приймається початкове значення розподілу поля ш(x) у зовнішній площині роторефлектора, так щоб ш(x) = 0 в межах d-S ? x ? d. Оскільки модуль коефіцієнта відбиття дорівнює одиниці, то за початкове припущення обрано рівномірний розподіл. Після цього шляхом двоетапного швидкого перетворення Фур'є виконуємо оцінку L_A(ш) в межах 0?x?d, і розраховуємо 2H^пад - L_A(ш) для визначення розподілу поля H. Розрахунок виконуємо шляхом двоетапного швидкого косинус-перетворення Фур'є на ділянці 0 ? x? (d - S) для визначення подальшого значення ш в апертурі елементарної комірки. На останньому кроці ітерації обнулюється розподіл електричного поля в області (d - S) ? x ? d, після чого, якщо не досягнуто умови збіжності, виконується повернення до оцінки L_A(ш) з повторенням процедури.

У випадку падіння ||-поляризованої хвилі функція ш(x) відповідає за розподіл магнітного поля. Першим кроком приймаємо рівномірний розподіл поля ш(x) з коефіцієнтом відбиття -1. Наступні кроки процедури аналогічні попередньому випадку.

На основі приведених процедур була розроблена програма у середовищі комп'ютерної алгебри Maple, за якою розраховано поле перед роторефлектором, побудованим на основі гофрованої металевої площини, і визначено основні параметри відбитого поля.

Плоскорешітчастий роторефлектор. ТПВ плоскорешітчастого типу утворений паралельними металевими стрічками 1 шириною S (рис. 5), розміщеними на діелектричній підкладці проникністю _r, яка розташована на металевій поверхні. Період решітки d значно менший від довжини хвилі , а товщина підкладки L приблизно дорівнює чверті довжини хвилі у ній. Вважаємо, що решітка є необмеженою вздовж осей x і y, товщина смужок -- нескінченно мала, а провідність матеріалу стрічок -- нескінченно висока. Вектор характеризує напрям поширення падаючої хвилі, кут и -- кут падіння хвилі, -- кут між площиною падіння і віссю х, і відповідає куту поляризації хвилі.

Рисунок 5 -- Плоскорешітчастий роторефлектор

Представляючи тангенційні компоненти поля в області А у вигляді мод Флоке та компоненти ЕМП у області В (L z 0) у формі падаючої та відбитої хвиль, використовуючи властивість ортогональності мод Флоке та неперервність електричного поля на межі ( і ) при -(d-S)/2 ? x ? (d-S)/2 і z = 0, отримано інтегральні рівняння, що у низькочастотному наближенні описують поле перед структурою. Коефіцієнти відбиття паралельно- та перпендикулярно поляризованої хвиль від розглянутої структури ТПВ відповідно визначаються виразами амплітуд відбитих хвиль нульової гармоніки

(5)

Поляризаційні дзеркала. Аналіз виконано для основних типів поляризаційних відбивачів, утворених решіткою паралельних провідників круглого перетину та у вигляді стрічок, які розташовані у площині решітки та перпендикулярно їй.

Для коефіцієнта проходження (відбиття) через поляризаційне дзеркало з тонких циліндричних провідників радіусом r₀ і кроком d при падінні ЕМХ під кутом приведені аналітичні вирази, отримано на основі методу наведених струмів за умови d<<. Для Е- та Н-випадків для паралельно поляризованої хвилі залежності коефіцієнта проходження мають вигляд:

(6)

(7)

де -- функція Ганкеля другого роду нульового порядку, k -- фазова постійна.

Модуль коефіцієнта відбиття для перпендикулярно поляризованої хвилі визначається виразом

(8)

Для решітки із тонких стрічок шириною S, розташованих у площині решітки, коефіцієнт проходження паралельно поляризованої ЕМХ має залежність

(9)

Для стрічкового ПД, у якого стрічки орієнтовані перпендикулярно до площини дзеркала, модуль і фаза коефіцієнта відбиття паралельно поляризованої хвилі залежно від кута падіння мають вигляд

(10)

де

Коефіцієнти відбиття А₀ і проходження D₀ при перпендикулярній поляризації хвилі визначаються співвідношенням

(11)

p -- номер моди хвилі, k -- фазова постійна.

Джерела електромагнітної енергії. Складовою розробленого методу формування електромагнітного поля є просторове складання енергії хвиль, що випромінюються декількома незалежними генераторами, у спільному навантаженні, яким виступає камера обробки. Завдяки тому, що окремі генератори не синхронізовані по частоті, при накладанні електромагнітні хвилі, створені окремими джерелами, не інтерферуватимуть і не викликатимуть утворення стоячих хвиль.

В якості генераторів обрано магнетрони. При цьому використання ряду генераторів невисокої потужності значно знижує вартість пристрою порівняно з випадком використання одного високопотужного магнетрона та забезпечується значно вищий його ресурс.

Виконано експериментальне дослідження впливу модуля R_p і фази _r коефіцієнта відбиття на виході магнетрона з номінальними робочою частотою 2,45 ГГц і вихідною потужністю P_вих0=900 Вт на зміну його ККД та вихідної потужності P_вих відносно номінального значення. Показано, що залежно від _r нормована вихідна потужність P_вих/P_вих0 змінюється у найгіршому випадку від 0,05 при R_p=0,85, до 0,86 при R_p=0,4 і до P_вих/P_вих0 1 при R_p=0. Показано, що знижуючи анодну напругу відносно номінальної на 20--30% дає змогу зменшити зниження відносної вихідної потужності, усереднененої по фазі коефіцієнта відбиття, удвічі, чим послаблюється залежність вихідної потужності від модуля і фази коефіцієнта відбиття. Також при зменшенні анодної напруги дещо підвищується ККД магнетрона (на 2--3%).

Випромінювальні структури. Як основні типи випромінювачів для використання у пристроях опромінення ДСМ у дисертації розглянуто щілинні хвилеводні решітки. Вони забезпечують задовільні габаритні параметри і дають змогу досягнути підвищених показників рівномірності розподілу поля у ближній зоні в напрямі, паралельному до осі решітки. Задля зниження взаємного зв'язку між випромінювачами, розташованими з протилежних боків циліндричної робочої камери, їх поляризація орієнтована під кутом 45 до поздовжньої осі камери, і 90 між собою. З цією метою у дослідженні розглянуто проектування хвилеводно-щілинної решітки з повернутими на кут 45 випромінювальними щілинами, що пов'язано із необхідністю забезпечення відповідної орієнтації площини поляризації поля у робочій камері, та виконано аналіз рівномірності поля у ближній зоні випромінювання.

Задачу синтезу випромінювальної решітки, представленої рядом паралельних щілин, повернутих на кут 45 відносно поздовжньої осі хвилевода і зміщених відносно центру його широкої стінки, зведено до розгляду її еквівалентної схеми. Для цього запропоновано представити окрему випромінювальну щілину у вигляді П-подібної схеми (рис. 6) та отримано співвідношення, що пов'язують між собою еквівалентні (опір Z_C і провідності Y_A і Y_B) і геометричні параметри щілини (довжина, зміщення). Матриці провідностей та опорів для П-схеми одинарної щілини мають вигляд:

(12)

Відповідно до еквівалентної схеми значення потужності, що відбивається від щілини (P_відб), поглинається (випромінюється) (P_r) та проходить далі по хвилеводу (P_L) визначаються виразами:

(13)

Рисунок 6 -- Еквівалентна схема щілини

де Z_L -- імпеданс навантаження випромінювального елемента, Z_G -- опір його еквівалентного генератора, Z_вх -- вхідний опір.

Еквівалентна модель решітки випромінювачів має вигляд з'єднаних послідовно П-схем, між якими увімкнені відрізки довгих ліній, що представляють відстань між щілинами.

Для синтезу щілинної решітки розроблено методику, в основу якої покладено задачу виконання умов, і реалізовану у вигляді рекурсивного алгоритму, що полягає у послідовному синтезі елементів решітки випромінювача від першого до останнього. Попередньо формується дискретний набір значень, за якими створюється база даних (БД), і які визначають співвідношення між геометричними та еквівалентними параметрами окремої щілини.

Відповідно до методики вибір параметрів кожної щілини здійснюється з-поміж дискретного набору значень, наявних у БД; обраний набір параметрів для конкретної щілини вважається прийнятним, якщо для неї виконується ряд умов: амплітуда струму збудження щілин (в межах вказаного допуску) відповідає заданому розподілу, фаза збудження щілини дорівнює фазі збудження першої щілини (прийнятої за нульову), фізичні обмеження -- щілина не виступає за межі хвилевода.

Синтезу решітки випромінювачів передує заповнення БД значеннями, що пов'язують між собою фізичні параметри щілини з параметрами її еквівалентних елементів.

На основі розробленої методики створено комп'ютерну обчислювальну програму, що забезпечує автоматизований синтез випромінювальної решітки за заданим розподілом збудження елементів випромінювання і кількістю щілин. Використовуючи розроблену програму було спроектовано решітку для робочої частоти 2,45 ГГц, яка складається з чотирьох зміщених повернутих на кут 45 щілин, розташованих на широкій стінці прямокутного хвилевода.

Для заповнення БД у середовищі HFSS було розраховано S-параметри відрізка хвилеводу з одинарною повернутою на кут 45 щілиною, розташованою на широкій стінці, в діапазоні значень довжини щілини L_s в межах від 55 мм (0,45) до 67 мм (0,55) з кроком 0,25 мм і її зміщення D_s від центру хвилеводу в діапазоні 24 мм (0,2 ) з кроком 0,5 мм.

Амплітудно-частотна характеристика спроектованого випромінювача, розрахована у середовищі HFSS, приведена на рис. 7. Лініям без символів відповідає випадок випромінювання у вільний простір, інші криві відповідають встановленню перед випромінювачем на відстані 100 мм діелектричного півпростору без втрат (рис. 7, а) і з втратами (рис. 7, б), де і tg відповідають діелектричним параметрам середовища півпростору.

аб

Рисунок 7 -- АЧХ решітки при випромінюванні у ідеальний діелектричний півпростір (а) і півпростір з втратами (б)

Дослідження робочої камери. Дослідження розроблених робочих камер виконувалось шляхом моделювання у середовищі HFSS. Моделі розроблених камер зображено на рис. 8.

Як об'єкт обробки використовувався матеріал із відносною діелектричною проникністю _r=2,65 і тангенсом кута діелектричних втрат tg=0,11, що відповідає зерну пшениці з вологістю 14%.

Реалізація розроблених методів формування поля та відповідних моделей показана на прикладі двох варіантів -- зустрічнорефлекторної та роторефлекторної камер обробки діелектричних матеріалів.

Розроблена зустрічнорефлекторна робоча камера складається із восьми щілинних решіток, розташованих навколо камери. Діаметр камери обробки для забезпечення рівномірного розподілу поля становити 300 мм, а відстань від поверхні оброблюваного матеріалу до випромінювачів -- 100 мм.

Модель роторефлекторної робочої камери має зовнішній та внутрішній радіус відповідно 300 мм і 200 мм, кількість опромінювачів навколо камери -- 12.

Рисунок 8 -- Моделі зустрічнорефлекторної (а) та роторефлекторної (б) робочих камер

На рис. 9, а зображено нормований розподіл щільності енергії по перетину оброблюваного матеріалу у зустрічнорефлекторній камері. На рис. 9, б приведено результат моделювання для роторефлекторної камери, причому зображено розподіл у одному секторі камери, що прилягає до одного випромінювача, оскільки в межах інших секторів поле має аналогічний розподіл.

Рисунок 9 -- Нормований розподіл щільності енергії

Коефіцієнт нерівномірності розподілу поля визначався як відносне середньоквадратичне відхилення дискретного розподілу щільності електромагнітного поля X_i

(14)

де -- його математичне очікування, N -- кількість точок, у яких досліджувалася щільність енергії поля.

Дослідження показали, що роторефлекторна камера характеризується вищою, порівняно з зустрічнорефлекторною, стабільністю характеристик при варіюванні параметрів оброблюваної сировини. Так, у діапазоні діелектричної проникності _r від 2,4 до 3,1 і тангенса кута діелектричних втрат tg від 0,08 до 0,15 коефіцієнт нерівномірності щільності енергії у роторефлекторній камері змінюється в межах 0,047…0,082, а у зустрічнорефлекторній -- 0,052…0,12, коефіцієнт відбиття енергії R_P випромінювача при цьому знаходився у межах 0,04...0,084 і 0,045…0,12 відповідно.

Розділ 4 присвячений чисельним та експериментальним дослідженням поляризаційних елементів робочих камер -- поляризаційних дзеркал і трансполяризаційних відбивачів.

При чисельному дослідженні характеристик ТПВ і поляризаційних дзеркал розглядалися структури, нескінченно подовжені у поперечних напрямах. Для аналізу використано середовище CST MWS, у якому відповідні моделі виконані у вигляді каналів Флоке, завдяки чому отримані характеристики відповідають нескінченним структурам. Досліджувались ті ж типи ТПВ і ПД, що розглянуті у третьому розділі.

...