волноводный излучатель свч-мощности

Формула изобретения

1. Волноводный излучатель СВЧ-мощности, состоящий из соединенного с источником питания отрезка прямоугольного волновода с длинной продольной излучающей щелью, отличающийся тем, что отрезок волновода и/или щель выполнены неоднородными вдоль продольной оси, а на противоположном к источнику питания конце отрезок волновода выполнен короткозамкнутым.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что щель расположена на широкой стенке отрезка волновода.

3. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что щель расположена на узкой стенке отрезка волновода.

4. Излучатель по п.2, отличающийся тем, что щель смещена к узкой стенке и расположена под углом не более 10° к узкой стенке.

5. Излучатель по п.2, отличающийся тем, что щель выполнена криволинейной с профилем, отклоняющимся в сторону узкой стенки при удалении от источника.

6. Излучатель по п.5, отличающийся тем, что криволинейная щель состоит из двух прямолинейных участков, направленных под острым углом к оси отрезка волновода, при этом угол для части щели, прилегающей к короткозамкнутому концу, больше, чем угол для ее части со стороны источника.

7. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что щель выполнена расширяющейся в сторону короткозамкнутого конца отрезка волновода.

8. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что отрезок волновода выполнен с линейным уменьшением высоты волновода в сторону короткозамкнутого конца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано преимущественно в качестве излучателя для устройств СВЧ-нагрева.

Известен волноводный излучатель, содержащий отрезок короткозамкнутого с одного торца металлической пластиной Н-волновода, имеющей длины где _в - максимальная рабочая длина волны в волноводе, который гальванически соединен с излучающим раскрывом длиной , где - максимальная рабочая длина волны в свободном пространстве. Излучающий раскрыв представляет собой продолжение верхней и нижней стенок Н-волновода с расположенными на них параллельно вектору Е выступами длиной не менее высота которых на участке излучающего раскрыва плавно уменьшается по линейному закону до высоты не менее 1/3 выступа в Н-волноводе. В короткозамыкающей пластине имеется Н-образная согласованная щель. Техническим результатом является уменьшение размеров излучателя при уменьшении массы и упрощении технологии изготовления (Патент на изобретение РФ №2118020, МПК H 01 Q 13/02).

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения распределения излученной мощности на большой длине и ее неравномерность.

Известна щелевая волноводная антенна, содержащая щелевой излучатель, выполненный на узкой стенке прямоугольного волновода с согласованной нагрузкой. С целью обеспечения фокусировки излучаемой электромагнитной энергии ширина прямоугольного волновода выбрана изменяющейся по закону

где ₀ - длина волны в свободном пространстве; f - фокусное расстояние антенны; ₀ - угол между направлением фокусировки и нормалью к излучающей апертуре щели; х - текущая координата, отсчитываемая вдоль щели к согласованной нагрузке (Патент на изобретение РФ №816363, МПК H 01 Q 13/10).

Известен излучатель круговой поляризации (см. патент РФ №2097885, МПК H 01 Q 13/18). Волноводный щелевой многофункциональный излучатель содержит отрезок волновода, на одной из широких стенок которого выполнены две крестообразные щели, расположенные под углом 45° друг к другу.

Недостатком указанной конструкции является низкий КПД (поскольку не вся мощность из волновода излучается щелями, а значительная ее часть должна поглощаться нагрузкой и отражаться), а также небольшая область излучения, соответствующая длине расположения двух щелей.

Известен излучатель волноводно-щелевой антенной решетки, состоящий из отрезка волновода с излучающими щелями, наклоненными к оси волновода под углом 45° (Патент на изобретение РФ №2206157, МПК H 01 Q 13/10).

Недостатком указанной конструкции является низкий КПД (поскольку не вся мощность из волновода излучается щелями, а значительная ее часть должна поглощаться нагрузкой и отражаться), а также неравномерность излученной мощности в ближней зоне вдоль оси волновода. При использовании такого излучателя в устройствах СВЧ-нагрева не будет обеспечена равномерность нагрева вдоль его оси.

Задачей заявляемого устройства является получение распределения мощности в ближней зоне излучателя на большой длине с хорошей равномерностью и увеличение его КПД.

Наиболее близкой к заявляемому решению является антенна для облучения материалов СВЧ-энергией, содержащая отрезок прямоугольного волновода, на широкой стенке которого по одну сторону от ее продольной оси под углом от 0 до 5° вдоль всей его длины прорезана прямолинейная щель постоянной ширины. При этом один конец прямолинейной щели, ближайший к входному концу отрезка прямоугольного волновода, расположен ближе к продольной оси, чем другой ее конец (см. А.С. СССР №1543312, МПК G 01 N 22/00).

Предлагаемое расположение щели на широкой стенке отрезка волновода в данной конструкции увеличивает равномерность распределения поля, однако часть мощности бегущей волны в отрезке волновода поглощается в нагрузке, что приводит к уменьшению КПД. Кроме того, регулярная одиночная щель не обеспечивает высокую равномерность поля вдоль оси излучателя в ближней зоне, поскольку мощность в волноводе убывает по экспоненциальному закону.

Задачей изобретения является повышение равномерности распределения мощности в ближней зоне излучателя вдоль его оси на большой длине при увеличении его КПД.

Поставленная задача достигается тем, что в излучателе, содержащем отрезок прямоугольного волновода с длинной продольной излучающей щелью, соединенный с источником питания, согласно изобретению отрезок волновода и/или щель выполнены неоднородными, а отрезок волновода является короткозамкнутым.

Щель может быть расположена на широкой или узкой стенке отрезка волновода.

Щель смещена к узкой стенке и расположена под углом не более 10° к узкой стенке.

Щель выполнена криволинейной с профилем, отклоняющемся в сторону узкой стенки при удалении от источника.

Криволинейная щель состоит из двух прямолинейных участков, направленных под острым углом к оси отрезка волновода, при этом угол для части щели, прилегающей к короткозамкнутому концу, больше, чем угол для ее части со стороны источника.

Щель выполнена расширяющейся в сторону короткозамкнутого конца отрезка волновода.

Отрезок волновода выполнен с линейным уменьшением высоты волновода в сторону короткозамкнутого конца.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-7 изображены варианты выполнения излучателя. Позициями на чертежах обозначены: 1 - источник СВЧ-энергии (магнетрон), 2 - отрезок волновода; 3 - продольная щель; 4 - короткозамкнутый конец отрезка волновода.

Устройство содержит источник СВЧ-энергии 1, подключенный к одному концу отрезка волновода 2, второй конец которого 4 выполнен короткозамкнутым. В одной из стенок волновода выполнена продольная щель 3, варианты формы и размещения которой на стенках волновода, а также варианты выполнения волновода представлены на чертежах. На фиг.1 представлен вариант излучателя с прямоугольной щелью на широкой стенке отрезка волновода, расположенной параллельно его оси и смещенной относительно нее к узкой стенке. Отрезок волновода при этом выполнен с линейным уменьшением высоты в сторону короткозамкнутого конца и может состоять из нескольких состыкованных секций. На фиг.2 - щель расположена на широкой стенке и выполнена неоднородной, состоящей из участков с линейным увеличением ширины вдоль излучателя к короткозамкнутому концу. На фиг.3 - прямоугольная щель расположена на широкой стенке волновода под малым углом к его центральной части и смещена относительно нее к узкой стенке. При этом отрезок волновода выполнен неоднородным с линейным уменьшением высоты волновода в сторону короткозамкнутого конца. Фиг.4 - щель расположена на широкой стенке. При этом ширина щели и угол наклона ее центральной линии по отношении к оси увеличиваются, а высота волновода уменьшается по направлению к короткозамкнутому концу. На фиг.6 - прямоугольная щель расположена на узкой стенке отрезка волновода параллельно его оси, а отрезок волновода выполнен неоднородным с уменьшением размера узкой стенки вдоль его длины по направлению к короткозамкнутому концу. На фиг.7 щель расположена на узкой стенке и выполнена неоднородной с увеличением ее ширины по направлению к короткозамкнутому концу. Такая щель может быть расположена и на узкой стенке с уменьшающейся высотой.

СВЧ-мощность поступает от источника 1 в отрезок волновода 2 и распространяется к короткозамкнутому концу 4, излучаясь через щель 3 и создавая распределение поля в виде вытекающей бегущей волны в ближней зоне на всей длине излучателя с высокой равномерностью распределения мощности вдоль его продольной оси, при этом коэффициент отражения от открытого конца мал или практически отсутствует. Малая величина коэффициента отражения и равномерность излучаемой мощности вдоль оси достигаются подбором формы излучателя, чему способствует линейное уменьшение размера широкой стенки волновода вдоль оси и неоднородность щели, в том числе и расположение ее под углом к оси, а также увеличение длины излучателя.

Основной вклад в излучение СВЧ-мощности вносит мода прямоугольного волновода Н10-типа. Поле этой моды наводит на внутренних стенках отрезка волновода плотность поверхностного тока, поперечные части которой на широкой стенке и на узкой стенке в свою очередь вносят основной вклад в касательное электрическое поле на щели, наводя на ней электрическое поле, ориентированное перпендикулярно ее кромкам, при этом в волноводе распространяется бегущая вытекающая мода. В силу вытекания мощности в ближней зоне свободного пространства распространяется волна с волновыми числами k_y, k_z с поляризацией электрического поля в плоскости Х-Y, при этом экспоненциальный спад плотности тока вдоль оси Z компенсируется увеличением плотности мощности основной моды P(z) вдоль оси Z. Указанное увеличение плотности мощности достигается путем уменьшения размера узкой стенки b(z), при этом уменьшается волновое сопротивление Н10-моды и повышается излучательная способность участка щели с увеличением Z. К увеличению излучательной способности приводит также увеличение ширины щели и отклонение ее к узкой стенке в случае ее расположения на широкой стенке. Указанные эффекты приводят к тому, что реактивная часть входного сопротивления излучателя в каждом сечении Z мала по сравнению с активной его частью, которая уменьшается с ростом Z и в каждом поперечном сечении согласуется с уменьшающимся волновым сопротивлением основной Н10-моды. Это достигается выполнением неоднородности излучателя из условия Z_вх(z)=Z _в(z), в силу чего отраженная волна почти отсутствует и вся мощность практически полностью излучается через щель, при этом излучательные способности всех участков щели вдоль оси излучателя становятся практически постоянными, что позволяет получать в ближней зоне высокую равномерность распределения вдоль Z плоскополяризованного в плоскости Х-Y электрического поля. В силу малого значения величины коэффициента отражения и отсутствия нагрузки на конце излучателя его КПД может существенно превышать 90%. Для эффективной работы излучателя он должен быть плавно неоднородным с малым уровнем возбуждения высших мод, т.е. длина щели должна быть не менее нескольких длин волн в волноводе. Из-за вытекающего характера поля облучаемый образец, расположенный над излучателем, необходимо немного смещать вдоль оси Z пропорционально его высоте. Угол вытекания мощности относительно оси Y определяется соотношением где для узкой щели

Один излучатель или несколько излучателей можно использоваться для СВЧ-нагрева продуктов и обработки материалов в качестве источников поля в ближней зоне как элементы возбуждения камеры СВЧ, а также в качестве антенн вытекающей волны с плоской поляризацией.