книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности
.pdf13. Н а з 1 е с1 |
Л. В., ТЬе <Не1есГпс ргорегНез оГ дуаГег, Р г о ц г . |
0 1 в 1 е с М с 8 , |
3, рр. 103—149 (Аи§из1 1961). |
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
тГсппуауе ЬеаИпб зузГетз Гог 1ишЬег ргосеззше, 1 Е Е Е |
Т г а п з ., |
|||
ЮА, 2, рр. 234—243 (Мау—Липе 1966). |
ТЬе <Ие1ес1пс ргорегИез |
|||
16. Л а т е з №. Ь., Н а т П |
1 |
О. №., |
||
оГ Ооиб1аз Пг, Рогез1 Р г о й . |
У., |
15, рр. |
51—56 (РеЬгиагу |
1965). |
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,
18. |
Зугасизе, №\у Уогк, 1948. |
|
К о Ь е г Гз Т. Е., |
||||||||
Н а г р е г |
Л. С., |
С Ь 1 с Ь е з I е г С. О., |
|||||||||
19. |
Ргееге Лгушб оГ Гоодз, А % г. Е п &., 43, рр. 78—81 (1962). |
|
|||||||||
Т а у 1ог |
|
Н. В., |
М1сго\уауе шохзГиге теазигетепГ, А Е 1 |
( А з - |
|||||||
зос. Е1ес. |
1 п й .) |
Е п % ., |
5, рр. 39—46 (Лапиагу — РеЬгиагу 1965). |
||||||||
20. |
Н а з 1 е 6 |
Л. В., |
5 И а Ь |
М. А., АИсгошауе аЬзогрИоп Ьу \уа- |
|||||||
|
1ег ш ЬиПсИпб таГепаЬ, В г И . У. А р р 1 . Р к у з ., 15, рр. 825—836 |
||||||||||
21. |
(МагсЬ 1964). |
|
|
01е1ес1пс РгорегИев оГ НеГего^епеоиз М1 |
|||||||
Э е Ь . о о г |
О. Р., |
||||||||||
22. |
Гигез, Ьекеп, ТЬе На^ие, ЕхсеЫог, 1956 (ТЬез1з). |
|
|
||||||||
Т 1 п § а |
№., |
|
М1сго\уауе РгорегПез о! НагёЬоагё, ЕЕ КерГ. |
||||||||
23. |
МР05, 1Лшу. о! А1Ьег1а, ЕсЬпопГоп, Ли1у 1966. |
(Ъе1ес1пс |
|||||||||
К а т 1 п о V |
|
I. Р., |
Н а г (П п б О- О., |
Сотр1ех |
|||||||
|
сопзГап! оГ КН2Р04 аГ 9.2 Сс/зес, Р к у з . Р е о ., 129, рр. 1566 (РеЬ |
||||||||||
24. |
гиагу 1963). |
|
О и Р г е |
Р. К.» А гетагкаЫе ргорег!у оГ Гес- |
|||||||
О е V е г з |
М., |
||||||||||
25. |
Ьтса! зоПб <Ие1ес1г1сз, Р к Ш р з Т е с к . Р е е ., 9, рр. 91—96 (1947). |
||||||||||
3 и р р 1 е е А. Е., |
Н1бЬ ро\уег тхсгочуауе зуз1ешз. У. М 1 с г о - |
||||||||||
26. |
шсюе Р о ш ег, |
1, рр. 89—96 фесетЬег 1966). |
|
|
|
||||||
О г и Ь е г |
О., |
РгасМса1 азрес! оГ ткго\уауе уепеег геЛгук^, |
|||||||||
27. |
У. М и г д ш а и е Р о ш ег , 2, рр. 37—39 (Липе 1967). |
|
|
||||||||
О 1 з т а п |
М., Ап есопотк шоае1 Гог ткгошауе Ьеа1ш§ зуз- |
||||||||||
28. |
Гешз, У. Л И сгош аое Р о ш е г , 1, рр. 33—42 (Ли1у 1966). |
|
1Ье |
||||||||
К е з с Ь |
Н., |
|
РгеПттагу ТесЬтса1 Реаз1ЫШу ЗГиЛу оп |
||||||||
|
1Лзе о! Мкичшауез Гог !Ье Огуш§ оГ КеЛ\уооЛ ЬитЬег, Зегу. РерГ. |
||||||||||
|
35.01,55, |
Рогез! РгоЛиск |
ЬаЬ., 1Лшу.*оГ СаШогша, РкЬтопЛ, |
||||||||
29. |
СаШогша, |
1966. |
|
|
|
|
|
|
|||
Н а 1е |
Т. Р., |
СотшегЫа! ЬагЛ\уооЛ уепеег Лгукд уапаЫеБ |
|||||||||
|
ап(1 1аЬога1огу соггеЫюп, Рогез1 Р г о й . У., 11, рр. 420—422 (Зер- |
||||||||||
30. |
ГетЬег 1961). |
пат. США 2730481, Лапиагу 1956. |
|
|
|||||||
V а у! В. Р., |
|
|
|||||||||
31. |
В о х*о ш иг о г I Ь |
О. Р. |
М а з о п Р. Н., пат. США2604665, |
||||||||
32. |
1956. |
|
Н. Б., |
МкгоигаУе ргосеззтб |
оГ зЬее! |
таГепаЬ, |
|||||
№ а г п е г |
|||||||||||
33. |
У. М ьсгош аое |
Р ош ег, |
1, рр. 81—88 фесетЬег 1966). |
|
|
||||||
№ П П а ш з |
N.14., Мо1з!иге 1еуеШпб 1п рарег, \уооЛ, 1ехИ- |
||||||||||
|
1ез апЛ оГЬег гшхеЛ Л|*е1ес1пс5, У. М гсгош аое Р о ш ег , 1, рр. 73— |
||||||||||
34. |
80 фесетЬег |
1966). |
|
Л. А., Есопотк аЛуапГа^ез оГ т к - |
|||||||
О о е г г |
V . |
Л., |
Л о 1I у |
||||||||
|
го>уауе епег^у 1п ГЬе рарег тЛизГгу, У. Ш с г о ш а о е Р ош ег, 2 (Ли1у |
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-
насные передающие линии. В пучностях напряжения стоя чей волны мощность легко может быть передана обрабаты ваемому объекту; иногда это единственный способ осу ществления достаточной связи. С другой].стороны, в уз лах стоячей волны (минимумы напряжения) нельзя]получить ощутимой передачи мощности обрабатываемому объек ту. Образующиеся в результате «горячие пятна»]являются нежелательными, и пучности стоячей волны^необходимо сдвигать путем «перемешивания» видов колебаний, ча стотной модуляции или умышленным частичным^перекрытием (стоячих волн). Кроме того, необходимо предусмо треть защиту СВЧ-генератора от избытка отраженной мощности1) для случая, когда система находится без обра батываемого материала.
Б. Системы с бегущей волной.^Если система заканчи вается согласованной нагрузкой, то энергия не отражается к входу, и связь можно было бы считать постоянной по всей длине системы, если не учитывать имеющий место экспоненциальный спад амплитуд СВЧ-поля в направле нии распространения энергии. Этот спад можно скомпен сировать соответствующей конструкцией]установки. По скольку средняя степень связи в этом случае меньше, чем в системах со стоячей волной, системы бегущей волны получаются обычно больших размеров. Неотражающая оконечная нагрузка приводит к тому, что часть мощности теряется впустую; следовательно, чем протяженнее систе ма, тем меньше мощности будет теряться в оконечной на грузке. Типичные системы с бегущей волной представляют собой волноводные или коаксиальные передающие ли нии или замедляющие системы, подобные тем, которые используются в СВЧ-электронных приборах. Установки с бегущей волной, использующие замедляющие системы, имеют меньшие габариты и обладают тем преимуществом, что указанные замедляющие системы являются неизлу чающими. Это позволяет в некоторых случаях размещать такие системы только с одной стороны от обрабатываемо го материала.)*
*) Особенности работы СВЧ-генератора на нагрузку с высоким коэффициентом отражения рассмотрены в т. 1 настоящего издания.—
П р и м . р е д .
II.Щелевой волновод
А.Описание волноводной^передающей линии. В СВЧдиапазоне для передачи энергии из одной точки в"другую целесообразнее вместо коаксиальной линии применять вол новод. Для уменьшения потерь при изготовлении волно водов используются такие металлы, которые являются хорошими проводниками, например медь, латунь, алю миний. В поперечном сечении волноводы могут быть круг лыми, эллиптическими и прямоугольными. Круглые вол новоды критичны к изгибам и отклонениям в размерах и обычно не используются1). Эллиптические волноводы об
ладают свойствами, промежуточными междуАкруглым и прямоугольным волноводами в зависимости от степени эллиптичности.
В этом разделе мы подробно^ассмотрим только прямо угольные волноводы/Существуют стандартные волноводы с различнымиУразмерамиЛВ большинстве случаев один из двух размеров поперечного сечения примерно в два раза больше другого, хотя бывают и исключения. Б<?лыпий размер обозначается как «ширина», а\п од «высотой» понимают меньший размер. Напряженность поля Е макси
мальна в середине широкойд стенки и неизменна вдоль узкой стенки; на обоих концах широкой стенки она умень шается до нуля. Токи, которые текут только по внутрен ним поверхностям, имеют максимум там, где напряжение равно нулю, и наоборот. Поскольку в середине широкой стенки поперечный ток равен нулю, можно вдоль волно вода с каждой широкой стороны прорезать щель. При этом характеристики волновода не изменятся и, кроме того, не будет существенных утечек мощности (из-за излучения).-
Б. Волновод как СВЧ-система для обработки материа ла. Характеристики щелевых прямоугольных волноводов давно известны, а их принцип используется в конструк циях аттенюаторов. Как показано на фиг. 1, диэлектри ческий материал в виде пластины вводится в волновод таким образом,[что его поверхность параллельна полю Е .)*
*) Это утверждение относится только к установкам для СВЧобработки. Подробнее об использовании круглых волноводов см., например, т. 1 настоящего издания.— П р и м ^ р ед .
Диэлектрический материал поглощает СВЧ-мощность, преобразуя ее в тепло и вызывая затухание мощности, распространяющейся по волноводу. В промышленных
установках диэлектрический материал, подлежащий на греву, пропускается через волновод достаточной длины, чтобы обеспечивать использование всей или по крайней мере большей* части подведенной мощности. Как показа но в работе [2] по исследованию тонкопленочных СВЧаттенюаторов, парциальные потери в листе диэлектрика с потерями, пропускаемого через центр прямоугольного
волновода (фиг. 1), МОЖНО вычислить довольно точно по
формуле
|
- ^ = 0 , 4 1 8 / 4 - ^ , |
|
|
где ДР/Р — мощность, поглощаемая |
в диэлектрике на |
||
длине 1 см, отнесенная к проходящей мощности; |
/ — ча |
||
стота, Ггц\ I — толщина материала; |
а — ширина волно |
||
вода; ^ |
— коэффициент потерь в материале; |
— отно |
|
шение волноводной длины волны к |
длине волны в сво |
||
бодном |
пространстве. |
|
|
Для |
волновода АУК-340, работающего на |
частоте |
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
длины волновода, численно равна |
толщине материала |
|
(в см). Указанное выше отношение |
ширины волновода к |
|
его высоте (2 : 1) не единственное. |
На практике для |
не |
которых применений встречаются |
отношения 4 : 1 |
и |
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
чения, связанные с необходимостью поддержания по стоянства высоты волновода. Длина щели не должна, однако, равняться целому числу полуволн во избежание щелевого резонанса и появления в результате этого стоя чей волны. Ширина щели должна быть такой, чтобы можно было пропустить диэлектрик, подлежащий нагреву. Это необходимо для уменьшения излучения. Практически максимальная ширина щели должна быть"равна */, ши рины (большего размера) волновода, но,* по-видймому, можно^рассмотреть другие способы конструирования си стем для обработки более толстых материалов.
В. Распределение энергии и отклонения. Поскольку передача мощности диэлектрику в одной секции щелево го волновода мала, из соображений эффективности обычно требуется использовать несколько (или много) секций. Эти секции' обычно соединяются последовательно, так что СВЧ-мощность падает на материал сначала^в одном направлении, а затем в другом. Такое изменение^направления мощности, распространяющейся по волноводу, обеспечивается использованием 11-образных волновод ных секций, соединяющих концы прямых участков1). Таким образом, поперечные сечения волноводного меанд ра пересекают нагреваемый материал в прямом и обратном направлениях. Общее число секций определяется исходя из имеющихся производственных площадей, экономических соображений, поглощающих свойств и ширины материала.
Другое обстоятельство, препятствующее использова нию только одной секции щелевого волновода, заключает ся практически в том, что система имеет спад по полю. Например, при величине потерь мощности (проходящей вдоль ширины листа материала), равной 1 дб, один край
листа будет получать только 80% мощности, получаемой другим краем. В большинстве применений эта неравно мерность нагрева недопустима, не говоря уже о том, что система малоэффективна, так как только 20% мощности может быть передано для нагрева^листа^при^однократном прохождении мощности через него.
При добавлении других секций щелевых волноводов равномерность^нагрева (отводной стороны материала к
*) См. фиг. 2 разд. 5.1.17.— П р и м . р ед .
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
не изменяется в зависимости |
от неоднородностей в про |
|
цессе обработки |
материала |
или скорости конвейера. |
Д. Защита генератора. При непрерывной подаче обыч |
||
но применяемых |
диэлектрических материалов, а также |