СВЧ-устройства на основе волноводов сложного поперечного сечения для равномерного нагрева диэлектрических материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Железняк, Алексей Робертович

• Железняк, Алексей Робертович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Железняк, Алексей Робертович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ПРОИЗВОЛЬНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭНЕРГИИ СВЧ ПОЛЯ В МИКРОВОЛНОВЫХ УСТАНОВКАХ С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ.

1.1 Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими, поглощающими СВЧ мощность, диэлектрическими материалами в произвольных регулярных волно-водных структурах.

1.2 Метод решения совместной краевой задачи электродинамики и теплопроводности для; произвольных волноводных структур, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом.

1.3 Алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волновод-ных структур с частичным термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность диэлектрическим заполнением.

ГЛАВА П. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ

СТРУКТУР ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ С ПРОИЗвольным ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ, ПОГЛОЩАЮЩИМ СВЧ мощность, ЗАПОЛНИТЕЛЕМ.

2Л Ложные численные решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волновод-ных структур с частичным диэлектрическим заполнением и пути их устранения.

22 Моделирование электродинамических процессов в квазистационарных волноводных структурах сложного поперечного сечения с произвольным диэлектрическим заполнением на основе метода эквивалентных схем.

23 Дисперсионные свойства собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля квазистационарных регулярных ВСС с произвольным диэлектрическим заполнением.

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕЙЕРНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ УСТАНОВОК РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ТЕРМОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ, ПОГЛОЩАЮЩИХ СВЧ МОЩНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ВСС.

3.1 Электродинамические свойства и структура ЭМГ поля вес с частичным, поглощающим СВЧ мощность диэлектрическим заполнением, электрофизические и динамические свойства которого изменяются в процессе нагрева.

3.2 Тепловые свойства произвольных волноводных структур с частичным термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим заполнением

3.3 Математическое моделирование микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических, поглощающих СВЧ мощность диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СВЧ-устройства на основе волноводов сложного поперечного сечения для равномерного нагрева диэлектрических материалов»

Исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с произвольными, поглощающими СВЧ мощность, диэлектрическими средами в квазистационарных волноводных структурах сложного поперечного сечения и создание на их основе малогабаритных, высокоэффективных, с высоким темпом нагрева микроволновых установок равномерного нагрева представляет собой актуальную и весьма перспективную задачу техники и энергетики СВЧ. Привлекательными аспектами волноводов сложных сечений таких как: П и Н-волноводы; прямоугольный волновод с Т-ребром (ПВТР); подковообразный волновод (ПОВ); якорный волновод (ЯВ); секторный волновод (СВ) и другие являются - более высокая нежели у стационарных волноводов (СВ-прямоугольный, цилиндрический и др.) величина коэффициента широкополосности, что позволяет на их основе создать более универсальные установки равномерного нагрева стационарного типа и более оптимальные системы конвейерного типа для термообработки термопараметрических листовых материалов; наличие четко выраженной области в поперечном сечении волновода, электрическое поле в которой не только однородно, но и при фиксированном уровне СВЧ мощности подводимой в ВСС обладает более высокой напряженностью, чем в СВ, что позволяет повысить уровень рассеиваемой в поглощающем материале ЭМГ энергии, то есть увеличить удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Кроме того, на заданной рабочей длине волны данные волноводные структуры имеют меньшие габариты поперечного сечения нежели СВ, что позволяет уменьшить габариты рабочих камер на основе ВСС, что принципиально важно при создании компактных микроволновых установок равномерного нагрева на рабочих частотах - Vo = 433 и 915 МГц ± 2,5%.

Как показано в работах [1-3], ВСС имеющие четко выраженный емкостной зазор относятся к волноводным структурам со многими степенями свободы, то есть они представляют собой более многофункциональные электродинамические системы нежели стандартные волноводы. Данное положение принципиально важно при создании микроволновых установок равномерного нагрева как стационарного, так и конвейерного типов. Это связано, во-первых, с тем, что равномерную термообработку произвольных, поглощающих СЕЧ мощность, диэлектрических материалов, как показано в работе 1], можно осуществить только в доминантном диапазоне длин волн, при распространении в волноводе единственной основной волны, при этом рабочая камера должна быть выполнена на отрезках нерегулярных волноводных структур, поскольку в регулярных волноводах с частичным поглощающим заполнением ЭМГ волна затухает по экспоненциальному закону, что не позволяет обеспечить однородную погонную плотность тепловых источников в направлении распространения волны. Во-вторых, как показано в работах 4,5], наиболее оптимальным путем достижения однородной погонной плотности тепловых источников - в объеме обрабатываемого материала является многопараметрическое изменение профиля поперечного сечения волновода в направлении распространения волны при котором удовлетворяется требуемое изменение коэффициента затухания по длине рабочей камеры [6,7], при котором qL = const, что может быть достигнуто только в микроволновых установках, рабочая камера которых выполнена на отрезках нерегулярных ВСС.

Таким образом, отмеченные выше преимуп1,ества квазистационарных вес по сравнению со СВ позволяют создать на основе ВСС новый перспективный класс малогабаритных высокоэффективных установок равномерного нагрева произвольных, поглопдающих СВЧ мощности, диэлектрических материалов, с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур. Создание данных установок требует установление критериев и путей достижения равномерного объемного нагрева произвольных диэлектрических материалов, проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств ВСС с частичным поглощающим заполнением на основе решения прямой внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для данных волноводных структур, определение условий оптимизации конструкций рабочих камер равномерного нагрева на основе ВСС.

Решение данной задачи значительно затруднено сложностью удовлетворения граничных условий на внутренней поверхности вес, что не позволяет получить аналитическое решение внутренней краевой задачи электродинамики для квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения, частично заполенных диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность материалом и осо-чЛбенно при изменении его электрофизических свойств в процессе термообработки. При этом, как показано в работах [8,9], для нагреваемых в установках на основе ВСС образцов правильной геометрической формы (прямоугольной, цилиндрической и др.) возможно получение аналитического решения краевой задачи теплопроводности. То есть решение совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, на основе которой определяется конструкция рабочей камеры равномерного нагрева, может быть осуществлена численным или комбинированным - численно-аналитическим методом, при этом основную трудность представляет решение задачи электродинамики для нерегулярных ВСС, частично заполненных, поглощающим СЕЧ мощность, диэлектрическим материалом. Это связано, как было отмечено выше со сложностью геометрии поперечного сечения ЕСС и соответственно удовлетворения граничных условий в данных волноводных структурах. Во-вторых, форма и габариты рабочей камеры микроволновой установки, а также режим термообработки определяются в основном собственными электродинамическими параметрами, а именно коэффиции ТЧ и ентом затухания - а и постоянной распространения - Р основной (доминантной) волны ВСС, величина которых зависит от множества параметров определяющих геометрию поперечного сечения волновода и заполняющего материала, электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала, а также характера изменения данных параметров от температуры нагрева (термообработка термопараметрических материалов), от рабочей длины волны, на которой производится термообработка, уровня подводимой в рабочую камеру СЕЧ мощности, а также от скорости транспортировки материала (конвейерные микроволновые установки). Так в установках выполненных на отрезках нерегулярного прямоугольного волновода с Т-ребром (ПЕТР) предназначенных для непрерывной термообработки материалов с постоянными в процессе нагрева электрофизическими параметрами величина коэффициентов аир зависит от девяти параметров, а для термопараметрических материалов от семнадцати параметров, что значительно усложняет проведение анализа электродинамических и тепловых свойств данных волноводных структур и соответственно определение оптимальной геометрии рабочей камеры установки. Кроме того, если собственные электродинамические параметры произвольного волновода с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением являются интегральными параметрами поперечного сечения, то структура ЭМГ поля носит дифференциальный параметр и для его определения необходимо вычислять составляющие векторов напряженности электрического и магнитного полей в каждой точке поперечного сечения волновода. Это приводит к необходимости учета особенностей поведения поля на сложных металлических поверхностях (условие на ребре, что специфично для квазистационарных ВСС) и границах раздела сред, что резко увеличивает объем вычислений при определении удельной плотности тепловых источников в обрабатываемом материале. Перечисленные факторы предъявляют жесткие требования к методу, алгоритму и программе численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для ВСС с произвольным диэлектрическим, поглощающим СВЧ мощность, заполнением направленные на сокращение оперативной памяти, увеличение быстродействия при одновременном повышении точности вычислений и не допущение возникновения ложных решений, особенно при многослойном диэлектрическом заполнении волновода.

В технике и энергетике СВЧ достаточно полно исследованы электродинамические свойства полых регулярных ВСС таких как: П и Н-волноводы; эллиптический волновод; прямоугольный волновод с Т-ребром; подковообразный волновод [10-15]. Однако недостаточно полно изучены электродинамические свойства ВСС при многослойном комбинированном заполнении «диэлектрик-поглотитель». Кроме того отсутствуют исследования процесса взаимодействия ЭМГ волн с диэлектрическими, поглощающими СВЧ мощность, средами в ВСС, электрофизические и тепловые свойства которых зависит от температуры нагрева. Заметим, что большой класс диэлектрических материалов [16-18] и процессов термообработки с помощью энергии СВЧ поля можно отнести к числу термопараметрических. К таким процессам в частности относятся: сушка влажных материалов; высокотемпературная обработка и спекание брикетированных порошкообразных образцов; вулканизация резино-технических изделий; полимеризация синтетических смол; термообработка различных полупроводниковых материалов и др. Исследования электродинамических и тепловых свойств ВСС с частичным термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим заполнением сдерживается отсутствием математической модели взаимодействия ЭМГ волны с конкретным материалом с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров в рабочем диапазоне температур, эффективных методов решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для указанных волновод-ных структур. Проведение данных исследований представляет значительный интерес в технике и энергетике СВЧ, поскольку позволяет на их основе создать новый перспективный класс малогабаритных, высокоэффективных микроволновых установок равномерного нагрева широкого класса диэлектрических, поглощающих СВЧ мощность, материалов.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является создание оперативной математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими СВЧ мощность средами, электрофизические и тепловые свойства которых зависят от температуры нагрева, позволяющей описать электродинамические и тепловые свойства произвольных волноводных структур с частичным термопараметрическим заполнением. Разработка эффективного метода, алгоритма и программы численного решения совместной нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для ВСС, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом. Проведение комплексных исследований электродинамических и тепловых свойств указанных волновод-ных структур и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных установок равномерного СВЧ нагрева.

Методы исследования. Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод Катхилла-Макки сведения разреженных матриц к ленточной форме; теория графов; объектно-ориентированные методы вычислений; линейная алгебра; методы математической физики; комбинированный численно-аналитический метод; метод разделения переменных; ортогональные преобразования Фурье; метод эквивалентных схем; графоаналитический метод; методы экспериментального исследования.

Научная новизна.

1. Предложена оперативная математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими средами, элетрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе термообработки, позволяющая описать электромагнитные и тепловые свойства нерегулярных ВСС с частичным термопараметрическим диэлектрическим заполнением.

2. Разработаны эффективный метод, алгоритм и программа численного решения совместной нелинейной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для ВСС, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, позволяющие провести комплексные исследования электродинамических и тепловых свойств данных структур.

3. Установлены причины возникновения и определены пути устранения ложных решений внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волновых структур с частичным диэлектрическим заполнением, возникающие при использовании численных методов решения ВКЗЭ и в частности метода конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок.

4. Определены основные условия и критерии достижения однородной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в рабочих камерах на основе нерегулярных вес как стационарного, так и конвейерного типов связанные с требуемым характером продольного изменения коэффициента затухания доминантной волны базового квазистационарного волновода сложного поперечного сечения.

5. Предложена методика численного расчета методом конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок прямого возбуждения электромагнитных процессов в рабочих камерах выполненных на основе отрезков нерегулярных квазистационарных вес, позволяющий упростить конструкцию микроволновой установки равномерного нагрева на частотах 433 и 915 МГц ± 2,5%.

6. Установлены основные критерии и пути графоаналитического расчета продольной геометрии плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (СВ), на основе которых выполнен вывод энергии большинства СВЧ генераторов и рабочей камерой выполненной на отрезках нерегулярных ВСС (переходы СВ - ВСС), позволяющие обеспечить направленную, неотражающую передачу

ЭМГ энергии от генератора в рабочую камеру микроволновой установки равномерного нагрева диэлектрических материалов.

7. Определены особенности трансформации доминантной волны произвольного волновода при комбинированном многослойном заполнении «диэлектрик - поглотитель», которые позволяют определить оптимальный режим термообработки диэлектрического материала, включая и термопараметрического, поглощающего СВЧ мощность материала, в микроволновых системах равномерного нагрева при изменении продольной геометрии рабочей камеры.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• даны практические рекомендации по оптимизации метода численного расчета рабочих камер микроволновых установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов выполненных на основе отрезков нерегулярных, квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения;

• даны практические рекомендации по использованию квазистационарных вес в качестве рабочих камер нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных микроволновых установок равномерного нагрева различных диэлектрических материалов, включая термопараметрические материалы, а также в качестве малогабаритных, широкополосных поглощающих элементов техники СВЧ;

• разработаны конструкции малогабаритных, высокоэффективных микроволновых установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов как стационарного, так и конвейерного типов на основе отрезков квазистационарных, нерегулярных волноводов сложного поперечного сечения таких как: прямоугольный волновод с Т-ребром; П и Н-волноводы; подковообразный волновод;

• разработаны оптимальные конструкции плавных согласующих переходов между стационарными волноводами, на основе которых осуществлен вывод энергии генератора СВЧ мощности, и волноводами сложных поперечных сечений, на базе которых выполнена рабочая камера микроволновых установок равномерного нагрева различных диэлектрических материалов;

• внедрена в практическое пользование методика численного расчета прямого возбуждения электромагнитных процессов в рабочих камерах микроволновых установок различных диэлектрических материалов выполненных на отрезках нерегулярных, квазистационарных ВСС;

• результаты работы внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках, проводимых в Саратовском государственном техническом университете, в учебном процессе на кафедре радиотехники, а также на предприятиях - СЭПО (Саратовское электроагрегатное производственное объединение) и ГННП «Алмаз - Фазотрон» .

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях: Symposium on antenna technology and applied electro-magnetic's (Winnipeg, Canada), 1992; «Актуальные проблемы электронных приборов» (Саратов - 1994, 1996, 2000); «Современные проблемы радиотехники, управления и связи» (Саратов - 2000); на V научно-технической конференции по проблемам применения СВЧ энергии в народном хозяйстве (Саратов - 1986); на IV Всесоюзном семинаре по решению внутренних краевых задач электродинамики (Новороссийск - 1986); на Всесоюзном семинаре «Современные проблемы СВЧ обработки и энергетики» (Москва - 1986); на Всесоюзном семинаре «Математическое моделирование физических процессов в антенно-фидерных трактах» (Саратов - 1990); на Всесоюзной конференции «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях» (Саратов - 1991); на научно-техническом семинаре «Распространение и дифракция волн в неоднородных средах» (Смоленск - 1992).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано - 27 печатных работ, получено три авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации изложен на 251 странице, состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 62 рисунка, а также список литературы (97 наименований).

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Железняк, Алексей Робертович

Основные результаты и выводы.

В данной диссертационной работе проведено решение актуальной задачи СВЧ энергетики, связанной с созданием математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими, поглощающими СВЧ мощность диэлектрическими материалами в волноводных структурах сложного поперечного сечения и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных с высоким темпом нагрева микроволновых установок равномерного нагрева диэлектрических материалов с учетом динамики изменения электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур. В данном разделе кратко изложены основные выводы и новые научные результаты диссертационной работы, перспективы ее практического применения и внедрение.

• определены основные условия , положения и принципы достижения однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого с помощью энергии СВЧ поля материала, которые базируются на требуемой закономерности изменения коэффициента затухания доминантной волны, в направлении ее распространения;

• разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими, поглощающими СВЧ мощность диэлектрическими материалами, позволяющая исследовать электродинамические и тепловые свойства рабочих камер микроволновых установок равномерного нагрева на основе квазистационарных вол-новодных структур сложного поперечного сечения;

• предложен метод решения совместной нелинейной ВКЗЭиТ для волноводных структур сложного поперечного сечения, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность диэлектрическим материалом, в основе которого лежат метод последовательных приближений и МКЭ с применением принципа Галеркина и метода взвешенных невязок;

• предложены алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных структур с частичным термопараметрическим заполнением, обеспечивающие оптимальное время решения ВКЗЭиТ, а также уменьшающие оперативную память ЭВМ.

• проведено исследование процесса возникновения ложных численных решений ВКЗЭ для произвольных волноводных структур с частичным диэлектрическим заполнением, характеризующиеся деформацией истинной дисперсионной кривой Л/ЛЛУЛ) в области распространения медленных волн и структурой электромагнитного поля не удовлетворяющей условию д1уН(г,т) = 0 в области поперечного сечения волновода, связанное с плохой обусловленностью исходных матриц обобщенных волновых уравнений для векторов напряженности электрического и магнитного полей;

• показано, что в зависимости от геометрии поперечного сечения регулярного волновода и сетки разбиения исследуемой области на конечные элементы ложные решения ВКЗЭ могут быть трех видов: без разрывов дисперсионной кривой Лу г/] (стандартные волноводы с частичным диэлектрическим заполнением при использовании равномерной по плотно-с разрывом дисперсионной кривой в окрестностях точек при использовании неравномерной сетки); с разрывами дисперсионной кривой, вызванных сложностью конфигурации поперечного сечения волновода (вес с частичным диэлектрическим заполнением);

• установлено, что для устранения ложных численных решений ВКЗЭ для произвольных волноводных структур с многослойным диэлектрическим заполнением необходимо использовать неравномерную сетку разбиения исследуемой области поперечного сечения волновода на конечные элементы, плотность которой резко возрастает на границе раздела сред и металлическом контуре поперечного сечения волновода, а также со у аЛ волноводы с многослойным диэлектрическим заполнением ортогональные методы преобразования глобальных матриц исходных волновых уравнений, которые позволяют получить численно устойчивые решения ВКЗЭ;

• на основе метода эквивалентных схем получены аналитические соотношения, связываюш;ие собственные электродинамические параметры квазистационарных регулярных ВСС, имеюш;их четко выраженный емкостной зазор, с электрофизическими параметрами диэлектрического мате

1-Л риала (е'лпах = £тт "ЛЛЗ' коэффициентом заполнения 2Л геометрией поперечного сечения волновода лдо= 8,(1-л)-ААА , позволяюш;ие опV ределить перспективность и эффективность использования ВСС, как базовых элементов рабочих камер микроволновых установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов;

• показано, что квазистационарные волноводные структуры сложного поперечного сечения, имеющие четко выраженный емкостной зазор, обладает значительно большей широкополосностью и приведенной критической длиной волны основного (доминантного) типа волны, нежели стандартные волноводы (прямоугольный, цилиндрический и др.), что позволяет на их основе создать новый перспективный класс малогабаритных высокоэффективных с высоким темпом нагрева микроволновых установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов как стационарного, так и конвейерного типов;

• установлено, что в квазистационарных ВСС невозможно достичь одновременного увеличения таких наиболее важных в СВЧ энергетике параметров, как коэффициента широкополосности, определяющего универсальность микроволновых структур на основе данных волноводов и коэффициента заполнения, определяющего максимальные габариты диэлектрического материала, в котором может быть достигнута однородная плотность тепловых источников, что является одним из основных условий оптимизации геометрии рабочей камеры микроволновых установок равномерного нагрева на основе ВСС;

• показано, что при частичном заполнении произвольного волновода диэлектрическим материалом поперечное волновое число, определяющее структуру электромагнитного поля в поперечном сечении волновода, в более плотной среде (8'>1) является действительной величиной во всем разрешенном диапазоне длин волн (0<Х<Хлл), в то время, как в менее

1С с /

• 1 \ и и и плотной среде (воздух - е = 1) является действительной величиной в области распространения быстрых волн | 'л/ц)л/л]<лл и мнимой величиной в области распространения медленных волн >1 , что свидесо ' тельствует о трансформации ЭМГ поля при изменении режима распространения электромагнитных волн;

• установлено, что в области распространения медленных волн

О >1 электрическое поле доминантной волны в менее плотной среде

Е' = 1) стягивается к границе раздела сред в связи с мнимым характером

К1ЛС кЛс Х поперечного волнового числа , при этом с уменьшением оз со а величина возрастает, что приводит к усилению эффекта трансфор

С3 мации ЭМГ поля, что в конечном итоге приводит к образованию «волны / Л на стыке» лЛ=7а «С^н-в^Зу , характерной особенностью которой является а / высокая концентрация электрического поля у границы раздела сред;

• показано, что коэффициент широкополосности квазистационарных вес, частично заполненных диэлектрическим материалом, имеет максимум в диапазоне изменения ширины образца 0< при этом с увеличением г' величина Ъ,лл возрастает и смеш;ается в область меньших значений Л / , что необходимо учитывать при выборе исходной геометрии / а рабочей камеры микроволновой установки, то есть для заданной толщины обрабатываемого материала - Ш, размер широкой стенки волновода - а необходимо выбирать таким образом, чтобы на заданной рабочей длине волны достигалось значение Ъ,лл.

• показано, что отличительной особенностью волноводных структур произвольного поперечного сечения, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность диэлектрическим материалом является изменение режима распространения электромагнитных волн на фиксированной рабочей длине волны - ъ рабочем диапазоне температур, связанное с изменением электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в процессе нагрева, что приводит к перераспределению удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала;

• показано, что в конвейерных микроволновых установках поперечного типа, наиболее распространенных в СВЧ энергетике, наблюдается постоянство электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в направлении распространения ЭМГ волны, при этом вектор напряженности электрического поля коллинеарен градиенту температурного изменения в образце, и следовательно для определения электродинамических и тепловых свойств данных волноводных структур могут быть использованы более упрощенные уравнения ВКЗЭиТ (1.24);

• установлена аналитическая зависимость характера изменения напряженности электрического поля основной волны квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения, с частичным термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, в конвейерных микроволновых установках поперечного типа в направлении распространения электромагнитной волны, которая позволяет однозначно определить удельную плотность тепловых, источников в объеме данного класса материалов;

• показано, что при конвейерной равномерной термообработке термопараметрических, поглощающих СВЧ мощность, диэлектрических материалов в СВЧ нагревательных системах на основе квазистационарных вес, основное влияние на процесс термообработки оказывают характер изменения электрофизических параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур и в основном температурное изменение диэлектрической проницаемости г'{1);

• предложен метод решения внутренней краевой задачи теплопроводности для термопараметрических материалов при термообработке в конвейерных микроволновых установках равномерного нагрева поперечного типа на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения, который основывается на последовательном временном итерационном приближении, при постоянстве скорости протяжки обрабатываемого материала, который позволяет определить установившуюся температуру нагрева материала в направлении его перемещения;

• установлено, что принципиальным моментом равномерного нагрева термопараметрических, поглощающих СВЧ мощность, диэлектрических материалов является невозможность изменения режима термообработки, сопровождающегося изменением распределения температурного нагрева материала в направлении его перемещения, то есть скорости транспортировки - и уровнем подводимой в РК установки СВЧ мощности, что приводит к нарушению условия равномерной термообработки зонного класса материалов;

• предложена математическая модель прямого возбуждения электромагнитных процессов в волноводных структурах сложного поперечного сечения посредством сторонних токов и зарядов, базируюш;аяся на системе неоднородных обобщенных волновых уравнений Гельмгольца для векторов напряженности электрического и магнитного полей, численное решение которых осуществляется на основе метода конечных элементов с использованием принципа Галеркина и метода взвешенных невязок;

• показано, что использование плавных согласующих переходов СВ-ВСС позволяет наиболее оптимально решить задачу возбуждения электромагнитных процессов в рабочей камере конвейерных микроволновых установок равномерного нагрева термопараметрических материалов, выполненной на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения, при этом в качестве систем возбуждения РК могут быть использованы линейные переходы полоса пропускания которых составляет порядка 75% ото доминантного диапазона длин волн стандартного волновода, на основе которого осуществляется вывод энергии СВЧ поля, что значительно превышает диапазон длин волн, отпущенный для целей использования энергии электромагнитного опля в народном хозяйстве - АХ = Хд± 2,5%;

• установлено, что наиболее оптимальным путем достижения однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала является одновременное продольное изменение как внутренней, так и внешней геометрии волноводных структур сложного поперечного сечения, причем габаритные размеры поперечного сечения волновода должны плавно уменьшаться в направлении распространения волн;

• проведенные исследования позволяют разработать комплексный подход в создании микроволновых конвейерных установок равномерного нагрева термопараметрических, поглощающих СВЧ мощность диэлектрических материалов, на основе отрезков квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения, отличающихся меньшими

236 внешними габаритами и более высокой удельной плотностью тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Железняк, Алексей Робертович, 2002 год

1. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева : Д. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. - Саратов: СГТУ, 1999. - С. 439.

2. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Саратов: Изд-во СГТУ, 1997.- 160с.

3. Yakovlev V. V., Kolomeytsev V. А., Komarov V. V. Two-sectional matching transition for partially filled rectangular T-septum waveguide // Proceeding of 10**A Conference of the Computation of Electromagnetic Fields. Berlin, Germany. - 1995. - P. 692-693.

4. Коломейцев В. A. Перспективы использования прямоугольного канального волновода с Т-ребром //Антенно-фидерные устройства , системы и средства радиосвязи: Сб. тр. III меж-дунар. науч.-техн. конф.- Воронеж, 1997. -Т.2.- С. 270-277.

5. Коломейцев В.А., Железняк А.Р., Соколов В.Н. Собственные параметры и структуры полей высших типов волноводов сложной формы, частично заполненных поглотителем // Вопросы электронной техники: Межвуз. науч. сб. -Саратов: СПИ, 1988. С. 99-105.

6. И. Коломейцев В.А., Железняк А.Р., Комаров В.В. Приближенный расчет критических длин волн волноводов сложной формы с частичным диэлектрическим заполнением // Радиотехника. -1990.- №7. С. 74-75.

7. Finite element analysis of T-septum waveguide structures / Ko-marov V.V., Yakovlev V.V., Zheleznyak A.R., Dmitrieva E.I., Kolomeytsev V.A. // Proceedings of Symposium on Antenna

8. Technology: Winniped. Canada, 1992. - P. 443-448.

9. Железняк А.P., Коломейцев В.А. Распределение электромагнитного поля в волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом // Радиотехника. -1991. -№1. С. 71-73.

10. Заргано Г.Ф. и др Линии передачи сложных сечений. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1983. -326 с.

11. Каток В.Б., Коломейцев В.А., Яковлев В,В. Электромагнитные поля подковообразного волновода, частично заполненного диэлектриком // Изв. ВУЗов СССР. Сер. Радиоэлектроника. -1987.-Т.ЗО, №10. С. 95-96.

12. Хиппель А. Диэлектрики и их применение. М.: Госэнерго-издат, 1959. -336с.

13. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: Изд-во СГТУ, 1998. - 336 с.

14. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.: Физматиздат, 1963. 450 с.

15. Коломейцев В.А. Тепловая обработка термонелинейных материалов в электромагнитном поле СВЧ // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Сб. тр. науч.-техн. конф. Саратов, 1994. - С. 142-143.

16. Саусворт Д.К. Принципы и применения волноводной передачи. -М.: Советское радио, 1955. 700 с.

17. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Синтез прямоугольного волновода с Т-ребром // Изв. ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника. -1983. -Т.26, №1. С. 85-87.

18. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. Вольмана В. И. М.: Радио и связь, 1982. - 382 с.

19. Марков Г. Т., Чаплин А. Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Энергия, 1967. -367с.

20. Рогов И.А., Некрутман СВ. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1986. -351 с.

21. Кутателадзе С.С, Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 426 с.

22. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в электронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. - 374 с.

23. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. -М.: Энергия, 1975. 386 с.

24. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1956.- 356с.

25. Шорин CH. Теплопередача. М.: Высш. шк., 1964. - 490 с.

26. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Мир, 1979. - 212 с.

27. Архангельский Ю.С, Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Изд-во СГУ, 1983. - 140с.

28. Архангельский Ю.С, Коломейцев В.А. Применение тонких поглощающих пленок в измерительной технике СВЧ. Саратов: Изд-во СГУ, 1975. - 226 с.

29. СВЧ энергетика / Под ред. Э. Окресса: В 3-х т. - М.: Мир, 1971.-Т.1. -464 с; Т.2. -272 с; Т.З.: - 248 с.

30. Патент № 3843860 (США). МКИ4 Н05 В 9/06. Витое сверхвысокочастотное устройство // Б.и. 22.10.74, №4-927.

31. Архангельский Ю.С, Коломейцев В.А. Тепловое поле волно-водных нагрузок с тепловым поглотителем на внутренней поверхности // Изв. ВУЗов СССР. Сер. Радиоэлектроника. Т. XVI, №1. -1973. - С. 114-122.

32. Коломейцев В.А. Муравлев А.В. Тепловое поле цилиндрического пленочного резистора, включенного по традиционной схеме в коаксиальной оконечное нагрузке // Вопросы электронной техники: Сб. науч. тр. -Саратов: СПИ, 1973.

33. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Расчет собственных параметров и структуры поля волноводов сложной формы методом конечных элементов / В кн.: Создание и расчет электронных устройств и приборов. -Саратов: Изд-во СГУ, 1982. С. 3-7.

34. Torres F., Jecko В. Complete FDTD analysis of microwave heating process in frequency dependent and temperature dependent media // IEEE Trans. -19 97.V.MTT-45, №1. P. 108-117.

35. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979. -392 с.

36. Сильвестр П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. -М.: Мир, 1986. -229 с.

37. Сабониадьер Ж.К., Кулон Ж.Л. Метод конечных элементов и САПР. -М.: Мир, 1989. -190 с.

38. McAulay A.D. Variational finite element solution of dissipative waveguides and transportation application // IEEE Trans. -1977. -V.MTT-25, №5. -P.382-392.

39. Daly P. Finite element coupling matrices // Electronics Letters. -1969. V.5, №24, -P. 613-615.

40. Corzani Т., Mania L., Valentinuzzi E. The finite element method via weighted residual principle for the analysis of closed waveguides containing lossy media // Alta Frequenza. -1981. -V.50, №1.- P.17-22.

41. Галлагер P. Метод конечных элементов. Основы. -М.: Мир, 1984. 428 с.

42. Нарри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981. - 304 с.

43. Железняк А.Р., Коломейцев В.А., Соколов В.Н. Устранение ложных решений при расчете волноводов методом конечных элементов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1990. Вып.5. - С. 29-34.

44. Rahman В.М., Davies J.В. Penalty function improvement of waveguide solution by finite element // IEEE Trans. 1984. -V.MTT - 32, №8. - P. 922-928.

45. Chen T.S. Calculation of the parameters of ridge waveguides // IRE Trans. 1957. - V.MTT-5, №1. - p. 12-17.

46. Гуревич Л.Г. Полые резонаторы и волноводы. -М.: Сов. радио, 1952. -256 с.

47. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Расчет параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ нагревательных установок на волноводах сложных сечений // Современные проблемы применения СВЧ энергии : Сб. тр. науч.-техн. конф. Саратов, 1993. - С.61-62.

48. Коломейцев В.А., Комаров В.В., Скворцов А.А. Расчет критической длины волны основной моды волноводов с емкостным зазором методом эквивалентных схем. -М, -1997. Пс. -Деп. в ВИНИТИ 11.08.97, №2667-В97. -17с.

49. Коломейцев В.А., Комаров В.В., Скворцов А.А. Аналитические соотношения для определения критической длины волны доминантной моды прямоугольного волновода с Т-ребром. -М, -1996. Пс. - Деп. в ВИНИТИ 16.10.96, №3 0 52-В97. -11с.

50. Kolomeytsev V.A., Komarov V.V., Yakovlev V . V . Auxiliary elements enchaucing characteristics of travelling wave applicators of complex cross section // Proceedings of 32nd Microwave Power Symposium. Ottawa. Canada. - P. 34-37.

51. Волноводы с поперечным сечением сложной формы / Под ред. В.М. Седых. Харьков, 1979. - 128с.

52. Metaxas A.C., Meridith R.J. Industrial microwave heating // Peter Peregrinus Publishing. London, 1983. -356 p.

53. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Диапазонные свойства установок СВЧ нагрева термопараметрических материалов на волноводах сложных сечений // Радиотехника. 1991. - №12. - С. 66-69.

54. Kolomeytsev V.A., Yakovlev V.V. Self-conjugated problem of microwave heating for waveguide structures contained thermo parametric media // Microwave and High-Frequency Heating' 95 : Proceeding of the Conference. Cambridge. UK. -1995. - P. 221224.

55. Бабак В.В., Железняк А.P., Коломейцев В.А. Оперативная математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими материалами.

56. Синтез рабочей камеры СВЧ нагревательной установки конвейерного типа на ПВТР / СВ. Хомяков, А.Р. Железняк, А.В. Дураков, Е.А. Егорова // Электродинамические устройства и линии передачи СВЧ: МНС. Саратов: СГТУ, 2000. - С. 118123.

57. Van Dommelen D., Stefens P. Temperature distribution in high frequency heated dielectrics // Journal of Microwave Power. -V.22. №3. - 1987. - P. 121-126.

58. Stuchly S.S., Hamid M.A. Physical parameters in microwave heating process // Journal of Microwave Power. V.7. - JV22. -1972. - P. 117-137.

59. Архангельский Ю.С, Сатаров И.К. Расчет коэффициента затухания в СВЧ сушилках на прямоугольном волноводе // Актуальные проблемы электронного приборостроения : Сб. тр. ме-ждунар. науч.-техн. конф. Саратов, 1998. - Т.З. - С. 9-12.

60. Дубинин В.В., Беляева Н.К. СВЧ-устройства для термообработки протяженных диэлектрических изделий. М.: ЦНИИ Электроника, 1980. - 128 с.

61. Коломейцев В.А., Железняк А.Р., Хомяков СВ. Тепловые процессы в произвольных волноводных структурах с частичным термопараметрическим заполнением // Электротехнология на рубеже веков: Матер, науч.-техн. конф. Саратов, 2001. - С. 11-14.

62. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена: В 2-х частях. М.: Высш. шк. - Часть I - 1970. - С 288 с; Часть П. - 1974. -С 270 с.

63. Комаров В.В., Коломейцев В.А., Численный анализ нестационарных температурных полей в микроволновых технологических камерах на бегущей волне // Электодинамические устройства и линии передачи СВЧ: МНС. Саратов: СГТУ, 2001. - С. 120-123.

64. Цыганков А.В., Ноздрин Н.В. Алгоритм расчета теплоизоляционных элементов конструкций СВЧ нагревательных камер, обеспечивающих заданную равномерность нагрева // Электодинамические устройства и линии передачи СВЧ: МНС. Саратов: СГТУ, 2001. - С. 110-114.

65. Kolomeytsev V.A., Yakovlev V.V., Family of operating chambers for microwave thermal processing of dielectric materials // Digests of 28* International microwave Symposium. Montreal . Canada. - 1993. - P, 181-186.

66. Коломейцев В.A., Комаров В.В., Хомяков СВ. Моделирование нерегулярных волноводных структур сложной конфигурации с неод249нородным поглощающим заполнением // Радиотехника и электроника. Т. 45, №12. - 2000. - С. 1420-1425.

67. Kolomeytsev V.A., Komarov V.V., Khomyakov S.V. Ridged waveguides with thin dielectric slabs // Microwave and optical Technology letters. Vol. 25 №6. - 2000. - P. 419-423.

68. Марков Г.Т. Возбуждение прямоугольного волновода // Труды МЭИ, вып. XXI, Радиотехника. 1956. - С. 3-11.

69. Марков Г.Т. Возбуждение круглого волновода // Ж.Т.Ф. Т. XXII -Вып. 5.- 1952.

70. Чаплин А.Ф. Возбуждение волны на бесконечной экране. Изв. ВУЗов Радиотехника. 1963. - №3. - С. 21 -27.

71. Хомяков СВ. Моделирование СВЧ нагревательных установок с равномерным объемным тепловыделением на волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом. // Дис. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Саратов: СГТУ, 1999. 154 с.