Excitation of a rectangular resonator through communication windows in the conveyor installation of microwave heating
- Авторлар: Davidovich M.V.1,2, Kobetz A.K.1,2, Sayapin K.A.1
-
Мекемелер:
- Saratov State University
- LLC «NPF “Etna plus”»
- Шығарылым: Том 25, № 4 (2022)
- Беттер: 88-99
- Бөлім: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1810-3189/article/view/143706
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.4.88-99
- ID: 143706
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Based on the excitation theory of L.A. Vainstein obtained simple and convenient iterative relations for excitation of a resonator in the form of a rectangular parallelepiped with a dielectric layer through several coupling windows in its walls. The expansion of the field in terms of the complete system of solenoidal functions of a rectangular resonator is used. Solenoidality is due to the fact that the electric fields of excitation in the openings of rectangular waveguides on the resonator walls, fed through coaxial-waveguide transitions, are tangent to the boundaries of the heated dielectric layer. Simple formulas for expansion coefficients and calculation of fields are obtained. It is convenient to solve the obtained implicit formulas iteratively; in this case, it is possible to take into account both a linear dielectric and a nonlinear dielectric, the permittivity of which depends on the square of the electric field. The algorithm is implemented to simulate a conveyor installation of microwave heating. It is possible to modify the algorithm by introducing potential basic subsystems of functions for the case of modeling complex dielectric inclusions. The results are suitable for modeling other nonlinear inclusions, as well as in problems when using volumetric given sources instead of surface ones. For given electric fields in the coupling windows, the power entering the resonator is calculated on the basis of the Poynting vector.
Толық мәтін
Введение
Теория возбуждения резонаторов в форме Вайнштейна [1; 2] или Маркова [3] широко используется для стационарных и нестационарных задач электродинамики и оптики (см., например, [4‒8]). По сути, эти теории используют построение резольвенты на основе базиса самосопряженного оператора [9]. В случае наличия диссипации собственные значения (частоты) перестают быть действительными, базисы – полными, а оператор Максвелла – самосопряженным [10]. При этом становится возможным появление непрерывного спектра (например, для открытых граничных задач). В случае учета реальных металлических стенок резонатора в [1] предложено продлить оболочку вглубь металла на глубину нескольких скин-слоев, где можно поставить нулевые граничные условия и использовать полный ортогональный базис нового резонатора с расширенной оболочкой. Для этого в [1] предложено использовать такие «расширенные» собственные функции, а собственные частоты считать комплексными и определять по методу возмущений, например, как в работе [11]. Это приближенный подход, а строгий подход требует учета слоя с комплексной диэлектрической проницаемостью металла, которая в модели Друде – Лоренца может быть весьма большой по модулю. В ряде задач необходимо учитывать диэлектрические тела внутри резонаторов, причем часто с существенными потерями, а иногда и с нелинейными свойствами. В этом случае строгая теория возбуждения резонатора формулируется в виде интегральных уравнений [4‒7].
В данной работе на примере прямоугольного резонатора предложен простой метод решения такой задачи о возбуждении, основанный на итерационном алгоритме. Метод прост в реализации, позволяет решать как линейные, так и нелинейные задачи и явно реализован для прямоугольного резонатора.
В конвейерной установке СВЧ-нагрева НПП фирмы «Этна плюс» в качестве камеры использован отрезок многомодового желобкового волновода (ЖВ) [12; 13]. Такие секции ЖВ соединены в периодическую структуру посредством щели подачи продукта на транспортере и расположены горизонтально. В конструкции используются две секции фильтров на прямоугольных волноводах (ПВ), подсоединенные на входном и выходном окне для ввода транспортера с продуктом, а также конические трансформаторы типов мод с моды H10 ПВ к моде H11 ЖВ. Трансформаторы нужны для подключения магнетронных источников излучения с коаксиально-волноводными переходами (КВП) и с выходом на ПВ. Трансформаторы мод подключены к торцам секций ЖФ по два на каждую [14; 15]. Для увеличения вводимой мощности и равномерности нагрева рассмотрен вариант дополнительного подключения источников к верхнему желобу. Рассмотренная конструкция достаточно крупногабаритная и металлоемкая.
Поскольку габариты указанной установки весьма велики, в данной работе рассматривается возможность снижения в несколько раз металлоемкости и габаритов резонаторной камеры с несколькими источниками с использованием теории возбуждения резонатора. Для этого камера предполагается выполненной как прямоугольный резонатор с размерами a, b, c, имеющий вид длинного отрезка прямоугольного волновода (рис. 1). В двух противоположных малых стенках
Рис. 1. Схематический вид конвейерной камеры СВЧ-нагрева: 1 – отрезок волновода с продуктом; 2, 3 – окна ввода энергии через боковые стенки (номера окон: 1, 2, 3, 4, 5, 6); 4 – устройства ввода энергии через верхнюю стенку (КВП) (1, 2, 3, 4 – окна связи на верхней стенке)
Fig. 1. Schematic view of the microwave heating conveyor chamber: 1 – waveguide section with the product; 2, 3 – windows for energy input through the side walls (window numbers: 1, 2, 3, 4, 5, 6); 4 – devices for introducing energy through the upper wall (TWT) (1, 2, 3, 4 – communication windows on the upper wall)
Целью работы является получение простой и строгой электродинамический модели, пригодной для инженерного расчета, включая расчет КПД нагрева, температуры нагрева, нелинейных свойств, интегральных параметров. Строгая электродинамическая модель анализа полей в рабочей камере с прямоугольными границами может быть реализована на основе метода интегральных уравнений [4]. Абсолютно строгий подход требует как расчета полей в многомодовом режиме в самой камере (резонаторе), так и в питающих его отрезках волноводов с учетом отражений от магнетронов и потерь в стенках. Описывая магнетрон и КВП эквивалентной схемой активного двухполюсника с неким резонансным контуром, определяющим добротность, и заданным активным нелинейным элементом (например, источником тока, зависящим от напряжения на контуре), такую модель формально можно записать, но реализовать в виде программы достаточно сложно. В коммерческих программных пакетах типа HFSS, CST и в ряде других реализуется линейный режим задания амплитуды падающей основной волны полубесконечного ПВ без отражений от источника, но с учетом отражения от резонатора. Более сложная модель – задание коаксиальных портов на КВП и рассмотрение полей внутри КВП. Даже для прямоугольной камеры СВЧ-нагрева с несколькими окнами такие программы считают распределение полей достаточно долго, тем более это касается оптимизации. Они не позволяют оценивать КПД нагрева, рост температуры со временем, интегральный баланс реактивной и активной мощностей, нелинейные эффекты и ряд других интегральных и локальных параметров. Расчет усложняется при наличии рупорных трансформаторов мод ПВ к ЖВ. Указанные трансформаторы важны при согласовании в режиме бегущей волны, однако реально имеет место резонаторный режим низкодобротного резонатора с движением энергии к продукту. В этом случае целесообразно оценить возбуждение без трансформаторов непосредственно через окна связи. При включении нескольких окон и большой длине (рис. 1) щели в виде окна подачи продукта влияют слабо, излучение через них в силу наличия продукта и фильтров мало, поэтому можно считать их отсутствующими. Излучение в фильтр на входе продукта (где больше влажность) существенно меньше, чем на выходе. Фильтры рассчитаны на подавление порядка 100 дБ, что также позволяет считать окна закороченными. Таким образом, конвейерная установка моделируется как резонатор с диэлектрическим слоем и идеально проводящими стенками с несколькими боковыми и верхними прямоугольными окнами, на которых задан поток мощности.
1. Постановка задачи и формулы возбуждения
Рассмотрим прямоугольную камеру с металлическими стенками (прямоугольный параллелепипед) с размерами a, b, c. Пусть в его двух боковых и в верхней стенке прорезаны прямоугольные окна, запитываемые ПВ одинакового поперечного сечения. Конструктивно удобно подключать КВП. Можно поворачивать ПВ на одной стенке на 90 градусов, изменяя поляризацию вводимого излучения, но это усложняет модель, не принося в данном случае реального выигрыша. Магнетроны имеют полосу генерации (нестабильность частоты) порядка 1 % и не фазированы, что существенно улучшает равномерность поля. На двух гранях
Для решения задачи применим метод возбуждения резонатора в сочетании с теоремой Пойнтинга [2]. Теория возбуждения резонатора основана на представлении полей в виде
Удобно вводить только соленоидальные поля полого резонатора, считая, что диэлектрик эквивалентен некому заданному току поляризации
Введем полную плотность магнитного тока
где в сумме учтены все плотности, создаваемые поверхностными источниками в виде касательных электрических полей на окнах связи рис. 1. Уравнения Максвелла приобретают вид
Подставляя в них разложения (2) и пользуясь ортогональностью функций по объему резонатора, выразим коэффициенты разложения. В результате получим представления полей через токи в виде функций Грина
Четыре тензорные функции Грина приведены, например, в работах [4‒8; 16]. Они построены из собственных функций резонатора (содержат диады типа
Собственные функции прямоугольного резонатора известны и могут быть определены как E-моды и H-моды ПВ относительно оси z [2; 3; 11]. Собственные частоты даются формулой
Здесь выделенные индексом ноль поля созданы поверхностными источниками, т. е. они известны. Эти поля требуют однократного определения. Интегралы дают вклад от тока поляризации. Эти уравнения являются интегральными, поскольку неизвестное электрическое поле входит под интегралы. Решение (6), (7) следует искать только в области диэлектрика Vd. Поскольку она мала по сравнению с объемом резонатора, весьма точным является приближенное решение с подстановкой вместо поля E под интегралы выделенного поля:
Уравнения (8), (9) для расчета полей явные. Мощность потерь определяется выражением
или
Заданное поле E0 и H0 в (8) и (9) можно записать как поверхностные интегралы от известных поверхностных источников и легко вычислить, используя при этом разложения (1) и следующие формулы для коэффициентов:
Диэлектрический продукт описываем поляризацией
Рассмотрим интегральный баланс мощности в виде комплексной теоремы Пойнтинга:
Здесь индексом n обозначены все прямоугольные окна (и соответствующие векторы Пойнтинга), через которые мощность втекает, индексом m обозначены оставшиеся окна, поглощающие мощность (к ним относятся окна с неработающими магнетронами), а индексом j – окна подачи продукта). Нормаль
Отметим, что представления (1) и (10) для соленоидальных полей (полого резонатора) эквивалентны, поскольку колебания резонатора вырождены, а в (1) они предполагаются невырожденными и ортонормированными. Подход к задаче возбуждения с использованием потенциальных подсистем сложно реализуем [2; 4; 10]. Далее использован метод, не требующий нахождения потенциальных полей. В нем влияние диэлектрика рассмотрено как ток поляризации, что является строгим подходом и не требует учета потенциальных подсистем базисных функций.
ДП влажного продукта запишем в виде
где
Здесь
В процессе движения продукта он высыхает, т. е. влагосодержание
Итак, есть три пути расчета полей. Первый – пренебречь влиянием диэлектрика, т. е. взять поля с индексом нуль (нулевое приближение). Второй – применить метод возмущений в первом порядке (первое приближение) и рассчитать поля (8), (9). Третий – строго численно решать систему интегральных уравнений (6), (7). Поскольку коэффициенты разложений полей зависят от источников и стоков, которые сами зависят от полей, возникает задача типа интегральных уравнений или интегральных соотношений. Решить такую задачу можно на введенном базисе. Проекционный или вариационный подходы приводят к бесконечной системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), разрешенной относительно неизвестных в форме
В работе выбран третий подход, но с использованием формул возбуждения, что приводит к более простому алгоритму, чем матричный. Примененим разложение (1). Для окон сечения
Тогда нормальная компонента вектора Пойнтинга
Интегрируя по окну, получаем
Это мощность магнетрона, которая в среднем поступает в секцию. Здесь
В силу уравнений Максвелла
Поскольку имеет место вырождение колебаний, вводим комбинацию E-мод и H-мод, обозначая
Как нетрудно видеть, такое представление удовлетворяет тождеству
откуда имеем
Норма пропорциональна энергии колебания. Теперь магнитные функции нормированы условием
Рассмотрим два симметричных излучателя на боковых стенках (при x = 0 и x = a) с магнитной поверхностной плотностью тока
Здесь
где обозначены интегралы, приведенные в Приложении (П. 1). Рассмотрим теперь излучатель наверху. Для него
Здесь
учитывающие вклад от всех окон ввода энергии. Нулевой порядок теории возмущений означает
Множитель
где обозначенные интегралы приведены в (П. 4), (П. 5).
Результаты и выводы
На рис. 2‒4 приведены результаты расчета квадрата поля |E|2 в плоскости
Рис. 2. Зависимость
Fig. 2. Dependence of
Рис. 3. Зависимость
Fig. 3. Dependence of
Рис. 4. Распределение
Fig. 4. Distribution of
Результаты моделирования приводят к следующим выводам. При движении транспортера вдоль оси z каждая точка продукта проходит через локальные минимумы и максимумы (рис. 2), при этом среднее (усредненное) поле почти не меняется, что обеспечивает в среднем однородный нагрев. При некоторых координатах z вдоль оси x реализуется достаточно однородное распределение выделяемой мощности, а неравномерность нагрева на других линиях x компенсируется за счет движения, поскольку каждая точка проходит области минимумов и максимумов (рис. 3). В целом движение для распределения поля (рис. 4) обеспечивает достаточно равномерный нагрев. Реально температура при близко расположенных чередующихся многочисленных локальных минимумах и максимумах выравнивается за счет теплопроводности. Следует учесть разброс (нестабильность) порядка 1 % частот генерации магнетронов и случайность их фаз, что приводит к перестройке во времени распределений поля. Улучшить равномерность нагрева можно, механически меняя граничные условия, например вводя вентилятор с металлическими лопастями, улучшающий также конвекцию и вывод влажного воздуха.
Заключение
В работе получена модель возбуждения резонатора, имеющая ряд достоинств. Кроме весьма малого объема памяти и малого объема вычислений отметим следующие. Учет диэлектрика не требует пересчета коэффициентов
Предложенный метод анализа возбуждения эффективен, если известны собственные функции области (для параллелепипеда, цилиндра, сферы). Например, можно анализировать возбуждение полосковой структуры в прямоугольном экране на подложке дельта-током в зазоре полоска, через окна связи или любыми другими заданными линейными, поверхностными или объемными источниками. При этом форма диэлектрика может быть произвольна: соответствующие интегралы для определения коэффициентов разложения тогда вычисляются численно.
Таким образом, в работе предложены модель и итерационный алгоритм для решения задачи о возбуждении объема в виде прямоугольного параллелепипеда с диэлектриком через окна ввода энергии, которую можно использовать как в линейном, так и в нелинейном случаях. Алгоритм реализован для моделирования установки СВЧ-нагрева. Учет потерь в стенках возможен как введение дополнительных поверхностных стоков с импедансными условиями Лентовича – Щукина. Более точный учет неидеальных стенок требует использования базиса расширенной области и включения в рассмотрение поверхностного слоя диэлектрика с толщиной 2–3 скин-слоя. Полученная модель требует минимальных вычислительных ресурсов и удобна для численной оптимизации (см. приложение).
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания (проект № FSRR-2020-0004).
Приложение
Интегралы в (14) и (15) имеют вид
и значение
Коэффициенты, учитывающие влияние диэлектрика для разложений (16), определены как
Интегралы в (17) имеют вид
при этом
Авторлар туралы
Mikhail Davidovich
Saratov State University; LLC «NPF “Etna plus”»
Email: davidovichmv@info.sgu.ru
Doctor of Physical and Mathematical Sciences (2000), professor of the Department of Radio Engineering and Electrodynamics (since 2000)
Ресей, 83, Astrakhanskaya Street, Saratov, 410012; 11, Vishnevaya Street, Saratov, 410040Alexander Kobetz
Saratov State University; LLC «NPF “Etna plus”»
Email: kobetzak@info.sgu.ru
quality director
Ресей, 83, Astrakhanskaya Street, Saratov, 410012, Russia; 11, Vishnevaya Street, Saratov, 410040, RussiaKirill Sayapin
Saratov State University
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sayapin_kirill@mail.ru
postgraduate student of the Department of Radio Engineering and Electrodynamics
Ресей, 83, Astrakhanskaya Street, Saratov, 410012Әдебиет тізімі
- Vaynshteyn L.A., Solntsev V.A. Lectures on Microwave Electronics. Moscow: Sov. radio, 1973, 400 p. (In Russ.)
- Vaynshteyn L.A. Electromagnetic Waves. Moscow: Radio i svyaz’, 1988, 410 p. (In Russ.)
- Markov G.T., Chaplin A.F. Excitation of Electromagnetic Waves. Moscow: Radio i svyaz’, 1983, 296 p. (In Russ.)
- Davidovich M.V. On the non-stationary theory of resonator excitation. Radiotekhnika i elektronika, 2001, vol. 46, no. 10, pp. 1198–1205. (In Russ.)
- Davidovich M.V. On the non-stationary theory of waveguide excitation. Radiotekhnika i elektronika, 2001, vol. 46, no. 11, pp. 1285–1292. (In Russ.)
- Davidovich M.V. Waveguide transformer excitation. ZhTF, 2006, vol. 76, no. 11, pp. 12–19. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/8978 (In Russ.)
- Davidovich M.V., Bushuev N.A. Excitation of a cylindrical resonator by a spiral current and an axial current of an electron beam. ZhTF, 2013, vol. 83, no. 7, pp. 135–145. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/10964 (In Russ.)
- Davidovich M.V. Non-stationary excitation of open structures. Izvestiya Saratovskogo universiteta. Novaya seriya, 2005, vol. 5, no. 1, pp. 68–83. URL: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2005-5-1-68-83 (In Russ.)
- Mors F.M., Feshbakh G. Methods of Theoretical Physics. Transl. from English. Moscow: IIL, 1958, 1816 p. (In Russ.)
- Nikol’skiy V.V. Variational Methods for Internal Boundary Value Problems in Electrodynamics. Moscow: Nauka, 1967, 460 p. (In Russ.)
- Gol’dshteyn L.D., Zernov N.V. Electromagnetic Fields and Waves. Moscow: Sovetskoe radio, 1971, 662 p. (In Russ.)
- Yavchunovskiy V.Ya. Microwave and Combined Drying: Physical Foundations, Technologies And Equipment. Saratov: Sarat. un-t, 1999, 217 p. (In Russ.)
- Patent RF 2084084, MKI 6N05V6/64. Installation for microwave processing of dielectric materials. Malyarchuk V.A. et al., no. 94027974/49, publ. 10.07.1997.
- Davidovich M.V., Kobets A.K. Modeling of a notch filter for a conveyor installation of microwave heating. Radiotekhnika, 2020, vol. 84, no. 7 (14), pp. 68–74. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202007(14)-09 (In Russ.)
- Davidovich M.V., Kobets A.K. Simulation of the field in a fluted waveguide of a microwave heating installation with several energy sources. Radiotekhnika, 2020, vol. 84, no. 5 (10), pp. 67‒74. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202005(10)-07 (In Russ.)
- Markov G.T., Panchenko B.A. Tensor Green’s functions of rectangular waveguides and resonators. Izv. vuzov. Radiotekhnika, 1964, vol. 7, no. 1, pp. 34–41. (In Russ.)
- Davidovich M.V. Iterative Methods for Solving Problems of Electrodynamics. Saratov: Sarat. un-t, 2014, 240 p. (In Russ.)
- Yafarov R.K. Preparation of nanodiamond composite materials in low-pressure microwave gas discharge plasma. ZhTF, 2006, no. 1, pp. 42‒48. (In Russ.)