автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:СВЧ-устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноводных структур

На правах рукописи

Шакин Константин Валериевич

СВЧ- УСТРОЙСТВА РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ- устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2004

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Царев Владислав Алексеевич

- кандидат технических наук, доцент Семенов Владимир Константинович

Ведущая организация - Саратовский филиал института

радиотехники и электроники РАН РФ

Защита состоится «3/» ¿¿яма 2004 г. в /9 е** часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.2, ауд.204.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «22 » 2004 г.

Ученый секретарь {г'/О^Л

диссертационного совета / I

В.А. Сосунов

&ОСУМ ЛЧОЧЦ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В основе многих технологий современного производства продукции различного назначения лежит термообработка материалов. Одним из перспективных направлений улучшения качества термообработки диэлектрических материалов является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. СВЧ- технологии нагрева и сушки диэлектрических материалов являются высокоэффективными экологически чистыми технологиями высокого уровня.

При этом к СВЧ нагревательным устройствам предъявляется ряд требований: они должны при минимальной металлоемкости конструкции обеспечивать высокотемпературный, интенсивный и равномерный нагрев поглощающих материалов.

Как правило, эти требования удовлетворяются выбором соответствующих значений таких параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ, как критические длины волн основного и первого высшего типов, определяющие ширину доминантного диапазона, глубина проникновения и напряженность поля в области взаимодействия.

Применяющиеся в настоящее время в качестве рабочих камер СВЧ-устройств простые волноведущие структуры хотя и являются хорошо изученными и простыми в изготовлении, но в ряде случаев не могут удовлетворить предъявляемым требованиям.

Одним из путей расширения функциональных возможностей СВЧ нагревательных устройств является применение линий передачи сложных сечений, и в первую очередь, квазистационарных волноводов.

Анализ возможностей волноводов сложных сечений показывает, что они могут обеспечить равномерность нагрева в широком интервале изменения диэлектрической проницаемости материалов, получить однородное распределение тепловых источников в области взаимодействия не только в поперечном сечении камеры, но и по длине системы, интенсифицировать процесс за счет высокой напряженности электрического поля в емкостном зазоре, куда может загружаться нагреваемый объект, снизить металлоемкость конструкций рабочих камер СВЧ. Последнее особенно существенно при создании малогабаритных СВЧ- нагревательных устройств равномерного нагрева на частотах 433 и 915 МГц.

Разработка и проектирование рабочих камер СВЧ нагревательных устройств на основе волноводов сложных сечений связаны с задачей исследования электромагнитных процессов в волноводах и резонаторах с частичным поглощающим заполнением. При этом экспериментальные методы изучения данных процессов зачастую являются весьма дорогостоящими, а строгий математический аппарат, позволяющий аналитически проводить расчет, еще не разработан. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмов и пакетов программ численных методов расчета указанных электродинамических структур.

J

Цель н задачи диссертационной работы.

Целыо диссертационной работы является создание двумерных и трехмерных математических моделей процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими ЭМГ мощность материалами, описывающих электродинамические свойства СВЧ- устройств волноводного и резонаторного типов с частичным поглощающим заполнением; разработка алгоритма и комплекса программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для сложных электродинамических СВЧ- устройств на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения,частично заполненных произвольным диэлектрическим материалом; проведение комплексных исследований электродинамических свойств квазистационарпых волноводных структур сложного поперечного сечения цилиндрической формы и резонаторов с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных СВЧ- устройств поглощающего типа с равномерным нагревом поглотителя.

Методы исследования.

Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод конечных разностей, метод конечных элементов с применением векторных базисных функций с использованием принципа Галеркина и метода взвешенных невязок, объектно-ориентированные методы вычислений, линейная алгебра, метод эквивалентных схем, методы математической физики, принцип поляризационной двойственности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ- устройствах волноводного и резонаторного типов;

разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в СВЧ нагревательных устройствах волноводного и резонаторного типов, позволяющая описать электродинамические свойства СВЧ- устройств волноводного и резонаторного типов с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением; -разработаны эффективные алгоритмы и комплекс программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением методами конечных разностей и конечных элементов, позволяющие проводить комплексные исследования электродинамических свойств данных структур;

-проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением на примере подковообразного, секторного и

якорного волноводов и их сравнение с ранее исследованными П- волноводом и прямоугольным волноводом с Т- ребром;

-исследованы дисперсионные зависимости собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в частично заполненных диэлектриком с потерями волноводах сложного поперечного сечения ' цилиндрической формы: секторного и якорного;

-исследованы структуры электромагнитного поля и собственные электродинамические параметры прямоугольного резонатора с частичным 1 диэлектрическим заполнением при различных значениях относительной

диэлектрической проницаемости диэлектрического материала; -исследованы структуры электромагнитного поля и собственные электродинамические параметры резонатора, выполненного на отрезке П-волновода с частичным диэлектрическим заполнением.

Практическая значимость работы заключается в следующем: -даны практические рекомендации по оптимизации методов численного расчета (метод конечных элементов и метод конечных разностей) рабочих камер СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов, выполненных на основе отрезков нерегулярных квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения и резонаторных систем с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением;

-даны практические рекомендации по использованию квазистационарных волноводов сложного сечения цилиндрического профиля в качестве базовых элементов рабочих камер нового перспективного класса малогабаритных СВЧ-устройств равномерного нагрева различных диэлектрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева, а также в качестве малогабаритных, широкополосных поглощающих элементов техники СВЧ;

-разработаны конструкции базовых элементов рабочих камер малогабаритных, высокоэффективных, с высоким темпом нагрева СВЧ- устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе отрезков квазистационарных нерегулярных волноводов цилиндрического профиля, таких как секторный и якорный волноводы;

-даны практические рекомендации по повышению уровня равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов, обладающих определенными джоулевыми потерями в СВЧ- устройствах резонаторного типа, включая микроволновые устройства бытового назначения; 4 -даны практические рекомендации по оптимизации алгоритма численного

решения внутренней краевой задачи электродинамики различных СВЧ-устройств (аттенюаторы, оконечные согласованные нагрузки и др.) и автоматизации процесса обработки исходных и выходных данных; * -результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и

опытно-конструкторских разработках, проводимых в Саратовском государственном техническом университете, в учебном процессе на кафедре «Радиотехника», а также в Саратовском филиале института радиотехники и электроники РАН РФ и на предприятиях- ГНПП «Алмаз-Фазатрон», СЭПО

(Саратовское электроагрегатное производственное объединение), КБ «Электроприбор» (г.Саратов).

Апробация работы.

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период 2000-2004 гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:

-международной научно-технической конференции «Проблемы управления и связи», Саратов, СГТУ, 2000;

-XV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Тамбов, ТГУ, 2002;

-международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», Саратов, ФГУП «НПП Контакт», 2003;

-международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов, СГТУ, 2004.

Публикации. По материалам исследований, выполненных по теме диссертации, опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Диссертация изложена на 231 странице, из них 154 страницы с текстом, 77 -с рисунками. Список литературы содержит 102 наименования.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу этих публикаций.

На защиту выносятся:

1. Внутренняя краевая задача электродинамики, описывающая процесс взаимодействия электромагнитных волн с произвольными диэлектрическими материалами в квазистационарных волноводах и резонаторах сложной конфигурации, позволяющая проводить численный анализ собственных электродинамических параметров и распределения электромагнитного поля в СВЧ- устройствах на данных структурах.

2. Основные критерии и принципы достижения однородной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала в СВЧ- устройствах на основе квазистационарных волноводов сложных сечений и произвольных резонаторных камерах, позволяющие адекватно определять геометрические размеры данных устройств, в которых

обеспечивается равномерный нагрев произвольных диэлектрических материалов.

3. Метод прямого численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для СВЧ- устройств равномерного нагрева, имеющих четко выраженный емкостной зазор, базирующийся на методах конечных элементов с применением векторных функций формы и конечных разностей, позволяющий наиболее оптимально решить задачу моделирования конструкции камеры и геометрии поглотителя.

4. Результаты исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля СВЧ- устройств на основе волноводов сложного поперечного сечения цилиндрического профиля и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением.

5. Конструкции базовых элементов рабочих камер нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных конвейерных СВЧ-устройств поперечного типа с бегущей волной на основе квазистационарных волноводов сложного сечения цилиндрического профиля, обеспечивающие равномерный нагрев диэлектрических материалов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы, описаны структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.

В первой главе определены условия и критерии достижения равномерного нагрева поглощающих СВЧ мощность материалов в нагревательных СВЧ-устройствах волноводного и резонаторного типов.

Во втором разделе первой главы разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими СВЧ мощность материалами, позволяющая описать электродинамические свойства СВЧ- устройств волноводного и резонаторного типов с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением. Показано, что формулировка внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ) для волноведулшх и резонаторных структур, частично или полностью заполненных поглощающим материалом, включает* в себя трехмерные векторные уравнения Гельмгольца, которые для волноведущих структур могут быть сведены к двумерным скалярным относительно продольных компонент электромагнитного поля Е. и #.. Формулировка ВКЗЭ должна быть дополнена граничными условиями Неймана или Дирихле на металлических стенках волноводов и резонаторов и условиями непрерывности тангенциальных составляющих на границе раздела сред для векторов ¿и Я.

В диссертации был проведен обзор существующих методов решения внутренней краевой задачи электродинамики, который показал, что аналитические подходы могут применяться, в основном, для анализа простых волноведущих и рсзонаторных структур. Для волноводов сложных сечений (ВСС) и резонаторов на их основе, частично заполненных диэлектриком с потерями, в силу сложности граничных условий,. получить такое решение невозможно, поэтому необходимо использовать численные методы расчеты.

Для численного решения уравнений Максвелла в настоящее время чаще всего применяются метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Прежде всего, это связано со значительно возросшими возможностями ЭВМ. Мощные ЭВМ позволяют минимизировать такие недостатки методов, как большая требуемая память и значительные временные затраты в сравнении с универсальностью и малой предварительной аналитической работой.

В основе метода конечных разностей лежит аппроксимация производных в исходном дифференциальном уравнении конечными разностями, а собственной непрерывной функции у/ соответственно сеточной функцией у/1', определенной в точках пересечения'линий сетки (узлах), наложенной на область, в которой ищется решение. После записи уравнения Гельмгольца в конечных разностях для каждого узла получаем систему линейных алгебраических уравнений, которая в матричной форме будет иметь вид:

АХ = ЛВХ, (1)

где А - сильно разреженная матрица, ее размер зависит от числа узлов сетки и равен ее квадрату, Л- собственные значения ВКЗЭ, матрица В имеет размерность матрицы А, Х- вектор-столбец узловых значений искомой функции.

Согласно МКЭ исследуемая область (поперечное сечение волновода или объем резонатора) разбивается на конечное число подобластей- элементов, имеющих общие узловые точки, ребра и грани (в трехмерном случае) и, в совокупности, описывающих форму области. При этом границы неправильной формы не представляют особых трудностей при решении задачи. Внутри каждого элемента искомые функции аппроксимируются полиномом, порядок которого может варьироваться.

Решение ВКЗЭ для электродинамических структур с частичным диэлектрическим заполнением при выборе Лагранжевых функций в качестве аппроксимирующих, как правило, приводит к возникновению ложных решений. Появление ложных решений связано с некорректным моделированием скалярными базисными функциями краевых условий на границах раздела сред и сложных участках исследуемой области (ребра). Это является причиной возникновения аппроксимаций статических полей, которые и есть ложные решения. Существует два альтернативных подхода для подавления ложных решений. В первом случае, воздействуя УЁ = 0 на решение ВКЗЭ, стараются свести к минимуму присутствие самих статических полей. При втором подходе ставится задача исключения не статических полей, а только их аппроксимаций.

Этот подход основывается на точном моделировании нуль-пространства вихревого оператора и, как правило, реализуется за счет выбора в качестве аппроксимирующих векторных базисных функций.

При применении Лагранжевых базисных функций переменными являются значения векторов Ё и Й в узлах конечных элементов, а в случае векторных функций-проекции векторов 1иЯ на ребра и грани конечных элементов.

Далее, подставляя электромагнитное поле, аппроксимированное в пределах каждого конечного элемента выбранными базисными функциями, в исходное дифференциальное уравнение и применяя метод взвешенных невязок и критерий Галеркина, получаем обобщенную задачу на собственные значения (1), где А и В - глобальные многоленточные матрицы, А - собственные значения ВКЗЭ, Х - вектор собственных функций электромагнитного поля.

Во второй главе разработан комплекс программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики, позволяющий проводить комплексный анализ диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением методами конечных элементов с применением векторных функций формы и конечных разностей.

В данной работе основное применение МКР было направлено на расчет волноводных структур, форма Поперечного сечения которых позволяет сформировать равномерную конечно-разностную сетку с привлечением только одной системы координат. Если исследуемая область имеет сложные нелинейные фаницы, то во многих случаях подбор системы координат, позволяющей сформировать равномерную конечно-разностную сетку, представляет достаточно сложную задачу. В этом случае находит свое применение МКЭ, позволяющий проводить исследование произвольных электродинамических структур с высокой степенью точности учета криволинейных границ.

Основные трудности анализа трехмерных электродинамических структур заключаются в больших требованиях к вычислительным ресурсам ЭВМ, сложности геометрического представления и построения структуры электромагнитного поля в исследуемых областях.

Исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в объемных структурах в данной работе проводилось МКЭ с применением трех типов трехмерных конечных элементов: гексаэдр, тетраэдр первого и второго порядков. Элементы типа гексаэдр применялись для расчета областей с прямоугольными границами. Для анализа объемных структур произвольной формы использовались более гибкие конечные элементы-элементы типа тетраэдр.

Построение структуры электромагнитного поля в резонаторе осложняется необходимостью применения четырехмерного пространства. Выходом из этого положения может являться применение в качестве четвертого измерения цветовой гаммы, обозначающей значение функции в данной точке пространства. Другой подход основывается на уменьшении размерности пространства

посредством построения структуры электромагнитного поля по сечениям резонатора во всех координатных направлениях, он и был взят в качестве основного в данной работе.

Во втором разделе второй главы проведено тестирование пакета программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением МКР и МКЭ и установлено, что погрешность расчета собственных электродинамических параметров произвольных волноводных и резонаторных структур с произвольным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалов не превышает 2,5%.

В третьем разделе второй главы было проведено исследование диапазонных свойств полых ВСС со скругленным емкостным зазором на примере секторного (СВ) и якорного (ЯВ) волноводов (рис.1) и установлено, что ЯВ за счет расширения областей над Т- образным выступом обладает более высоким значением критической длины волны основного типа и коэффициента широкополосности в сравнении с секторным волноводом.

Рис.1. Поперечные сечения ВСС со скругленным емкостным зазором: а) секторный волновод, б) якорный волновод

Для проведения сравнительного анализа секторного и якорного волноводов с Г1- волноводом (ПВ) и прямоугольным волноводом с Т- ребром (ПВТР), имеющих прямоугольный емкостной зазор, были получены аналогичные СВ и ЯВ зависимости критических длин волн основного и первого высшего типов для полых ПВ и ПВТР. Установлено, что СВ и ЯВ за счет увеличения ширины емкостного зазора обладают более высокими значениями критических длин волн основного типа, а также, несмотря на увеличение критических длин волн первого высшего типа, и более широкой полосой доминантного диапазона, чем ПВ и ПВТР, что позволяет уменьшать габариты СВЧ- устройств волноводного типа на основе секторного и якорного волноводов.

а)

б)

Третья глава посвящена моделированию нагревательных СВЧ- устройств равномерного нагрева волноводного и резонаторного типов.

Применение ВСС цилиндрической формы может быть направлено для конвейерной обработки листовых (пленочных) материалов, поперечное сечение рабочей камеры (РК) при этом будет иметь вид (рис.2,а,в,д), и сыпучих (жидких) материалов (рис.2,б,г,е).

При применении ВСС в качестве базовых элементов РК СВЧ нагревательных устройств волноводного типа особое внимание должно быть уделено обеспечению условий, необходимых для работы СВЧ нагревательных устройств в одномодовом режиме, что является необходимым для обеспечения равномерности теплового поля в объеме обрабатываемого материала. При изменении геометрических размеров поперечного сечения РК для обеспечения однородной плотности тепловых источников в направлении распространения электромагнитной волны происходит изменение значения критических длин волн основного и первого высшего типов, что может привести к тому, что длина распространяющейся электромагнитной волны в РК может выйти из доминантного диапазона и оказаться либо в запредельном режиме, либо в области существования волн высших типов. Данное положение особенно существенно при обработке термопараметрических материалов, электрофизические свойства которых меняются в процессе термообработки, поскольку изменение диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала может существенно изменить значение критических длин волн основного и первого высшего типов. В связи с этим, в первом разделе третьей главы были проведены исследования зависимостей критических длин волн основного и первого высшего типов ВСС цилиндрического профиля с частичным диэлектрическим заполнением (рис.2) от ширины диэлектрической вставки и значения относительной диэлектрической проницаемости заполняющего материала и сравнение с аналогичными зависимостями ПВ и ПВТР. Так же как и в случае пустых волноводов ВСС цилиндрического профиля показали более высокие значения критической длины волны основного типа.

При термообработке сыпучих и жидких материалов диэлектрический материал может как занимать весь объем емкостного зазора РК (рис.2,б,г,с; X, = 0) по уровню середины волновода, так и располагаться только в некоторой его части (рис.2,б,г,е; у, ф 0). На основе проведенного исследования структуры электрического поля ЯВ в области быстрых волн для обоих вариантов заполнения было установлено, что при уа * 0 на границах диэлектрического

материала нормальная компонента вектора Ё не равна нулю, вследствие чего возникает неравномерность электрического поля на границах диэлектрической вставки. Таким образом, при обработке жидких и сыпучих материалов необходимо, чтобы нагреваемый материал располагался в емкостном зазоре по уровню середины волновода (у(/ = 0), поскольку в этом случае нормальная

компонента вектора Ё на границах диэлектрической вставки равна нулю, и суммарное электрическое поле имеет наилучшую равномерность в объеме материала.

а) б)

Рис.2. Поперечные сечения ВСС цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением: а) и б) СВ, в) и г) ЯВ, д) и е) ПОВ

Структура электромагнитного поля в волноведущих структурах с частичным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалом может существенно изменяться в зависимости от коэффициента замедления элеюромагнитной волны ¡Зс/т, что может привести к неравномерности электрического поля в объеме материала, а следовательно, к неравномерной плотности тепловых источников в нагреваемом материале на рабочей длине волны. Во втором разделе третьей главы были проведены исследования дисперсионных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля ВСС цилиндрической формы с частичным

поглощающим заполнением (рие.2,а-r). Был рассмотрен эффект трансформации электромагнитного поля в поперечном сечении ВСС, вызванный вытеснением электромагнитного поля из менее "плотной" среды с е = 1 в область диэлектрического материала с е > 1 и связанный с тем, что поперечное волновое число в среде с в = 1 в области медленных волн становится мнимым.

Основное соотношение, устанавливающее диапазон вариации коэффициента замедления распространяющейся электромагнитной волны в ВСС, в котором электрическое поле втянуто в диэлектрик и достаточно равномерно в нем распределено, имеет вид:

О < (ßcloif < 0.5te' + l). (?.)

Для подтверждения применимости выражения (2) к ВСС цилиндрического профиля, основываясь на (2), были рассчитаны предельные значения коэффициента замедления электромагнитной волны для ВСС с частичным заполнением поглощающим материалом с параметрами: е - А-Ъ.Ы-ßcjio = 1.58 и е = \6-0.5i-ßc/m = 2.91. При этом, для секторного волновода с частичным заполнением поглощающим материалом (рис.2,a R-r = 0.2; 50 = 180°; <рл = 20°; г = 16 — 0.5/) были получены структуры поперечного электрического поля Е, в поглощающем материале в трех точках дисперсионной характеристики постоянной распространения (рис.3): /?с/о=0.75;1.84 и 2.92 (рис.4). Из приведенных структур полей на рис.4 хорошо видно, что при ßc/co-2.92 нарушается равномерность электрического поля в объеме поглощающего материала, что свидетельствует о применимости соотношения (2) к ВСС цилиндрической формы. Из дисперсионной характеристики постоянной распространения, приведенной на рис.3, хорошо видно, что при увеличении значения действительной части относительной диэлектрической проницаемости с 4 до 16 предельное значение коэффициента замедления, при котором еще обеспечивается однородное электрическое поле в поглощающем материале, определяемое (2), приближается к границе доминантного диапазона. Поэтому можно предположить, что при больших е' предельное значение коэффициента затухания окажется в доминантном диапазоне, и структура электрического поля будет нарушена уже в одномодовом режиме, Для подтверждения данного обстоятельства были рассчитаны дисперсионные характеристики постоянной распространения волны основного и первого высшего типов ЯВ с узкой поглощающей вставкой в центре емкостного зазора (рис.2,в; Л - г = 0.2; ср -180*; (pt,~ 20') и относительной диэлектрической проницаемости материала равной 36-0.5/ и 64-0.5/ (рис.5). Предельное значение коэффициента затухания для s = 36 — 0.5/ равно 4.30, а е = 64-0.5/ -5.7. Из приведенных дисперсионных характеристик постоянной распространения на рис.5 хорошо видно, что при е = 36 - 0.5/ значение предельного коэффициента замедления оказывается на границе, а при s = 64 - 0.5/ уже внутри доминантного диапазона. Таким образом, при s > 36 определяющим фактором стабильности структуры электромагнитного поля в объеме поглощающего материала является значение

коэффициента замедления, предельное значение которого определяется выражением (2).

Рис.3. Дисперсионные характеристики СВ при частичном заполнении емкостного зазора поглощающим материалом (К-г) = 0.2, ср = 180", г/>(, =20°: I- Я,(е = 1 б - 0.5/), 2- Я2 (е = 16- 0.5/), 3- Я, (е = 4 - 0.50,4- (* = 4 - 0.5/)

Рис.4. Структура £г в диэлектрике в поперечном сечении СВ (Д-г) = 0.2, р = 180°, фл =20°: а)рс/а> = 0.75(Л/Л = 15),б)/?с/= 1.84(А/Л = 10), в)/?с/о = 2.92(Д/Л = 4)

Рис.5. Дисперсионные характеристики ЯВ при частичном заполнении поглощающим материалом емкостного зазора (Я-;•) = 0.2,/р = 180°,р,( = 20° 1-#,(«• = 64- 0.50.2- Я2 (е = 64-0.5/) ,3- Я, (г = 36 - 0.5/) ,4- Я2 (с = 36 - 0.5/)

В заключительной части второго раздела третьей главы были разработаны конструкции базовых элементов рабочих камер СВЧ- устройств равномерного нагрева на основе отрезков нерегулярных квазистационариых ВСС цилиндрической формы для обработки листовых(пленочных) и жидких(сыпучих) материалов. Перспективность данных устройств в технике и энергетике СВЧ определяется: высокой концентрацией однородного электрического поля в области расположения обрабатываемого материала; высоким темпом нагрева; меньшими габаритами РК на заданной рабочей длине волны по сравнению с ВСС прямоугольной формы, что позволяет создавать новый перспективный класс малогабаритных, высокоэффективных поглощающих СВЧ- устройств равномерного нагрева на частотах 433 и 915 МГц.

Третий раздел третьей главы посвящен исследованию структуры электромагнитного поля и собственных электродинамических параметров резонаторов с частичным диэлектрическим заполнением.

На первом этапе проводится анализ первых четырех колебаний прямоугольного резонатора с частичным диэлектрическим заполнением (рис.6,а). На основе сравнения со структурой электрического поля пустого резонатора рассматривается степень изменения структуры электрического поля за счет эффектов вытеснения и втягивания электрического поля в диэлектрический материал. Проведенные исследования показали, что ни одно из рассмотренных колебаний не обеспечивает равномерность электрического поля в объеме диэлектрического материала. На рис.7 показаны зависимости резонансных длин волн первых четырех колебаний Я,0|, Нт, Нт, Я0и (пустого резонатора) прямоугольного резонатора (рис.6,а) от значения относительной диэлектрической проницаемости заполняющего материала. Из приведенных зависимостей на рис.7 хорошо видно, что при увеличении значения диэлектрической проницаемости заполняющего материала наблюдается смена основного колебания. Данное явление объясняется тем, что по мере втягивания электрического поля в диэлектрический материал

увеличивается значение резонансной длины волны, но поскольку электрическое поле основного колебания пустого резонатора #101 при введении диэлектрической вставки за счет эффекта вытеснения в основном сосредоточено над диэлектриком, а первое высшее колебание пустого резонатора Нш за счет эффекта втягивания- в диэлектрике, то при е>9 НЮ2(пустого) становится основным. Таким образом, однородного электрического поля в данных резонаторных структурах можно добиться только за счет возбуждения большего количества колебаний с амплитудами, определяемыми требуемым уровнем нагрева обрабатываемого материала.

Рис.б. а) прямоугольный резонатор, б) резонатор на отрезке П- волновода

Рис.7.

Резонаторные камеры сложной конфигурации для СВЧ нагревательных устройств распространены значительно в меньшей степени, чем отрезки ВСС для камер на бегущей волне. В данной работе проводится исследование

структуры электрического поля и собственные электродинамические параметры первых трех колебаний рабочей камеры СВЧ- нагревательной установки резонаторного типа, выполненной на отрезке П- волновода(рис.6,б). Установлено, что электрическое поле первых трех собственных колебаний резонатора на отрезке П- волновода более однородно в объеме диэлектрического материала, чем электрическое поле первых четырех собственных колебаний прямоугольного резонатора, причем наилучшую равномерность электрического поля в области диэлектрического материала обеспечивает колебание основного типа. В связи с тем, что колебания резонатора на отрезке П- волновода имеют более высокие значения резонансных длин волн в сравнении с прямоугольным резонатором, то габариты резонаторной камеры на основе П- волновода могут быть существенно уменьшены. Данные положения являются принципиально важными для создания малогабаритных СВЧ нагревательных устройств резонаторного типа.

Основные выводы и результаты диссертационной работы

¡.Предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ -устройствах волноводного и резонаторного типов.

2.Разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в СВЧ нагревательных устройствах волноводного и резонаторного типов, и показано, что решение ВКЗЭ для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением базируется на решении системы уравнений Максвелла.

3.Разработаны алгоритмы и комплекс программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики, позволяющий проводить комплексный анализ диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением методами конечных элементов с применением векторных функций формы и конечных разностей; установлено, что погрешность расчета собственных электродинамических параметров произвольных волноводных и резонаторных структур с произвольным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалом не превышает 2.5%.

4.Проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы на примере секторного, якорного и подковообразного волноводов; установлено, что в сравнении с П- волноводом и прямоугольным волноводом с Т- ребром ВСС со скругленным емкостным зазором обладают более высокими значениями критических длин волн основного типа, что позволяет уменьшать габариты рабочих камер СВЧ нагревательных устройств на фиксированной длине волны.

5.На основе проведенного исследования структуры электромагнитного поля в области быстрых волн в волноводах сложного поперечного сечения

цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением на примере секторного и якорного волноводов установлено, что для обеспечения однородности электрического поля в объеме жидкого или сыпучего материала в РК СВЧ нагревательных устройств волноводного типа на основе секторного и якорного волноводов, обрабатываемой материал должен занимать емкостной зазора по уровню середины волновода.

6.Проведено исследование дисперсионных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы на примере секторного и якорного волноводов и установлено, что в рабочих камерах для обработки листовых (пленочных) материалов с большим значением действительной части относительной диэлектрической проницаемости на основе секторного и якорного волноводов главным фактором стабильности структуры электромагнитного поля в объеме поглощающего материала становится коэффициент замедления электромагнитной волны основного типа.

7.Разработаны продольные профили рабочих камер СВЧ нагревательных устройств с бегущей волной для обработки жидких(сыпучих) и листовых (пленочных) материалов на основе секторного и якорного волноводов.

8.Проведено исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля первых четырех колебаний прямоугольного резонатора с частичным диэлектрическим заполнением и установлено, что однородное электрическое поле в объеме диэлектрического материала может быть получено путем возбуждения большего количества колебаний с амплитудами, определяемыми требуемым уровнем нагрева обрабатываемого материала.

9.Проведено исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля первых трех колебаний резонатора, выполненного на отрезке П- волновода, установлено, что данный резонатор в сравнении с прямоугольным резонатором обладает более высокими значениями резонансных длин волн, что позволяет уменьшать габариты рабочих камер СВЧ-нагревательных устройств резонаторного типа, а также обеспечить более однородное электрическое поле в объеме обрабатываемого материала. Ю.Показано, что данные волноводы успешно могут быть использованы в измерительной СВЧ технике при проектировании малогабаритных измерительных линий и оконечных согласованных поглощающих нагрузок.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Димитрюк А.А., Шакин К,В. Метод конечных разностей для задач электродинамики гиротропных сред // Проблемы управления и связи: Материалы междунар, науч.-техн. конф.- Саратов: СГТГУ, 2000.-С.107-109.

2, Коломейцев В.А., Шакин КВ. Математическое моделирование базовых элементов микроволновых технологических установок Н Математические методы в технике и технологиях: Материалы междунар. научн.-техн. конф. - Тамбов, 2002.-Т.З.-С.144-146.

3. Коломейцев В.А., Железняк А.Р., Шакин К.В. Электродинамические свойства волноводов сложных сечений с многослойным диэлектрическим заполнением // Перспективные направления развития электронного приборостроения: Материалы науч.-техн. конф.-Саратов: Изд-во СГУ, 2003.-С.264-267.

4. Коломейцев В.А., Шакин К.В., Цыганков A.B. Распространение электромагнитных волн в волноводных структурах с частичным термопараметрическим заполнением // Перспективные направления развития электронного приборостроения: Материалы науч.-техн. конф.-Саратов: Изд-во СГУ, 2003.-С.267-269.

5. Коломейцев В.А., Шакин К.В., Журавлев A.I-I. Применение квазистационарных волноводов сложных поперечных сечений в СВЧ-технике // Перспективные направления развития электронного приборостроения: Материалы науч.-техн. конф.-Саратов: Изд-во СГУ, 2003.-С.269-271.

6. Коломейцев В.А., Железняк А.Р., Шакин К.В. Тепловые процессы в термопараметрическом материале при СВЧ обработке в конвейерных установках поперечного типа // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: Межвуз. науч. сб. -Саратов: СГТУ, 2003.-С.121-125.

7. Коломейцев В.А., Шакин К.В., Журавлев A.M. Особенность аппроксимации граничных условий базовых элементов волноводных и резонаторных СВЧ- устройств с нелинейным профилем поперечного сечения // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: Межвуз. науч. сб.-Саратов: СГТУ, 2003.-С.126-130.

8. Коломейцев В.А„ Железняк А.Р., Шакин К.В. Источники теплового поля в термопараметрических материалах при СВЧ нагреве в конвейерных установках поперечного типа // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: Межвуз. науч. сб.-Саратов: СГТУ, 2003.-С.130-134.

9. Коломейцев В.А., Шакин К.В., Куриленко Е.А. Характеристики одномодового режима ВСС // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: Межвуз. науч. сб.-Саратов: СГТУ, 2003.-С.134-140.

10. Коломейцев В.А., Шакин К.В., Рами-Аль-Аззи. Критерии выбора геометрии рабочей камеры СВЧ- нагревательных систем равномерного нагрева диэлектрических материалов // Функциональные системы и устройства низких и сверхвысоких частот: Межвуз. науч. сб.-Саратов:СГТУ,2003.-С.63-68.

11.Шакин К.В., Ким Ун Су, Рами-Аль-Аззи. Критерии оптимизации термообработки термопараметрических материалов с помощью энергии СВЧ- поля // Функциональные системы и устройства низких и сверхвысоких частот: Межвуз. науч. сб.-Саратов:СГГУ,2003.-С.69-74.

РНБ Русский фонд

2007-4 17074

Шакин Константин Валериевич

СВЧ- УСТРОЙСТВА РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР

Автореферат

Корректор О А. Панина

Лицензия ИД№ 06268 от 14.11.01

Подписано в печать 25.05.04 Формат 60x84 1/16

Бум.тип. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ Z45 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет ,

410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77 ■ j | КопипринтерСГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 t g у ;

и ЙЮН 2004 >• 11 ?

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ» ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОГЛОЩАЮЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ В РАБОЧИХ КАМЕРАХ СВЧ- НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ВОЛНОВОДНОГО И РЕЗОНАТОРНОГО ТИПОВ!.

1.1. Обеспечение однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ- установках волноводного и резонаторного типов.

1.2. Внутренняя краевая задача электродинамики для произвольных волноводных и резонаторных структур частично заполненных диэлектрическим или поглощающим материалом;.

1.3. Методы численного анализа сложных электродинамических систем с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением.

2. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ? ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ДЛЯ ВОЛНОВОДНЫХ И РЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУР ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ С ЧАСТИЧНЫМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЛИ ПОГЛОЩАЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ.

2.1. Программа численного решения ВКЗЭ для волноводных и резонаторных структур произвольной формы с частичным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалом.

2.2. Тестирование алгоритма и программы расчета собственных электродинамических параметров волноводных и резонаторных структур на МКР и МКЭ.

2.3. Исследование диапазонных свойств полых ВСС со скругленным' емкостным зазором.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ-НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ВОЛНОВОДНОГО И РЕЗОНАТОРНОГО ТИПОВ

3.1. Диапазонные свойства собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в ВСС цилиндрического профиля с частичным диэлектрическим заполнением.

3.2. Дисперсионные свойства собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля квазистационарных ВСС цилиндрической формы с произвольным поглощающим заполнением.

3.3. Исследование структуры электромагнитного поля и собственных электродинамических параметров резонаторов с частичным диэлектрическим заполнением.

Актуальность темы.

В основе многих технологий современного производства продукции различного назначения лежит термообработка материалов. Одним из перспективных направлений улучшения^ качества термообработки диэлектрических материалов является использование в качестве источника тепла энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. СВЧ- технологии нагрева и сушки* диэлектрических материалов являются высокоэффективными экологически чистыми технологиями высокого уровня.

При этом к СВЧ' нагревательным устройствам предъявляется ряд требований: они должны при минимальной металлоемкости конструкции обеспечивать высокотемпературный, интенсивный и равномерный нагрев поглощающих материалов.

Как правило, эти требования^ удовлетворяются выбором соответствующих значений таких параметров базовых элементов рабочих камер СВЧ, как критическая длина волны основного типа, широкополосность, глубина проникновения и напряженность поля в области взаимодействия.

Применяющиеся в настоящее время в качестве рабочих камер СВЧ простые волноведущие структуры хотя и являются хорошо изученными и простыми в изготовлении, но в ряде случаев, не могут удовлетворить предъявляемым требованиям.

Одним из путей расширения функциональных возможностей СВЧ нагревательных устройств является применение линий передачи сложных сечений, и в первую очередь, квазистационарных волноводов.

Анализ возможностей волноводов сложных сечений [1-8] показывает, что они могут обеспечить равномерность нагрева в широком интервале изменения диэлектрической проницаемости материалов, получить однородное распределение тепловых источников в области взаимодействия не только в поперечном сечения камеры, но и по длине системы, интенсифицировать процесс за счет высокой напряженности электрического поля в емкостного зазоре, куда может; загружаться нагреваемый объект, снизить металлоемкость конструкций рабочих камер СВЧ. Последнее особенно существенно при создание малогабаритных СВЧ-нагревательных устройств равномерного нагрева на частотах 433 и 915 МГЦ.

Разработка и; проектирование рабочих камер СВЧ нагревательных устройств на основе волноводов сложных сечений» связаны с задачей исследования электромагнитных процессов в волноводах и резонаторах с частичным поглощающим заполнением. При этом экспериментальные методы изучения данных процессов зачастую являются весьма дорогостоящими, а строгий математический аппарат, позволяющий аналитически проводить расчет, еще не разработан. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмов и пакетов программ численных методов расчета,электродинамических структур.

Цель и задачи диссертационной работы.,

Целью диссертационной работы является создание двумерных и трехмерных математических моделей процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими ЭМГ мощность материалами, описывающие электродинамические свойства СВЧ-устройств волноводного и резонаторного типов с частичным поглощающим заполнением. Разработка алгоритма и комплекса программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для сложных электродинамических СВЧ-устройств на основе квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения частично заполненных произвольным диэлектрическим материалом. Проведение комплексных исследований электродинамических свойств квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения цилиндрической формы и резонаторов с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением и создание на их основе нового перспективного класса малогабаритных, высокоэффективных СВЧ- устройств поглощающего типа с равномерным нагревом поглотителя.

Методы исследования.

Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод конечных разностей, метод конечных элементов с применением векторных базисных функций с использованием принципа Галеркина и метода взвешенных невязок, объектно-ориентированные методы вычислений, линейная алгебра, метод эквивалентных схем^ методы математической физики, принцип поляризационной двойственности.

Научная новизна работы.

- предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ- устройствах волноводного и резонаторного типов;

- разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в СВЧ нагревательных устройствах волноводного и* резонаторного типов, позволяющая описать электродинамические свойства СВЧ-устройств волноводного иs резонаторного типов с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением;

-разработаны эффективные алгоритмы и комплекс программ численного решения внутренней краевой: задачи электродинамики для произвольных волноводных и: резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением методами конечных разностей и конечных элементов, позволяющие проводить комплексные исследования?электродинамических свойств данных структур;

-проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением на примере подковообразного, секторного и якорного волноводов и их сравнение с ранее; исследованными П- волноводом и прямоугольным волноводом с Т- ребром;

-исследованы дисперсионные зависимости: собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в частично заполненных диэлектриком с потерями волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы: секторного и? якорного;

-исследованы* структуры; электромагнитного поля» и собственные электродинамические параметры прямоугольного? резонатора с частичным; диэлектрическим: заполнением при различных значениях относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала;

-исследованы структуры электромагнитного» поля и собственные электродинамические параметры резонатора, выполненного^ на отрезке П- волновода с частичным диэлектрическим заполнением.

Практическая значимость работы заключается в^следующем: -даны практические рекомендации по оптимизации методов; численного расчета (метод конечных элементов и метод конечных разностей) рабочих камер СВЧ- устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов выполненных на основе отрезков! нерегулярных квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения и резонаторных систем с частичным диэлектрическим или поглощающими заполнением;

-даны практические рекомендации по использованию^ квазистационарных волноводов: сложного сечения цилиндрического профиля» в качестве базовых элементов рабочих камер нового перспективного: класса малогабаритных СВЧ- устройств; равномерного нагрева различных диэлектрических материалов;, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в* процессе нагрева, а также в качестве малогабаритных, широкополосных поглощающих элементов технике СВЧ;

-разработаны конструкции базовых элементов рабочих камер малогабаритных, высокоэффективных, с высоким темпом нагрева СВЧ- устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе отрезков; квазистационарных нерегулярных волноводов цилиндрического профиля; таких как: секторный и якорный волноводы;

-даньи практические рекомендации по повышению уровня равномерности? нагрева произвольных диэлектрических материалов; обладающих определенными джоулевыми потерями? в СВЧ-устройствах резонаторного типа,, включая микроволновые устройства бытового назначения;

-даны практические рекомендации^ по оптимизации; алгоритма численного решения внутренней краевой; задачи электродинамики различных СВЧ- устройств (аттенюатора, оконечные, согласованные нагрузки и др.) и автоматизации процесса обработки исходных и выходных данных;:

-результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках, проводимых в Саратовском государственном: техническом университете, в учебном процессе на кафедре Радиотехники; а также в Саратовском филиале института радиотехники и электроники РАН РФ и на предприятиях- ГНПП "Алмаз-Фазатрон?', СЭПО (Саратовское электроагрегатное производственное объединение), КБ "Электроприбор'' (г.Саратов).

Апробация работы.

Работы выполнена на кафедре "Радиотехника" Саратовского государственного технического университета, в период с 2000

2004гг. Основные положения и полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты докладывались и обсуждались на:

-международной научно-технической: конференции "Проблемы управления и связи", СГТУ, Саратов, 2000;

-XV международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях", ТГУ,Тамбов; 2002.

-международной научно-технической конференции "Перспективные направления развития электронного приборостроения", ФГУП "НПП Контакт", Саратов, 2003.

-международной научно-технической конференции "Радиотехника и связь", СГТУ, Саратов, 2004.

Публикации.

По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, имеющих подразделения, заключения, списка литературы и двух приложений. Диссертации изложена на 231 страницах, из: них 154 страниц с текстом, 77 -с рисунками. Список литературы содержит 102 наименования и изложен на 13 страницах.

В работе осуществлено решение актуальной научно технической задачи по созданию моделей и критериев, позволяющих обеспечить однородную плотность рассеиваемой СВЧ мощности в диэлектрических материалах при частичном заполнении волноводов L сложных сечений и резонаторов. В данном разделе изложены основные выводы и результаты диссертационной работы./ Г. Предложены условия обеспечения однородного тепловыделения в обрабатываемом материале в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.2.Разработана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими материалами в GB4 нагревательных установках волноводного и резонаторного типов, и показано, что решение ВКЗЭ для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением базируется на решении? системы* уравнений Максвелла.З.На основе проведенного обзора методов решения ВКЗЭ для произвольных волноводных Hi резонаторных структур с частичным Д \ диэлектрическим и поглощающим заполнением были выбраны эффективные численные методы решения ВКЗЭ- МКР и МКЭ.

4.Разработаны алгоритмы решения ВКЗЭ для произвольных волноводных или резонаторных структур с частичным диэлектрическим и поглощающим заполнением методами конечных разностей и конечных элементов.5.Разработан комплекс программ численного решения внутренней краевой задачи электродинамики, позволяющий проводить комплексный анализ диапазонных свойств, собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим; или поглощающим заполнением методами конечных элементов с применением векторных функций формы и конечных разностей.б.На основе проведенного тестирования пакета программ численного; У^ решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных и резонаторных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением МКР и МКЭ установлено, что погрешность расчета собственных электродинамических параметров произвольных волноводных и резонаторных структур с произвольным заполнением диэлектрическим или поглощающим материалом не превышает 2:5%; У.Показано, что* применение векторных базисных функций в МКЭ^ позволяет избежать появление ложных решений внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных электродинамических структур с частичным заполнением.8.Проведено исследование диапазонных свойств полых BGC со /^ скругленным емкостным зазором на примере секторного и якорного волноводов и установлено, что якорный волновод за^ счет расширения областей над Т-образным выступом; обладает более высокими значениями критической длины волны» основного типа и коэффициента широкополосности в сравнении с секторным волноводом:

9.Установлено, что^ секторный и якорный волноводы за счет увеличения ширины емкостного зазора обладают более высокими значениями критических длин волн основного и первого высшего; типов; чем П- волновод и прямоугольный волновод с Т- ребром; что позволяет снижать габариты СВЧ- устройств на основе GB и ЯВ.

10.Проведено исследование диапазонных свойств собственных электродинамических параметров волноводов сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим, заполнением на примере секторного, якорного и подковообразного Vr волноводов, установлено, что в сравнении с П- волноводом и прямоугольным волноводом с Т- ребром ВСС со- скругленным емкостным, зазором обладают более; высокими значениями критических длин волн основного типа, что позволяет уменьшать габариты рабочих камер СВЧ- нагревательных установок на фиксированной длине волны.11 .На основе проведенного исследования; структуры электромагнитного поля в области быстрых волн в волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы с частичным диэлектрическим заполнением на- примере секторного и якорного Р волноводов установлено, что для обеспечения однородности электрического поля в объеме жидкого или сыпучего материала в РК j^t GB4- нагревательных установок волноводного типа на^ основе секторного и якорного волноводов, обрабатываемой материал должен занимать емкостной зазора по уровню середины волновода.12.Проведено исследование дисперсионных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля в волноводах сложного поперечного сечения цилиндрической формы на примере секторного И!якорного волноводов и установлено.ЧТО' В( рабочих камерах для обработки листовых(пленочных) материалов. с большим значением действительной части относительной диэлектрической проницаемости; на основе секторного и якорного волноводов главным фактором стабильности структуры электромагнитного поля в объеме: поглощающего материала становится коэффициент замедления электромагнитной* волны основного типа.13.Разработаны продольные профили рабочих камер GB4-

нагревательных установок с бегущей волной для обработки Vr жидких(сыпучих) и листовых (пленочных) материалов на основе, секторного и якорного волноводов;

14.Проведено исследование собственных электродинамических параметров; и структуры электромагнитного поля первых четырех колебаний. прямоугольного резонатора с частичным диэлектрическим заполнением; и установлено,, что однородное электрическое поле в; объеме диэлектрического^ материала» может быть получено путем возбуждения большего количества,колебаний с амплитудами, определяемыми требуемым уровнем нагрева обрабатываемого материала.Р 15;Проведено исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля первых трех

1^ колебаний резонатора, выполненного на отрезке П- волновода, установлено, что данный резонатор в сравнении с; прямоугольным резонатором* обладает более высокими значениями; резонансных длин волн, что позволяет уменьшать габариты рабочих; камер GB4-

нагревательных установок резонаторного типа, а» также обеспечить более однородное электрическое; поле в объеме обрабатываемого материала.16.Показано, что данные волноводы успешно могут быть использованы в метрологии СВЧ диапазона при проектировании малогабаритных измерительных линий и оконечных согласованных поглощающих нагрузок.

1. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом.-Саратов:СГТУ, 1997.

2. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.-Саратов:СГТУ,1999.-439с.

3. Kolomeytsev V.A., Yakovlev V.V. The characteristics of rectangular T- septum waveguaid as a unit of equipment for microwave heating of materials//In:20th European microwave conf. Digest .-Budapest, 1990.- P.1002-1005.

4. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Диапазонные свойства установок СВЧ нагрева темопараметрических материалов на волноводах сложных сечений//Радиотехника, 1991.-N.12,-С.66-69.

5. Чепурных И.П., Яковлев В.В. Характеристики полосы одномодового режима прямоугольного волновода с Т-ребром частично заполненного диэлектриком//Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ,1983.-Вып.7.-С.37-41.

6. Каток В.Б., Коломейцев В.А. Яковлев В.В. Электромагнитные поля подковообразного. волновода частично заполненного диэлектриком//Изв. ВУЗов. Сер: Радиоэлектроника, 1987.- N.10:-C.95-96.

7. Коломейцев В.А., Яковлев В.В. Расчет электромагнитных полей рабочей камеры СВЧ нагревательной установки на П-волноводе//Радиотехника; 1987.-N.9l-C.65-66.

8. Yakovlev V.V., Komarov V.V., Zheleznyak A.R. Analys of horseshoe- shaped; waveguaide with dielectric in capacitance gap//IEEE Trans, on Magnetics, 1983.- V.29.- N2.- P.1616-1619.

9. Гольдштейн JI.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. -М.: Изд-во Советское радио; 1971.- 664с.

10. Кугушев A.M., Голубева Н.С., Митрохин; В.Н. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радиоволн. Учеб: Пособие для вузов.-М.: Изд-во МЕТУ им.Н.Э. Баумана, 2001:- 368с.

11. Абрамов В.П. и др. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах/ В.П. Абрамов, В.А. Дмитриев, С.А. Шелухин.-Ml: Радио и связь, 1989.-200с.

12. Автоматизированное проектирование устройств? СВЧ / Никольский В.В., Орлов? В.П., Феоктистов В.Г. и др.-М.: Радио и связь, 1982:-272с.

13. Ильин? В.П. Численные методы: решения; задач электрофизики.- М::, Главная редакция физико-математической литературы, 1985.- 336с.

14. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования.- М.: Радио и связь, 1984.- 248с.

15. 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. -11с. Деп. в ВИНИТИ 16.10.96, N.3052-B96.

16. Скворцов В.А., Цыганков А.В. Расчет критической длины волны основного типа Т- волновода с Т- ребром методом эквивалентных схем//Молодежь и наука на пороге XXI века: Тезисы докладов. -Саратов: Саратовский государственный университет, 1998.-С.54-55.

17. Коломейцев В.А., Комаров В.В., Скворцов А.А. Расчет критической длины волны основной моды волноводов с емкостным зазором методом эквивалентных схем.-М.,1997.-17с.Деп.в ВИНИТИ 11.08.97.N.2667-B97.

18. Григорьев А.Д.,Янкевич В.Б. Численные методы расчета электромагнитных полей свободных колебаний в регулярных волноводах и полых резонаторах// Радиотехника и электроника, 1977.- т.27.- N4.- С.43-67.

19. Самарский А.А., Андреев В.Б. Разностные методы; для эллиптических уравнений. -М.: Наука, 1976.

20. Самарский А. А. Гулик А.В. Численные методы.- М.: Наука, 1989.

21. Завадский В.Ю. Вычисление волновых полей в открытых областях и волноводах.- М.: Наука, 1972.

22. Завадский В.Ю. Метод конечных разностей в волноводных задачах акустики.- М.: Наука, 1982.

23. Завадский В.Ю. Метод сеток для волноводов. -М.: Наука, 1988.

24. Автоматизированное проектирование радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов / Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др.; Под. ред. Алексеева О.В.-М.:. Высш. шк., 2000.-479с.

25. Свешников A.F., Боголюбов А.Н., Митина И.В. Расчет газово- диэлектрического световода конечно- разностным методом//Радиотехника и электроника, 1982.-Т.27.- N.3.

26. Свешников А.Г., Боголюбов А.Н., Минаев Д.В., Сычкова А.В. Расчет диэлектрических волноведущих систем конечно-разностным методом//Радиотехника и электроника,1993.-Т.38.-Ы.5.

27. Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно-сеточные методы. -М.: Наука, 1981.-416с.

28. Дмитриев В. А. Методы расчета пассивных элементов интегральных схем СВЧ- и КВЧ- диапазонов// Зарубежная радиоэлектроника, 1994.-N7/8. -С.39-44.

29. Simons N.R.S., Bridges Е. Equivalence of propagation characteristics for the transmission-line matrix and finite-difference time-domain methods in two dimensions // IEEETrans. On Microwave Theory tech.,1991.-vol. MTT-39.-N.2.-P.354-357.

30. Jurgens T.G, Taflove A., Umashankar K., Moore T.G. Finite-difference time-domain modeling of curved surfaces//IEEE Trans, on Antennas and propagation, 1992.-vol:40.-No.4.-P.357-470.

31. Okoniewski M., Okoniewska E., Stuchly M.A. Three-dimensional subgridding algorithm for FDTD//IEEE Trans, on Antennas and propagation, 1997.-vol. 45.- No. 3.-P.422-429.

32. Yee K.S., Chen J.S;, Chang A.H. Conformal finite-difference time-domain (FDTD) with overlapping grids//IEEE Trans, on Antennas and propagation, 1992.- vol.40.-No.9.-P. 1068-1075.

33. Zivanovic S.S., Yee K.S., Mei K.K. A subgridding method for the time-domain finite-difference method to solve Maxwell's equations//IEEE Trans. on Microwave theory and techniques,1991.-vol. 39.-No. 3.-P.471-479.

34. Celuch-Marcysiak M., Gwarek W.K. Generalized TLM Algorithms with controlled stability margin and their equivalence with finite-difference formulations for modified grid//IEEE Trans, on Mocrowave theory and techniques, 1995.-V.43.-N9.-P.2081-2089.

35. Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans, on Antennas and Propagation, 1996.-voUAP-14.-No. 8.-P.303-307.

36. Линии передачи сложных сечений/ Заргано Г.Ф. и др.-Ростов-на-Дону: Изв-во РГУ, 1983 .-320с.

37. Волноводы сложных сечений/Заргано Г.Ф. и др. -М.: Радио и связь, 1986.-124с.

38. Сабонадьер Фж.К., Кулон Ж.JI. Метод конечных элементов и САПР.-М.: Мир,1989.-190с.

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

40. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.-М.: Мир, 1984.-428с.

41. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимации.-М.:Мир, 1986.-318 с.

42. Sundberg М., Kildal P., Ohlsson Т. Moment method analysis of a microwave tunnel oven // Journal of microwave power and electromagnetic energy, 1998.- Vol.33.-N.l.-P.36-48.

43. Nehrbass J.W., Lee R. Optimal finite-difference sub-gridding techniques applied to the Helmholtz equation7/ IEEE Trans, on Microwave theory and techniques,2000.-vol.48.-N.6.-P:976-984.

44. Bardi I., Biro O., Preis K., Vrisk G., Richter K.R. Nodal and edge element analysis of inhomogeneously loaded waveguides // IEEE Trans, on Magnetics, 1993.-vol.29.-N.2>P.1466-1469.

45. Mur G. The fallacy of edge elements//IEEE Trans. On Magnetics,1998.-vol. 34.- No.5.-P.3244-3247.

46. Самарский А.А. Теория разностных схем.-M.: Наука, 1983.

47. Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.- М.: ИЛ, 1963.

48. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров.-М.:Наука,1964.

49. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления.-М.: Наука,1984.-320с.

50. Mielewski J., Mrozowski М. Application of the Arnoldi Method in FEM Analysis of Waveguides // IEEE Microwave and Guided Wave Lewtters, 1998.-vol.8.- No. 1.-P.7-9.

51. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. -М.: Физматгиз, 1962.

52. Сильвестер П., Феррари Р; Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков.- Москва: Мир, 1986.

53. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов.-М.:Мир, 1979.- 392с.55; Стренг F., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов.-Москва: Мир, 1977.

54. Webb J.P. Edge elements and what they can do for you // IEEE Trans, on Magnetics, 1993.-vol.29.-No.2.-P.460-1465.

55. Golias N.A., Tsiboukis T.D. 3-D eddy-current computation with a self-adaptive refinement technique // IEEE Trans, on Magnetics, 1995.-vol.31 .-No.3.-P:2261-2268.

56. Lee J.F., Mittra R. A note on the application of edge-elements for modeling three-dimensional inhomogeneously-filled cavities // IEEE Trans, on Microwave theory and techniques, 1992.-vol.40.-No.9.-P. 1767-1773.

57. Golias N.A., Papagiannakis A.G., Tsiboukis T.D. Efficient mode analysis with edge elements and 3-D adaptive refinement // IEEE Trans, on on Microwave theory and techniques, 1994.-vol.42.-No.l.-P.99-107.

58. Golias N.A., Tsiboukis T.D. Constitutive inconsistency: rigorous solution of Maxwell; equation based on a dual approach // IEEE Trans, on Magnetics, 1994.- vol.30.-No.5.-P.3586-3588.

59. Бровко А.Б., Рожнев А.Г., Хохлов А.В. Метод реберных конечных элементов для расчета волноводных сверхвысокочастотных многополюсников// Радиотехника и электроника, 1998.-том 43.-N.11.-C.1314-1320.

60. Yuan X., Lynch D.R., Paulsen К. Importance of normal field continuity in inhomogeneous scattering calculations // IEEE Trans, on Microwave theory and techniques,1991.-vol.39.-No.4.-P.638-641.

61. Cendes Z.J. Vector finite elements for electromagnetic field computation // IEEE Trans, on Magnetics, 1991.-vol.27.-No.5.-P.3958-3966.

62. Lee J.F., Sun D.K., Cendes Z.J. Tangential vector finite elements for electromagnetic field computation // IEEE Trans, on Magnetics, 1991.-vol.27.- No.5.-P.4032-4035.

63. Lee J.F., Sun D.K. Cendes Z.J. Full-wave analysis of dielectric waveguides tangential vector finite elements//IEEE Trans, on Microwave theory and techniques, 1991.-vol.39.-N0.8.-P. 1262-1271.

64. Ahagon A., Fujiwara K., Nakata T. Comparison different types of edge elements for analysis electromagnetic field, // IEEE Trans, on Magnetics, 1995.-vol.32.- No.3.-P.898-901.

65. Pichon L., Razek A. Three dimensional resonant mode analysis using edge elements // IEEE Trans, on Magnetics, 1992.-vol.28.-N.2.-P. 1493-1496.

66. Yoiultsis T.V. Tsiboukis T.D. Development and implementation second and third order vector finite elements in various 3-D electromagnetic field problems// IEEE Trans. On Magnetics, 1997.-voL33.-No.2.-P. 1812-1815.

67. Yioultsis T.V., Tsiboukis T.D. Convergence-optimized, higher order vectore finite elements for microwave simulations // IEEE Microwave and wireless components letters, 2001.-vol.l 1.-No.l0.-P.419-421.

68. Bardi, Dyczij-Edlinger R., Biro O., Preis K. Edge finite, element formulations for waveguides and cavity resonators // Elektrotechnik and Informationstechnik, 1994.-v.111.-N.3.-P. 116-121.

69. Miniowitz R., Webb JlP. Covariant-projection quadrilateral elements for the analysis of waveguides with sharp edges // IEEE Trans. On Microwave theory and techniques, 1991.-vol.39.-No.3.-P.501-505.

70. Miniowitz R., Webb J.P. Analysis of 3-D microwave resonators using covariant-projection elements // IEEE Trans. On Microwave theory and techniques, 1991.- vol.39.-No. 11.-P.1895-1899.

71. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах/Абрамов В.П., Дмитриев В.А., Шелухин С.А.-М.: Радио и связь, 1989.- 200с.

72. Авдеев С.М., Алексеев В.Б., Руденко Н.Р. Конечно-элементный анализ волноведущих структур со сложной формой поперечного сечения, частично заполненных поперечно- намагниченным ферритом // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение, 1991 .-N3.

73. Nuno L., Balbastre J.V., Castane Н. Analysis of general lossy inhomogeneous and anisotropic waveguides by the finite-element method (FEM) using edge elements//IEEE Trans, on Microwave Theory Tech, 1997.-vol.45.-March.-P.446-449.

74. Yioultsis T.V., Tsiboukis T.D. Multiparametric vector finite elements: a systematic approach to the construction of three-dimensional,. higher order, tangential vector shape functions // IEEE Trans.on Magnetics, 1996.-v.32.-N.3-P. 1389-1392.

75. Golias N.A., Tsiboukis T.D. Three-dimensional automatic adaptive mesh generation//IEEE Trans. On Magnetics, 1992.-vol.28-.N.2.-P: 1700-1703.

76. Shenton D.N., Cendes Z.J. Three- dimensional finite element mesh generation using delaunay tessellation//IEEE Trans. On Magnetics, 1985.-vol.21.-N.6.-1811-1816.

77. Cendes Z.J., Shenton D.N. Adaptive mesh refinement in the finite element computation of magnetic fields//IEEE Trans.on Magnetics, 1985.-vol.21 .-N.5.-P. 1811-1816.

78. Pinchuk A.M., Silvecter P.P. Error estimation for automatic adaptive finite element mesh generation // IEEE Trans, on Magnetics, 1985.-vol.21.-N.6.-P.2551-2554.

79. Shepard M.S. Automatic and adaptive mesh generation // IEEE Trans. On Magnetics, 1985.-vol.21 .-P.2484-2489.

80. Penman J., Griere M.D. Self- adaptive mesh generation technique for the finite element method // IEEE Proceedings, 1987.-vol.l34.Pt.A.-N.8.-P.634-650.

81. Raizer A., Meunien G., Coulomb J.L. An approach for automatic adaptive mesh refinement in finite element computation of magnetic fields // IEEE Trans, on Magnetics, 1989.-Vol.25.-N:4.-P.2965-2967.

82. Golias N.A., Tsiboukis T.D. Adaptive refinement strategies in three dimensions // IEEE Trans, on Magnetics, 1993.- vol.29.-N.2.-P;1886-1889:

83. Коломейцев В. А., Железняк А.Р., Комаров В.В. Приближенный расчет критических длин волн волноводов сложной формы с частичным диэлектрическим заполнением//Радиотехника,1990.->1.7.-С.74-75.

84. Бабак В.В., Хомяков С.В., Дураков А.В.Диапазонные свойства полого якорного волновода//Проблемы управления и связи: Сб. научн. тр. научно,- техн. конф,- Саратов: СГТУ, 2000.-С.125-127!.

85. Дураков А.В., Одуев В.В., Егорова Е.А. Влияние электрофизических параметров диэлектрической вставки на диапазонные свойства якорного волновода//Проблемы управления: и связи: Сб. научн. тр. научно.- техн. конф,-Саратов: СГТУ, 2000.-С.128-130.

86. Комаров В.В., Коломейцев В.А. Факторы влияющие на стабильности собственных функций поля волноводов сложных сечений с диэлектрическими вставками//Известия вузов России. Радиоэлектроника, 2002.-N.1.-С.73-77.

87. Сатаров И.К., Комаров В.В. Микроволновые устройства с бегущей волной дл термообработки диэлектрических материалов: Учебн. Пособие.- Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2000.- 119с.

88. Коломейцев В. А., Железняк А.Р. Распределение электромагнитного поля в волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом//Радиотехника, 1991.- N.1.-С.71-73.

89. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. -М.: Агропромиздат, 1986.-351с.

90. А.С. 1292209 СССР. СВЧ-печть / Макаров В.Н. и др. // B.H.,1987.-N.7.