автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование методов сфокусированной апертуры для повышения эффективности СВЧ-технологических установок открытого типа

На правах рукописи

ПОТАПОВА Ольга Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СФОКУСИРОВАННОЙ АПЕРТУРЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЧ-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ОТКРЫТОГО ТИПА

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-1998

Работа выполнена в Казанской государственном техническом университете имени А.Н.Туполева

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Седельников Ю.Е. Научный консультант — кандидат технических наук, профессор

Морозов Г.А.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

профессор Классен В.И. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Миронов О.В. Ведущая организация: ФНПЦ "Радиоэлектроника"

г.Казань

Защита состоится " Сре#%£и& 1999 г. в #"~^часов на заседании диссертационного совета К.063.43.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева, в зале заседания ученого совета по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева

Автореферат разослан ¿ШсаМ^*- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Козлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние два десятилетия активно проездили сь исследования, направленные на расширение сфер применения гсектромагнитных полей (ЭМП) СВЧ-диапазона. Физические свойства, рисущие ЭМП СВЧ, а также эффекты биологического характера пределили перспективность использования СВЧ-полей для решения шрокого круга задач в медицине, биологии, сельском хозяйстве и ромышленности.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают начительные преимущества использования СВЧ-энергии в промышлен-ом и сельскохозяйственном производстве: ускорение процессов обра-отки, экологическую чистоту, сокращение энергетических затрат, воз-южность полной механизации и автоматизации. Кроме того, в ряде пучаев достигается эффект, превышающий потенциальные возмож-ости традиционных методов.

Одной из причин, сдерживающих более широкое промышленное спользование СВЧ-методов (микроволновых технологий) является от-осительно высокая стоимость оборудования. При этом большинство озданных установок являются узкоспециализированными, предназна-енными для обработки конкретных материалов при определенных ре-симах. Совершенствование микроволновых технологий требует разви-ия методов создания унифицированных СВЧ-установок с перестраи-аемыми структурой и режимами обработки.

Системы управления перспективных СВЧ-установок должны обес-ечивать формирование электромагнитных или тепловых полей с требуемым распределением в объеме обрабатываемого материала, необхо-имые изменения их во времени, вносить коррективы, учитывающие вменение электрофизических свойств в процессе обработки. В этих це-лх необходимо создание эффективных устройств возбуждения ЭМП в |абочих камерах СВЧ-установок, которые должны обладать гибкой труктурой, позволяющей осуществлять требуемую перестройку в доста-очно широких пределах. К настоящему времени одним из наиболее [ерспективных направлений является использование многоэлементных озбудителей. Однако, несмотря на их несомненную перспективность и ¡пределенные достижения в этой области, к настоящему времени вопросы создания эффективных устройств возбуждения для СВЧ-техноло-ических установок не решены в достаточной мере.

В этой связи актуальной задачей, связанной с созданием сов->еменных систем управления СВЧ-усгановками, является разработка ффективных устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах техноло-ических установок, обеспечивающих требуемое распределение энергии I объемах обрабатываемых материалов при минимальном уровне 1злучения за пределами объекта обработки.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повы-пение эффективности устройств возбуждения электромагнитных полей I рабочих камерах технологических установок открытого типа.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

— выбор и обоснование моделей, описывающих процесс формирования электромагнитных полей в рабочих СВЧ-камерах откры того типа;

— формулировка критериев и разработка методов и алгорит мои решения задач оптимизации по сформулированным критериям для различных видов возбуждения излучателей;

— изучение общих свойств и решение задач оптимизацт возбуждения для камер открытого типа, а именно: фокусировки I точку для когерентного и некогерентного возбуждения излучателей максимизации поглощенной мощности в пределах заданной области задачи повышения равномерности;

— оценка положительных эффектов, достигаемых при опта мизации возбуждения СВЧ-камер открытого типа с использование! методов сфокусированной апертуры;

— выработка практических рекомендаций для проектирова ния СВЧ-установок.

Методы исследований. Для решения поставленных задач : работе использовался аппарат теории электродинамики, метода оптимизации, а также моделирование на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— сформулированы критерии оптимизации, обеспечиваю щи решение задач максимизации поглощенной мощности и повышени равномерности в заданной области пространства. Изучены общи свойства задач оптимизации возбуждения электромагнитных полей технологических СВЧ-установках открытого типа. Установлено, чт в ряде случаев задачи оптимизации являются многоэкстремальным) а в качестве начальной точки, при проведении численно оптимизации, целесообразно использовать синфазное равноампж туда о е возбуждение излучателей, расположенных эквидистантно н расстоянии Я^/2.

— решены задачи оптимизации возбуждения для каме открытого типа, а именно: фокусировка в точку для когерентного некогерентного возбуждения излучателей, максимизации поглоща ной мощности в пределах заданной области, задачи повышен* равномерности. Установлено, что для различных технологически процессов увеличение поглощаемой мощности в заданной облает составляет от 0,25 до 8 дБ и зависит от решаемой задачи оптимиз ции, вида обрабатываемой среды, соотношения размеров систем возбуждения и области фокусировки.

— определены оптимальные и квазиоптимальные виды во буждения излучателей для различных задач оптимизации. Проведе*

сравнение эффективности методов сфокусированной апертуры при когерентном и некогерентном возбуждении излучателей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— полученные при оптимизации возбуждения рабочих камер технологических СВЧ-установок , позволяют повысить поглощаемую мощность или равномерность распределения интенсивности электромагнитного поля в пределах заданной области. Это дает возможность уменьшить время обработки и, следовательно энергозатраты, а также повысить качество получаемой продукции в различных производственных процессах;

— разработанные методы, алгоритмы решения задач фокусировки по различным критериям и программы позволяют рассчитывать оптимальные амплитудно-фазовые распределения и геометрию системы возбуждения для любых процессов СВЧ-обработки, использующих рабочие камеры опсрытого тапа, что позволит повысить эффективность данного технологического процесса;

— на основе анализа решенных задач выработаны практические рекомендации для проектирования технологических СВЧ-установок.

На защиту выносятся:

— модели, описывающие процесс формирования СВЧ-полей в рабочих камерах открытого типа;

— критерии решения задач оптимизации, описывающие требования максимизации поглощенной мощности и повышения равномерности распределения интенсивности СВЧ-поля в заданной области пространства;

— методики решения задач оптимизации по сформулированным критериям для различных видов возбуждения излучателей;

— анализ общих свойств задач оптимизации возбуждения рабочих камер технологических СВЧ-установок при обработав сред со значительным удельным поглощением;

— оценки эффективности решения задач оптимизации по критериям энергетической эффективности и равномерности, полученные для различных видов возбуждения излучателей и размеров области фокусировки;

— сравнительные результаты решения задач оптимизации возбуждения рабочих камер открытого типа по различным критериям для когерентного и некогерентного возбуждения излучателей;

— выработанные практические рекомендации для проектирования реальных СВЧ-установок.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской НТК "Фазированные антенные решетки и перспективные средства связи ФАР-94", г.Казань, 1994 г.; на Всероссийской НТК "Микроволновые

технологии в народном хозяйстве (МВТ-95)", г.Казань, 1995 г.; н; молодежной НК "XXII Гагаринские чтения", г.Москва, 1996 г.; на I Республиканской конференции молодых ученых и специалистов г.Казань, 1996 г.; на Международной НТК "Молодая наука новом; тысячелетию, г.Набережные Челны, 1996 г.; на Межрегионально! научно-практаческой конференции "Пищевая промышленность 2000", г.Казань, 1996 г.; на VI Международной Крымской конферен ции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", г.Севасго поль, 1996 г.; на Юбилейной научной и научно-методическо! конференции, посвященной 65-летио КГТУ им. А.Н.Туполева, г.Ка зань, 1997 г.; на II Международной конференции по антенно! технике и технологиям, г.Киев, 1997 г.; на III Международно« симпозиуме "Электромагнитная совместимость и электромагнитна экология", г.Санкт-Петербург, 1997 г.; на VII Международно! Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные тех нологии", г.Севастополь, 1997 г.

Результаты работы использованы в 2 плановых НИОКР проведенных НИЦ ПРЭ КГТУ им.А.Н.Туполева в 1996-1998 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 работ, в том числе 1 статья депонирована в ВИНИТИ, 1 стать опубликована в журнале "Вестник КГТУ", 7 докладов в сборника трудов международных и всероссийских конференций, а также международного симпозиума.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работ состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы : приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен обзор областей применения микровол новых технологий, рассмотрены виды и преимущества существую щи технологий с применением СВЧ-обработки, показана актуальное! работы, сформулированы цели исследования и решаемые задачи.

В первой главе на основе обзора, проведенного во введенш указан ряд областей применения СВЧ-технологических установок, которых необходимо создавать электромагнитные поля в част рабочей камеры или объема обрабатываемого материала. Примерам таких технологических процессов могут служить предпосевная обрг ботка почвы с целью борьбы с сорняками и болезнями; обработк семян для стимуляции прорастания, дезинфекции, дезинсекцш сушки; обработка продуктов пчеловодства, в частности, вытопк воска, сушка вощины, роспуск закристаллизовавшегося и загустевш< го в сотах меда; СВЧ-облучение человека и сельскохозяйственны животных, с целью лечения и профилактики отдельных болезне (органов пищеварения, дыхания, нервной системы), а также микре

волновая диатермия и гипертермия опухолевых тканей; уничтожение домового грибка и древесного точильщика в древесине и кирпичной кладке, ускорение процесса твердения бетона, раскалывание 5етона, сварка пластмасс и т.д. "

В перечисленных технологических процессах в качестве эбрабатываемых материалов использовались почва, зерно, мед, воск, человеческие ткани, пластмассы. Проведенный анализ показал, что в диапазоне частот 0,9...3,8 ГГц все рассмотренные материалы пред-л-авляют собой диэлектрики с потерями, типичные значения шектрических параметров которых находятся в пределах: е'=1,8...50, £5=3-10"5...0,7 (соответственно коэффициент затухания а=4-10"3...53, коэффициент фазы р=14...331).

Рассмотрены два основных направления (тепловое и нетепло-зое) использования электромагнитной энергии СВЧ, отличающихся характером воздействия поля на объект обработки. Показано, что хля каждого из рассмотренных направлений необходимо обеспечение сданного распределения интенсивности ЭМП в пределах обраба-гываемого объекта.

Показано, что задачи эффективного возбуждения ЭМП в рабо-1их камерах технологических СВЧ-усгановок пока не решены.

Микроволновые технологические установки рассматриваются з работе как радиотехнические системы, состоящие из подсистем генерации, передачи электромагнитных колебаний, формирования толей, автоматического регулирования, собственно СВЧ-камеры, а гакже подсистемы выгрузки-загрузки. Общая эффективность системы определяется зависящей от показателя качества одной из важнейших тодсистем — излучающей (иначе, подсистемы формирования полей); соторая характеризует ее способность создавать в заданном обраба-гываемом объеме ЭМП с требуемым пространственным рас-тределением при минимальных стоимости, технической сложности и :уммарных энергозатратах. В настоящей работе эффективность «лучающей подсистемы рассматривалась автономно на основе сформулированных ниже требований

Проведена классификация технологических СВЧ-установок по:

— типу рабочих камер (открытые, замкнутые, различных 1>орм);

— типу возбуждения (когерентное, некогерентное, смешанное);

— размеру области фокусировки (обеспечение заданного распределения в малой области (точка) или протяженной области).

Задачи формирования заданного пространственного распреде-тения интенсивности ЭМП поля для камер замкнутого и открытого гипов сближаются по мере увеличения размеров рабочих камер. В заботе рассматривались рабочие камеры открытого типа.

Обрабатываемая среда — суглинок каштановый ^=0,96 ГГц, а=1,57 Нп/м, (3=40,5 1/м, е'=4,0,) ео-

' I > I I I | 1 ' I | I '- м I ' 1 I I I 2 4 в 8 10 12 14 18 18 20 Расстояние вглубь среда, см Рис. 1

Для описания процесса формирования ЭМП системой электрических диполей использована строга« модель, разработанная д.т.н. Дауто-вым О.Ш. В данное модели поле, созда^ ваемое каждым ис точником, преде тавлено в виде су перпозиции плос ких волн, распро страняющихся I пространстве на; плоскослоистой средой и в само) перпендикулярж

материале, поляризованных параллельно и плоскости падения. При использовании этого решения, выражения определяющие проекции вектора напряженности электрическоп поля на оси цилиндрической системы координат и позволяющи вычислять их в любом слое структуры, содержат интегрирование п( области пространственных частот, громоздки и непосредственное и. использование для проведения большого объема расчето затруднительно.

В качестве упрощенной модели, используется элементарны) электрический излучатель, расположенный на границе воздух-обра батываемая среда и излучающий в эту среду.

Сравнения моделей показывают хорошее совпадение результа тов расчетов распределений мощности вглубину обрабатываемой ср< ды в дальней зоне излучения, т.е. в области, где расстояние до точк наблюдения превышало длину волны в обрабатываемой среде (ри( 1). Далее в работе для моделирования и оценки эффективности мете дов сфокусированной апертуры используется приближенная модель.

Система возбуждения рабочей камеры СВЧ-установки пред сгавляет собой многоэлементный излучатель, расположенный на гр; нице поглощающей среды и излучающей в эту среду.

В общем случае под оптимизацией излучающей систем: понимается такой выбор числа, размеров и возбуждения систем: дискретных источников, при котором распределение интенсивное! электрического поля стремится к заданному.

Показано, что в указанной постановке задача оптимизаци возбуждения имеет, наряду со сходством с традиционной задач«

синтеза антенной решетки по заданной амплитудной ДН, ряд специфических отличий: в задачах синтеза антенных решеток не используется некогерентное возбуждение излучателей; среда, в которой распространяется электромагнитная волна, в антенной технике имеет существенно меньшие потери по сравнению с обрабатываемой средой а технологических СВЧ-установках; в задачах синтеза антенны по заданной диаграмме направленности существенным является приближение к заданной функции по форме, т.к. понятие диаграммы направленности изначально предполагает нормировку к максимальному значению. В задачах же оптимизации возбуждения рабочих камер СВЧ-установок понятие "заданное распределение" относится к ненормированным значениям амплитуд создаваемых полей, поэтому при прочих равных условиях предпочтительнее такие решения, которым соответствует меньшее значение суммарной мощности, подведенной к излучателям.

Кроме того, в ряде практически важных случаев (нетепловые воздействия, кратковременный нагрев и др.) требование формирования заданного распределения интенсивности поля может быть заменено более частным условием обеспечения максимального уровня поглощенной мощности в ограниченной области пространства, либо этим же условием, дополненным требованием однородности в пределах заданного объема. По аналогии с антенной техникой, задачи этого типа можно классифицировать как задачи создания сфокусированных апертур. В зависимости от размера области фокусировки выделено два вида подобных задач — фокусировки в точку и заданную область пространства.

Выделено также два принципиально разных способа построения излучающей системы, соответствующих когерентному и некогерентному возбуждению излучателей.

В работе решались более частные задачи оптимизации системы возбуждения ЭМП: задачи оптимизации амплитудно-фазового распределения возбуждающих токов при заданной геометрии решетки:

при фиксированном амплитудно-фазовом распределении (АФР) в раскрыве решетки.

В качестве критериев решения поставленных задач рассматривались критерий энергетической эффективности:

0)

/,«С1,

и задачи оптимизации геометрии системы возбуждения:

е.

где

шах ,

(3)

и критерий повышения равномерности:

в

(4)

где

Вторая глава посвящена исследованию эффективности методов сфокусированной апертуры при когерентном возбуждении излучателей. Для этого выбрана и обоснована модель, описывающая процесс фокусировки при когерентном возбуждении, она определяет оператор задачи:

|2

Р(г) =

¿=1

при условии

Епояв

1=1

= 1

(5)

(6)

где /(60 — функция, характеризующая свойства направленности /го излучателя;

¡1 и ф,- — соответственно амплитуда и фаза тока в ¡-м излучателе;

г,-—расстояние от /-го излучателя до точки наблюдения. В главе решены основные задачи оптимизации АФР и геометрии антенной решетки при фокусировке в точку. Решение задачи оптимизации АФР имеет вид:

(70

где

. -со;-,

С, =/(©,) ^

I

<Р| = Р('5ф-'о) •

'¡Ф

>Ф

С?")

Здесь г(ф — определяет расстояние от /-го излучателя до точки фокусировки,

го—расстояние от начала координат до точки фокусировки, аир — соответственно коэффициент затухания и коэффициент фазы для рассматриваемой среды.

Задача оптимизации геометрии не имеет аналитического эешения и решалась в работе численными методами. Исследования юказали, что целевая функция является многоэкстремальной и помимо глобального максимума, соответствующего возможно более близ-сому расположению излучателей к точке фокусировки, имеет ряд юкальных максимумов.

На рис. 2 показаны типичные распределения мощности, рассчитанные для различных видов оптимизаций при фокусировке в точку, жсположенную на глубине 10 см в жировой ткани (частота обработ-си {=2,45 ГГц, а=11,8 Нп/м, р=121,7 1/м, е'=6,0). Увеличение мощности в точке фокусировки по сравнению с одиночным излучателем вставило 3,2 дБ при фазовой оптимизации, 4,6 дБ при оптимизации \Р, 6,1 дБ при оптимизации АФР. По сравнению с синфазным равно-1мплитудным возбуждением излучателей увеличение мощности в х>чке фокусировки составило 6,6 дБ, 8,0 дБ и 9,53 дБ соответственно щя фазовой, амплитудной и амплитудно-фазовой оптимизаций.

Решены задачи оптимизации АФР и геометрии антенной ре-петки для случаев фокусировки в заданную область пространства с ^пользованием критериев энергетической эффективности (3) и повы-цения равномерности (4). Установлено, что обе данные задачи явля-отся многоэкстремальными, причем величины локальных максимуме, соответствующих различным квазиоптимальным видам возбуж-(ения отличаются довольно значительно. Показано, что в качестве [ачальной точки при оптимизации возбуждения целесообразно ис-юльзовать исходное эквидистантное расположение излучателей с нагом Хс/2 при их гавноамплитудном инфазном возбуждении.

Установлено, :то при оптимиза-[ии по критерию нергетической зф-)ективности полу-:енные решения по-воляют повысить [ощность, погло- |> о цаемую на отрезке штимизации, как по _10 равнению с оди-ючным излучате-:ем, так и по срав-

е 8 10 12 14 Расстояние вглубь среды, см Рис.2

Критерий энергетической эффективности

Г -20

•15 -10 -5 0 5 10 тояние вдоль отрезка стимпгцш, см

Рис. 3

нению с эквидис тантной синфаз ной равноампли тудной решеткой Оптимизация воз буждения по кри терию равномер ности позволяем увеличить мини мальное значени! мощности, погао щаемой на отрезю оптимизации, п< сравнению с ис ходным синфаз ным равномпли тудным возбужде нием излучателе! области оптимизации I

на 0,4...8,0 дБ для разных размеров конкретных полученных решений.

В главе показано, что использование совместной амплитудно фазовой оптимизации по критериям энергетической эффективности 1 равномерности в процессах фокусировки в заданную облает пространства для большинства приложений нецелесообразно, так ка] незначительно увеличивает эффект по сравнению с амплитудно! оптимизацией. Эффективность фазовой оптимизации несколько меньше соответствующего значения, достигаемого при оптимизаци1 АР. В качестве альтернативы оптимизации АФР перспектив»

использовать оптимизацию геометрии антенной решетки, т.к. величины достигаемых эффектов в данных случаях приблизительно одинаковы.

На рис. 3 и рис. 4 изображены распределения поглощенной мощности по отрезку фокусировки для различных видов оптимизации по критериям энергетичес-

Критерий повышения равномерности

—■— Исхедрм кэб*» • ОтшмафИ АР ОтмАпацт 4>Р А— Отматжфп АФР Т— Оптмпоаф« гмылрьм

-2) -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Расстояние вдоль отрезка сгпммвацж. см

Рис. 4

кой эффективности и повышения равномерности. В качестве обрабатываемой среды рассматривалась жировая ткань, имеющая типичные значения электрических параметров, отрезок оптимизации несколько превышал длину антенной решетки, состоящей из 19-ти излучателей, и располагался на глубине 10 см в среде.

На основе результатов проведенных исследований выработаны практические рекомендации для проектирования СВЧ-установок открытого типа с когерентным возбуждением излучателей.

Третья глава посвящена исследованию эффективности методов сфокусированной апертуры при некогерентном возбуждении излучателей. В данном случае оператор задачи определяется моделью, описывающей процесс фокусировки при некогерентном возбуждении:

а

N

г(?) = I (=1

В главе решены задачи

(9)

АР и геометрии антенной

; оптимизации,

решетки при фокусировке в точку. Показано, что задача оптимизации АР представляет собой классическую задачу линейного программирования и максимум целевой функции достигается при следующем АР:

1 = I* к , (10)

/. = 0

где к-

- номер излучателя, имеющего максимальный коэффициент С,-:

/ ч -О." ^

Ж)е

СГ

г.

I

Задача определения оптимальных координат излучателей также сводится к задаче линейного программирования, глобальный максимум соответствует возможно более близкому расположению излучателей к точке фокусировки. Типичные распределения мощности вглубину жировой ткани, соответствующие исходной антенной решетке, излучатели которой располагаются эквидистантно на расстоянии Хс12 и возбуждаются синфазно с одинаковыми амплитудами, а также различным видам оптимизации приведены на рис. 5. Количество излучателей равнялось 19, точка фокусировки располагалась на глубине 10 см в среде. В точке фокусировки увеличение мощности по сравнению с равноамплитудным возбуждением излучателей составило 6,4 дБ для оптимального АР и 6,3 дБ для антенной решетки с оптимальной геометрией.

Аналогично случаю когерентного возбуждения излучателей, в главе решены задачи оптимизации АР и геометрии антенной решетки при фокусировке в заданную область пространства для критериев

энергетической эф фекгивности (3) i повышения равно мерности (4). Уста новлено, что задач! оптимизации воз буждения по крите рию энергетическо! эффективности, ■< также задача опта мизации АР по кри терию равномерное та (при известнок положении точки < о 2 4 б 8 ю 12 м 16 18 20 минимальным зна Раеэтояние вглубь среды, см чением поглощен

ной мощности) МО гут быть сведены к задачам линейного программирования.

В случае изменения положения на отрезке фокусировки точки < минимальным значением поглощенной мощности при оптимизацш АР по критерию равномерности и в задачах оптимизации геометрш антенной решетки по этому же критерию, поиск аналитического решения не представляется возможным. Данные задачи решались i работе численными методами с помощью программ поиска макси мума функции, описывающей расположение в облает оптимизации положение точки с минимальным значением поглощенной мощности которая в свою очередь, была получена с помощью электродинамического моделирования распределения интенсивности ЭМП в поглощающем материа- Критерий энергегаческой эффективности ле. В работе установлено, что ука- ю занные задачи являются многоэкст- щ 5 ремальными и по- ^ 0 казано, что в ка- g честве начальной § -5 точки при оптими- s10 зации возбуждения Ï целесообразно ис- £15 пользовать исход- S ное эквидистантное S"20 расположение излучателей с шагом XJ2 при их равно-амплитудном воз-

■10 -5 0 5 10 15 20 тсян» вдоль отрезке оттшмцж, см

Рис. 7

бувдении. Критерий равномерности

Оптимизация возбуждения по критерию энергетической эффективности позволяет увеличить суммарное значение мощности, поглощаемой на отрезке оптимизации (рис. 6), а оптимизация по критерию равно- £ мерности — повысить минимальное значение мощности, поглощаемой на отрезке оптимизации, по сравнению с исходным равноамплитудным возбуждением излучателей, на 0,25...7,5 дБ (рис. 7) в зависимости от размеров области оптимизации, параметров среды и глубины расположения отрезка фокусировки. Распределения поглощенной мощности по отрезку оптимизации, представленные на рис. 6 и рис. 7, соответствуют случаю облучения жировой ткани решеткой из 19-ти излучателей, отрезок оптимизации располагался на глубине 10 см в поглощающей среде.

Сравнение эффективности когерентного и некогерентного возбуждения излучателей показало, что при оптимизации системы возбуждения по критерию энергетической эффективности (3) целесообразнее использовать когерентное возбуждение излучателей. В случае оптимизации по критерию равномерности (4), эффективность когерентного и некогерентного возбуждения излучателей приблизительно одинакова.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении приводятся описание СВЧ-установки по обеззараживанию стоков животноводства, спроектированной с учетом результатов, полученных в данной работе; акты внедрения, заключения сторонних организаций, подтверждающие внедрение и практическую значимость результатов диссертационной работы; листинг пакета программ для инженерного проектирования технологических СВЧ-установок открытого типа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Выбраны и обоснованы упрощенные модели, описывающи процесс формирования СВЧ-полей в рабочих камерах открытой типа при когерентном и некогерентном возбуждении излучающе! системы. Они позволяют рассчитывать поглощенную мощность ] пределах заданной области фокусировки и оценивать эффект а оптимизации системы возбуждения по различным критериям.

2. Определены критерии оптимизации, сформулированы дв класса задач оптимизации: фокусировки ЭМП в заданной точке про странства и в заданной конечной области пространства. Указанны задачи решаются методами оптимизации амплитудно-фазовог распределения и геометрии излучающей системы.

3. Разработаны методы и алгоритмы решения задач оптимизг ции по различным критериям для случаев когерентного и некогерент ного возбуждения излучателей, изучены общие свойства задач опта мизации возбуждения рабочих камер СВЧ-установок открытого тип при обработке сред со значительным удельным поглощением. Уск новлены случаи, когда целевые функции являются многоэкстремаш ными, показано, что в процессе практической реализации указанны задач в качестве начальной точки, при проведении численной оптт мизации, целесообразно использовать эквидистантное расположен» излучателей с шагом А-с/2, возбуждаемых синфазно равноамплитуднс

4. Для камер открытого типа решены задачи оптимизаци возбуждения при фокусировке в точку и заданную область пр< странства для случаев когерентного и некогерентного возбужден» излучателей. Определены амплитудно-фазовые распределения и ге< мегрии системы излучателей, позволяющие повысить поглощаему мощность или равномерность распределения интенсивности электр* магнитного поля в пределах заданной области.

5. Оценены количественные эффекты, достигаемые при опп мизации излучающей системы методами сфокусированной апертур в СВЧ-камерах открытого типа. Установлено, что в случаях фокус; ровки в пределах заданной области по различным критериям увел чение поглощаемой мощности составляет для различных технолог ческих процессов от 0,25 до 8 дБ и зависит от решаемой зада« оптимизации, вида обрабатываемой среды, соотношения размер! антенной решетки и области фокусировки.

6. Показано, что в случае оптимизации возбуждения I критерию энергетической эффективности наибольший эффект дост гается при использовании когерентного возбуждения излучателе Определены условия, при которых целесообразно применен оптимизированных излучающих систем, построенных по принци: некогерентного возбуждения.

7. На основе анализа решенных задач выработаны практич( кие рекомендации для проектирования излучающих систем СВ

амер открытого типа, реализованные в практически разработанных сгановках.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

. Чони Ю.И., Потапова О.В.. Анализ распределения поля в СВЧ-:амере // Материалы докладов III Всероссийской НТК "Фазиро-)анные антенные решетки и перспективные средства связи ФАР-94". - Казань: КГТУ им.А.Н.Туполева, 1994. с.145. !. Акишин Б.А., Богатырев A.B., Бабкин И.Н., Львов И.А., Морозов ".А., Пироженко С.А., Потапова О.В., Чони Ю.И. Эксперименталь-юе исследование поля в СВЧ-печах (методы формирования и шпаратура для измерений) // Материалы докладов III Всероссийской ГТК "Фазированные антенные решетки и перспективные средства ;вязи ФАР-94".— Казань: КГТУ им.А.Н.Туполева, 1994. с.146. Î. Богатырев A.B., Потапова О.В. Исследование воздействия поля на серамические материалы // Материалы докладов Всероссийской НТК Микроволновые технологии в народном хозяйстве (МВТ-95)".— Сазань: КГТУ им. А.Н.Туполева, 1995. с.20.

I. Морозов Г.А., Потапова О.В., Седельников Ю.Е. Использование ¡фокусированных апертур в процессах СВЧ-обработки // Материалы хокладов Всероссийской НТК "Микроволновые технологии в народам хозяйстве (МВТ-95)".— Казань: КГТУ им. А.Н.Туполева, 1995. :.32-35.

5. Морозов Г.А., Потапова О.В., Седельников Ю.Е. Оптимизация зозбуждения электромагнитных полей в СВЧ-технологических установках // Депонировано в ВИНИТИ 4.09.96 N 2767-В96. 5. Потапова О.В. Способы повышения эффективности использования методов СВЧ-обработки поглощающих материалов // Сб. тезисов докладов молодежной НК "XXII Гагаринские чтения", ч.7.— М., 1996. с.55-56.

7. Потапова О.В. Экологически чистая микроволновая технология сушки керамических изделий И Тезисы докладов Международной НТК "Молодая наука новому тысячелетию.— Набережные Челны: Камский политехнический институт, 1996. с. 107.

8. Потапова О.В. Оптимизация возбуждения электромагнитных полей при СВЧ-обработке поглощающих материалов / Тезисы докладов II республиканской НК молодых ученых и специалистов.— Казань, 1996. с. 85.

9. Потапова О.В., Бадретдинов М.М. Микроволновая технология сушки керамических изделий для пищевых продуктов И Тезисы докладов Межрегиональной научно-практической конференции "Пищевая промышленность -2000".— Казань, 1996. с. 187.

10. Морозов Г.А., Потапова О.В., Седельников Ю.Е. Использование метода сфокусированной апертуры для СВЧ-технологических устано-

вок // Рефераты докладов VI Международной крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии".— Севастополь, 1996. с.25.

11. Потапова О.В. Исследование эффективности применения метода сфокусированной апертуры для технологических процессов в сельском хозяйстве // Тезисы докладов Юбилейной научной и научно-методической конференции, посвященной 65-летию КГТУ им. А.Н. Туполева.— Казань, 1997. с.216.

12. Vorobjova E.G., Dautov O.Sh., Potapova O.V., Sedelnikov Yu.E. Focused array utilization for microwave agricultural application // Proceedings of the Second International Conference on Antenna Theory And Techniques.—Kyiv, Ukraine, 1997. pp.361-363.

13. Потапова O.B., Седельников Ю.Е. Применение метода сфокусированной апертуры в СВЧ-технологических установках для улучшения электромагнитной обстановки Н Сборник научных докладов III Международного симпозиума "Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология".— Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 1997. с. 105107.

14. Анфиногентов В.И., Седельников Ю.Е., Потапова О.В. Многоэлементное возбуждение электромагнитных полей в СВЧ-технологических установках II Материалы VII Международной крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии".— Севастополь, 1997. с.200-201.

15. Потапова О.В. Исследование эффективности применения метода сфокусированной апертуры для ряда технологических процессов в различных областях хозяйства // Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева.— Казань, Изд-во КГТУ им.А.Н.Туполева, 1997. с. 24-27.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печл. 1,0. Усл-печл. 0,93. Усл.кр.-отг. 0,93. Уч.-издл. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ 4о4/РзЮ

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева. Типография Казанского государственного технического университета им. А.Н .Туполева. 420111, Казань, К.Маркса, 10.

Государственный комитет РФ по высшему образованию

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.Н.ТУПОЛЕВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СФОКУСИРОВАННОЙ АПЕРТУРЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЧ-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ОТКРЫТОГО ТИПА

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

На правах рукописи

Потапова Ольга Владимировна

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.Е.Седельников Научный консультант кандидат технических наук, профессор Г.А.Морозов

Казань 1998

Содержание

стр.

Введение ............ 4

Глава I Методы и аппаратура СВЧ-технологий производственного назначения ............ 7

1.1 Традиционные и перспективные области применения СВЧ-технологий ............ 7

1.2 Электрические параметры сред ............ 16

1.3 Микроволновые технологические установки ............ 23

1.4 Типы камер и электромагнитные поля в них ............ 27

1.5 Постановка задач фокусировки электромагнитных

полей и классификация задач оптимизации ............ 38

Выводы по главе I ............ 44

Глава II Методы сфокусированной апертуры при

когерентном возбуждении излучателей ............ 45

2.1 Задачи фокусировки в заданную точку

пространства ............ 45

2.1 Л Постановка и решение задачи оптимизации

амплитудно-фазового распределения ............ 48

2.1.2 Постановка и решение задачи определения

геометрии системы ............ 58

2.2 Задачи фокусировки в заданную область

пространства ............ 61

2.2.1 Постановка и решение задачи оптимизации амплитудно-фазового распределения по критериям энергетической эффективности и повышения равномерности при заданной геометрии решетки излучателей ............ 61

2.2.2 Постановка и решение задачи оптимизации геометрии решетки излучателей по критериям энергетической эффективности и повышения равномерности при фиксированном амплитудно-фазовом распределении ............ 80

2.3 Оценка эффективности методов сфокусированной

апертуры при когерентном возбуждении излучателей ............ 87

Выводы по главе II ............ 99

Глава III Методы сфокусированной апертуры при

некогерентном возбуждении излучателей ............ 100

3.1 Задачи фокусировки в заданную точку

пространства ............ 100

3.1.1 Постановка и решение задачи оптимизации

амплитудного распределения ............ 100

3.1.2 Постановка, и решение задачи оптимизации :

геометрии системы ............ 103

3.2 Задачи фокусировки в заданную область

пространства ............ 108

3.2Л Постановка и решение задачи оптимизации амплитудного распределения по критериям энергетической эффективности и повышения равномерности

при заданной геометрии решетки излучателей ............ 108

3.2.2 Постановка и решение задачи оптимизации геометрии решетки излучателей по критериям энергетической эффективности и повышения равномерности при фиксированном амплитудном распределении ............ 118

3.3 Оценка эффективности методов сфокусированной

апертуры при некогерентном возбуждении излучателей ............ 129

3.4 Сравнение эффективности методов сфокусированной апертуры при когерентном и некогерентном

возбуждении излучателей ............ 138

Выводы по главе III ............ 145

Заключение ............ 146

Список литературы ............ 148

Приложение I ............ 156

Приложение II ............ 161

ВВЕДЕНИЕ

В последние два десятилетия активно проводились исследования, направленные на расширение сфер применения электромагнитных полей (ЭМП) СВЧ-диапазона. Физические свойства, присущие ЭМП СВЧ, в том числе способность проникать на определенную глубину в облучаемой среде, а также эффекты биологического характера определили перспективность использования СВЧ-полей для решения широкого круга задач в медицине, биологии, сельском хозяйстве и промышленности:

— наибольшее практическое распространение получили СВЧ-установки, предназначенные для обработки пищевых продуктов: приготовления, сушки, размораживания, пастеризации овощей, мясных продуктов, рыбы и т.д. [1—6];

— многолетние эксперименты в производственных условиях подтвердили эффективность использования СВЧ-энергии для предпосевной обработки почвы с целью борьбы с сорняками и болезнями [7, 8, 9];

— в растениеводстве разрабатывается ряд новых технологий с использованием СВЧ-энергии. К таким процессам следует отнести, в первую очередь, предпосевную обработку семян для стимулирования прорастания, дезинфекции, дезинсекции, кроме того, весьма эффективна СВЧ-сушка зерна [8—11];

— в полиграфической промышленности успешно используется микроволновая сушка в процессах производства бумаги, печатающих составов, клеев и обложек книг [4, 5, 18];

— в текстильной промышленности микроволновые технологии (МВТ) применяются для сушки кож и текстильных волокон, что повышает однородность распределения влажности в конечном продукте, и следовательно, уменьшает выход брака [5, 18];

— СВЧ-энергия широко используется для сушки конструкционных (дерево, фанера, керамика, бетон) и композиционных материалов [18—24];

— микроволновая вулканизация и девулканизация перспективны при изготовлении эластомеров (хлоропренов, нитрилов и др.) [19, 25];

— достаточно широко распространено СВЧ-облучение сельскохозяйственных животных и птицы. Высокочастотное излучение применяют для лечения и профилактики отдельных болезней сельскохозяйственных животных, в частности, мастита коров, заболеваний органов пищеварения, дыхания, нервной системы, серозных оболочек у различных групп животных [8, 9, 26, 27];

— в пчеловодстве использование СВЧ-энергии связано с интенсификацией технологических процессов и повышением качества продукции. СВЧ-обработка применяется для вытопки воска, сушки вощины, закристаллизовавшегося и загустевшего в сотах меда [8, 9];

— в шелководстве с помощью СВЧ-энергии осуществляется стимулирование грены в период инкубации, а также сушка семян шелковицы и коконов тутового шелкопряда [8];

— широкое применение нашла СВЧ-обработка в строительстве. С ее помощью уничтожают домой грибок и древесный точильщик в древесине и кирпичной кладке, СВЧ-нагрев используют для ускорения процесса твердения бетона, а также для раскалывания бетона и сварки пластмасс [19,22,28];

— существует множество различных применений техники СВЧ в медицине. Это микроволновая диатермия и гипертермия опухолевых тканей, кроме того используются установки для СВЧ-стерилизации материалов, инструментов и медикаментов [31—38].

Теоретические и экспериментальные исследования [5, 8, 10, 19, 39] показывают значительные преимущества использования СВЧ-энергии в промышленном и сельскохозяйственном производстве: ускорение процессов обработки, экологическую чистоту, сокращение энергетических затрат, возможность полной механизации и автоматизации. Кроме того, в ряде случаев достигается эффект, превышающий потенциальные возможности традиционных методов.

Одной из причин, сдерживающих более широкое промышленное использование СВЧ-методов (микроволновых технологий) является относительно высокая стоимость оборудования. При этом большинство созданных установок являются узкоспециализированными, предназначенными для обработки конкретных материалов при определенных режимах. Совершенствование микроволновых технологий требует развития методов создания унифицированных СВЧ-установок с перестраиваемыми структурой и режимами обработки.

Системы управления перспективных СВЧ-установок должны обеспечивать формирование электромагнитных или тепловых полей с требуемым распределением в объеме обрабатываемого материала, необходимые изменения их во времени, вносить коррективы, учитывающие изменение электрофизических свойств в процессе обработки. В этих целях необходимо создание эффективных устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах СВЧ-установок, которые должны обладать гибкой структурой,

позволяющей осуществлять требуемую перестройку в достаточно широких пределах. К настоящему времени одним из наиболее перспективных направлений является использование многоэлементных возбудителей. Однако, несмотря на их несомненную перспективность и определенные достижения в этой области, к настоящему времени вопросы создания эффективных устройств возбуждения для СВЧ-технологических установок не решены в достаточной мере.

В этой связи актуальной задачей, связанной с созданием современных систем управления СВЧ-установками, является разработка эффективных устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах технологических установок, обеспечивающих требуемое распределение энергии в объемах обрабатываемых материалов при минимальном уровне излучения за пределами объекта обработки.

Целью исследования, проведенного в диссертационной работе, является повышение эффективности устройств возбуждения электромагнитных полей в рабочих камерах технологических установок открытого типа.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

— выбор и обоснование моделей, описывающих процесс формирования электромагнитных полей в рабочих СВЧ-камерах открытого типа;

— формулировка критериев и разработка методов и алгоритмов решения задач оптимизации по сформулированным критериям для различных видов возбуждения излучателей;

— изучение общих свойств и решение задач оптимизации возбуждения для камер открытого типа, а именно: фокусировки в точку для когерентного и некогерентного возбуждения излучателей, максимизации поглощенной мощности в пределах заданной области, задачи повышения равномерности;

— оценка положительных эффектов, достигаемых при оптимизации возбуждения СВЧ-камер открытого типа с использованием методов сфокусированной апертуры;

— выработка практических рекомендаций для проектирования СВЧ-установок.

ГЛАВА I

МЕТОДЫ И АППАРАТУРА СВЧ-ТЕХНОЛСГИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1 Традиционные и перспективные области применения СВЧ -технологий

Использование электромагнитных полей сверхвысоких частот открывает новые возможности создания экологически чистых производств, при этом представляется возможным снизить энергозатраты, повысить производительность технологических линий, получить конечный продукт высокого качества. В настоящее время микроволновые установки широко применяются в технологических процессах в промышленности и сельском хозяйстве.

Традиционной областью, использующей СВЧ-энергию в качестве высокопотенциального источника теплоты, является пищевая промышленность. Практически все тепловые технологические процессы (разогрев, приготовление, сушка, размораживание, уничтожение микрофлоры и обеззараживание, экстрагирование, диэлектрическое разрушение) могут быть реализованы с помощью энергии ЭМП СВЧ [1—6]. Использование СВЧ-энергии значительно интенсифицирует процесс теплообработки, а возможность осуществлять избирательный (локальный) нагрев отдельных зон обрабатываемого материала, отличающихся диэлектрическими характеристиками, может быть использована в процессах приготовления некоторых кулинарных изделий, пастеризации и стерилизации.

Многолетние эксперименты в производственных условиях подтвердили эффективность использования СВЧ-энергии для предпосевной обработки почвы с целью борьбы с сорняками и болезнями [8, 9]. Они показывают, что при СВЧ-облучении почвы происходит уничтожение семян и микроорганизмов на глубине до 10 см (на этой глубине залегают более 90% сорняков). Основной эффект уничтожения происходит из-за избирательного нагрева семян и микрофлоры как влажных диэлектриков, при котором возникают дополнительные побочные эффекты (связанные с особенностями воздействия СВЧ на живые организмы), сокращающие расход энергии. Для получения того же результата при обычном тепловом нагреве температуру держать длительно на 10°С выше, чем при СВЧ-нагреве. В режиме стимулирования почву перед посевом облучают дозой СВЧ-энергии по величине на порядок меньшей, чем в режиме угнетения. Уничтожение сорной растительности СВЧ-энергией является наиболее

универсальным и экологически чистым методом (уничтожается как вегетативная часть сорняков, так и их семена в почве без отрицательного воздействия на окружающую среду и качество производимой продукции), причем, при предпосевной обработке отмечается факт повышения урожайности культур на 25-50% даже по сравнению с ручной прополкой.

В растениеводстве разрабатывается ряд новых технологий с использованием СВЧ-энергии. Их осуществление возможно на базе СВЧ-установки, аналогичной для уничтожения сорняков, при выборе соответствующих режимов протекания процесса и конструкции рабочих органов. К таким процессам следует отнести предпосевную обработку семян для стимулирования прорастания, дезинфекции, дезинсекции, селективный обогрев растений в теплицах [8, 26]. Весьма эффективна СВЧ-сушка зерна, характеризующаяся улучшением качества конечного продукта и уничтожением 90% бактерий [38].

Классический процесс сушки в полиграфической промышленности очень сложен и включает в себя механические: стекание воды с подвешенной бумаги, выдавливание и промокание, и тепловые стадии: нагрев, обдув сухим паром, отжим в горячих барабанах, пересушивание с последующим увлажнением до нормы. Сушка требует значительных энергетических затрат и составляет 10% от стоимости продукции, а также в значительной мере определяет качество бумаги: ее механические свойства, качество поверхности, устойчивость к внешним химическим воздействиям. Микроволновые технологии позволяют отказаться от применения нагрева бумаги до 200° - 300° с помощью потоков тепла от открытого пламени или других источников, которые могут привести к возгоранию. Кроме того повышается качество передачи цветов за счет отсутствия нагрева бумаги и красок снижается на 30% доля затрат в стоимости печатной продукции. Успешно используется СВЧ-сушка в процессах производства бумаги, печатающих составов, клеев и обложек книг [37, 38].

В текстильной промышленности микроволновая сушка благодаря высокой скорости процесса позволяет значительно уменьшить время обработки, снизить энергозатраты, достичь высокой равномерности нагрева. При этом получаемое волокно имеет превосходное качество, выход брака снижается приблизительно на 12% по сравнению с классическими технологиями. Из-за высокой скорости нагрева волокно не успевает менять цвет, отсутствуют затвердевания, которые обычно вызваны соприкосновением горячего воздуха и волокна, не происходит пересушка волокна [5, 38].

Микроволновые технологии широко используются для сушки конструкционных и композиционных материалов (дерева, фанеры, бетона, керамики и т.д). СВЧ-сушка древесины с достаточно медленной скоростью приводит к появлению внутренних связей и улучшению качества материала, процесс сушки фанеры привлекает внимание отсутствием пересушивания, однородностью и отсутствием скручивания [10, 39]. Традиционные методы сушки полимеров часто приводят к разрушению продукта или его преобразованию на молекулярном уровне, кроме того, некоторые материалы при нагреве выделяют вредные газы. При микроволновой сушке влажность уменьшается до 1%, при этом экономия энергии составляет 33%, загрязнение окружающей среды отсутствует, осуществляется избирательный нагрев [19—21, 28].

Вулканизация требует значительного нагрева продукта, включая предварительный нагрев вулканизируемых составов и девулканизацию резины для восстановления. Фактор диэлектрических потерь у резины достаточно высок, поэтому перспективным является применение СВЧ-энергии для разогрева эластомеров. Восстановление резины требует разрушения связей, созданных вулканизацией. Основная проблема заключается в том, что температуры девулканизации и деполяризации очень близки (350 С и 370 С). Поэтому СВЧ -поля, обеспечивающие однородность нагрева и точный контроль температуры находят широкое применение для вулканизации и девулканизации резин[25, 40].

В животноводстве и птицеводстве СВЧ-энергию используют в кормоприготовлении для обработки грубых кормов с целью повышения их питательности и перевариваемости, в утилизации пищевых отходов для получения сухого корма и зеленых витаминных добавок в виде сенной муки и древесной зелени. Обеззараживание комбикормов микроволновой энергией позволяет резко снизить их обсемененность болезнетворными микроорганизмами, что увеличивает привесы животных, улучшает качество продукции с одновременным снижением расхода кормов. Высокочастотное излучение применяют при лечении маститного заболевания коров, их послеродовых осложнений, копытной гнили, заболеваний органов пищеварения, дыхания, нервной системы, для уничтожения кровососущих насекомых из ше