В современном промышленном производстве большое применение находят магнетроны большой мощности. С СВЧ-энергией (сверхвысокие частоты) сталкивался каждый человек, используя микроволновые печи для разогрева еды дома или на работе. Магнетроны взаимодействуют с молекулами воды посредством электромагнитного излучения. Вода является дипольной молекулой, у которой электронная оболочка смещена относительно положения ядер. Это означает, что вода имеет электрический дипольный момент. Когда магнетроны излучают, электромагнитное поле создает изменяющиеся электрические поля вокруг молекул воды. Эти поля начинают поворачивать молекулы воды, что может приводить к сопровождающему их движению. Этот процесс называется поворотом дипольных молекул. Когда молекулы воды поворачиваются под воздействием излучения магнетрона, они начинают возбуждаться. Энергия, передаваемая излучением магнетрона, основывается на взаимодействии электромагнитного поля излучения с дипольным моментом молекул воды. В результате возбуждения молекулы воды начинают колебаться быстрее, что приводит к увеличению их энергии и, соответственно, к повышению температуры вещества [1].
Так, увеличивая мощность, расширяется область использования магнетронов в разных отраслях [2-6]. Для мощных (20-100 кВт) генераторов непрерывного действия примерами могут быть:
• сушка пиломатериалов
• разморозка пищевых продуктов на логистических центрах
• получение алмазных пленок из газовой фазы в СВЧ-плазме
• разогрев нефтепродуктов в ж/д цистернах
• оттаивание мерзлых грунтов, разупрочнение горных пород и т.д. Промышленная частота: 915 МГц, 2.45 ГГц.
Вопрос состоит в том, как узнать какая мощность поступает от магнетрона в нагрузку, какая отражается и как контролировать весь процесс СВЧ-излучения? В этом поможет направленный ответвитель, о котором и пойдет речь в данной работе. Направленный ответвитель - это восьмиполюсник, предназначенный для ответвления части мощности волны из главной линии передачи во вспомогательную посредством элементов связи. На рисунке 1 изображена общая схема направленного ответвителя.
Ответвитель обеспечивает связь генераторов и передающих линий с измерительными приборами. Он широко применяется в системах контроля и стабилизации выходной мощности генераторов, частоты сигнала, а также системах измерения коэффициентов передачи и отражения. В случае аварийной ситуации, например, короткое замыкание, холостой ход или неправильное расположение объекта нагрева, о чём будет свидетельствовать уровень отраженной волны, направленный ответвитель будет играть большую роль. На рисунке 2 изображена установка для получения алмазных пленок из газовой фазы в СВЧ-плазме [6], с включенным в главную линию (волноводный тракт) направленным ответвителем, выделенного красной стрелкой.
Направленные ответвители вносят минимальные искажения в сигнал главной линии. В зависимости от входной мощности требуются разные подходы к проектированию ответвителя.
Цель работы: Разработка и исследование волноводных направленных ответвителей с максимальной развязкой для мощных устройств на промышленной частоте 915 МГц и 2.45 ГГц
Задачи:
1. Изучить принцип действия направленных ответвителей.
2. Провести моделирование направленных ответвителей и исследовать их характеристики.
3. Построить 3D модель волноводно-коаксиального направленного ответвителя в тракте WR975 (915 МГц) с коэффициентом ответвления 60 -65 дБ, провести оптимизацию элементов конструкции, выполнить измерения изготовленного образца.
4. Построить 3D модель волноводно-микрополоскового ответвителяв тракте
WR340 (2,45 ГГц) с коэффициентом ответвления в пределах 40-50 дБ,
провести оптимизацию конструкции.
По результатам литературного обзора по выбранной теме и моделирования направленных ответвителей, а также по результату измерения ответвителя в тракте WR975 можно сделать следующие выводы:
• Выбраны конструкции волноводных направленных ответвителей для трактов WR975 и WR340.
• Построены параметрические 3D модели направленных ответвителей и найдены их оптимальные параметры для получения заданных характеристик.
• Для ответвителя в тракте WR975 коэффициент ответвления имеет слабую частотную зависимость и равен 64 дБ на 915 МГц, развязка не хуже 29 дБ.
• Изучена конструкторская документация на направленный ответвитель в тракте WR975, принято участие в сборке готового изделия. Проведено измерение частотных характеристик изготовленного образца ответвителя.
• Для ответвителя в тракте WR340 коэффициент ответвления равен 42 дБ на 2,45 ГГц, развязка не хуже 35 дБ. Дальнейшая работа будет связана с подготовкой конструкторской документации, изготовлением и измерением характеристик устройства.
