Волноводная нагрузка

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к технике миллиметрового диапазона длин волн, и может быть использовано для поглощения волны H₀₁ круглого волновода.

Известна волноводная нагрузка по патенту Франции № 2.538.172, кл. Н01Р 1/24, 1984 г., содержащая полый круглый сердечник с перегородками из диэлектрического материала. Между перегородками циркулирует вода. Недостатком устройства является сложная технология изготовления. Это обусловлено тем, что перегородки должны быть выполнены в тонких сужающихся частях сердечника. Лишь в этом случае уровень согласования нагрузки не зависит от температуры воды, определяющей величину поглощаемой мощности.

Известна волноводная нагрузка по авторскому свидетельству № 448519, кл. H01P 1/22, 1974 г., в которой поглотителями СВЧ энергии являются два цилиндрических слоя твердого диэлектрика, разделенные кольцевым зазором и установленные заподлицо с внутренней поверхностью волновода. Недостатком устройства в миллиметровом диапазоне длин волн является низкая надежность. Это обусловлено выгоранием поверхностного слоя диэлектрика, деформацией кольцевого зазора и рассогласованием устройства.

Известна волноводная нагрузка по патенту США № 3.474.360, кл. 333-22, 1969 г., содержащая основной волновод и расположенную перпендикулярно его оси цилиндрическую трубу. Основной волновод и труба связаны четвертьволновым окном, образованным цилиндрическим слоем диэлектрика. Слой диэлектрика расположен в трубе соосно и прилегает к ее внутренней поверхности. В основном волноводе на расстоянии четверти длины волны от окна связи установлен согласующий элемент. Внутри полости диэлектрика прокачивается вода. Недостатком устройства является меняющееся во времени согласование, обусловленное зависимостью импеданса водяного потока от температуры.

Известна волноводная нагрузка по патенту Англии № 1.372.697, кл. Н01Р 1/26, 1974 г., в которой поглотителем СВЧ энергии является вода. Она прокачивается по зигзагообразной диэлектрической трубке, пронизывающей противоположные стенки волновода с периодом, равным половине длины волны. Недостатком устройства является возможность работы лишь с типами волн, имеющими радиальную компоненту напряженности электрического поля.

Известна волноводная нагрузка по патенту США № 4.061.991, кл. 333-22, 1977 г., в которой СВЧ энергия поглощается плазмой. Недостатком нагрузки является сложность конструкции, обусловленная устройствами ввода в волновод рабочего вещества и его поджига, которые необходимы для создания столба плазмы.

Известна волноводная нагрузка по патенту Японии № 57-18362, кл. Н01Р 1/26, 1982 г., в которой СВЧ энергия поглощается твердым диэлектриком, расположенным на внешней поверхности волновода. В стенках волновода прорезаны щели, через которые СВЧ энергия поступает в поглощающий материал. Размер щелей увеличивается по мере приближения к концу нагрузки. Недостатком устройства в миллиметровом диапазоне длин волн является низкая надежность. Это обусловлено затруднением теплоотвода в твердом диэлектрике из участков вблизи щелей. Диэлектрик растрескивается, падает через щели в волновод и нарушает согласование нагрузки.

Известна волноводная нагрузка по патенту Англии № 1.106.429, кл. Н01Р 1/26, 1968 г., выполненная в виде прямоугольного волновода, в котором установлена наклонно диэлектрическая пластина, параллельная поперечной компоненте вектора напряженности магнитного поля волны H₁₀. В полости между диэлектрической пластиной и широкой стенкой волновода прокачивается вода, поглощающая СВЧ энергию. Устройство не обладает осевой симметрией и не может быть использовано для поглощения энергии волны H₀₁ круглого волновода.

Известна волноводная нагрузка по патенту Англии № 934.616, кл. 40(8), 1962 г., содержащая круглый волновод с фланцем, диэлектрический полый конус, установленный соосно внутри круглого волновода вершиной к фланцу, и водяную рубашку с входным и выходным штуцерами. Вода прокачивается внутри диэлектрического конуса. Для согласования нагрузки используется система настроечных элементов, установленных перед вершиной диэлектрического полого конуса. Недостатком устройства является низкий уровень поглощаемой мощности волны H₀₁. Это обусловлено противоречием между тепловыделением в тонком поверхностном слое воды вблизи стенок диэлектрического полого конуса и прокачкой воды во всем объеме конуса. Часть воды вблизи стенок диэлектрического полого конуса перегревается, а вода вблизи его оси оказывается более холодной, так как участвует в поглощении СВЧ энергии лишь косвенно в процессе конвекции. Кроме того, водяной поток несимметричен относительно продольной оси волновода из-за отсутствия симметрирующих выводящих устройств. Указанные причины приводят к кипению воды вблизи стенок диэлектрического полого конуса, деформации его стенок от выделяющегося пара, нарушению теплообмена и разрушению нагрузки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является волноводная нагрузка по авт. свид. СССР № 1841169, заявка 3107808, кл. H01P 1/26, 1985 г., принятая за прототип.

Это устройство (фиг. 1) содержит круглый волновод 1 с фланцем 2, диэлектрический полый конус 3, установленный соосно круглому волноводу 1 основанием к фланцу 2, водяную рубашку из цилиндрической 4 и конической 5 труб. Цилиндрическая труба 4 размещена соосно снаружи круглого волновода 1 и герметично закрыта с одного торца плоской крышкой 6, а с другого - конической крышкой 7, соединенной герметично с конической трубой 5. Коническая труба 5 расположена снаружи эквидистантно диэлектрическому полому конусу 3. В цилиндрической трубе 4 водяной рубашки установлены перпендикулярно оси круглого волновода с зазорами между собой плоские кольцевые диафрагмы 8, 9 и 10 с отверстиями для водяного потока. Входной водяной штуцер 11 установлен на цилиндрической трубе 4 между плоской крышкой 6 и первой от нее плоской кольцевой диафрагмой 8, а выходной водяной штуцер 12 размещен в области вершины конической трубы 5. Первая плоская кольцевая диафрагма 8 имеет два диаметрально противоположных отверстия. Вторая плоская кольцевая диафрагма 9 имеет четыре отверстия, а третья плоская кольцевая диафрагма 10 - восемь отверстий. Отверстия плоских кольцевых диафрагм 8, 9, 10 расположены так, что каждое отверстие предыдущей диафрагмы находится между двумя соседними отверстиями последующей диафрагмы.

Диэлектрический полый конус 3 герметично соединен с внутренней стенкой круглого волновода 1. На круглом волноводе 1 в области конической крышки 7 выполнена кольцевая щель 14, края которой скошены по конической поверхности вершиной к фланцу 2. Ближний к фланцу 2 край щели 14 соединен с кольцевым цилиндрическим водозаборником 15, охватывающим с зазором противоположный край щели 14.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является низкая эксплуатационная надежность. Это обусловлено тем, что соединение диэлектрического полого конуса 3 и внутренней поверхности круглого волновода 1 работает на отрыв. Водяной поток обтекает диэлектрический полый конус 3, оказывает давление на его стенки и может оторвать от волновода 1. Это может произойти во время работы нагрузки, если избыточное давление в круглом волноводе 1 меньше, чем в водяной рубашке 3 и 4. Во всех случаях сброс давления воды должен предшествовать сбросу избыточного давления в круглом волноводе 1, что уменьшает эксплуатационную надежность устройства.

Целью изобретения является устранение недостатка прототипа, а именно, повышение эксплуатационной надежности волноводной нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в волноводной нагрузке, содержащей круглый волновод с фланцем, диэлектрический полый конус, установленный соосно круглому волноводу основанием к фланцу, водяную рубашку из цилиндрической и конической труб, цилиндрическая труба размещена соосно снаружи круглого волновода и герметично закрыта с одного торца плоской крышкой, а с другого - конической крышкой, соединенной герметично с конической трубой, расположенной снаружи эквидистантно диэлектрическому полому конусу, в цилиндрической трубе водяной рубашки установлены перпендикулярно оси круглого волновода с зазорами между собой плоские кольцевые диафрагмы с отверстиями для водяного потока, входной водяной штуцер установлен на цилиндрической трубе между плоской крышкой и первой от нее плоской кольцевой диафрагмой, а выходной штуцер размещен в области вершины конической трубы, диэлектрический полый конус выполнен с фланцем у основания, установлен основанием снаружи на круглом волноводе в области под конической крышкой и герметично прикреплен фланцем к последней плоской кольцевой диафрагме, при этом полости отверстий для водяного потока в последней плоской кольцевой диафрагме размещены вне области, соприкасающейся с фланцем диэлектрического полого конуса.

Фланец диэлектрического полого конуса может быть прикреплен к последней плоской кольцевой диафрагме резьбовыми металлическими соединениями через отверстия, выполненные соответственно во фланце и диафрагме.

Фланец диэлектрического полого конуса может быть выполнен с наружным диаметром, равным 0,5(d₁+d₂), где d₁ и d₂ - соответственно внутренний и наружный диаметры последней плоской кольцевой диафрагмы, центры отверстий для водяного потока в указанной диафрагме могут быть размещены на окружности диаметра d₂, радиус отверстий равен 0,25(d₂-d₁), а полости отверстий имеют форму полукруга.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг. 2 изображен продольный разрез предлагаемого устройства, на фиг. 3 и 4 - вид плоских кольцевых диафрагм. На фиг. 5 приведена последняя плоская кольцевая диафрагма с герметично прикрепленным к ней фланцем диэлектрического полого конуса. На фиг. 6 и 7 показаны линии тока жидкости у основания диэлектрического полого конуса, соответственно, в прототипе и предлагаемом устройстве. На фиг. 8 приведена фотография предлагаемого устройства.

Предлагаемая волноводная нагрузка (фиг. 2) состоит из круглого волновода 1 с фланцем 2, диэлектрического полого конуса 3 и водяной рубашки. Диэлектрический полый конус 3 установлен соосно круглому волноводу 1 основанием к фланцу 2. Водяная рубашка состоит из цилиндрической 4 и конической 5 труб. Цилиндрическая труба 4 размещена соосно снаружи круглого волновода 1 и герметично закрыта с одного торца плоской крышкой 6, а с другого - конической крышкой 7. Коническая крышка 7 соединена герметично с конической трубой 5, расположенной снаружи эквидистантно диэлектрическому полому конусу 3. В цилиндрической трубе 4 водяной рубашки установлены перпендикулярно оси круглого волновода 1 с зазорами между собой плоские кольцевые диафрагмы 8, 9 и 10 с отверстиями для водяного потока. Первая плоская кольцевая диафрагма 8 (фиг. 3) имеет два диаметрально противоположных отверстия, вторая 9 и третья 10 плоские кольцевые диафрагмы (фиг. 4 и 5) соответственно - четыре и восемь отверстий. Отверстия плоских кольцевых диафрагм 8, 9 и 10 расположены так, что каждое отверстие предыдущей плоской кольцевой диафрагмы находится между двумя соседними отверстиями последующей плоской кольцевой диафрагмы. Входной водяной штуцер 11 установлен на цилиндрической трубе 4 между плоской крышкой 6 и первой от нее плоской кольцевой диафрагмой 8 симметрично относительно двух отверстий этой диафрагмы 8. Выходной водяной штуцер 12 размещен в области вершины конической трубы 5. Диэлектрический полый конус 3 выполнен с фланцем 13 у основания и установлен основанием снаружи на круглом волноводе 1 в области под конической крышкой 7. Фланец 13 диэлектрического полого конуса 3 герметично прикреплен к последней плоской кольцевой диафрагме 10 резьбовыми металлическими соединениями через отверстия, выполненные соответственно во фланце 13 и плоской кольцевой диафрагме 10. Полости отверстий для водяного потока в плоской кольцевой диафрагме 10 (фиг. 5) размещены вне области, соприкасающейся с фланцем 13 диэлектрического полого конуса 3. Центры отверстий расположены на наружном диаметре плоской кольцевой диафрагмы 10 и имеют форму полукруга.

Описанное устройство работает следующим образом. В круглом волноводе 1, диаметр которого много больше длины волны "λ", в положительном направлении оси "z" (фиг. 2) распространяется поток СВЧ энергии в виде волны H₀₁. Диэлектрический полый конус 3 выполнен из материала с малым тангенсом угла диэлектрических потерь, поэтому СВЧ энергия распространяется в нем, практически не затухая. Поглощение СВЧ энергии происходит в слое воды между диэлектрическим полым конусом 3 и конической трубой 5.

Поскольку диаметр круглого волновода 1 много больше "λ" продольная компонента напряженности магнитного поля волны H₀₁ мала, и можно считать, что затухание волны в слое воды подчиняется закону Бугера-Ламберта, справедливому для плоских волн (см., например, "Справочник по физике" Яворского Б.М. и Детлафа А.А. - М.: Наука, 1977). При этом затухание "η" связано с толщиной слоя воды "d", действительной частью ее относительной диэлектрической проницаемости "ε" и тангенсом угла диэлектрических потерь "tgδ" соотношением

.

Согласно справочнику Дж. Кэя и Т. Лэби "Таблицы физических и химических постоянных" - М.: Физ.-мат. литература, 1962 г., в миллиметровом диапазоне длин волн при температуре 60°C ε=44, tgδ=0,33. При этом на длине "λ" мощность волны уменьшается в 940078 раз, т.е. практически вся поступающая СВЧ энергия выделяется в слое воды толщиной в несколько миллиметров.

Учитывая, что тепловыделение носит поверхностный характер, прокачка воды осуществляется в тонком слое толщиной от долей "λ" до "λ". Указанные величины определяют нижний предел толщины водяного слоя, необходимого для полного поглощения СВЧ энергии. Верхний предел определяется секундным расходом и давлением воды в водяной рубашке, а также прочностью диэлектрического полого конуса 3.

Линиями равной плотности потока мощности волны H₀₁ являются окружности, лежащие в поперечном сечении круглого волновода 1, поэтому водяной слой в поперечном сечении должен иметь форму кольца с плотностью линий тока, симметричной относительно оси "z". В соответствии с этим диэлектрический полый конус 3 и коническая труба 5 выполнены круговыми, эквидистантно сдвинутыми вдоль оси ''z".

Для симметрирования водяного потока введены три плоские кольцевые диафрагмы 8, 9, 10. Водяной поток от входного штуцера 11 в водяной рубашке между цилиндрической трубой 4 и круглым волноводом 1 разделяется на два одинаковых потока отверстиями первой плоской кольцевой диафрагмы 8. Каждая пара соседних отверстий плоских кольцевых диафрагм 9 и 10 расположена симметрично относительно соответствующего отверстия с предыдущей плоской кольцевой диафрагмы, поэтому водяной поток делится на четыре равные части в отверстиях плоской кольцевой диафрагмы 9 и на восемь разных частей - в отверстиях плоской кольцевой диафрагмы 10. Получаемая при этом асимметрия водяного потока относительно оси "z" является допустимой.

Из-под конической крышки 7 водяной поток поступает в зазор между диэлектрическим полым конусом 3 и конической трубой 5, образуя слой постоянной толщины.

В предлагаемой волноводной нагрузке существенно повышена эксплуатационная надежность по сравнению с прототипом, поскольку основание диэлектрического полого конуса установлено снаружи на круглом волноводе 1 в области под конической крышкой 7. При этом водяной поток, распространяющийся сверху вдоль диэлектрического полого конуса 3, оказывает давление на стенки основания и прижимает их к наружной поверхности круглого волновода 1. Соединение работает на прижатие, а не на отрыв.

Герметичное разделение полости круглого волновода от полости водяной рубашки выполнено путем механического прижатия фланца 13 диэлектрического полого конуса 3 к плоской кольцевой диафрагме 10. Поскольку фланец 13 находится в области водяной рубашки за наружной нерабочей поверхностью круглого волновода 1, то его крепление осуществлено прочными металлическими резьбовыми соединениями через отверстия, выполненные соответственно во фланце 13 и плоской кольцевой диафрагме 10 (фиг. 2 и 5). Диаметр фланца 13 диэлектрического полого конуса 3, а также расположение и площадь отверстий в плоской кольцевой диафрагме 10 выбраны из следующих соображений:

- площадь прижимаемой к плоской кольцевой диафрагме 10 поверхности фланца 13 должна быть достаточно большой для надежного герметичного разделения по водяному потоку полости круглого волновода 1 от полости водяной рубашки;

- площадь отверстий плоской кольцевой диафрагмы 10 должна быть не меньше площади отверстий предыдущей плоской кольцевой диафрагмы 9, чтобы не создавать дополнительного сопротивления водяному потоку;

- полости отверстий должны быть размещены вне области плоской кольцевой диафрагмы 10, соприкасающейся с фланцем 13, чтобы не усложнять формы фланца 13.

Исходя из этих соображений, наружный диаметр "d" фланца 13 выбран равным среднему диаметру плоской кольцевой диафрагмы 10, d=0,5(d₁+d₂), где d₁ и d₂ - соответственно внутренний и наружный диаметры плоской кольцевой диафрагмы 10 (фиг. 5). Центры отверстий для водяного потока в плоской кольцевой диафрагме 10 расположены на окружности диаметра d₂, радиус отверстий равен 0,25(d₂-d₁). Полости отверстий имеют форму полукруга. При таком выборе радиусов общая площадь восьми отверстий плоской кольцевой диафрагмы 10 не меньше площади четырех отверстий плоской кольцевой диафрагмы 9.

Описанное крепление фланца 13 диэлектрического полого конуса 3 повышает эксплуатационную надежность волноводной нагрузки.

Кроме указанного положительного эффекта в предлагаемом устройстве достигается дополнительный положительный эффект, выражающийся в повышении поглощаемой мощности волны H₀₁ за счет улучшения формы тока жидкости у основания диэлектрического полого конуса 3, вследствие крепления основания снаружи на круглом волноводе 1. Для сравнения, на фиг. 6 и фиг. 7 показаны формы линий тока жидкости соответственно в прототипе и предлагаемом устройстве. Как видно из фиг. 7, в предлагаемом устройстве отсутствует область циркуляции жидкости у основания диэлектрического полого конуса 3, что способствует более быстрой замене прогретой жидкости вновь поступающей, охлажденной. В прототипе циркуляция происходит из-за того, что давление от стороннего источника приложено только с одной стороны щели.

Предлагаемое устройство было изготовлено и испытано на низком уровне мощности. KGB предлагаемой нагрузки, как и устройства-прототипа, по волне H₀₁, не превышает 1,1. Использование предлагаемого устройства вместо прототипа позволит получить технический эффект, а именно, повысить эксплуатационную надежность волноводной нагрузки за счет выполнения надежного соединения диэлектрического полого конуса 3 с внешней стенкой круглого волновода 1. Кроме того, обеспечивается дополнительный положительный эффект повышения уровня поглощаемой мощности волны H₀₁ за счет улучшения формы линий тока жидкости и теплообмена в ней.