Вибраторная решетка

Изобретение относится к области техники СВЧ, в том числе - к антенной технике, для концентрации СВЧ-энергии на определенной поверхности (площади) и может найти свое применение в сельском хозяйстве и лесной отрасли для сушки облучаемых объектов с помощью СВЧ-излучения для обеспечения равномерного СВЧ-излучения по всей длине и ширине (площади) облучаемого объекта.

Известна малогабаритная СВЧ-сушилка для леса мод. «МС-2» [Малогабаритная СВЧ-сушилка для леса мод. «МС-2» // http://www.kodosagregat.ru/z12st4.htm], позволяющая при значительной скорости сушки добиться высококачественного высушенного материала с помощью СВЧ-излучения.

В малогабаритной СВЧ-сушилке рабочая камера, в которой осуществляется сушка, представляет блок магнетронов и системы распределения энергии электромагнитного поля в диапазоне СВЧ по длине камеры.

Недостатками СВЧ-сушилки являются трудности концентрации мощности СВЧ-генераторов, распределения плотности энергии вдоль камеры в узкой области, в которой происходит облучение.

Известна вибраторная решетка [Патент №2190907], содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и вибраторную решетку, образованную размещением вибраторов коллинеарно проводу однопроводной линии передачи поверхностной волны.

При возбуждении однопроводной линии передачи устанавливается соответствующая поверхностной волне структура электромагнитного поля Е₀₀-типа, содержащая радиальную и продольную составляющие электрического поля и соответствующую составляющую магнитного поля. Вибраторы решетки выполнены в виде цилиндров, надетых на провод, и установлены на проводе вдоль продольной составляющей напряженности электрического поля, радиальная составляющая поля не наводит электрический ток, т.к. перпендикулярна оси вибратора.

Совокупность недостатков аналога и особенности прототипа позволяют поставить задачу изобретения.

Задачей изобретения является создание конструкции, позволяющей обеспечить равномерное СВЧ-излучение по длине и ширине (площади) облучаемого объекта.

Предложена вибраторная решетка, выполненная в виде коллинеарной антенной решетки, расположенная внутри зеркального параболического проводящего цилиндра, который имеет фокальную ось О-О, вдоль которой расположена однопроводная линия передачи с подведенными к ней узлами возбуждения поверхностных волн. Такие узлы возбуждения присоединены к генераторам СВЧ-колебаний, которые расположены вне зоны зеркального проводящего цилиндра. Каждый генератор соединен с конкретным узлом возбуждения поверхностной волны, расположенным симметрично между вибраторами. По обе стороны коллинеарной антенной решетки, расположенной на однопроводной линии передачи, размещены одинаковые рефлекторы. Такой рефлектор представляет пластину из проводящего материала и служит для отражения падающей поверхностной волны Е-типа.

На фиг.1 изображена схема вибраторной решетки.

Вибраторная решетка, выполнена в виде коллинеарной антенной решетки 1, состоящей из вибраторов (n, n₁, n₂……n_n, n_n+1) 2 и расположенной внутри зеркального параболического проводящего цилиндра 3, который имеет фокальную ось О-О. Вдоль фокальной оси О-О расположена однопроводная линия передачи (далее ОЛП) 4, выполненная в виде провода, с подведенными к ней узлами возбуждения поверхностной волны 5, выполненных в виде трансформатора, и преобразующих волну Т-типа в волну Е-типа (Е₀₀) и присоединенных к генераторам СВЧ-колебаний 6 (N₁, N₂……N_n, N_n+1), расположенных вне зеркального параболического проводящего цилиндра 3, каждый из которых соединен с конкретным узлом возбуждения поверхностной волны 5, расположенным симметрично между вибраторами: N₁ между n и n₁, N₂ между n₁ и n₂… N_n+1 между n_n и n_n+1. Вибраторы 2 представляют собой, в данном конкретном случае, объемные тела с проводящими цилиндрическими поверхностями, надетыми на диэлектрическую поверхность ОЛП 4 - линия Губо [Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. - М.: Сов. Радио, 1964, 600 с., стр.457-486]. Коллинеарная антенная решетка 1 расположена на фокальной оси зеркального параболического проводящего цилиндра, который предназначен для отражения падающей на него волны СВЧ-излучения, созданного вибраторами коллинеарной антенной решетки.

Вибраторная решетка для концентрации энергии на поверхности функционирует следующим образом.

Сигнал, поступающий от генераторов СВЧ-колебаний 6 (N₁, N₂……N_n, N_n+1) через узлы возбуждения 5, возбуждает ОЛП 4 поверхностной волны, структура поля которой содержит как радиальную, так и продольную составляющие электрического поля [Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. - М.: Сов. Радио, 1964, 600 с., стр.457-486]. Вибраторы, расположенные в ОЛП 4, под действием продольной составляющей напряженности электрического поля возбуждаются и переизлучают энергию электромагнитного поля в виде Т-волны, которая, распространяясь внутри объема параболического цилиндра, выходит из раскрыва диаметром D и длиной l параллельными лучами (Фиг.1). Радиальная составляющая напряженности электрического поля не приводит к возбуждению вибраторов, т.к. она перпендикулярна оси вибратора. Излучение вибраторной решетки, приходящее в раскрыв параболического цилиндра, равномерно распределяется между каждым вибратором из своей совокупности. Следовательно, энергия, приходящаяся на единицу площади S раскрыва зеркального параболического цилиндра (плотность энергии), будет одинаковой. Степень возбуждения вибраторов определяют коэффициентом связи «К» вибратора с поверхностной волной из расчета достижения равномерного распределения энергии переизлучаемого поля Т-типа по длине коллинеарной решетки - l, осуществляемого под действием продольной составляющей напряженности электрического поля:

$$K=\frac{P_n}{P}$$ , где

P - мощность энергии СВЧ, переносимая поверхностной волной;

P_n - мощность энергии СВЧ, образованная поверхностной волной в любом из вибраторов: n, n₁, n₂……n_n, n_n+1 рассматриваемой коллинеарной антенной решетки под действием продольной составляющей напряженности электрического поля. [Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи // Приборы и техника эксперимента. 1996. №5. С.85-86].

Излучение коллинеарной антенной решетки, распространяясь внутри зеркального параболического цилиндра, отражается от его поверхности и равномерно концентрируется на площади раскрыва параболического цилиндра S (Фиг.1).

Вибраторная решетка, расположенная на фокальной оси О-О, равномерно излучает СВЧ-энергию по всей длине коллинеарной антенной решетки 1 в ортогональной плоскости ОЛП 4, обеспечивая тем самым концентрацию потока СВЧ-излучения на площади раскрыва зеркального параболического цилиндра S (Фиг.1)

S=D·l, где

D - диаметр раскрыва зеркального параболического проводящего цилиндра;

l - длина коллинеарной антенной решетки.

Рефлекторы 7, установленные на ОЛП 4 по обе стороны коллинеарной антенной решетки 1 на расстоянии L друг от друга, представляют собой пластину, выполненную из тонкого слоя проводящего материала. Рефлекторы предназначены для отражения падающей на них поверхностной волны Е-типа.

Учитывая, что генераторы СВЧ-колебаний 6 (N₁, N₂……N_n, N_n+1) расположены вне зоны зеркального параболического проводящего цилиндра 3 и каждый из них соединен с конкретным узлом возбуждения поверхностной волны 5, расположенным симметрично между вибраторами: N₁ между n и n₁, N₂ между n₁ и n₂…N_n+1 между n_n и n_n+1, происходит возбуждение поверхностных волн в ОЛП 4. Каждый из генераторов СВЧ-колебаний 6 не зависит от функционирования других генераторов и передает ОЛП 4 с помощью узлов возбуждения поверхностной волны 5 мощность, которая преобразуется в мощность электромагнитного поля со структурой поверхностной волны Е₀₀. В ОЛП 4 распространяется суммарная мощность электромагнитного поля от всех независимых генераторов 6, которая преобразуется в поверхностную волну Е-типа. От каждого узла возбуждения 5 поверхностная волна распространяется в обе стороны провода ОЛП 4 от места соединения конкретного узла возбуждения. Таким образом, в ОЛП имеем одновременное распространение поверхностной волны вдоль оси провода в двух направлениях. Поверхностные волны, распространяясь в ОЛП, дойдя до рефлекторов 7, отражаются от них. В результате в ОЛП одновременно устанавливается режим бегущих и отраженных поверхностных волн, наложение которых друг на друга образует результирующую стоячую поверхностную волну [Максимов В.М. Линии передачи СВЧ-диапазона. Учебное пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2001. - 80 с., стр.15-28, 21].

Таким образом, предложена вибраторная решетка, преимуществами которой являются:

во-первых, достигается равномерное распределение плотности СВЧ-излучения;

во-вторых, излучение вибраторной решетки распространяется внутри зеркального параболического цилиндра, которое отражается от его поверхности и на основе оптического свойства выходит параллельными лучами через раскрыв параболического цилиндра. Поверхность параболического цилиндра, без учета поверхности раскрыва, обеспечивает экранирование излучения внутри зеркального параболического цилиндра.

в-третьих, расположение генераторов симметрично между вибраторами позволяет с помощью узлов возбуждения получить результирующую поверхностную стоячую волну на всей длине коллинеарной антенной решетки, ограниченной с обоих концов рефлекторами.

Предложенное техническое решение относится к области техники СВЧ, в том числе - к антенной технике, для концентрации СВЧ-энергии на определенной поверхности (площади) и может найти свое применение в сельском хозяйстве и лесной отрасли для сушки облучаемого объекта с помощью СВЧ-излучения с обеспечением равномерного СВЧ-излучения по всей длине и ширине облучаемого объекта.

Вибраторная решетка, содержащая однопроводную линию передачи поверхностной волны и размещенные вдоль нее вибраторы, отличающаяся тем, что вибраторная решетка выполнена в виде коллинеарной антенной решетки, состоящей из вибраторов (n, n₁, n₂…n_n, n_n+1) и расположена внутри зеркального параболического проводящего цилиндра, который имеет фокальную ось О-О, вдоль которой расположена однопроводная линия передачи с подведенными к ней узлами возбуждения поверхностной волны, присоединенных к генераторам СВЧ колебаний (N₁, N₂… N_n, N_n+1) и расположенных вне зоны зеркального параболического проводящего цилиндра, каждый из которых соединен с конкретным узлом возбуждения поверхностной волны, расположенным симметрично между вибраторами: N₁ - между n и n₁, N₂ - между n₁ и n₂… N_n+1 - между n_n и n_n+1, кроме того, по обе стороны коллинеарной антенной решетки на однопроводной линии передачи на расстоянии L друг от друга расположены рефлекторы, представляющие собой пластину, выполненную из тонкого слоя проводящего материала, и служащие для отражения падающей на них поверхностной волны Е-типа.