Бесконтактная защита от побочных излучений устройств ввода СВЧ-энергии в почву

Ключевой проблемой разработки и эксплуатации промышленных сверхвысокочастотных (СВЧ) установок является защита обслуживающего персонала от побочного электромагнитного излучения. Особенно остро эта проблема стоит в СВЧ установках, имеющих технологические отверстия или зазоры между апертурой излучателя и обрабатываемым объектом. Например, в СВЧ-установках для обработки почвы [1, 2] принципиально необходим зазор между перемещаемым излучателем и почвой. В таких установках уменьшение уровня побочного излучения достигается размещением вокруг излучателя поглощающего материала [1], что приводит к росту габаритов и массы устройства ввода, а при его работе на больших мощностях к значительным потерям мощности и разогреву поглотителя.

В качестве защитного устройства можно использовать бесконтакные замыкатели электромагнитного поля, которые широко используются в классической СВЧ технике: в фланцевых соедине- ниях волноводов [3], во вращающихся СВЧ переходах, в дверцах бытовых СВЧ печей. Принцип их действия основан на трансформации сопротивлений в линии передачи, в частности, переноса замыкания на вход отрезка полуволновой короткозамкнутой линии – дроссельные замыкатели. Практическое применение таких замыкателей связано с использованием однородной линии передач с металлическими проводниками и малым зазором менее λ/16 , где λ – длина электромагнитной волны [3]. Однако в СВЧ установках величина этого зазора может достигать λ/4, а проводниками линии передачи может быть металл и диэлектрик с варьируемыми диэлектрическими характеристиками. Отсюда вытекает задача данной работы – оценить эффективность работы дроссельных замыкателей СВЧ поля в устройстве ввода СВЧ-энергии в почву при изменении в широких пределах: влажности почвы, технологического зазора между излучателем и почвой и длины ЭМВ.2

Методы и результаты исследований

Для решения поставленной задачи использовались методы экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.

В качестве излучателя была использована рупорная антенна с размерами раскрыва 0,6 × 0,6 м. Дроссельный замыкатель был реализован за счет расположения по периметру раскрыва замкнутых на конце волноводных направляющих систем полуволновой длины, образованных торцевым экраном с размерами 1,08 × 1,08 м, содержащим полый выступ П-образного сечения, и поверхностью почвы [2,4] (см. рис. 1). А для оценки эффективности работы дроссельного замыкателя был изготовлен аналогичный экран, не содержащий этот выступ.

При этом расстояние от края раскрыва излучателя до начала выступа (а), ширина (b) и высота выступа (h), а также расстояние от края экрана до выступа (с) были выбраны равными 8 см, что составило примерно четверть длины волны λ, на которой проводились экспериментальные исследования. Следует отметить, что длина волны типа Н 01 в волноводе, широкими стенками которого являются торцевой экран и почва λ_В , несколько больше λ, однако, отличие не велико, так как в реальных устройствах, размеры раскрыва излучателя, а следовательно, и критическая длина волны колебаний Н 01 велики по сравнению с λ. Рекомендации по выбору вышеуказанных размеров элементов конструкции экрана могут быть получены по результатам исследований зависимости эффективности его работы от λ.

Устройство ввода СВЧ-энергии располагалось над специально созданным «земляным каналом» с размерами 2×2×1 м. Исследовались зависимости уровня излучения из промежутка излучатель – почва от её влажности (W П ) и высоты подвеса излучателя над ней (Н) для трех устройств ввода: рупорный излучатель, не содержащий торцевого экрана, и рупорные излучатели, содержащие торцевые экраны с полым выступом и без него.

Уровень побочного излучения определялся с использованием измерительной системы, состоящей из антенны П6-23А и измерителя мощности М3-51. Измерительная антенна располагалась в плоскости ортогональной плоскости раскрыва рупорного излучателя на расстоянии от центра его раскрыва, равном 0,54 м (вплотную к почве и торцевому экрану). Эксперименты проводились на частоте настройки излучателя 890 МГц. Методика экспериментальных исследований приведена в работе [2].

Путем трехмерного компьютерного моделирования была построена исследовательская установка и проведены исследования трех моделей устройств ввода, соответствующих устройствам, используемым в экспериментальных исследованиях: рупорный излучатель, не содержащий торцевого экрана, и рупорные излучатели, содержащие торцевые экраны с полым выступом и без него. Рассчитывались модули коэффициентов передачи S_1,2 со входа рупорного излучателя на выход измерительной рупорной антенны при различной влажности почвы и высоте подвеса излучателя над ней. Расчетные зависимости модуля S 12 для трех моделей устройств при W П = 22 % приведены на рис. 2.

Для сравнительной оценки эффективности работы торцевых экранов введем коэффициенты: К_г = 20 lg^ , К ₂ = 20 lg £ a и К 3 = 20 Ig ^¹ (где и о , ⁷1                  ⁷ 2                    ^ 2

u 1 , u 2 – уровни побочного излучения рупорного излучателя, не содержащего торцевого экрана, содержащего торцевые экраны без полого выступа и содержащего полый выступ соответственно).

На рис. 3 приведены графики расчетных и экспериментальных зависимостей коэффициентов К 1 (графики 1 и 3) и К 2 (графики 2 и 4) от высоты подвеса излучателя над почвой (W П = 22 %).

Были выполнены расчеты частотных характеристик трех моделей устройств ввода при различных высотах подвеса и влажности почвы. Эффективность работы торцевого экрана с полым выступом в полосе частот определялась по усредненному коэффициенту К 3 (рис. 4). Усреднение проводилось по полученным его значениям в диапазоне рабочих высот подвеса излучателя 2–8 см.

Полученная частотная характеристика показывает, что введение полого четвертьволнового выступа в торцевой экран обеспечивает десятикратное снижение плотности потока мощности побочного излучения в широкой полосе частот

Рис. 1. Устройство ввода СВЧ-энергии в почву

Бесконтактная защита от побочных излучений устройств ввода СВЧ-энергии в почву

Рис. 2. Графики зависимости модуля коэффициента передачи S 1,2 от высоты подвеса над почвой различных моделей устройств ввода:

1 – торцевой экран отсутствует; 2 – торцевой экран не содержит полого выступа; 3 – торцевой экран содержит полый выступ

Рис. 3. Графики 1 и 2 – расчетные, 3 и 4 – экспериментальные зависимости

Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента К 3 (WП = 22 %)

860–935 МГц, составляющей 8,3 % от средней частоты рабочего диапазона частот. Максимальное ослабление побочного излучения (17 дБ) приходится на частоту 925 МГц (λ/4 = 32 см), что позволяет сделать вывод о целесообразности использования для расчета элементов конструкции торцевого экрана длину электромагнитной волны в свободном пространстве.

Расчетные и экспериментальные зависимости усредненного коэффициента К3 от влажности почвы представлены на рис. 5. Приведенные данные показывают, что устройство ввода с торцевым экраном, содержащим полый выступ, эффективно ослабляет уровень побочного излучения в широком диапазоне изменения влажности почвы.

К3 (ДБ)

8%

22%

31% W„

□ Эксперимент □ Расчет

Рис. 5. Зависимость коэффициента К 3 от влажности почвы

Выводы

Экспериментальными исследованиями и компьютерным моделированием показано, что введение в конструкцию торцевого экрана рупорного излучателя СВЧ-энергии, работающего на почву через воздушный промежуток полого четвертьволнового выступа, обеспечивает эффективное, в пределах 10 дБ, уменьшение уровня побочного излучения в широких диапазонах изменения частоты электромагнитных колебаний, влажности почвы и высоты подвеса излучателя над ней, вплоть до одной четвертой длины излучаемой электромагнитной волны.

Предложенное техническое решение позволяет повысить безопасность работы СВЧ-установок, имеющих технологические зазоры между излучателем СВЧ-энергии и обрабатываемым объектом.