Сверхвысокочастотное нагревательное устройство

Сверхвысокочастотное нагревательное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотному (СВЧ) нагревательному устройству, СВЧ-нагревательной системе и к способу согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.

Уровень техники

Резонаторы и аппликаторы для СВЧ-нагревания материалов обычно резонируют во время работы, и поэтому это обстоятельство обеспечивает возможность достижения высокого СВЧ-кпд. Обычные нагрузки резонатора/аппликатора имеют либо высокую диэлектрическую проницаемость, 10-80 для полярных жидкостей и компактных пищевых веществ, либо низкую диэлектрическую проницаемость, а также низкий коэффициент потерь и более крупный объем - как в режимах работы по высушиванию. В обоих случаях существует необходимость обеспечения многократного отражения и обратного отражения СВЧ-энергии в резонаторе/аппликаторе для достаточного кпд нагревания. При этом условия резонанса обусловливают ограничение полосы частот надлежащей функции.

Имеются три способа решения практической проблемы ограниченной полосы резонансной частоты:

- использование множественных частот в сравнительно крупном резонаторе. По меньшей мере один резонанс тогда будет иметь место на рабочей частоте такого генератора, как магнетрон. Этот тип резонатора легко использовать, но он имеет недостаток изменяющихся и довольно непредсказуемых температурных рельефов и СВЧ-кпд даже для ненамного разных нагрузок, в частности - если они небольшие;

- использование некоторых средств регулирования для резонансной частоты в одномодовом резонаторе/аппликаторе. Такие механические средства, как подвижные короткозамыкающие плунжеры, являются громоздкими, и для них необходим хороший гальванический контакт. Более практичным, но все же механическим, устройством является неконтактирующий отражатель согласно документу WO-01/62379;

- использование регулируемых генераторов частоты. Полупроводниковые генераторы низкой мощности, или дорогостоящие ЛБВ (лампы бегущей волны), могут быть целесообразными, но тогда появляется другая проблема: пределы выделенных полос для промышленной, научной и медицинской аппаратуры. Для рабочих частот вне этих полос требуются сложное экранирование и фильтрация.

Если изменения нужной частоты находятся в пределах, например, разрешенных 2400-2500 МГц, то упоминаемые выше системы третьего рода, предназначаемые для ограниченного диапазона геометрий нагрузки или диэлектрической проницаемости, могут действовать хорошо. Используемый ограниченный диапазон резонансной частоты поэтому должен быть по существу рассчитан для СВЧ-аппликатора. Также можно обеспечить отрицательную обратную связь аппликатора, плюс резонансную частоту нагрузки путем использования комбинации свойств аппликатора/резонатора и внутренней нагрузки. Но эти системы ограничены определенными и довольно узкими геометриями нагрузки и диэлектрическими свойствами, например - согласно документу US 5,834,744.

Сущность изобретения

Общая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении СВЧ-нагревательного устройства, имеющего стабильную резонансную частоту для широкого разнообразия геометрий нагрузки и значений диэлектрической проницаемости; и также менее сложного, более надежного и менее дорогостоящего, чем в известном уровне техники, устройства.

Эта задача обеспечивается данным изобретением согласно независимым пунктам изобретения.

Предпочтительные осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к СВЧ-оболочке, которая может быть частично открытым или замкнутым резонансным аппликатором, имеющим диэлектрическую структуру между наружной стенкой и нагрузкой. Аппликатор в принципе является математически цилиндрическим, и это означает, что он имеет определенную продольную ось и постоянную площадь поперечного сечения (включая сечение диэлектрической структуры) по этой оси. Тип моды аппликатора по существу не имеет поля на продольной оси в центральной области аппликатора.

В типичных одномодовых резонансных аппликаторах резонансная частота снижается, когда вводится нагрузка; и если нагрузка не столь велика, чтобы значительно изменить структуру моды аппликатора, более высокая диэлектрическая проницаемость нагрузки снижает резонансную частоту. Устройство в соответствии с настоящим изобретением является по существу саморегулируемым с помощью моды определенного гибридного типа. Можно сказать, что мода состоит из Н-волны части (где началом отсчета будет ось) и Е-волны части, имеющей «собственную» более высокую резонансную частоту, и относительно усиливается при введении нагрузки в аппликатор, в результате чего компенсируется снижение резонансной частоты Е-волны.

Гибридная мода является модой НЕ-типа и имеет все шесть ортогональных электрических и магнитных составляющих поля. Эта мода может присутствовать в своем основном виде в круглом цилиндрическом волноводе или резонаторе с концентрическим диэлектриком по периметру или далее внутрь. Н-волна с первым индексом (вращательным, m) выше нуля обладает этим теоретическим известным свойством. Но в данном случае мода не должна иметь поля по продольной центральной оси, и поэтому низшим первым индексом будет 2. Эти аппликаторы могут быть довольно небольшими, но также возможны и аппликаторы с первыми индексами более 10, в результате чего обеспечивается очень широкая площадь наложения для нагрузок от доли мл до десятков литров по объему, при 2450 МГц. Аппликатор для небольших нагрузок может быть в основном замкнутым и иметь форму сектора с минимальным углом сектора 360 m/4; и в этих случаях целочисленный индекс более не требуется. Аппликатор для крупных нагрузок, например для трубчатых нагрузок, может быть круглым и разомкнутым на центральных участках оси, для введения нагрузки.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Фиг.1 схематически показывает Н₄₁-волну.

Фиг.2 показывает поперечное сечение СВЧ-нагревательного устройства согласно первому предпочтительному осуществлению.

Фиг.3 поясняет вариант первого осуществления в виде изображения в перспективе.

Фиг.4 показывает изображение в перспективе альтернативного средства облучения сверхвысокой частотой, применимого для настоящего изобретения.

Фиг.5 - поперечное сечение устройства, показываемого на чертеже Фиг.4.

Фиг.6 - изображение в перспективе второго предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - поперечное сечение второго предпочтительного осуществления.

Фиг.8 и 9 - поперечные сечения вариантов второго предпочтительного осуществления.

Фиг.10 - поперечное сечение изображаемых на Фиг.7 СВЧ-нагревательных устройств, скомпонованных вместе.

Фиг.11 и 12 - поперечные сечения разных альтернативных осуществлений настоящего изобретения.

Фиг.13 - поперечное сечение третьего предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.14 и 15 - поперечные сечения двух осуществлений настоящего изобретения: СВЧ-нагревательные устройства с крупными радиальными воздушными зазорами.

Фиг.16 - поперечное сечение четвертого предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.17 - блок-схему системы для использования СВЧ-нагревательного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Во всем описании одинаковые ссылочные обозначения указывают одинаковые элементы, выполняющие аналогичные или похожие функции.

Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретения

В изобретении применяются некоторые свойства дугообразно-поверхностных мод. Эти моды могут присутствовать в цилиндрических резонаторах круглого или эллиптического сечений, и также некоторых многоугольных сечений. Но было обнаружено, что отклонения от ровных поверхностей, обусловленные краями на углах, в некоторых обстоятельствах могут быть неблагоприятными даже с более правильными 12-сторонними многоугольными поперечными сечениями.

Поэтому, поскольку эллиптические поперечные сечения дают преимущества только в некоторых определенных случаях, в данном изобретении рассматриваются в основном круглые поперечные сечения, и в частности - поперечные сечения, являющиеся круговым сектором. Более подробные описания некруглых наружных геометрий излагаются ниже.

В качестве первого пояснительного примера рассматривается Н₄₁-волна (Фиг.1). Она имеет 8 максимумов осевого магнитного поля (являющегося доминирующим направлением магнитного поля) вдоль кругового периметра полого волновода или резонатора. На чертеже это магнитное поле показано пунктиром, а электрическое поле (которое присутствует только в плоскости, перпендикулярной к оси) показано сплошными линиями.

Наполненный воздухом полый резонатор Н₄₁-волны резонирует на частоте 2450 МГц, когда имеет осевую длину в 100 мм и диаметр около 260 мм. Энергия большей частью сосредоточена на периметре, и ее можно охарактеризовать как две распространяющиеся по ней волны, в противоположных направлениях образующие стоячую волну.

Дугообразно-поверхностные моды могут присутствовать в ограничивающих геометриях, имеющих криволинейную наружную металлическую стенку. В простейшем случае круглых цилиндрических волноводов и резонаторов они ограничиваются осью, не имеющей поля. Поэтому в обычной системе осесимметричной моды первый индекс (изменение по окружности, определяемое в -направлении) является «высоким», и второй индекс (радиальное изменение, определяемое в -направлении) является «низким», и третий, осевой, индекс (определяемый в z-направлении) является произвольным.

Наиболее общим типом поляризации для дугообразно-поверхностных мод является Н-волна, т.е. z-направленное электрическое поле отсутствует. Обычно на искривленной металлической поверхности присутствует доминирующее z-направленное магнитное поле (и поэтому -направленный ток стенки). Первый индекс должен быть равен не менее 2.

Для Е-волн z-направленное магнитное поле отсутствует, и обычно доминирующее z-направленное электрическое поле отстоит на некотором расстоянии от искривленной стенки. Первый индекс также должен быть равен не менее 2.

Н-волны, как правило, менее эффективно связаны с диэлектрическими нагрузками, которые характеризуются наличием более крупной осевой (круговой, многоугольной или круглой цилиндрической) поверхностью, чем их «верхние» и «нижние» (постоянная z-плоскость) поверхности, т.к. их электрическое поле имеет только горизонтальное направление, и поэтому будет перпендикулярным к любой вертикальной поверхности нагрузки. Они также имеют более высокое полное сопротивление, чем полное сопротивление плоских волн свободного пространства, что опять же является причиной ухудшения связи с диэлектрическими нагрузками, имеющими присущее им более низкое полное сопротивление. Упрощенно говоря, Н-волны z-типа не имеют механизма первого порядка связи с нагрузками с доминирующими z-направленными размерами. Поэтому для надлежащей передачи энергии к нагрузке требуется более высокая добротность (значение Q), но это влечет за собой более узкую полосу частот резонанса, нужную для эффективного нагревания особо малых нагрузок.

Е-волны имеют z-направленные электрические поля и низкое полное сопротивление. Поэтому их связь с нагрузками значительно лучше, чем в изложенном выше случае. Но это также означает, что не очень небольшие нагрузки могут влиять на свойства системы в целом путем, например, создания очень значительного изменения резонансной частоты, которое компенсирует преимущество более низкого значения Q (и за счет этого - создавать более широкую полосу частот резонанса).

Подгруппой дугообразно-поверхностных мод являются такие дугообразно-поверхностные моды, которые ограничены диэлектрической структурой стенки в виде, например, пластин, плиток, или плоских, или искривленных листов.

Изобретение направлено на эту подгруппу дугообразно-поверхностных мод, т.е. на СВЧ-нагревательные устройства, имеющие замкнутый резонатор с диэлектрической структурой стенки, расположенной по существу между наружной стенкой резонатора и одной или многими нагрузками, нагреваемыми внутри резонатора.

Тогда в круглых (и также в эллиптических) цилиндрических геометриях будет обеспечена возможность применения диаметральных металлических боковых стенок в осевом направлении, чтобы создать 8 независимых резонаторов или волноводов. Наименьший такого рода резонатор в форме сектора составляет 45° и образуется разрезанными плоскостями при 0 и 45° от, например, 6-часового направления на Фиг.1. В этих случаях свойства поля (резонансная частота и др.) не изменяются.

Такой секторный волновод можно считать имеющим моду, которая становится затухающей к краю (на предыдущей оси). Поэтому нагрузка, находящаяся вблизи этой оконечности, будет нагреваться некоторого рода связью быстрозатухающей моды волновода. Поэтому очень важно, чтобы полное сопротивление поля радиальной идущей внутрь затухающей моды было бы высоким и индуктивным. Поскольку предполагается, что нагрузка имеет диэлектрическую проницаемость, значительно большую, чем у воздуха, поэтому волновая энергия, достигшая данной нагрузки, более не является затухающей.

Может происходить значительное поглощение - при том условии, что плотность энергии волны не понизилась «слишком сильно» в местоположении нагрузки. Но нагрузка, расположенная вблизи края, будет иметь очень плохую связь.

Очевидно, что за счет размещения меньшей нагрузки ближе к дугообразной части резонатора связь станет сильнее. На это обстоятельство также оказывает влияние местоположение нагрузки в угловом направлении, т.к. напряженность, в частности, магнитного поля изменяется с местоположением относительно местоположений СВЧ-облучателя или радиальной стенки.

Ниже даются определения и поляризации дугообразно-поверхностной моды.

Сверхвысокая частота может распространяться вдоль границы между двумя диэлектриками - при том условии, что одна из областей имеет некоторые потери (так называемая волна Зеннека). Волны также могут распространяться без потерь, вдоль не имеющей потерь диэлектрической пластины и ограничиваются ею (так называемый волновод диэлектрической пластины). Вариант этого распространения: диэлектрик имеет металлическое покрытие на одной стороне - как в случае с данным изобретением, и тогда моды будут поверхностными волнами волноводного распространения.

Распространение без потерь означает, что из системы не исходит излучения, во всех упоминаемых выше случаях - если вблизи поверхности нет возмущающего или поглощающего объекта.

Документ US 3,848,106 раскрывает устройство, которое использует поверхностные волны для СВЧ-нагревания. Типом моды является тип Е-волны, с распространением в направлении (z) в подающем волноводе Н₁₀-волны, по существу имеющим заполнение диэлектрической пластиной, выходящей в окружающую среду поперечной стороной (α-стороной). Следовательно, поле моды непосредственного вне диэлектрического заполнения не имеет z-направленного магнитного поля, а имеет электрические поля во всех направлениях. Мода, используемая в резонаторе согласно настоящему изобретению, является гибридной модой, определяемой здесь как мода, в которой электрические поля и магнитные поля присутствуют в z-направлении (являющемся продольным направлением резонатора). В гибридной моде присутствуют Н- и Е-волны и имеют радиально направленные магнитные поля. Пример: гибридная мода НЕ₃₁₁ имеет все 6 составляющих в резонаторе, имеющем осесимметричную диэлектрическую структуру.

Ниже приводятся теоретические доводы в отношении дугообразно-поверхностных мод в круглых волноводах и резонаторах.

Как и в любой цилиндрической полой металлической трубке произвольного поперечного сечения, в круглом волноводе могут присутствовать два определенных класса мод: Н- и Е-волны в z-направлении. Это означает, что одна из шести электрических и магнитных составляющих должна отсутствовать. То есть z-направленная электрическая и магнитная составляющие, соответственно.

Для данного изобретения самое главное в том, чтобы дугообразно-поверхностные Е-волны с теми же тремя индексами, что и Н-волны, имели более высокую резонансную частоту в одном и том же резонаторе (т.е. с известными диаметром и длиной).

Например, для Н₃/Е₃-волн коэффициент x'/x равен 4,42/6,38 в следующей формуле:

где f_R - резонансная частота, С_о - скорость света, mnρ - индексы моды, α - радиус резонатора и h - его высота.

Также важно, чтобы все Н- и Е-моды в круглых волноводах были ортогональными (кроме ряда Н_о и Е₁, которые, однако, не являются дугообразно-поверхностными модами). Поэтому они не могут связывать энергию друг с другом.

Если круглый волновод имеет концентрическое диэлектрическое заполнение (кольцевое по периметру или на некотором расстоянии от него, или в виде центрального стержня), то моды более не становятся Н- или Е-волнами по отношению к цилиндрической координате - за исключением осесимметричных полей (дугообразно-поверхностные моды ими не являются). Это было давно известно как теоретический курьез.

На Фиг.2 и 3 представлены принципиальные конструкции и свойства первого предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Нужно отметить, что при изменении опорного направления с продольного, в прямоугольной системе, на цилиндрическую систему, то прямоугольная Е_о-волна становится похожей на круглую Н_m1-волну. Даже если полностью круглые аппликаторы будут возможными, и если их конструирование и использование будут возможными, то меньшая геометрия может быть предпочтительной в целях нагревания небольших нагрузок. При этом не только можно будет получить меньший резонатор, но также будет легче исключить нежелательные моды.

Определенные распределения силы тока и напряженности поля на стенках плоского металлического осевого резонатора под некоторым углом с диэлектрической структурой стенки вдоль искривленной периферии сектора дают также и другие возможные преимущества.

Два варианта этого первого осуществления показаны на Фиг.2 и 3. Фиг.2 показывает поперечное сечение в плоскости ху аппликатора (или резонатора) в виде сектора величиной 120°, содержащего наружную стенку 2, боковые стенки 4, нагрузку 6, диэлектрическую структуру 8 стенки и средство 10 облучения сверхвысокой частотой; при этом диэлектрическая структура стенки содержит четыре плитки - плоские и диэлектрические.

Фиг.3 показывает изображение в перспективе аналогичного нагревательного устройства, но в этом случае - с наружной стенкой 2, имеющей диэлектрическое покрытие. Для обоих Фиг.2 и 3: толщина структуры диэлектрической стенки составляет около 7 мм, и она имеет типичную диэлектрическую проницаемость около 7,5. Нагрузки довольно крупные (30-40 см в диаметре), и радиус аппликатора составляет около 85 мм; высота - около 80 мм, и рабочая частота является полосой 2450 МГц промышленной, научной и медицинской радиослужбы.

Нужно отметить, что при использовании резонатора секторной формы требование наличия определенных углов сектора для обеспечения резонансов более не действует. Поэтому в этом случае имеет место континуум углов в зависимости от радиуса. Поскольку для целочисленных индексов, таких как 3 и 4, можно использовать аналитические формулы с функциями Бесселя целочисленного порядка, поэтому нужно выполнить упоминаемые выше непосредственные вычисления.

Также в диэлектрическом резонансном резонаторе (аппликаторе), имеющем дугообразное волноводное распространение, доминируют диаграммы поля, относящиеся к Н₃₁₁-волне. Эта волна не должна иметь z-направленную электрическую составляющую, но волна аппликатора ее имеет. Это можно проверить моделированием СВЧ, но другие составляющие Е₃₁₁-волны (xy-плоскость магнитных полей с верхним и нижним максимумами, и xy-плоскость электрических полей с максимумами на половинной высоте) «скрыты», поскольку Н₃₁₁-волна имеет те же составляющие. Причем мода резонатора является гибридной НЕ₃₁₁-модой, при которой напряженности поля резонатора Н-типа более высокие, чем напряженности Е-типа.

Ниже поясняется преимущество наличия по существу постоянной резонансной частоты.

Моделирование СВЧ показало, что резонансная частота упоминаемого выше аппликатора изменяется исключительно немного даже с очень большими изменениями нагрузки, например от значений менее 1 мл в небольшом сосуде до 50 мл в емкости - Фиг.2 и 3. Нагрузки являются полярными жидкостями с сильно изменяющимися диэлектрическими проницаемостями и коэффициентами потерь. Изменение частоты поэтому может быть небольшим: в пределах 1 МГц.

Был смоделирован резонатор согласно Фиг.6 и 7; результаты моделирования представлены в приводимой ниже Таблице.

Нагрузкой был цилиндр диаметром в 9 мм и высотой 15 мм (он не был стеклянным сосудом), установленный на расстоянии 2 мм между его верхом и потолком резонатора. Выступ антенны был очень небольшим, практически на одной плоскости со стенкой резонатора (и с отверстием в керамическом блоке).

Диэлектрическая проницаемость керамического материала составляла 7,5-j0,0125 по всему материалу; что соответствует глубине проницаемости, равной 4,2 м.

Диэлектрическаяпроницаемость нагрузки	Резонанснаячастота,МГц	Коэффициентсвязи	ЗначениеQO	Примечание
Полая	2471	0,22 О	-	-
10-j2	2466	0,17 О	-	Низкие потери
25-j6	2467	0,13 О	-	Норма
78-j10	2465	0,16 U	-	Вода при 20оС
60-j2	2466	0,14 О	-	Вода при 100оС
О - сверхкритическая связь, U - докритическая связь

Ниже приводится описание разных аспектов средства облучения сверхвысокой частотой.

Функция гибридной НЕ-моды заключается в равновесии между ее являющимися Н-волной и Е-волной «частями», которое изменяется с нагрузкой. Диэлектрические нагрузки, имеющие значительный осевой размер, обычно имеют более сильную связь с Е-волнами, чем с Н-волнами, и компенсируют присущую тенденцию к более высокой резонансной частоте части, являющейся Е-волной.

Ввиду этого истолкования становится важным использование такого средства облучения сверхвысокой частотой, которое по сути не влияет на равновесие между взаимосвязями частей, являющихся Н-волнами и Е-волнами. Поэтому, если обеспечивается только Н-часть, то Е-часть может «свободно» адаптироваться к изменяемой нагрузке. Поэтому часть, являющаяся Е-волной, не имеет только одну составляющую - Н_z, и она становится предпочтительным вариантом. Эта составляющая поля является наиболее сильной на половинной высоте кругового периметра; присутствуют максимумы при 0, 60 и 120°. Поэтому осуществимым является вертикальное щелевое облучение сверхвысокой частотой, а дополняющее электрическое поле для получения вектора Пойнтинга является горизонтально-радиальным. Конфигурация средства облучения сверхвысокой частотой показана на Фиг.4: предусмотрен обычный волновод Н₁₀-волны у резонатора, с вертикальной щелью на конце.

Огибающая поля Hz в очень похожих обстоятельствах, на половине высоты резонатора, показана на Фиг.5. Диаграмма 12 поля в диэлектрической структуре стенки, обусловленная частью, являющейся Н₃₁-волной, изображена схематически.

Еще одна возможность заключается в возбуждении «осесимметричного» Hz-поля на 30°(где изменяется его знак; горизонтальное магнитное поле на половине высоты резонатора отсутствует) при помощи коаксиального зонда, с одновременным получением поля, согласующегося с горизонтально-радиальным направленным внутрь электрическим полем. Это показано на Фиг.2 и 3.

Даже если нужная функция меньшего изменения резонансной частоты с разными нагрузками в принципе происходит с тонкой и имеющей низкую диэлектрическую проницаемость диэлектрической вставкой в аппликаторе, то предпочтительное осуществление будет заключаться в том, чтобы используемый в диэлектрической структуре (или облицовке) стенки диэлектрический материал имел такую высокую диэлектрическую проницаемость, чтобы существенная часть энергии колебаний граничила с областью периметра. Единственная предпосылка для НЕ-моды состоит в том, чтобы диэлектрическая проницаемость (ε) была бы выше 1. Результатом этого будет широкое разнообразие комбинаций диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрической структуры стенки. Например, если ε превышает 9, то (керамическая) облицовка становится довольно тонкой, что, возможно, обусловит проблемы допуска. По практическим причинам значения диэлектрической проницаемости предпочтительно находятся в пределах 4-12. Предел 6-9 представляется наиболее желательным, при этом с толщиной 8-6 мм.

Следует добавить, что толщина диэлектрической структуры стенки не относится к общепринятой теории обычных поверхностных волн волноводного распространения, для которой требуемая толщина не превышает

Один из моментов конструирования заключается в возможно трудной металлизации внешней поверхности керамического материала - по сравнению с обеспечением воздушного промежутка между ним и периметром резонатора. Согласно одному из осуществлений настоящего изобретения было определено, что расстояние 2-4 мм является осуществимым - в случаях, когда минимальное расстояние желательно для обеспечения очень небольшого аппликатора.

Описываемые выше аппликаторы имеют небольшое расстояние между плиткой и внешней металлической стенкой по следующим причинам: а) при этом можно устранить необходимость в металлизации, и б) на диаграмму поля моды значительное влияние не оказывается, т.е. остается мода Н_m;1-типа (со значением второго индекса не выше 1). В результате обеспечивается возможность получения удобного небольшого аппликатора. Аппликаторы с небольшим расстоянием между наружной стенкой и диэлектрической структурой стенки далее описываются со ссылкой на Фиг.6-10.

Увеличение расстояния между диэлектрической структурой стенки и наружной стенкой дает несколько преимуществ.

Одно преимущество в том, что устраняется необходимость выполнения отверстия в диэлектрической структуре стенки для средства облучения сверхвысокой частотой. Вследствие этого в свою очередь удешевляется изготовление устройства.

Еще одно преимущество заключается в том, что поле ближней зоны, генерируемое средством облучения сверхвысокой частотой, становится более симметричным.

Эти и другие преимущества поясняются ниже со ссылкой на Фиг.14 и 15.

При увеличении расстояния между диэлектрической структурой стенки и наружной стенкой по меньшей мере до 15 мм в этой области возникает вторая поверхностная волна волноводного распространения, и осевое магнитное поле моды изменяет знак в диэлектрической структуре стенки.

Тогда мода становится модой того же вида, что и основной (теперь - декартов/прямоугольный) тип Е-нулевой диэлектрической пластины. Если аппликатор является круговым цилиндрическим, то несколько стоячих (с целочисленной длиной волны) волн возникнут по окружности, с надлежащими размерами. Этот аппликатор будет при этом сохранять радиальный направленный внутрь (где расположена(ы) нагрузка(и)) индекс 1, но его, возможно, будет легче запитывать, если он будет очень крупным (свыше 300 мм или около этого, при 2455 МГц, соответствуя круговому индексу в 10 или более (если 10, то по периметру будет 20 максимумов стоячей волны). Одно из преимуществ заключается в том, что средство облучения сверхвысокой частотой не должно обязательно быть вблизи плиток; при этом в системах высокой мощности резко снижается возбуждение поля в ближней зоне, что приводит к риску образования электрической дуги или местного перегрева. Оказалось, что возможно использование большего расстояния (25 мм или более при 2450 МГц) между внутренней поверхностью наружной стенки и диэлектрической структурой стенки. При этом можно получить два разных типа поля в диэлектрической структуре; нужно отметить, что понятие моды более не относится ко всему резонатору, а только к диэлектрической структуре с волновой энергией, распространяющейся в направлении кругового резонатора (для создания моды резонатора) и в прямоугольной системе счисления. При этом преобладают два типа моды: Е_о-волна и Е₁-волна. В предыдущем случае в диэлектрической структуре полярность не изменяется, и в последнем случае полярность есть.

Обнаружилось, что получаемая таким образом мода резонатора будет иметь более низкий первый (круговой) индекс с полем керамики Е_о-волны, чем с полем керамики Е₁-волны - несмотря на то, что теперь радиальный индекс равен 2. Это означает, что в этом предпочтительном случае радиальная направленная затухающая волна будет более медленной, и нагрузка будет меньше влиять на поведение моды. Нагрузка находится ближе к внутренней поверхности диэлектрической стенки. Еще одно важное преимущество заключается в том, что средство облучения сверхвысокой частотой (между диэлектрической структурой и наружной стенкой) может теперь иметь такое выполнение, что незначительные поля в ближней зоне присутствуют на внутренней поверхности диэлектрической структуры в условиях обычной передачи значительной энергии (т.е. согласование полного сопротивления). В предпочтительном осуществлении средством обеспечения облучения сверхвысокой частотой является обычная четвертьволновая радиально направленная коаксиальная металлическая антенна.

Выполнение диэлектрической структуры на значительном радиальном расстоянии от наружной стенки резонатора позволит выполнение двойных антенных конструкций с фазовой задержкой, в результате чего по существу однонаправленная энергия будет идти внутри резонатора в круговом направлении. Существуют и применяются несколько типов таких антенн. Как правило, эти антенны легко конструировать и делать их меньшими с применением Е₁-волны, чем с Е_о-волной; и поскольку индекс круговой моды выше в предыдущем случае, то расстояние между минимумами, имеющими место по причине несовершенств системы, уменьшается, что является целесообразным обстоятельством.

Радиальный воздушный зазор между наружной стенкой и диэлектрической структурой составляет до половины длины свободного пространства; в предпочтительном осуществлении: 20-30 мм. Либо используется прямоугольная Е_о- или Е₁-волна в керамике; и обычно предпочтительной является Е_о-волна, и она обеспечивается, когда расстояние между наружной стенкой и диэлектрической структурой короткое.

Фиг.14 и 15 показывают два осуществления СВЧ-нагревающих устройств, имеющих крупные радиальные воздушные зазоры в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.14 показывает поперечное сечение круглого цилиндрического резонатора, содержащего наружную стенку 2, воздушный зазор 18 между наружной стенкой и диэлектрической структурой 8 стенки, заключающей в себе резонатор 6 для нагрузки. Средство 10 облучения сверхвысокой частотой выполнено в наружной стенке.

Фиг.15 показывает сечение имеющего форму сектора СВЧ-нагревающего устройства, которое помимо компонентов осуществления согласно Фиг.14 имеет две боковые стенки 4.

Поскольку рабочая резонансная частота является по существу постоянной, для нее можно установить соответствующими средствами надлежащее значение при производственной отладке. Обнаружено, что предпочтительно обеспечить небольшой радиальный металлический штырь 22 (Фиг.2) в том же местоположении, в котором находится точка осуществления облучения сверхвысокой частотой, но в следующем полуволновом положении поля (имеющем две полуволны согласно Фиг.2; то же относится и к Фиг.5 и 13). Металлический штырь обеспечивает регулировку с понижением около 50 МГц резонансной частоты в полосе 2450 МГц, без каких бы то ни было отрицательных последствий. Отверстие может иметь диаметр в 4 мм, и штырь будет меньше 2 мм.

Поскольку гибридная мода является нераспространяющейся радиально внутрь, к «оконечности оси», поэтому поля будут отсутствовать или поля будут очень слабыми. В частности, поскольку связь энергии с нагрузкой в основном происходит через горизонтальные магнитные поля, и они нулевые на половинной высоте, поэтому по сторонам радиального резонатора в этой области можно выполнить довольно крупные не возмущающие и неизлучающие отверстия.

Крупная нагрузка вблизи «оконечности оси» будет осуществлять довольно слабую связь (если таковая нужна) и будет изменять резонансную частоту ненамного. Но небольшая нагрузка в этом положении может осуществлять очень слабую связь. Если положение очень небольшой нагрузки изменить радиально в направлении наружу вдоль пунктирной линии 24, указываемой на Фиг.2, то связь будет сильнее, и кпд нагревания повысится. За счет этого диапазон размеров нагрузки и диэлектрических свойств будет даже более широким, чем в фиксированном положении нагрузки.

Практическим упрощением будет использование плоских плиток вместо искривленных плиток в значении 120° (или около того) (Фиг.3-5). Обнаружено, что осуществимым является вариант из четырех таких плиток согласно Фиг.2. Меньшее число будет искажать чувствительное равновесие между Н- и Е-волнами гибридной моды в резонаторе.

СВЧ-потери в керамических плитках неизбежны. Фактически именно они в конечном счете определяют, насколько эффективно можно нагревать небольшие нагрузки. Но эффективное нагревание очень небольших нагрузок трудно контролировать - по причине малой требуемой для них энергии. Ввиду «контролируемых» потерь в керамических плитках можно сказать, что они соединены электрически параллельно с нагрузкой и поэтому ограничивают «напряжение». Это приводит к максимальной интенсивности нагревания нагрузки, когда та поглощает столько же энергии, что и плитки (и также металлические стенки резонатора); и затем эта интенсивность снижается, а не остается постоянной, если поглощающая способность нагрузки еще более снижается.

Как и предполагается, типичная система входит в состояние сверхкритической связи для небольших нагрузок и в состояние докритической связи для крупных нагрузок. Связь, конечно, можно изменить таким образом, чтобы создалась сверхкритическая связь (и поэтому - максимальная эффективность) для соответствующей определенной нагрузки. Поэтому обеспечивается возможность прочего применения нелинейных свойств магнетронов - путем выбора фазы несовпадения (по длине обеспечивающего облучение волновода), в результате чего действие будет идти в (более эффективной) области стока с крупной нагрузкой, и в (низкоэффективной, но стабильной) тепловой области для небольших нагрузок. Согласно этому техническому решению можно повысить диапазон полезных нагрузок, а риск повреждения магнетрона с небольшой или полой нагрузкой можно значительно снизить (основная нагрузка керамических плиток и потери стенки резонатора также содействуют этому).

Второе предпочтительное осуществление изобретения включает в себя группу разных вариантов, которые направлены на достижение следующих целей:

1) обеспечение недорогостоящего небольшого аппликатора, например, только для жидких нагрузок в 1,0 мл; и простейшей возможной системы без подвижных деталей;

2) улучшение диэлектрических свойств, и самонагревающая проверка керамических плиток с минимальной станочной обработкой.

Согласно первому предпочтительному осуществлению в резонаторе создается доминирующая мода, затухающая радиально в направлении внутрь в сторону оси круглого или секторной формы резонатора в наполненной воздухом области, либо очень небольшой или по меньшей мере трапециевидной (предпочтительно треугольной), в результате чего резонансы, определяемые самой нагрузкой, и это рабочее пространство уменьшаются.

Можно применить и другие способы оптимизац