ES2307728T3 - Dispositivo de guia de ondas lanzador para la excitacion de un recinto. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de guía de ondas lanzador para la excitación de un recinto (10) mediante microondas procedentes de un emisor (18) apto para hacer que reine en la guía (16) de ondas del dispositivo un campo (E, H) electromagnético de microondas que tienen una longitud de onda lambdag, comprendiendo el dispositivo un emplazamiento para el emisor (18) que define un plano (P0) del emisor y dos paredes (28, 30) de reflexión de onda cerca de las cuales están situadas respectivamente dos salidas (32, 34) principales para las microondas, caracterizado porque las dos paredes (28, 30) de reflexión de onda están respectivamente alejadas del plano del emisor una distancia (D1) sensiblemente igual a 0,2 lambdag + k lambdag/2 y una distancia (D2) sensiblemente igual a 0,3 lambdag + p lambdag/2, donde k y p son números enteros.
Description
Dispositivo de guía de ondas lanzador para la
excitación de un recinto.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de guía de ondas lanzador para la excitación de un
recinto mediante microondas procedentes de un emisor apto para
hacer que reine en la guía de ondas del dispositivo un campo
electromagnético de microondas con una longitud de onda
\lambda_{g}, comprendiendo el dispositivo un emplazamiento para
el emisor que define un plano del emisor y dos paredes de reflexión
de onda cerca de las cuales están situadas respectivamente dos
salidas principales para las microondas.
Se recuerda que las microondas son ondas
electromagnéticas cuya frecuencia está comprendida entre 0,3 GHz y
300 GHz, más particularmente entre 0,3 GHz y 5,2 GHz. Para
numerosas aplicaciones, se escogen microondas cuya frecuencia es del
orden de 2,45 GHz.
Las microondas se emiten desde un tubo emisor
denominado magnetrón, que emite a la frecuencia escogida. Estas
microondas se transmiten al recinto que debe excitarse mediante un
dispositivo de guía de ondas denominado lanzador.
Este recinto puede estar constituido por la
cavidad de un horno microondas de uso doméstico o industrial. De
manera general, se trata de un recinto en el que debe hacerse que
reine un campo de microondas para tratar un objeto mediante
microondas. Puede tratarse por tanto del recinto de un reactor de
plasma tal como se describe en el documento
FR-A-2 631 199.
Es importante que las microondas generadas por
el magnetrón se transmitan al recinto de manera estable y con una
potencia máxima. Por tanto, el recinto no debe ser motivo de ningún
efecto perturbador de las relaciones de fase internas en el
magnetrón, en defecto de lo cual la potencia emitida se reduciría y
la vida útil del magnetrón se vería afectada.
La guía de ondas lanzadora constituye un
intermediario entre el magnetrón y el recinto que sirve para el
acoplamiento de las microondas, es decir para la adaptación de las
impedancias del campo electromagnético entre el magnetrón y el
recinto.
Por tanto, la geometría de la guía de ondas
lanzadora puede determinarse en función de la del recinto para
realizar un acoplamiento correcto. El problema es que, en el
momento que se dispone una carga en el recinto, en particular un
objeto que debe tratarse por las microondas, esta carga perturba la
impedancia del campo electromagnético que reina en este recinto.
El acoplamiento se ve por tanto perturbado debido a la propia
presencia del objeto que debe tratarse por las microondas. De ello
resulta una distribución no homogénea de las microondas cuando un
objeto dado está presente en el recinto. Es por ello que, al menos
en la aplicación doméstica, numerosos hornos microondas están
equipados de un sistema de plataforma giratoria que desplaza el
objeto que debe tratarse en el interior del horno. Esto no impide
que el rendimiento energético de la instalación se vea afectado
por los defectos de acoplamiento. Además, objetos que tienen
características diferentes (en particular en cuanto a su geometría)
no se ven afectados de la misma manera por las microondas, emitidas
no obstante por la misma fuente.
El documento
FR-A-2 631 199 da a conocer la
presencia de medios de ajuste del acoplamiento entre el magnetrón y
la cavidad que debe excitarse por las microondas, comprendiendo
estos medios tornillos ajustables que penetran en la cavidad de la
guía de ondas y pistones de ajuste que modifican la geometría 0 del
recinto. Tal como indica ese documento, estos medios de ajuste son
móviles en un marco de aplicación experimental, pudiendo adaptar
los operarios del dispositivo los ajustes en función de cada
experimento. Para aplicaciones industriales, estos medios de ajuste
5 son fijos, es decir, que el acoplamiento puede realizarse en el
momento de instalación del dispositivo que está dedicado entonces a
una producción industrial específica.
El documento JP 05 234 670 describe un
dispositivo como el que se describe en el preámbulo de la
\hbox{reivindicación 1.}
Para aplicaciones que necesitan el tratamiento
mediante microondas de objetos de características diversas y en
condiciones diferentes, estos medios de ajuste son poco apropiados.
En particular, para los hornos microondas de uso doméstico, queda
excluido que el usuario ajuste el acoplamiento según el tipo de
plato que debe calentarse.
La presente invención pretende mejorar la
técnica anterior citada haciendo que el acoplamiento entre el
magnetrón y el recinto no sea o prácticamente no sea sensible al
objeto o a la carga dispuesta en el recinto.
Este objetivo se logra gracias al hecho de que
las dos paredes de reflexión de onda están respectivamente
alejadas del plano del emisor una distancia sensiblemente igual a
0,2 \lambda_{g} + k \lambda_{g}/2 y una distancia sensiblemente
igual a 0,3 \lambda_{g} + p \lambda_{g}/2, donde k y p son
números enteros.
Dicho de otro modo, las dos paredes de reflexión
de onda están respectivamente alejadas del plano del emisor una
distancia próxima a 0,2 \lambda_{g} módulo \lambda_{g}/2 y una
distancia de 0,3 \lambda_{g} módulo \lambda_{g}/2.
En un campo de microondas, la impedancia de onda
se expresa en cualquier punto por un número complejo cuya parte
imaginaria traduce una pérdida de energía y un desvío de la
frecuencia. Por tanto, el campo que reina en la guía de onda es la
resultante de las ondas emitidas por el magnetrón y las ondas
reflejadas por las paredes de reflexión de la guía de ondas.
Para un magnetrón dado, puede establecerse el
diagrama de Rieke que, en función de la distancia con respecto al
plano de referencia de la antena que emite las microondas, indica
la potencia de la energía transportada por las ondas y las
desviaciones de frecuencia. Este diagrama muestra que, en las
regiones alejadas del plano de la antena una distancia del orden
de 0,2 \lambda_{g} y en las regiones alejadas de la antena una
distancia del orden de 0,3 \lambda_{g}, la pérdida de energía es
la más débil. Estas regiones constituyen por tanto zonas óptimas
desde el punto de vista de la limitación de la pérdida de energía.
Debido a la repetitividad de la onda a intervalos iguales a
\lambda_{g}/2, las regiones que están alejadas de las zonas
óptimas anteriormente mencionadas una distancia que es un múltiplo
de \lambda_{g}/2 constituyen también regiones óptimas.
Por otro lado, planos alejados del plano de la
antena una distancia igual a \lambda_{g}/4 módulo \lambda_{g}/2
constituyen planos de simetría para la disipación de la energía.
Dicho de otro modo, en dos planos simétricos uno del otro con
respecto a tal plano de simetría, las partes imaginarias de las
impedancias son sensiblemente opuestas. Éste es el caso de dos
planos respectivamente alejados del plano del emisor una distancia
sensiblemente igual a 0,2 \lambda_{g} y una distancia
sensiblemente igual a 0,3 \lambda_{g}. Debido a la repetitividad
de la onda a intervalos de \lambda_{g}/2, las dos paredes de
reflexión definidas tal como se ha indicado anteriormente están
dispuestas en zonas en las que las impedancias están
conjugadas.
La elección razonable de posiciones de paredes
de reflexión según la invención combina por tanto la optimización
de la limitación de las pérdidas de energía con impedancias
conjugadas sobre estas paredes que reenvían a la antena una
impedancia sensiblemente de manera puramente real.
Con la invención, la impedancia de las ondas
reflejadas, medida en el plano de la antena de emisión del
magnetrón, es sensiblemente de manera puramente real, es decir, que
se expresa mediante un número complejo que tiene una parte
imaginaria sensiblemente nula, lo que significa que la resultante de
estas ondas reflejadas no perturba la emisión de ondas por la
antena que emite por consiguiente a una potencia máxima y lo hace
independientemente de la carga que esté dispuesta en el recinto.
Por tanto, al minimizar la parte imaginaria de la impedancia
devuelta al plano del emisor, se hace que éste no se vea perturbado
por los fenómenos que tienen lugar en el recinto. Por "parte
imaginaria sensiblemente nula", ha de entenderse que la parte
imaginaria contribuye como máximo en una cantidad de
aproximadamente un 5% del valor del módulo del número complejo.
Preferiblemente, el dispositivo comprende un
elemento de ajuste dispuesto a una distancia del plano del emisor
que es igual a n\cdot\lambda_{g}/2, siendo n un número
entero.
Los planos que están alejados del plano del
emisor una distancia igual a un múltiplo de la media longitud de
onda en la guía de ondas (\lambda_{g}/2) constituyen planos
equivalentes, en los que el campo electromagnético se comporta de
la misma manera que en el plano del emisor. Por tanto, disponiendo
el elemento de ajuste en el plano del emisor o en un plano
equivalente, se hace que toda la acción de ajuste sobre este
elemento tenga un efecto sobre la conformación del campo
electromagnético en el plano del emisor.
Según un modo de realización particularmente
ventajoso, el elemento de ajuste comprende una varilla conductora
susceptible de hundirse más o menos en la guía de ondas.
La amplitud del campo eléctrico a nivel de la
varilla conductora es inversamente proporcional a la distancia
entre esta varilla y la pared de la guía de ondas situada enfrente.
Dicho de otro modo, al hundir la varilla, se aumenta el módulo del
campo eléctrico a nivel de esta varilla, y por tanto también en el
plano del emisor. Globalmente, la impedancia de la onda está
representada por el cociente del campo eléctrico entre el campo
magnético. El grado de hundimiento de la varilla conductora
modifica el campo eléctrico y modifica por tanto la impedancia en
el plano equivalente en el que se encuentra la varilla conductora
y en el plano del emisor.
De manera general, el campo electromagnético que
reina en la guía de ondas es una función de la distancia entre las
paredes de reflexión y el plano del emisor. Este campo es, en
efecto, la resultante de las ondas emitidas por el emisor y las
ondas reflejadas por las paredes de reflexión. La impedancia en un
punto de la guía de ondas depende por tanto de su distancia con
respecto al plano del emisor y con respecto a las paredes de
reflexión. En función de la longitud de onda \lambda_{g}, se
escoge según la invención que las distancias respectivas entre cada
una de las dos paredes de reflexión y el plano del emisor sean
tales que las partes imaginarias de las impedancias respectivamente
medidas sobre cada una de estas dos paredes sean sensiblemente
opuestas. Por tanto, el ajuste del elemento de ajuste, asociado a
la elección de la distancia entre las paredes de reflexión y el
plano emisor, es tal que las impedancias sobre cada una de las dos
paredes se expresan respectivamente mediante números complejos
conjugados. De este modo, la impedancia de la resultante de las
ondas reflejadas sobre cada una de las dos paredes de reflexión,
medida en el plano del emisor, presenta una parte imaginaria
nula.
Los medios de ajuste constituidos por ejemplo
por un tornillo de ajuste permiten afinar el acoplamiento para
tener en cuenta las desviaciones de niveles debidas a las
tolerancias de fabricación y las perturbaciones en el campo
electromagnético debidas, por ejemplo, al espesor de la antena.
Ventajosamente, según la invención, la guía de
ondas presenta salidas secundarias además de las salidas
principales anteriormente mencionadas. Estas salidas secundarias
están formadas por hendiduras secundarias situadas en una pared
anterior de la cavidad de la guía de ondas que desemboca en el
recinto que debe excitarse por las microondas, estando
distribuidas estas hendiduras de manera que favorecen la
homogeneidad de la distribución de las microondas en el
recinto.
La invención se entenderá adecuadamente y sus
ventajas se verán mejor con la lectura de la descripción detallada
siguiente de un modo de realización representado a título de
ejemplo no limitativo.
La descripción se refiere a los dibujos
adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquemática que
muestra el dispositivo de guía de ondas, el magnetrón y el recinto
destinado a excitarse por las microondas;
- la figura 2 es una vista lateral del
dispositivo de guía de ondas; y
- la figura 3 es una vista en alzado según la
flecha III de la figura 2.
En la figura 1, el recinto (10) puede ser de un
horno microondas o cualquier otro recinto destinado a excitarse por
microondas para el tratamiento mediante microondas de un objeto o
una carga dispuesta en dicho recinto.
Los medios utilizados para la excitación de este
recinto comprenden un magnetrón (12) apto para generar microondas,
por ejemplo a una frecuencia estándar próxima a 2450 MHz, y un
dispositivo de guía de ondas lanzador, que realiza la interconexión
entre el magnetrón y el recinto.
Las microondas generadas por el magnetrón (12)
se emiten a la guía (16) de ondas por una antena (18) de emisión
que se encuentra en esta guía. Tal como se observa mejor en la
figura 2, la antena (18) define, en la guía (16) de ondas, un plano
(P_{0}) del emisor (el plano (P_{0}) del emisor con respecto al
cual se miden las distancias (D1 y D2) está definido por la
posición del eje de simetría de la antena (18)). De manera conocida
en sí misma, la guía (16) de ondas presenta paredes de guía
paralelamente a las cuales las ondas emitidas por la antena (18) se
propagan en la dirección de propagación (F). En el ejemplo
representado, estas paredes comprenden una pared (20) posterior, en
la que fijado el magnetrón (12) y que presenta un emplazamiento
para el emisor (18). También comprenden una pared (22) anterior,
que es opuesta a la pared (20) y que, cuando la guía de ondas
coopera con el recinto (10), está dirigida hacia este recinto. Las
paredes de guía comprenden además paredes (24 y 26) laterales
indicadas en la
figura 3.
figura 3.
Por ejemplo, el campo (E) eléctrico del campo
electromagnético que reina en la guía de ondas es perpendicular a
las paredes (20 y 22) anterior y posterior, mientras que el campo
(H) magnético es perpendicular a las paredes (24 y 26)
laterales.
En la dirección (F) de propagación, la guía (16)
de ondas está delimitada por dos paredes de reflexión,
respectivamente (28 y 30), que son perpendiculares a la dirección
(F). Para la difusión de las microondas en el recinto (10), la guía
de ondas presenta dos salidas principales, respectivamente (32 y
34), que están situadas respectivamente próximas a las paredes (28
y 30) de reflexión. Con más precisión, las dos salidas principales
están formadas por hendiduras principales que se extienden
paralelamente a las paredes (28 y 30) de reflexión y que están
situadas respectivamente en las juntas de estas paredes con la
pared (22) anterior. En este caso, las hendiduras (32 y 34) están
realizadas en esta pared anterior y se extienden por toda la
anchura de esta pared, estando sus bordes de extremo delimitados
respectivamente por las paredes (28 y 30).
La primera pared (28) de reflexión de onda está
alejada del plano (P_{0}) del emisor una distancia (D1), mientras
que la segunda pared (30) de reflexión está alejada del plano
(P_{0}) una distancia (D2). Estas distancias (D1 y D2) se escogen
para que las paredes (28 y 30) de reflexión estén situadas en
regiones que, en función del diagrama de Rieke, sean óptimas desde
el punto de vista de la transmisión de energía y en las que las
impedancias sean sensiblemente conjugadas. Por tanto, las
distancias (D1 y D2) son respectivamente sensiblemente iguales a 0,2
\lambda_{g} y 0,3 \lambda_{g} módulo \lambda_{g}/2. Las
distancias (D1 y D2) son sensiblemente iguales a los valores
indicados, es decir, pueden desviarse sólo en intervalos reducidos.
Por tanto, consideradas como módulo \lambda_{g}/2, las distancias
(D1 y D2) son respectivamente próximas a 0,2 \lambda_{g} y 0,3
\lambda_{g} \pm 5% y, preferiblemente, \pm 3%.
Las paredes (28 y 30) de reflexión están por
tanto situadas en regiones en las que, en función del diagrama de
Rieke asociado al magnetrón (12), se espera que las impedancias de
la onda estén conjugadas. No obstante, ciertos parámetros perturban
ligeramente la conformación del campo electromagnético en la guía
de ondas. En particular, la antena del emisor (18) no es puntual,
sino que presenta un cierto espesor.
Para realizar el acoplamiento entre la guía de
ondas y el emisor (18) y, en particular, hacer que las partes
imaginarias de las ondas reflejadas por las paredes (28 y 30) se
anulen en el plano (P_{0}), el dispositivo comprende un elemento
(36) de ajuste. Este elemento de ajuste está constituido por una
varilla conductora o dieléctrica dispuesta ventajosamente en la
pared (20) posterior que puede hundirse más o menos en la guía (16)
de ondas. Esta varilla está situada a una distancia (D3) del plano
(P_{0}) del emisor. Esta distancia (D3) es igual a un múltiplo de
la media longitud de onda de la onda electromagnética mantenida en
la guía de ondas. Está por tanto situada en un plano (P_{1})
equivalente. Los fenómenos que se producen en tal plano son los
mismos que los que se producen en el plano (P_{0}) del emisor.
Por tanto, el ajuste de la varilla (36) modifica el valor del campo
eléctrico en el plano (P_{1}) para optimizar la potencia de la
onda en este plano. Esto permite por tanto optimizar la potencia en
el plano (P_{0}) del emisor. La presencia de esta varilla de
ajuste, conjugada con la elección de las distancias (D1 y D2) para
las paredes (28 y 30) de reflexión, permite optimizar la potencia
emitida por la antena y evitar que esta última experimente
perturbaciones debidas a las ondas reflejadas sobre las paredes (28
y 30), cuyas partes imaginarias se anulan sensiblemente en el plano
(P_{0}).
Por supuesto, podría concebirse disponer un
elemento de ajuste directamente en el plano (P_{0}) del emisor,
pero debido a la longitud axial de la antena (18) del emisor, esto
no es siempre posible. Es por ello que se ha escogido disponerlo en
el plano (P_{1}).
Como se observa mejor en la figura 3, el
dispositivo de guía de ondas presenta, además de salidas (32 y 34)
principales, salidas secundarias.
Las salidas secundarias están formadas por
hendiduras secundarias que están situadas en la pared (22) anterior
y que están inclinadas con respecto a las paredes (28 y 30) de
reflexión.
Más precisamente, se destaca ante todo que dos
hendiduras (38 y 40) secundarias están respectivamente situadas
próximas a cada una de las dos paredes (28 y 30) de reflexión. Esto
significa que estas dos hendiduras (38 y 40) están situadas a ambos
lados de un plano (P_{M}) transversal mediano del dispositivo que
es paralelo al plano (P_{0}) del emisor. Estas hendiduras son
alargadas y definen por tanto, cada una, una dirección
longitudinal, respectivamente (L38 y L40). La inclinación de las
hendiduras es tal que el ángulo (A38) entre el plano (P_{M}) y la
dirección (L38) y el ángulo (A40) entre el plano (P_{M}) y la
dirección (L40) son sensiblemente iguales a 35º (estos ángulos
están comprendidos entre 30º y 45º). Las hendiduras (38 y 40)
están por tanto inclinadas al mismo tiempo con respecto a las
paredes (28 y 30 )de reflexión y con respecto a la dirección (F) de
propagación de las microondas en la cavidad (16). Estas hendiduras
son simétricas con respecto al plano (P_{M}) mediano. Los centros
geométricos de las hendiduras, (C38 y C40), están situados en un
plano (P_{L}) longitudinal mediano del dispositivo.
Las salidas secundarias comprenden, además, una
tercera hendidura (42) secundaria, que es sensiblemente paralela a
la dirección (F) de propagación de las microondas en la cavidad
(16) y que está situada sensiblemente a igual distancia de cada una
de las dos paredes (28 y 30) de reflexión. Esta hendidura (42)
está centrada sobre el plano (P_{M}) mediano y está situada en la
parte abierta del ángulo que forman las hendiduras (38 y 40).
Las hendiduras (32 y 34) principales representan
cada una aproximadamente el 40% de la sección total de salida del
dispositivo de guía de ondas, mientras que las salidas secundarias
que comprenden las hendiduras (38, 40 y 42) representan,
consideradas en conjunto, aproximadamente el 20% de esta sección
total.
Este conjunto de hendiduras permite, por la
disposición y la longitud de las hendiduras, controlar la
homogeneidad de la temperatura de los productos tratados por las
microondas en el recinto.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante se dirige únicamente a ayudar al lector y no forma
parte del documento de patente europea. Incluso si se ha procurado
el mayor cuidado en su concepción, no se pueden excluir errores u
omisiones y el OEB declina toda responsabilidad a este
respecto.
- \bullet FR 2631199 A (0004) (0008)
- \bullet JP 05234670 B (0009)
Claims (9)
1. Dispositivo de guía de ondas lanzador para la
excitación de un recinto (10) mediante microondas procedentes de
un emisor (18) apto para hacer que reine en la guía (16) de ondas
del dispositivo un campo (E, H) electromagnético de microondas que
tienen una longitud de onda \lambda_{g}, comprendiendo el
dispositivo un emplazamiento para el emisor (18) que define un
plano (P_{0}) del emisor y dos paredes (28, 30) de reflexión de
onda cerca de las cuales están situadas respectivamente dos salidas
(32, 34) principales para las microondas, caracterizado
porque las dos paredes (28, 30) de reflexión de onda están
respectivamente alejadas del plano del emisor una distancia (D1)
sensiblemente igual a 0,2 \lambda_{g} + k \lambda_{g}/2 y una
distancia (D2) sensiblemente igual a 0,3 \lambda_{g} + p
\lambda_{g}/2, donde k y p son números enteros.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un elemento (36) de ajuste
dispuesto a una distancia (D3) del plano (P_{0}) del emisor que es
igual a n\cdot\lambda_{g}/2, siendo n un número entero.
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque el elemento de ajuste comprende una
varilla (36) conductora susceptible de hundirse más o menos en la
guía (16) de ondas.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las dos salidas
principales están formadas por hendiduras (32, 34) principales que
se extienden paralelamente a las paredes (28, 30) de reflexión y
que están situadas respectivamente en las juntas de dichas paredes
con una pared (22) anterior de la cavidad guía (16) de ondas.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque presenta,
además, salidas secundarias formadas por hendiduras (38, 40)
secundarias que están situadas en una pared (22) anterior de la
cavidad guía (16) de ondas y que están inclinadas con respecto a
las paredes de reflexión.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque presenta dos hendiduras (38, 40)
secundarias que están situadas respectivamente próximas a cada una
de las dos paredes (28, 30) de reflexión.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichas dos hendiduras (38, 40)
secundarias están inclinadas (A38, A40) con respecto a las paredes
de reflexión y con respecto a la dirección (F) de propagación de
las microondas en la cavidad guía (16) de ondas.
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque presenta una
hendidura (42) secundaria que es sensiblemente paralela a la
dirección (F) de propagación de las microondas en la cavidad guía
(16) de ondas y que está situada sensiblemente a igual distancia de
cada una de las dos paredes (28, 30) de reflexión.
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque las hendiduras
(32, 34) principales representan cada una aproximadamente el 40% de
la sección total de salida, mientras que las salidas (38, 40, 42)
secundarias representan, consideradas en conjunto, aproximadamente
el 20% de la sección total de salida.
Applications Claiming Priority (2)
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