SE529292C2 - Mikrovågsvärmningsapplikator - Google Patents

Description

25 30 35 529 292 2 m. Placeringen av en matningsslits symmetriskt mellan applikatorväggarna i den andra riktningen (y) tillåter endast udda index n i den riktningen.

I det svenska patentet 526 l69 dras slutsatsen att endast udda modindex m skall användas, av de skäl som ges ovan. Detta och andra utformningskriterier leder till en ganska stor minsta horisontell öppningsyta för I ett typiskt fall för 2450 MHz är denna öppningsyta cirka 183 X 306 mm och moden är TEyme, applikatorn. där m- indexet är 3, n-indexet l och bokstaven e betecknar avklingningsutbredning i applikatorns z~riktning. En tillräckligt hög effektflödestäthet mot lasten kan då inte uppnås med standardmagnetroner på l kW och större magnetroner är vanligen inte kostnadseffektiva. Det är därför önskvärt att utforma applikatorer med mindre horisontella dimensioner under bibehållande av de övriga gynnsamma egenskaperna hos applikatorerna enligt det svenska patentet 526 169.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att lösa ovanstående problem rörande behovet att åstadkomma en mindre applikatoröppning i relation till frirymdsvåglängden.

De viktiga faktorerna att bibehålla är då: l. avklingning hos huvudmoden, eftersom detta sörjer för en okänslighet (av både systemresonansfrekvensen och systemets impedandanpassning) till de gällande belastningsförhållandena; 2. ett mycket förutsebart värmningsmönster, som möjliggör en sicksackplacering av påföljande applikatorrader i en tunnelugn, för erhållande av en jämn värmning över tunnelns tvärsnitt; 3. en mycket låg utspridning av fältintensiteten i x-riktningen under applikatorn, så att oförutsebara eller multimod-värmningskarakteristika blir försumbara; 10 15 20 25 30 35 529 292 3 4. en mycket låg utspridning av fältintensiteten i y-riktningen, av samma skäl som angetts ovan; 5. en mycket låg korskoppling (s.k. överhörning) mellan närliggande applikatorer, för bibehållande av en hög systemverkningsgrad såväl som för undvikande av att magnetroner kan skada varandra, i system med flera applikatorer.

Den grundläggande applikatorprincipen med avklingningsmod bibehålls i föreliggande uppfinning. En första fråga är då huruvida rektangulära applikatorer med mindre modindex m än 3 kan utformas, med bibehållande av de andra kriterierna. Men vidare överväganden kan också göras, kring användning av dielektrika i applikatorn, kring lutande applikatorväggar, och kring andra moder och applikatorformer än rektangulära sett uppifrån. Dessa möjligheter diskuteras först.

Att fylla applikatorn med ett dielektrikum resulterar i bibehållande av dess inre modegenskaper om alla dimensioner också reduceras med en faktor JE, där s är dielektrikumets dieltal. Detta innebär att den horisontella öppningsytan minskas med en faktor s. Men eftersom man också måste ta hänsyn till vågreflexionerna vid den öppna dielektriska ytan, måste problemen med krav på stor närhet till lasten övervägas. Användning av ett dielektrikum med högt dieltal beskrivs i exempelvis patentskriften US 4,392,039; applikatormoden är då inte avklingande men vågutbredningen utanför den är det. Detta reducerar mikrovågsläckaget då applikatoränden är i fria rymden, men kräver också att lasten skall vara mycket nära den öppna dielektriska änden. Dielektrikumet enligt föreliggande uppfinning behöver inte uppfylla hela applikatorn. Användning av en åtminstone delvis dielektrisk fyllning och att i princip minska alla applikatormått med en faktor relaterad till J: är därför en möjlighet, och kommer även att medföra en starkare energikoppling till en last nära dess ände, såväl som en ytterligare minskning av mikrovågsläckaget från 10 15 20 25 30 35 529 292 4 applikatorn bort från den och även in till närliggande applikatorer. Dielektrisk fyllning utgör en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Att variera applikatorns tvärsnitt medelst lutande väggar, d.v.s. att göra den matematiskt sett icke- cylindrisk, kommer att ändra modvàglängderna. En avklingningsapplikator med konstant tvärsnitt kommer i matningsområdet att ha en stor energikoncentration och därmed större väggströmmar. Intensitetsbalansen mellan de två moderna som samverkar enligt föreliggande uppfinning kan också modifieras medelst användning av endast svagt lutande väggar. De två faktorerna ovan är fördelaktiga, men den mekaniska utformningen och monteringen blir mer komplicerade eftersom den föredragna utföringsformen är att göra applikatoränden smalare än dess övre ände.

Vad gäller användningen av andra horisontella tvärsnitt än rektangulära måste man först hålla i minnet att det finns ett behov av en icke-försvinnande fältstyrka i det centrala området, eftersom ett väsentligen ”fokuserat”, jämnt eller randigt värmningsmönster önskas i lasten. Användning av cirkulära valvytmoder (s.k. whispering gallery-moder) är sålunda starkt olämpliga. Men cirkulära TM-liknande moder med förstaindex l är möjliga, eftersom dessa moder verkligen har högre fältstyrkor i de centrala områdena. Men användning av icke-rektangulära applikatorer minskar användningen av den horisontella ytan, så att avståndet mellan värmningsområdena minskar i jämförelse med det för rektangulära applikatorer. Detta medför en minskning av den effektiva värmningshastigheten i tunnelugnstillämpningar.

En första utföringsform av föreliggande uppfinning är emellertid användning av rektangulära TEy~moder av det slag som beskrivs i det svenska patentet 526 169, men med lägre modindex m än 3. Koordinatriktningarna ges i bifogade Figur l. 10 15 20 25 30 35 i 529 292 5 Det första alternativet är m=2. Applikatormåtten i x-riktningen (=a) blir då något mer än Zxälo, d.v.s. omkring 125 mm för den standardiserade ISM-mittfrekvensen 2450 MHz. Med matningen av en y-riktad slits centrerad i taket och ett realistiskt kort applikatormått (b) i y- riktningen är de möjliga moderna andra än huvudmoden TEym i tvärsnittet: Tßym, Tßym and TEyM. Om emellertid b är mindre än ca 200 mm vid 2450 MHz kan endast moderna TEym och TEy@ möjligen utbreda sig.

Såsom beskrivs i det svenska patentet 526 169 behövs en andra mod av utbredningstyp för att motverka det magnetiska fältet (och därmed ytströmmarna) vid de två motsatta y-riktade applikatorväggarna, som resulterar i en begränsning av den energi som utbreder sig nedåt under applikatoröppningen (d.v.s. en stark minskning av utspridningen i ix-riktningarna). Både TEym-moden och delvis också TEym-moden kan uppfylla detta.

I detta fall är endast TEym-moden och TEym-moden möjliga. Dessa moder Det andra alternativet är m=l. kan emellertid inte uppfylla kriteriet på motverkan av de magnetiska fälten och därigenom ytströmmarna i de två motsatta y-riktade applikatorväggarna. Det blir vidare inget maximum hos Poyntingvektorn vid den z-riktade centrallinjen. Konsekvensen är att m=l inte kan användas som en utföringsform av denna uppfinning.

Kort beskrivning av figurerna De geometriska definitionerna och egenskaperna hos föreliggande uppfinning illustreras i de följande bifogade ritningarna, på vilka: Figur 1 visar en perspektivvy av en anordning med tre rektangulära applikatorer enligt föreliggande uppfinning, inklusive en definition av koordinatriktningarna; Figur 2a visar en perspektivvy av de dominerande Tßyn-fälten, och Figur 2b visar en perspektivvy av TEy@n- 10 15 20 25 30 35 529 292 6 fälten, i en rektangulärt cylindrisk applikator enligt föreliggande uppfinning; Figur 3 visar en perspektivvy av en cirkulärt cylindrisk applikator enligt föreliggande uppfinning.

Utförlig beskrivning En utföringsform av en applikator enligt föreliggande uppfinning beskrivs nu, med första referens till Figur 1. Var och en av de tre applikatorerna 4 matas av en slits 2 längs en sidovägg 3 nära ändkortslutningsväggen hos en normal rektangulär TEN- vågledare 1. Den andra änden av vågledaren fortsätter till en övergàngsdel till mikrovâgsgeneratorn. Dessa delar visas inte, eftersom sådana arrangemang är uppenbara för fackmannen. Applikatorerna är öppna i bottnen, in till ett utrymme 6 där arbetslasten (ej visad) är belägen. Närliggande applikatorer har en gemensam sidovägg såsom 5, och det kan också finnas horisontella metallflänsar 10 som är svetsade på en eller flera av väggarna 5. Applikatorarrangemanget kan vara anordnat i sicksack åt sidorna, så att en följande triplett i y-riktningen har ett större område 8 av last- eller tunnelområdet 6 på andra sidan. Det kan finnas räler 7 av metall eller ett dielektriskt material, i bottnen av tunnelområdet 6.

Det generella utförandet av applikatorerna 4 med väggar 5, flänsar 10, lastområdet 6, sicksackförskjutningen och rälerna 7 är väsentligen detsamma som i det svenska patentet 526 169. Även det speciella och stora metallblocket för impedansanpassning liknar det i ovannämnda svenska patent. Emellertid är matningsslitsen 2 annorlunda, liksom dess placering i vågledaren 1, såväl som applikatorstorleken, och som en konsekvens därav även applikatormoderna.

Figur 2a är avsedd att illustrera några egenskaper hos avklingningsmoden TEyäm- SOm ett exempel på en föredragen utföringsform för drift vid 2450 MHz enligt 10 15 20 25 30 35 i 529 292 7 föreliggande uppfinning är det x-riktade applikatormåttet a l28 mm och det y-riktade måttet b l9O mm. Det i första hand inducerade fältet är magnetiskt (H), så som illustreras av ovalerna 14. Fältpolariteten kastas om på halva a-avståndet 12. Det finns emellertid svårigheter med att illustrera Hefältets intensiteter; till att börja med eftersom kvoten mellan de maximala Hy- och Ig- intensiteterna är mb/na i första ordningen, och vidare eftersom modens avklingning ger en försvagning av H- fälten längs z~riktningen. I fallet med den föredragna utföringsformen blir mb/na nästan 3 och det z-riktade avståndet över vilket energitätheten avtar med en faktor 1/e blir omkring 170 mm.

En ytterligare punkt av vikt är att den nedàtriktade (z) Poyntingvektorn beror på den horisontella elektriska E-fältkomponenten, som i detta fall är Eg eftersom Ey är noll då moden är av typen hybrid-TEy. Det z-beroende förloppet hos Ex är komplicerat, beroende på det faktum att fram- och återgående avklingande vågor inte är ortogonala så som är fallet för normala utbredningsmoder.

I själva verket blir E;-komponenten väsentligen oberoende av z och av ungefär samma amplitud vid applikatoröppningen som den dominerande E¿-komponenten, vilket illustreras av de vertikala pillinjerna 13 i Figur 2a. Denna komponent avtar approximativt exponentiellt i riktning mot applikatoröppningen, på samma sätt som Hy.

Figur 2b är avsedd att illustrera några egenskaper hos utbredningsmoden TEy@n. Det finns ingen variation av intensiteterna i X-riktningen, så moden är i själva verket densamma som TEZOH-moden.

Då både TEyQm- och TEYM2-moderna exciteras av slitsen 2, blir polariteterna hos HQ vid den öppna änden av väggarna x = O och a motsatta, där, under förutsättning att applikatorhöjden är sådan liksom Eg-polariteterna att den approximativt understödjer en inre TEym¿~mod.

Detta resulterar i att nästan enbart Hy och Ex återstår i 10 15 20 25 30 35 529 292 8 det centrala öppningsområdet och utbreder sig nedåt (z) bort från applikatorn.

Resonans vid en önskad frekvens hos systemet bestående av applikatorn och ett kort tomt område följt av arbetslasten därunder kan åstadkommas medelst rätta valet av de tre applikatormàtten som parametrar, med ett exempel på x- och y-data för en föredragen utföringsform som getts ovan, med en z-riktad applikatorhöjd på ll5 mm.

Denna är ungefär vågledarvåglängden hos TEyM-moden: 129 mm vid 2450 MHz. Sålunda blir modindexet p i z-riktningen omkring 2.

För att systemanpassning skall nås fordras en avsevärd impedanstransformation, analogt med de fall som beskrivs i det svenska patentet 526 l69. Detta uppnås på flera vägar, såsom användning av en TEN-matningsvågledare l med låg höjd, en klart kort slits 2 och ett klart stort metallblock 9. Kombinationer av data på dessa och applikatormåtten kan användas för optimering av nedåt- ”fokuseringen” och minimering av korskopplingen mellan närliggande applikatorer. En annan föredragen utföringsform som ger något mindre ”fokusering” och ett lägre godhetstal (Q-värde) hos systemet, och som kan vara lämplig för vissa tillämpningar, är l35Xl35 mm med oförändrad höjd 115 mm.

Andra matematiskt cylindriska tvärsnitt än rektangulära kan naturligtvis användas, under förutsättning att de tillåter samma nollning av de horisontella H- och E-fälten i applikatoröppningens periferiområde. Det enklaste och ett praktiskt exempel är ett cirkulärt tvärsnitt. Det bör då märkas att hybridmoder såsom i det rektangulära fallet inte uppträder, eftersom TE- och TM-moder inte är degenererade. Ett sådant system illustreras i Figur 3.

Slitsen 2 i vågledaren 1 är nu vid kortslutningsväggen och inte längs sidan 3. Applikatorn 4 har cirkulära väggar 5 och öppnar sig i planet ll till ett område 6 där arbetslasten (ej visad) befinner sig. En föredragen 10 15 i 529 292 9 utföringsform vid 2450 MHz av denna version har en applikatordiameter 144 mm och en höjd 95 mm.

Avklingningsmoden är nu TMH, med ett avklingningsdjup på omkring 75 mm. Den kompenserande moden är TBH, med en våglängd på omkring 140 mm.

Användning av rektangulära applikatorer med modpar TEyhfl,e och TEy@m@;he med jämna heltal m 2 2 ger inga väsentliga fördelar, beroende på svårigheterna att bibehålla de två arbetande moderna ostörda medelst en enkel slitsmatning, och de ytterligare komplikationerna vid utformning av en symmetrisk flerslitsmatning som skall eliminera moder med udda index m. Såsom sägs i det svenska patentet 526 169 är modkombinationer med udda m då att föredra.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 529 292 fc? PATENTKRAV

1. Rektangulärt cylindrisk mikrovågsapplikator som är anordnad att arbeta vid en förutbestämd frekvens och som har första (x) och andra (y) transversella mått och ett longitudinellt (z) mått, kännetecknad av att nämnda mått är valda så att applikatorn vid nämnda förutbestämda frekvens stödjer en första hybrid-avklingningsmod TEyh¿,e och en andra utbredningsmod TEyur2H1, där m är ett jämnt heltal.

2. Mikrovågsapplikator enligt krav 1, varvid applikatorn har ett långsamt minskande tvärsnitt längs sin längd från matningsänden till den öppna änden, och varvid nämnda hybrid-avklingningsmod och nämnda utbredningsmod stöds åtminstone någonstans inuti applikatorn.

3. Mikrovàgsapplikator enligt krav 1 eller 2, varvid avklingningsmoden har ett energiavklingningsdjup som är ungefärligen lika med det longitudinella (z) måttet hos applikatorn.

4. Mikrovågsapplikator enligt något av kraven 1-3, dessutom innefattande en i taket anordnad centrerad matningsslits, som ansluter till en TEN- matningsvågledare.

5. Mikrovågsapplikator enligt krav 4, dessutom innefattande ett metallblock anordnat centralt i vågledaren nära matningsslitsen.

6. Mikrovågsapplikator enligt något av ovanstående som är helt eller delvis fylld med ett dielektrikum med jämförelsevis lågt dieltal för att minska dess krav, övergripande mått. 10 H

7. Mikrovågsarrangemang innefattande åtminstone två mikrovågsapplikatorer enligt något av kraven 1-6, varvid applikatorerna har endast y-riktade slitsar.

8. Mikrovågsarrangemang enligt krav 7, varvid två närliggande applikatorer har gemensamma y-riktade väggar.

9. Mikrovàgsarrangemang innefattande rader med vardera åtminstone två mikrovàgsapplikatorer enligt något av kraven l-5, varvid närliggande rader är sidledes förskjutna så mycket att överlappande värmningsmönster erhålls i laster som passerar under raderna.