WO1980002902A1 - Dispositifs rayonnants produisant des ondes hyperfrequences polarisees circulairement et leur utilisation dans le domaine des applicateurs a micro-ondes - Google Patents

Dispositifs rayonnants produisant des ondes hyperfrequences polarisees circulairement et leur utilisation dans le domaine des applicateurs a micro-ondes Download PDF

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J Thuery
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Microondes Int Soc Ind
J White
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    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/78—Arrangements for continuous movement of material
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas

Definitions

  • a generator powered from the mains, which produces the electromagnetic wave by means of one or more microwave tubes;
  • an applicator connected to the generator by a waveguide or a set of guides, which comprises [a metal cavity in which the treatment is carried out, and the radiating system or systems, which allow energy to exit the guides and to radiate into the cavity.
  • the basic rule is to ensure a good adaptation, that is to say a coupling as complete as possible of the energy to the material to be treated. This means that the wave reflected back to the generator must be as weak as possible, both to avoid damaging the performance and to protect the generator.
  • the object of the present invention is to provide a convenient means of achieving adaptation in these difficult cases.
  • a plane wave consists of an crossed electric field and a magnetic field, both carried by the plane perpendicular to the direction of propagation.
  • the ratio of the two fields is constant at all points and at all times, but their respective amplitudes vary.
  • the end of the vectors representing the two fields describe an ellipse.
  • the wave is elliptically polarized.
  • linear polarization where the ellipse is reduced to its long axis
  • circular polarization where the end of the vectors describes a circle
  • the fields always keep the same orientation.
  • the electric field reflected by a flat metallic surface is parallel to the incident field, and is likely to cross in the opposite direction the radiating system and to go up the guide towards the generator.
  • the device which is the subject of the invention is a radiating system, producing circularly polarized waves, by means of an antenna or an array of antennas, the description of which will be found below.
  • the energies radiated by the antennas can be equal to each other, or, on the contrary, modulated so as to produce different power levels in such and such a place of the applicator, as required.
  • the device in question one possible embodiment of which is shown in FIG. 1, may be integral with the wall of the applicator, the antennas dipping into it, or else be placed inside it. It is a waveguide (1), that is to say a hollow metal cylinder of a priori arbitrary section, pierced with longitudinal openings (2), carrying metal propellers (3) .
  • the propellers are rigidly fixed in the center of a small metal bar (4), which is placed transversely to the axis of the guide, outside and at a certain distance from the wall of the guide, for example by means of welded head screw (5).
  • Each propeller extracts part of the energy traveling through the guide by means of a capacitive metallic plunger (6), starting from the point of attachment of the propeller to its support bar, and penetrating a certain length into the guide through the opening.
  • the openings are oblong, and generally referred to as slits.
  • the waveguide is of rectangular section, and the slots are drilled on the axis of the long side, separated from each other by a distance equal to an integer multiple of, generally at ⁇ g , ⁇ g being the propagation wavelength in the guide format considered.
  • Such slots alone do not radiate. This would require that they be spaced from the axis, and all the more that they are further from the feed point.
  • the distances between slits should alternately be slightly greater and slightly less than ⁇ g / 2.
  • the addition of the propellers to this network of regularly spaced non-radiating slots makes it possible to radiate them, and to obtain a circular polarization with a maximum of field in the axis of the propeller.
  • the number of antennas per radiating device can vary between the unit and high values, of the order of several tens.
  • the waveguide of the device is supplied directly or indirectly by the generator, for example in the middle or at one of its ends. The ends are closed by fixed short circuits, or by movable short circuit pistons.
  • the radiating devices considered may be part of a larger assembly, consisting of several of these devices, in particular placed end to end or in paraHele, and which may be supplied by different microwave tubes, or several by the same tube, the power then also being distributed between devices by conventional methods.
  • the assembly generally designated by the term antenna constituted by the opening, the propeller, the fixing bar and the capacitive plunger, presents numerous possibilities of adjustment, to which must be added, at the level of the complete device, the position of the mobile short-circuit pistons and the distance between antennas.
  • the dimensions of the openings, those of the bars, their distance from the guide, the geometrical characteristics of the propeller and the distance between antennas can be imposed, and the adaptation can be made by varying the depth.
  • the plungers, the location of the propellers on the slots, and the position of the mobile short-circuit pistons The device which is the subject of the invention is not reduced to conventional networks of slots, nor to simple helicordal antennas. The latter do not appear to have been used in the field of microwave ovens. Their use is fairly standard in radar or radio communications, with coaxial cable power supply and counterweight.
  • the device which is the subject of the present invention represents an innovation, in the sense that it associates a network of slots with propellers, and that the properties of the assembly are neither those of the slots alone, nor those of the propellers alone. .
  • This device has made it possible to produce several industrial microwave ovens: in particular, a tunnel oven intended for the coagulation of sardines in their unclosed metal boxes, and an applicator intended for the treatment of textile fibers representing low charges.
  • an embodiment of the device consists of a straight rectangular guide, carrying one or more antennas located on the axis of the long side, fed at one of its ends, the other end being closed by a movable short-circuit piston.
  • FIGS 2 and 3 illustrate two examples of industrial applicators, of the tunnel type with conveyor belt, produced from the devices described above.
  • the product (8) is transported by the conveyor belt (9) along the radiating devices (10) supplied at (11) by a "microwave” source, for example a magnetron.
  • a movable short circuit piston (12) closes the waveguide at the end opposite the source.
  • a dielectric separation (13) isolates the radiating devices from the vapors, greases, dusts, produced during treatment.
  • a door (14) allows access to the treatment cavity for cleaning, maintenance, etc. needs.
  • Figure 3 shows another possibility of using the devices in question, which are mounted on the cavity no longer transversely, but longitudinally and one behind the other.
  • the product (8) is transported by the conveyor belt (9) along the radiating devices (10) supplied at (11) by a "microwave” source, for example a magnetron.
  • a movable short circuit piston (12) closes the waveguide at the end opposite the source.
  • a dielectric separation (13) isolates the radiating devices from the vapors, greases, dusts, produced during treatment.
  • a door (14) allows access to the treatment cavity for cleaning, maintenance, etc. needs.

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Abstract

Dispositif rayonnant, fonctionnant dans la gamme des micro-ondes ou hyperfrequences, fournissant des ondes polarisees circulairement, comportant un guide d'ondes (5) et des antennes portees par ce guide, qui combinent l'emploi des fentes et d'helices. Ce dispositif peut faire partie d'un ensemble de dispositifs semblables. Il permet d'obtenir des niveaux de puissance rayonnee egaux d'une antenne a l'autre, ou, au contraire, variables d'une antenne a l'autre, suivant les besoins. Son utilisation dans un applicateur industriel rend possible le traitement par micro-ondes de produits provoquant de fortes reflexions, soit parce que leur facteur de perte est insuffisant, soit parce qu'ils sont contenus dans des recipients metalliques ouverts (3), soit parce qu'ils contiennent eux-memes des parties metalliques, soit parce qu'ils presentent des heterogeneites ou des anisotropies.

Description

DISPOSITIFS RAYONNANTS PRODUISANT des ONDES HYPERFREQUENCES POLARISEES CIRCULAIREMENT et LEUR UTILISATION dans le DOMAINE des APPLICATEURS à MICRO-ONDES.
Les fours industriels à micro-ondes comportent schématïquement deux parties bien distinctes :
. un générateur, alimenté sur le secteur, qui produit l'onde électro-magnétique au moyen d'un ou plusieurs tubes hyperfréquences;
. un applîcateur, relié au générateur par un guide d'ondes ou un ensemble de guides, qui comprend [a cavité métallique dans laquelle s'effectue le traitement, et le ou les systèmes rayonnants, qui permettent à l'énergie de sortir des guides et de rayonner dans la cavité.
La règle de base est d'assurer une bonne adaptation, c'est-à-dire un couplage aussi complet que possible de l'énergie au matériau à traiter. Ceci signifie que l'onde réfléchie vers le générateur doit être aussi faible que possible, tant pour ne pas nuire au rendement, que pour protéger le générateur.
Or, il se trouve que l'adaptation est difficile dans certains cas. En particulier, lorsque le matériau à traiter est contenu dans des récipients métalliques ouverts, ou lorsqu'il contient lui-même des parties métalliques, ou encore, lorsqu'il présente une anisotropie de reflectïvite vis-à-vis de l'onde incidente. Dans les deux premiers cas, les surfaces métalliques réfléchissent une fraction importante de l'énergie. Dans le dernier cas, la réflexion sera plus ou moins importante, suivant l'orientation du champ électrique incident.
L'objet de la présente invention est de fournir un moyen commode de réaliser l'adaptation dans ces cas difficiles.
On sait qu'une onde plane se compose d'un champ électrique et d' un magnétique croisés, tous deux portés par le plan perpendiculaire à la direction de propagation. Le rapport des deux champs est constant en tout point et à tout instant, mais leurs amplitudes respectives varient. Dans le cas général, l'extrémité des vecteurs représentant les deux champs décrit une ellipse. On dît alors que l'onde est polarisée elliptiquement.
Il existe deux cas particuliers importants : la polarisation linéaire, où l'ellipse est réduite à son grand axe, et la polarisation cîrcu laire, où l'extrémité des vecteurs décrit un cercle.
Dans le cas d'une onde polarisée linéairement, les champs conservent toujours la même orientation. En particulier, le champ électrique réfléchi par une surface métallique plane est parallèle au champ incident, et est susceptible de traverser en sens inverse le système rayonnant et de remonter le guide vers le générateur.
Dans le cas d'une onde polarisée circulairement, le champ électrique réfléchi par une surface métallique plane tourne en sens inverse du champ incident, et se trouve rejeté par le système rayonnant, qui n'accepte que le sens de rotation opposé. L'onde est emprisonnée, et doit, au terme d'une série de réflexions, être absorbée par le matériau.
L'utilisation d'ondes à polarisation circulaire offre donc plusieurs avantages :
. une bonne adaptation, qui traduit un faible couplage du système rayonnant avec l'onde qu'il a lui-même émise, et avec les ondes émises par d'autres systèmes rayonnants identiques, et ce, même lorsque le produit à traiter donne lieu à des réflexions importantes; . un chauffage régulier des milieux homogènes et isotropes, du fait de la rotation du champ électrique; . pour la même raison, un moyen commode de traiter de façon convenable des milieux hétérogènes ou anisotropes, lorsqu'il est matériellement impossible d'aligner un champ électrique polari¬ sé linéairement sur la direction d'absorption maximale du produit. Le dispositif faisant l'objet de l'invention est un système rayonnant, produisant des ondes polarisées circulairement, par le moyen d' une antenne ou d'un réseau d'antennes, dont on trouvera ci-après la description. Les énergies rayonnées par les antennes peuvent être égales entre elles, ou, au contraire, modulées de façon à produire des niveaux de puissance différents en tel ou tel endroit de l'applicateur, suivant les besoins. Le dispositif en question, dont une réalisation possible est représentée sur la Figure 1, peut être solidaire de la paroi de l'applicateur, les antennes plongeant dans celui-ci, ou bien être placé en son intérieur même. II s'agit d'un guide d'ondes (1), c'est-à-dire d'un cylindre métallique creux de section à priori quelconque, percé d'ouvertures longitudinales (2), portant des hélices métalliques (3). Les hélices sont rigidement fixées au centre d'une petite barre métallique (4), laquelle est placée transversalement par rapport à l'axe du guide, à l'extérieur et à une certaine distance de la paroi du guide, par exemple au moyen de vis à tête soudée (5). Chaque hélice extrait une partie de l'énergie se progageant dans le guide au moyen d'un plongeur métallique capacitif (6), partant du point de fixation de L'hélice à sa barre de support, et pénétrant d'une certaine longueur dans le guide à travers l'ouverture. Les ouvertures sont de forme oblongue, et généralement désignées sous le terme de fentes.
Dans une réalisation du dispositif, le guide d'ondes est de section rectangulaire, et les fentes sont percées sur l'axe du grand côté, séparées l'une de l'autre par une distance égale à un multiple entier de , généralement à λg, λg étant la longueur d'onde de propagation dans le format de guide considéré. De telles fentes, seules, ne rayonnent pas. Il faudrait pour cela qu'elles soient écartées de l'axe, et d'autant plus qu'elles soient plus éloignées du point d'alimentation. De plus, pour éviter des problèmes de résonance, il faudrait que les distances entre fentes soient alternativement un peu supérieures et un peu inférieures à λg/2.
L'adjonction des hélices à ce réseau de fentes non rayonnantes régulièrement espacées permet de les faire rayonner, et d'obtenir une polarisation circulaire avec un maximum de champ dans l'axe de l 'hélice. Ceci à condition que le périmètre de la fente, ainsi que celui des spires de I'hélice , soient proches de la longueur d'onde dans le vide W o. Cette condition est réalisée dans le cas de la présente invention. Le nombre d'antennes par dispositif rayonnant peut varier entre l'unité et des valeurs élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines. Le guide d'ondes du dispositif est alimenté directement ou indirectement par le générateur, par exemple en son milieu ou à une de ses extrémités. Les extrémités sont fermées par des courts-circuits fixes, ou par des pistons mobiles de court-circuit.
Par ailleurs, les dispositifs rayonnants considérés pourront faire partie d'un ensemble plus vaste, constitué par plusieurs de ces dïspositifs, en particulier mis bout à bout ou en paraHele, et qui pourront être alimentés par des tubes hyperfréquences différents, ou bien plusieurs par le même tube, la puissance étant alors également repartie entre dispositifs au moyen de procédés classiques.
L'ensemble globalement désigné sous le terme d'antenne, constïtué par l'ouverture, l'hélice , la barre de fixation et le plongeur capacitif, présente de nombreuses possibilités d'ajustement, auxquelles il faut ajouter, au niveau du dispositif complet, la position des pistons mobiles de court-circuit et la distance entre antennes. On peut en particulier jouer sur les dimensions des fentes, sur l'emplacement des hélices, sur le pas, le diamètre, la section, le nombre des tours, le sens et la pente d'enroulement des hélices, sur les dimensions des barres transversales et leur distance au guide, sur le diamètre des plongeurs et leur profondeur d'enfoncement dans le guide; on peut également terminer les plongeurs par des obstacles de tailles diverses, par exemple des écrous borgnes, qui modifient leur impédance.
Par le jeu de ces diverses possibilités d'ajustement, on parvient à faire rayonner par chaque antenne la quantité de puissance voulue, par exemple la même puissance pour toutes les antennes, ou bien des puissances variables le long du dispositif. D'autre part, on parvient à obtenir une bonne adaptation à large bande, c'est-à-dire un niveau global de puissance réfléchi par le dispositif suffisamment faible sur une plage de fréquences couvrant toute l'étendue de la bande allouée utilisée.
En pratique, il est commode de réduire le nombre des paramètrès en considérant un certain nombre comme fixes. A titre d'exemple non restrictif, on peut s'imposer les dimensions des ouvertures, celles des barres, leur distance au guide, les caractéristiques géométriques de l'hélice et la distance entre antennes, et réaliser l'adaptation en faisant varier la profondeur d'enfoncement des plongeurs, l'emplacement des hélices sur les fentes, et la position des pistons mobiles de court-circuit. Le dispositif faisant l'objet de l'invention ne se ramène pas aux réseaux de fentes classiques, ni aux simples antennes hélîcordales. Ces dernières ne semblent pas avoir été utilisées dans le domaine des fours à micro-ondes. Leur emploi est assez classique en radar ou radio-communications, avec alimentation par câble coaxial et contrepoids.
On trouve, par contre, de nombreux exemples d'emploi des réseaux de fentes rayonnantes. Par exemple, dans les systèmes décrits par les brevets français 7001187 (GUERGA - HALLIER) et 7037965 (HALLIER -COQUET), 71 27618 (POURRAT, ZWOBODA, DENIS), 7706546 (FOURNET, FAYAS), par les brevets allemands 2558589 (FRITZ), et 2622 173 (KUSONOKI, YOSHIMURA), ou par le brevet américain 3961 568 (JEPPSON).
Le dispositif faisant l'objet de la présente invention représente une innovation, en ce sens qu'il associe un réseau de fentes à des hélices, et que les propriétés de l'ensemble ne sont ni celles des fentes seules, ni celles des hélices seules.
Ce dispositif a permis la réalisation de plusieurs fours industriels à micro-ondes : en particulier, d'un four tunnel destiné à la coagulatîon des sardines dans leurs boftes métalliques non fermées, et d'un applïcateur destiné au traitement de fibres textiles représentant de faibles charges.
Ces deux réalisations fonctionnent de manière parfaitement satisfaisante, et n'auraient pas été envisageables sans le dispositif décrit. De manière générale, le dispositif en question est apte à rendre possible le traitement par micro-ondes de charges faibles, c'est-à-dire essentiellement de produits en faible quantité ou à faible facteur de pertes, ou de corps comportant des parties métalliques, ou de matériaux hétérogènes ou anîsotropes, sans que cette liste soit limitative. En particulier, une réalisation du dispositif consiste en un guide rectangulaire droit, portant une ou plusieurs antennes situées sur l'axe du grand côté, alimenté en une de ses extrémités, l'autre extrémité étant fermée par un piston mobile de court-circuit.
Les figures 2 et 3 illustrent deux exemples d'applicateurs industriels, du type tunnel avec bande transporteuse, réalisés à partir des dispositifs décrits ci-dessus. Sur ces figures, on voit en (7) les cavités recevant le rayonnement "micro-ondes". Le produit (8) est transporté par la bande transporteuse (9) le long des dispositifs rayonnants (10) alimenté en (11) par une source "micro-ondes", par exemple un magnétron. Un piston mobile de court-circuit (12) ferme le guide d'ondes à l'extrémité opposée à la source.
Une séparation diélectrique (13) isole les dispositifs rayonnants des émanations de vapeurs, graisses, poussières, produites en cours de traitement. Une porte (14) permet l'accès de la cavité de traitement pour les nécessités du nettoyage, maintenance, etc.
La figure 3 montre une autre possibilité d'utilisation des dispositifs en question, qui sont montés sur la cavité non plus transversalement, mais longïtudînalement et les uns derrière les autres. Comme sur la figure 2, on voit en (7) les cavités recevant le rayonnement "micro-ondes". Le produit (8) est transporté par la bande transporteuse (9) le long des dispositifs rayonnants (10) alimenté en (11) par une source "micro-ondes", par exemple un magnétron. Un piston mobile de court-circuit (12) ferme le guide d'ondes à l'extrémité opposée à la source.
Une séparation diélectrique (13) isole les dispositifs rayonnants des émanations de vapeurs, graisses, poussières, produites en cours de traitement.
Une porte (14) permet l'accès de la cavité de traitement pour les nécessités du nettoyage, maintenance, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1°) Dispositif rayonnant dans la gamme des micro-ondes,' composé d' un guide d'ondes portant une antenne qui produit une polarisation circulaire, caractérisée en ce que ladite antenne comprend une fente ou ouverture allongée percée longitudinalement dans la paroi du guide, et complétée par une hélice, métallique supportée par une petite barre montée à l'extérieur du guide, transversalement et à une certaine distance de celui-ci, dont les extrémités sont rendues solidaires de la paroi extérieure du guide par des entretoîses métalliques ajustables; l'hélice étant elle-même prolongée par un plongeur capacitif, pénétrant dans le guide à travers l'ouverture.
2°) Dispositif composé d'un guide d'ondes comportant un alignement de deux ou plusieurs antennes similaires à celle décrite dans la revendication 1, chacune rayonnant des niveaux de puissance égaux, ou, au contraire, différents, suivant les besoins de l'application. Ledit dispositif étant ajustable au moyen de divers paramètres géométriques : dimensions et emplacement des fentes, caractéristiques géométriques des antennes et position de celles-ci sur les ouvertures, dimensions des barres transversales et de ces dernières au guide, forme, dïmensîons et profondeur d'enfoncement des plongeurs capacitifs, position des pistons mobiles de court-circuit terminant le guide. 3°) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les fentes sont des fentes shunt longitudinales percées sur l'axe du grand côté d'un guide d'ondes rectangulaire. 4°) Applicateur à micro-ondes, comprenant une ou plusieurs cavités électro-magnétiques, équipées chacune d'un ou de plusieurs dispositifs rayonnants similaires à celui décrit dans les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le niveau de puissance réfléchie vers le générateur est faible quelle que soit la charge contenue dans la cavité, et en particulier lorsque le produit soumis au rayonnement est contenu dans des récipients métalliques ouverts ou contient lui-même des parties métalliques, ou lorsque la charge est faible, ou encore lorsqu' elle présente des hétérogénéités ou des anisotropies. 5°) Applicateur à micro-ondes de forme allongée et de section recta ngulaire ou circulaire, équipé d'une pluralité de dispositifs rayonnants selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que tous les dispositifs sont modulaires et alignés l'un après l'autre, et montés le long de l'axe longitudinal d'une des parois de l'applicateur ou d'une génératrice. 6°) Applicateur à micro-ondes de forme allongée et de section rectangulaire ou ayant la forme d'un segment circulaire fermé par une droite, équipé d'une pluralité de dispositifs rayonnants selon les revendication 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que ces dispositifs sont modulaires et montés le long d'une des parois de façon perpendiculaire ou oblique à I' axe de l'applicateur le Jong de la paroi plane de l'applicateur à section partiellement circulaire.
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