WO2020254701A1 - Sistema y método para mejorar el rendimiento energético de un proceso de calentamiento por microondas - Google Patents

Sistema y método para mejorar el rendimiento energético de un proceso de calentamiento por microondas Download PDF

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WO2020254701A1
WO2020254701A1 PCT/ES2020/070273 ES2020070273W WO2020254701A1 WO 2020254701 A1 WO2020254701 A1 WO 2020254701A1 ES 2020070273 W ES2020070273 W ES 2020070273W WO 2020254701 A1 WO2020254701 A1 WO 2020254701A1
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quasi
input
microwave
signal
load
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PCT/ES2020/070273
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jesús María REBOLLAR MACHAIN
José Ramón MONTEJO GARAI
Jorge Alfonso Ruiz Cruz
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Universidad Politecnica de Madrid
Universidad Autonoma de Madrid
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Universidad Politecnica de Madrid
Universidad Autonoma de Madrid
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/70—Feed lines
    • H05B6/704—Feed lines using microwave polarisers

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of microwave waves and more specifically to the use of microwave waves in heating processes of industrial systems or microwave ovens, with improved energy efficiency.
  • Electromagnetic signals with frequencies in the range between 0.1 and 100 Gigahertz (GHz) are commonly used for the transmission and reception of information signals, using what is known as microwave systems.
  • GHz Gigahertz
  • the energy exchange between electromagnetic fields and the dissipation of energy in the form of heat which is commonly used in many heating systems for industrial use and also in ovens for domestic use, is well known.
  • a characteristic that completely marks the operation of these systems is the operating frequency band, corresponding to the so-called ISM (Industrial, Scientific and Medical) bands. For example, for domestic microwave ovens, this frequency is 2.45 GHz.
  • ISM Industrial, Scientific and Medical
  • this frequency is 2.45 GHz.
  • polarization This is commonly used in communication systems where the different polarizations used are: vertical, horizontal, circular to the right (C +) and circular to the left (C-).
  • a figure of merit which is the discrimination of orthogonal polarizations vertical versus horizontal and circular to the right versus circular to the left
  • Very high discrimination values are necessary to separate the different polarizations and ensure correct operation of these systems.
  • the polarization property remains in the background, since the objective is not to transport information, but to convert the electromagnetic field generated through a feeder system, connected by a side to a microwave signal generator, and on the other side to a load (the object to be heated), in heat dissipation in the load
  • the charges are very different and with very different electromagnetic properties (type of material, shape, etc.). This causes that the waves that are reflected at the entrance of the feeder system can present large variations, with a very significant associated power.
  • the feeder system be able to deliver all the power of the generator regardless of the material to be heated (that is, using the microwave circuit engineering terminology, whatever the load is connected to the heating system), or at least the generator is not affected by reflection from the power supply system and the load. This situation is the most realistic, since completely canceling this reflection is an unlikely scenario from a technical point of view due to the multitude of materials, with their respective shapes, that can be subject to heating.
  • a first solution that is usually adopted so that the generator is not affected is to place an isolator at the generator output.
  • the isolator is, from the electromagnetic point of view, a non-reciprocal device made with ferrites, and economically expensive.
  • the power reflected by the load does not reach the generator, as it is absorbed by the insulator (which is a dissipative element, that is to say, the energy reflected by the material to be heated is dissipated inside it as heat, resulting in a waste of energy ).
  • This situation is represented in detail in Figure 1, where the diagram of the transmission chain of the microwave signal for heating is shown, formed by a microwave generator 100 and a microwave antenna (the electromagnetic field applicator excited in the generator 100 to the material to be heated) 120.
  • an insulator 102 which allows the signal 101 from the generator to pass to the antenna.
  • the signal 103 that reaches the antenna, one part is dissipated in the load 104, but another part 105 is reflected towards the generator.
  • the parameter that quantifies the quotient of the reflected signal 105 on the incident signal 103 is the reflection coefficient p B 106 and is determined by the characteristics (electromagnetic properties, shape, temperature, etc.) of the material to be heated.
  • the isolator 102 in this case protects the generator, absorbing the reflected signal 105 by dissipation, and preventing it from reaching the generator. However, this signal 105 has dissipated on the insulator, instead of on the material to be heated, decreasing the energy efficiency.
  • FIG. 2 Another possibility based on non-reciprocal elements is to use circulators with a dissipative element (adapted loads of the resistive type) purposely incorporated in the design to dissipate the power that cannot be delivered to the load to be heated and is reflected by it towards the generator.
  • a dissipative element adapted loads of the resistive type
  • FIG. 2 Another diagram of the transmission chain of the microwave signal for heating is shown, with the microwave generator 100 and the microwave antenna (the applicator of the field to the material to be heated) 120. Between the two, to protect the generator 100, there is a circulator 108 (three-door circuit), which allows the signal 101 from the generator to pass to the antenna.
  • part of the energy of the generator 101 has been dissipated in an element (in this case the load 107) and not in the material to be heated, thus reducing the energy efficiency.
  • the generator and the antenna of microwaves (the applicator from the field to the material to be heated) 120 two circuits known as hybrid couplers 202, 204 of division 3 dB are inserted, and a gyrator 203 (circuit that changes the phase of the transmitted wave in a direction with respect to the wave transmitted in the opposite direction).
  • the signal from the generator 101 passes through these components and becomes the signal 103 that drives the field applicator 120.
  • One part 104 is reversed in heating the material, but another part 105 is reflected due to the reflection coefficient p B 106 and dissipates at dissipative loads 107.
  • the state of the art lacks a solution that improves the protection of the microwave generator against variability in the reflection conditions of eventual charges, without penalizing energy performance, since known solutions go through complex systems based on in power dissipative elements, not reciprocal with improved energy efficiency.
  • a system for microwave heating comprising:
  • - modal transition means configured to transform an input linear polarization into a first circular polarization
  • the quasi-isolating device passive, reciprocal, with three electric gates and coupled to a microwave transmission chain, where the quasi-isolating device is configured to reflect a second circular polarization orthogonal to the first, where the second circular polarization is it occurs when the first circular polarization of the transition means is reflected in a charge to be heated; where, in a process of heating the charge, with reflection coefficient p, with the output circular polarization, the reflection coefficient at the input of the quasi-isolating device is less than p.
  • the power delivered to the load to be heated is maximized by making use of the two orthogonal circular polarizations, where a circular polarization in one direction of rotation occurs when the orthogonal circular polarization in the other direction is reflected in the load.
  • the design of the quasi-isolator device is contemplated with coefficients close to those defined for ideal behavior.
  • the reflection coefficient at the input of the device is quasi- insulator is approximately p 2 B. Therefore, advantageously, for loads such as those used in heating that comply with 0 ⁇
  • the modal transition means comprise: means for transforming the input linear polarization into two orthogonal linear polarizations; and a phase shifting means, configured to offset the two orthogonal linear polarizations by 90 °.
  • an input waveguide connected at one of its ends to an input electric gate of the quasi-isolator device, where the input waveguide is connectable by another of its ends to a microwave generator; and an output waveguide, connected at one end to the electrical output gates of the quasi-isolator device, where the output waveguide is connectable at the other end to a microwave antenna.
  • the system comprises a horn-type microwave antenna, connected to the output waveguide and configured to, when excited by the output circularly polarized microwaves, apply an electromagnetic field to the output waveguide.
  • the charge characterized by a reflection coefficient p.
  • an adapter module is arranged between the output ports of the quasi-isolator device and the input of the horn-type microwave antenna.
  • the circular polarization coming out of the phase shifter can be adapted to the signal that will excite the electromagnetic field applicator with the load to be heated.
  • the output waveguide is a circular waveguide that comprises a single physical output gate for the two electrical output gates of the quasi-isolator device, each one for each of the two TEn modes of the circular waveguide.
  • the modal transition means are arranged in a dielectric substrate and comprise: phase shifting means configured to phase shift a polarized input signal linearly; and a patch type antenna with two orthogonal inputs connected to the electrical output ports of the quasi-isolator device, configured to radiate a circularly polarized electromagnetic field.
  • one of the embodiments comprises an input polarizer connected to an input electrical gate of the quasi-isolator device, configured to transform an input circular polarization into an output linear polarization.
  • the system of the present invention can be adapted to scenarios in which the input is circularly polarized, without changing its configuration and operation other than adding said input polarizer.
  • the modal transition means form part of the quasi-isolator device.
  • a second aspect of the invention relates to a method for microwave heating that comprises the steps of: providing a linearly polarized microwave signal at an input of a reciprocal, passive, quasi-isolating device, with three electric gates and coupled to a microwave transmission chain; transforming, in a modal transition means, the linearly polarized microwave signal into a first circularly polarized microwave signal; applying, by a microwave antenna, the first circularly polarized microwave signal to a load of reflection coefficient p, such that a part of the circularly polarized microwave signal is reflected in the load and a second orthogonally circularly polarized signal is produced at first; and reflecting, in the quasi-isolating device, the second signal circularly polarized and orthogonal to the first, so that a reflection coefficient at the input of the quasi-isolating device results less than p.
  • the power delivered to the load to be heated is thus maximized by making use of the two orthogonal circular polarizations, where a circular polarization in one direction of rotation occurs when the orthogonal circular polarization in the other direction is reflected in the load.
  • transforming the linearly polarized microwave signal into the first circularly polarized microwave signal comprises: transforming the input linear polarization into two orthogonal linear polarizations; and offset the two orthogonal linear polarizations by 90 °.
  • one of the embodiments of the present invention comprises: generating the microwave signal in a microwave generator; guiding, through an input waveguide, the microwave signal to the quasi-isolating device; and guide, by a guide output wave, the circularly polarized microwave signal to a microwave antenna, configured to apply it to the load. More specifically, a particular embodiment further comprises determining an operating frequency and selecting a geometry for the input waveguide and the output waveguide, as a function of said frequency.
  • Transforming the linearly polarized microwave signal into a circularly polarized microwave signal comprises, according to one of the embodiments of the invention, the steps of: offsetting the linearly polarized microwave signal provided at the input of the quasi-isolator device by 90 °; and providing the two 90 ° out of phase signals at two orthogonally arranged inputs in a planar antenna, typically a microstrip patch, where this planar type antenna is configured to radiate the circularly polarized microwave signal that is applied to the load.
  • the present invention presents a multitude of advantages that despite being focused mainly on the efficiency and performance of the heating system, also report other benefits such as the durability of the system and its lower cost and / or complexity from a electromagnetic point of view.
  • the system and method of the present invention is applicable to classic microwave heating systems, such as those shown in Figures 1, 2 and 3, just before the antenna (or electromagnetic field applicator), advantageously causing said systems to operate under much more favorable conditions when handling a much lower reflected power towards the generator, as the reflection coefficient at the input of the quasi-isolating device is reduced to approximate values of p 2 B , compared to the value of p B that is has without the present invention.
  • the improvement of the performance of the heating system when adding the present invention with respect to the system without the present invention varies between 36% and 96%, according to Figures 7A-7B, and in particular to the results shown in the table of Figure 7C .
  • the system of the present invention has a behavior very similar to that of the microwave circuit known as isolator, since it allows the generator to be isolated from the load by converting the reflection coefficient of p B at the output into an approximate value of p 2 B at the entrance. Obviously, insulation is not absolute, so it is considered more appropriate to define it as quasi-insulator.
  • the quasi-isolating device of the present invention is made up of only reciprocal components, that is, it is only composed of materials whose electromagnetic properties give rise to circuits that they fulfill the property known as reciprocity.
  • the quasi-isolator device of the present invention is a lossless microwave circuit, since it does not include dissipative elements in its interior as the schemes based on circulators or gyrators with hybrid couplers. , which incorporate charges where the energy reflected by the charge is dissipated.
  • Figure 1 shows the operation of a heating system, composed of a microwave generator, a microwave antenna (the applicator of the electromagnetic field coming from the generator to the material to be heated), using the solution to protect the generator based on the circuit of microwave known as an isolator positioned between the generator and the antenna.
  • FIG. 2 shows the operation of a heating system, composed of a microwave generator, a microwave antenna (the applicator from the field to the material to be heated), using the solution to protect the generator based on the microwave three-gate circuit known as a circulator, positioned between the generator and the antenna, with one of its gates connected to a dissipative load.
  • a heating system composed of a microwave generator, a microwave antenna (the applicator from the field to the material to be heated), using the solution to protect the generator based on the microwave three-gate circuit known as a circulator, positioned between the generator and the antenna, with one of its gates connected to a dissipative load.
  • Figure 3 shows the operation of a heating system, composed of a microwave generator, a microwave antenna (the applicator of the field to the material to be heated), using the solution to protect the generator based on a spinner plus two hybrid couplers with two dissipative charges.
  • Figures 4A, 4B and 4C show the operation of a transmission medium (a guide or guiding system) of chiral characteristics, when excited with a microwave signal with circular polarization, giving rise to reflected signals with different characteristics, and allowing reduce the reflection coefficient at the entrance of the chiral medium.
  • a transmission medium a guide or guiding system
  • FIG 5A shows the operation of a heating system, composed of a microwave generator, a microwave antenna (the applicator of the field to the material to be heated), using the solution object of the present invention (the “quasi-isolation device 1 ', the “Quasi-Isolator-Reciprocal-Lossless” or “QARSP”) positioned between the generator and the antenna.
  • the solution object of the present invention the “quasi-isolation device 1 ', the “Quasi-Isolator-Reciprocal-Lossless” or “QARSP”
  • Figures 5B and 5C show simple embodiments of the device of the present invention in waveguide technology and in planar technology respectively.
  • Figures 6A and 6B represent other uses of the Quasi-Reciprocal-Loss-Free Isolator (QARSP) object of the present invention in heating systems.
  • QARSP Quasi-Reciprocal-Loss-Free Isolator
  • a heating system is presented that protects the generator in a simpler way and with greater energy savings than conventional systems.
  • a system with two generators of two different frequencies is presented, where the present invention also protects the generator in a simpler way and with greater energy savings than conventional systems.
  • Figure 7A represents the case of direct connection between the generator of the heating system and the antenna (the applicator of the field to the material to be heated).
  • Figure 7B the new device object of the present invention is positioned between the generator and the antenna.
  • Figure 7C is a summary table of the performance of the new device comparing the performance of the case of Figure 7A, with the case of Figure 7B.
  • the graphs of these parameters considered in the tables are represented in Figures 7D, 7E and 7F, which represent the summary of the performance of the new device.
  • Figure 8 shows a preferred embodiment of the new device, based on a block diagram with well-defined functionalities.
  • Figures 9A, 9B, 9C and 9D represent the experimental validation of one of the possible implementations of the new quasi-isolating device or QARSP, showing how to perform each of the blocks, and comparing the theoretical results with the experimental results of an experimental prototype. measured with different test loads representing different types of materials to be heated.
  • the system and method of the present invention to improve energy efficiency in microwave heating processes, applies polarization concepts far from the technical field of heating that, surprisingly, result in the reduction of the reflected signal towards the microwave generator by the material to be heated.
  • Chiral transmission media schematics depicting operation similar to that of the present invention are introduced below, for clarification purposes only. Chiral media only allow the passage of certain waves, selectively discriminating positive or negative circular polarization. Therefore, this operation will serve as a conceptual basis for understanding the operation of the present invention.
  • Figures 4A, 4B and 4C summarize these concepts, although always in a different field than the microwave heating of the present invention, showing how to convert a reflection coefficient p B at the charge into a reflection coefficient p 2 B at the input. .
  • Figures 4A and 4B show basic operation (no load), and Figure 4C shows operation with a load.
  • Chiral guides have the property that they allow a field with circular polarization C + to pass through and do not allow the passage of circular polarization C (or vice versa).
  • Figure 4A shows the left incidence to chiral guide 210 of a wave 211 of amplitude at 0 ! with circular polarization C + .
  • Figure 4B shows the incidence to the chiral guide 210 on the right of a wave 223 of amplitude at ° 3 with circular polarization C + .
  • the chiral guide 210 is loaded with an element (such as a material to be heated) characterized by its reflection coefficient p B 240.
  • the system is fed with a signal 231 with circular polarization C + .
  • the signal reflected at input 236 has an amplitude of p 2 B with respect to the amplitude of the incident wave 231 (and with the same polarization C + ) .
  • the reflection coefficient at the input has therefore been converted to p 2 B.
  • FIG. 5A shows a block diagram of an embodiment of the invention, where a heating system with a microwave generator 100 is contemplated, an antenna 120 (the applicator of the electromagnetic field from the generator), and the QARSP device 300 to improve the performance of the present invention located between the microwave generator and the antenna.
  • the QARSP 300 device reciprocal and without losses (that is, without dissipative elements inside), and without using chiral guides, allows a greater part of the available power of the generator 101 to be converted into power delivered 104 to the load to be heated . Therefore, the QARSP device allows most of the generator power to be dedicated to heating the load regardless of the load, characterized by its reflection coefficient p B 106.
  • the new device 300 When the signal from the generator 101 affects the new device 300, most of it is transmitted 103 to the load, and only a low power signal 308 from the reflected signal 105 by the load with a reflection coefficient p B is reflected back to the generator.
  • This reflected signal 308 carries a small fraction of the generator power, in particular, the device of the present invention allows the reflection coefficient 307 at the input of the generator to be reduced by approximately p 2 B.
  • Figure 5B represents a simple embodiment in waveguide technology of the device 300, where it is arranged schematically between two physical gates, which are a rectangular waveguide input that implements an electric input gate 61 and an output guide of circular wave that implements the two electrical output gates 62 and 63. Its operation can be summarized in the steps of: receiving an input signal (linear polarization in this case) that excites the device and produces reference circular polarization C + at its output. Subsequently, the output reflection caused by the object to be heated causes the output gate of the QARSP device to impinge on it a return signal of proportional amplitude p B and circular polarization C-.
  • an input signal linear polarization in this case
  • Figure 5C represents the same QARSP device of the present invention, but implemented with planar technology instead of waveguide.
  • the three electric gates 61, 62, and 63 which are a characteristic common to all the embodiments, are implemented in three physical gates, where the two exit gates they provide two linearly polarized signals, 90 ° out of phase with each other, which are directly connected to two orthogonal inputs 73, 74 of a patch antenna 71, comprised in the same dielectric substrate 72 as the QARSP device, to emit the circular polarization. Its operation is substantially the same as in the previous waveguide embodiment, since its behavior is defined by the dispersion matrix, as will be explained in detail below.
  • the quasi-isolator device 300 of the present invention is then defined as a passive, reciprocal and lossless with three electric gates.
  • the quasi-isolator device or QARSP is used in a heating process and encounters a load with a reflection coefficient at the output p B , the amplitude of the signal reflected at the input relative to that transmitted (that is, the reflection coefficient at the input p ent can be written as follows as a function of the S parameters of its dispersion matrix:
  • the S parameters of the QARSP device comply with:
  • This modulus and phase transmission tuning condition is essential to satisfy the objective of the present invention of improving energy efficiency in a heating process.
  • the reflection coefficient at the input is as:
  • PenF- P 2 B (SllS22Sl2 + 2Sl2Sl3S23 + S ⁇ S) + b 3 b (..) that for
  • ⁇ 1 (usual passive charges), can be approximated by / 3 ⁇ 4 p 2 a Therefore, the reflection to the input p ent is proportional to r 2 b ; and taking into account that
  • the design and manufacture of the QARSP device is very simple and does not require any material other than that used for the antenna, preferably a metal such as aluminum, copper or brass: the QARSP is reciprocal and lossless and does not contain materials such as ferrites or dissipative elements.
  • the method and system of the present invention is applicable to both domestic and high-power industrial environments, so the final design of the QARSP device will only depend on the expected working conditions, which will lead to any expert in the field to choose the most appropriate design options to adapt for example to a certain working frequency, select a type of waveguide technology or planar technology, select the geometry of the waveguides, select a microwave antenna horn type or select a patch type antenna.
  • Figure 8 shows one of the embodiments of the QARSP 300 device of the present invention using functional blocks already known separately in the field of microwave circuits, but designed as a whole to achieve the functionality of the quasi-isolating device object of the present invention. , using reciprocal and lossless circuits.
  • This topology converts the reflection coefficient p B 106 into a reflection coefficient at the input 309 of approximately p 2 B.
  • the signal 101 from the linearly biased generator impinges on the quasi-isolator device 300 of the present invention, most of it is transmitted to the load 104. Only a low power signal 308 from the reflected signal is reflected back to the generator. the load with a reflection coefficient p B 106.
  • This reflected signal 308 carries a small fraction of the generator power, specifically, the device 300 of the present invention allows the reflection coefficient at the generator input 309 to be reduced to p 2 B. Most of the power 104 will have been dissipated into the load using a circularly polarized field.
  • a modal transition 350 that is driven by signal 101 from the generator (directly as in Figure 5A, or after passing through additional elements).
  • This block 350 generates two orthogonal linear polarizations at its output.
  • phase shifter 351 of the two linear polarizations orthogonal to the input that shifts these two polarizations 90 °, the output resulting in a circular polarization.
  • An adapter module 352 of the circular polarization coming out of the phase shifter to adapt the signal that will excite the electromagnetic field applicator with the load to be heated.
  • Figures 6A and 6B show a block diagram of the device object of the present invention in two different situations.
  • the QARSP device of the present invention is applicable in traditional architectures, such as those of Figures 1, 2 and 3, placing it just before the antenna (or electromagnetic field applicator) 120, where a reflection coefficient p B 106.
  • Figure 6B depicts a heating application employing two different frequency sources (f1 and f2, respectively) provided by two generators 401, 402.
  • the antenna (the electromagnetic field applicator) 420 operates at these two frequencies, and at Putting the load to heat has a reflection coefficient p B 412 at these two frequencies, which causes part of the incident signal 407 to become a reflected signal 408 towards the generator.
  • the QARSP 370 device can be adapted / modified to work on two frequencies.
  • the new QARSP 370 device maintains good isolation between generators. In this case, a diplexer must be introduced between the generator and the QARSP that adds the signal from the two generators f1 and f2 to the input of the QARSP.
  • the QARSP device can work simultaneously with two frequencies f1 and f2, as well as that the aforementioned reflection characteristics are maintained, allowing the signals reflected towards the generator 404, 406 to have an amplitude p 2 B regarding incident signals to QARSP 403, 405.
  • Figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F summarize the operation of the device object of the present invention from a quantitative point of view, comparing a starting situation of direct connection between the microwave generator and the antenna (Figure 7A), with the situation in which the QARSP device of the present invention is positioned between them ( Figure 7B).
  • generator 100 has available power 101 of P-gen ("gen” indicates generator). Due to the load to be heated, at the input of the antenna (the field applicator) 120 there is a reflection coefficient p B 106.
  • the power 104 that is delivered and dissipated in the load in the form of heat is P-load-SD ("SD” indicates "without device", that is, without using the new device object of the present invention).
  • the power 105 that is reflected towards the generator in this situation is P-ref-SD ("ref 'indicates reflected).
  • generator 100 has available power 101 (P-gen). Due to the load to be heated, at the input of the antenna (the field applicator) 120 there is a reflection coefficient p B 106.
  • the power 204 that is delivered and dissipated in the load as heat is power in the load with device (P-load-DC), that is, in this situation we have the device 300 Quasi-Isolator-Reciprocal-Lossless or QARSP between the generator 300 and the antenna 120.
  • the power 205 that is reflected towards the generator in this situation it is called device reflected power (P-ref-CD).
  • FIG 7C a comparative table of the situation of the two cases is represented: that of Figure 7A and that of Figure 7B.
  • the power of the P-gen generator in both the case of Figure 7A and that of Figure 7B is maintained without loss at 1 W (first column), and the modulus of the reflection coefficient
  • the power delivered to the load in the two cases, power in the load without device (P-load-SD) and power in the load with device (P-load-CD), is quantified in the third column (subdivided into two) as a percentage with respect to the first column.
  • the lost power that is reflected towards the generator in the two cases, reflected power without device (P-ref-SD) and reflected power with device (P-ref-CD), is quantified in the fourth column (subdivided in two) in percentage form with respect to the first column.
  • the performance in percentage form for each case is detailed in the fifth column, which indicates the power delivered to the load compared to that available from the generator.
  • the last (sixth column) indicates the quotient between the performance of the system with the device ("CD"), compared to the system without a device ("SD”), that is, the improvement in performance (if it is a number greater than 1 ) when using the QARSP device of the present invention, relative to not using it.
  • zone 400 is highlighted, where the improvement in performance, just when the load causes more reflection from the generator, is more noticeable, approaching double for loads with very high reflection. It is in this situation where the improvement that the present invention introduces is most notable, since it is the most adverse situation for the generator, being able to deliver almost double more power when using the QARSP device than without using it, which leads to energy savings and increases the life of the complete system.
  • Figures 7D and 7E illustrate the power and performance curve related to the situations of Figures 7A and 7B.
  • the horizontal axis shows the modulus scale of the load reflection coefficient, while the vertical axis shows a power scale (as a percentage of the generator power) in Figure 7D, and a scale yield (in percent) in Figure 7E.
  • the two curves of Figure 7D correspond to the reflected power towards the generator with device (curve 510) and without device (curve 520), respectively, and the power delivered to the load P-load-DC, P-load-SD, in both situations. It is observed how for any load, the power delivered using the QARSP device of the present invention is always greater than or equal to that of the system that does not use said device.
  • Figures 7E and 7F show this advantage more clearly.
  • Figure 7E shows the two performance curves (power delivered to the load with respect to the available generator power) in percent for the system without a QARSP device (curve 610) and with a QARSP device (curve 620). These curves reflect the great importance that QARSP provides from the energy point of view: when the reflection coefficient is small, the performance is close to the maximum (100%) in both situations.
  • the QARSP device causes the performance ratio to increase continuously until it is doubled. That is, the more energy is lost in the system without a device (worse performance), the more effective the use of the QARSP method and device of the present invention is.
  • Figures 9A, 9B, 9C and 9D show the experimental validation of a practical implementation of the QARSP device of the present invention. This validation has been done in the X band from 11.9 to 12.1 GHz for the simplicity of the measurement tool, but the design and operating principle is exactly the same in other frequency bands used in heating processes.
  • Figure 9A shows the computer-aided design representation (CAD figure) of the QARSP device, where the modal transition 350, the phase shifter 351 and the adapter module 352 between the quasi-isolator output port and the input port of the QARSP are identified.
  • the horn antenna These components are connected to the rest of the heating system by the circular waveguide 504 to the antenna (the applicator of the electromagnetic field to the object to be heated), and by the rectangular waveguide 501 to the part of the system that links to the generator. of microwave.
  • Figure 9B shows another view of Fig. 9A where the circular exit guide and its flange 504 are observed for connection with the field applicator, which in this case is an X-band conical horn antenna with input in circular guide the same size as the QARSP exit circular guide 504.
  • the field applicator which in this case is an X-band conical horn antenna with input in circular guide the same size as the QARSP exit circular guide 504.
  • FIG. 9C shows a measurement scheme with the elements for the experimental characterization of the present invention.
  • This figure shows the rectangular guide 501 at the entrance of the quasi-isolator device, or QARSP, where for its experimental validation it is connected to the generator of a network analyzer 520 through a transition 502 between the rectangular guide and the coaxial cable 522 that gives access to network analyzer 520.
  • An absorber panel 602 is placed at the output of the horn, in order to characterize the signal reflected at the input of the QARSP device and therefore measure the reflection coefficient at the input p DP 309.
  • This coefficient is ideally p 2 B , where p B 106 is the reflection coefficient with which the QARSP is loaded, which in this case is the reflection coefficient seen in the circular output guide 504 of the QARSP produced by the transition 506 generating said reflection.
  • Figure 9D shows the experimental results obtained from the different reflection coefficients measured in decibels with respect to the frequency for each of the four cases.
  • a first curve 911, 921, 931, 941 represents the reflection coefficient p B associated with the load
  • a second curve 912, 922, 932, 942 the coefficient p DP at the input of the QARSP.
  • This last coefficient, for an ideal QARSP should be p 2 B , and therefore a third curve 913, 923, 933, 943 has been introduced for each graph that is directly the value of p 2 B for each frequency, in order to compare with the measured.
  • this experimental prototype is an adequate implementation of the X-band QARSP device, and that therefore it gives rise to the advantages already mentioned in its application to a heating system.

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Abstract

La presente invención se refiere a un método y un sistema para calentamiento por microondas que comprende: unos medios de transición modal que transforman una polarización lineal de entrada en una primera polarización circular; y un dispositivo quasi- aislador, pasivo, recíproco, con tres puertas eléctricas y acoplable a una cadena de transmisión de microondas, que está configurado para reflejar una segunda polarización circular ortogonal a la primera, que se produce cuando dicha primera polarización circular se refleja en la carga a calentar; así, en un proceso de calentamiento de la carga, de coeficiente de reflexión ρ, el coeficiente de reflexión en la entrada del dispositivo quasi- aislador resulta menor que ρ y se maximiza la potencia entregada a la carga.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN PROCESO DE CALENTAMIENTO POR MICROONDAS
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de las ondas microondas y más concretamente a la utilización de ondas microondas en procesos de calentamiento de sistemas industriales u hornos microondas, con un rendimiento energético mejorado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las señales electromagnéticas de frecuencias en el rango entre 0,1 y 100 Gigahercios (GHz), se utilizan habitualmente para la transmisión y recepción de señales de información, empleando lo que se conoce como sistemas de microondas. Además de este uso en comunicaciones, es bien conocido el intercambio energético entre los campos electromagnéticos y la disipación de energía en forma de calor, que se utiliza de manera habitual en numerosos sistemas de calentamiento de uso industrial y también en los hornos de uso doméstico.
Una característica que marca por completo el funcionamiento de estos sistemas es la banda de frecuencias de funcionamiento, correspondiente a las denominadas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical). Por ejemplo, para los hornos de microondas de uso doméstico, esta frecuencia es 2.45 GHz. Pero hay otra propiedad fundamental de los campos electromagnéticos que es la polarización. Esta se usa de manera habitual en sistemas de comunicaciones donde las distintas polarizaciones utilizadas son: vertical, horizontal, circular a derechas (C+) y circular a izquierdas (C-). En estos sistemas, se usa una figura de mérito que es la discriminación de polarizaciones ortogonales (vertical frente a horizontal y circular a derechas frente a circular a izquierdas) para medir la pureza de la misma. Son necesarios valores muy altos de discriminación (alta pureza de polarización) para separar las distintas polarizaciones y asegurar un correcto funcionamiento de estos sistemas.
En los sistemas de calentamiento de microondas, la propiedad de polarización queda en un segundo plano, puesto que el objetivo no es transportar información, sino convertir el campo electromagnético generado a través de un sistema alimentador, conectado por un lado a un generador de señales de microondas, y por otro lado a una carga (el objeto a calentar), en disipación de calor en la carga
En el funcionamiento habitual de un horno por ondas electromagnéticas de microondas para calentamiento de materiales, las cargas son muy diferentes y con propiedades electromagnéticas (tipo de material, forma, etc) muy diversas. Esto provoca que las ondas que se reflejan a la entrada del sistema alimentador puedan presentar grandes variaciones, con una potencia asociada muy significativa. Sin embargo, para un funcionamiento correcto del sistema (para alargar su vida útil, y por aumentar su eficiencia energética) interesa que el sistema alimentador sea capaz de entregar toda la potencia del generador sea cual fuere el material a calentar (es decir, usando la terminología de la ingeniería de circuitos de microondas, sea cual fuera la carga a la que se conecta al sistema de calentamiento), o por lo menos que el generador no se vea afectado por la reflexión del sistema alimentador y de la carga. Esta situación es la más realista, ya que anular por completo esa reflexión es un escenario poco probable desde el punto de vista técnico debido a la multitud de materiales, con sus respectivas formas, que pueden ser objeto del calentamiento.
Existen diversas soluciones para intentar paliar este efecto relacionado con la señal reflejada (caracterizada desde el punto de vista técnico con el coeficiente de reflexión) por el material a calentar. La mayoría de ellas se basan en el uso de dispositivos o circuitos de microondas conocidos como aisladores, circuladores y giradores (los tres son dispositivos no recíprocos) y, las respectivas combinaciones de estos dispositivos mediante circuitería adicional de frecuencias de microondas como acopladores híbridos (elementos recíprocos y no disipativos) y cargas adaptadas de referencia (elementos disipativos por definición). En general, cuanto más se quiere independizar el sistema alimentador de la carga, más costoso es económicamente. Más importante si cabe es que, incluso en el caso de que se consiga independizar el generador de la carga, el gasto energético sigue siendo considerable, al llegar a los elementos disipativos una parte de la potencia del generador, que puede llegar a ser muy significativa, y que no ha sido entregada a la carga a calentar.
Una primera solución que suele adoptarse para que el generador no se vea afectado es la de situar un aislador a la salida del generador. El aislador es, desde el punto de vista electromagnético, un dispositivo no recíproco realizado con ferritas, y económicamente costoso. La potencia reflejada por la carga no llega al generador, al ser absorbida por el aislador (que es un elemento disipativo, es decir, en su interior se disipa en forma de calor esa energía reflejada por el material a calentar, produciéndose un desaprovechamiento de energía). Esta situación se representa en detalle en la Figura 1, donde se muestra el esquema de la cadena de transmisión de la señal de microondas para calentamiento formado por un generador de microondas 100 y una antena de microondas (el aplicador del campo electromagnético excitado en el generador 100 al material a calentar) 120. Entre ambos, para proteger al generador 100 se encuentra un aislador 102, que permite el paso de la señal 101 del generador hacia la antena. La señal 103 que llega a la antena, una parte es disipada en la carga 104, pero otra parte 105 es reflejada hacia el generador. El parámetro que cuantifica el cociente de la señal reflejada 105 sobre la señal incidente 103 es el coeficiente de reflexión pB 106 y viene determinado por las características (propiedades electromagnéticas, forma, temperatura, etc) del material a calentar. El aislador 102 en este caso protege al generador, absorbiendo mediante disipación la señal reflejada 105, y evitando que llegue al generador. Sin embargo, esta señal 105 se ha disipado sobre el aislador, en vez de sobre el material a calentar, disminuyendo el rendimiento energético.
Otra posibilidad basada en elementos no recíprocos es la de usar circuladores con un elemento disipativo (cargas adaptadas de tipo resistivo) incorporado a propósito en el diseño para disipar la potencia que no se consigue entregar a la carga a calentar y es reflejada por ella hacia el generador. Esta situación se representa en detalle en la Figura 2, donde se muestra otro esquema de la cadena de transmisión de la señal de microondas para calentamiento, con el generador de microondas 100 y la antena de microondas (el aplicador del campo al material a calentar) 120. Entre ambos, para proteger al generador 100 se encuentra un circulador 108 (circuito de tres puertas), que permite el paso de la señal 101 del generador hacia la antena. La señal 103 que llega a la antena, una parte 104 es disipada en la carga a calentar, pero otra parte 105 es reflejada hacia el generador debido al coeficiente de reflexión pB 106. La carga disipativa 107 situada en la puerta 3 del circulador 108 absorbe la señal reflejada 105, evitando que llegue al generador. Igual que en el caso de la Figura 1 , parte de la energía del generador 101 se ha disipado en un elemento (en este caso la carga 107) y no en el material a calentar, disminuyendo por tanto el rendimiento energético. Otras alternativas que pueden adoptarse son soluciones circu ¡tal mente más complicadas como por ejemplo las basadas en el uso de un girador (no recíproco) más dos acopladores híbridos de 3 dB de acoplo (dispositivos pasivos y recíprocos) con dos elementos disipativos (cargas adaptadas) incorporadas en el diseño a propósito para disipar la potencia que se refleja a la carga a calentar. De nuevo se produce el desaprovechamiento energético de toda la potencia reflejada por la antena hacia el generador. Esta situación se representa en detalle en la Figura 3, donde se muestra otro esquema de la cadena de transmisión de la señal de microondas para calentamiento en el que también se desaprovecha parte de la energía del generador de microondas 100. Entre el generador y la antena de microondas (el aplicador del campo al material a calentar) 120 se insertan dos circuitos conocidos como acopladores híbridos 202, 204 de división 3 dB, y un girador 203 (circuito que cambia la fase de la onda transmitida en un sentido respecto de la onda transmitida en sentido contrario). La señal del generador 101 atraviesa estos componentes y se convierte en la señal 103 que excita el aplicador del campo 120. Una parte 104 se invierte en el calentamiento del material, pero otra parte 105 es reflejada debido a el coeficiente de reflexión pB 106 y se disipa en las cargas disipativas 107.
Por tanto, se echa en falta en el estado del arte una solución que mejore la protección del generador de microondas ante la variabilidad en las condiciones de reflexión de cargas eventuales, sin penalizar el rendimiento energético, ya que las soluciones conocidas pasan por complejos sistemas basados en elementos disipadores de potencia, no recíprocos con una eficiencia energética mejorable.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe, en un primer aspecto un sistema para calentamiento por microondas que comprende:
- unos medios de transición modal configurados para transformar una polarización lineal de entrada en una primera polarización circular; y
- un dispositivo quasi-aislador, pasivo, recíproco, con tres puertas eléctricas y acoplable a una cadena de transmisión de microondas, donde el dispositivo quasi- aislador está configurado para reflejar una segunda polarización circular ortogonal a la primera, donde la segunda polarización circular se produce cuando la primera polarización circular de los medios de transición se refleja en una carga a calentar; donde, en un proceso de calentamiento de la carga, de coeficiente de reflexión p, con la polarización circular de salida, el coeficiente de reflexión en la entrada del dispositivo quasi-aislador resulta menor que p. Así, ventajosamente, se maximiza la potencia entregada a la carga a calentar haciendo uso de las dos polarizaciones circulares ortogonales, donde una polarización circular en un sentido de giro se produce cuando la polarización circular ortogonal en el otro sentido se refleja en la carga.
En una de las realizaciones de la presente invención, donde se contempla un funcionamiento ideal del dispositivo quasi-aislador, se define su comportamiento mediante una matriz S de parámetros de dispersión con un coeficiente Sn=0 y unos coeficientes Si2 y S13 que cumplen que la suma de sus cuadrados es igual a 0. En otras realizaciones de la invención, se contempla el diseño del dispositivo quasi-aislador con unos coeficientes aproximados a los definidos para un comportamiento ideal.
Así, cuando se acopla el sistema de la presente invención en una cadena de transmisión de microondas y se inicia un proceso de calentamiento de una carga que tiene un coeficiente de reflexión asociado de pB, el coeficiente de reflexión a la entrada del dispositivo quasi-aislador resulta aproximadamente de p2 B. Por tanto, ventajosamente, para cargas como las que se usan en calentamiento que cumplen 0<|pB|<1 , el coeficiente de reflexión p2 B a la entrada del dispositivo quasi-aislador es más pequeño que el que presentaría la conexión directa del generador con la carga de pB. Esto se consigue en la presente invención aplicando conceptos de polarización, alejados del campo técnico del calentamiento, para mejorar la eficiencia y rendimiento en el proceso de calentamiento al reducir sorprendentemente la señal reflejada por la carga hacia el generador de microondas.
De acuerdo a una de las realizaciones de la presente invención, lo medios de transición modal comprenden: unos medios para transformar la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales; y unos medios desfasadores, configurados para desfasar 90° las dos polarizaciones lineales ortogonales.
Adicionalmente, en una de las realizaciones de la presente invención se contempla: una guía de onda de entrada conectada por uno de sus extremos a una puerta eléctrica de entrada del dispositivo quasi-aislador, donde la guía de onda de entrada es conectable por otro de sus extremos a un generador de microondas; y una guía de onda de salida, conectada por uno de sus extremos a las puertas eléctricas de salida del dispositivo quasi-aislador, donde la guía de onda de salida es conectable por otro de sus extremos a una antena de microondas.
En una de las realizaciones de la presente invención, el sistema comprende una antena de microondas de tipo bocina, conectada a la guía de onda de salida y configurada para, al ser excitada por las microondas con polarización circular de salida, aplicar un campo electromagnético sobre la carga caracterizada por un coeficiente de reflexión p.
Opcionalmente, en una de las realizaciones de la invención se dispone un módulo adaptador entre las puertas de salida del dispositivo quasi-aislador y la entrada de la antena de microondas de tipo bocina. Así, ventajosamente, se puede adaptar la polarización circular que sale del desfasador a la señal que excitará el aplicador de campo electromagnético con la carga a calentar.
En caso de incorporar guías de onda y de entrada al sistema de la presente invención, de acuerdo a una realización particular, se escogen con doble simetría y la guía de onda de salida es una guía de onda circular que comprende una única puerta física de salida para las dos puertas eléctricas de salida del dispositivo quasi-aislador, cada una de ellas para cada uno de los dos modos TEn de la guía de onda circular.
Alternativamente a las realizaciones con tecnología de guía de onda descritas, en una realización particular de la presente invención implementada con tecnología planar, los medios de transición modal están dispuestos en un substrato dieléctrico y comprenden: unos medios desfasadores configurados para desfasar una señal de entrada polarizada linealmente; y una antena tipo parche con dos entradas ortogonales conectadas a las puertas de salida eléctricas del dispositivo quasi-aislador, configurada para radiar un campo electromagnético de polarización circular.
Adicionalmente, una de las realizaciones comprende un polarizador de entrada conectado a una puerta eléctrica de entrada del dispositivo quasi-aislador, configurado para transformar una polarización circular de entrada en una polarización lineal de salida. Así, ventajosamente, el sistema de la presente invención puede adaptarse a escenarios en los que la entrada esté polarizada circularmente, sin cambiar su configuración y funcionamiento más que añadiendo dicho polarizador de entrada. En una de las realizaciones de la invención, los medios de transición modal forman parte del dispositivo quasi-aislador.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método para calentamiento por microondas que comprende los pasos de: proporcionar una señal de microondas polarizada linealmente en una entrada de un dispositivo quasi-aislador, pasivo, recíproco, con tres puertas eléctricas y acoplable a una cadena de transmisión de microondas; transformar, en unos medios de transición modal, la señal de microondas polarizada linealmente en una primera señal de microondas polarizada circularmente; aplicar, por una antena de microondas, la primera señal de microondas polarizada circularmente a una carga de coeficiente de reflexión p, de manera que una parte de la señal de microondas polarizada circularmente es reflejada en la carga y se produce una segunda señal polarizada circularmente ortogonal a la primera; y reflejar, en el dispositivo quasi- aislador, la segunda señal polarizada circularmente y ortogonal a la primera, de manera que resulta un coeficiente de reflexión en la entrada del dispositivo quasi-aislador menor que p. Ventajosamente, se maximiza así la potencia entregada a la carga a calentar haciendo uso de las dos polarizaciones circulares ortogonales, donde una polarización circular en un sentido de giro se produce cuando la polarización circular ortogonal en el otro sentido se refleja en la carga.
En una de las realizaciones de la invención, donde se contempla un funcionamiento ideal, el método además comprende definir el dispositivo quasi-aislador mediante una matriz S de parámetros de dispersión, estableciendo las siguientes condiciones: un coeficiente Sn=0 y unos coeficientes Si2 y S que cumplen que la suma de sus cuadrados es igual a 0.
En una de las realizaciones de la invención, transformar la señal de microondas polarizada linealmente en la primera señal de microondas polarizada circularmente comprende: transformar la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales; y desfasar 90° las dos polarizaciones lineales ortogonales.
Adicionalmente, una de las realizaciones de la presente invención comprende: generar la señal de microondas en un generador de microondas; guiar, por una guía de onda de entrada, la señal de microondas hasta el dispositivo quasi-aislador; y guiar, por una guía de onda de salida, la señal de microondas polarizada circularmente hasta una antena de microondas, configurada para aplicarla a la carga. Más específicamente, una realización particular además comprende determinar una frecuencia de trabajo y seleccionar una geometría para la guía de onda de entrada y la guía de onda de salida, en función de dicha frecuencia.
En una de las realizaciones de la invención, además se contempla transformar, por un polarizador de entrada conectado entre la entrada del dispositivo quasi-aislador y un generador de microondas con polarización circular, una señal polarizada circularmente en la señal de microondas polarizada linealmente que se proporciona en la entrada del dispositivo quasi-aislador.
Transformar la señal de microondas polarizada linealmente en una señal de microondas polarizada circularmente comprende, de acuerdo a una de las realizaciones de la invención, los pasos de: desfasar 90° la señal de microondas polarizada linealmente proporcionada en la entrada del dispositivo quasi-aislador; y proporcionar las dos señales desfasadas 90° en dos entradas dispuestas ortogonalmente en una antena planar, típicamente un parche microstrip, donde esta antena tipo planar está configurada para radiar la señal de microondas polarizada circularmente que se aplica a la carga.
Por todo lo anterior, la presente invención presenta multitud de ventajas que a pesar de estar enfocadas principalmente en la eficiencia y rendimiento del sistema de calentamiento, también reportan otros beneficios como por ejemplo la durabilidad del sistema y su menor coste y/o complejidad desde un punto de vista electromagnético.
El sistema y el método de la presente invención es aplicable a sistemas clásicos de calentamiento por microondas, como los mostrados en las Figuras 1 , 2 y 3, justo antes de la antena (o aplicador de campo electromagnético), provocando ventajosamente que dichos sistemas operen en unas condiciones mucho más favorables al manejar una potencia reflejada hacia el generador mucho menor, al reducirse el coeficiente de reflexión a la entrada del dispositivo quasi-aislador a unos valores aproximados de p2 B, en comparación con el valor de pB que se tiene sin la presente invención.
En una de las realizaciones de la invención, para una situación común de cargas con módulo del coeficiente de reflexión entre 0.6 y 0.98 (4.4 dB y 0.2 dB), la mejora del rendimiento del sistema de calentamiento al añadir la presente invención respecto del sistema sin la presente invención, varía entre el 36% y 96%, de acuerdo a las Figura 7A- 7B, y en particular a los resultados mostrados en la tabla de la Figura 7C.
Desde un punto de vista funcional, el sistema de la presente invención tiene un comportamiento muy similar a la del circuito de microondas conocido como aislador, ya que permite aislar el generador de la carga al convertir el coeficiente de reflexión de pB a la salida en un valor aproximado a p2 B a la entrada. Obviamente, el aislamiento no es absoluto, por lo que se considera más apropiado definirlo como quasi-aislador.
Otra de las ventajas de la presente invención es que, a diferencia de los circuitos aisladores conocidos, el dispositivo quasi-aislador de la presente invención lo componen únicamente componentes recíprocos, es decir, solo está compuesto por materiales cuyas propiedades electromagnéticas dan lugar a circuitos que cumplen la propiedad conocida como reciprocidad.
Adicionalmente, el dispositivo quasi-aislador de la presente invención, desde un punto de vista de su definición circuital, es un circuito de microondas sin pérdidas, ya que no incluye elementos disipativos en su interior como los esquemas basados en circuladores o giradores con acopladores híbridos, que incorporan cargas donde se disipa la energía reflejada por la carga.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación, se describen de manera breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 muestra el funcionamiento de un sistema de calentamiento, compuesto por un generador de microondas, una antena de microondas (el aplicador del campo electromagnético proveniente del generador al material a calentar), usando la solución para proteger al generador basada en el circuito de microondas conocido como aislador posicionado entre el generador y la antena.
La Figura 2 muestra el funcionamiento de un sistema de calentamiento, compuesto por un generador de microondas, una antena de microondas (el aplicador del campo al material a calentar), usando la solución para proteger al generador basada en el circuito de tres puertas de microondas conocido como circulador, posicionado entre el generador y la antena, con una de sus puertas conectada a una carga disipativa.
La Figura 3 muestra el funcionamiento de un sistema de calentamiento, compuesto por un generador de microondas, una antena de microondas (el aplicador del campo al material a calentar), usando la solución para proteger al generador basada en un girador más dos acopladores híbridos con dos cargas disipativas.
Las Figuras 4A, 4B y 4C muestran el funcionamiento de un medio de transmisión (una guía o sistema de guiado) de características quirales, cuando se excita con una señal de microondas con polarización circular, dando lugar a señales reflejadas con distintas características, y permitiendo reducir el coeficiente de reflexión a la entrada del medio quiral.
La Figura 5A muestra el funcionamiento de un sistema de calentamiento, compuesto por un generador de microondas, una antena de microondas (el aplicador del campo al material a calentar), usando la solución objeto de la presente invención (el“dispositivo quasi-aisiadoí1’ , el “Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas” ó “QARSP”) posicionado entre el generador y la antena.
Las Figuras 5B y 5C muestran sencillas realizaciones del dispositivo de la presente invención en tecnología de guía de onda y en tecnología planar respectivamente.
Las Figuras 6A y 6B representan otros usos del Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas (QARSP) objeto de la presente invención en sistemas de calentamiento. En un caso se presenta un sistema de calentamiento que protege al generador de manera más sencilla y con un mayor ahorro energético que los sistemas convencionales. En otro caso se presenta un sistema con dos generadores de dos frecuencias distintas, donde también la presente invención protege al generador de manera más sencilla y con un mayor ahorro energético que los sistemas convencionales .
La Figura 7A representa el caso de conexión directa entre el generador del sistema de calentamiento y la antena (el aplicador del campo al material a calentar). En la Figura 7B se posiciona el nuevo dispositivo objeto de la presente invención ente el generador y la antena. La Figura 7C es una tabla de resumen de las prestaciones del nuevo dispositivo comparando las prestaciones del caso de la Figura 7A, con el caso de la Figura 7B. Las gráficas de estos parámetros considerados en las tablas se representan en las Figuras 7D, 7E y 7F, que representan el resumen de las prestaciones del nuevo dispositivo.
La Figura 8 muestra una realización preferente del nuevo dispositivo, en base a un diagrama de bloques con funcionalidades bien definidas.
Las Figuras 9A, 9B, 9C y 9D representan la validación experimental de una de las posibles implementaciones del nuevo dispositivo quasi aislador o QARSP, mostrando la forma de realizar cada uno de los bloques, y comparando los resultados teóricos con los experimentales de un prototipo experimental medido con diferentes cargas de prueba representando distintos tipos de materiales a calentar.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El sistema y método de la presente invención, para mejorar el rendimiento energético en procesos de calentamiento por microondas, aplica conceptos de polarización alejados del campo técnico del calentamiento que, de manera sorprendente, resultan en la reducción de la señal reflejada hacia el generador de microondas por el material a calentar.
Se introducen a continuación, sólo con fines aclaratorios, unos esquemas de medios de transmisión quirales que representan un funcionamiento similar al de la presente invención. Los medios quirales únicamente permiten el paso de ciertas ondas, discriminando selectivamente la polarización circular positiva o negativa. Por tanto, este funcionamiento servirá de base conceptual para comprender el funcionamiento de la presente invención.
Las Figuras 4A, 4B y 4C resumen estos conceptos, aunque siempre en un ámbito distinto al del calentamiento por microondas de la presente invención, mostrando cómo convertir un coeficiente de reflexión pB en la carga en un coeficiente de reflexión p2 B en la entrada. La consecuencia, puesto que el módulo del coeficiente de reflexión es un número menor que 1 , es que al elevarlo al cuadrado éste es más pequeño, por lo que se consigue reducir la potencia reflejada. Las Figuras 4A y 4B muestran el funcionamiento básico (sin carga), y la Figura 4C muestra el funcionamiento con una carga. Las guías quirales poseen la propiedad de que dejan pasar un campo con polarización circular C+ y no permiten el paso de la polarización circular C (o viceversa). De acuerdo a esto, la Figura 4A muestra la incidencia por la izquierda a la guía quiral 210 de una onda 211 de amplitud a0 ! con polarización circular C+. Esta señal se transmite a la salida 213 con una amplitud idealmente b°3 = a0 ! con polarización circular C+ igual que la polarización de la onda incidente. Si a la entrada incide una onda 212 con una amplitud a°2 con polarización circular C, esta se refleja por completo debido a las propiedades de la guía quiral.
La Figura 4B muestra la incidencia a la guía quiral 210 por la derecha de una onda 223 de amplitud a°3 con polarización circular C+. Esta señal se transmite a la salida 221 con una amplitud idealmente b°i = a°3 con polarización circular C+ igual que la de la onda incidente. Si por la derecha incide en el medio quiral una onda 224 con una amplitud a°4 con polarización circular C esta onda es idealmente reflejada por completo, de nuevo debido a las propiedades de la guía quiral.
En la Figura 4C, la guía quiral 210 se carga con un elemento (como un material a calentar) caracterizado por su coeficiente de reflexión pB 240. El sistema se alimenta con una señal 231 con polarización circular C+. Después de las sucesivas transmisiones y reflexiones 232, 233, 234, 235, se tiene que la señal reflejada a la entrada 236 tienen una amplitud de p2 B respecto de la amplitud de la onda incidente 231 (y con la misma polarización C+). El coeficiente de reflexión a la entrada se ha convertido por tanto en p2 B.
Por tanto, a pesar de que las guías quirales precisan de señales polarizadas circularmente en la entrada, de que no son precisamente elementos convencionales y de que no se caracterizan por su aplicación en entornos con altos nivel de potencia, los esquemas de las figuras 4A-4C tienen una relación directa con el funcionamiento de la presente invención, en cuanto a que permiten reducir la reflexión sin elementos disipativos. Una vez introducidos estos conceptos se describe a continuación el dispositivo aislador de la presente invención, el cual también será denominado en este documento como dispositivo QARSP (acrónimo de Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas).
En la Figura 5A se muestra un diagrama de bloques de una realización de la invención, donde se contempla un sistema de calentamiento con un generador de microondas 100, una antena 120 (el aplicador del campo electromagnético proveniente del generador), y el dispositivo QARSP 300 para mejorar el rendimiento de la presente invención situado entre el generador de microondas y la antena. El dispositivo QARSP 300, recíproco y sin pérdidas (esto es, sin elementos disipativos en su interior), y sin usar guías quirales, permite que una mayor parte de la potencia disponible del generador 101 se convierta en potencia entregada 104 a la carga a calentar. Por tanto, el dispositivo QARSP permite que la mayor parte de la potencia del generador se dedique al calentamiento de la carga sea cual fuere la carga, caracterizada por su coeficiente de reflexión pB 106. Cuando la señal del generador 101 incide sobre el nuevo dispositivo 300, la mayor parte se transmite 103 hacia la carga, y sólo se refleja hacia el generador una señal 308 de pequeña potencia proveniente de la señal reflejada 105 por la carga con un coeficiente de reflexión pB. Esta señal reflejada 308 lleva una fracción pequeña de la potencia del generador, en concreto, el dispositivo de la presente invención permite que el coeficiente de reflexión 307 a la entrada del generador se reduzca aproximadamente a p2 B.
La figura 5B representa una realización sencilla en tecnología de guía de onda del dispositivo 300, donde éste se dispone esquematizado entre dos puertas físicas, que son una entrada en guía de onda rectangular que implementa una puerta eléctrica de entrada 61 y una salida en guía de onda circular que implementa las dos puertas eléctricas de salida 62 y 63. Su funcionamiento puede resumirse en los pasos de: recibir una señal de entrada (polarización lineal en este caso) que excita el dispositivo y produce polarización circular de referencia C+ a su salida. A continuación, la reflexión de salida provocada por el objeto a calentar, hace que por la puerta de salida del dispositivo QARSP le incida señal de vuelta de amplitud proporcional a pB y polarización circular C-. De esta señal que llega al dispositivo QARSP por su puerta de salida, una parte se refleja de nuevo en la puerta de salida hacia el objeto a calentar, contribuyendo por tanto al calentamiento; y otra parte se trasmite a la entrada del dispositivo QARSP como reflexión (en polarización lineal) hacia el generador conectado a la puerta de entrada del dispositivo QARSP. Como resultante de todo este proceso, la reflexión neta total que presenta el QARSP a la entrada es de amplitud proporcional a r2 b.
La figura 5C representa el mismo dispositivo QARSP de la presente invención, pero implementado con tecnología planar en lugar de guía de onda. En este caso las tres puertas eléctricas 61 , 62, y 63, que son una característica común a todas las realizaciones, se implementan en tres puertas físicas, donde las dos puertas de salida proporcionan dos señales polarizadas linealmente, desfasadas 90° entre sí, que se conectan directamente a dos entradas ortogonales 73, 74 de una antena tipo parche 71 , comprendida en el mismo substrato dieléctrico 72 que el dispositivo QARSP, para emitir la polarización circular. Su funcionamiento es sustancialmente el mismo que en la realización anterior en guía de onda, ya que su comportamiento se define por la matriz de dispersión, tal y como se va explicar en detalle a continuación.
Todo lo anterior deriva en una mejora el rendimiento energético del proceso de calentamiento, el cual puede demostrarse numéricamente analizando el diseño del dispositivo QARSP de acuerdo a sus parámetros de dispersión, también conocidos como parámetros S, los cuales obvian el análisis electromagnético y modelan su comportamiento como línea de transmisión.
Asumiendo una descripción del dispositivo 300 de la presente invención mediante su matriz S o matriz de dispersión, lo que es un procedimiento habitual en ingeniería de microondas, se define entonces el dispositivo 300 quasi-aislador de la presente invención como un dispositivo pasivo, recíproco y sin pérdidas con tres puertas eléctricas. Así, cuando el dispositivo quasi-aislador o QARSP se utiliza en un proceso de calentamiento y encuentra una carga con un coeficiente de reflexión a la salida pB, la amplitud de la señal reflejada en la entrada respecto de la transmitida (es decir, el coeficiente de reflexión a la entrada pent se puede escribir como sigue en función de los parámetros S de su matriz de dispersión:
Figure imgf000016_0001
Puesto que el dispositivo QARSP se ha definido como recíproco, su matriz de dispersión S es simétrica: [S]=[S]T , es decir, los elementos de la matriz cumplen que: S¿ = S ¿. / =1 ,.. ,3.
Además, se impone en la presente invención que los parámetros S del dispositivo QARSP cumplen que:
Su— 0; es decir, el dispositivo está adaptado en la puerta de entrada. Esta propiedad (como la anterior de reciprocidad) es muy habitual en la ingeniería de microondas. Por otro lado, se impone otra condición mucho más específica para el dispositivo quasi- aislador de la presente invención, y es que los parámetros de dispersión también cumplen que:
S2i2+S2i3-0;
Esta condición de ajuste de transmisiones en módulo y fase es fundamental para satisfacer el objetivo de la presente invención de mejorar el rendimiento energético en un proceso de calentamiento.
De acuerdo a lo anterior, el coeficiente de reflexión a la entrada queda como:
PenF- P2 B (SllS22Sl2+2Sl2Sl3S23 + S¿ S ) + b3 b (..) que para |pB|<1 (cargas pasivas habituales), puede aproximarse por /¾= p2 a Por tanto, la reflexión a la entrada pent es proporcional a r2 b; y teniendo en cuenta que |pB|<1 , se tiene finalmente que la señal reflejada a la entrada es muy inferior a la reflexión a la salida, lo que demuestra la mejora en la eficiencia energética que ventajosa y sorprendentemente proporciona el diseño del método y dispositivo de la presente invención.
Además, el diseño y fabricación del dispositivo QARSP es muy simple y no requiere de ningún material diferente al utilizado para la realización de la antena, preferiblemente un metal como aluminio, cobre o latón: el QARSP es recíproco y sin pérdidas y no contiene materiales como ferritas o elementos disipativos.
Por otro lado, el método y sistema de la presente invención es aplicable tanto a entornos domésticos como a entornos industriales de gran potencia, por lo que el diseño final del dispositivo QARSP únicamente dependerá de las condiciones de trabajo previstas, las cuales llevarán a cualquier experto en la materia a optar por las opciones de diseño más apropiadas para adaptarse por ejemplo a una frecuencia de trabajo determinada, seleccionar un tipo de tecnología en guía de onda o tecnología planar, seleccionar la geometría de las guías de onda, seleccionar una antena de microondas de tipo bocina o seleccionar una antena de tipo parche. La Figura 8 muestra una de las realizaciones del dispositivo QARSP 300 de la presente invención mediante bloques funcionales ya conocidos por separado en el ámbito de los circuitos de microondas, pero diseñados en conjunto para conseguir la funcionalidad del dispositivo quasi-aislador objeto de la presente invención, empleando circuitos recíprocos y sin pérdidas. Esta topología, una vez diseñados los componentes indicados, convierte el coeficiente de reflexión pB 106 en un coeficiente de reflexión a la entrada 309 de aproximadamente p2 B. Cuando la señal 101 del generador con polarización lineal incide sobre el dispositivo quasi-aislador 300 de la presente invención, la mayor parte se transmite hacia la carga 104. Sólo se refleja hacia el generador una señal 308 de pequeña potencia proveniente de la señal reflejada por la carga con un coeficiente de reflexión pB 106. Esta señal reflejada 308 lleva una fracción pequeña de la potencia del generador, en concreto, el dispositivo 300 de la presente invención permite que el coeficiente de reflexión a la entrada 309 del generador se reduzca a p2 B. La mayor parte de la potencia 104 se habrá disipado en la carga usando un campo con polarización circular.
Esta realización comprende los siguientes bloques funcionales:
una transición modal 350 que es excitada por la señal 101 proveniente del generador (directamente como en la Figura 5A, o después de pasar por elementos adicionales). Este bloque 350 genera a su salida dos polarizaciones lineales ortogonales.
un desfasador 351 de las dos polarizaciones lineales ortogonales a la entrada que desfasa estas dos polarizaciones 90°, resultando la salida en una polarización circular.
Un módulo adaptador 352 de la polarización circular que sale del desfasador para adaptar la señal que excitará el aplicador de campo electromagnético con la carga a calentar.
Las Figuras 6A y 6B muestran un diagrama de bloques del dispositivo objeto de la presente invención en dos situaciones distintas.
En la Figura 6A se muestra una situación de ingeniería en la que se requiere que no exista ninguna potencia reflejada al generador 100. Por tanto, se ha añadido un aislador 102 adicional. En este caso, la utilización del dispositivo quasi-aislador de la presente invención (también referido como Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas ó QARSP) 300 permite manejar un aislador 102 mucho más sencillo, menos costoso y con mayor vida útil que el que sería necesario sin el dispositivo de la presente invención, ya que la potencia de la señal reflejada 308 que tiene que absorber es mucho menor. Todo esto se consigue de manera adicional al incremento de rendimiento energético ya descrito, puesto que la mayor parte de la potencia entregada por el generador se ha disipado en la carga a calentar (la cuantificación de este comportamiento se verá en las Figuras 7C-7F). Es decir, el dispositivo QARSP de la presente invención es aplicable en arquitecturas tradicionales, como las de las Figuras 1 , 2 y 3, situándolo justo antes de la antena (o aplicador de campo electromagnético) 120, donde se ve un coeficiente de reflexión pB 106.
En la Figura 6B se representa una aplicación de calentamiento que emplea dos fuentes de frecuencias distintas (f1 y f2, respectivamente) proporcionadas por dos generadores 401 , 402. La antena (el aplicador del campo electromagnético) 420 funciona en estas dos frecuencias, y al poner la carga a calentar se tiene un coeficiente de reflexión pB 412 a esas dos frecuencias, que provoca que parte de la señal incidente 407 se convierta en señal reflejada 408 hacia el generador. Para esta aplicación el dispositivo QARSP 370 puede adaptarse/modificarse para trabajar en dos frecuencias. El nuevo dispositivo QARSP 370 mantiene un buen aislamiento entre generadores. En este caso entre el generador y el QARSP debe de introducirse un diplexor que sume la señal de los dos generadores f1 y f2 a la entrada del QARSP. Lo que se presenta en la figura 6B es que el dispositivo QARSP puede trabajar simultáneamente con dos frecuencias f1 y f2, así como que las características de reflexión anteriormente mencionadas se mantienen, permitiendo que las señales reflejadas hacia el generador 404, 406 tengan una amplitud p2 B respecto de las señales incidentes al QARSP 403, 405.
En las Figuras 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F se resume el funcionamiento del dispositivo objeto de la presente invención desde un punto de vista cuantitativo, comparando una situación de partida de conexión directa entre el generador de microondas y la antena (Figura 7A), con la situación en la que se posiciona el dispositivo QARSP de la presente invención entre ellos (Figura 7B).
En la Figura 7A, el generador 100 tiene una potencia disponible 101 de P-gen (“gen” indica generador). Debido a la carga a calentar, a la entrada de la antena (el aplicador del campo) 120 se tiene un coeficiente de reflexión pB 106. La potencia 104 que se entrega y se disipa en la carga en forma de calor es P-carga-SD (“SD“ indica“sin dispositivo", es decir, sin usar el nuevo dispositivo objeto de la presente invención). La potencia 105 que se refleja hacia el generador en esta situación es P-ref-SD (“ref’ indica reflejada).
En la Figura 7B, el generador 100 tiene una potencia disponible 101 (P-gen). Debido a la carga a calentar, a la entrada de la antena (el aplicador del campo) 120 se tiene un coeficiente de reflexión pB 106. La potencia 204 que se entrega y se disipa en la carga en forma de calor es potencia en la carga con dispositivo (P-carga-CD), es decir, en esta situación se tiene el dispositivo 300 Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas ó QARSP entre el generador 300 y la antena 120. La potencia 205 que se refleja hacia el generador en esta situación se denomina potencia reflejada con dispositivo (P-ref-CD).
En la Figura 7C, se representa una tabla comparativa de la situación de los dos casos: el de la Figura 7A y el de la Figura 7B. La potencia del generador P-gen tanto en el caso de la Figura 7A como el de la Figura 7B se mantiene sin pérdida a 1 W (primera columna), y se varía el módulo del coeficiente de reflexión |pB| de igual manera en los dos casos (es decir, se sitúa la misma carga a calentar en los dos casos, y para cada fila se evalúa qué es lo que pasa con diferentes cargas). La potencia entregada a la carga en los dos casos, potencia en la carga sin dispositivo (P-carga-SD) y potencia en la carga con dispositivo (P-carga-CD), se cuantifica en la tercera columna (subdividida en dos) en forma de porcentaje respecto de la primera columna. La potencia perdida que se refleja hacia al generador en los dos casos, potencia reflejada sin dispositivo (P-ref-SD) y potencia reflejada con dispositivo (P-ref-CD), se cuantifica en la cuarta columna (subdividida en dos) en forma de porcentaje respecto de la primera columna. El rendimiento en forma de porcentaje para cada caso se detalla en la quinta columna, que indica la potencia que se entrega a la carga respecto de la disponible del generador. La última, (sexta columna) indica el cociente entre el rendimiento del sistema con el dispositivo (“CD”), respecto del sistema sin dispositivo (“SD”), es decir, la mejora en rendimiento (si es un número mayor que 1) cuando se usa el dispositivo QARSP de la presente invención, respecto de no usarlo. En esta figura se resalta la zona 400, donde la mejora del rendimiento, justo cuando la carga provoca más reflexión del generador, es más notable, acercándose al doble para cargas con una reflexión muy alta. Es en esta situación donde la mejora que introduce la presente invención es más destacable, ya que es la situación más adversa para el generador, consiguiéndose entregar casi el doble más de potencia al usar el dispositivo QARSP que sin utilizarlo, con lo que eso conlleva de ahorro energético y aumento de la vida del sistema completo.
En las Figuras 7D y 7E se ilustra la curva de potencia y rendimiento relacionada con las situaciones de las Figuras 7A y 7B. En el eje horizontal se representa la escala de módulos del coeficiente de reflexión de la carga, mientras que en el eje vertical se muestra una escala de potencias (en forma de porcentaje respecto de la potencia del generador) en la Figura 7D, y una escala de rendimiento (en porcentaje) en la Figura 7E. Las dos curvas de la Figura 7D corresponden a la potencia reflejada hacia el generador con dispositivo (curva 510) y sin dispositivo (curva 520), respectivamente, y la potencia entregada a la carga P-carga-CD, P-carga-SD, en las dos situaciones. Se observa cómo para cualquier carga, la potencia entregada usando el dispositivo QARSP de la presente invención es siempre mayor o igual a la del sistema que no usa dicho dispositivo. En los casos extremos en que no haya reflexión, es decir |pB|=0, o haya reflexión total, es decir |pB|=1 , el dispositivo no aportaría ninguna ventaja, pero realmente estos dos casos no se dan en la práctica, ya que lo habitual en un sistema de calentamiento es tener la situación 0<|pB|<1. De igual manera, la potencia reflejada hacia el generador es siempre menor (excepto en los casos extremos ya comentados, donde sería igual) en el sistema que usa el dispositivo QARSP.
En las Figuras 7E y 7F se muestra más claramente esta ventaja. En la Figura 7E se representan las dos curvas de rendimiento (potencia entregada a la carga respecto de la potencia disponible del generador) en tanto por ciento para el sistema sin dispositivo QARSP (curva 610) y con dispositivo QARSP (curva 620). Estas curvas reflejan la gran importancia que desde el punto de vista energético proporciona el QARSP: cuando el coeficiente de reflexión es pequeño el rendimiento es próximo al máximo (100%) en ambas situaciones. Cuando el coeficiente de reflexión aumenta y el rendimiento del sistema sin dispositivo decrece, el dispositivo QARSP hace que la relación de rendimientos aumente de forma continua hasta llegar a duplicarse. Es decir, cuanto más energía se pierde en el sistema sin dispositivo (peor rendimiento) más efectivo resulta el empleo del método y dispositivo QARSP de la presente invención.
En la Figura 7F se representa la mejora de rendimiento en porcentaje (curva 710). Tanto en la figura 7D como en la 7E y la 7F, la zona 500, 600, 700 en la que la mejora producida por el dispositivo QARSP es más apreciable es donde el coeficiente de reflexión de la carga es más alto, lo que redunda en el mejor aprovechamiento energético introducido por la presente invención, que puede llegar casi a una mejora del rendimiento del 100%, cuando la carga tiene un coeficiente de reflexión muy alto.
Se describe a continuación una realización particular de la invención que ilustra las principales características y la versatilidad de la presente invención. Las Figuras 9A, 9B, 9C y 9D muestran la validación experimental de una implementación práctica del dispositivo QARSP de la presente invención. Esta validación se ha hecho en banda X de 11.9 a 12.1 GHz por simplicidad del utillaje de medida, pero el principio de diseño y de funcionamiento es exactamente el mismo en otras bandas de frecuencia utilizadas en procesos de calentamiento.
La Figura 9A muestra la representación de diseño asistido por ordenador (figura CAD) del dispositivo QARSP, donde se identifican la transición modal 350, el desfasador 351 y el módulo adaptador 352 entre la puerta de salida del quasi-aislador y la puerta de entrada de la antena de bocina. Estos componentes se conectan al resto del sistema de calentamiento por la guía de onda circular 504 a la antena (el aplicador del campo electromagnético al objeto a calentar), y por la guía de onda rectangular 501 a la parte del sistema que enlaza con el generador de microondas. Todas las guías de onda y las distintas secciones que forman el dispositivo son metálicas, y en este caso de aluminio y rellenas de aire, cumpliendo por tanto que el dispositivo sea recíproco y sin pérdidas (en otros casos podrían diseñarse con otras formas y con otros materiales dieléctricos, pero siempre cumpliendo esta condición). Su comportamiento de quasi-aislador se verifica más adelante en la descripción de las Figuras 9D y 9E.
En la Figura 9B se muestra otra vista de la Fig. 9A donde se observa la guía circular de salida y su flange 504 para la conexión con el aplicador de campo, que en este caso es una antena de bocina cónica de banda X con entrada en guía circular del mismo tamaño que la guía circular de salida 504 del QARSP.
En la Figura 9C se muestra un esquema de medida con los elementos para la caracterización experimental de la presente invención. En esta figura se observa la guía rectangular 501 de entrada del dispositivo quasi-aislador, o QARSP, donde para su validación experimental se conecta al generador de un analizador de redes 520 mediante una transición 502 entre la guía rectangular y el cable coaxial 522 que da acceso al analizador de redes 520. A la salida de la bocina se coloca un panel absorbente 602, para poder caracterizar la señal reflejada a la entrada del dispositivo QARSP y por tanto medir el coeficiente de reflexión a la entrada pDP 309. Este coeficiente idealmente es p2 B, siendo pB 106 el coeficiente de reflexión con el que se carga el QARSP, que en este caso es el coeficiente de reflexión que se ve en la guía circular de salida 504 del QARSP producido por la transicición 506 generadora de dicha reflexión.
Con este sistema de caracterización experimental, se han planteado cuatro casos (cuatro transiciones 506) de estudio 910, 920, 930, 940, cada uno correspondiente a un coeficiente de reflexión pB distinto en la guía circular de salida 504 del dispositivo quasi- aislador o QARSP. Para cada caso, se ha medido primero el pB sin dispositivo QARSP (que sería la situación de la Figura 7A), y después con el dispositivo QARSP (situación de la Figura 7B), cuya validación práctica se realiza con el sistema mostrado en la Figura 9C.
La Figura 9D muestra los resultados experimentales obtenidos de los distintos coeficientes de reflexión medidos en decibelios respecto de la frecuencia para cada uno de los cuatro casos. En cada una de las cuatro gráficas 910, 920, 930, 940 (una gráfica por caso), hay tres curvas. Dos son medidas: una primera curva 911, 921, 931, 941 representa el coeficiente de reflexión pB asociado a la carga y una segunda curva 912, 922, 932, 942 el coeficiente pDP a la entrada del QARSP. Este último coeficiente, para un QARSP ideal debería ser p2 B, y por ello se ha introducido una tercera curva 913, 923, 933, 943 por cada gráfica que es directamente el valor de p2 B para cada frecuencia, con objeto de comparar con el medido. Se observa en las gráficas que los resultados teóricos (913, 923, 933, 943) y experimentales (912, 922, 932, 942) son muy parecidos. Por tanto, de acuerdo a los resultados se valida que el dispositivo mostrado en la Figura 9B se comporta muy aproximadamente como un dispositivo QARSP. Las pequeñas discrepancias, que incluso mejoran los resultados previstos en algunas frecuencias, son típicas de cualquier experimento de microondas de coste limitado.
Como tabla resumen se muestran a continuación los resultados específicos de cada una de las curvas para la frecuencia de 12GHz.
Figure imgf000024_0001
Por tanto, queda demostrado que este prototipo experimental es una adecuada implementación del dispositivo QARSP en banda X, y que por tanto da lugar a las ventajas ya comentadas en su aplicación a un sistema de calentamiento.
El ejemplo mostrado se basa en una de las posibles realizaciones del QARSP, pero no es más que una de las muchas posibilidades que se pueden diseñar convenientemente para obtener un circuito con las características de Quasi-Aislador-Recíproco-Sin Pérdidas como el descrito en la presente invención, para explotar sus ventajas en sistemas de calentamiento. Así, por ejemplo, pueden proponerse otras estructuras en tecnología planar, tanto strip como microstrip, basadas en la utilización de circuitos y antenas tanto en esta tecnología, como en las antenas de tipo parche o slot. Estas y otras realizaciones, aunque se basen en tecnologías diferentes a la mostrada en profundidad en los ejemplos anteriores de las Figuras 8 y 9, podrían implementarse para cumplir las mismas funciones descritas para el método y dispositivo QARSP de la presente invención con simples variaciones y modificaciones evidentes para los expertos en la materia.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema para calentamiento por microondas que comprende:
- unos medios de transición modal configurados para transformar una polarización lineal de entrada en una primera polarización circular; y
- un dispositivo quasi-aislador (300), pasivo, recíproco, con tres puertas eléctricas (61 , 62, 63) y acoplable a una cadena de transmisión de microondas, donde el dispositivo quasi-aislador está configurado para reflejar una segunda polarización circular ortogonal a la primera, donde la segunda polarización circular se produce cuando la primera polarización circular se refleja en una carga a calentar;
donde, en un proceso de calentamiento de la carga, de coeficiente de reflexión p, con la primera polarización circular, el coeficiente de reflexión en la entrada del dispositivo quasi-aislador resulta menor que p.
2. Sistema de acuerdo a cualquiera la reivindicación 1 donde, el dispositivo quasi-aislador está definido por una matriz S de parámetros de dispersión con un coeficiente Sn=0 y unos coeficientes Si2y Si3 que cumplen que la suma de sus cuadrados es igual a 0.
3. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de transición modal comprenden:
- unos medios (350) para transformar la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales; y
- unos medios (351) desfasadores, configurados para desfasar 90° las dos polarizaciones lineales ortogonales.
4. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende:
- una guía de onda de entrada (501) conectada por uno de sus extremos a una puerta eléctrica de entrada (61) del dispositivo quasi-aislador, donde la guía de onda de entrada es conectable por otro de sus extremos a un generador de microondas; y
- una guía de onda de salida (504), conectada por uno de sus extremos a las puertas eléctricas de salida (62, 63) del dispositivo quasi-aislador, donde la guía de onda de salida es conectable por otro de sus extremos a una antena de microondas.
5. Sistema de acuerdo a la reivindicación 4 que además comprende una antena de microondas de tipo bocina (120), conectada a la guía de onda de salida y configurada para, al ser excitada por las microondas con la primera polarización circular, aplicar un campo electromagnético sobre la carga p.
6. Sistema de acuerdo a la reivindicación 5 que además comprende un módulo adaptador (352) dispuesto entre las puertas de salida del dispositivo quasi-aislador y una puerta de entrada de la antena de microondas de tipo bocina.
7. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4-6 donde la guía de onda de entrada y la guía de onda de salida tienen doble simetría, y donde la guía de onda de salida es una guía de onda circular que comprende una única puerta física de salida para las dos puertas eléctricas de salida (62, 63) del dispositivo quasi-aislador, cada una de ellas para cada uno de los dos modos TEn de la guía de onda circular.
8. Sistema de acuerdo a la reivindicación 1 donde los medios de transición modal están dispuestos en un substrato dieléctrico (72) y comprenden:
- unos medios desfasadores configurados para desfasar una señal de entrada polarizada linealmente; y
- una antena tipo parche (71) con dos entradas ortogonales (73, 74) conectadas a las puertas de salida eléctricas (62, 63) del dispositivo quasi-aislador, configurada para radiar un campo electromagnético de polarización circular.
9. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un polarizador de entrada conectado a una puerta eléctrica de entrada del dispositivo quasi-aislador, configurado para transformar una polarización circular de entrada en una polarización lineal de salida.
10. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de transición modal forman parte del dispositivo quasi-aislador.
11. Método para calentamiento por microondas que comprende los pasos: - proporcionar una señal de microondas polarizada linealmente en una entrada de un dispositivo quasi-aislador, pasivo, recíproco, con tres puertas eléctricas y acoplable a una cadena de transmisión de microondas,
- transformar, en unos medios de transición modal, la señal de microondas polarizada linealmente en una primera señal de microondas polarizada circularmente;
- aplicar, por una antena de microondas, la primera señal de microondas polarizada circularmente a una carga de coeficiente de reflexión p, de manera que una parte de la señal de microondas polarizada circularmente es reflejada en la carga y se produce una segunda señal polarizada circularmente ortogonal a la primera; y
- reflejar, en el dispositivo quasi-aislador, la segunda señal polarizada circularmente y ortogonal a la primera, de manera que se produce un coeficiente de reflexión en la entrada del dispositivo quasi-aislador menor que p.
12. Método de acuerdo a la reivindicación 11 , que además comprende definir el dispositivo quasi-aislador mediante una matriz S de parámetros de dispersión, estableciendo las siguientes condiciones: un coeficiente Sn=0 y unos coeficientes Si2 y S13 que cumplen que la suma de sus cuadrados es igual a 0;
13. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 11-12 donde transformar la señal de microondas polarizada linealmente en la primera señal de microondas polarizada circularmente comprende:
- transformar la polarización lineal de entrada en dos polarizaciones lineales ortogonales; y
- desfasar 90° las dos polarizaciones lineales ortogonales.
14. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 11-13 que además comprende:
- generar la señal de microondas en un generador de microondas;
- guiar, por una guía de onda de entrada, la señal de microondas hasta el dispositivo quasi-aislador;
- guiar, por una guía de onda de salida, la primera señal de microondas polarizada circularmente hasta una antena de microondas, configurada para aplicarla a la carga.
15. Método de acuerdo a la reivindicación 14, que además comprende determinar una frecuencia de trabajo y seleccionar una geometría para la guía de onda de entrada y la guía de onda de salida, en función de dicha frecuencia.
16. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 11-15 que además comprende transformar, por un polarizador de entrada conectado entre la entrada del dispositivo quasi-aislador y un generador de microondas con polarización circular, una señal polarizada circularmente en la señal de microondas polarizada linealmente que se proporciona en la entrada del dispositivo quasi-aislador.
17. Método de acuerdo a la reivindicación 11 donde transformar la señal de microondas polarizada linealmente en la primera señal de microondas polarizada circularmente comprende:
- desfasar 90° la señal de microondas polarizada linealmente proporcionada en la entrada del dispositivo quasi-aislador; y
- proporcionar las dos señales desfasadas 90° en dos entradas dispuestas ortogonalmente en una antena tipo parche microstrip, donde la antena tipo parche microstrip está configurada para radiar la primera señal de microondas polarizada circularmente que se aplica a la carga.
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