Что такое волновод в микроволновой печи

Можно ли использовать микроволновую печь без крышки волновода?

Микроволновые печи и устройства для приготовления пищи являются важным прибором в домах по всей стране. Когда с волноводами обращаются осторожно, они безопасны и помогают разогревать пищу. Крышки волновода представляют собой тонкий лист на внутренней части отверстия в варочной камере. Если, случайно, ваш чехол сломается или его нужно заменить, вы должны использовать микроволновую печь с осторожностью.

кредит: Rostislav_Sedlacek / iStock / GettyImagesМогу ли я использовать микроволновую печь без крышки волновода?

Что делает чехол волновода?

Где он находится?

Варочная камера микроволновой печи расположена не по центру корпуса микроволновой печи. Если вы откроете внутреннюю стенку камеры духовки, когда откроете верхнюю дверцу, вы увидите волновод на той же стороне, что и панель управления. Тонкий лист будет выглядеть как пластик или тонкий кусок картона.

Как крышки могут быть повреждены?

Если вы правильно используете волновод, он должен работать долго. Если вы не обращаетесь с микроволновой печью осторожно, волновод сломается. Волновод хрупкий, поэтому его можно разбить тарелками, которые грубо помещены в духовку. Хотя вы можете использовать микроволновую печь без волновода, ее следует заменить перед продолжением использования духовки.

Вы можете использовать микроволновую печь без волновода, но когда волновод поврежден, пары и испаренные частицы пищи накапливаются на электронных компонентах печи. Основная функция волновода состоит в том, чтобы защитить духовку от пара, и испаренные частицы пищи будут накапливаться на внутренних электронных компонентах печи. Если это произойдет, печатные платы в микроволновой печи будут короткими и корродировать. Если платы замыкают накоротко, ваша микроволновая печь немедленно перестанет работать или со временем потеряет питание.

Как заменить крышку волновода?

Микроволны имеют высоковольтные компоненты. Даже если микроволновая печь отключена, вам все равно понадобится специальное оборудование для работы на микроволновой печи. Если вы не являетесь квалифицированным специалистом по микроволновой печи или у вас нет необходимых инструментов для ремонта микроволновой печи, настоятельно рекомендуется обратиться к специалисту по обслуживанию. Хотя волноводы немного дороже заменить, их легко найти, и рисковать своим здоровьем и безопасностью не стоит.

Аллана Дайкс

Источник

Как заменить прокладку волновода микроволновой печи?

Микроволновка давно стала незаменимым устройством на наших кухнях. Внезапное появление искр и треска при очередном включении прибора вызывает страх и недоумение. Главное в такой ситуации — не терять самообладания, и быстро отключить устройство от сети. Затем необходимо разобраться в причинах такой нештатной ситуации и решить проблему.

Принцип работы микроволновой печи

Всем знакомый бытовой прибор конструктивно состоит из:

В зависимости от модели микроволновка может быть оснащена грилем — кварцевым, угольным или на ТЭНе и конвектором. Микроволновая печь работает за счет воздействия микроволн на продукты, находящиеся внутри камеры. Дипольные молекулы, которых достаточно много в мясе, рыбе, овощах, фруктах и других продуктах имеют два заряда — положительный и отрицательный. Вне микроволновки молекулы находятся в хаотичном состоянии. При включении магнетрона генерируются микроволны. Они направляются внутрь корпуса, отражаясь от внутренних стенок. При этом частицы выстраиваются в определенном порядке с учетом заряда. При смене полярности молекулы разворачиваются на 180 градусов. При движении молекулы микроволн нагреваются и передают тепло блюду.

Волновод

Особенности СВЧ излучения определяют специфику компонентов, на которых построены электрические схемы. Природа распространения СВЧ токов такова, что они протекают только по поверхности проводника, причем — по очень тонкому слою. Для передачи энергии от магнетрона в камеру печи используется волновод. Его большая площадь минимизирует малые токовые потери. Кроме этого волновод является резонансным устройством. Его геометрические размеры просчитаны таким образом, что волны, которые возбуждаются в этом элементе имеют только определенную частоту. Конструктивно волновод представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, закороченную с одной стороны металлической стенкой. Если бы волновода не было, то весь спектр колебаний магнетрона попадал бы прямо в камеру. Из-за неравномерности нагрузки в ней, какая-то часть спектра после переотражения от ее стенок возвращалась бы назад к магнетрону, что вызвало бы потерю мощности и перегрев магнетрона. Но, если включить пустую микроволновку, наличие волновода не спасет ситуацию — микроволновая энергия, не поглощенная продуктами будет принята магнетроном, что негативно скажется на его работоспособности. Внутренняя поверхность волноводов часто полируется и покрывается тонким слоем серебра.

Искры в СВЧ печи

Если при включении микроволновой печи появились искры и треск, прибор необходимо быстро отключить. Такие признаки однозначно свидетельствуют о неисправности. Причины могут быть следующие:

Как заменить прокладку волновода

Отключите микроволновую печь от сети. Затем снимите прогоревшую пластину. Она может фиксироваться, в зависимости от модели, по-разному — саморезами или пластиковыми клипсами. Шурупы выкручиваются, под пластину подсовывается тонкое лезвие ножа и пластина снимается. Пластиковые клипсы также снимаются ножом.

Затем необходимо отмыть прогоревшую деталь — это будет трафарет. Укладываем старую пластину на новую слюду и под линейку аккуратно срезаем ножом лишние куски. Это удобно делать на деревянной доске, можно использовать обычную разделочную, но идеально чистую. Также можно обвести контуры трафарета карандашом или ручкой и затем вырезать новую пластину ножницами. Края вырезанной пластины обрабатываем надфилем. Это необходимо для того, чтобы на заусеницы не приставал жир.

Следующий этап — чистка камеры. Осматриваем место для установки пластины на наличие жира или другого нагара. Тщательно очищаем поверхность до гладкого состояния, используя надфиль и средства для чистки. Бывает, что на колпачке магнетрона также образуется нагар из органических остатков. Его не нужно путать с оплавившимся металлом. Нагар с магнетрона также аккуратно счищаем. Для чистки можно использовать шкурку с некрупными зернами. Протираем все детали, просушиваем их от влаги. Затем устанавливаем новую пластину в обратном алгоритме. В завершение необходимо проверить работоспособность устройства. Но не забывайте — включать микроволновку можно только, поместив внутрь камеры влагосодержащий продукт — например, воду в стакане из термостойкого стекла.

Стоит ли выполнять ремонт?

Для ремонта любой техники необходимо иметь знания в электротехники, электронике, уметь пользоваться различными инструментами и приборами. Если вы не являетесь экспертом в данной области, то не нужно рисковать — предоставьте возможность выполнить эту работу специалистам.

Кроме этого, целесообразность выполнения такого ремонта стоит обдумать, учитывая несколько факторов:

Поэтому в случае прогорания прокладки правильным решением будет покупка новой современной микроволновой печи.

Микроволновые печи Maunfeld

Микроволновые печи Maunfeld отличаются стильным дизайном и классическим, интуитивно понятным интерфейсом. Их функциональные возможности настолько широки, что СВЧ печи вполне могут заменить духовой шкаф. Модельный ряд микроволновых печей представлен приборами различного объема и мощности. Все они имеют качественное покрытие рабочей камеры из нержавеющей стали, имеющее длительный срок службы. В микроволновых печах Maunfeld можно готовить различные овощные, мясные блюда, напитки, десерты, пиццу, пирожки и многое другое. В печке можно размораживать продукты, запекать с получением хрустящей корочки.

Удобные встраиваемые модели

Линейка встраиваемых микроволновых печей Maunfeld представлена моделями с вместительной рабочей камерой, большим выбором автоматических программ и режимов, удобным сенсорным или кнопочным управлением. Помимо стандартных режимов приготовления такие модели могут быть оснащены комбинированным режимом гриля и микроволн. Разнообразный дизайн микроволновок позволит выбрать модель, подходящую к любому стилю кухни.

Британское качество

Все модели бытовой техники Maunfeld отличает высокое качество и надежность. Она соответствует самым высоким европейским стандартам. В основу продукции бренда положены инновационные технологии и стремление к совершенству. Надежность выпускаемых изделий — базовый принцип деятельности компании. Британские специалисты не только постоянно разрабатывают новые и совершенствуют уже популярные модели техники. Под их контролем осуществляется весь процесс сборки и тестирования готовых изделий. Такой подход наряду с использованием только качественных материалов и комплектующих обеспечивает высокое качество производимой техники.

Источник

Микроволновая техника — волноводы

Как правило, если частота сигнала или конкретной полосы сигналов высока, использование полосы пропускания является высоким, поскольку сигнал обеспечивает больше места для накопления других сигналов. Однако высокочастотные сигналы не могут преодолевать большие расстояния без ослабления. Мы изучили, что линии передачи помогают сигналам преодолевать большие расстояния.

Микроволны распространяются через микроволновые цепи, компоненты и устройства, которые действуют как часть микроволновых линий передачи, широко называемых волноводами.

На следующем рисунке показан пример волновода.

Волновод обычно предпочтителен в микроволновой связи. Волновод представляет собой особую форму линии передачи, которая представляет собой полую металлическую трубку. В отличие от линии передачи, волновод не имеет центрального проводника.

Основными характеристиками волновода являются —

Стенка трубки обеспечивает распределенную индуктивность.

Пустое пространство между стенками трубки обеспечивает распределенную емкость.

Это громоздкие и дорогие.

Стенка трубки обеспечивает распределенную индуктивность.

Пустое пространство между стенками трубки обеспечивает распределенную емкость.

Это громоздкие и дорогие.

Преимущества волноводов

Ниже приведены некоторые преимущества волноводов.

Волноводы просты в изготовлении.

Они могут работать с очень большой мощностью (в киловаттах).

Потери мощности очень незначительны в волноводах.

Они предлагают очень низкие потери (низкое значение альфа-затухания).

Когда микроволновая энергия проходит через волновод, она испытывает меньшие потери, чем коаксиальный кабель.

Волноводы просты в изготовлении.

Они могут работать с очень большой мощностью (в киловаттах).

Потери мощности очень незначительны в волноводах.

Они предлагают очень низкие потери (низкое значение альфа-затухания).

Когда микроволновая энергия проходит через волновод, она испытывает меньшие потери, чем коаксиальный кабель.

Типы волноводов

Существует пять типов волноводов.

На следующих рисунках показаны типы волноводов.

Типы волноводов, показанные выше, являются полыми в центре и состоят из медных стенок. Они имеют тонкую подкладку из Au или Ag на внутренней поверхности.

Давайте теперь сравним линии электропередачи и волноводы.

Линии передачи и волноводы

Основное различие между линией передачи и волноводом —

Двухпроводная структура, которая может поддерживать волну ТЕА, представляет собой линию передачи.

Структура с одним проводником, которая может поддерживать волну TE или волну TM, но не волну TEM, называется волноводом.

Двухпроводная структура, которая может поддерживать волну ТЕА, представляет собой линию передачи.

Структура с одним проводником, которая может поддерживать волну TE или волну TM, но не волну TEM, называется волноводом.

В следующей таблице приведены различия между линиями передачи и волноводами.

Фазовая скорость

Фазовая скорость — это скорость, с которой волна меняет свою фазу, чтобы пройти фазовый сдвиг в 2π радиан. Его можно понимать как изменение скорости волновой составляющей синусоидальной волны при модуляции.

Выведем уравнение для фазовой скорости.

Согласно определению следует учитывать скорость изменения фазы при 2π радиан.

V = f r a c l a m b d a T

λ = длина волны и T = время

V = f r a c l a m b d a T = l a m b d a f

Так как f = f r a c 1 T

Если мы умножим числитель и знаменатель на 2π, то получим

V = l a m b d a f = f r a c 2 p i l a m b d a f 2 p i

Мы знаем, что o m e g a = 2 p i f и b e t a = f r a c 2 p i f

Приведенное выше уравнение можно записать в виде

V = f r a c 2 p i f f r a c 2 p i l a m b d a = f r a c o m e g a b e t a

Следовательно, уравнение для фазовой скорости представляется в виде

V p = f r a c o m e g a b e t a

Скорость группы

Групповая скорость может быть определена как скорость, с которой волна распространяется по волноводу. Это можно понимать как скорость, с которой движется модулированная огибающая по сравнению с одной несущей. Эта модулированная волна проходит через волновод.

Уравнение скорости группы представляется в виде

V g = f r a c d o m e g a d b e t a

Скорость модулированной огибающей обычно медленнее, чем сигнал несущей.

Источник

yourmicrowell.ru

Волновод микроволновой печи

Для того, что бы детально разобраться во всей сложности процессов происходящих в волноводе, этой статьи, конечно, будет мало. Но для первого знакомства с волноводом, я думаю, вполне достаточно.

Волновод микроволновой печи, по своей сути – является полой металлической трубой с прямоугольным сечением. Вход волновода расположен за пределами камеры печи и оснащен фланцем для крепления магнетрона (Рисунок 1). Второй конец волновода выходит внутрь камеры и закрыт специальной крышкой (Рисунок 2). Не смотря на внешнюю простоту, на самом деле, волновод представляет собой очень точно рассчитанный компонент микроволновой печи.

Любую систему, даже в той же микроволновке можно разделить на составные части, это: генератор – линия связи – потребитель. К примеру, возьмем двигатель вентилятора. В этом случае, в качестве генератора выступает питающая сеть. В качестве линии связи — провода, а в качестве потребителя – двигатель. В случае с СВЧ мы имеем: генератор – магнетрон, линия связи – волновод и потребитель – камера печи. Причины применения именно волновода в качестве линии связи, кроются в природе распространения токов высокой частоты. Токи низких частот прекрасно текут по всему сечению проводника, но с увеличением частоты картина меняется. В линиях связи начинают возникать потери энергии. Например, токи частот метрового диапазона, для снижения потерь, вместо проводов целесообразно передавать по коаксиальному кабелю в медной оплетке и с полиэтиленовым наполнителем. А, СВЧ токи, вообще протекают только по поверхности проводника, причем по очень тонкому слою, и здесь, довольно большая площадь волновода играет положительную роль, обеспечивая малые токовые потери. Кроме того, волновод, является резонансным устройством. Благодаря расчету его геометрических размеров, в нем могут возбуждаться волны только определенной частоты. Магнетрон, во время работы, помимо микроволн основной – нужной частоты, излучает целый спектр побочных частот – гармоник, в большинстве своем являющихся паразитными. Волновод, применяемый в микроволновых печах – является прямоугольным волноводом закороченным с одной стороны металлической стенкой. Расстояние от торца колпачка антенны магнетрона до этой стенки должно равняться приблизительно четверти длины основной волны (Рисунок 3). Это позволяет возбуждать в нем микроволны той частоты, которая необходима. Волны побочных — паразитных частот, благодаря многократному отражению от стенок волновода, или взаимоуничтожаются, или затухают, не доходя до выхода. Известно, что все резонансные устройства, в том числе и магнетрон, способны не только излучать волны, но и принимать их. Если заставить магнетрон излучать весь спектр колебаний прямо в камеру печи, минуя волновод, то благодаря не равномерности нагрузки в камере, какая то часть спектра после переотражения от ее стенок, обязательно вернется назад к магнетрону, что опять же приведет к потере мощности и перегреву магнетрона. Наличие волновода, позволяет согласовать генератор с нагрузкой и тем самым исключить это явление. Но, при включении микроволновки с пустой камерой, не спасет и наличие волновода. Микроволновая энергия, не поглощенная продуктами будет принята магнетроном, что отрицательно скажется на его здоровье.

На основании выше изложенного, можно сделать вывод, что волновод в микроволновой печи нужен для согласования магнетрона с рабочей камерой, а так же для селекции микроволн излучаемых магнетроном.

А, теперь пару слов о практической стороне этого вопроса.

При замене магнетрона будьте внимательны, следите за тем, чтобы длина антенны магнетрона – донора, была такой же, как у того, что был установлен ранее. Соблюдайте расстояние от колпачка магнетрона, до стенки волновода. В противном случае, в такой микроволновке вы ничего не разогреете, кроме того, можете загубить новый магнетрон.

Для нормальной работы печи, волновод должен быть электрически герметичен, кроме выхода конечно, иначе возникнут утечки высокочастотной энергии, что приведет к возрастанию потерь в волноводе и падению выходной мощности. Если в результате электрического пробоя стенки волновода прогорели до дыр, то такой волновод работать уже не будет.

Так как токи СВЧ распространяются по поверхности проводника, внутренняя поверхность волновода должна быть идеально гладкой, без царапин, кратеров и наростов. Дефекты поверхности волновода – являются серьезным препятствием для токов СВЧ. Для предотвращения попадания фрагментов продуктов на внутреннюю поверхность волновода во время работы печи, его выход в камере закрыт специальной крышкой. Крышка волновода, должна быть изготовлена из термостойкого и прозрачного для микроволн материала. Для этого, как правило, применяется слюда. В печах, не оснащенных грилем, может применяться специальный пластик.

Тому, у кого есть желание узнать больше, могу рекомендовать книгу С. Г. Сапунова «Ремонт микроволновых печей». Книгу можно скачать здесь. Формат DJVU, размер файла 4,1Мб.

Источник

Волноводы

Вполне понятно, что специфика СВЧ излучения накладывает свой отпечаток и на компоненты, из которых строятся электрические схемы. Мы рассмотрим только те из них, которые в той или иной мере встречаются в микроволновых печах.

Волноводы

Для передачи энергии от генератора к нагрузке в СВЧ диапазоне используются волноводы. Волновод представляет собой полую, металлическую трубу, как правило, круглого или прямоугольного сечения (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид прямоугольного и круглого волноводов

Электромагнитная энергия передается по волноводу примерно так же, как вода по водопроводной трубе. В принципе, водопроводная труба, если ее тщательно очистить от грязи и накипи, вполне может быть использована и для транспортировки электромагнитных волн. Продолжая аналогию, можно заметить, что в местах протечки воды может просачиваться и электромагнитная энергия, поэтому сочленение отрезков волноводов необходимо производить как можно плотнее.

На этом, пожалуй, сходство заканчивается, и начинаются различия. Глядя на рисунок, нетрудно понять, что изготовление волноводов вещь не простая и дорогостоящая. В отличие от ржавых внутренностей водопроводной трубы внутренняя поверхность волноводов часто полируется и покрывается тонким слоем серебра. Очевидно, что переход с обычной двухпроводной линии на волноводы произошел не с целью экономии средств.

Остановимся более подробно на причинах такого перехода. Как уже отмечалось, с повышением частоты возрастает доля мощности, теряемой на излучение. Кроме того, что это плохо само по себе, это приводит к засорению эфира радиопомехами и отрицательно сказывается на здоровье радио- и электронных устройств. Поэтому уже в метровом диапазоне передача сигналов осуществляется по коаксиальному кабелю, представляющему собой двухпроводную линию, у которой один проводник выполнен в виде экранирующей оплетки, предотвращающей излучение энергии.

Однако при дальнейшем повышении частоты возрастают потери, связанные с затуханием сигнала в материале, заполняющем пространство между центральной жилой и оплеткой кабеля. При достаточно высокой частоте и большой передаваемой мощности это. приводит к перегреву кабеля и выходу его из строя. Например, коаксиальный кабель РК-75 с полиэтиленовым наполнением и длиной 10 м на частоте 3 ГГц теряет 84% передаваемой мощности. Медный прямоугольный волновод при тех же условиях теряет всего около 5% мощности. Используя в качестве наполнителя материалы с малым затуханием, можно повысить уровень допустимой передаваемой мощности, а поскольку наименьшими потерями обладает воздушное заполнение, то кабель естественным образом трансформируется в коаксиальный волновод.

Конструктивно последний уже ничем не проще волноводов, изображенных на рис. 1, скорее даже наоборот, поэтому выбор типа волновода определяется уже не экономической целесообразностью, а различием в их характеристиках.

Может возникнуть вопрос, откуда вообще берутся потери в волноводе, если он изготовлен из меди с площадью поперечного сечения в десятки миллиметров? Ответ заключается в том, что токи текут не по всему сечению волновода, а лишь там, куда проникает электромагнитное поле по так называемому скин-слою. Глубина скин-слоя зависит от частоты и удельной проводимости металла, из которого изготовлен волновод.

Она вычисляется по формуле:

К примеру, на частоте 2.45 ГГц глубина проникновения поля составляет от 1.3 мкм для меди до 10 мкм для нержавеющей стали. Поэтому общая площадь поперечного сечения, по которому проходит ток, относительно невелика. Большое значение имеет качество внутренней поверхности волновода. Чем выше шероховатость стенок волновода, тем длиннее путь СВЧ токов и тем быстрее происходит затухание волны. Поэтому для снижения потерь волноводы иногда полируют и покрывают тонким слоем серебра, на глубину скин-слоя.

В СВЧ технике встречаются волноводы с различным профилем поперечного сечения: П-образные, Н-образные, круглые, овальные и т.д. В микроволновых печах используются только прямоугольные волноводы, поэтому мы ими и ограничимся.

В целом конфигурация поля в волноводе может иметь очень сложную форму. К счастью, теория дает механизм, позволяющий свести сложную структуру поля к набору относительно простых типов, из которых, при желании, можно воссоздать любую конфигурацию существующих в волноводе полей.

Два последних свойства определяют структуру поля у поверхности проводника, т.е. на границе между проводником и областью распространения электромагнитной волны. Поэтому их называют «граничными условиями». Электромагнитное поле всегда имеет такую структуру, при которой выполняются эти условия.

При распространении волн в волноводе вдоль поперечных координат устанавливаются так называемые стоячие волны. В данном случае название говорит само за себя. Хотя структура волны в поперечном направлении может быть точной копией структуры волны в продольном направлении, между ними, как говорят в Одессе, есть две большие разницы. В первом случае поле статично и никакого движения вдоль поперечных координат не наблюдается, меняется лишь амплитуда поля, а во втором случае картина поля все время сдвигается в сторону распространения волны со скоростью v.

Распространяемые по волноводу электромагнитные волны условно можно разделить на дваосновных типа.

Волны, имеющие составляющую электрического поля вдоль направления распространения и не имеющие магнитной, относятся к Е-типу. И наоборот, волны, имеющие магнитную составляющую вдоль направления распространения и не имеющие электрической, относятся к Н-типу.

Каждый тип волны обозначается соответствующей буквой с индексом из двух цифр, показывающим число стоячих полуволн вдоль большей и меньшей сторон поперечного сечения волновода. Таким образом, по названию волны можно определить соответствующую ей структуру поля.

Если размеры обеих поперечных координат меньше, чем длина полуволны, то через такой волновод волна распространяться не может. В этом случае говорят, что волновод является запредельным для данного типа волны.

Наибольшая длина волны, которая может распространяться по волноводу, называется критической. При фиксированных размерах волновода критическая длина волны зависит от ее типа. Ниже приведена формула для ее расчета.

Как видно из формулы, чем выше индексы тип, тем больше должны быть поперечные размеры волновода, при которых возможно распространение данного типа. Это обстоятельство облегчает селекцию типов, поскольку на рабочей длине волны всегда можно так подобрать размеры а и b, чтобы распространялись только нужные типы волны.

На практике в качестве рабочего обычно используется тип Н₁₀, изображенный на рис. 2.

Рис. 2. Структура электромагнитного поля в прямоугольном волноводе для волны типа Н₁₀

Для большей наглядности на рисунке также приведены графики распределения электрического и магнитного полей вдоль широкой стенки. Равенство нулю второго индекса в названии волны говорит о том, что вдоль узкой стенки поле не меняется.

Обратите внимание, что отсутствует не само поле, а лишь его изменение. Таким образом, размер b не влияет ни на структуру распределения полей в волноводе, ни на его критическую частоту.

Практически из этого следует, что даже очень узкая щель, шириной более λ/2, может рассматриваться как волновод, проводящий СВЧ энергию с минимальными потерями.

Столь тщательное рассмотрение этого типа не случайно, поскольку он является основным для прямоугольного волновода. Можно даже сказать, основным в квадрате, поскольку, во-первых, это рабочий тип волны для подавляющего большинства задач, в частности именно этот тип используется в микроволновых печах, а во-вторых, он основной по определению.

Для волноводов произвольного поперечного сечения основным называется наиболее низкочастотный тип волны. Все остальные — это высшие типы, как правило, являющиеся паразитными.

Как известно, все познается в сравнении, поэтому не лишним будет вкратце рассмотреть и некоторые другие типы волн. Если постепенно увеличивать частоту, излучаемую через волновод, т.е. уменьшать длину волны, то в определенный момент вдоль широкой стенки волновода сможет уместиться две стоячие полуволны. Тогда создадутся условия для возникновения типа Н₂₀.

При дальнейшем увеличении частоты появятся типы Н₀₁, Н₁₁, Е₁₁ и т.д. Структура попей для типов, ближайших к основному, показана на рис. 3.

Рис. 3. Структура ближайших к основному типов волн в прямоугольном волноводе

Анализируя эти типы, не трудно выявить определенные закономерности в структуре полей и, при желании, построить типы с более высокими индексами.

На рис. 4 представлена диаграмма распределения критических длин волн, наиболее близких к основному типу.

Рис. 4. Критические длины волн прямоугольного волновода (стрелки указывают области, в которых указанные типы волн могут распространяться по волноводу)

У стандартных волноводов, как правило, выполняется соотношение b/а μ =1 и формула слегка упрощается.

Возбуждение волноводов

Возбуждение волн в волноводе можно осуществить с помощью устройства, создающего в некотором сечении волновода переменное электрическое или магнитное попе, совпадающее по конфигурации силовых пиний с полем волны требуемого вида. Возбуждение волн происходит также при создании в стенках волновода СВЧ токов, совпадающих с токами волны желаемого типа.

Сразу оговоримся, что любое устройство, служащее для возбуждения волн, с таким же успехом может использоваться для их приема.

При передаче энергии от генератора к нагрузке, большое значение имеет согласование передающего тракта. Под согласованием понимается способность передающей пинии обеспечить полное прохождение к нагрузке электрической мощности вырабатываемой генератором. Это одна из наиболее сложных задач при проектировании микроволновых систем, особенно большой мощности. Любые неоднородности в тракте, к числу которых относятся и элементы возбуждения, и сама нагрузка, способны привести к отражению мощности обратно к генератору. Помимо того, что это снижает выходную мощность и КПД системы, отраженная энергия неблагоприятно воздействует на генератор и при большом рассогласовании может вывести его из строя.

Обычно, энергия от генератора поступает по коаксиальной пинии. Подключение ее к волноводу осуществляется либо в виде магнитной петли связи, либо в виде электрического штыря (рис. 6).

Рис. 6. Емкостной (а) и индуктивный (б) способы возбуждения волновода

Магнитная петля связи, как правило, располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем ее плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Подобный вид связи, в частности, используется внутри магнетрона для отбора энергии от его колебательной системы.

Электрический штырь размещается в максимуме электрического поля, вдоль его силовых линий. Во многих случаях штырем служит продолжение внутреннего провода коаксиальной линии или вывод энергии генераторного прибора. Такой тип возбуждения используется в большинстве микроволновых печей. Обычно в них мощность от магнетрона попадает в рабочую камеру через небольшой отрезок прямоугольного волновода. Оказывается, проще согласовать магнетрон с волноводом, а затем волновод с рабочей камерой, чем непосредственно магнетрон с камерой.

Возбуждение волновода не такой простой вопрос, как может показаться на первый взгляд.

Наибольшие сложности возникают при согласовании, в микроволновых печах в особенности, поскольку нагрузка в этом случае может меняться в широких пределах. Практически невозможно согласовать магнетрон с рабочей камерой таким образом, чтобы и при максимальной загрузке печи и при практически пустой камере отражаемая мощность находилась в допустимых пределах (не более 25— 30%). Поэтому во всех руководствах к микроволновым печам оговаривается минимальная загрузка камеры (около 200 г).

Аналогичные сложности возникают при попытке замены магнетрона одного типа на другой, даже если основные электрические параметры у них практически одинаковы. Если имеются отличия в геометрических размерах вывода энергии, могут возникнуть проблемы, непредвиденные для непосвященных.

Для посвященных проблемы останутся, но статус их изменится. Они станут ожидаемыми и во многих случаях устранимыми. Рассмотрим более детально возбуждение электромагнитных волн в волноводе.

Типичная конструкция подключения магнетронного генератора к волноводу показана на рис. 7 а.

Рис. 7. Подключение магнетрона к волноводу (а) и распределение напряженности электрического поля в волноводе(б)

Вывод энергии магнетрона по своей сути — это антенна в виде электрического штыря, являющегося продолжением внутренней жилы коаксиального волновода. Прямоугольный волновод с одной стороны закорочен металлической стенкой, расположенной на расстоянии примерно в четверть длины волны. Размеры штыря и расстояние до короткозамыкающей стенки являются ключевыми при согласовании генератора с магнетроном.

Известно, что оптимальная длина антенны в свободном пространстве равна λ/ 4. В нашем случае это чуть более 3 см. Длина антенны в волноводе должна быть несколько ниже этого значения, поскольку электрическая емкость, образованная верхней крышкой волновода и торцом антенны, увеличивает эффективную длину последней.

Другими словами, увеличение торцевой емкости антенны эквивалентно некоторому увеличению ее длины.

Последний вариант менее предпочтителен, поскольку, во-первых, создает у острия антенны высокую напряженность поля, что может привести к электрическим пробоям, во-вторых, увеличивает локальный разогрев антенны и, наконец, требует большей высоты волновода. Обычно вывод магнетрона оканчивается медным колпачком шириной около 1.5 см. Это увеличивает торцевую емкость, поэтому длина антенны может быть несколько ниже чем λ /4. Форма и размеры колпачков, а также длина антенны у разных магнетронов могут отличаться друг от друга. Это связано с тем, что каждый магнетрон рассчитан на работу с волноводом определенных размеров. Поэтому при замене магнетронов важно это учитывать и стараться подбирать замену не только в соответствии с электрическими параметрами, но и с одинаковыми выводами энергии.

Теперь рассмотрим, какое значение имеет расстояние L между торцевой стенкой волновода и выводом энергии магнетрона. Как было сказано ранее, это расстояние примерно равно λ /4. Вначале, для простоты, допустим, что вывод энергии не нарушает структуру поля в волноводе. В соответствии с граничными условиями электрическое попе распределится в волноводе по синусоиде.

Штырь магнетрона будет излучать электромагнитные волны во всех направлениях. Назовем волну, движущуюся в нужном направлении, т.е. к нагрузке, — прямой волной, а волну, движущуюся в противоположном от желаемого направлении — обратной. Обратная волна после зеркального отражения от металлической стенки изменит свою фазу на 180°. Поскольку на ее движения к стенке и обратно уйдет половина периода, или еще 180°, то в тот момент, когда отраженная волна достигнет штыря, ее фаза, сделав полный оборот на 360° будет такой же, как и у прямой волны. Поэтому они сложатся и с удвоенной мощностью дружно устремятся в камеру микроволновой печи.

Теперь предположим, что расстояние L будет не λ/ 4, а λ/ 2. В этом случае отраженная от стенки волна, возвратясь к штырю, окажется в противофазе с прямой. Эти волны взаимно уничтожатся, распространения энергии вдоль нужного направления не произойдет, и пирожки в камере останутся холодными. Но, как вывел еще Михаило Ломоносов, ничто не исчезает бесследно.

Не сумев пробиться в камеру, микроволновая энергия отправится обратно в магнетрон и будет там вершить свои черные дела.

Мы рассмотрели два крайних случая — наилучший и наихудший. Любое другое расположение штыря даст промежуточный результат, т.е. часть энергии уйдет на нагрев пирожков, а часть — на нагрев магнетрона.

В наших рассуждениях мы предполагали, что штырь не изменяет структуру поля. Однако как вы, безусловно, догадываетесь, это далеко не так. Вносимая штырем емкость нарушает синусоидальную форму распределения электрического поля вблизи него. Попе будет концентрироваться в основном внутри этой емкости, и идеальная синусоида трансформируется в реальную картинку на рис. 7 б.

Теперь перейдем к практическим выводам, которые вытекают из предыдущего материала.

Если при замене магнетрона происходит изменение емкости, из-за большей или, наоборот, меньшей длины вывода энергии, то неизбежно произойдет рассогласование, следствием которого может оказаться перегрев магнетрона и слабый нагрев в камере микроволновой печи. В принципе, в некоторых случаях это можно устранить. Например, изменив емкость или сместив магнетрон относительно торцевой стенки. Но лучше этого не делать, поскольку результат подобных действий без специального оборудования трудно отследить, а заранее вычислить необходимые корректировки практически невозможно. Самый простой и надежный способ — это подобрать новый магнетрон с такой же высотой вывода энергии, как и у старого.

Запредельные волноводы, диафрагмы

Если поперечные размеры волновода меньше критической длины волны, то такой волновод называется запредельным. Распространения энергии через него не происходит. Необходимо помнить, что термин «запредельный» всегда относителен. Всякий волновод является запредельным для одних частот и обычным для других. Поэтому, когда говорят «запредельный», всегда подразумевается рабочая частота, для которой волновод таковым является. С помощью подобного волновода можно обеспечить доступ к области, в которой сосредоточено электромагнитное поле, и в то же время избежать утечки энергии.

Несмотря на то что распространение энергии в запредельном волноводе отсутствует, переменные электрическое и магнитное поля существуют. Силовые линии поля как бы втягиваются в полость волновода. Амплитуда этих попей убывает по экспоненте по мере удаления от входа. Количественно степень убывания поля снижается примерно в 1000 раз при удалении от входа на расстояние, равное λ _кр.

В свою очередь, критическая длина волны примерно вдвое превышает диаметр круглого волновода. Поэтому если, например, мы имеем отверстие диаметром 1 мм в металлической стенке толщиной 2 мм, то напряженности полей на противоположных концах этого отверстия будут отличаться, примерно, в 1000 раз. Но это еще не значит, что одна тысячная доля СВЧ мощности будет излучаться в окружающее пространство. Для того чтобы это произошло, необходимо непосредственно у отверстия иметь какой-нибудь приемник микроволнового излучения, например коаксиальный кабель с петлей связи на конце. При его отсутствии лишь очень малая часть энергии, сосредоточенной у выходного отверстия, будет излучаться наружу.

Практически, для тех соотношений размеров, которые приведены в нашем примере, можно считать, что излучение отсутствует полностью.

Камера микроволновой печи содержит большое количество различных отверстий, предназначенных для освещения, конвекции воздуха, визуального наблюдения и т.д. Поэтому важно знать, при каких условиях обеспечивается достаточная экранировка камеры. Насколько правомерно считать отверстие в камере запредельным волноводом, если его продольные размеры значительно меньше λ _кр?

Предположим, что толщина стенки близка к нулю. Такое отверстие уже просто неприлично называть волноводом, поэтому будем называть его диафрагмой, как принято в технической литературе по СВЧ. Соответственно условие λ > λ _кр уже не может быть достаточным для надежной экранировки.

Расчет поля проникающего сквозь диафрагму довольно сложен, поэтому мы рассмотрим лишь некоторые факты, которые позволят как-то ориентироваться в уровне излучения сквозь отверстия в камере микроволновой печи. Практика показывает, что излучение превышающее допустимый уровень, возникает, когда диаметр круглого отверстия составляет примерно 15 — 20 мм.

Поле, возбуждаемое круглой диафрагмой, пропорционально кубу ее радиуса. Поскольку излучение из нескольких отверстий примерно пропорционально их числу, то замена одного большого отверстия несколькими малыми, с той же площадью поперечного сечения, приводит к ослаблению поля в √ n раз. Этот факт используется при проектировании окон в микроволновых печах, которые изготавливаются в виде мелкоперфорированной сетки.

Попутно заметим, что уменьшение диаметра ячеек сетки положительно сказывается и на дизайне микроволновой печи. Если диафрагма представляет собой не круглое, а щелевое отверстие, то большое значение имеет его пространственная ориентация. Узкая щель не излучает, если она располагается вдоль линий тока, как это показано на рис. 8.

Рис. 8. Влияние ориентации щелей в волноводе на их излучающую способность (распределение токов на внутренней поверхности волновода показано для волны типа Н₁₀)

Иначе говоря, излучение сквозь щель возникает только тогда, когда она прерывает линии тока на поверхности проводника. Сказанное относится к узкой щели, ширина которой значительно меньше длины волны возбуждающих колебаний.

Значительное повышение излучения сквозь диафрагму может произойти, если непосредственно вблизи отверстий расположены какие-либо провода или иной проводящий мусор. Особенно если сквозь отверстие проходит отрезок проводника. Это может быть забытый при ремонте или сборке винт, шуруп, кусок провода и т.д. В этом случае диафрагма может превратиться в отрезок коаксиального волновода, для которого не существует ограничений на диаметр, и излучаемая мощность может увеличиться в сотни раз.

Отсюда вывод: чистота — залог здоровья.

Резонаторы

Если в волноводе на рис. 7 на пути распространения электромагнитной волны поставить металлическую стенку, то волна отразится от нее и двинется в обратном направлении. Дойдя до противоположной стенки, она вновь отразится, и этот процесс будет повторяться до тех пор, пока из-за потерь энергии в стенках волновода волна окончательно не затухнет. Если при этом фазы многократно отраженных от стенок волн будут совпадать, то эти волны, взаимно усиливая друг друга, могут в сотни раз увеличить напряженности электромагнитных полей в рассматриваемой области.

Как известно из физики, суммирование одинаковых по частоте и амплитуде волн, движущихся в противоположных направлениях, дает в итоге стоячую волну. Поэтому в рассматриваемом объеме структура полей вдоль продольной оси будет подобна структуре полей вдоль остальных координат.

Это утверждение не очевидно, и некоторым читателям может показаться сомнительным. В качестве доказательства можно привести пример, часто наблюдаемый в природе. Стоя у каменной набережной, можно заметить, как волны, направленные к берегу, складываясь с отраженными от гранитных стен, создают иллюзию полного отсутствия продольного движения. Волны поднимаются и опускаются, находясь на одном и том же месте и никуда не двигаясь.

По этому поводу хорошо сказал «большой ученый» Козьма Прутков: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».

Явление, при котором устанавливается режим стоячих волн, называется резонансом, а устройство, где все это происходит, — резонатором. Геометрическое тело, образованное нами в результате манипуляций с волноводом, есть не что иное, как призма; соответственно подобные резонаторы называются призматическими. Разумеется, призматическая форма не является обязательным атрибутом резонатора.

Любой объем, ограниченный со всех сторон проводящей поверхностью, может рассматриваться как резонатор. Однако на практике стремятся использовать простые формы, поскольку их параметры могут быть просчитаны аналитически. Более сложные формы требуют расчетов с помощью специальных численных методов на мощных компьютерах, причем время, требуемое дпя расчета только резонансных частот, может измеряться часами. Но никакой компьютер не поможет, если резонатор имеет форму, не поддающуюся математическому описанию.

В этом случае помочь может только эксперимент, то есть вы изготавливаете резонатор замысловатой формы, который, на ваш взгляд, должен обладать превосходными свойствами, включаете — не работает; вносите коррективы, включаете — не работает. И так до тех пор, пока не добьетесь требуемого результата или пока не лопнет ваше терпение и вы не решите, что лучше заняться выращиванием кактусов.

Аналогом резонатора в радиотехнике служит колебательный контур. Этапы постепенного преобразования резонатора в контур по мере увеличения резонансной частоты показаны на рис. 9.

Рис. 9. Последовательный переход от колебательного контура к резонатору по мере увеличения частоты

Частота колебательного контура вычисляется по формуле:

где L — индуктивность катушки контура, а С — емкость конденсатора.

С повышением резонансной частоты контура значения величин L и С уменьшаются. Конструктивно это выглядит как раздвижение пластин конденсатора и снижение количества витков катушки сначала до одного, а затем до нескольких, параллельно включенных полувитков, которые в пределе сливаются в единую замкнутую полость. Как и в контуре, основными параметрами резонатора являются резонансные частоты и добротность.

Рассмотрим каждый из этих параметров в отдельности применительно к призматическому резонатору, как наиболее нас интересующему. Мы получили его из волновода, поэтому вполне естественно, что часть свойств волновода будет присуща и призматическому резонатору.

Множество типов волн, существующих в волноводе, трансформируется в стоячие волны резонатора, которые образуют множество видов колебаний. По аналогии с прямоугольным волноводом, виды колебаний призматического резонатора обозначаются путем добавления к типу волны еще одного индекса, указывающего количество стоячих полуволн вдоль продольной координаты.

Собственно понятия продольной и поперечной координат для резонатора теряют смысл, поскольку структура полей в любом направлении зависит только от вида колебаний и геометрических размеров сторон. Ни одно из направлений нельзя выделить как приоритетное. При этом следует помнить, что обозначение вида колебаний связано с определенной ориентацией призматического резонатора.

Например, один и тот же вид может рассматриваться как Н₁₁₀, Н₁₀₁, Н₀₁₁ в зависимости от выбранной системы координат.

Каждый вид колебаний в резонаторе характеризуется собственной резонансной частотой и добротностью. Аналогично волноводу, самый низкочастотный вид называется основным, остальные — высшими видами. На практике обычно используется основной вид, по тем же причинам, что и в случае волновода.

Камера микроволновой печи, которую можно рассматривать как призматический резонатор, — это как раз то редкое исключение из правила, которое подтверждает само правило. Дело в том, что резонансные явления в камере, скорее, вынужденная необходимость, чем желательное явление. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в разделе «Камера микроволновой печи».

Длины волн резонаторных видов колебаний вычисляются по формуле, напоминающей формулу для расчета критических длин волн в волноводе:

Как и в волноводе, в резонаторе существуют Е и Н виды колебаний. Но, как следует из приведенной формулы, резонансная частота зависит только от индексов вида колебаний, а не от типа волны.

Например, колебания видов Е₁₁₁ и Н₁₁₁ будут происходить на одной и той же частоте. В этом случае говорят, что данные виды колебаний являются вырожденными. Реальная картина поля в резонаторе будет представлять собой коктейль из этих видов. Преобладание колебаний того или иного вида будет связано только с условиями возбуждения.

Ранее была отмечена аналогия между резонатором и колебательным контуром. Но есть существенная разница между видами колебаний в резонаторе и гармониками контура. Природа этих различий кроется в пространственной форме колебаний в резонаторе, в то время как в контуре электромагнитная энергия может двигаться только в одном направлении — вдоль проводника с током. Поэтому гармоники всегда кратны основной частоте, а в резонаторе все определяется соотношением индексов m, n, p, различные сочетания которых позволяют получать большое разнообразие видов колебаний, частоты которых могут располагаться на любом расстоянии от основной частоты.

На рис. 10 а показан спектр резонансных частот для резонатора с поперечными размерами 200х300х400 мм, то есть примерно соответствующим камере микроволновой печи.

Рис. 10. Спектр резонансных частот камеры микроволновой печи с поперечными размерами 200х300х400 мм (а), и амплитудно-частотная характеристика резонанса вблизи рабочей частоты (б)

Как нетрудно заметить, чем дальше мы удаляемся в сторону более высоких частот, тем гуще расположены резонансные частоты. В пределе они сливаются в сплошной спектр. Штриховой пинией отмечена рабочая частота микроволновых печей. Несмотря на- то, что непосредственно на рабочей частоте нет ни одного резонанса, в камере они будут возбуждаться в большом количестве.

Чтобы понять, каким образом это происходит, необходимо вначале рассмотреть второй основной параметр резонатора — добротность.

Как уже отмечалось, при резонансе амплитуды электрического и магнитного попей в сотни и тысячи раз превышают амплитуду возбуждающего поля. Максимальное значение амплитуд ограничивается тем, что с ростом напряженности магнитного поля возрастают и токи в стенках резонатора, что приводит к дополнительным потерям. В какой-то момент энергия, теряемая в стенках, сравняется с энергией возбуждения и установится состояние равновесия.

Таким образом, в резонаторе запасается некоторая энергия. Если в этот момент отключить источник возбуждения, то колебания в резонаторе продолжаются относительно долго, (это могут быть сотни периодов), пока вся запасенная энергия не израсходуется на нагрев стенок. Очевидно, чем меньше потери в резонаторе, т.е. чем выше его качество, тем на более высоком уровне стабилизируется амплитуда колебаний и тем дольше они будут происходить после отключения генератора.

Для определения качества резонатора абсолютные значения амплитуд и времени затухания непригодны, поскольку они зависят от уровня входного сигнала. Удобнее в качестве характеристики резонатора использовать отношение запасенной энергии к величине подводимой мощности или, что то же самое, к мощности, теряемой в резонаторе за один период колебаний. Это отношение и называется добротностью.

Каждый резонатор способен работать на любой из принадлежащих ему резонансных частот или даже сразу на нескольких. Поскольку потери на разных частотах разные, добротность всегда определяется применительно к какой-то конкретной частоте. Обычно это основная частота, но бывают специфические случаи, когда резонатор возбуждается на более высокочастотных видах колебаний. Как уже упоминалось, микроволновая печь — один из таких случаев.

Чем выше добротность, тем уже полоса частот, в которой возможно возбуждение резонатора, и тем больше амплитуда колебаний электромагнитного поля. Существует простая формула, устанавливающая связь между добротностью и шириной полосы рабочих частот:

где Δ f — ширина полосы на уровне половинной мощности.

Еспи нет потерь, то возбуждение резонатора возможно только на резонансной частоте. Шаг влево, шаг вправо — гибель для колебаний. Но резонатор без потерь — это некая идеальная абстракция наподобие непогрешимого Иисуса Христа. В реальной жизни потери и грехи всегда есть, хотя они могут быть очень незначительны. Добротность самых высококачественных резонаторов, работающих в условиях сверхпроводимости, может превышать 10 000.

В большинстве вакуумных приборов СВЧ добротность составляет порядка 1000.

Добротность пустой камеры микроволновой печи на рабочих видах колебаний не превышает 100, поэтому полоса частот, на которой происходит ее возбуждение, более 25 МГц. Следовательно, камера может возбуждаться на видах, которые смещены относительно частоты магнетрона на 12.5 МГц в любую сторону и даже более. В качестве иллюстрации на рис. 10 б показана амплитудночастотная характеристика резонанса на частоте 2.44 ГГц.

Из рисунка видно, что, несмотря на удаленность резонанса от частоты магнетрона, он будет успешно возбуждаться. То же самое относится и к другим близлежащим видам.

Замедляющие системы

Работа электровакуумных приборов СВЧ (в том числе магнетронов, используемых в микроволновых печах) основана на взаимодействии потока электронов с электромагнитным полем. Эффективность работы приборов часто зависит от длительности такого взаимодействия. При этом возникает проблема, связанная с тем, что никаким напряжением невозможно разогнать электроны до скорости света, с которой распространяются электромагнитные волны. Но если гора не идет к Магомету, значит, нужно Магомету идти к горе. Для устранения этого несоответствия были созданы различные устройства, которые позволяют либо замедлить распространение электромагнитных волн, пибо создать имитацию их замедления. В качестве простейшей замедляющей системы можно рассматривать волновод с диэлектрическим заполнением.

Однако такое решение не всегда приемлемо из-за относительно высоких потерь и небольшого коэффициента замедления. Например, если требуется замедлить скорость волны в 20 раз, то диэлектрическая проницаемость материала заполнения должна быть более 400. Такими параметрами обладают только сегнетоэпектрики, но они в то же время имеют и самые высокие потери, что исключает их использование. Из используемых на практике замедляющих систем наиболее простой и понятной является «спиральная» (рис. 1.13).

Рис. 11 Конструкция спиральной замедляющей системы

Волна в ней распространяется вдоль изогнутой в виде спирали центральной жилы коаксиального волновода, и поэтому ее фазовая скорость замедляется.

В качестве замедляющей системы могут служить связанные резонаторы, настроенные на одну частоту. Разумеется, если они связаны полем, а не бечевкой перед сдачей в утиль. Связь между резонаторами приводит к тому, что возникновение колебаний в одном из них инициирует колебания в соседних. Если из нескольких резонаторов создать цепочку, то регулировкой связи можно так подобрать фазы колебаний, что электрон, пролетающий вдоль этой цепочки, все время будет находиться в одной и той же фазе.

В качестве наглядной иллюстрации можно привести аналогию из спортивной жизни: гавайский абориген, занимающийся серфингом может продолжительное время двигаться вместе с вопной, находясь на ее гребне. На рис. 12 представлен случай, когда за время, необходимое для преодоления электроном расстояния между соседними резонаторами, фаза колебаний изменяется на 180°, или на π радиан. Подобная замедляющая система, свернутая в кольцо, используется в качестве анодного блока магнетронов.

Рис. 12 Замедляющая система в виде цепочки связанных резонаторов.

Всего хорошего, пишите to Elremont © 2007

Источник