Концентрация энергии электромагнитного поля для нагрева

Введение

Необходимость в концентрации энергии электромагнитных (ЭМ) волн СВЧ-диапазона может возникать в следующих случаях. Во-первых, при информационном использовании, включающем в себя связь, радиолокацию, телевидение, зондирование различных объектов, разведку полезных ископаемых, радиоэлектронное противодействие и т.п. Во-вторых, при энергетическом использовании СВЧ-колебаний: различные виды СВЧ-нагрева (в т.ч. плазмы), передача энергии на расстояние, воздействие электромагнитных волн на полупроводниковые СВЧ-приборы и биологические объекты с целью нагрева и нарушения их работоспособности.

Предполагается, что при воздействии СВЧ-энергии на объект происходит превращение энергии СВЧ-поля в энергию хаотических колебаний молекул, т.е. повышение температуры. Изменение состояния биологического объекта под действием облучения в настоящее время до конца не исследовано.

В статье рассматривается энергетическое использование СВЧ-излучения на объект. Оно не требует столь высокой степени концентрации энергии, как информационное использование, однако для повышения его эффективности большое значение имеет согласование излучающего устройства с облучаемым объектом. В настоящее время специальное конструирование приборов для энергетических целей практически не ведётся.

Метод концентрации энергии в пространстве

Для того чтобы выполнить суммирование мощностей СВЧ-генераторов с различными собственными частотами, необходимо обеспечить соответствующие фазовые сдвиги в системе обратных связей от устройства суммирования [1, 2]. В этом случае генераторы аддитивно работают на одной частоте с коэффициентом суммирования К_сум=Р_сум/∑Р_n, близким к 1.

Теоретический вопрос синхронизации и суммирования двух высокочастотных генераторов достаточно подробно рассмотрен в работе [2], в которой, в частности, показано, что решение нелинейного дифференциального уравнения для разности фаз между основным и синхронизирующим сигналом имеет вид:

где φ – мгновенная разность фаз между колебаниями генератора и синхронизирующим сигналом, Q_внеш – внешняя добротность, ρ – коэффициент отражения, ω₁ – частота синхронизирующего сигнала, ω – частота свободных колебаний при наличии нагрузки, ω₀ – собственная частота колебаний генератора. Синхронизация возможна при |sin φ|<1. Условие синхронизации

определяет полосу «захвата». Синхронизация генераторов обеспечивает увеличение мощности и одновременно улучшает частотную стабильность системы, что существенно для информационных и энергетических систем.

Для энергетического воздействия на объекты, находящиеся на расстоянии ближнего поля радиопередатчика ЭМ-энергии, необходимо в малой области создать ЭМ-поле с большой напряжённостью, которое, переходя в тепло, повышает температуру до температуры необратимых изменений свойств материала (возгорания, плавления, механического разрушения, пробоя или химического преобразования). Одним из очевидных способов решения такой задачи является использование антенной решётки. В данном случае были применены 9 магнетронных генераторов, работающих на рупорную структуру ФАР с 16 излучателями (см. рис. 1), каждый из которых способен излучать ЭМ-энергию мощностью 1 кВт.

В качестве базовой схемы для суммирования и синхронизации магнетронных генераторов была выбрана схема Е. Дэвида [2] на основе волноводов сечением 34×72 мм. На рисунке 2 представлена схема для трёх магнетронных генераторов (3/4), которая в дальнейшем была расширена для излучателя 9/16. Данная схема включает в себя три тройника Н-типа и два тройника Е-типа, связанные между собой отрезками волноводов. При этом порты 1–3 являются входными, а порты 4–7 – выходными.

С помощью математического моделирования были выполнены расчёт и оптимизация геометрических размеров сумматора для работы на частоте входных сигналов используемых генераторов. В результате проведения оптимизации:

• обеспечено равномерное распределение мощности на выходных портах схемы (Р_вых1≈Р_вых2≈Р_вых3≈Р_вых4, при этом разброс DР_вых составил не более 5%);
• обеспечено необходимое равномерное распределение отражённой мощности на входных портах схемы (Р_отр1≈Р_отр2≈Р_отр3, при этом разброс DР_отр составил не более 5% при отражении ρ<-10 дБ);
• обеспечена необходимая рабочая полоса частот не менее 200 МГц;
• коэффициент суммирования (К_сум=∑Р_вых/∑Р_вх) составил 0,8.

После проведения расчётов был изготовлен экспериментальный образец схемы. Для питания 16 выходов использована система с 12 входами. Для дальнейшей концентрации поля были произведёны расчёт и изготовление фазированной решётки (излучатель ФАР).

Моделирование и проектирование устройств концентрации поля

Для расчёта мощности поглощения в целевом объекте могут использоваться современные программы электродинамического моделирования, такие как FEKO Altair, HFSS ANSYS. Однако в настоящее время наиболее подходящей для этих целей является программа CST SUITE, которая с большой точностью позволяет рассчитать повышение температуры в среде, на которую воздействует ЭМ-поле (см. рис. 3), а также поток частиц, воздействующих на электронные приборы, находящиеся в целевом объекте.

Воздействие мощности ЭМ-поля на целевой объект можно представить в виде наведения на нём токов, генерирующих тепло, или в виде перехода энергии фотонов в энергию хаотического движения частиц. Из расчётов, показанных на рисунке 3, видно, что на расстоянии 4 м в пространстве появляется максимум электромагнитного поля с напряжённостью 600 В/м. Данные о напряжённости электрического поля, полученные в FEKO, позволяют рассчитать в программе CST температурное распределение как в установившемся (статическом) состоянии, так и в динамическом. Нарастание температуры в различных точках целевого объекта в зависимости от времени экспонирования изображено на рисунке 4.

Расчёты и эксперименты показали, что температура в целевом объекте на расстоянии 10 м от излучателя может увеличиваться до +500°С за 10 с экспонирования. В условиях разреженного пространства, которое имеет место в мощных СВЧ-приборах (электронных лампах, ЛБВ, ЛОВ, магнетронах), а также в условиях космоса, температура устройства повышается за счёт бомбардировки металлов частицами. Этот механизм превращения энергии частиц в тепловую рассчитывается в программе CST PARTICLE [4].

Экспериментальные результаты

Работа магнетронов в составе одномерной антенной решетки 3/4 была осуществлена в безэховой камере. Плотность мощности измерена в области максимального поля. На рисунке 5 представлена визуализация спектра на выходе ФАР 3/4, на рисунке 6 – сечение ближнего поля, полученного с помощью тепловизора на расстоянии 1,5 м. Виден «ножевой» характер диаграммы излучения.

Кроме того, по результатам ранних работ по синхронизирующим излучающим устройствам [3] научным коллективом во главе с Р.Ф. Мюллером было изготовлено и испытано устройство сложения и синхронизации магнетронов 4/4, которое также может быть использовано для направленного энергетического воздействия на объект (см. рис. 7).

При анализе взаимодействия ЭМ-излучения с полупроводниковыми приборами были рассмотрены силы, действующие на электрон в неоднородном высокочастотном электромагнитном поле. В определённых условиях для учёта воздействия на электрон можно рассматривать силы Гапонова-Миллера как градиент потенциала, зависящего от амплитуды ВЧ-поля вблизи поверхности полупроводника. В 70-е годы учёт действия этих сил в системах со знакопеременным магнитным полем позволил создать лазеры на свободных электронах – высокоэффективные устройства для генерации терагерцовых волн. «Несинхронные взаимодействия» этих полей имеют нерезонансный характер. Следует отметить, что действие данных сил может быть отнюдь не «малым» и в ряде случаев сопоставимым с действием «синхронных» сил.

Литература

1. Белобаба И.Н. Концентрация электромагнитного поля с помощью открытого зеркального резонатора: 05.12.07. Антенны и СВЧ-устройства: Диссертация кандита технических наук. – М.: МЭИ, 2000. – 115 с.
2. Дейвид Е.Е. Фазирование высокочастотными сигналами. Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. – М.: Иностранная литература, 1961.
3. Иванов И.М., Курушин А.А. Синхронизация магнетронов с выводом энергии в свободное пространство. Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ – 2013». Дивноморск, 24–28 июня 2013 г.
4. Ефремова М.В., Иванов И.М., Курушин А.А. Моделирование СВЧ-приборов с помощью программы CST Particle Studio. – М.: СОЛОН-Пресс, 2018. – 362 с.