FACULTATEA DE INGINERIE DIN HUNEDOARA

PROIECTTEHNOLOGIA MICROUNDLOR

Student Msterant :Specializare: SAUEE Anul I

1

CUPRINSCapitolul 1

Consideratii teoretice1.1. 1.2. 1.3. 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.3.4. 1.3.5. Capitolul 2 Notiuni generale................................................................................1 Consideratii generale ale electromagnetismului...............................1 Notiunii generale ale undelor electromagnetice................................3 Regiunile spectrului Electromagnetic, Clasificare...........................3 Energia Undelor Electromagnetice si Fotonii..................................4 Reprezentarea grafica a undelor electromagnetice..........................4 Influenta mediului asupra propagarii undelor..................................5 Ecuatia undei electromagnetice ,Ecuatiile lui Maxwell...................5

Microundele2.1. Generalitati..................................................................................................7 2.2. Adncimea de ptrundere...........................................................................8 2.3. Materiale procesate cu microunde..............................................................8 Capitolul 3

Generatorul de microunde. Magnetronul3.1. Magnetronul.............................................................................................10 3.2. Aplicatorul de microunde........................................................................12 3.3. Instalatia tehnologic de microunde........................................................13 3.4. Alte aplicatii tehnice ale microundelor....................................................15 3.4.1. Terapia cu microunde.............................................................................16 3.4.2. Uscarea cu microunde............................................................................16 3.4.3. Cuptorul cu microunde...........................................................................17

2

Bibiliografie: 1. 2. 3. 4. 5. D. Miron, M .Tuca Microunde in procese industriale Editura ICPE - Bucuresti 1995 G. Rulea tehnica microundelor Editura didactica - Bucuresti 1991 G. Rulea bazele teoretice si experimente ale tehnicii microundelor Editura stintifica Bucuresti 1989 N. Satirescu radiotehnica frecvente inalte Editura militara Bucuresti - 1976 Theodore S Saad microwaves engineers hand book

3

Capitolul 1 Consideratii teoretice1.1. Notiuni generaleEnergia microundelor a fost folosita n procesele industriale de foarte multi ani, folosirea acestora in locul surselor convetionale de caldura s-a produs datorita mai multor avantaje cum ar fi : incalzirea rapida in profunzime economisire de energie si timp si imbunatatirea calitatii In primii ani de studii a ncalzirii prin microunde aceste avantaje au fost greu de justificat in raport cu pretul scazut al incalzirii cu ajutorul derivatiilor petrolului. Toate acestea impreuna cu reticenta multor industrii de a schimba sistemele convectionale existente, dar adesea eficiente si depasite, cu sisteme bazate pe microunde a dus la o crestere lenta dar foarte bine documentata a acestei tehnologii. Aplicatii uzuale : aplicatii cu efecte termice, telecomunicatii, supraveghere electronica, radiolocatie si teledectie, spectroscopia cu microunde, defectoscopie, investigatii medicale, microunde de putere(termimicroundele) Cele mai mari avantaje ale energiei microundelor asupra tehnologiei convetionale au fost bine precizate de catre Parkin (1979). o mai eficienta uscare vizavi de perioada de uscare reducind costurile de productie sistemul este mult mai compact decit sistemul conventional energia este transferata intr-un mod mult mai curat (fara poluare) se realizeaza afanarea materialului absortia energiei in mod selectiv de catre constituentii cu pierderi ;acestora aplicinduse la uniformizarea materialelor fibroase energia se disipa repede in vulumul materialului evita uscarea excesiva un cost relativ scazut al intretinerii

Microundele sunt unde electromagnetice a caror lungime de unda este comparabila cu dimensiunile spatiului de propagare: -unde radoi ultrascurte(UHF asa numitele posturi radio FM) -unde TV in interiorul unei camere de apartament -unde radio pentru telefonia GSM -reteaua de transport de energie electrica la nivel national sau continental Prin microunde se intelege in general unde electromagnetice cu frecvente in gama 0.3300GHz, adica lungimi de unda in intervalul 1m1mm.

1.2. Consideratii generale ale electromagnetismuluiCmpul magnetic este o mrime fizic vectorial ce caracterizeaz spatiul din vecintatea unui magnet, electromagnet sau a unei sarcini electrice n miscare. Acest cmp vectorial se manifest prin fortele care actioneaz asupra unei sarcini electrice n miscare (for Lorentz), asupra diverselor materiale (paramagnetice, diamagnetice sau feromagnetice dup caz). Poate fi msurat cu magnetometrul. Mrimea care msoar interactiunea dintre cmp magnetic si un4

material se numeste susceptibilitate magnetic. Cmpul magnetic si cmpul electric sunt cele dou componente ale cmpului electromagnetic. Prin variatia lor, cele dou cmpuri se influenteaz reciproc si astfel undele electrice si magnetice se pot propaga liber n spatiu sub form de unde electromagnetice. Prin cmp electric se ntelege starea unei regiuni a spatiului manifestat prin proprietatea c un mic corp ncrcat electric plasat n aceast regiune este supus actiunii unei forte care nu s-ar exercita dac corpul nu ar fi ncrcat. Unitatea de msur a cmpului electric este N/C (newton pe coulomb). Aceast unitate este echivalent cu V/m (volt pe metru). Matematic, cmpul electric este un cmp tridimensional de vectori. Cmpul electromagnetic: este ansamblul cmpurilor electrice i magnetice, care oscileaz i se genereaz reciproc. Unde electromagnetice: este un cmp electromagnetic care se propag .

1.3. Notiunii generale ale undelor electromagneticeLa modul cel mai general, notiunea de unda poate fi definita n felul urmator: prin unda se ntelege un fenomen (o manifestare naturala) variabil n timp care se propaga din aproape n aproape ntr-o regiune data a spatiului. Acest fapt prin modelare se poate defini si astfel: n domeniul W se propaga o unda a marimii de stare u daca o perturbare a lui u, existenta n punctul P n momentul t se regaseste n momentul t+Dt n diverse puncte P din vecinatatea lui P. n legatura directa cu aceasta definitie se introduc notiunile: front de unda si viteza frontului. Prin frontul undei se ntelege suprafata ce separa, la un moment dat, regiunea perturbata de cea neperturbata; ea evolueaza att n timp ct si n spatiu, ceea ce implica fenomenul de propagare a undei n domeniul W. Viteza de propagare a frontului (ceea ce este tot una cu viteza de propagare a undei) se defineste ca fiind limita dintre distanta pe care o parcurge un punct P al frontului de unda (fata de punctul P din punctul de perturbatie) n intervalul de timp Dt si acest interval de timp, atunci cnd Dt tinde catre zero, adica: care este totdeauna finita.

(1.1) Aceasta corespunde faptului esential ca n conceptia actuala a Fizicii nu exista dect efecte care se propaga prin actiuni din aproape n aproape (cunoscuta teorie a contiguitatii) si cu viteza finita. De fapt, aceasta conceptie (avnd totusi o origine mai veche: anul 1843, cnd M. Faraday a introdus termenii de cmp si de contiguitate) sta la baza teoriei macroscopice clasice a fenomenelor electromagnetice ale lui Maxwell. Teoria contiguitatii considera ca purtatorul actiunilor electrice si magnetice dintre corpurile electrizate si magnetizate este cmpul electromagnetic care le transmite prin contiguitate (adica din aproape n aproape n spatiu si timp) cu o anumita viteza finita (dar foarte mare), astfel ca ele au nevoie de un anumit timp spre a se propaga. Actiunile prin contiguitate depind numai de evolutia pe care starile fizice au avuto ntr-un timp orict de scurt (care tocmai a trecut!) la o distanta orict de mica din jurul portiunii de corp asupra careia se exercita, de aici rezultnd imediat notiunea de unde electromagnetice, n forma din definitia data la nceput.5

1.3.1 Regiunile spectrului Electromagnetic, ClasificareUndele (radiaiile) electromagnetice pot fi grupate dup fenomenul care st la baza producerii lor. Astfel, radiaiile numite hertziene se datoresc oscilaiei electronilor n circuitele oscilante LC sau n circuitele electronice speciale. Prin transformarea energiei interne a oricrui corp n energie electromagnetic rezult radiaiile termice. Radiaiile electromagnetice, numite radiaiile de frnare, apar la frnarea brusc a electronilor n cmpul nucleului atomic.Radiaiile sincrotron (denumirea se datoreaz faptului c acest fenomen a fost pus n eviden la o instalaie de accelerare a electronilor n cmp magnetic, numit sincrotron) i au originea n micarea electronilor ntr-un cmp magnetic. Acestor grupe de radiaii le corespund anumite domenii de frecvene. Cea mai uzual mprire a radiaiilor electromagnetice se face ns dup frecvena i lungimea sa de und n vid. Aceasta cuprinde urmtoarele grupe: 1.Undele radio. Domeniul de frecven a acestor unde este cuprins ntre zeci de hertzi pn la un gigahertz (1GHz = 109Hz), adic au lungimea de und cuprins ntre civa km pn la 30cm. Se utilizeaz n special n transmisiile radio i TV. Dup lungimea de und se submpart n unde lungi (2Km-600m), unde medii (600-100 m), unde scurte (100-10 m) i unde ultrascurte (10 m-1cm). 2.Microundele. Sunt generate ca i undele radio de instalaii electronice. Lungimea de und este cuprins ntre 30cm i 1mm. n mod corespunztor frecvena variaz ntre 10931011Hz. Se folosesc n sistemele de telecomunicaii, n radar i n cercetarea stiinific la studiul propietilor atomilor, moleculelor i gazelor ionizate. Se submpart n unde decimetrice, centimetrice i milimetrice. Se mai folosesc si n domeniu casnic. 3.Radiaia infraroie. Cuprinde domeniul de lungimi de und situat ntre 10-3 i 7,810-7m (31011--41014Hz). n general sunt produse de corpurile nclzite. n ultimul timp s-au realizat instalaii electronice care emit unde infraroii cu lungime de und submilimetric. 4.Radiaia vizibil. Este radiaia cu lungimea de und cuprins ntre aproximativ 7,610-7m i 41014m. 5.Radiaia ultraviolet. Lungimea de und a acestei radiaii este cuprins n domeniul 3,810-7m i 610-10 m. Este generat de ctre moleculele i atomii dintr-o descrcare electric n gaze. Soarele este o surs puternic de radiaii ultraviolete. 6.Radiaia X (sau Rngen). Aceste radiaii au fost descoperite n 1895 de fizicianul german W. Rngen. Ele sunt produse n tuburi speciale n care un fascicul de electroni accelerat cu ajutorul unei tensiuni electrice de ordinul zecilor de mii de voli , bombardeaz un electrod. 7.Radiaia. Constitue regiunea superioar ( 31018 - 31022 Hz ) n clasificarea undelor electromagnetice n raport cu frecvena lor. Sunt produse de ctre nucleele atomilo

6

1.3.2 Energia Undelor Electromagnetice si FotoniiConform fizicii cuantice, undele electromagnetice sunt transmise discretizat, n particule de energie numite fotoni (mpotriva opiniei comune, fotonii nu sunt doar vehicule ale luminii, ci, n general, ale radiaiei electromagnetice). Exist o legtur direct ntre cantitatea de energie pe care o deine un foton i frecvena undei electromagnetice; cu ct este mai mare frecvena, cu att este mai mare cantitatea de energie. Formula de calcul pentru energia undelor este foarte simpl: E = h f , adic energia unui foton este rezultatul nmulirii dintre frecvena undei i constanta lui Planck, h. H are valoarea 6.626 x 10-34 J s. Cea mai mare parte a undelor electromagnetice nu pot atinge pmntul. Atmosfera terestr reprezint un adevrat scut mpotriva radiaiilor cosmice. Desigur, dup cum se tie, o parte a acestora ca, de pild, frecvenele radio, radiaiile din spectrul vizibil ori parte din undele ultraviolete traverseaz atmosfera. Astronomii, pentru a putea capta unde din alt gam trebuie s-i posteze instrumentele la altitudini care s le permit acest lucru; prin urmare, folosesc baloane urcate la peste 35 km, avioane ori satelii.

1.3.3 Reprezentarea grafica a undelor electromagneticeSpectrul electromagnetic reprezint totalitatea radiaiilor electromagnetice existente n univers. Aceste radiaii au frecvene cuprinse ntre aproximativ 1023 Hz si 0 HZ Nu exist totui o delimitare teoretic exact a acestui spectru, ntruct practic lungimea de und poate avea orice valoare, valoarea maxim fiind dimensiunea universului. n funcie de utilitatea radiaiei electromagnetice, spectrul electromagnetic este mprit n mai multe regiuni, dintre care de importan deosebit pentru noi este regiunea spectrului vizibil (ntre 400 i 700 nanometri), adic acele frecvene ale spectrului care pot fi interpretate de ctre ochi. Nu exist granie precise ntre aceste regiuni, prin urmare delimitrile prezente mai jos numai aproximative i sunt stabilite n scop didactic, dar i operaional, pentru a crea o idee clar despre dimensiunile acestor zone ale spectrului electromagnetic.

E E H P

v

direciade propagare

HFig 1.1 Reprezentarea grafic a unei unde electromagnetice

1.3.4 Influenta mediului asupra propagarii undelor7

Natura mediului si cazurile de neuniformitate determina n mod hotartor fenomenul de propagare a undelor, att n ceea ce priveste amplitudinea undei si viteza de propagare, dar si aparitia unor efecte care sunt provocate direct de catre starea mediului. Astfel discontinuitatile mediului, atinse de catre o unda progresiva, produc aparitia unor noi unde cu centrul n punctele de discontinuitate. Daca perturbatiile din mediu sunt de dimensiuni mici n comparatie cu lungimea de unda are loc un fenomen de mprastiere a undelor (un astfel de fenomen intervine frecvent n propagarea undelor electromagnetice de radiofrecventa la distante foarte mari). Atunci cnd mediul n care se propaga undele este format din mai multe zone, fiecare n parte uniforme dar cu marimi de material diferite de la zona la zona (care sunt separate, deci, prin suprafete de discontinuitate), se produc efecte de refractie a undelor , n cazul n care undele ce traverseaza suprafetele de discontinuitate au lungimea de unda mult mai mica dect una din dimensiunile suprafetei. Suprafetele de discontinuitate dintre doua medii uniforme produc si fenomenul de reflexie. Un alt fenomen, provocat de discontinuitatile din mediu, este difractia. El se produce la trecerea undelor pe lnga suprafetele n lungul carora proprietatile de material ale mediului variaza discontinuu pe portiuni de dimensiuni mari n comparatie cu lungimea de unda, portiuni pe care se afla corpuri opace. Un exemplu clasic de mediu n care se produce difractia este mediul omogen n care se afla plasat un ecran opac (din punctul de vedere al propagarii undelor), semiinfinit sau perforat; n acest caz undele (ca exemplu, tipic cele luminoase) difracta la trecerea prin orificiul din ecran sau la marginea sa. Mediile la care viteza de faza este independenta de frecventa se numesc medii nedispersive, iar cele la care aceasta viteza depinde de frecventa se numesc medii dispersive. Exemple tipice de medii dispersive sunt (pentru undele electromagnetice) ionosfera si ghidurile de unda .

1.3.5 Ecuatia undei electromagnetice ,Ecuatiile lui MaxwellEcuatiile lui Maxwell (James Clerk, 1831-1879, profesor la Cambridge Univesity) reprezinta formele locale ale celor mai generale legi ale cmpului electromagnetic n medii imobile si n domenii de continuitate, netezime si omogenitate ale proprietatilor fizice locale.a. b. c. d. 1.2

Solutiile sistemului de ecuatii de mai sus (1.2) sunt univoc determinate daca se dau marimile si conditiile de frontiera ale domeniului n care se analizeaza cmpul si conditiile initiale ale starii acestuia. Semnificatiile ecuatiilor lui Maxwell8

Prima ecuatie (1.2.a) exprima dependenta cmpului magnetic de viteza de miscare a sarcinii electrice, prin curentul i, si de viteza de variatie a cmpului electric, prin densitatea curentului de deplanare . A doua ecuatie exprima fenomenul de inductie electromagnetica, respectiv de producere a unei t.e.m. prin inductie, ntr-un circuit nchis, ca urmare a variatiei fluxului magnetic care l strabate. A treia ecuatie exprima faptul ca un cmp electric static are ca sursa sarcinile electrice distribuite volumetric ntr-un corp (izolator). A patra ecuatie arata ca nu exista surse de cmp magnetic, cu exceptia curentilor electrici de conductie (teorema lui Ampere). n vid si ecuatiile lui Maxwell devin:H t d iv d iv E = r o tE =

1.3E t

Trebuie mentionat rolul d iv d ivH = 0 deosebit de important al curentului de deplasare , (rel. 1.1.a) , alaturi de cel de conductie, n aparitia si propagarea cmpului electromagnetic. Pe baza acestor ecuatii, descoperitorul lor, savantul englez James Clark Maxwell a demonstrat teoretic existenta si propagarea la distanta de corpuri (surse) a undelor electromagnetice. Punerea n evidenta n mod experimental a acestor unde a fost facuta de H. Hertz n anul 1888, cu ajutorul celebrei experiente n care a utilizat un oscilator si un rezonator de conceptie proprie. mpreuna cu Hertz, Maxwell a elaborat ulterior si ecuatiile de propagare ale cmpului electromagnetic pentru medii n miscare. Astfel, de la prima descoperire n domeniul electromagnetismului (H. Oersted 1819-1820) si pna la elaborarea ecuatiilor cmpului de catre Maxwell au trecut doar 50 ani, timp n care au fost descoperite principalele legi si teoreme ale fenomenelor electrice si magnetice, care au culminat cu elaborarea teoriei macroscopice fenomenologice a cmpului electromagnetic (teoria lui Maxwell si Hertz).

r o tr o tH = J +

Capitolul 2 Microundele9

2.1. GeneralitatiMicroundele sunt oscilatii(unde) electromagnetice cu frecvente cuprinse ntre 3 108...3 1010 Hz. Frecventele utilizate n domeniul procesrii cu microunde corespund benzilor de frecvent pentru aplicatii industriale, stiintifice si medicale alocate de Uniunea International pentru Telecomunicatii , numite frecvente ISM, dintre care, n Europa sunt autorizate benzile de 2450 MHz, 5800 MHz si 22125 MHz, cea mai utilizat fiind frecventa de 2450 MHz, din considerente privind costul si puterea instalatiilor. -unde radoi ultrascurte(UHF asa numitele posturi radio FM) -unde TV in interiorul unei camere de apartament -unde radio pentru telefonia GSM -reteaua de transport de energie electrica la nivel national sau continental. Lungimea de und fiind inferioar dimensiunilor instalatiilor, procesarea cu microunde este o aplicatie a propagrii n ghiduri de und a undelor electromagnetice. Ghidul de und este un domeniu conductor sau dielectric, situat de-a lungul unei axe, delimitat de suprafete de discontinuitate a parametrilor electrici si magnetici, prin care cmpul electromagnetic se propag pe directia axei sale. Ghidul de und este un domeniu conductor sau dielectric, situat de-a lungul unei axe, delimitat de suprafete de discontinuitate a parametrilor electrici i magnetici, prin care cmpul electromagnetic se propag pe directia axei sale. Ghidurile uniforme se caracterizeaz prin sectiuni transversale cilindrice, dreptunghiulare, eliptice identice n orice punct pe axa longitudinal. Ghidurile uniforme nchise sau tubulare au peretii metalici. Modul de propagare TEM, exist numai dac = 0, unde este factorul de und factorul de propagare n mediul care umple sistemul de ghidare( 2 = 2 2 ). In vid =2

j 02

0

= k

2

si nu exist pierderi, atunci k= a a , unde a , 00 . Numrul de undk este dat de relatia a .

Dac mediul din ghid este aerul

sunt permitivitatea, respectiv permeabilitatea absolut a dielectricului [31]. Principalele ghiduri cu moduri TEM sunt plcile metalice paralele, linia bifilar, cablul coaxial. Ghidul uniform este un sistem liniar n care componentele Ex i Hx sunt independente. Dac Ex 0 i Hx = 0 se obtine modul TM (transversal magnetic) sau unda E. Dac Ex = 0 si Hx 0 se obtine modul TE (transversal electric) sau unda H. Pentru un ghid uniform fr pierderi ( c = 0 , = 0 ), constanta de propagare a modurilor TE sau TM este = i k = i , unde este coeficientul de faz al undei n mediu. Propagarea prin ghidul de und are loc dac frecventa de lucru este superioar frecventei de tiere fc. Pentru = 0, se define te frecventa de tiere n functie de numrul de und critic fc = k c /(2 ), unde c = 1 / 0 0 este viteza de propagare a undelor electromagnetice vid. In aceste conditii, = j g , unde g este constanta de propagare real n ghidul und. Dac 0 = 00 este constanta de propagare a undei electromagnetice in vid, atunci se pot exprima constanta de propagare reala g in ghid, respectiv lungimea de und a ghidului astfel:2 2

fcg = 01 ,

fc1

g = 0 /

f

f10

(1.4)

Se constat c g > 0 iar la frecvente mari lungimea de und scade, sectiunea ghidului cre te n raport cu lungimea de und, ceea ce face ca propagarea s fie asemntoare celei n vid. Ghidul de und este un sistem dispersiv, ntruct g nu variaz proportional cu frecventa. Dac frecventa central a semnalului este deprtat de frecventa de tiere, iar banda de frecvent a semnalului este limitat i redus (zeci de MHz) fat de frecventa central (GHz), efectul de deformare a semnalului datorit caracterului dispersiv al propagrii este redus.

2.2. Adncimea de ptrunderePropagarea unei unde electromagnetice plane dup o directie z ntr-un mediu cu pierderi este caracterizat de ecuatiile cunoscute, cu solutia: E = Emax e j t z , = + i ,unde este factorul de atenuare. La deplasarea ntr-un mediu cu pierderi, unda se atenueaz, iar puterea disipat scade. Adncimea de ptrundere este distanta msurat de la suprafata materialului pn la punctul unde puterea disipat scade de e ori.D = 1 2 (1.5)

Adncimea de ptrundere cre te cu lungimea de und sau cu scderea frecventei, astfel c la frecventele utilizate la procesarea cu microunde adncimea de ptrundere este de ordinul centimetrilor i variaz cu temperatura i propriettile materialului.

2.3. Materiale procesate cu microundeFenomenul de procesare cu microunde frecvent ntlnit este nclzirea materialelor dielectrice, datorit histerezisului n cmpuri electrice variabile n timp, care are ca efect conversia energiei electromagnetice n energie termic. Pierderile n dielectrici sunt sursa de energie. nclzirea cu microunde este o nclzire volumetric, a crei eficient depinde de caracteristicile materialului procesat. Procesul termic evolueaz rapid, transferul de cldur n interiorul materialului fiind independent de viteza curentului de aer. Concentrarea de energie n volume mici de material are ca efect cresteri importante de temperatur ce pot modifica propriettile materialului. Clasificarea materialelor functie de comportarea lor n cmpuri de microunde este: - materiale opace, care reflect microundele, cum ar fi: metalele, n special alama, aluminiu si otelurile inoxidabile; suprafatele se comport ca un reflector de und; - materiale transparente la microunde, folosite pentru ambalarea produselor procesate cu microunde; - materiale absorbante (puternic, slab sau normal absorbante) care pot fi procesate cu microunde; Astfel, dielectricii cu valori mari ale factorului de pierderi, asigur cu un bun randament transformarea energiei incidente n cldur, conform relatiei cunoscute: Pv = 2 0 f E2 r tg V (1.6) unde: E - valoarea efectiv local a cmpului electric, k =r tg este factorul de pierderi. Dac 105 < k 800 MHz). Constructia de principiu a magnetronului este prezentat n figura 3.1. Functionarea lui se bazeaz pe miscarea electronilor n cmpuri statice, electric si magnetic, ortogonale. Magnetronul cilindric contine un anod din cupru prevzut cu cavitti rezonante, n centrul cruia se gseste un catod din wolfram thoriat care, nclzit la 20000C , emite electroni. Sub actiunea conjugat a cmpului electric radial din spatiul de interactiune a unui cmp magnetic exterior cu directia paralel cu axa anodului, electronii se vor deplasa pe directii cvasicirculare n jurul catodului cu viteze ce depind de intensittile cmpului electric si magnetic ce asigur functionarea magnetronului n regim de oscilati.

Fant[ Cavita te

Sistem

cuplaj

de

Spa\iu de interac\ Catod

Cavita Fant[ te

Filame nt

Bloc anodic

Figura 3.1 Constructia de principiu a magnetronului

In acest mod electronii sunt frnati n cmpul electric de nalt frecvent si cedeaz catodului o parte din energie la trecerea prin dreptul fiecrei cavitti rezonante.

13

Figura 3.2 Modelul fizic al sectoarelor componente ale magnetron

14

Anodul prezint fante si cavitti longitudinale dispuse radial la o distant egal cu aproximativ un sfert din lungimea de und. Acestea alctuiesc circuite rezonante cuplate ntre ele, cu frecvent determinat de configuratia geometric, figura 3.1, si care permit extragerea puterii printr-o bucl cuplat la oricare dintre cavitti. Cavitatea rezonant este un circuit acumulator de energie electromagnetic. n figura 3.2, este prezentat modelul fizic al sectoarelor unui magnetron, unde Co i Lo reprezint capacitatea respectiv inductivitatea circuitului format din fant si cavitate, iar CI este capacitatea spatiului de interactiune dintre catod si anod. Schema echivalent a unui sector al magnetronului format din fant, cavitate si spatiu de interactiune este prezentat n figura 3.3.

Figura 3.3

Impedantele longitudinal i transversal 2 sunt date de formulele Z1 Z= Zj 11

[27]:

2 02

; Z =2

1 jCI= Z1 I

; =0

1 LoCo

(1.7)

Co

Dependenta dintre mrimile de intrare si ie ire ale circuitului se exprim:U-Uej

II ej =

=

U ejZ2

(1.8)

Pulsatia de rezonanta circuitului este dat de formula: 0

1+

2Co ( 1 cos

CI

(1.9)

)

Dimensiunile cavittilor rezonante sunt calculate pentru a oferi o frecvent de rezonant egal cu o frecvent adecvat, cu o anumit tolerant (de ex. 2450MHz 25MHz) Unghiul de faz al unui sector anodic este =2n/N, unde n - numrul de lungimi de und care apar n blocul anodic, iar N este numrul sectoare ale magnetronului cilindric. In deplasarea sa de la catod la anod, electronul trebuie s interactioneze eficient cu cmpul electric de microunde, cu conditia ca viteza lui s fie apropiat de viteza de propagare a cmpului electromagnetic n spatiul dintre anod si catod, considerat ca un ghid de und cu perioada egal cu un sector. Conditia de sincronism, care permite interactiunea ndelungat ntre cmpul electric de microunde si electron, este ca viteza unghiular e a electronului s satisfac relatia: e = N/2 0 (1.10) Iesirea din sincronism define te domeniul de lucru al magnetronului. Caracteristicile de functionare ale magnetronului sunt curbe parametrice Uo=f(Io) unde U0 tensiunea anodic kV , I0 - curentul anodic A , B0 - inductia magnetic15

3.2. Aplicatorul de microundeAplicatorul de microunde este ansamblul n care se desfsoar procesul de nclzire prin interactiunea energiei microundelor Geometria aplicatoarelor de microunde este determinat de: ambianta de lucru (aer, vid); asocierea cu alte forme de energie (infraro ii, aer cald); modul de procesare - regim static sau continuu; materialul de procesat. n functie de domeniul de utilizare, exist patru categorii de aplicatoare: aplicatoare cu und mobil; aplicatoare monomod sau tip ghid de und; aplicatoare multimod ; aplicatoare cu structuri speciale. Aplicatoarele cu und mobil Acest tip de aplicatoare se caracterizeaz prin aceea c undele electromagnetice generate de magnetron se propag n lungul acestora. Densitatea de putere transportat prin undele electromagnetice se determin cu ajutorul vectorului Poynting S = ExH . Propagarea se face cu viteza c f , unde f este frecventa de oscilatie a undei electromagnetice, iar este lungimea de und. ntr-un aplicator cu sectiune rectangular, cu a i b dimensiunile sectiunii, se pot dezvolta o multime de moduri de propagare l,m TH ,TEl,m unde l, m semnific numrul de semiperioade ale cmpurilor E, H de-a lungul axelor de coordonate x, y. Din punct de vedere al nclzirii materialelor ne intereseaz valoarea maxim a vectorului cmp electric si distributia curentilor de conductie pe suprafata aplicatorului. Aceste aplicatoare se recomand pentru nclzirea materialelor cu pierderi dielectrice mari, n flux pe band transportoare. Pentru materialele cu pierderi dielectrice mici ele devin prea lungi. Un aplicator cu und mobil este aplicatorul axial, tip cavitate, figura 3.3, care este un ghid de und care functioneaz n modul TE10 cu cmpul E orizontal, iar sarcina se deplaseaz n sens direct sau invers n raport cu fluxul energiei microundelor. Se foloseste pentru nclzirea materialelorsub form de benzi, cu ltimea de apoximativ /8 aer sau pentru 3 procesarea produselor configuratie cilindric. cu Figura 3.4 Aplicator cu cavitate16

cilindric 1- ghid de und, 2- cavitate cilindric, 3- material procesat Aplicatoare monomod : Aplicatoarele monomod reprezint cavitti rectangulare cu capacitate mare de stocare a energiei electromagnetice transformat n cldur de ctre curentii de deplasare si de convectie care strbat materialul( se pot practica fante pe peretii laterali sau pe suprafetele orizontale). O fant practicat n peretele vertical al ghidului determin ntreruperea pnzei de curenti superficiali; rezult o pnz de curenti de deplasare prin fant si are loc radiatia cmpului electromagnetic. Aceast fant lucreaz ca o anten, iar repartitia cmpului n interiorul ghidului este perturbat. Se recomand ca nltimea fantei din ghiduri s nu dep easc 1/ 4 aer , unde, aer este lungimea de und n aer. Dac se practic fante radiante pe suprafata orizontal a ghidului, se obtine uniformizarea repartitiei energiei electromagnetice pe suprafata materialului de procesat. Un alt aplicator n und mobil este aplicatorul n meandre sau tip serpentin. El este construit din mai multe ghiduri rectangulare nseriate electric si mecanic, n care produsele de nclzit defileaz prin fante neradiante practicate n peretii metalici ai ghidului. n fiecare ghid produsul absoarbe10...40% din energia furnizat de sursa de microunde, producnd o atenuare de 0 4...1 5dB .

3.3. Instalatia tehnologic de microundeSchema de principiu a unei instalatii de microunde este prezentat n fig.3.5.

Fig.3.5 Schema instalatiei de microunde 1 - magnetron; 2 - anten; 3 - ghid de und; 4 - produsul de procesat; 5 - aplicator; Pi - puterea incident Antena magnetronului se plaseaz n ghidul de und printr-o fant calibrat. Aplicatorul cu produsul de procesat formeaz sarcina instalatiei; astfel c, dac puterea incident Pi este total absorbit n aplicator, se poate spune c sarcina este adaptat. Dac o parte din puterea incident Pi se reflect, Pr fiind puterea reflectant, avem cazul unei sarcini neadaptate. Prin suprapunerea undei incidente cu cea reflectat se obtine o und stationar. Raportul dintre maximul si minimul intensittii cmpului electric se numeste rata undei stationare si caracterizeaz starea de neadaptare a sarcinii. O valoare minim a ratei asigur un randament bun al instalatiei. La valori mari ale acesteia (>4) este preponderent puterea reflectat Pr, fapt ce poate provoca distrugerea prin nclzire excesiv a magnetronului, sau aparitia unui arc electric la nivelul antenei datorit valorilor mari ale cmpului. De aceea se impune protectia cu ajutorul unei fotodiode care sesiseaz aparitia arcului electric si comand17

deconectarea instalatiei. Sunt necesare msuri pentru adaptarea sarcinii sau diminuarea ratei undei stationare, prin devierea puterii reflectate. Pentru protectia generatoarelor de microunde la influenta puterii reflectate de sarcin, pe traseul generator - aplicator se monteaz un circulator care este un ghid de und nereciproc cu trei porturi, cu circuit pasiv cu elemente de ferit aflate n cmp magnetic permanent , figura 3.6 Fig. 3.6 Instalatie la microunde cu circulator 1 - magnetron; 2 - circulator; 3 - aplicator; 4 - material

n acelasi scop se mai folose te un dispozitiv de adaptare reglabil, ca obstacol pentru unda reflectat, figura 3.7.

Fig. 3.7. Instalatie cu microunde cu sistem de adaptare reglabil n raport cu modul de interactiune a materialului procesat cu cmpul de microunde rezult i structura unui echipament de nclzire cu microunde: Interactiune n regim static, figura 3.8.a

Fig. 3.8 a. Structura instalatiei cu microunde n regim static Interactiune n regim de deplasare, figura 9.14 b

Figura. 3.8.b. Structura instalatiei cu microunde n regim de deplasare a materialului:18

1 - generatorul de microunde, 2- ghidul de und; 3 - antena; 4 - aplicatorul de microunde 5- materialul procesat. n cele mai multe aplicatii industriale sursa de microunde sau magnetronul se afl la distant fat de aplicator. Astfel c, transmisia energiei la aplicator se realizeaz cu ajutorul ghidurilor de und, cel mai adese se folosesc tronsoane de ghid drepte, cu coturi, prevzute cu flanse de cuplare mecanic si electric. Calitatea prelucrrii suprafetei interioare a ghidului, calitatea mbinrii si raza coturilor influenteaz pierderea de putere pe traseul de la magnetron la aplicator. Coturile pot fi unghiulare sau curbe. Se prefer coturile curbe si cele unghiulare cu unghi mai mare de 90o . Legtura dintre ghidul de und si aplicator se realizeaz prin practicarea unei fante de cuplare n peretii aplicatorului, cu rolul de a adapta impedanta cavittii cu dielectric n interior supus nclzirii, cu cea a ghidului conectat. Toate componentele trebuie s respecte restrictiile impuse elementelor de circuit pentru frecvente ultranalte. Tipul si domeniul de utilizare al instalatiei de microunde determin complexitatea echipamentului electric de alimentare si comand care cuprinde dou prti distincte: - partea destinat generatorului de microunde; - partea destinat utilittilor instalatiei (ventilatia aplicatorului, introducerea si evacuarea produselor din aplicator, instalatii auxiliare). Echipamentul destinat generatorului de microunde sau magnetronului cuprinde: - sursa de alimentare care asigur tensiunea anodic, tensiunea de alimentare filament , cmpul magnetic; - sistemul de programare a regimului de functionare a magnetronului; - elementele de protectie ale magnetronului la lipsa sarcinii n cavitate, a sarcinii reduse n cavitate , la lipsa cmpului magnetic si protectia termic ; - instalatia de rcire.

3.4. Alte aplicatii tehnice ale microundelorUtilizarea microundelor n procese industriale pentru tratamente de nclzire, uscare, finisare, sterilizare si decongelare are o eficient superioar fat de metodele conventionale. Adncimea de ptrundere a microundelor este mult mai mic dect a cmpurilor de radiofrecvent (10...100mm pentru corpurile cu continut ridicat de ap i n 100mm pentru alte tipuri de materiale. Energia microundelor este absorbit n totalitate de ctre produsul supus tratamentului, schimbul de cldur cu mediul ambiant fiind nul. Produsele de nclzit pot avea dimensiuni mici sau medii, cu forme geometrice diferite. Tratamentul de uscare are ca scop eliminarea apei din materiale si produse utiliznd energia microundelor, bazndu-se pe propriettile dielectrice ale apei. La temperatura ambiant 25o C , apa are o constant dielectric de 76.7 , iar tg =0.157 la frecventa de 2450 MHz. Se recomand pentru valori mari ale umidittii relative, cnd utilizarea procedeelor clasice devine ineficient. Gradientul de temperatur orientat spre exteriorul produsului asigur o uscare foarte bun. Important este controlul calittii uscrii datorit particularittilor sistemelor de msurare a temperaturii si a umidittii materialelor n cavittile rezonante. La instalatiile de uscare n flux continuu, controlul temperaturii sau umidittii se realizeaz la sie- irea din usctor, iar reglajul procesului se face prin modificarea puterii generate de magnetron sau a vitezei de deplasare a materialului prin cavitate sau camera de tratament, fiind folosit cel cu sectiune dreptunghiular.19

3.4.1. Terapia cu microundeUn alt proiect spatial secret sovietic, a implicat folosirea undelor de foarte inalta frecventa (EHF) in zona milimetrica a lungimilor de unda pentru telecomunicatii spatiale, descoperindu-se accidental ca aceste radiatii au efect benefic asupra sanatatii umane. Aceasta descoperire a dus la inventarea unor dispozitive capabile sa dirijeze radiatiile in zona punctelor de acupunctura. S-a constatat ca efectul este similar cu acela al remediilor homeopate. Dispozitivul portabil stablizator de unde energetice DPSE, este destinat pentru tratamentul bolilor prin actiunea microundelor asupra punctelor biologic active de pe suprafata corpului.Designul si caracteristicile de unda ale acestui dispozitiv ofera anumite avantaje fata de alte dispozitive similare.Folosirea unui microprocesor pentru dirijarea spectrului de radiatii si designul original al antenei de emisie au permis sa se imbunatateasca esential parametrii caracteristici si anume: -Obtinerea unei expuneri temporare stabile, semiautomate. -Scaderea gradului de instabilitate al radiatiei in scopul distribuirii uniforme in tot spectrul de frecvente. -Reducerea nivelului de radiatie in spectrul de frecvente esential. -Polarizarea spiralata a radiatiilor spre stanga. -Emiterea unui spectru de frecvente rezonante variabile, pentru orice pacient. Focalizarea radiatiei pe o zona redusa la 1mm de la o distanta de 3 mm. Aceasta permite folosirea dispozitivului si in auriculopunctura, unde densitatea mare a punctelor necesita o focalizare sporita. Rezultatele testelor clinice au aratat o eficienta ridicta. Se subliniaza in special cresterea imunitatii organismului. Rezultate foarte bune au fost obtinute in tratamentul astmului bronsic, ulcerul gastro-duodenal, afectiuni cronice articulare si abarticulare, afectiuni ale prostatei, boli ginecologice, inclusiv sterilitatea etc. Undele de foarte inalta frecventa (EHF) ocupa un spectru intre 30-300 GHz. O caracteristica principala este aceea ca radiatia milimetrica din spatiu este practic absorbita de atmosfera pamantului.Evolutia biologica a speciei umane a avut deci loc intr-un mediu sarac in radiatie EHF.Aceasta poate explica sensibilitatea biologica a organismului uman la acest gen de radiatie.Cele mai folosite unde EHF in terapie se situeaza in zona 4,9 mm (60.12GHz), 5,6 mm (53.33GHz) si 7,1 mmm (42.19 GHZ).Dispozitivul DPSE are o gama de frecvente intre 54GHz si 75GHz adica lungimi de unde intre 3,9 si 5,6mmm.Radiatia de mica intensitate de mai sus este un tip de radiatie neionizanta si deci nu are nici un fel de efect distructiv asupra tesuturilor biologioce. Cu alte cuvinte este complect inofensiva.

3.4.2. Uscarea cu microundeA fost aplicat pe scar larg la uscarea pastelor finoase, materialelor textile, materialelor electroizolante, cochile si miezuri de turntorie etc. Sterilizarea alimentelor se bazeaz pe energia microundelor care asigur prin nclzire distrugerea microorganismelor, fr a afecta propriettile nutritive. Sterilizarea se realizeaz n incinte etanse, construite din materiale transparente la microunde. Principalele domenii industriale unde se utilizeaz nclzirea cu microunde sunt: n constructii si industria constructoare de masini:20

fabricarea materialelor cu compozitie din sticl si rsini epoxidice prin polimerizare; - vulcanizarea continu a profilelor extrudate din cauciuc; - nclzirea rezidurilor de acizi; - depunerea superficial de nitrur de titan sau carbon prin plasm de microunde n vid, pentru ameliorarea durittii si rezistentei la uzur; - vitrifierea cenusilor de incinerare ; - procedee de demolare a constructiilor prin aplicarea unor socuri termice - calcinarea ceramicilor. n microelectronic pentru decapare, lcuire, gravare prin plasm de microunde pe semiconductoare, rsini fotosensibile, polimeri. n industria farmaceutic: - uscarea si granularea sub vid a medicamentelor. n industria alimentar: - decongelarea di sterilizarea crnii; elimin dezvoltarea bacteriilor n timp; - prjirea uscat a gustrilor; - prefermentarea pastei de panificatie; - nclzirea sosurilor, cremelor, amestecuri pentru ciocolat. Investitiile n instalatiile cu microunde sunt de 1,5...2 ori mai mari dect n instalatiile cu nalt frecvent, dintre care 40% n sursa de alimentare si 60% n instalatia de nclzire. Durata de viat a magnetronului este 2000...5000 ore la o putere maxim n microunde de 10 kW. Avantajele rezultate n urma aplicatiilor n cele mai variate domenii industriale, precum di reducerea consumurilor de energie 25-50%, determin extinderea gamei acestora. Un alt domeniu important al utilizrii microundelor este constructia traductoarelor pentru msurarea unor mrimi neelectrice, cum ar fi msurarea n flux continuu a umidittii produselor. Aceast aplicatie are la baz dependenta gradului de atenuare si defazare a undei electromagnetice care strbate materialul, de continutul de umiditate. Acest tip de traductor se foloseste cu succes la msurarea n flux continuu a umidittii produselor granulare (de ex. gru).-

3.4.3. Cuptorul cu microundeFunctionarea cuptorului cu microunde implic transformarea unei tensiuni alternative n tensiune continu prin intermediul unui transformator, diode si condensatoare. Magnetronul utilizeaz aceast tensiune continu si genereaz unde electromagnetice la o frecvent de 2450MHz. Microundele sunt conduse printr-o anten la un ghid de unde care le dirijeaz la un agitator de unde realizat dintr-o lam metalic ce se roteste deasupra cuptorului, la iesirea din ghidul de unde. Agitatorul are rolul electromagnetic n incinta cuptorului. Acest mecanism, cuplat la un platou rotativ, permite utilizarea eficient a energiei radiante. Undele electromagnetice se reflect pe peretii metalici ai cuptorului si sunt absorbite de moleculele alimentelor ce trebuie procesate. Un regulator de timp permite afisarea timpului de nclzire in oprirea imediat la expirarea timpului reglat. Majoritatea aparatelor sunt prevzute cu dispozitive de reglare a puterii. n figura 3.9 este prezentat schema cuptorului cu microunde.

21

2

4

1 0 1 2 8

3 0 1 2 9 10

5

6

7

Figura 3,9 Schema cuptorului cu microunde

Componenta cuptorului este: 1- dispozitiv de sigurant a blocrii, 2- hublou pentru supraveghere, ce permite trecerea luminii, dar nu si a microundelor, 3- crlig de nchidere, 4incinta cuptorului, 5- garnitura usii, care mentine energia microundelor n interiorul incintei si mpiedic pierderile, 6- platou turnant din sticl termorezistent pe care se plaseaz alimentele introduse ntr-un vas adecvat, 7-antrenor al platoului turnant, 8 buton pentru selectarea puterii, 9- buton pentru reglarea timpului de procesare, 10- buton pentru deschiderea usii; dac apsm acest buton clichetul opreste cuptorul nainte ca usa s se deschid. Cuptoarele pot fi folosite pentru renclzire, decongelare, dar si pentru preparare, fiind echipate cu elemente radiante sau elemente de coacere cu cldur variabil.

22

23