Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7263

Theoretical Synthesis and Experimental Measurements of Slotted Waveguide Feeding Systems For 2.45 GHz Industrial Microwave Heating Installations

Sebastijan Stančulović

Abstract
In this work nonresonant slotted waveguide antennas have been theoretically synthesized and experimentally verified for feeding systems of industrial microwave applicators at 2.45 GHz. The application of the proposed slotted waveguides is particularly in the processing of carbon fibre reinforced plastics using microwave systems with hexagonal geometry (HEPHAISTOS technology). Implementation of the novel slot antenna arrays with minimized reflections enabled a direct coupling of cheap 2.45 GHz magnetrons to the feeds, without standard expensive microwave components such as isolators or circulators and tuners. Additionally, antennas with two different, mutually orthogonal, polarizations have been designed for suppression of undesired mutual cross coupling between neighbouring slotted waveguides. Further, the radiation characteristics of the nonresonant antennas have been calculated to allow the desired electromagnetic field homogeneity in the hexagonal microwave heating systems.

Using the commercial software package CST Microwave Studio various types of radiating waveguide slots were characterized. Normalized slot impedances and admittances have been numerically calculated as functions of different design parameters like slot length, width, displacement and shape. A novel banana slot geometry, which is optimized for the given flow of the currents in the inner waveguide wall, has been numerically investigated and compared to the conventional rectangular slots. The numerical calculations of the reflections, near fields and far fields of the synthesized nonresonant antennas have shown, that they are more convenient for the application in feeding systems than the standard slotted waveguide antennas having resonant distance between the slots. The new nonresonant antenna systems have an additional design parameter, the distance between the slots, and they provide better input antenna matching than the resonant feeding antennas, assuring a suppression of a standing wave (minimized reflections) in the feeding waveguide.

A new synthesis procedure for advanced slotted waveguide feeding systems has been developed using a linearization of the exponential attenuation function of the propagating fundamental TE10 waveguide mode. Additionally, the radiation characteristics of the antennas with transversal slots has been optimized by an optical method.

The synthesized slotted waveguide feeding systems have been experimentally verified performing measurements and tests in the low as well as in the high power range, for the cases that the antennas radiate into the free space, for a laboratory scaled applicator and for the industrial HEPHAISTOS CA2 applicator. The results of measurements confirmed that the designed slotted waveguide antennas meet all demands for simple feeding systems in high power microwave applicators.

Theoretische Synthese und experimentelle Vermessungen von Schlitzhohlleiter-Antennen als Einspeisungssysteme für 2,45 GHz industrielle Mikrowellen-Heizungsanlagen

Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden nichtresonante Rechteckhohlleiter-schlitzantennen als Einspeisungssysteme für großtechnische Mikrowellenapplikatoren bei der Industriefrequenz 2,45 GHz theoretisch berechnet und messtechnisch überprüft. Dabei steht die Prozessierung von Kohlefaserverbundstoffen mit hexagonalen HEPHAISTOS Mikrowellensystemen im Vordergrund. Die Realisierung von neuartigen, kostengünstigen und reflexionsarmen Schlitzantennen hat die direkte Kopplung von 2,45 GHz-Magnetrons, ohne die üblichen, teuren Mikrowellenkomponenten wie Isolatoren bzw. Zirkulatoren und Tuner, an die Einspeisungsantennen technisch günstig ermöglicht. Hierbei wurden Antennen mit gekreuzter Polarisation entwickelt, um die gegenseitige Verkopplung benachbarter Einspeisungssysteme zu minimieren und um die in den Speisehohlleitern rückwärtslaufende Leistung klein zu halten. Außerdem wurde die Abstrahlungscharakteristik der synthetisierten Hohlleiterschlitzantennen so bestimmt und optimiert, dass damit eine homogene Verteilung des elektromagnetischen Feldes in hexagonalen Applikatoren ermöglicht wird.

Verschiedene Schlitztypen in Hohlleiterantennen wurden mit Hilfe des kommerziellen Programmpakets CST Microwave Studio systematisch charakterisiert und normierte Schlitz-impedanzen und –admittanzen als Funktion der Schlitzparameter, wie Schlitzlänge, -breite und -form berechnet. Dabei wurden statt der üblichen Rechteckschlitze auch neuartige, an die Flussrichtung der Hohlleiterwandströme angepasste (Bananen-förmige) Schlitze behandelt. Die numerischen Berechnungen der reflektierten Leistung, des Nahfeldes und des Fernfeldes haben gezeigt, dass die neuen nichtresonanten Antennen für die Erfüllung der in der Aufgabestellung geforderten Kriterien besser geeignet sind als die üblichen Schlitzantennen mit resonantem Schlitzabstand. Die nichtresonanten Schlitzantennen haben einen weiteren Optimierungsparameter, den Schlitzabstand, und in diesem Fall, bei geeigneter Dimensionierung, existiert keine Stehwelle (reflektierte Leistung) im vom Magnetron herkommenden Rechteckhohlleiter.

Zur Synthese von optimierten nichtresonanten Rechteckhohlleiterschlitzantennen wurden neue Verfahren entwickelt. Für beide Antennen, mit Längsschlitzen oder mit Querschlitzen, beruht das neue Verfahren auf der Linearisierung der exponentiellen Dämpfungsfunktion der Grund-TE10-Welle. Bei Antennen mit Querschlitzen erfolgt die Strahlungsoptimierung über eine optische Methode.

Die hergestellten Schlitzhohlleitersysteme wurden bei niedrigen und hohen Mikrowellenleistungen, im Freiraum, in Modellapplikatoren und im industriellen HEPHAISTOS-CA2-Applikator messtechnisch verifiziert. Die Ergebnisse der Messungen haben bestätigt, dass die synthetisierten Schlitzantennen alle Anforderungen für den Einsatz als einfache Einspeisungssysteme von Mikrowellenapplikatoren erfüllen.

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