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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