РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 7, с. 869-875
ЭЛЕКТРОНИКА
свч
УДК 621.93+621.327.534
СВЕТОПРОЗРАЧНОСТЬ И ЗАЩИТА ОТ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ СЕТЧАТЫХ РЕЗОНАТОРОВ
С БЕЗЭЛЕКТРОДНЫМИ ЛАМПАМИ © 2004 г. Э. М. Гутцайт
Поступила в редакцию 20.01.2003 г.
Рассмотрены светопрозрачность и экранирующее действие от СВЧ-излучений тонкостенных сетчатых резонаторов с безэлектродными газоразрядными источниками света. Проанализированы экраны с шестиугольными, ромбическими, треугольными и квадратными отверстиями. При определении светопрозрачности учтены многократные отражения между внутренней поверхностью сетчатого экрана и лампой.
Современные высокоэффективные безэлектродные источники света, среди которых наиболее известными являются микроволновые серные лампы, обладают высокими светотехническими параметрами, уникальным спектром оптического излучения и большим сроком службы [1-5]. Однако осветительные устройства (ОУ) с серными лампами весьма сложны в производстве и эксплуатации. Например, на рис. 1 схематически показан один из вариантов ОУ, изготовленный во Всероссийском электротехническом институте под руководством Э.Д. Шлифера и представленный в качестве действующего экспоната в июне 2002 г. на выставку, посвященную 70-летию кафедры светотехники Московского энергетического института. В приведенном устройстве серная лампа размещается в цилиндрическом участке сверхвысокочастотного (СВЧ)-резонатора, возбуждаемого магнетронным генератором со средней мощностью ~800 Вт на частоте 2450 МГц.
Одной из проблем при создании СВЧ-модуля с безэлектродной разрядной лампой является обеспечение светопрозрачности СВЧ-резонатора при сохранении высокой собственной добротности и надежной защиты от СВЧ-излучения.
Для этого металлические стенки резонатора изготавливают сетчатыми (рис. 1, 3) с узкими и тонкими перемычками между отверстиями, линейные размеры которых примерно на два порядка меньше длины волны СВЧ-колебаний. Таким образом, резонаторы, обеспечивающие увеличение напряженности электрического поля для зажигания и поддержания интенсивного СВЧ-разряда в безэлектродной лампе, выполняют также роль светопрозрачных СВЧ-экранов. Очевидно, что чем мельче ячейки сетки, тем сильнее ее экранирующее действие, однако при этом ухудшается светопрозрачность осветительного устройства. Поэтому СВЧ экраны для серных ламп конструируются таким образом, чтобы при сохранении высокой све-
топрозрачности удовлетворить требованиям санитарных правил и норм (САНПИН) на плотность просачивающейся мощности (ППМ) СВЧ не более 10 мкВт/см2 [6].
В данной работе анализировалась свето- и СВЧ-прозрачность металлических сеток различ-
Рис. 1. Схема осветительного устройства с серной лампой: 1 - защитное стекло, 2 - рефлектор, 3 - СВЧ-эк-ран, 4 - серная лампа, 5 - щель связи, 6 - волновод, 7 - вывод СВЧ-энергии, 8 - магнетрон, 9 - трансформатор, 10 - блок электронной аппаратуры, 11 - корпус, 12 - электромотор. Все размеры даны в мм.
(а) a1
(б) aip
Сш
c
(в)
(г)
а1к
a 2к
Ск
(Д)
w
рая на порядок меньше линеиного размера отверстия а, при определении ^пр0 не учитывалась.
Итак, рассматривая ячеИку тонкостенной сетки, получаем выражение
в/^яч _ ^отвД^отв + 0.5Е^пер), (1)
K = 9
лпр0 ^отв/
Рис. 2. ЯчеИки шестиугольной (а), ромбическоИ (б), треугольной (в) и квадратноИ (г) сеток; фрагмент перемычки между ромбическими отверстиями (д).
ных конфигурации, ячеИки которых показаны на рис. 2. ОсобыИ интерес представляет сотовая структура, предложенная Э.Д. Шлифером: это сетка с шестиугольными отверстиями, состоящими из шести равносторонних треугольников (рис. 2а). Отверстия в ромбическоИ сетке состоят из двух равносторонних треугольников (рис. 26). Показана также сетка с отверстиями из равносторонних треугольников (рис. 2в) и из квадратов (рис. 2г). Фрагмент перемычки между отверстиями (например, для ромбическоИ сетки (рис. 2д)) приведен с размерами, соответствующими длине перемычки по среднеИ линии с, ее ширине w и стороне п-угольного отверстия сп, а также с углами скосов на концах перемычки, обозначенными ап и Рп.
Светопрозрачность по нормали к поверхности сетки определялась коэффициентом А^ю через отношение площади отверстиИ к общеИ площади сетки или через отношение площади одного отверстия к площади ячеИки сетки. Толщина перемычки £ (т.е. толщина стенки резонатора), кото-
где 9отв - площадь отверстия, fl - площадь ячейки, 9пер - площадь перемычки между соседними отверстиями и Х5пер - площадь перемычек, ограничивающих отверстие. Площадь каждой перемычки, согласно рис. 2д принималась равной 9пер = w(c + cn)/2. Величина cn обозначена для шестиугольной ячейки сш, для ромбической - ср, для треугольной - ст и квадратной - ск.
Формулы cn, 9отв и Х5пер для различных конфигураций отверстий сеток приведены в табл. 1, там же даны соотношения, определяющие максимальные (a1n) и минимальные (a2n) значения линейных размеров отверстий, которые использовались в расчетах уровней СВЧ-излучений.
Экспериментальные исследования светопроз-рачности были проведены сотрудниками ВЭИ P.A. Жидковым и О.Ю. Александровой в секторе Э.Д. Шлифера при участии автора. При этом было обнаружено, что на прохождение света влияют переотражения между внутренней поверхностью экрана и лампой.
В экспериментальном макете использовалась квадратная сетка, с размерами с = 2 мм, w = 0.4 мм и t = 0.15 мм, имеющая с одной стороны зеркально отражающую поверхность, а с другой - матовую. Сетку сворачивали в цилиндр так, чтобы его внутренняя сторона была либо зеркальной, либо матовой. В цилиндр помещали молочную лампу накаливания, и в темном помещении измеряли освещенность люксметром Ю-116 от лампы с сеткой. Из полученных результатов следует, что необходимо учитывать переотражения между внутренней поверхностью экрана и лампой, так как они приводят к увеличению светопрохождения от лампы через СВЧ-экран (табл. 2).
С учетом многократных отражений коэффициент светопрозрачности нетрудно представить в виде
Кпр = КПро/(1 - Р1Р2(1 - Кпро)), (2)
где р1 и р2 - коэффициенты отражения от внутренней поверхности перемычек и от лампы соответственно.
В табл. 2 приведены результаты расчетов по формуле (1) и формуле (2) при р1 = 0.9 и 0.3 для р2 = 0.5, а также экспериментальные результаты измерений светопрозрачности (т.е. отношения освещенностей с сеткой и без нее).
Как видно из таблицы, экспериментальные и расчетные данные хорошо согласуются.
Теперь рассмотрим методику расчета ППМ и проанализируем влияние формы отверстий в сет-
c
c
n
СВЕТОПРОЗРАЧНОСТЬ И ЗАЩИТА ОТ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ 871
Таблица 1. Основные соотношения
Обозначения Форма ячейки
Шестиугольная Ромбическая Треугольная Квадратная
ап,град 60 60 30 45
Р„, град 60 30 30 45
cn С w л/3 с 2w л/3 c - 73 w c - w
a1 2сш л/3 cp 72 ^
й2 V3 сш cp 73 2 ^ cк
S ^отв 373 ( w Y —1С -7з) 1 (с-72 4 (с-73 w )2 (c - w)2
-^пер 6w (c ) 4w ( с-7) 3 w (с w) 4 w ( с -w)
чатых СВЧ-экранах на их светопрозрачность и защиту от микроволновых излучений. Для определения ППМ (например, в точке С, показанной на рис. 3) использовалась формула, полученная исходя из представления ячеек сетки в виде запредельных волноводов [7]. Влияние перемычек можно учесть введением коэффициента свето-прозрачности ^пр0, после чего эта формула приобретает следующий вид:
Р
мкВт 2~
L см -
К1К 2 к,
2Ji пр0
1 + h)
,10°
4 п( h2 + l2 + D2)
-exp[ -2п-), (3)
где Рген - мощность магнетронного генератора (в Вт); К1 - доля мощности, не поглощенная в лампе (в разряде) и отраженная к сетчатому экрану; К2 - доля мощности, теряемая в СВЧ-тракте от генератора до точки, в которой определяется ППМ; D - диаметр апертуры излучающего отражателя (в см); r, h и l - расстояния (в см), показанные на рис. 3; t - толщина экрана (в мм), а - линейный размер (в мм) отверстия ячейки сетки (равный половине критической длины волны запредельного волновода), показанный на рис. 2 и выраженный через размеры сторон многоугольника в табл. 1.
Расчеты ППМ выполнялись для Рген = 800 Вт, К1 = 0.01, К2 = 0.5, D = 25 см, l = 150 см, t = 0.15 мм, w = 0.3 мм и 0.1 мм.
Как было показано в [7], зависимости p(h) при l = const проходят через максимальные значения Рмакс1 или рмакс2 соответственно для размеров а1п и а2п (табл. 3-8).
В табл. 3-8 представлены результаты сравнений различных вариантов многоугольных сеток
по светопрозрачности и по защите от СВЧ-излу-чений. Результаты расчетов сеток с одинаковыми площадями отверстий, перемычек и ячеек приведены в табл. 3-5, с одинаковыми длинами перемычек - в табл. 6-8. Очевидно, что сравнение многоугольных сеток по светопрозрачности при одинаковых длинах перемычек дает преимущество сеткам с наибольшим числом п, т.е. углов или перемычек на одну ячейку. Поэтому правильнее сравнивать различные сетки при одинаковых площадях отверстий или перемычек. Возьмем за основу сетку, имеющую квадратные отверстия с 5яч = = 4 мм2 (с = 2 мм), 5отв = 2.89 мм2 (ск = 1.7 мм) и 0.5Е5пер = 1.11 мм2 (м! = 0.3 мм).
Рассчитанные значения площадей и размеров перемычек, а также светопрозрачностей для 5отв = = 2.89 мм2 и м = 0.3 мм приведены в табл. 3. В табл. 3 также представлены максимальные значения рмакс на расстоянии I = 1.5 м от ламп с рассматриваемыми экранами. На рис. 4 приведены зависимости ППМ от расстояния Н при указанном значении I. Из полученных результатов видно, что наилучшей светопрозрачностью обладают шестиугольная и квадратная сетки, наихудшей -
Таблица 2. Светопрозрачность экспериментального образца с квадратной сеткой при c = 2 мм, w = 0.4 мм
Расчет Матовая (Р1 = 0.3) Зеркальная (Р1 = 0.9)
по формуле (1) расчет по формуле (2) эксперимент расчет по формуле (2) эксперимент
0.65 0.69 0.7 0.77 0.8
Таблица 3. Свето- и СВЧ-прозрачность различных сеток при w = 0.3 мм и 5отв = 2.89 мм2
Обозначения Форма ячеИки
Шестиугольная Ромбическая Треугольная Квадратная
с, мм 1.23 2.17 3.1 2
0.5£5пер, мм2 1.03 2.2 1.28 1.11
5яч, мм2 3.92 4.09 4.17 4
Кпр0, отн. ед. 0.738 0.707 0.693 0.723
Кпр, отн. ед. 0.836 0.814 0.804 0.826
сп, мм 1.05 1.83 2.58 1.7
а1, мм 2.1 3.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.