BR112019012593A2

BR112019012593A2 - aparelho e método de aplicação de energia de micro-ondas, dispositivo de extermínio de erva daninha, parasita, bactérias, fungos, esporo ou semente; dispositivo de esterilização, condicionamento ou nitrificação de solo e dispositivo de secagem

Info

Publication number: BR112019012593A2
Application number: BR112019012593-0A
Authority: BR
Inventors: Brodie Graham; Trogovnikov Grigori; Farrell Peter
Original assignee: The University Of Melbourne; Grains Research & Development Corporation
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-11-19
Also published as: EP3557988A1; CA3047308A1; AU2017379417A1; JP2020502771A; KR20190127669A; US20200107539A1; CN110612023A; EP3557988A4; WO2018112531A1; MX2019007253A

Abstract

um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende: pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas configurada para gerar energia de micro-ondas; pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas que compreende um ressonador dielétrico ou um aplicador de micro-ondas de ondas lentas para direcionar energia de micro-ondas ao material a ser irradiado; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda a partir da fonte de energia de micro-ondas ao aplicador de micro-ondas para aplicação em um material a ser tratado.

Description

APARELHO E MÉTODO DE APLICAÇÃO DE MICRO-ONDAS

CAMPO DA TÉCNICA [001] A presente invenção refere-se a um aparelho e método de aplicação de micro-ondas para uso, por exemplo, como um herbicida para sistemas de cultivo.

ANTECEDENTES [002] Em uma abordagem existente, uma antena corneta é usada para direcionar energia de micro-ondas para exterminar ervas daninhas. A patente n²US 6.401.637, por exemplo, descreve um aparelho para tratar o solo e a subsuperfície de solo por meio de irradiação com energia de micro-ondas para exterminar as ervas daninhas. O aparelho é preso a um caminhão e arrastado sobre o solo a ser tratado.

[003] A Patente n² US 7.560.673, por outro lado, revela um aparelho do tipo transportador que extrai uma camada de solo da terra e transfere para o transportador que passa através de uma área de aplicação de energia de microondas.

[004] O Pedido de Patente n² US 2012/0091123A1 revela um sistema de micro-ondas que usa quatro guias de onda de corneta para direcionar energia de micro-ondas para o solo. O sistema de micro-ondas pode ser montado em um veículo.

[005] Brodie G., et al., Microwave Technologies as Part of an Integrated Weed Management Strategy: A Review, International Journal of Agronomy, Volume 2012 descreve investigações sobre os efeitos de micro-ondas aplicadas em ervas daninhas, tais como por meio de antenas corneta.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [006] De acordo com um primeiro aspecto amplo, a presente invenção fornece um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiação de

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2/37 um material, que compreende: pelo menos uma fonte de energia de microondas configurada para gerar energia de micro-ondas; pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas que compreende um ressonador dielétrico para direcionar energia de micro-ondas para o material a ser irradiado; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de microondas para aplicação em um material a ser tratado.

[007] O ressonador dielétrico pode compreender, por exemplo, uma cerâmica, vidro, Teflon ou outro material dielétrico de baixa perda.

[008] De acordo com um segundo aspecto amplo, a presente invenção fornece um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende: pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas configurada para gerar energia de micro-ondas; pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas que compreende um aplicador de micro-ondas de ondas lentas que tem sulcos dispostos em paralelo através de uma direção de propagação da energia de micro-ondas; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda a partir da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas para a aplicação em um material a ser tratado.

[009] Os sulcos podem ter uma profundidade entre 6 e 26 mm. Em uma modalidade preferencial, os sulcos têm uma profundidade entre 6 e 13 mm. Em outra modalidade preferencial, os sulcos têm uma profundidade entre 13 e 26 mm.

[0010] Em uma modalidade, os sulcos são perpendiculares à direção de propagação da energia de micro-ondas. Em uma modalidade, os sulcos são mutuamente espaçados de modo substancialmente equidistante.

[0011] De acordo com um terceiro aspecto amplo, a presente invenção

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3/37 fornece um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende: pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas configurada para gerar energia de micro-ondas; em que pelo menos um aplicador de micro-ondas tem uma face de emissão de energia de micro-ondas para emitir energia de micro-ondas; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas para aplicação em um material a ser tratado, em que a energia de micro-ondas é emitida a partir do aplicador de micro-ondas em uma direção substancialmente perpendicular à direção na qual a energia de microondas entra no aplicador de micro-ondas a partir do guia de onda.

[0012] Em uma modalidade, a fonte de energia de micro-ondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com uma frequência de aproximadamente 2,45 GHz.

[0013] Em outra modalidade, a fonte de energia de micro-ondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com frequências entre aproximadamente 860 ou 960 MHz.

[0014] Em outra modalidade, a fonte de energia de micro-ondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com uma frequência de aproximadamente 5,8 GHz.

[0015] Opcionalmente, a face de emissão de energia de micro-ondas é plana.

[0016] Em uma modalidade, o aparelho de aplicação de energia de microondas compreende adicionalmente um refletor localizado para refletir a energia de micro-ondas emitida a partir da face de emissão de energia de micro-ondas, de modo que o material se mova entre o refletor e a face de emissão de energia de micro-ondas.

[0017] De acordo com um quarto aspecto amplo, a presente invenção

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4/37 fornece um dispositivo de extermínio de ervas daninhas, parasitas, bactérias, esporos, fungos ou sementes, que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas do primeiro aspecto.

[0018] De acordo com um quinto aspecto amplo, a presente invenção fornece um dispositivo de esterilização, condicionamento ou nitrificação de solo que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas do primeiro aspecto.

[0019] De acordo com um sexto aspecto amplo, a presente invenção fornece um dispositivo de secagem, que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas do primeiro aspecto.

[0020] De acordo com um sétimo aspecto amplo, a presente invenção fornece um método de aplicação de energia de micro-ondas, que compreende:

fornecer energia de micro-ondas com pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas;

receber a energia de micro-ondas a partir da fonte de energia de microondas com pelo menos um aplicador de micro-ondas; e aplicar a energia de micro-ondas com o aplicador de micro-ondas em um material a ser tratado;

em que o aplicador de micro-ondas compreende um dentre: um ressonador dielétrico; e um aplicador de micro-ondas de ondas lentas que tem sulcos dispostos em paralelo através de uma direção de propagação da energia de micro-ondas.

[0021] De acordo com um oitavo aspecto amplo, a presente invenção fornece um método de aplicação de energia de micro-ondas, que compreende: fornecer energia de micro-ondas com pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas; receber a energia de micro-ondas a partir da fonte de energia de micro-ondas com pelo menos um aplicador de micro-ondas; e aplicar a energia

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5/37 de micro-ondas com o aplicador de micro-ondas em um material a ser tratado; em que a energia de micro-ondas é emitida a partir do aplicador de micro-ondas em uma direção substancialmente perpendicular à direção na qual a energia de micro-ondas entra no aplicador de micro-ondas a partir do guia de ondas.

[0022] O material a ser tratado pode compreender, por exemplo, ervas daninhas, parasitas, bactérias, esporos, sementes, fungos ou solo.

[0023] Deve-se observar que qualquer um dos vários recursos individuais de cada um dos aspectos acima da invenção, e qualquer um dos vários recursos individuais das modalidades descritas no presente documento inclusive nas reivindicações, pode ser combinado, conforme adequado e desejado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0024] A fim de que a invenção possa ser mais claramente verificada, as modalidades serão agora descritas, a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 é um diagrama esquemático de um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A Figura 2A é uma vista ortográfica superior do guia de onda de microondas e aplicador de micro-ondas de ondas lentas do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A Figura 2B é uma vista ortográfica inferior do guia de onda de micro-ondas e aplicador de micro-ondas de ondas lentas do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1, de acordo com outra modalidade da presente invenção;

As Figuras 2C e 2D são uma vista ortográfica superior e uma elevação, respectivamente, do guia de onda de micro-ondas e aplicador de micro-ondas de ondas lentas de um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas;

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6/37

As Figuras 3A a 3F são vistas de múltiplos exemplos do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1 implantado em um trailer puxado por um trator, as Figuras 3A a 3C sendo vistas lateral, ortográfica superior e plana da montagem geral, as Figuras 3D a 3F sendo vistas posterior, ortográfica superior e lateral do reboque;

A Figura 3G é uma vista de determinados componentes de uma variante do trailer das Figuras 3A a 3F;

A Figura 4 é uma vista em corte transversal esquemática da estrutura de ondas lentas do tipo pente do aplicador de micro-ondas de ondas lentas do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1, de acordo com uma modalidade da presente invenção, com a intensidade da energia associada à estrutura de ondas lentas;

A Figura 5 é um diagrama de circuito esquemático de uma impedância distribuída em uma linha de transmissão, que ilustra a operação do aplicador de micro-ondas de ondas lentas dessa modalidade;

A Figura 6 é um diagrama de circuito esquemático de um elemento indutivo, que ilustra a operação do aplicador de micro-ondas de ondas lentas dessa modalidade;

A Figura 7 é um diagrama de circuito esquemático de uma capacitância em paralelo, que ilustra a operação do aplicador de micro-ondas de ondas lentas dessa modalidade;

A Figura 8 é um diagrama de circuito esquemático de uma rede de LC equivalente, que ilustra a operação do aplicador de micro-ondas de ondas lentas dessa modalidade;

A Figura 9 é uma vista em corte transversal esquemática da estrutura de ondas lentas do tipo pente do aplicador de micro-ondas de ondas lentas do aplicador de energia de micro-ondas da Figura 1, de acordo com uma

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7/37 modalidade da presente invenção, com uma placa dielétrica e solo adjacente;

As Figuras 10A e 10B são plotagens de distribuições de temperatura de uma antena corneta dos antecedentes da técnica e de um aplicador de ondas lentas, de acordo com essa modalidade, respectivamente, quando alimentados com

55,5 kJ de energia de micro-ondas a uma frequência de 2,45 GHz;

A Figura 11 é uma vista esquemática do guia de onda de micro-ondas e aplicador de micro-ondas de ondas lentas da modalidade da Figura 1, com uma profundidade de sulco de d = 6 mm;

A Figura 12 é uma vista esquemática de um aplicador de micro-ondas de ondas lentas com guia de onda de micro-ondas de uma modalidade alternativa, com uma profundidade de sulco de d = 13 mm;

A Figura 13 é uma elevação de um aplicador de micro-ondas de ondas lentas, de acordo com uma modalidade da presente invenção, com a estrutura de ondas lentas omitida;

As Figuras 14 a 16 são vistas inferior, ortográfica superior e ortográfica inferior, respectivamente, do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13, com a estrutura de ondas lentas omitida;

A Figura 17 é uma vista ortográfica inferior do alojamento de aplicador do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13;

As Figuras 18A a 18C são vistas superior, em corte transversal e inferior, respectivamente, de uma porção transicional do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13;

A Figura 19A é uma elevação esquemática da estrutura de ondas lentas do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13 (com profundidade de sulco de d = 6 mm);

A Figura 19B é uma elevação esquemática da estrutura de ondas lentas do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13 (com profundidade de

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8/37 sulco de d = 13 mm);

A Figura 20A é uma vista ortográfica inferior de estrutura de ondas lentas do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13 (com profundidade de sulco de d = 6 mm);

A Figura 20B é uma vista ortográfica inferior da estrutura de ondas lentas do aplicador de micro-ondas de ondas lentas da Figura 13 (com profundidade de sulco de d = 13 mm);

As Figuras 21A e 21B são uma vista ortográfica inferior e uma elevação, respectivamente, da seção de dobra do guia de onda do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1;

As Figuras 22A e 22B são uma vista ortográfica e uma vista plana esquemática, respectivamente, da seção de transição do guia de onda do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 1;

A Figura 23 é um diagrama esquemático de um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas, de acordo com outra modalidade da presente invenção;

As Figuras 24A a 24C são vistas em elevação, plana e isométrica, respectivamente, do bloco de cerâmica do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas da Figura 23;

A Figura 25 é uma análise esquemática das ondas eletromagnéticas em uma interface média para a polarização paralela em relação ao plano de incidência;

A Figura 26 é uma vista da distribuição de campo de micro-ondas no bloco de cerâmica da Figura 23 para a combinação de modos TE308 e TE106;

A Figura 27 é uma imagem térmica de madeira compensada quando aquecida com o uso do aplicador de micro-ondas da Figura 23;

A Figura 28 é um mapa de contorno térmico da imagem térmica da Figura 27;

A Figura 29 é uma imagem térmica de solo quando aquecido com o uso do

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9/37 aplicador de micro-ondas da Figura 23;

A Figura 30 é um mapa de contorno térmico da imagem térmica da Figura 29;

A Figura 31 é uma imagem térmica da terra quando aquecida com o uso do aplicador de micro-ondas da Figura 23;

A Figura 32 é um mapa de contorno térmico da imagem térmica da Figura 31;

A Figura 33 é uma imagem térmica do bloco de cerâmica do aplicador de micro-ondas da Figura 23 após cerca de 40 minutos de uso;

A Figura 34 é um mapa de contorno térmico da imagem térmica da Figura 33; e

A Figura 35 mostra o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas que inclui um refletor.

DESCRIÇÃO DETALHADA [0025] De acordo com uma modalidade da presente invenção, é fornecido um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas, mostrado esquematicamente em 10 na Figura 1. A aplicação principal pretendida do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 é como um herbicida para sistemas de cultivo, que opera aquecendo-se e, desse modo, exterminando ou destruindo a viabilidade de ervas daninhas e/ou sementes de ervas daninhas. Deve-se verificar que o mesmo pode ser usado, de modo adicional ou alternativo, por exemplo, para condicionar o solo, para promover a nitrificação e/ou para reduzir a carga bacteriana de solo. Em alguns testes, por exemplo, constatou-se que é possível reduzir a carga bacteriana total de solo em aproximadamente 90%. Os aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas 10, ou as modalidades alternativas dos mesmos, também podem encontrar aplicação em horticultura, no lugar de fumigação (tal como em estufas, ou de

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10/37 carga ou solo para comercialização), para exterminar parasitas, e para aumentar a disponibilidade de nutrientes no solo.

[0026] O aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 é adaptado para ser montado em uma plataforma com rodas puxada por um veículo, tal como um trator ou outro veículo agrícola, e — nessa modalidade — consequentemente, basicamente, deriva a potência desse veículo. Isso pode ocorrer, por exemplo, pelo engate operativo com um eixo, uma roda ou uma tomada de potência (TDP) do veículo. Com referência à Figura 1, portanto, o aplicador de energia de micro-ondas 10 inclui um gerador elétrico 12 (mostrado em forma altamente esquemática) que pode engatar e ser acionado por um eixo, roda ou TDP do veículo, uma fonte ou fontes de energia de micro-ondas 14 (também mostradas em forma altamente esquemática) alimentadas pela saída elétrica do gerador elétrico 12, um guia de onda de micro-ondas 16 e um aplicador de micro-ondas na forma de um aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 com uma face de emissão de energia de micro-ondas direcionada para baixo 19.

[0027] A fonte de energia de micro-ondas 14 gera energia de micro-ondas, nessa modalidade, a 2,45 GHz, e o guia de onda de micro-ondas 16 e o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 são dimensionados em conformidade. Em outras modalidades, no entanto, a fonte ou fontes de energia de micro-ondas podem ser empregadas as quais geram energia de micro-ondas em outros comprimentos de onda, tais como 860 MHz a 960 MHz, ou 5,8 GHz. A escolha de frequência pode depender, por exemplo, de conveniência: fontes de energia de micro-ondas comercialmente disponíveis são comumente adaptadas para emitir energia de micro-ondas das frequências supramencionadas, de modo que possam estar pronta e economicamente disponíveis, mas outros critérios podem ser contemplados de acordo com a aplicação pretendida. Por exemplo, a

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11/37 composição e/ou a umidade de solo em que as micro-ondas são aplicadas podem influenciar a escolha de frequência de operação.

[0028] O guia de onda 16 é disposto de modo a guiar a emissão de energia de micro-ondas da fonte de energia de micro-ondas 14 ao aplicador de microondas 18, e o aplicador de micro-ondas 18 é disposto para direcionar essa emissão, conforme desejado, nesse exemplo, para baixo — durante o uso montado no veículo — em direção à terra.

[0029] O aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, nessa modalidade, é adaptado para uso como um herbicida para sistemas de cultivo. O mesmo compreende uma estrutura de ondas lentas, que compreende linhas de transmissão abertas sem radiação que confinam a distribuição de campo eletromagnético de modo que o campo eletromagnético permaneça muito próximo à superfície da estrutura de ondas lentas, e decaia exponencialmente com a distância a partir da superfície da estrutura de ondas lentas, aumentando, desse modo, a eficácia ou a eficiência do tratamento de solo ou de plantas.

[0030] A Figura 2A é uma vista ortográfica de guia de onda 16 e de aplicador de micro-ondas 18, enquanto a Figura 2B é outra vista ortográfica, geralmente a partir de baixo — do guia de onda de micro-ondas 16' e do aplicador de microondas de ondas lentas 18' de um aparelho de aplicação de energia de microondas, de acordo com outra modalidade da presente invenção, adaptado para uso com micro-ondas de 2,45 GHz. Na Figura 2B, a estrutura de ondas lentas 20' (incluindo sulcos paralelos que são espaçados de modo equidistante e—nessa modalidade—perpendicular à direção de propagação da energia de microondas) é retratada. Será verificado que o comprimento preciso dos sulcos diferirá dependendo da frequência de micro-ondas usada.

[0031] Conforme mostrado, o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 emite energia de micro-ondas a partir de uma face substancialmente plana.

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Conforme pode ser visto, o guia de onda 16 direciona energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 em um ângulo substancialmente perpendicular à direção na qual a energia de micro-ondas é emitida a partir do aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18.

[0032] Adicionalmente, considera-se que os sulcos não precisem ser perpendiculares à direção de propagação da energia de micro-ondas. Um afastamento da perpendicular pode levar a perturbações no campo de microondas, mas espera-se que modalidades úteis ainda sejam possíveis, especialmente com pequenos afastamentos dos sulcos para que sejam perpendiculares à direção de propagação da energia de micro-ondas. Um grau aceitável de afastamento da perpendicular será prontamente verificado através de simples tentativa e erro - em particular, através de medição da energia de micro-ondas emitida pela estrutura de ondas lentas 20, 20'.

[0033] As Figuras 2C e 2D são uma vista ortográfica superior e uma elevação, respectivamente, do guia de onda de micro-ondas 16' e aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18' da modalidade da Figura 2B, de acordo com outra modalidade da presente invenção, adaptados para uso com micro-ondas de 860 MHz a 960 MHz.

[0034] As Figuras 3A a 3F são vistas de múltiplos exemplos de aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 implantado em um trailer 22 puxado por um trator 24. As Figuras 3A a 3C são vistas lateral, ortográfica superior e plana da montagem geral, enquanto as Figuras 3D a 3F são vistas posterior, ortográfica superior e lateral do trailer 22.

[0035] A Figura 3G é uma vista de determinados componentes de uma variante de trailer 22. Com referência à Figura 3G, nessa variante (como no trailer 22), o trailer inclui uma plataforma de trailer 26 e um gerador elétrico de TDP 28 (acoplado à TDP (não mostrada) do trator 24). A Figura 3G também

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13/37 retrata as respectivas fontes de alimentação de micro-ondas no modo comutado 30, cabeças de magnétron de micro-ondas 32 e autossintonizadores 34 dos respectivos aparelhos 10. Diferentemente do trailer 22 das Figuras 3A a 3F, no entanto, esse trailer variante também inclui respectivas treliças de apoio 36 e rodízios 37 para sustentar os respectivos guias de ondas de micro-ondas 16 e aplicadores de micro-ondas de ondas lentas 18. Nessa variante, os aparelhos 10, incluem, cada um, uma seção curta de guia de onda flexível 38 entre o guia de onda de micro-ondas 16 e o autossintonizador 34, e treliças de apoio 36 são montadas, de modo articulável, na plataforma de trailer 26 de modo que — devido aos rodízios 37— os respectivos aplicadores de micro-ondas de ondas lentas 18 sejam sustentados mutuamente, de modo independente, em uma altura substancialmente constante acima da terra.

[0036] A forma básica da estrutura de ondas lentas do tipo pente 20 é mostrada de maneira esquemática em vista em corte transversal no registro inferior da Figura 4; a intensidade da energia emitida pela estrutura de ondas lentas 20 é mostrada no registro superior da figura.

[0037] O efeito de estrutura de ondas lentas 20 pode ser analisado conforme a seguir. Primeiramente,

À₀=f, em que Ão é o comprimento de onda em espaço livre (m), f é a frequência (Hz) e c é a velocidade de luz em espaço livre (ms¹), ω = 2πί, em que ω é a velocidade angular (rad s¹), k = ^ c e

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14/37 em que g é a largura de vão da estrutura (m) e T é o período da estrutura (m).

[0038] Uma linha de transmissão uniforme pode ser retratada como um circuito distribuído, conforme mostrado esquematicamente na Figura 5. Um circuito distribuído pode ser descrito como uma cascata de células idênticas de comprimento infinitesimal dz. Os condutores usados em uma linha de transmissão têm uma determinada indutância e resistência em série. Além disso, há uma capacitância paralela entre os condutores e até mesmo uma condutância paralela se o meio que isola os fios não for um isolador perfeito. Em muitos casos, é possível negligenciar os efeitos resistivos na linha de transmissão, conforme mostrado esquematicamente na Figura 6.

[0039] A partir dessa análise pode ser visto que:

V(z) + dV(z) - V(z) = -jcoL dz I(z)

Portanto, dV(z) _f .

— = -XL I(z) (Al) [0040] Deve-se considerar, então, o elemento paralelo, conforme mostrado de maneira esquemática na Figura 7. A corrente que flui no capacitor desse elemento é:

dl(z) = —jcuC dz [V(z) + dV] = — jcuC dz V(z) — jcuC dz dV [0041] O limite lim_dz_,₀ dz dV = 0, então,

M · V(z) (A2) [0042] Considerando a derivada da equação (Al) em relação aze substituindo da equação (A2), isso gera:

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15/37 d²V(z) . dl(z) 2 I 3 ——— = -icjüL —— = -ω^ζ LC V(z) .

dz² az [0043] Essa é uma equação de onda, cuja solução é:

V(z) = + V₂e jíüVLC· [0044] Nesse caso, a solução geral representa uma onda que se propaga tanto na direção +z quanto na -z com um número de τ = tovLC onda de , i e uma velocidade de C = -== .

V LC [0045] Uma estrutura de ondas lentas se comporta como uma linha de transmissão, então, pode ser considerada como uma rede de LC distribuída (confira a Figura 8, que retrata um circuito de LC equivalente). Os vãos entre os dentes da estrutura de ondas lentas 20 podem ser considerados como linhas de transmissão encurtadas. Uma linha de transmissão de curto-circuito é indutiva quando sua constante de fase (kd) é menor do que 90°, de circuito aberto quando a constante de fase é igual a 90°, e capacitiva quando a constante de fase é maior do que 90°. No caso de estrutura de ondas lentas 20, o comprimento curto do sulco mantém a impedância de entrada nas extremidades abertas do pente indutivo.

[0046] A impedância de entrada de uma linha de transmissão carregada de comprimento d e unidade de largura (dy) é fornecida por:

Zín ' dy — Z_o r_ejkd_+re-jkd-. _ejkd_p_e-jkd p _ Zq [0047] Nesse caso, ^Zl+z° , portanto:

Z_in dy = Z_o _ejkd | ^ZL ^zoc~ikd _____Zl+Zq_____ cjkd ^zL~^zo -jkd ZL+Z₀ [0048] Isso pode ser manipulado para se tornar:

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Z_in dy = Z,

-(Z_L+Z₀)ej^kd + (ZL-Z0)e-jkd.(ZL+Z0)ej^kd-(ZL-Z₀)e-j^kd.

OU [^zL(^ejkd+^e“^jkd)+^zo(e^jkd-e“^jkd)· ^Zin ' ^dY - ^Zo [_ZL(_ejkd__e-jkd)_+Zo(_ejkcl₊e-ikd) [0049] Agora, (^{e)kd +} θ’”*) = 2Cos(kd) e (e'^kd - el^kd) = 2jSin(kd), então.

„ j _ „ r2ZLCos(kd)+2Z₀jSin(kd)' _ „ rZLCos(kd)+Z₀jSin(kd)' ^{m 0} [2ZLjSin(kd)+2Z0Cos(kd). ⁰ [zLjSin(kd)+Z₀Cos(kd).

[0050] No caso de uma linha de transmissão encurtada, Zl = 0, portanto:

Z_in dy = Z_o [^0+z°j^sin(k^1 = jZ Tan(kd) ⁱⁿ J o Lo+Z₀Cos(kd)J ¹ ° ^{v 7} [0051] A indutância equivalente para essa impedância de entrada é:

X_L = jüiL = jZ₀Tan(kd)

Portanto,

L dy = ^Tan(kd) = ^X^_Tan(kd) = ^Tan(kd).

[0052] A indutância total através da largura da linha de transmissão de curto-circuito (isto é, o sulco na estrutura de ondas lentas) é:

^Lío^W‘^dy⁼ Y^Tan(^kd) ou

L-W = ^Tan(kd).

[0053] Portanto, ^{L =} w^Tan(kd)’ em que W é a largura da estrutura na direção y (m).

[0054] A capacitância é definida da seguinte maneira:

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17/37 _ ε_οκ/Α ^c - d ’ em que A é a área de superfície de uma placa condutora e d é a distância entre as placas em um capacitor convencional. No caso em que há um campo elétrico sobre uma superfície condutora, a capacitância por unidade de comprimento da superfície é:

£₀K'W δ em que δ é a profundidade de penetração de campo do campo no espaço acima da placa e W é a largura da placa. No caso específico da estrutura de ondas δ = - lentas, a profundidade de penetração do campo na direção x é: ^portanto, a capacitância por unidade de comprimento da estrutura é:

C_o = c_ok'Wt .

[0055] Substituindo a indutância e a capacitância por^{τ — ω} v LC , j_sso g_era: τ² = ω² ^tan(kd)£₀K'WT [0056] Isso simplifica para:

τ = kK^ztan(kd) .

[0057] A velocidade de fase das ondas lentas pode ser determinada da seguinte maneira:

[0058] Pode haver dois meios diferentes adjacentes à estrutura de ondas lentas 20, conforme retratado esquematicamente na Figura 9. Com referência à Figura 9, nesse exemplo, adjacente à estrutura de ondas lentas 20 há uma placa dielétrica 40, à qual o solo 42 está adjacente.

[0059] Nesse caso, a velocidade de fase na delimitação dos dois meios (40,

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18/37

42) é a mesma a fim de manter a continuidade de onda através dessa delimitação. A velocidade de fase no primeiro meio (por exemplo, placa dielétrica 40) é:

P² = ....._(A5) e a velocidade de fase no segundo meio (por exemplo, solo 42) é:

3²=k²K'₂+T² ^{r 2 2} .....(A6)

Subtraindo a equação (A5) da equação (A6), isso gera:

= k²K'₂ + τ%- k²K\ - τ² .

Rearranjando-se, é gerado:

= Ti + k²(K\ - K'₂) ou τ₂ = + 1<²(k'j - k'₂) . ....._(A7) [0060] O fator de desaceleração para a estrutura pode ser determinado com o uso de Verbitskii (1980):

xd a = —

2π , θ b=^.

2π [0061] Então, o fator de desaceleração é definido como:

N = i - <p(b)f(6) + _Kr/^C^~D^a)P K1 b ^{7 v J} b[(a-b)P+a+b] (_Ag) em que P = [(1 - θ)¹”⁶!! + θ)^’]²⁶ /(β) = 21η(4Θ) + i^ln(l - θ) - 2±2]η(1 + 0) = ψ(1 + b) + ψ(1 - b) + 2γ

V * = constante de Euler = 0,5772...

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19/37 ψ(ζ) = é a função digamma [0062] O campo elétrico longitudinal é definido como:

E_z = E_oej^(0Jt-P^z)-e-^TXk (A9)

Observação: não há variação do campo E na direção y, isto é, através da estrutura de ondas lentas.

[0063] Usando V E = 2 = o; supondo nenhuma carga livre no campo:

5E_X . dE_v 5E_{Z o} —- H--- H--- = 0 dx dy dz . dE_x _ _dE_z ___3 p Μ(ωΙ-βζ) , _ρ-τχ dx dz dz ⁰ = ]βΕ_οθ’^(ω1“β^ ·θ“^τχ ·· E_x = ]βΕ_οε^^ω1 f e ^τχ dx

r-r ii 5E

V x Η = ε — at (A10)

Usando dH_z _ dH_y\ Z<?H_X _ flU /<?H_y _ c>H_x\ £ _{= £} 3E dy dz ) \ dz dx) \ dx dy / dt [0064] Resolvendo para direções de coordenadas separadas:

/dHy dH_x\ f. _ ^J r ΚωΙ-βζί -τχβ, lâx dy ) ^K “ ^LG>t °^{e 6 K} [0065] A partir do estudo de Mentzer e Peters (1976) de uma antena corneta corrugada; H_x = 0 . dHy _ d „ θΚωΙ-βζ) . θ-τχ dx dt ⁰

- = )ωεΕ_οθ^^ωΐ e ^τχ

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20/37 [0066] Isso leva a:

H_y = ]ωεΕ_οΘ^^ωί-β^ζ) J e^-TX dx

H_v = -jB£_{E β})(ωΙ-βζ).θ-τχ ^{y τ} .....(All) [0067] A partir do teorema de Poynting:

Pz(^x) ⁼ |ε_χ·η· _n A/i - ^{1 ωε}Ρ _r2 jzfat-Bzt ρ^-2ίχ

PzW - _{2 τ2} E_oe e ....._(A12) [0068] A potência total no campo é de:

p ₌ g2_ej2(ojt-βζ) . f⁰⁰ θ-2tx . j_x. J^L. jy ¹ 2 τ^{2 u J}0 ^J0 ^J p _ ίωε_οκ/β ^{T 4 τ3} ° .....(A13)

Portanto,

E _ I 4τ³Ρ_Τ

,...(A14)

Observação: o campo em um guia de onda é:

_E _ ΜηΡ_τ

S ab

Em que a e b são as dimensões do guia de onda (m).

ι-(ί°Ϋ

Λ \2ã/

Portanto, [0069] A razão entre o campo na estrutura de ondas lentas e o campo em

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21/37 um guia de onda é:

Eo

T³ab |l-(^-V \ \2a/ η_οίωε_οκ/β [0070] Em um material com perdas, também há absorção de campo longitudinal (Brodie 2008) nos meios dielétricos:

.·. E_z = E_oe^jCüJt“P^z) e^-TX e“^ttZk (A15)

Em que

[0071] Agora a elevação de temperatura em um material com perdas é:

— T(x,z) = ^ωε°^κ ^Ε°² _e~2TX dt ' ⁷ pC ou £_Tf_x z) = ^4τ3κ'^ρτ . θ-2τχ dt¹'·*’²-' Ιβκ/pC θ (A16) (A17) [0072] Em que p é a densidade de material (kg m'³) e C é a capacidade térmica do material (J kg¹ K¹).

. _, _λ ωε₀κΕ_ο ²·ε ^2τχ _Γξ , ^Τ(χ'^{ζ) =}----------Jo ^d

Τ(χ,ζ) = ^ω£°^^Ε°² ξ _e-^2TX + Tj ^τ(^χ’^ζ)=£>θ·^2τχ+τι [0073] Se ο sistema estiver em movimento, então, a equação (A12) pode ser modificada para se tornar:

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22/37 d __z x dz ωε_οκΕ² — Ίϊχ,ζ)· —= dz ^{v 7} dt pc e“^2TX dz — = V, [0074] Agora, ^dt que é velocidade longitudinal do sistema, portanto:

ωε_οκΕ²pCv e“^2TX ou

T(x,z) = ωε_οκ'Έ²pCv e^-2TX f^La dz

Em que L_a é o comprimento do aplicador. Portanto:

T(x, z) = ^ωε°^{κ E2} L_a e~^{2TX v 7} 2apCv ^a [0075] Isso também pode ser descrito como:

_Tfx ,·) ₌ ^2τ3κ ^ρτ . I . θ-2τχ ^íkX,Z) «νΙ.βκ/pC ^{La e} (A19) (A20)

EXEMPLOS [0076] Dois aplicadores de ondas lentas que operam a 2,45 GHz, de acordo com a modalidade descrita acima, com referência às Figuras 1 a 3, foram projetados e fabricados para teste. Um tem uma estrutura tipo pente com uma profundidade de sulco de d = 6 mm e o outro tem uma profundidade de sulco de d = 13 mm. A versão d = 6 mm tem uma constante de dispersão menor do que a versão de 13 mm, permitindo que o campo de micro-ondas resultante do primeiro se estenda ainda mais a partir da superfície da estrutura. Considera-se que isso possa ser útil para aquecer a camada superior, por exemplo, solo, bem como quaisquer plantas que cresçam acima da superfície do solo. A versão d = mm deve confinar os campos de micro-ondas de modo muito próximo à superfície da estrutura, então, pode ser mais adequada para, por exemplo, tratar rapidamente plantas em crescimento com muito pouca penetração de campo

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23/37 no solo. Em outra modalidade (não mostrada), uma profundidade de sulco de d = 26 mm é utilizada.

[0077] As Figuras 10A e 10B comparam as distribuições calculadas de aumento de temperatura de uma antena corneta dos antecedentes da técnica (Figura 10A) e um aplicador de ondas lentas, de acordo com essa modalidade (Figura 10B) quando alimentados com 55,5 kJ de energia de micro-ondas, que é esperada ser suficiente para que o aplicador de ondas lentas trate um volume moderado de solo o suficiente para exterminar sementes de ervas daninhas. Nessas figuras, o eixo vertical é a profundidade de solo D_s (mm). Na Figura 10A, os eixos horizontais são as distâncias D_x (mm) e D_y (mm), a partir da linha central da corneta. Na Figura 10B, os eixos horizontais são as distâncias D_x (mm) ao longo e D_y (mm) através do aplicador, respectivamente.

[0078] A entrega de 55,5 kJ de energia de micro-ondas através de uma antena corneta, será observado que, eleva a temperatura de solo entre 30 °C e 33 °C, que é esperado não ter efeito na viabilidade das sementes. De fato, os cálculos revelam que 240 kJ de energia de micro-ondas seriam necessários da antena corneta para atingir o mesmo nível de tratamento de solo obtido com o aplicador de ondas lentas e suficiente para exterminar as sementes de ervas daninhas. Desse modo, o aplicador de ondas lentas fornece um aperfeiçoamento de aproximadamente quatro vezes na eficácia de tratamento de solo por microondas, em comparação a um arranjo de antena corneta.

[0079] O recurso interessante do aplicador de ondas lentas é a exigência de energia total para obter um bom controle de ervas daninhas. Por exemplo, foi necessário um tratamento de 20 s com o uso de uma fonte de micro-ondas de 700 W para entregar a densidade de energia exigida de 500 J cm^-2 necessária para exterminar as plantas anuais de azevém, enquanto o sistema de antena corneta exigia 120 s de uma fonte de micro-ondas de 2 kW para entregar a

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24/37 mesma densidade de energia ao nível do solo.

[0080] Economias de energia total similar também foram evidentes para outras espécies (incluindo rabanete selvagem, aveia selvagem, azevém anual, azevém perene, capim-arroz,//eabane, feathertop, capim-arroz e capim-bromo) testadas nesses experimentos. Em termos de exigências totais de energia de micro-ondas, o aplicador de ondas lentas é mais eficaz no tratamento de plantas daninhas, exigindo apenas cerca de 2 a 6% da energia total necessária do sistema de antena corneta.

[0081] O aplicador de ondas lentas desses exemplos, parece fornecer, desse modo, uma opção útil para um herbicida para sistemas agrícolas e ambientais, com eficácia aperfeiçoada de tratamento de solo e planta por microondas por um fator de cerca de 4 e 17, respectivamente.

[0082] As Figuras 11 e 12 são vistas esquemáticas, comparáveis àquelas da Figura 3, de um guia de onda de micro-ondas e aplicador de micro-ondas de ondas lentas, de acordo com duas modalidades da presente invenção, construídos principalmente de alumínio para sua leveza, mas com porcas e parafusos de aço que fixam as várias porções desses elementos em conjunto. Outros metais podem ser empregados em vez de alumínio (tal como aço inoxidável ou bronze), contanto que possam atuar, conforme exigido, como um guia de onda de micro-ondas. Se for empregado um material mais pesado, o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 pode ser implantado ou dotado de apoio adicional na extremidade distai de aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, tal como um cavalete ou uma polia tensora.

[0083] A Figura 11 é uma vista esquemática de guia de onda de micro-ondas 16 e aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 da modalidade das Figuras 1 a 3, com uma profundidade de sulco de d = 6 mm, enquanto a Figura 12 é uma vista esquemática de um aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18' com o

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25/37 guia de onda de micro-ondas 16 de uma modalidade similar, mas com uma profundidade de sulco de d = 13 mm.

[0084] Conforme mostrado esquematicamente em elevação na Figura 13 (com a estrutura de ondas lentas 20 omitida), cada um dentre os aplicadores de micro-ondas de ondas lentas 18, 18' compreende um alojamento de aplicador 52 e um conduto de micro-ondas de transição angulado 54, que é dotado de um flange 56 para prender o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, 18' ao guia de onda de micro-ondas 16.

[0085] As Figuras 14 a 16 são vistas adicionais de aplicadores de microondas de ondas lentas 18, 18', sendo uma vista inferior, uma vista ortográfica superior e uma vista ortográfica inferior, respectivamente (com a estrutura de ondas lentas 20 novamente omitida). A Figura 17 é uma vista ortográfica inferior esquemática de alojamento de aplicador 52.

[0086] As Figuras 18A a 18C são vistas superior, em corte transversal e inferior, respectivamente, de uma porção de transição 60 de aplicadores de micro-ondas de ondas lentas 18, 18'; essa porção 60 é uma parte chave da transição entre o conduto de micro-ondas de transição angulado 54 e o alojamento de aplicador 52/estrutura de ondas lentas 20. A porção de transição 60 translada o campo elétrico de micro-ondas de uma orientação essencialmente vertical na porção distal do conduto de micro-ondas de transição 54 em uma orientação essencialmente horizontal na estrutura de ondas lentas

20. Essa translação fasorial é feita em conjunto com a seção cônica inicial da estrutura de ondas lentas 20. As três pontas 62, evidentes nas Figuras 18A e 18C são adaptadas para tornar essa translação menos abrupta, reduzindo a incompatibilidade de impedância que ocorre durante essa alteração de orientação de campo, e que poderia criar, de outra forma, reflexões que reduziríam a transferência de energia do conduto de micro-ondas de transição

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26/37 para a estrutura de ondas lentas 20.

[0087] A Figura 19A é uma elevação esquemática de estrutura de ondas lentas 20 de aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 (isto é, com profundidade de sulco de d = 6 mm), incluindo sulcos 68 e furos 70 para prender a estrutura de ondas lentas 20 ao alojamento de aplicador 52, enquanto a Figura 19B é uma elevação esquemática do aplicador 20' de aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18' (isto é, com profundidade de sulco de d = 13 mm) incluindo sulcos 68' e furos 70' para prender a estrutura de ondas lentas 20' ao alojamento de aplicador 52. Nessas vistas, a extremidade à direita da estrutura de ondas lentas 20 está localizada, no aplicador de micro-ondas de ondas lentas montado 18,18', na extremidade proximal do alojamento de aplicador 52. O comprimento geral da estrutura de ondas lentas 20 dessa modalidade é de aproximadamente 356 mm, sua largura é de 100 mm, e sua altura é de 16 mm. O comprimento pode ser variado até certo ponto; este pode ser, por exemplo, encurtado com uma perda diminuta de eficiência (visto que a maior parte da energia de microondas é absorvida antes da extremidade distai da estrutura de ondas lentas). A largura da estrutura de ondas lentas 20, no entanto, é selecionada de modo a ser aproximadamente metade do comprimento de onda da radiação de microondas, então, é uma dimensão mais crítica. No entanto, espera-se que algum afastamento em largura de metade do comprimento de onda continue a produzir modalidades viáveis. Por exemplo, um pequeno aumento na largura ainda deve funcionar, mas o modo de micro-ondas pode mudar de modo que, em vez de apenas um pico de energia através do aplicador, possa haver dois.

[0088] A Figura 20A é uma vista ortográfica inferior de estrutura de ondas lentas 20 de aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, enquanto a Figura 20B é uma vista ortográfica inferior da estrutura de ondas lentas 20' de aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18'.

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27/37 [0089] O guia de onda de micro-ondas 16 compreende uma seção de dobra acoplável à fonte de energia de micro-ondas 14, e uma seção de transição acoplada à seção de dobra e acoplável ao aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, 18'. A Figura 21A é uma vista ortográfica inferior de seção de dobra 80, enquanto a Figura 21B é uma elevação esquemática de seção de dobra 80. A seção de dobra 80 inclui um primeiro flange 82 para acoplar a seção de dobra 80 à fonte de energia de micro-ondas 14, e um segundo flange 84 para acoplar a seção de dobra 80 na seção de transição 90.

[0090] A Figura 22A é uma vista ortográfica de seção de transição 90, e a Figura 22B é uma vista plana esquemática de seção de transição 90. A seção de transição 90 inclui um primeiro flange 92 para acoplar a seção de transição 90 na seção e dobra 80, e um segundo flange 94 para acoplar a seção de transição 90 no aplicador de micro-ondas 18, 18'.

[0091] Durante o uso, o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 é posicionado próximo ao material a ser irradiado (por exemplo, solo), mas uma vantagem do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 sobre um dispositivo de antena corneta é que o mesmo tem uma profundidade de penetração de 2 a 3 cm e não irradia com intensidade significativa em distâncias maiores. Portanto, um operador pode se aproximar, de modo seguro, (talvez inadvertidamente) da estrutura de ondas lentas 20 durante o uso, em uma aplicação típica do tipo descrito acima, até 10 cm - enquanto não seria, em geral, seguro aproximar-se de um dispositivo de antena corneta comparável durante o uso, com uma profundidade de penetração de cerca de 10 cm, dentro de cerca de 2 m.

[0092] O aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 também deve ser utilizável em condições climáticas mais típicas, embora sua profundidade de penetração seja reduzida em solo úmido. Esse efeito pode ser compensado, em

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28/37 alguns casos, aumentando-se a emissão de energia.

[0093] Considera-se que, em aplicações típicas, uma combinação adequada de potência de saída e velocidade de passagem sobre o material a ser tratado (por exemplo, solo, carga, etc.) seria estabelecida de modo que o efeito desejado fosse atingido em uma única passagem. Opcionalmente, a temperatura do material tratado pode ser monitorada monitorando-se a temperatura na qual o material é elevado. A temperatura pode ser, então, usada como uma base para variar a potência de saída e/ou a velocidade até que a temperatura desejada seja obtida. Isso pode ser feito acoplando-se a saída de um termômetro digital (por exemplo, em contato com o material ou sensível à radiação infravermelha emitida pelo material) à fonte de energia de micro-ondas 14 e/ou a um acionamento que controla a velocidade com que o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 e o material se movem um em relação ao outro, de modo que o feedback leve rapidamente à temperatura desejada que está sendo produzida no material tratado.

[0094] Em uma variação (não mostrada), o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, 18' é coberto por cerâmica, vidro ou outros materiais para a proteção mecânica do aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, 18' durante o uso contra danos de solo. Adicionalmente, tal cobertura pode fornecer uma melhor correspondência de impedância do aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, 18' com o solo.

[0095] De acordo com outra modalidade da presente invenção, é fornecido um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas, mostrado esquematicamente em 100 na Figura 23 (embora com o seu gerador elétrico e fonte ou fontes de energia de micro-ondas omitidas por simplicidade). O aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 100 é, na maior parte dos aspectos, idêntico ao aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 da

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Figura 1, e também se destina principalmente a exterminar ervas daninhas, etc. 0 mesmo também pode ser empregado, no entanto, de maneira diversa na qual o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 e suas variantes são implantados.

[0096] O aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 100 inclui, portanto, um guia de onda de micro-ondas 116 e um aplicador de micro-ondas 118. O aplicador de micro-ondas 118 inclui um alojamento de aplicador 152 e um conduto de micro-ondas de transição angulado 154, que é dotado de um flange 156 para prender o aplicador de micro-ondas 118 ao guia de onda de micro-ondas 116. No entanto, nessa modalidade, o aplicador de micro-ondas 118 inclui um ressonador dielétrico que compreende um bloco de cerâmica à base de alumina 120 (com uma constante dielétrica de 9 e uma tangente de perda de 0,0006). Outros materiais, tais como vidro (por exemplo, vidro de silica fundido), Teflon (marca registrada) ou mica, podem ser empregados de modo alternativo em vez desse ou outras cerâmicas, desde que possam atuar como um ressonador dielétrico adequado. De fato, considera-se que os materiais dielétricos com uma tangente de perda igual ou inferior àquela de alumina (incluindo polietileno, polipropileno, CPE, poliestireno, nitreto de boro, safira, óxido de magnésio, óxido de berílio e poliestireno reticulado) sejam adequados.

[0097] Além disso, o material deve ter, de preferência, resiliência física suficiente, tal como para suportar a colisão no campo (se destinado para tal aplicação).

[0098] Conforme mostrado, similar à modalidade que compreende um aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18, a presente modalidade emite energia de micro-ondas a partir de uma face substancialmente plana. Conforme pode ser visto, o guia de onda 116 direciona energia de micro-ondas para o ressonador dielétrico em um ângulo substancialmente perpendicular à direção

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30/37 na qual a energia de micro-ondas é emitida a partir do ressonador dielétrico.

[0099] As Figuras 24A a 24C são vistas em elevação, plana e isométrica, respectivamente, do bloco de cerâmica 120 do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 100 da Figura 23. O bloco de cerâmica 120 é dimensionado de modo que possa ser acomodado pelo alojamento de aplicador 52 do aparelho 10 da Figura 1, mas isso é por conveniência: outras dimensões são possíveis.

[00100] O aplicador de micro-ondas 118, em virtude do bloco de cerâmica 120, também fornece um campo de micro-ondas que decai exponencialmente em uma direção afastada de sua face de emissão de energia de micro-ondas direcionada para baixo 119. O mesmo faz isso atuando-se como um ressonador dielétrico no qual campos de micro-ondas evanescentes são criados por campos de micro-ondas refletidos internamente e, desse modo, podem ser descritos como um aplicador de micro-ondas de reflexão interna total frustrada.

[00101] Os campos evanescentes se estendem pela maior parte do comprimento e da largura do aplicador e decaem exponencialmente abaixo da superfície de aplicador, ou seja, a face de emissão de energia de micro-ondas 119. Isso minimiza a profundidade de aquecimento de micro-ondas no solo, reduzindo, portanto, as exigências de energia - nessa modalidade - para aquecer e, desse modo, exterminar as ervas daninhas. Isso maximiza a eficiência de tratamento.

[00102] Sem desejar se ater à teoria, a operação de modalidades baseadas em um material dielétrico — conforme mais bem entendido — se dá conforme a seguir. Com referência à Figura 25, quando uma onda é transmitida ao longo de um material dielétrico eletricamente denso de modo que o campo seja incidente em uma interface com um material eletricamente menos denso. Parte do campo será refletida e parte do campo será transmitida.

[00103] Nesse caso, o campo transmitido pode ser descrito por:

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31/37

E_t = E_oe^Kk,xt(Bl) [00104] No segundo meio:

x_t — x sin 3_t + z cos 0_t (B2) [00105] Agora:

cos Θ, = y/1 — sin²0_t (B3) sin Θ, = — sin Θ;

n₂ (B4) em que ni e n2 são os índices refrativos dos dois meios.

[00106] No caso em que /?i » n2, é possível não haver nenhuma onda transmitida (isto é, 6_t > ).

[00107] O ângulo crítico de incidente (0_c) ocorre quando:

_n . —1 f n 2 . . —1 íⁿz\

6_C = sin —sm-) = sin —)

.....(B5) [00108] No caso de uma interface entre ar e um bloco dielétrico de alumina, a constante dielétrica n2 é de cerca de 9,8. A constante dielétrica de ar ni é 1,0; portanto, 6_C = sirr¹ =48,6°. Portanto, se os campos de micro-ondas percorrerem ao longo do meio (tal como um bloco de cerâmica) com um ângulo incidente de mais do que 18,6°, deve haver a reflexão interna total dos campos e o bloco de cerâmica atuará como um ressonador dielétrico para os campos.

[00109] É ainda possível para sin 0_t > 1.0, cujo caso a equação (B3) se torna:

cos0_t = y/sin²0₍ — 1 (B6) [00110] Substituindo pela equação (Bl), isso gera:

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32/37 (B7) [00111] Isso pode ser rearranjado para gerar:

/7-/7 z>-zfcrJsin²é>_t-l . „ j(xkr sin0_t-íüt) ^e .....(_B8) [00112] Essa equação descreve um campo exponencialmente decadente na direção z que propaga ao longo da superfície de interface na direção x, de acordo com a equação de onda: _ej(xk/ sinO_t-GJt)

Nesse caso:

^c .....(B9) em que, ω é a frequência angular da onda (s’¹) e c é a velocidade de luz (m s’¹), [00113] Usando as equações (B4) e (B9), a equação (B8) pode ser reescrita para se tornar:

c — c ₄,-zfc₁/ⁿi^2siⁿ²^í^-n2² . rjCxfcTii sin0í-újt) ^{- e} .....(B10) em que, k =-. c [00114] Em um material não magnético, o índice refrativo do material é /---- Ej em que ⁿi — v^Kí> ^kj = —.

[00115] No caso de um ressonador dielétrico, haverá uma onda estacionária gerada dentro do bloco de cerâmica. Portanto, o campo pode ser descrito por:

j—, j—, _γΐτ /γί 2 οι γη 2 /3 ,_γ) 2 , ί i-TTVÁ f ΊΊΈ7ΤΖ'\ , ^'ΪΙΤΐΧ'\ _

E_t = E_oe ^ζ1^^ηι ^sm η₂ . sin — I sin ---I sin ---|-e ^}ωί ^τ ° \ a J \ b J \ c J (Bll) em que I, m e n são números inteiros e a, b e c são as dimensões do bloco dielétrico (m) nas dimensões lateral, vertical e longitudinal do ressonador de cerâmica.

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33/37 [00116] O bloco de cerâmica à base de alumina da modalidade descrita acima tem κ = 9,8, a = 140 mm, b = 13 mm e c = 355 mm) e é eletricamente grande o suficiente para suportar múltiplos modos de campo durante sua ressonância. Por exemplo, a Figura 26 é um diagrama de contorno para a distribuição de campo elétrico no bloco de cerâmica 120, quando a energia de micro-ondas está sendo alimentada no bloco da esquerda para a direita (na vista da Figura 23), para a combinação do modo TE308 (1= 3, m =0 e n = 8) e do modo TE106 (1= 1, m = 0 e n = 6). Isso se compara favoravelmente com a distribuição de temperatura observada quando o aplicador foi usado para aquecer madeira compensada, embora deva ser observado que, no experimento com madeira compensada, o campo de micro-ondas foi alimentado no bloco de cerâmica 12 da direita para a esquerda e é provável que esteja suportando mais de 2 modos simultaneamente.

[00117] O coeficiente de reflexão da interface na Figura 25 é:

TteCostM+r^Cosíei) (_B12)

Ocorre que:

_ 27]₂Cos(g_f) η₂(^05(θϊ)+η_±(:0Ξ(θι) [00118] Considerando não condutores não magnéticos, 21 = 2² então: η₂ ^CosÇdt) - CostPi) p _ ⁿ2_____________ ^Cos(e_t)+ Cos(0i) ^nz .....(B14) [00119] Dependendo dos valores relativos de /?i e /?2, o sinal da onda refletida pode ser positivo ou negativo. A alteração de sinal corresponde a uma alteração de fase de π entre as ondas incidente e refletida. A onda transmitida está sempre em fase com a onda incidente.

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34/37 n₁ _ Sin(9j) [00120] A partir da lei de Snell ~ — _Sj_n(Q ) , a equação (B14) pode ser reescrita como:

Γ _ sín(S_t) ^Cos^t) ~ Cos(Oí) sin(fií) Cos(&r) - Sin(Q_t)Cos(9i) _ Tan(0f-0_t) ^sln^ò _Cos(q )+ cosíei Sin^i) Cos(0_t) - Sin(e_t)Cos(0i) Ταη(θ[+ 0_t) ^5ι,ι(θ<> ¹ .....(B15) [00121] Embora seja somente possível que o numerador da equação (B13) seja zero, quando /?i =/?2, a equação também pode se igualar a zero quando tan(6i + 0_t) — °°,q_Ue ocorre quando^^{1 + 2}'. Essa condição resulta na transmissão total da onda polarizada incidente através da interface de material e o ângulo incidente é denominado ângulo de Brewster (Θβ). O ângulo de Brewster pode ser determinado utilizando-se:

Θ_Β = tarT¹ (—)

.....(B16) [00122] No caso de uma interface entre ar e um bloco dielétrico de alumina, a constante dielétrica m é cerca de 9,8. A constante dielétrica de ar /?i é 1,0; portanto, θ_Β = tem^-1 (jy) = 72.3^o.Consequentemente, o chanfro de 72° na face incidente 122 do bloco de cerâmica 120 deve fornecer transferência de energia ideal ao aplicador.

EXEMPLOS [00123] As imagens térmicas foram adquiridas para testar o efeito de aquecimento por micro-ondas de um aplicador de micro-ondas construído de acordo com o aplicador de micro-ondas 118 da modalidade da Figura 23. Inicialmente, o aplicador de micro-ondas 118 estava disposto para estar 30 mm acima de um pedaço de madeira compensada para a determinação de sua distribuição de campo de micro-ondas normal: a Figura 27 é uma imagem térmica da madeira compensada quando aquecida com o uso do aplicador de

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35/37 micro-ondas 118. O padrão de aquecimento é mais claramente revelado pela análise de contorno da imagem térmica: a Figura 28 é um mapa de contorno térmico da imagem térmica da Figura 27. Esse experimento representa o comportamento mais provável do aplicador, visto que a madeira compensada estava seca e tinha uma superfície lisa.

[00124] Quando o aplicador de micro-ondas 118 estava pairado sobre a terra, verificou-se que o padrão de aquecimento era de algum modo similar àquele ilustrado na Figura 27. No experimento realizado para explorar essa situação, bandejas de plantio de azevém foram usadas como um teste e o aplicador foi disposto cerca de 30 mm acima da superfície do solo nas bandejas. A Figura 29 é uma imagem térmica do padrão de aquecimento resultante do solo quando aquecido com o uso do aplicador de micro-ondas 118; o padrão de aquecimento é relativamente uniforme, conforme ilustrado tanto na imagem térmica (Figura 29) quanto na análise de contorno térmico correspondente (consulte a Figura 30).

[00125] Quando o aplicador de micro-ondas 118 é colocado sobre a superfície da terra (tal como para tratar ervas daninhas), os campos evanescentes são absorvidos, então, o padrão de aquecimento é modificado. Os resultados de tal teste são mostrados na imagem térmica do padrão de aquecimento resultante da Figura 31 e da análise de contorno térmico correspondente (consulte a Figura 32).

[00126] Em todos os casos, a temperatura de solo alcançou 50 a 65 °C, o que é suficiente para exterminar plantas e algumas sementes na camada superficial do solo. A combinação de energia de micro-ondas e energia absorvida a partir do solo e ervas daninhas aquecidas também aquece suavemente o bloco de cerâmica 120: consulte a imagem térmica do padrão de aquecimento resultante do bloco de cerâmica 120 (Figura 33) após cerca de 40 minutos de

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36/37 operação e a análise de contorno térmico correspondente (Figura 34). Isso também contribuirá com uma pequena quantidade de aquecimento infravermelho no solo, o que deve auxiliar no extermínio de ervas daninhas, etc.

[00127] Em uma modalidade, conforme mostrado na Figura 35, o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 inclui um refletor 61 posicionado tal como para refletir a radiação de micro-ondas emitida a partir do aplicador de micro-ondas 18 ou 118 (por exemplo, um aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18 ou um ressonador dielétrico 118) — a figura mostra o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 com o aplicador de micro-ondas de ondas lentas 18. O refletor 61 é localizado de modo oposto à abertura de emissão do aplicador de micro-ondas 18 e é configurado de modo a se mover através do terreno que é irradiado (por exemplo, através do solo). O espaçamento entre o refletor 61 e o aplicador de micro-ondas 18 é suficiente para permitir a irradiação de uma profundidade exigida (por exemplo, do solo).

[00128] Em um exemplo da modalidade, na frequência de 922 MHz, a energia de micro-ondas penetra profundamente o solo (até 120 mm) sendo que os 30 mm superiores do solo absorvem aproximadamente 43 a 52% da energia aplicada. O refletor 61 atua para refletir a energia não absorvida, sendo que o solo absorve uma porção dessa energia refletida. Portanto, o refletor 61 pode aperfeiçoar, de maneira vantajosa, a eficiência de absorção de energia de microondas pelo solo.

[00129] Nas modalidades descritas acima, o aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10 é descrito, tipicamente, como portátil, montado — por exemplo — em uma plataforma móvel, tal como o veículo. Em outras aplicações, plataformas móveis diferentes podem ser adequadas — tais como um pórtico ou trole móvel. Ainda em outras aplicações, o material a ser tratado pode ser movido além do aparelho de aplicação de energia de micro-ondas 10,

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37/37 tal como em uma correia transportadora.

[00130] Será entendido pelas pessoas versadas na técnica da invenção que muitas modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, em uma variação às modalidades descritas no presente documento, o aplicador de micro-ondas é circundado por cortinas de tiras de metal, correntes ou escovas de arame (ou outros materiais) tecidas com inclusões de fibra de metal, a fim de reduzir o vazamento de micro-ondas.

[00131] Nas reivindicações a seguir e na descrição precedente da invenção, exceto quando o contexto exigir de outra forma devido à linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra compreender ou variações, tais como compreende ou que compreende é usada em um sentido inclusivo, isto é, para especificar a presença dos recursos estabelecidos, mas não para impedir a presença ou adição de recursos adicionais em várias modalidades da invenção.

[00132] Também será entendido que a referência a qualquer técnica anterior neste relatório descritivo não é, e não deve ser assumida como uma confirmação ou qualquer forma de sugestão de que a técnica anterior forma parte do conhecimento geral comum em qualquer país.

Claims

1. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende:

pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas configurada para gerar energia de micro-ondas;

pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas que compreende um ressonador dielétrico para direcionar energia de micro-ondas para o material a ser irradiado; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda, a partir da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas, para aplicação em um material a ser tratado.

2. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado na reivindicação 1, em que o ressonador dielétrico compreende uma cerâmica, vidro ou Teflon.

3. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende:

pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas que compreende um aplicador de micro-ondas de ondas lentas que tem sulcos dispostos em paralelo através de uma direção de propagação da energia de micro-ondas; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda a partir da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas para aplicação em um material a ser tratado.

4. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado na reivindicação 3, em que os sulcos têm uma profundidade de entre 6 e 26 mm.

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5. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado na reivindicação 4, em que os sulcos têm uma profundidade de entre 6 e 13 mm.

6. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado na reivindicação 4, em que os sulcos têm uma profundidade entre 13 e 26 mm.

7. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 3 a 6, em que os sulcos são perpendiculares à direção de propagação da energia de micro-ondas.

8. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 3 a 7, em que os sulcos são mutuamente espaçados substancialmente equidistantes.

9. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas para irradiar um material, que compreende:

pelo menos um aplicador de micro-ondas que tem uma face de emissão de energia de micro-ondas para emitir energia de micro-ondas; e uma energia de micro-ondas de acoplamento com guia de onda a partir da fonte de energia de micro-ondas para o aplicador de micro-ondas para aplicação em um material a ser tratado, em que a energia de micro-ondas é emitida do aplicador de micro-ondas em uma direção substancialmente perpendicular à direção na qual a energia de micro-ondas entra no aplicador de micro-ondas a partir do guia de onda.

10. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a fonte de energia de micro-ondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com uma frequência de aproximadamente 2,45 GHz.

11. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado

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3/4 em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que a fonte de energia de microondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com uma frequência de aproximadamente 860 MHz a 960 MHz.

12. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, em que a fonte de energia de microondas é configurada para emitir energia de micro-ondas com uma frequência de aproximadamente 5,8 GHz.

13. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a face de emissão de energia de micro-ondas é plana.

14. Um aparelho de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, que compreende adicionalmente um refletor localizado para refletir energia de micro-ondas emitida a partir da face de emissão de energia de micro-ondas, de modo que o material se mova entre o refletor e a face de emissão de energia de micro-ondas.

15. Um dispositivo de extermínio de erva daninha, parasita, bactérias, fungos, esporo ou semente, que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.

16. Um dispositivo de esterilização, condicionamento ou nitrificação de solo, que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de microondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.

17. Um dispositivo de secagem, que compreende um ou mais aparelhos de aplicação de energia de micro-ondas como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.

18. Um método de aplicação de energia de micro-ondas, que compreende: fornecer energia de micro-ondas com pelo menos uma fonte de energia de

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receber a energia de micro-ondas da fonte de energia de micro-ondas com pelo menos um aplicador de micro-ondas; e aplicar a energia de micro-ondas com o aplicador de micro-ondas em um material a ser tratado;

19. Um método de aplicação de energia de micro-ondas, que compreende: fornecer energia de micro-ondas com pelo menos uma fonte de energia de micro-ondas;

em que a energia de micro-ondas é emitida a partir do aplicador de microondas em uma direção substancialmente perpendicular à direção na qual a energia de micro-ondas entra no aplicador de micro-ondas a partir do guia de onda.

20. Um método como reivindicado em qualquer uma das reivindicações 18 e 19, em que o material a ser tratado compreende ervas daninhas, parasitas, bactérias, fungos, esporos, sementes ou solo.