王東東，黃　勤，閆建偉，唐倩倩

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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波導(dǎo)布置方式對(duì)矩形微波加熱腔電場(chǎng)的影響*

王東東，黃勤，閆建偉，唐倩倩

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：在采用多個(gè)小功率磁控管和波導(dǎo)管組合的大功率微波殺青設(shè)備的設(shè)計(jì)中，微波加熱裝置是微波殺青設(shè)備的核心內(nèi)容，直接影響茶葉殺青的效果。為了獲得被加熱介質(zhì)的熱均勻性，利用HFSS電磁仿真分析軟件，對(duì)微波加熱腔中波導(dǎo)管在不同布置方式下加熱腔內(nèi)的電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析，研究波導(dǎo)管不同布置方式對(duì)加熱腔內(nèi)電場(chǎng)均勻性的影響，結(jié)果表明相鄰波導(dǎo)垂直布置時(shí)能獲得更好的電場(chǎng)均布，更有利于介質(zhì)的均勻加熱，為大功率微波加熱裝置的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微波加熱腔電場(chǎng)波導(dǎo)

0引言

殺青是綠茶的初制工序之一，不同的殺青方法直接影響茶葉的品質(zhì)。在殺青工藝中，利用微波加熱與傳統(tǒng)加熱方法相比具有速度快、效率高、效果好、有利于提高茶葉的整體品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的工藝技術(shù)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。微波殺青設(shè)備中，大功率微波裝置是其核心部件，而配對(duì)的磁控管和波導(dǎo)管是微波裝置的重要組成部分。由于小功率磁控管相對(duì)大功率磁控管具有成本低，失效后易更換，對(duì)電源配備要求低等特點(diǎn)，因此在大功率微波加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)中采用多個(gè)小功率磁控管的組合代替大功率磁控管具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外有很多研究者對(duì)微波加熱裝置進(jìn)行了研究。如顧小衛(wèi)、蒙林等通過仿真得到了微波反射系數(shù)和相位圖，并于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)值比較，證明了仿真結(jié)果的可靠性[1]；Sung Yi，Lie Liu驗(yàn)證了腔體中激勵(lì)的諧振頻率越多場(chǎng)分布越均勻[2]；Yi Huang，Xu Zhu對(duì)規(guī)則矩形諧振腔內(nèi)場(chǎng)分布作了研究[3]等。為了合理設(shè)計(jì)制茶微波加熱設(shè)備中波導(dǎo)管的布局，本文利用HFSS電磁仿真分析軟件，對(duì)波導(dǎo)管平行排列和垂直排列情況下微波加熱腔內(nèi)的電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究波導(dǎo)管不同布置方式對(duì)加熱腔內(nèi)電場(chǎng)均勻性的影響，為大功率微波裝置的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1矩形微波加熱腔分析模型的建立

矩形微波加熱腔可以看成由兩端短路的波導(dǎo)管封閉而成。微波經(jīng)過波導(dǎo)管傳輸?shù)角粌?nèi)，并在腔體內(nèi)部進(jìn)行反射，在腔內(nèi)形成多種工作“模式”。加熱腔內(nèi)的模式越多，電磁場(chǎng)的分布結(jié)構(gòu)就越多，腔內(nèi)的微波能分布也就越均勻。腔體尺寸的設(shè)計(jì)不僅取決于被加熱介質(zhì)的體積，而且還會(huì)影響腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布的均勻性和加熱效率。一般情況下，過大的加熱腔會(huì)降低微波的加熱效率，增加生產(chǎn)過程中的能耗。矩形微波加熱腔具有一般諧振腔的特點(diǎn)，其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)到幾千到幾萬，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中[4]。

由于波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)加熱腔內(nèi)的電場(chǎng)分布影響不大，所以在建模時(shí)只需確定波導(dǎo)的截面尺寸和安裝位置。根據(jù)被加熱介質(zhì)的體積和加熱效率確定矩形諧振腔的箱體尺寸為a=500 mm,b=400 mm,l=600 mm，波導(dǎo)平行排列時(shí)波端口中心坐標(biāo)為(250,178,400)和(250,422,400)，波導(dǎo)垂直排列時(shí)波端口中心坐標(biāo)為(250,178,400)和(250,422,400)，其幾何模型如圖1所示。箱體采用不銹鋼鋼板焊接而成，波導(dǎo)采用BJ-22型標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，其截面尺寸為109.2 mm×54.6 mm。

圖1　微波加熱腔模型圖

HFSS仿真軟件是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有仿真精度高、速度快、方便易用等優(yōu)點(diǎn)，是高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具[5]。采用HFSS軟件對(duì)圖1中不同波導(dǎo)布置方式下的加熱腔內(nèi)的場(chǎng)分布進(jìn)行模擬仿真。分析模型中包含不銹鋼和空氣兩種材料，材料屬性的設(shè)置采用HFSS軟件材料庫中默認(rèn)的材料常數(shù)，不銹鋼和空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0，不銹鋼的電導(dǎo)率為1.1×106西門子/米(Siemens/meter)；設(shè)置腔體為有限導(dǎo)體邊界(Finite Conductivity )，邊界導(dǎo)體材料設(shè)置為不銹鋼；采用HFSS軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，根據(jù)設(shè)置的誤差，自動(dòng)生成精確、有效的網(wǎng)格，完成分析對(duì)象的離散化；波端口的激勵(lì)頻率設(shè)置為2 450 MHz，單個(gè)微波源功率1 050 W；采用模式驅(qū)動(dòng)求解類型，收斂誤差設(shè)為0.02。

2仿真結(jié)果分析

由物理理論可知，介質(zhì)分子分為有極分子和無極分子兩種，有極分子的正、負(fù)電荷的中心不重合，其間有一段距離，可等效為一個(gè)電偶極子。在外電場(chǎng)的作用下，有極分子沿著外電場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化。當(dāng)外加電場(chǎng)是交變場(chǎng)時(shí)，有極分子的方向也隨電場(chǎng)方向的不斷變化而變化。在這個(gè)過程中，分子間的相互碰撞使電能轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，并最終轉(zhuǎn)化為熱能。因此，微波加熱腔中的電場(chǎng)分布將直接影響微波對(duì)腔內(nèi)介質(zhì)的加熱。

圖2為波導(dǎo)平行排列和垂直排列時(shí)加熱腔的電場(chǎng)矢量分布圖。從圖(a)可以看出波導(dǎo)平行排列，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為4.91×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為1.60×10-2V/m，其主要電場(chǎng)方向垂直于XZ平面；波導(dǎo)垂直排列，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為2.08×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為4.57×10-2V/m，主要電場(chǎng)方向垂直于XY平面。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)平行排列時(shí)，腔內(nèi)某些位置出現(xiàn)電場(chǎng)過大情況，電場(chǎng)分布不均勻；波導(dǎo)垂直排列時(shí)，雖然腔內(nèi)總體的電場(chǎng)強(qiáng)度稍弱，但電場(chǎng)分布更均勻。

圖2　電場(chǎng)矢量分布圖

在茶葉殺青過程中，茶葉平鋪在XY平面上，Z方向的厚度不大，故分析不同Z坐標(biāo)下各XY平面的電場(chǎng)分布。波導(dǎo)在平行和垂直兩種排列方式下，z坐標(biāo)z=0 mm、z=100 mm和z=200 mm時(shí)，XY平面的電場(chǎng)分布云圖分別如圖3和圖4所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)平行排列時(shí)，在z=0 mm平面內(nèi)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.54×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為2.02×10-2V/m，最大電場(chǎng)集中在一個(gè)環(huán)形區(qū)域，且與其他區(qū)域處電場(chǎng)強(qiáng)度相差較大。在z=100 mm平面內(nèi)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.74×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為1.38×10 V/m，最大電場(chǎng)強(qiáng)度集中在加熱腔中間一個(gè)很小區(qū)域。在z=200 mm平面內(nèi)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.93×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為0 V/m，單個(gè)電場(chǎng)分布小區(qū)域的面積較大，且小區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度相差也較大。

圖3　波導(dǎo)平行排列時(shí)XY平面上的電場(chǎng)分布圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)垂直排列時(shí)，在z=0 mm平面內(nèi)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.96×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為4.57×10-2V/m，單個(gè)小區(qū)域面積較小，電場(chǎng)分布較均勻。在z=100 mm平面上，最大電場(chǎng)強(qiáng)度1.43×104V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度1.43×10 V/m，電場(chǎng)分布情況與z=0 mm平面相似。在z=200 mm平面內(nèi)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度8.17×103V/m，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為0 V/m，電場(chǎng)分布均勻，但是總體電場(chǎng)強(qiáng)度較小。

圖4　波導(dǎo)垂直排列時(shí)XY平面上的電場(chǎng)分布圖

3結(jié)論

采用HFSS仿真軟件，對(duì)波導(dǎo)管平行排列和垂直排列時(shí)微波加熱腔內(nèi)的電場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬仿真分析，得出微波干涉對(duì)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布影響很大，相鄰的波導(dǎo)管平行排列時(shí)，其最大電場(chǎng)強(qiáng)度是垂直排列的兩倍左右，相鄰波導(dǎo)管采用垂直布置的方式可以減小波的干涉作用，提高加熱腔中電磁場(chǎng)分布的均勻性，有利于對(duì)加熱腔內(nèi)介質(zhì)的均勻加熱。在大功率工業(yè)微波設(shè)備的設(shè)計(jì)中，往往是多個(gè)波源和波導(dǎo)的匹配，這種情況下可以采用近垂直遠(yuǎn)平行的波導(dǎo)布置方式來獲得良好的加熱效果。微波加熱腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性與波導(dǎo)布置方式有關(guān)，合理的波源與波導(dǎo)管布置方式是獲得加熱腔內(nèi)均勻電場(chǎng)分布和介質(zhì)均勻加熱的前提。

參考文獻(xiàn)

[1]顧小衛(wèi),蒙林,孫宜琴,等. 微波爐爐腔內(nèi)電磁場(chǎng)仿真[J]. 電子器件,2008(03)803-806.

[2]Yi S, Liu L, Sin C K, et al. A study of microwave curing process for under fill used in flip chip packaging Part 2: 3D FEM simulation of microwave power distribution inside variable frequency microwave oven[C]//Advances in Electronic Materials and Packaging. IEEE,2001:29-33.

[3]Huang Y, Zhu X. Microwave oven field uniformity analysis[C]//2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium: Volume 3B.IEEE, 2005, 217 - 220.

[4]張洪欣,沈遠(yuǎn)茂,韓宇男. 電磁場(chǎng)與電磁波[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2013.

[5]曹善勇. Ansoft HFSS磁場(chǎng)分析與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

Influence of waveguide arrangement on the electric field in the rectangular microwave heating chamber

WANG Dongdong, HUANG Qin, YAN Jianwei, TANG Qianqian

Abstract:In the high-power microwave de-enzyming equipment consisting of multiple small-power magnetrons and waveguides, the microwave heating device is the core, and it influences the de-enzyming effect directly. In order to achieve thermal uniformity of the heated medium, we used the electromagnetic simulation software HFSS to carry out simulation analysis of the distribution of electric field in the microwave heating chamber under different waveguide arranging conditions, and studied the influence of different waveguide arrangements on the uniformity of the electric field in the heating chamber. The results showed that, vertical arrangement of adjacent waveguides could achieve better uniformity of the electric field, thus helped the uniform heating of the medium. This study provided theoretical basis for the design of high-power microwave heating devices.

Keywords：microwave; heating chamber; electric field; waveguide

收稿日期：2015-09-21

作者簡(jiǎn)介：王東東(1990-)，男，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代制造工藝及裝備的研究。

基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研基金項(xiàng)目“茶葉真空微波加工設(shè)備研究與應(yīng)用(貴大人基(2013)41號(hào))”。

中圖分類號(hào)：TS959.9；TN015

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0044-03