趙剛　劉慶凱　王筠

【摘 要】微波作為一種清潔能源，具有加熱速度快，整體加熱等特點(diǎn)，在材料高溫煅燒、食品干燥、廢水處理等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。但在加熱過程中，微波場中存在“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致物料受熱不均勻，出現(xiàn)板結(jié)、燒焦等現(xiàn)象，最終影響產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，微波加熱設(shè)備諧振腔內(nèi)微波場的均勻性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本研究根據(jù)微波場均勻性理論，求出在2450MHz頻率下矩形諧振腔的模式數(shù)，采用CST軟件模擬出微波場內(nèi)電場和磁場的矢量分布，為諧振腔的設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】微波加熱；微波場；均勻化；電場分布

物料作為電介質(zhì)，對微波都有吸收特性。微波作用于物質(zhì)分子，產(chǎn)生偶極轉(zhuǎn)向極化，頻率為2450MHz微波場中交變電場每秒變向2.45億次，偶極轉(zhuǎn)向極化達(dá)不到交變電場轉(zhuǎn)向速度而滯后于電場，導(dǎo)致物料內(nèi)部功率消耗，產(chǎn)生熱效應(yīng)[1]。在矩形波導(dǎo)諧振腔內(nèi)，入射波遇金屬腔壁反射，但入射波與反射波相遇疊加時(shí)能產(chǎn)生駐波現(xiàn)象。因此，微波場中有場強(qiáng)較強(qiáng)處，有場強(qiáng)為零處，單位容量物料內(nèi)消耗的微波功率與該處電場強(qiáng)度的平方成正比，如不采取措施，物料受熱極其不均勻[2]，電場較強(qiáng)處物料吸熱較多，升溫速度快，出現(xiàn)“過熱”現(xiàn)象。

微波均勻加熱常通過使用模式攪拌器，擾動駐波場，或?qū)⑽锪戏诺睫D(zhuǎn)盤上旋轉(zhuǎn)等措施實(shí)現(xiàn)。但這些方法不能從根本上實(shí)現(xiàn)微波場的均勻化?？赏ㄟ^多種頻率模式的電磁場分布迭加來提高電磁場分布的均勻性[3]，并對諧振腔內(nèi)電磁場分布進(jìn)行計(jì)算，獲得三維空間場強(qiáng)分布，可優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置饋口數(shù)量及位置，提高微波場均勻化。本文理論計(jì)算了一定頻率下矩形微波場中模式數(shù)，計(jì)算了一定模式下微波場分布，采用CST軟件模擬了一定負(fù)載，使用兩個(gè)斜喇叭口形狀饋口條件下，微波場內(nèi)電場和磁場矢量分布，為諧振腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

1 矩形諧振腔的模式計(jì)算

一個(gè)矩形諧振腔可以看做一段長度為l的矩形波導(dǎo)，其兩端用金屬板封閉。在矩形波導(dǎo)中，縱向?yàn)樾胁顟B(tài)，考慮到諧振腔兩端短路，將引起反射，反射行波與入射行波疊加形成駐波。矩形諧振腔具有無窮多個(gè)分離的震蕩模式，可以用TEmnp和TMmnp表示，每一個(gè)模式代表一種場的分布形式，下標(biāo)m、n、p分別表示在a、b、l上分布的半駐波波長個(gè)數(shù)。

假設(shè)在空間直角坐標(biāo)系中一個(gè)矩形諧振腔在x方向上的長度為a，y方向上的長度為b，z方向上的長度為l，則矩形諧振腔的諧振波長為：

對應(yīng)在自由空間中的諧振頻率為：

可見m、n、p不同，諧振腔就會有不同的諧振頻率，TEmnp和TMmnp的模式標(biāo)號m、n、p相同時(shí)，其諧振頻率相同，是簡并的。要注意的是，對于TEmnp模式，p不能為零，且m、n不能同時(shí)為零；而對于TMmnp模式，m、n都不能為零，但p可以為零。

令a= 460mm，b= 400mm，c= 400mm，則在2400MHz～2500MHz頻段內(nèi)，理論上該諧振腔至少可存在如表1模式：

表1 本例中諧振腔模式與諧振頻率對照表

雖然從表中可以看出，在2400MHz～2500MHz頻段內(nèi)，理論上可以存在非常多的模式，但是，受到饋口的模式限制，有相當(dāng)一部分模式并不會被激發(fā)。而且由于饋口的存在，腔體的邊界條件發(fā)生變化，也會使其所激發(fā)模式的諧振頻率發(fā)生偏移。

2 矩形諧振腔的場分布

以最接近2450MHz的TE306模式為例，模擬了微波場的分布（見圖1）：

現(xiàn)實(shí)情況，由于實(shí)際腔體中存在一些有耗媒質(zhì)，它們會吸收并散射一部分電磁波，腔體內(nèi)部的電磁波并不完全是駐波，而且在某些區(qū)域呈現(xiàn)明顯的行波特征，是行駐波。因此，實(shí)際腔體的場分布往往與理想的諧振腔的場分布相去甚遠(yuǎn)。

3 負(fù)載為水的仿真結(jié)果

將兩個(gè)饋口放置在爐腔的后面與左側(cè)面上，這樣可以減少兩個(gè)饋口之間的互耦。此外，兩個(gè)饋口均采用傾斜喇叭式的饋能結(jié)構(gòu)，這樣做可以避免腔板對饋口的直接反射。微調(diào)饋口位置與傾斜角度可以對駐波比產(chǎn)生影響。S參數(shù)隨頻率變化曲線見圖2。

圖1中紅色曲線表示各個(gè)頻率下1端口（左側(cè)面端口）接收到的所有回波（來源包括1和2兩個(gè)端口）與入射波的電壓比（用dB表示）；而綠色曲線則表示各個(gè)頻率下2端口（后面端口）接收到的所有回波與入射波的電壓比。這個(gè)數(shù)值越小則駐波比越小，當(dāng)這個(gè)數(shù)值小于-15dB時(shí)，對應(yīng)駐波比小于1.4，從仿真結(jié)果知，端口1的S參數(shù)在2450MHz時(shí)為-17.4dB，端口2為-13.9dB，綜合駐波比小于1.4。電場分布如圖3所示。

從仿真結(jié)果（圖3）可以看出，物料邊沿的微波場明顯偏強(qiáng)，這是由于邊沿處的曲率較大，屬于尖端，使得微波場在此處聚集，導(dǎo)料金屬管附近的微波場偏強(qiáng)的原因也是如此。但總體上，物料區(qū)域微波場分布相對均勻，物料可得到均勻加熱。

4 結(jié)語

通過軟件模擬獲得了矩形諧振腔內(nèi)的場分布情況，可以通過合理設(shè)置諧振腔微波口位置及數(shù)量，獲得均勻的微波場。采用兩個(gè)傾斜喇叭式的饋口結(jié)構(gòu)，可有效減少回波，兩個(gè)端口的綜合駐波比小于1.4。選取300mL水模擬了物料在諧振腔內(nèi)的電場分布，合理放置物料在諧振腔內(nèi)的位置，可獲得理想加熱效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Galema S A.Microwavechemical.Chemical Society Reviews，1997，26：233-238.

[2]朱建清，劉熒，柴舜連.電磁波原理與微波工程基礎(chǔ)[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[3]談浩.微波場均勻性設(shè)計(jì)及干燥過程數(shù)值模擬[D].云南：昆明理工大學(xué)，2009，10-17.

[責(zé)任編輯：王偉平]