楊欣昱 唐鈺佳

電子科技大學(xué) （四川成都 611731）

20世紀40年代基于軍事需求發(fā)明了微波發(fā)生器后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)微波可用于物料的反應(yīng)、加熱、干燥等方面，目前已在多個領(lǐng)域開展了相關(guān)研究與應(yīng)用，涉及多種物料狀態(tài)。微波處理方式已成為提高物料和產(chǎn)品指標的關(guān)鍵[1]。基于計算機仿真技術(shù)（CST）仿真軟件，完成了微波發(fā)生器、微波饋入單元、微波反應(yīng)器和微波屏蔽的電磁仿真設(shè)計，實現(xiàn)了對液態(tài)物料的處理并確保微波泄露值滿足相關(guān)標準要求。

1 相關(guān)背景

1.1 微波效應(yīng)概述

微波在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，可用于點對點通訊、無限網(wǎng)絡(luò)、雷達衛(wèi)星等通信系統(tǒng)[2]。此外，微波對物質(zhì)具有加熱效應(yīng)，人們利用其良好的加熱性發(fā)明了微波爐[3]。經(jīng)過半個世紀，食品微波爐已經(jīng)普及至千家萬戶。近年來，隨著微波化學(xué)效應(yīng)研究不斷取得進展，國外開始研制工業(yè)應(yīng)用的特種微波化工設(shè)備和裝置，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)也基于工業(yè)訂單展開特種微波設(shè)備的研制，有些已經(jīng)得到成功應(yīng)用。

微波對物料的作用具有整體性、選擇性、快速高效等特點，可用于物料的反應(yīng)、加熱、干燥、殺菌、保鮮等方面，已在有機合成、高分子聚合、化學(xué)萃取、物料膨化、陶瓷燒結(jié)等單元操作中得到研究和應(yīng)用[4]。國外已在精細化工、食品、煙草、機械、陶瓷、木材、環(huán)保、生物化學(xué)、分析測試等行業(yè)開展微波效應(yīng)的研究與應(yīng)用，研究對象涉及液態(tài)、固態(tài)、液體固化、流態(tài)顆粒燒結(jié)等，幾乎每一類物料狀態(tài)中都存在多種適宜微波處理的物料。國際上，在某些高品質(zhì)材料以及由高品質(zhì)材料制備高新技術(shù)產(chǎn)品的研制過程中，微波處理方式已成為提高物料和產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。

1.2 基于CST的電路設(shè)計

CST由德國開發(fā)，是當(dāng)前微波設(shè)計中普遍使用的商業(yè)化三維電磁仿真軟件。基于CST可以進行各種仿真模塊的開發(fā)[5]。根據(jù)邊界和微波端口，可給出模擬區(qū)域的電磁場分布，適用于對射頻、無線通信、封裝及光電子產(chǎn)品新功能的開發(fā)提供有效的研究手段，能夠計算任意形狀無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)、全波電磁場。在微波反應(yīng)裝置設(shè)計過程中，利用多臺計算機工作站和三維圖形系統(tǒng)工作站，基于電磁仿真軟件（CST MWS）、三維粒子模擬軟件(MAGIC和CHIPIC)及有限元分析軟件（ANSYS），完成了電磁仿真設(shè)計。

2 主體設(shè)計

2.1 模塊化設(shè)計

基于已有的裝置設(shè)計經(jīng)驗和電磁仿真設(shè)計知識，確定設(shè)計思路為：采用單元+模塊+電路的模塊化方式、逐層搭建、構(gòu)成整體電路。（1）單元：由獨立的供電電路、高壓發(fā)生器、微波管、控制信號等組成，可獨立地產(chǎn)生和控制微波。單元輸出微波功率為1 kW，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。（2）模塊：10個單元組合在一起成為一個模塊。模塊中每個單元的控制信號均連接至裝置的中央控制器，且各個單元的控制信號互相獨立。（3）裝置：由6個10 kW模塊進行組合，形成一個整體的微波裝置。設(shè)置中央控制系統(tǒng)，可對裝置中所有的微波管工況進行互為獨立的監(jiān)測和調(diào)控，與物料處理情況的具體參數(shù)相連接并進行反饋，妥善地調(diào)控微波工況。

圖1 基本組成單元（1 kW微波管）工作流程

2.2 單元（1 kW微波管）的供電電路

單元的核心是1 kW微波管，擬選型號為M24FB-210A，輸出微波功率為1 kW，頻率為2 450 MHz，用電功率為1.4 kW。微波管需要由4 kV的高壓驅(qū)動，因此配設(shè)將220 V轉(zhuǎn)換為4 kV的高壓包。圖2為1 kW微波管單元的供電電路。

3 控制設(shè)計

3.1 各單元獨立的供電電路

每個單元有獨立的供電電路，利用220 V電壓轉(zhuǎn)換而來的4 kV高壓（見圖1和圖2）為1 kW微波管獨立供電，每個單元的供電電路要接收該模塊提供的控制信號。為了避免各個單元之間相互干擾，由控制信號為220 V的繼電器直接控制供電電路的輸入饋電。

3.2 每個模塊獨立工作

每個模塊10個單元獨立工作（獨立接收控制信號），有1個獨立的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)接收到的控制信號是小信號（如溫度），要將其轉(zhuǎn)換為220 V的電壓信號，然后輸出到10個單元的控制端，控制輸入饋電的繼電器。

3.3 整體設(shè)計

項目選用M24FB-210A型微波管作為微波產(chǎn)生單元，由此，由10個單元構(gòu)成一個具有相應(yīng)功能的10 kW微波發(fā)生模塊，最后形成一套60 kW的微波液體處理裝置，如圖3所示。

圖3 60 kW微波液體處理裝置結(jié)構(gòu)

微波裝置設(shè)立3種工作方式：

（1）一個10 kW的微波發(fā)生模塊，不考慮微波加熱對微波化學(xué)反應(yīng)的負作用，將微波產(chǎn)生的熱能通過容器壁傳遞給大氣；

（2）2個10 kW的微波發(fā)生模塊，考慮微波加熱，針對不同溫度下的微波化學(xué)反應(yīng)；

（3）3個10 kW的微波發(fā)生模塊，考慮高溫下的微波化學(xué)反應(yīng)。

4 微波反應(yīng)器設(shè)計

4.1 單管饋入設(shè)計

裝置中的核心器件是微波管（型號為M24FB-210A，輸出功率為1 kW，頻率為2450 MHz，用電功率為1.4 kW），產(chǎn)生的微波通過一個模式轉(zhuǎn)換器進入微波反應(yīng)器，為被處理物料吸收。

圖4所示為微波管饋入單元的結(jié)構(gòu)，其中微波輻射窗（材料為聚四氟乙烯）實現(xiàn)微波反應(yīng)容器同微波管之間的隔離。

圖4 微波管饋入單元的結(jié)構(gòu)

圖5為微波管饋入單元的安裝圖。

圖5 微波管饋入單元的安裝圖

4.2 十管饋入設(shè)計

由于微波反應(yīng)器的直徑（d=100 cm）和深度（h=100 cm）均大于微波管輻射的微波波長（λ=12.2 cm），因此在理論上，微波反應(yīng)器對于微波管饋入單元是開放空間，即微波管通過饋入單元向微波反應(yīng)器傳送微波是無障礙的。

利用CST研究了微波管在中心位置時向微波反應(yīng)器傳送微波的物理過程，微波場分布見圖6。

在圖6所示結(jié)構(gòu)中，被處理物料的直徑為50 cm，厚度為 20 cm，對應(yīng)的體積是 4×104cm3，如果被處理物料是水，則一次的處理量是40 kg。

圖6 微波管在中心位置時向微波反應(yīng)器傳送微波的物理過程

4.3 物料微波反應(yīng)均勻化設(shè)計

根據(jù)CST仿真結(jié)果進行微波反應(yīng)器上饋入單元的安裝布置設(shè)計，具體如圖7所示，1個微波反應(yīng)器上安裝10個微波單元（微波管和微波饋入結(jié)構(gòu)）。考慮到微波作用區(qū)很難完全均勻，且微波作用過程與物料吸收微波的過程相互耦合、相互影響，也會使微波的分布均勻性變差，因此需采取圖3所示的物料擺動方式，克服微波場的不均勻性。

圖7 微波反應(yīng)器上饋入單元安裝圖

5 屏蔽設(shè)計

依照相關(guān)微波泄露標準[1]，微波屏蔽設(shè)計主要包括以下幾個方面:

（1）絕大部分微波沿著設(shè)計的路線進入反應(yīng)器，多數(shù)直接被液態(tài)物料吸收，少量達到器壁（特殊材質(zhì)）后被反射回物料中進行二次吸收，經(jīng)過多次反射后可以被完全吸收。這種情況可以不考慮微波泄露和屏蔽。

（2）少部分微波殘留在微波管上，為了避免對外釋放，設(shè)計一個屏蔽罩來消除這部分泄露微波，屏蔽罩側(cè)面增加鐵氧體涂敷層來吸收微波，并避免諧振（如圖8所示）。屏蔽后的微波泄露量低于空氣本底值，完全滿足相關(guān)標準的要求。

圖8 微波屏蔽設(shè)計示意圖

6 結(jié)語

利用CST模擬軟件解決了1 kW的微波饋入和10 kW微波饋入之間的相互干擾問題，使用1 kW的微波管合成出一個10 kW的微波反應(yīng)模塊，不僅降低了成本，而且從技術(shù)上大大減輕了10 kW微波發(fā)生器的開發(fā)困難，使微波化學(xué)反應(yīng)裝置在生產(chǎn)上成為可能，同時引入模塊（10 kW模塊）概念，解決大規(guī)模、多重化學(xué)工藝的技術(shù)困擾。下一步的工作是同相關(guān)化學(xué)工藝緊密結(jié)合，將該類裝置推向?qū)嵱没?/p>

[1]李士根.微波的新應(yīng)用和安全標準 [J].電子工程信息，1997，2（3）：59-61.

[2]KUMAR S，SHUKLA S.Concepts and applications of microwave engineering[M].PHI Learning Pvt.Ltd,2014：3.

[3]Cooking with Short Waves[J].Short Wave Craft,1933,4(7):394.

[4]牟群英,李賢軍.微波加熱技術(shù)的應(yīng)用與研究進展[J].物理,2004,33(6):438-442.

[5]張敏，王紅麗，孫佳偉.基于CST軟件的專用仿真平臺的開發(fā) [C]//中國電子學(xué)會.2007年全國微波毫米波會議論文集（上冊）.寧波：2007.