矩形諧振腔微波場的均勻化研究

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，在材料高溫煅燒、食品干燥、廢水處理等領域得到了日益廣泛的應用。但在加熱過程中，微波場中存在“熱點”，導致物料受熱不均勻，出現板結、燒焦等現象，最終影響產品的品質。因此，微波加熱設備諧振腔內微波場的均勻性設計至關重要。本研究根據微波場均勻性理論，求出在2450MHz頻率下矩形諧振腔的模式數，采用CST軟件模擬出微波場內電場和磁場的矢量分布，為諧振腔的設計提供了參考。

【關鍵詞】微波加熱；微波場；均勻化；電場分布

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

微波均勻加熱常通過使用模式攪拌器，擾動駐波場，或將物料放到轉盤上旋轉等措施實現。但這些方法不能從根本上實現微波場的均勻化。可通過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]，并對諧振腔內電磁場分布進行計算，獲得三維空間場強分布，可優化諧振腔結構，合理設置饋口數量及位置，提高微波場均勻化。本文理論計算了一定頻率下矩形微波場中模式數，計算了一定模式下微波場分布，采用CST軟件模擬了一定負載，使用兩個斜喇叭口形狀饋口條件下，微波場內電場和磁場矢量分布，為諧振腔結構的優化設計提供了基礎。

1 矩形諧振腔的模式計算

一個矩形諧振腔可以看做一段長度為l的矩形波導，其兩端用金屬板封閉。在矩形波導中，縱向為行波狀態，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分離的震蕩模式，可以用TEmnp和TMmnp表示，每一個模式代表一種場的分布形式，下標m、n、p分別表示在a、b、l上分布的半駐波波長個數。

假設在空間直角坐標系中一個矩形諧振腔在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的模式標號m、n、p相同時，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，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，理論上可以存在非常多的模式，但是，受到饋口的模式限制，有相當一部分模式并不會被激發。而且由于饋口的存在，腔體的邊界條件發生變化，也會使其所激發模式的諧振頻率發生偏移。

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）：

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

3 負載為水的仿真結果

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

圖1中紅色曲線表示各個頻率下1端口（左側面端口）接收到的所有回波（來源包括1和2兩個端口）與入射波的電壓比（用dB表示）；而綠色曲線則表示各個頻率下2端口（后面端口）接收到的所有回波與入射波的電壓比。這個數值越小則駐波比越小，當這個數值小于-15dB時，對應駐波比小于1.4，從仿真結果知，端口1的S參數在2450MHz時為-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。

從仿真結果（圖3）可以看出，物料邊沿的微波場明顯偏強，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，導料金屬管附近的微波場偏強的原因也是如此。但總體上，物料區域微波場分布相對均勻，物料可得到均勻加熱。

4 結語

通過軟件模擬獲得了矩形諧振腔內的場分布情況，可以通過合理設置諧振腔微波口位置及數量，獲得均勻的微波場。采用兩個傾斜喇叭式的饋口結構，可有效減少回波，兩個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的電場分布，合理放置物料在諧振腔內的位置，可獲得理想加熱效果。

【參考文獻】

[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[M].電子工業出版社，2011.

[3]談浩.微波場均勻性設計及干燥過程數值模擬[D].云南：昆明理工大學，2009，10-17.

[責任編輯：王偉平]