雙端口微波諧振加熱腔的設計及仿真優化

中圖分類號：TM924.76 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168(2025)16-0054-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.011

Research on Machining Process Optimization of Piston Compressor Cylinder

CHEN GuodongXUWeiweiSHI ZiyuZHOU JiaqingCHAIRuiqiLIU Yao (School of Mechanical Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167， China)

Abstract: [Purposes] To address the theoretical gaps in electromagnetic field regulation under multiparameter coupling in microwave cavity design，this study proposes a cavity optimization method integrating dimensional parameters and feed-source matching.[Methods]A numerical model linking geometric parameters (length/width/height，feed positions/quantity)to electromagnetic field distribution was developed.Finite element simulations quantified structural impacts on energy distribution and eficiency. Mechanisms of multi-feed phase coordination，resonance modes，and material dielectric matching were explored to establish optimization criteria for field uniformity and energy efciency.[Findings] Simulations at 2.45 GHz demonstrated enhanced field uniformity and high energy efficiency across varied material drying processes.[Conclusions] The design transcends conventional single-objective approaches，offering a universal framework integrating parameter matching，field control，and material adaptability.

Keywords: microwave cavity design; microwave heating; HFSS simulation optimization; electromagnetic field distribution

0 引言

微波加熱技術市場前景廣闊，在食品、化工及醫療領域需求強勁。國內外不少學者對微波加熱進行了研究。楊勇等通過引入旋轉臺裝置，系統研究了動態參數對電磁場均勻性的調控機制。王威設計了一種包含專家PID控制、模糊PID控制、BP神經網絡PID控制及多入多出多變量專家控制等4種控制方法的微波加熱融合專家控制系統，提升了微波加熱端口控制的穩定性和精度。李濤等[3]針對橡膠輪胎硫化問題開發了大型箱式微波硫化腔體，其創新結構設計使有效加熱容積大幅提升。Mina等4研究了微波對球藻等生物介質的干燥效果，將干燥輸入輸出能量作為參量定量分析微波加熱在生物原料方面的干燥機理。張斌堯等[5]構建的微波一熱風耦合干燥模型，在農產品加工領域實現能效比提升。

現有研究對多參數耦合作用下的場分布調控機制尚未建立系統性理論模型。本研究通過建立微波腔體尺寸參數與饋源的匹配優化模型，采用電磁場耦合仿真技術，定量分析饋口空間位置參數一電磁場分布的關聯機制，進而構建適用于多種物料特性的通用型微波干燥設備設計方法，以期設計出一款通用型微波干燥設備。

1 腔體尺寸設計

本研究基于 2.45GHz 工業頻段微波諧振腔加熱系統，采用復合激勵策略，通過求解Maxwell方程構建腔體電磁場分布模型，結合模式分析與數值仿真評估電場強度均勻性。針對 200mm×100mm× 20mm 物料沿腔體對稱軸平行排布的特點，提出通過腔體尺寸優化激發多模諧振，利用不同模式駐波場的疊加效應克服單模激勵導致的周期性波腹過熱與波節點加熱不足問題，從而提升三維空間加熱均勻性。該方法通過電磁場空間分布與物料幾何特征的協同設計實現高效均勻加熱。腔體特征尺寸應滿足式（1)。

式中： L 為微波尺寸參數， λ 為工作波長。2.45GHz 對應的自由空間波長 λ₀ 約為 122.4mm ，可有效抑制單一駐波模式的激發。

據此確定腔體三維尺寸為： L_x=250mm，L_y =350mm，L_z=210mm 。該尺寸體系通過破壞各軸向的諧振條件，促進TEmnp與 TMmnp 混合模式的生成，其中模式指數 (m，n，p) 的多樣化組合可顯著改善腔體內部電磁場的空間覆蓋度。腔體材料則選用不銹鋼，形成近似理想電壁的邊界條件。

2仿真目標及參數設計

本系統采用雙M24FB-610A工業磁控管并聯架構 2.45GHz±50MHz ，額定800W/峰值 1000W ，適配 0～1500W 可調功率需求，選用BJ-22型標準波導實現 2.45GHz 頻段的高效傳輸。該波導結構參數為 95mm×100mm×55mm □

腔體單位體積內介質吸收的微波功率 P 與該處的電場強度 E 和頻率f的關系見式(2)。

P=2πε₀ε^′tanδE²f

式中： ε_?0 為真空介電常數； ε^′ 為介質介電系數；tanδ為介質的損耗正切； E 為電場強度， V/m;f 為工作頻率取 2.45GHz 。

根據饋口長邊軸向矢量的空間關系，方案可分為兩種基本布局： ① 平行布局，兩饋口長邊軸向共線； ② 正交布局，兩饋口長邊軸向垂直。

當饋口間距 時 λ_g^α 為波導波長），時變電磁場通過近場耦合產生顯著能量交互作用，其耦合系數可量化為式（3）。

式中： m 為互感系數， h;c 為寄生電容，F； l_i?ci 分別為饋口等效集總參數。該耦合效應會導致傳輸線阻抗失去匹配，品質因數降低，腔體內部損耗異常增大。損耗大小由電磁損耗公式確定，見式(4)。

式中： Q_e 為電磁能量損耗， ω 為角頻率， ε₀ 為真空介電常數， ε^' 為介電常數的虛部。

得到有效布置方案如圖1所示，并分別建立仿真模型。

(d)B1：饋口位于側面和背面（e)B2：饋口位于側面和頂面(f)B3：饋口位于頂面和背面

圖1各組饋口正交布置方案

3仿真結果與分析

通過評估腔體的 s 參數，同時選取腔體正中間作為物料加熱區域，分析平面上電場強度及其分布均勻性和最值，并進行對比討論，選出最適合微波干燥的饋口布置方案[]

3.1品質因數求解結果

2.45GHz 頻段下，腔體通過多?；旌现C振(Mode1-4)有效避免了單一模式主導的弊端，其品質因數范圍表明腔體具有較高能量存儲效率。仿真分析結果(見圖2)顯示，當物料軸向尺寸(如蒸水）從 1mm 增至 4mm 時，腔體 Q 值因介質損耗加劇而急劇下降，降幅超過 90% ，隨后衰減速度減緩，并穩定在較低值區間。該現象源于物料體積增大導致介質損耗功率（ P∝tanδ， 顯著提升，加速了電磁能量轉化為熱能的過程，同時破壞了諧振場分布，引發 Q 值非線性衰減。

3.2 A組仿真結果分析

①s 參數求解結果如圖3所示。輸入端匹配：3個方案在 2.4～2.5GHz 頻段的 S₁₁ 參數均接近 0dB ，說明反射損耗顯著，其中A1和A2在 2.45GHz 時反射損耗最低（ ∣S₁₁∣≈0dB ），輸入阻抗匹配最優；A3方案 ∣S₁₁∣=1.53dB ，匹配性能略差。能量傳輸效率： S₂₁ 參數對比顯示，A1方案能量留存率最高，A3方案最低，表明A1方案輸出端能量流失最小。A1方案綜合輸入匹配與能量留存率最優。

圖2品質因數求解結果

② 電場分布評估如圖4所示。A2方案：受饋口邊緣損耗影響， X-Y 平面最高場強小于 10⁴V/m ，不足基準值的 65% ，能量吸收效率顯著降低，難以滿足均勻加熱需求。A3方案：電磁場呈 Z 向柱狀聚焦，軸線中心場強達邊緣區域兩倍，形成軸對稱梯度分布，易引發物料受熱溫差。A1方案：通過阻抗匹配優化，場強差異控制在 20% 以內，核心區域達2×10⁴～3×10⁴V/m 量級，在加熱效率與均勻性間實現最優平衡。

圖3A組S參數求解結果

3.3 B組仿真結果分析

①s 參數求解結果如圖5所示。輸入端匹配：B組 S₁₁ 參數范圍 0～-4dB ，差異化顯著高于平行布局。B3方案因采用垂直耦合變換結構，在 2.45GHz 時匹配最優。能量傳輸效率：B3方案 S₂₁ 參數最高，能量留存率最佳。正交布局通過極化失配抑制交叉耦合，使衰減接近理論極限，顯著提升整體性能。

② 電場分布評估如圖6所示。B1方案：電場覆蓋率超 ，但核心區（ r?20mm， 存在顯著梯度，中心冷點場強不足 10⁴V/m ，易引發軸向溫差及熱變形風險。B2方案：電場覆蓋率 70% ，呈 Y 向非對稱分布，核心區場強衰減至 1.0×10⁴V/m 以下，腔壁附近形成局部熱點群 (4.6×10⁴～6.3×10⁴V/m) ，熱均勻性差。B3方案：采用雙正交饋口耦合設計，電場覆蓋率超 80% ，核心區場強穩定在 1.0×10⁴～ 2.0×10⁴V/m 可控范圍，場強極差與均勻性顯著優于B1和B2方案，綜合加熱均勻性最優。

3.4 A/B組方案對比

對比A、B兩組方案得出以下結論。 ① 參數優化：B3方案的 較A1方案降低 50% 以上，輸入端匹配顯著改善； |S₂₁| 略優，反映其結構緊湊性與能量存儲效率提升。 ② 加熱性能：B3方案未出現局部異常熱點，場分布均勻性優于A1方案，熱點區域縮減超 10% ，中心加熱區無溫差異常。 ③ 綜合優勢：雙正交饋口布局通過極化匹配與能量分配優化，實現匹配特性與加熱均勻性雙提升，為最優設計方案。

Feld32/m727 Fiel35287539 Field[V/m] 34325.6484

38554.5625 31293.5098 32037.2852

3580522 o08 290582656 29748987

30306.3340 24587.7734 25172.1875

27556.9258 22352.5293 22883.8203

o 201172632 20595.4515646.7900 16018.724613411.5449 13730.358411176.2998 11441.99228941.0537 9153.62706705.8086 6865.26124470.5630 4576.89552235.3171 2288.53000.0716 0.1642(a)A1方案 (b)A2方案 (c)A3方案

圖4A組電場分布情況

圖5B組S參數求解結果

圖6B組電場分布情況

4結語

① 腔體尺寸優化可激發多模諧振（最高Q值達9362.89），規避單一模式導致的駐波分布不均問題，但物料體積增大會引發 Q 值非線性衰減超90% 。 ② 平行布局因同極化引發強電磁耦合，導致能量泄露與駐波比惡化；正交布局通過極化隔離降低耦合系數，能量存儲效率提升。 ③ 雙饋口正交設計較平行布局顯著提升加熱均勻性，但需規避局部冷/熱點風險；頂一背面正交布置兼具多物料適應性與能效平衡性優勢。

參考文獻：

[1]楊勇，彭仁宇，韓冬雪，等.旋轉臺對微波爐加熱均勻性及能量效率的影響[J].真空電子技術，2023(6)：76-83.

[2]王威.多饋口微波加熱系統辨識及控制研究[D].綿陽：西南科技大學，2024.

[3]李濤，張偉，陳海龍，等.箱型微波腔體的設計及其棱角對電場分布的影響[J].橡膠工業，2015，62(9)：558-561.

[4]MINAAR，TECSONB，VIRTUCIODV，etal. Optimization ofmicrowave drying of microalgae nannochloropsissp.for biofuel production[C].2017IEEE 9th International ConferenceonHumanoid，Nanotechnology，Information Technology，Communication and Control，Environment andManagement（HNICEM)，2017.

[5]張斌堯，張兆國，張付杰.一種微波功率可調的熱風微波耦合干燥裝置[J].農機化研究，2017，39(7：240-243.

[6]WEIM，LIM，MAZ.Symplectic MRTDforsolvingthree-dimensionalmaxwell equations basedonoptimised operators[J].IET Microwaves，Antennas and Propagation， 2020，14(2):141-226.

[7]SHAFAGHS，KAATUZIANH，DANAIEM.Designand analysis of optical deviceswith ultra-high quality factorbased on a plasmonic photonic hybrid structure[J].EngineeringResearchExpress，2025，7(1):015356.

（欄目編輯：文雯）