基于微波非热效应的谐振腔仿真设计

张玉玲

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）

微波是指频率为300 MHz～300 GHz，波长在1 mm～1 m范围内的电磁波。由于微波广泛地用于工业、军事和医学等领域，为避免相互干扰，目前国际上规定用于工业领域的微波频率为915±25 MHz和2 450±50 MHz。微波灭菌是近年发展起来的一种新兴杀菌技术，是一种非电离辐射杀菌，因其穿透力强、杀菌时间短、能耗少、杀菌均匀、无污染等优点日益受到人们的重视[1]。

由于传统的热力杀菌技术会对被处理食品在色、香、味和营养成分等方面存在不同程度地破坏，因此研究者们对非热杀菌方法进行了大量探索。微波对微生物的作用表现为热效应和非热效应。所谓热效应是指生物物体吸收微波的能量后，体温升高从而发生各种生物功能的变化；非热效应是在电磁波作用下，生物体内不产生明显的升温，却可以产生强烈的生物响应，使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化[2]。对微波热效应的研究已基本完善，而非热效应则是近些年来微波灭菌的主要研究热点。根据电穿孔理论，当外加电场达到106V/m及以上时，细菌的细胞膜便会产生破裂致其死亡[3]。所以关键问题就是如何获取细胞电击穿所需的高场强。

文中利用三维电磁仿真软件建立了一种利用微波非热效应实现快速灭菌的重入式谐振腔结构模型，仿真结果表明当输入功率在百瓦量级时就能在灭菌区域达到电穿孔所需高场强从而实现灭菌。

1 腔体设计

利用高场强的同轴腔结构在国内外航天领域已有研究应用[4]。文中采用的是双重入式谐振腔，谐振频率为2 450 MHz，该谐振腔电磁分布特点是电场主要集中在两个内导体间间隔的圆柱形空间、磁场主要集中分布在腔体的两端并将内导体环向包围。为了获得更高的电场，本文所提出的谐振腔在双重入式谐振腔的基础上做了改进，将原有内导体间隙处的一端的平面结构用圆锥体结构代替，由尖端效应知，这样在间隙处场强会有很大的增强，最终我们采用的同轴谐振腔具体结构如图1所示。

由于重入式谐振腔在尺寸上满足两内导体间的间隙d远小于腔长h，腔体半径r1、内导体半径r2、腔长h远小于谐振波长λ的条件下，就可以近似认为TM010模式的电场基本上集中在间隙d中间，而磁场则主要集中在环形部分。由于电穿孔是个瞬时过程，所以我们在设计时，将两导体间的间隙d固定为2 mm，使液体与电场相互作用时间极短，以免温升过高。腔体的各个参数通过仿真优化来确定，首先通过仿真观察各个参数的变化对频率的影响，如图2所示。

图1 重入式谐振腔结构示意图Fig.1 Structure of reentrant cavity

通过观察各个参数对频率变化的影响将有助于我们对腔体的设计，由于考虑到加工精度和实际实验操作等问题，最终确定在谐振频率为2.45 GHz的腔体尺寸为：腔体半径r1为27 mm，内导体半径r2为3 mm，液体半径r3为1 mm，腔长l1为31.7 mm，内导体前端圆锥体h为6 mm，在仿真过程中，其他参数固定后，把l1作为调谐参数。通过电磁仿真软件得到此时的电磁场分布，电场基本上集中在间隙中间，而磁场则主要集中在环形部分，表明我们的尺寸选择是合理的。

2 腔体仿真结果

图2 腔体各参数变化对谐振频率的影响Fig.2 Effects of the variation of parameters on the resonant frequency

一个孤立的谐振器是没有任何实用价值的，它必须通过端口与外电路连接以进行能量交换[5]，常用的耦合方式有探针耦合、环耦合和孔耦合，由于我们利用的是电场最强处与液体相互作用，因此在本文中利用的是磁耦合方式即环耦合与外电路进行能量交换，微波能量从谐振腔的一端通过N型连接器馈入，通过仿真确定出耦合环的位置和大小并得到其S11曲线，如图3所示，y表示耦合环的中心离端面圆心的距离，r表示耦合环的半径，由图3（a）可知，耦合环越靠近端面中心S11越小，能量馈入越多，但仿真中耦合环离中心太近不方便实际安装，因此我们取 y为20 mm，由图3（b）知当耦合环半径为5.1 mm时，S11能达到-30 dB以下，此时能量基本完全馈入腔体。

采用CST中的瞬态求解器对重入式谐振腔进行电场强度分析，得到输入功率200 W时液体中的电场强度，图4（a）表示液体中轴线上的电场分布，图4（b）表示液体中径向上的电场分布。由此可知当输入功率为200 W时，液体中心轴上的场强基本保持不变，径向上的电场在内导体尖端的边缘处场强最大，总体上液体与微波互作用区便能获得杀菌所需的106V/m的电场强度。但应注意到在内导体尖端附近由于电场强度很大，很可能超过空气的击穿场强，击穿会影响到谐振腔内电磁场的分布，甚至可能损坏谐振腔[6-8]，为防止空气击穿，可以在内导体尖端附近涂抹介电常数接近1，介电强度比空气高的介质（如聚四氟乙烯、有机玻璃等）。为防止微波泄露，我们在液体流进和流出腔体的面采用金属网状结构，这样就避免了对人体可能造成的伤害。

图3 S11随耦合环位置（a）和大小（b）的变化Fig.3 Change of S11 varied with location （a） and size （b） of the coupling ring

3 结 论

图4 液体中电场的轴向（a）和径向（b）分布Fig.4 The axial（a） and radial（b） of electric field in the liquid

文中提出一种利用微波非热效应来实现灭菌的谐振腔，其工作频率为2.45 GHz，可用磁控管作为微波源，为了便于与外部同轴电缆连接将能量耦合至谐振腔，本论文中采用的磁耦合结构为50 Ω的N型连接头。通过CST仿真得到当输入功率在200 W，液体中的电场强度便可以达到106V/m以上，能够实现有效快速的灭菌或用于其他高能量微波应用中，同时本文也为在低功率情况下实现高场、高能流密度的微波场分布提供了依据。

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