波导布置方式对矩形微波加热腔电场的影响*

王东东，黄　勤，闫建伟，唐倩倩

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)



波导布置方式对矩形微波加热腔电场的影响*

王东东，黄勤，闫建伟，唐倩倩

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：在采用多个小功率磁控管和波导管组合的大功率微波杀青设备的设计中，微波加热装置是微波杀青设备的核心内容，直接影响茶叶杀青的效果。为了获得被加热介质的热均匀性，利用HFSS电磁仿真分析软件，对微波加热腔中波导管在不同布置方式下加热腔内的电场分布进行仿真分析，研究波导管不同布置方式对加热腔内电场均匀性的影响，结果表明相邻波导垂直布置时能获得更好的电场均布，更有利于介质的均匀加热，为大功率微波加热装置的设计提供了一定的理论依据。

关键词：微波加热腔电场波导

0引言

杀青是绿茶的初制工序之一，不同的杀青方法直接影响茶叶的品质。在杀青工艺中，利用微波加热与传统加热方法相比具有速度快、效率高、效果好、有利于提高茶叶的整体品质等优点，是一种新型的工艺技术，具有很好的实际应用价值。微波杀青设备中，大功率微波装置是其核心部件，而配对的磁控管和波导管是微波装置的重要组成部分。由于小功率磁控管相对大功率磁控管具有成本低，失效后易更换，对电源配备要求低等特点，因此在大功率微波加热设备的设计中采用多个小功率磁控管的组合代替大功率磁控管具有很好的经济价值。

目前，国内外有很多研究者对微波加热装置进行了研究。如顾小卫、蒙林等通过仿真得到了微波反射系数和相位图，并于矢量网络分析仪实测值比较，证明了仿真结果的可靠性[1]；Sung Yi，Lie Liu验证了腔体中激励的谐振频率越多场分布越均匀[2]；Yi Huang，Xu Zhu对规则矩形谐振腔内场分布作了研究[3]等。为了合理设计制茶微波加热设备中波导管的布局，本文利用HFSS电磁仿真分析软件，对波导管平行排列和垂直排列情况下微波加热腔内的电场进行仿真分析，研究波导管不同布置方式对加热腔内电场均匀性的影响，为大功率微波装置的设计提供一定的理论依据。

1矩形微波加热腔分析模型的建立

矩形微波加热腔可以看成由两端短路的波导管封闭而成。微波经过波导管传输到腔内，并在腔体内部进行反射，在腔内形成多种工作“模式”。加热腔内的模式越多，电磁场的分布结构就越多，腔内的微波能分布也就越均匀。腔体尺寸的设计不仅取决于被加热介质的体积，而且还会影响腔内电磁场分布的均匀性和加热效率。一般情况下，过大的加热腔会降低微波的加热效率，增加生产过程中的能耗。矩形微波加热腔具有一般谐振腔的特点，其品质因数可达到几千到几万，广泛应用于各种生产实际当中[4]。

由于波导长度对加热腔内的电场分布影响不大，所以在建模时只需确定波导的截面尺寸和安装位置。根据被加热介质的体积和加热效率确定矩形谐振腔的箱体尺寸为a=500 mm,b=400 mm,l=600 mm，波导平行排列时波端口中心坐标为(250,178,400)和(250,422,400)，波导垂直排列时波端口中心坐标为(250,178,400)和(250,422,400)，其几何模型如图1所示。箱体采用不锈钢钢板焊接而成，波导采用BJ-22型标准波导，其截面尺寸为109.2 mm×54.6 mm。

图1　微波加热腔模型图

HFSS仿真软件是业界公认的三维电磁场设计与分析的电子设计工业标准，具有仿真精度高、速度快、方便易用等优点，是高频结构设计的首选工具[5]。采用HFSS软件对图1中不同波导布置方式下的加热腔内的场分布进行模拟仿真。分析模型中包含不锈钢和空气两种材料，材料属性的设置采用HFSS软件材料库中默认的材料常数，不锈钢和空气的相对介电常数为1.0，相对磁导率为1.0，不锈钢的电导率为1.1×106西门子/米(Siemens/meter)；设置腔体为有限导体边界(Finite Conductivity )，边界导体材料设置为不锈钢；采用HFSS软件的自适应网格剖分技术，根据设置的误差，自动生成精确、有效的网格，完成分析对象的离散化；波端口的激励频率设置为2 450 MHz，单个微波源功率1 050 W；采用模式驱动求解类型，收敛误差设为0.02。

2仿真结果分析

由物理理论可知，介质分子分为有极分子和无极分子两种，有极分子的正、负电荷的中心不重合，其间有一段距离，可等效为一个电偶极子。在外电场的作用下，有极分子沿着外电场的方向转向，产生转向极化。当外加电场是交变场时，有极分子的方向也随电场方向的不断变化而变化。在这个过程中，分子间的相互碰撞使电能转化为分子动能，并最终转化为热能。因此，微波加热腔中的电场分布将直接影响微波对腔内介质的加热。

图2为波导平行排列和垂直排列时加热腔的电场矢量分布图。从图(a)可以看出波导平行排列，最大电场强度为4.91×104V/m，最小电场强度为1.60×10-2V/m，其主要电场方向垂直于XZ平面；波导垂直排列，最大电场强度为2.08×104V/m，最小电场强度为4.57×10-2V/m，主要电场方向垂直于XY平面。对比分析发现波导平行排列时，腔内某些位置出现电场过大情况，电场分布不均匀；波导垂直排列时，虽然腔内总体的电场强度稍弱，但电场分布更均匀。

图2　电场矢量分布图

在茶叶杀青过程中，茶叶平铺在XY平面上，Z方向的厚度不大，故分析不同Z坐标下各XY平面的电场分布。波导在平行和垂直两种排列方式下，z坐标z=0 mm、z=100 mm和z=200 mm时，XY平面的电场分布云图分别如图3和图4所示。

从图3可以发现，波导平行排列时，在z=0 mm平面内，最大电场强度为1.54×104V/m，最小电场强度为2.02×10-2V/m，最大电场集中在一个环形区域，且与其他区域处电场强度相差较大。在z=100 mm平面内，最大电场强度为3.74×104V/m，最小电场强度为1.38×10 V/m，最大电场强度集中在加热腔中间一个很小区域。在z=200 mm平面内，最大电场强度为3.93×104V/m，最小电场强度为0 V/m，单个电场分布小区域的面积较大，且小区域内的电场强度相差也较大。

图3　波导平行排列时XY平面上的电场分布图

从图4可以发现，波导垂直排列时，在z=0 mm平面内，最大电场强度为1.96×104V/m，最小电场强度为4.57×10-2V/m，单个小区域面积较小，电场分布较均匀。在z=100 mm平面上，最大电场强度1.43×104V/m，最小电场强度1.43×10 V/m，电场分布情况与z=0 mm平面相似。在z=200 mm平面内，最大电场强度8.17×103V/m，最小电场强度为0 V/m，电场分布均匀，但是总体电场强度较小。

图4　波导垂直排列时XY平面上的电场分布图

3结论

采用HFSS仿真软件，对波导管平行排列和垂直排列时微波加热腔内的电场分布进行了模拟仿真分析，得出微波干涉对腔内的电场分布影响很大，相邻的波导管平行排列时，其最大电场强度是垂直排列的两倍左右，相邻波导管采用垂直布置的方式可以减小波的干涉作用，提高加热腔中电磁场分布的均匀性，有利于对加热腔内介质的均匀加热。在大功率工业微波设备的设计中，往往是多个波源和波导的匹配，这种情况下可以采用近垂直远平行的波导布置方式来获得良好的加热效果。微波加热腔内的电场强度和均匀性与波导布置方式有关，合理的波源与波导管布置方式是获得加热腔内均匀电场分布和介质均匀加热的前提。

参考文献

[1]顾小卫,蒙林,孙宜琴,等. 微波炉炉腔内电磁场仿真[J]. 电子器件,2008(03)803-806.

[2]Yi S, Liu L, Sin C K, et al. A study of microwave curing process for under fill used in flip chip packaging Part 2: 3D FEM simulation of microwave power distribution inside variable frequency microwave oven[C]//Advances in Electronic Materials and Packaging. IEEE,2001:29-33.

[3]Huang Y, Zhu X. Microwave oven field uniformity analysis[C]//2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium: Volume 3B.IEEE, 2005, 217 - 220.

[4]张洪欣,沈远茂,韩宇男. 电磁场与电磁波[M]．北京:清华大学出版社，2013.

[5]曹善勇. Ansoft HFSS磁场分析与应用实例[M]. 北京:中国水利水电出版社，2010.

Influence of waveguide arrangement on the electric field in the rectangular microwave heating chamber

WANG Dongdong, HUANG Qin, YAN Jianwei, TANG Qianqian

Abstract:In the high-power microwave de-enzyming equipment consisting of multiple small-power magnetrons and waveguides, the microwave heating device is the core, and it influences the de-enzyming effect directly. In order to achieve thermal uniformity of the heated medium, we used the electromagnetic simulation software HFSS to carry out simulation analysis of the distribution of electric field in the microwave heating chamber under different waveguide arranging conditions, and studied the influence of different waveguide arrangements on the uniformity of the electric field in the heating chamber. The results showed that, vertical arrangement of adjacent waveguides could achieve better uniformity of the electric field, thus helped the uniform heating of the medium. This study provided theoretical basis for the design of high-power microwave heating devices.

Keywords：microwave; heating chamber; electric field; waveguide

收稿日期：2015-09-21

作者简介：王东东(1990-)，男，硕士研究生，主要从事现代制造工艺及装备的研究。

基金项目：贵州大学引进人才科研基金项目“茶叶真空微波加工设备研究与应用(贵大人基(2013)41号)”。

中图分类号：TS959.9；TN015

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0044-03