基于微波非熱效應(yīng)的諧振腔仿真設(shè)計

張玉玲

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz，波長在1 mm～1 m范圍內(nèi)的電磁波。由于微波廣泛地用于工業(yè)、軍事和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，為避免相互干擾，目前國際上規(guī)定用于工業(yè)領(lǐng)域的微波頻率為915±25 MHz和2 450±50 MHz。微波滅菌是近年發(fā)展起來的一種新興殺菌技術(shù)，是一種非電離輻射殺菌，因其穿透力強(qiáng)、殺菌時間短、能耗少、殺菌均勻、無污染等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們的重視[1]。

由于傳統(tǒng)的熱力殺菌技術(shù)會對被處理食品在色、香、味和營養(yǎng)成分等方面存在不同程度地破壞，因此研究者們對非熱殺菌方法進(jìn)行了大量探索。微波對微生物的作用表現(xiàn)為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。所謂熱效應(yīng)是指生物物體吸收微波的能量后，體溫升高從而發(fā)生各種生物功能的變化；非熱效應(yīng)是在電磁波作用下，生物體內(nèi)不產(chǎn)生明顯的升溫，卻可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的生物響應(yīng)，使生物體內(nèi)發(fā)生各種生理、生化和功能的變化[2]。對微波熱效應(yīng)的研究已基本完善，而非熱效應(yīng)則是近些年來微波滅菌的主要研究熱點(diǎn)。根據(jù)電穿孔理論，當(dāng)外加電場達(dá)到106V/m及以上時，細(xì)菌的細(xì)胞膜便會產(chǎn)生破裂致其死亡[3]。所以關(guān)鍵問題就是如何獲取細(xì)胞電擊穿所需的高場強(qiáng)。

文中利用三維電磁仿真軟件建立了一種利用微波非熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速滅菌的重入式諧振腔結(jié)構(gòu)模型，仿真結(jié)果表明當(dāng)輸入功率在百瓦量級時就能在滅菌區(qū)域達(dá)到電穿孔所需高場強(qiáng)從而實(shí)現(xiàn)滅菌。

1 腔體設(shè)計

利用高場強(qiáng)的同軸腔結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外航天領(lǐng)域已有研究應(yīng)用[4]。文中采用的是雙重入式諧振腔，諧振頻率為2 450 MHz，該諧振腔電磁分布特點(diǎn)是電場主要集中在兩個內(nèi)導(dǎo)體間間隔的圓柱形空間、磁場主要集中分布在腔體的兩端并將內(nèi)導(dǎo)體環(huán)向包圍。為了獲得更高的電場，本文所提出的諧振腔在雙重入式諧振腔的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，將原有內(nèi)導(dǎo)體間隙處的一端的平面結(jié)構(gòu)用圓錐體結(jié)構(gòu)代替，由尖端效應(yīng)知，這樣在間隙處場強(qiáng)會有很大的增強(qiáng)，最終我們采用的同軸諧振腔具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于重入式諧振腔在尺寸上滿足兩內(nèi)導(dǎo)體間的間隙d遠(yuǎn)小于腔長h，腔體半徑r1、內(nèi)導(dǎo)體半徑r2、腔長h遠(yuǎn)小于諧振波長λ的條件下，就可以近似認(rèn)為TM010模式的電場基本上集中在間隙d中間，而磁場則主要集中在環(huán)形部分。由于電穿孔是個瞬時過程，所以我們在設(shè)計時，將兩導(dǎo)體間的間隙d固定為2 mm，使液體與電場相互作用時間極短，以免溫升過高。腔體的各個參數(shù)通過仿真優(yōu)化來確定，首先通過仿真觀察各個參數(shù)的變化對頻率的影響，如圖2所示。

圖1 重入式諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of reentrant cavity

通過觀察各個參數(shù)對頻率變化的影響將有助于我們對腔體的設(shè)計，由于考慮到加工精度和實(shí)際實(shí)驗操作等問題，最終確定在諧振頻率為2.45 GHz的腔體尺寸為：腔體半徑r1為27 mm，內(nèi)導(dǎo)體半徑r2為3 mm，液體半徑r3為1 mm，腔長l1為31.7 mm，內(nèi)導(dǎo)體前端圓錐體h為6 mm，在仿真過程中，其他參數(shù)固定后，把l1作為調(diào)諧參數(shù)。通過電磁仿真軟件得到此時的電磁場分布，電場基本上集中在間隙中間，而磁場則主要集中在環(huán)形部分，表明我們的尺寸選擇是合理的。

2 腔體仿真結(jié)果

圖2 腔體各參數(shù)變化對諧振頻率的影響Fig.2 Effects of the variation of parameters on the resonant frequency

一個孤立的諧振器是沒有任何實(shí)用價值的，它必須通過端口與外電路連接以進(jìn)行能量交換[5]，常用的耦合方式有探針耦合、環(huán)耦合和孔耦合，由于我們利用的是電場最強(qiáng)處與液體相互作用，因此在本文中利用的是磁耦合方式即環(huán)耦合與外電路進(jìn)行能量交換，微波能量從諧振腔的一端通過N型連接器饋入，通過仿真確定出耦合環(huán)的位置和大小并得到其S11曲線，如圖3所示，y表示耦合環(huán)的中心離端面圓心的距離，r表示耦合環(huán)的半徑，由圖3（a）可知，耦合環(huán)越靠近端面中心S11越小，能量饋入越多，但仿真中耦合環(huán)離中心太近不方便實(shí)際安裝，因此我們?nèi)?y為20 mm，由圖3（b）知當(dāng)耦合環(huán)半徑為5.1 mm時，S11能達(dá)到-30 dB以下，此時能量基本完全饋入腔體。

采用CST中的瞬態(tài)求解器對重入式諧振腔進(jìn)行電場強(qiáng)度分析，得到輸入功率200 W時液體中的電場強(qiáng)度，圖4（a）表示液體中軸線上的電場分布，圖4（b）表示液體中徑向上的電場分布。由此可知當(dāng)輸入功率為200 W時，液體中心軸上的場強(qiáng)基本保持不變，徑向上的電場在內(nèi)導(dǎo)體尖端的邊緣處場強(qiáng)最大，總體上液體與微波互作用區(qū)便能獲得殺菌所需的106V/m的電場強(qiáng)度。但應(yīng)注意到在內(nèi)導(dǎo)體尖端附近由于電場強(qiáng)度很大，很可能超過空氣的擊穿場強(qiáng)，擊穿會影響到諧振腔內(nèi)電磁場的分布，甚至可能損壞諧振腔[6-8]，為防止空氣擊穿，可以在內(nèi)導(dǎo)體尖端附近涂抹介電常數(shù)接近1，介電強(qiáng)度比空氣高的介質(zhì)（如聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃等）。為防止微波泄露，我們在液體流進(jìn)和流出腔體的面采用金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣就避免了對人體可能造成的傷害。

圖3 S11隨耦合環(huán)位置（a）和大?。╞）的變化Fig.3 Change of S11 varied with location （a） and size （b） of the coupling ring

3 結(jié) 論

圖4 液體中電場的軸向（a）和徑向（b）分布Fig.4 The axial（a） and radial（b） of electric field in the liquid

文中提出一種利用微波非熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)滅菌的諧振腔，其工作頻率為2.45 GHz，可用磁控管作為微波源，為了便于與外部同軸電纜連接將能量耦合至諧振腔，本論文中采用的磁耦合結(jié)構(gòu)為50 Ω的N型連接頭。通過CST仿真得到當(dāng)輸入功率在200 W，液體中的電場強(qiáng)度便可以達(dá)到106V/m以上，能夠?qū)崿F(xiàn)有效快速的滅菌或用于其他高能量微波應(yīng)用中，同時本文也為在低功率情況下實(shí)現(xiàn)高場、高能流密度的微波場分布提供了依據(jù)。

[1]劉高福，宋景萍.微波的殺菌機(jī)理及應(yīng)用[J].北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報， 2011，28（3）:5-7.

LIU Gao-fu，SONG Jing-ping.The mechanism and application of microwave sterilization[J].Beijing Electric Power College，2011，28（3）:5-7.

[2]李建忠.微波對食品微生物的非熱生物效應(yīng)與微波殺菌技術(shù)[J].西南民族大學(xué)學(xué)報，2006，32（6）:1219-1222.

LI Jian-zhong.Non-thermal biological effect of microwave on food microorganism and technology of microwave sterilization[J].Journal of Southwest University for Nationalities，2006，32（6）:1217-1222.

[3]James C.Weaver，Electroporation of cells and tissues[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2000，28（1）:24-33.

[4]唐金蘭，何洪慶，韓先偉，等.微波等離子體推力器同軸諧振腔內(nèi)的電磁場特性[J].推進(jìn)技術(shù)，2003，24（2）:148-151.

TANG Jin-lan，HE Hong-qing，HAN Xian-wei，et al.Characteristics of electromagnetic field within the coaxial resonant cavity of microwave plasma thruster[J].Journal of Propulsion Technology，2003，24（2）:148-151.

[5]顧繼慧.微波技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6]張海，曾葆青，楊中海.同軸結(jié)構(gòu)微波滅菌裝置電磁特性模擬[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2007，36（2）:232-234.

ZHANG Hai，ZENG Bao-qing，YANG Zhong-hai.Simulation of the characteristics of electromagnetic field within the coaxialmicrowave sterilization equipment[J].Journalof University of Electronic Science and Technology of China，2007，36（2）:232-234.

[7]ZHENG Wei，CHENG Yu-jian，F(xiàn)AN Yong.A new coupling method for quarter-wave coaxial cavity resonator used for sterilization[C]//Microwave Conference Proceedings，2011.

[8]許杰田，張猛，李杰，等.基于矢量有限元法的微波諧振腔高頻特性研究[J].電子科技，2010（10）：59-61.

XU Jie-tian，ZHANG Meng，LI Jie，et al.High-frequency characteristics of resonance cavity based on the vector finite element method[J].Electronic Science and Technology，2010（10）：59-61.