波導(dǎo)布置方式對矩形微波加熱腔電場的影響*

王東東，黃　勤，閆建偉，唐倩倩

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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波導(dǎo)布置方式對矩形微波加熱腔電場的影響*

王東東，黃勤，閆建偉，唐倩倩

(貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：在采用多個小功率磁控管和波導(dǎo)管組合的大功率微波殺青設(shè)備的設(shè)計中，微波加熱裝置是微波殺青設(shè)備的核心內(nèi)容，直接影響茶葉殺青的效果。為了獲得被加熱介質(zhì)的熱均勻性，利用HFSS電磁仿真分析軟件，對微波加熱腔中波導(dǎo)管在不同布置方式下加熱腔內(nèi)的電場分布進行仿真分析，研究波導(dǎo)管不同布置方式對加熱腔內(nèi)電場均勻性的影響，結(jié)果表明相鄰波導(dǎo)垂直布置時能獲得更好的電場均布，更有利于介質(zhì)的均勻加熱，為大功率微波加熱裝置的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微波加熱腔電場波導(dǎo)

0引言

殺青是綠茶的初制工序之一，不同的殺青方法直接影響茶葉的品質(zhì)。在殺青工藝中，利用微波加熱與傳統(tǒng)加熱方法相比具有速度快、效率高、效果好、有利于提高茶葉的整體品質(zhì)等優(yōu)點，是一種新型的工藝技術(shù)，具有很好的實際應(yīng)用價值。微波殺青設(shè)備中，大功率微波裝置是其核心部件，而配對的磁控管和波導(dǎo)管是微波裝置的重要組成部分。由于小功率磁控管相對大功率磁控管具有成本低，失效后易更換，對電源配備要求低等特點，因此在大功率微波加熱設(shè)備的設(shè)計中采用多個小功率磁控管的組合代替大功率磁控管具有很好的經(jīng)濟價值。

目前，國內(nèi)外有很多研究者對微波加熱裝置進行了研究。如顧小衛(wèi)、蒙林等通過仿真得到了微波反射系數(shù)和相位圖，并于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實測值比較，證明了仿真結(jié)果的可靠性[1]；Sung Yi，Lie Liu驗證了腔體中激勵的諧振頻率越多場分布越均勻[2]；Yi Huang，Xu Zhu對規(guī)則矩形諧振腔內(nèi)場分布作了研究[3]等。為了合理設(shè)計制茶微波加熱設(shè)備中波導(dǎo)管的布局，本文利用HFSS電磁仿真分析軟件，對波導(dǎo)管平行排列和垂直排列情況下微波加熱腔內(nèi)的電場進行仿真分析，研究波導(dǎo)管不同布置方式對加熱腔內(nèi)電場均勻性的影響，為大功率微波裝置的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1矩形微波加熱腔分析模型的建立

矩形微波加熱腔可以看成由兩端短路的波導(dǎo)管封閉而成。微波經(jīng)過波導(dǎo)管傳輸?shù)角粌?nèi)，并在腔體內(nèi)部進行反射，在腔內(nèi)形成多種工作“模式”。加熱腔內(nèi)的模式越多，電磁場的分布結(jié)構(gòu)就越多，腔內(nèi)的微波能分布也就越均勻。腔體尺寸的設(shè)計不僅取決于被加熱介質(zhì)的體積，而且還會影響腔內(nèi)電磁場分布的均勻性和加熱效率。一般情況下，過大的加熱腔會降低微波的加熱效率，增加生產(chǎn)過程中的能耗。矩形微波加熱腔具有一般諧振腔的特點，其品質(zhì)因數(shù)可達到幾千到幾萬，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)實際當(dāng)中[4]。

由于波導(dǎo)長度對加熱腔內(nèi)的電場分布影響不大，所以在建模時只需確定波導(dǎo)的截面尺寸和安裝位置。根據(jù)被加熱介質(zhì)的體積和加熱效率確定矩形諧振腔的箱體尺寸為a=500 mm,b=400 mm,l=600 mm，波導(dǎo)平行排列時波端口中心坐標(biāo)為(250,178,400)和(250,422,400)，波導(dǎo)垂直排列時波端口中心坐標(biāo)為(250,178,400)和(250,422,400)，其幾何模型如圖1所示。箱體采用不銹鋼鋼板焊接而成，波導(dǎo)采用BJ-22型標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，其截面尺寸為109.2 mm×54.6 mm。

圖1　微波加熱腔模型圖

HFSS仿真軟件是業(yè)界公認的三維電磁場設(shè)計與分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有仿真精度高、速度快、方便易用等優(yōu)點，是高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具[5]。采用HFSS軟件對圖1中不同波導(dǎo)布置方式下的加熱腔內(nèi)的場分布進行模擬仿真。分析模型中包含不銹鋼和空氣兩種材料，材料屬性的設(shè)置采用HFSS軟件材料庫中默認的材料常數(shù)，不銹鋼和空氣的相對介電常數(shù)為1.0，相對磁導(dǎo)率為1.0，不銹鋼的電導(dǎo)率為1.1×106西門子/米(Siemens/meter)；設(shè)置腔體為有限導(dǎo)體邊界(Finite Conductivity )，邊界導(dǎo)體材料設(shè)置為不銹鋼；采用HFSS軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，根據(jù)設(shè)置的誤差，自動生成精確、有效的網(wǎng)格，完成分析對象的離散化；波端口的激勵頻率設(shè)置為2 450 MHz，單個微波源功率1 050 W；采用模式驅(qū)動求解類型，收斂誤差設(shè)為0.02。

2仿真結(jié)果分析

由物理理論可知，介質(zhì)分子分為有極分子和無極分子兩種，有極分子的正、負電荷的中心不重合，其間有一段距離，可等效為一個電偶極子。在外電場的作用下，有極分子沿著外電場的方向轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向極化。當(dāng)外加電場是交變場時，有極分子的方向也隨電場方向的不斷變化而變化。在這個過程中，分子間的相互碰撞使電能轉(zhuǎn)化為分子動能，并最終轉(zhuǎn)化為熱能。因此，微波加熱腔中的電場分布將直接影響微波對腔內(nèi)介質(zhì)的加熱。

圖2為波導(dǎo)平行排列和垂直排列時加熱腔的電場矢量分布圖。從圖(a)可以看出波導(dǎo)平行排列，最大電場強度為4.91×104V/m，最小電場強度為1.60×10-2V/m，其主要電場方向垂直于XZ平面；波導(dǎo)垂直排列，最大電場強度為2.08×104V/m，最小電場強度為4.57×10-2V/m，主要電場方向垂直于XY平面。對比分析發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)平行排列時，腔內(nèi)某些位置出現(xiàn)電場過大情況，電場分布不均勻；波導(dǎo)垂直排列時，雖然腔內(nèi)總體的電場強度稍弱，但電場分布更均勻。

圖2　電場矢量分布圖

在茶葉殺青過程中，茶葉平鋪在XY平面上，Z方向的厚度不大，故分析不同Z坐標(biāo)下各XY平面的電場分布。波導(dǎo)在平行和垂直兩種排列方式下，z坐標(biāo)z=0 mm、z=100 mm和z=200 mm時，XY平面的電場分布云圖分別如圖3和圖4所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)平行排列時，在z=0 mm平面內(nèi)，最大電場強度為1.54×104V/m，最小電場強度為2.02×10-2V/m，最大電場集中在一個環(huán)形區(qū)域，且與其他區(qū)域處電場強度相差較大。在z=100 mm平面內(nèi)，最大電場強度為3.74×104V/m，最小電場強度為1.38×10 V/m，最大電場強度集中在加熱腔中間一個很小區(qū)域。在z=200 mm平面內(nèi)，最大電場強度為3.93×104V/m，最小電場強度為0 V/m，單個電場分布小區(qū)域的面積較大，且小區(qū)域內(nèi)的電場強度相差也較大。

圖3　波導(dǎo)平行排列時XY平面上的電場分布圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)垂直排列時，在z=0 mm平面內(nèi)，最大電場強度為1.96×104V/m，最小電場強度為4.57×10-2V/m，單個小區(qū)域面積較小，電場分布較均勻。在z=100 mm平面上，最大電場強度1.43×104V/m，最小電場強度1.43×10 V/m，電場分布情況與z=0 mm平面相似。在z=200 mm平面內(nèi)，最大電場強度8.17×103V/m，最小電場強度為0 V/m，電場分布均勻，但是總體電場強度較小。

圖4　波導(dǎo)垂直排列時XY平面上的電場分布圖

3結(jié)論

采用HFSS仿真軟件，對波導(dǎo)管平行排列和垂直排列時微波加熱腔內(nèi)的電場分布進行了模擬仿真分析，得出微波干涉對腔內(nèi)的電場分布影響很大，相鄰的波導(dǎo)管平行排列時，其最大電場強度是垂直排列的兩倍左右，相鄰波導(dǎo)管采用垂直布置的方式可以減小波的干涉作用，提高加熱腔中電磁場分布的均勻性，有利于對加熱腔內(nèi)介質(zhì)的均勻加熱。在大功率工業(yè)微波設(shè)備的設(shè)計中，往往是多個波源和波導(dǎo)的匹配，這種情況下可以采用近垂直遠平行的波導(dǎo)布置方式來獲得良好的加熱效果。微波加熱腔內(nèi)的電場強度和均勻性與波導(dǎo)布置方式有關(guān)，合理的波源與波導(dǎo)管布置方式是獲得加熱腔內(nèi)均勻電場分布和介質(zhì)均勻加熱的前提。

參考文獻

[1]顧小衛(wèi),蒙林,孫宜琴,等. 微波爐爐腔內(nèi)電磁場仿真[J]. 電子器件,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]張洪欣,沈遠茂,韓宇男. 電磁場與電磁波[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2013.

[5]曹善勇. Ansoft HFSS磁場分析與應(yīng)用實例[M]. 北京:中國水利水電出版社，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

作者簡介：王東東(1990-)，男，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代制造工藝及裝備的研究。

基金項目：貴州大學(xué)引進人才科研基金項目“茶葉真空微波加工設(shè)備研究與應(yīng)用(貴大人基(2013)41號)”。

中圖分類號：TS959.9；TN015

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0044-03