矩形谐振腔微波场的均匀化研究

赵刚　刘庆凯　王筠

【摘 要】微波作为一种清洁能源，具有加热速度快，整体加热等特点，在材料高温煅烧、食品干燥、废水处理等领域得到了日益广泛的应用。但在加热过程中，微波场中存在“热点”，导致物料受热不均匀，出现板结、烧焦等现象，最终影响产品的品质。因此，微波加热设备谐振腔内微波场的均匀性设计至关重要。本研究根据微波场均匀性理论，求出在2450MHz频率下矩形谐振腔的模式数，采用CST软件模拟出微波场内电场和磁场的矢量分布，为谐振腔的设计提供了参考。

【关键词】微波加热；微波场；均匀化；电场分布

物料作为电介质，对微波都有吸收特性。微波作用于物质分子，产生偶极转向极化，频率为2450MHz微波场中交变电场每秒变向2.45亿次，偶极转向极化达不到交变电场转向速度而滞后于电场，导致物料内部功率消耗，产生热效应[1]。在矩形波导谐振腔内，入射波遇金属腔壁反射，但入射波与反射波相遇叠加时能产生驻波现象。因此，微波场中有场强较强处，有场强为零处，单位容量物料内消耗的微波功率与该处电场强度的平方成正比，如不采取措施，物料受热极其不均匀[2]，电场较强处物料吸热较多，升温速度快，出现“过热”现象。

微波均匀加热常通过使用模式搅拌器，扰动驻波场，或将物料放到转盘上旋转等措施实现。但这些方法不能从根本上实现微波场的均匀化。可通过多种频率模式的电磁场分布迭加来提高电磁场分布的均匀性[3]，并对谐振腔内电磁场分布进行计算，获得三维空间场强分布，可优化谐振腔结构，合理设置馈口数量及位置，提高微波场均匀化。本文理论计算了一定频率下矩形微波场中模式数，计算了一定模式下微波场分布，采用CST软件模拟了一定负载，使用两个斜喇叭口形状馈口条件下，微波场内电场和磁场矢量分布，为谐振腔结构的优化设计提供了基础。

1 矩形谐振腔的模式计算

一个矩形谐振腔可以看做一段长度为l的矩形波导，其两端用金属板封闭。在矩形波导中，纵向为行波状态，考虑到谐振腔两端短路，将引起反射，反射行波与入射行波叠加形成驻波。矩形谐振腔具有无穷多个分离的震荡模式，可以用TEmnp和TMmnp表示，每一个模式代表一种场的分布形式，下标m、n、p分别表示在a、b、l上分布的半驻波波长个数。

假设在空间直角坐标系中一个矩形谐振腔在x方向上的长度为a，y方向上的长度为b，z方向上的长度为l，则矩形谐振腔的谐振波长为：

对应在自由空间中的谐振频率为：

可见m、n、p不同，谐振腔就会有不同的谐振频率，TEmnp和TMmnp的模式标号m、n、p相同时，其谐振频率相同，是简并的。要注意的是，对于TEmnp模式，p不能为零，且m、n不能同时为零；而对于TMmnp模式，m、n都不能为零，但p可以为零。

令a= 460mm，b= 400mm，c= 400mm，则在2400MHz～2500MHz频段内，理论上该谐振腔至少可存在如表1模式：

表1 本例中谐振腔模式与谐振频率对照表

虽然从表中可以看出，在2400MHz～2500MHz频段内，理论上可以存在非常多的模式，但是，受到馈口的模式限制，有相当一部分模式并不会被激发。而且由于馈口的存在，腔体的边界条件发生变化，也会使其所激发模式的谐振频率发生偏移。

2 矩形谐振腔的场分布

以最接近2450MHz的TE306模式为例，模拟了微波场的分布（见图1）：

现实情况，由于实际腔体中存在一些有耗媒质，它们会吸收并散射一部分电磁波，腔体内部的电磁波并不完全是驻波，而且在某些区域呈现明显的行波特征，是行驻波。因此，实际腔体的场分布往往与理想的谐振腔的场分布相去甚远。

3 负载为水的仿真结果

将两个馈口放置在炉腔的后面与左侧面上，这样可以减少两个馈口之间的互耦。此外，两个馈口均采用倾斜喇叭式的馈能结构，这样做可以避免腔板对馈口的直接反射。微调馈口位置与倾斜角度可以对驻波比产生影响。S参数随频率变化曲线见图2。

图1中红色曲线表示各个频率下1端口（左侧面端口）接收到的所有回波（来源包括1和2两个端口）与入射波的电压比（用dB表示）；而绿色曲线则表示各个频率下2端口（后面端口）接收到的所有回波与入射波的电压比。这个数值越小则驻波比越小，当这个数值小于-15dB时，对应驻波比小于1.4，从仿真结果知，端口1的S参数在2450MHz时为-17.4dB，端口2为-13.9dB，综合驻波比小于1.4。电场分布如图3所示。

从仿真结果（图3）可以看出，物料边沿的微波场明显偏强，这是由于边沿处的曲率较大，属于尖端，使得微波场在此处聚集，导料金属管附近的微波场偏强的原因也是如此。但总体上，物料区域微波场分布相对均匀，物料可得到均匀加热。

4 结语

通过软件模拟获得了矩形谐振腔内的场分布情况，可以通过合理设置谐振腔微波口位置及数量，获得均匀的微波场。采用两个倾斜喇叭式的馈口结构，可有效减少回波，两个端口的综合驻波比小于1.4。选取300mL水模拟了物料在谐振腔内的电场分布，合理放置物料在谐振腔内的位置，可获得理想加热效果。

【参考文献】

[1]Galema S A.Microwavechemical.Chemical Society Reviews，1997，26：233-238.

[2]朱建清，刘荧，柴舜连.电磁波原理与微波工程基础[M].电子工业出版社，2011.

[3]谈浩.微波场均匀性设计及干燥过程数值模拟[D].云南：昆明理工大学，2009，10-17.

[责任编辑：王伟平]