基于微波非熱效應的諧振腔仿真設計

張玉玲

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

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

由于傳統的熱力殺菌技術會對被處理食品在色、香、味和營養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行了大量探索。微波對微生物的作用表現為熱效應和非熱效應。所謂熱效應是指生物物體吸收微波的能量后，體溫升高從而發生各種生物功能的變化；非熱效應是在電磁波作用下，生物體內不產生明顯的升溫，卻可以產生強烈的生物響應，使生物體內發生各種生理、生化和功能的變化[2]。對微波熱效應的研究已基本完善，而非熱效應則是近些年來微波滅菌的主要研究熱點。根據電穿孔理論，當外加電場達到106V/m及以上時，細菌的細胞膜便會產生破裂致其死亡[3]。所以關鍵問題就是如何獲取細胞電擊穿所需的高場強。

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實現快速滅菌的重入式諧振腔結構模型，仿真結果表明當輸入功率在百瓦量級時就能在滅菌區域達到電穿孔所需高場強從而實現滅菌。

1 腔體設計

利用高場強的同軸腔結構在國內外航天領域已有研究應用[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是電場主要集中在兩個內導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導體環向包圍。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上做了改進，將原有內導體間隙處的一端的平面結構用圓錐體結構代替，由尖端效應知，這樣在間隙處場強會有很大的增強，最終我們采用的同軸諧振腔具體結構如圖1所示。

由于重入式諧振腔在尺寸上滿足兩內導體間的間隙d遠小于腔長h，腔體半徑r1、內導體半徑r2、腔長h遠小于諧振波長λ的條件下，就可以近似認為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形部分。由于電穿孔是個瞬時過程，所以我們在設計時，將兩導體間的間隙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。腔體的各個參數通過仿真優化來確定，首先通過仿真觀察各個參數的變化對頻率的影響，如圖2所示。

圖1 重入式諧振腔結構示意圖Fig.1 Structure of reentrant cavity

通過觀察各個參數對頻率變化的影響將有助于我們對腔體的設計，由于考慮到加工精度和實際實驗操作等問題，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，內導體半徑r2為3 mm，液體半徑r3為1 mm，腔長l1為31.7 mm，內導體前端圓錐體h為6 mm，在仿真過程中，其他參數固定后，把l1作為調諧參數。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形部分，表明我們的尺寸選擇是合理的。

2 腔體仿真結果

圖2 腔體各參數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用價值的，它必須通過端口與外電路連接以進行能量交換[5]，常用的耦合方式有探針耦合、環耦合和孔耦合，由于我們利用的是電場最強處與液體相互作用，因此在本文中利用的是磁耦合方式即環耦合與外電路進行能量交換，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的位置和大小并得到其S11曲線，如圖3所示，y表示耦合環的中心離端面圓心的距離，r表示耦合環的半徑，由圖3（a）可知，耦合環越靠近端面中心S11越小，能量饋入越多，但仿真中耦合環離中心太近不方便實際安裝，因此我們取 y為20 mm，由圖3（b）知當耦合環半徑為5.1 mm時，S11能達到-30 dB以下，此時能量基本完全饋入腔體。

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

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

3 結 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來實現滅菌的諧振腔，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構為50 Ω的N型連接頭。通過CST仿真得到當輸入功率在200 W，液體中的電場強度便可以達到106V/m以上，能夠實現有效快速的滅菌或用于其他高能量微波應用中，同時本文也為在低功率情況下實現高場、高能流密度的微波場分布提供了依據。

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