基于CST仿真軟件的微波反應裝置設計

楊欣昱 唐鈺佳

電子科技大學 （四川成都 611731）

20世紀40年代基于軍事需求發明了微波發生器后，人們逐漸發現微波可用于物料的反應、加熱、干燥等方面，目前已在多個領域開展了相關研究與應用，涉及多種物料狀態。微波處理方式已成為提高物料和產品指標的關鍵[1]。基于計算機仿真技術（CST）仿真軟件，完成了微波發生器、微波饋入單元、微波反應器和微波屏蔽的電磁仿真設計，實現了對液態物料的處理并確保微波泄露值滿足相關標準要求。

1 相關背景

1.1 微波效應概述

微波在現代科技中有著廣泛的應用，可用于點對點通訊、無限網絡、雷達衛星等通信系統[2]。此外，微波對物質具有加熱效應，人們利用其良好的加熱性發明了微波爐[3]。經過半個世紀，食品微波爐已經普及至千家萬戶。近年來，隨著微波化學效應研究不斷取得進展，國外開始研制工業應用的特種微波化工設備和裝置，國內相關行業也基于工業訂單展開特種微波設備的研制，有些已經得到成功應用。

微波對物料的作用具有整體性、選擇性、快速高效等特點，可用于物料的反應、加熱、干燥、殺菌、保鮮等方面，已在有機合成、高分子聚合、化學萃取、物料膨化、陶瓷燒結等單元操作中得到研究和應用[4]。國外已在精細化工、食品、煙草、機械、陶瓷、木材、環保、生物化學、分析測試等行業開展微波效應的研究與應用，研究對象涉及液態、固態、液體固化、流態顆粒燒結等，幾乎每一類物料狀態中都存在多種適宜微波處理的物料。國際上，在某些高品質材料以及由高品質材料制備高新技術產品的研制過程中，微波處理方式已成為提高物料和產品品質的關鍵。

1.2 基于CST的電路設計

CST由德國開發，是當前微波設計中普遍使用的商業化三維電磁仿真軟件。基于CST可以進行各種仿真模塊的開發[5]。根據邊界和微波端口，可給出模擬區域的電磁場分布，適用于對射頻、無線通信、封裝及光電子產品新功能的開發提供有效的研究手段，能夠計算任意形狀無源結構的S參數、全波電磁場。在微波反應裝置設計過程中，利用多臺計算機工作站和三維圖形系統工作站，基于電磁仿真軟件（CST MWS）、三維粒子模擬軟件(MAGIC和CHIPIC)及有限元分析軟件（ANSYS），完成了電磁仿真設計。

2 主體設計

2.1 模塊化設計

基于已有的裝置設計經驗和電磁仿真設計知識，確定設計思路為：采用單元+模塊+電路的模塊化方式、逐層搭建、構成整體電路。（1）單元：由獨立的供電電路、高壓發生器、微波管、控制信號等組成，可獨立地產生和控制微波。單元輸出微波功率為1 kW，其基本結構如圖1所示。（2）模塊：10個單元組合在一起成為一個模塊。模塊中每個單元的控制信號均連接至裝置的中央控制器，且各個單元的控制信號互相獨立。（3）裝置：由6個10 kW模塊進行組合，形成一個整體的微波裝置。設置中央控制系統，可對裝置中所有的微波管工況進行互為獨立的監測和調控，與物料處理情況的具體參數相連接并進行反饋，妥善地調控微波工況。

圖1 基本組成單元（1 kW微波管）工作流程

2.2 單元（1 kW微波管）的供電電路

單元的核心是1 kW微波管，擬選型號為M24FB-210A，輸出微波功率為1 kW，頻率為2 450 MHz，用電功率為1.4 kW。微波管需要由4 kV的高壓驅動，因此配設將220 V轉換為4 kV的高壓包。圖2為1 kW微波管單元的供電電路。

3 控制設計

3.1 各單元獨立的供電電路

每個單元有獨立的供電電路，利用220 V電壓轉換而來的4 kV高壓（見圖1和圖2）為1 kW微波管獨立供電，每個單元的供電電路要接收該模塊提供的控制信號。為了避免各個單元之間相互干擾，由控制信號為220 V的繼電器直接控制供電電路的輸入饋電。

3.2 每個模塊獨立工作

每個模塊10個單元獨立工作（獨立接收控制信號），有1個獨立的控制系統，該控制系統接收到的控制信號是小信號（如溫度），要將其轉換為220 V的電壓信號，然后輸出到10個單元的控制端，控制輸入饋電的繼電器。

3.3 整體設計

項目選用M24FB-210A型微波管作為微波產生單元，由此，由10個單元構成一個具有相應功能的10 kW微波發生模塊，最后形成一套60 kW的微波液體處理裝置，如圖3所示。

圖3 60 kW微波液體處理裝置結構

微波裝置設立3種工作方式：

（1）一個10 kW的微波發生模塊，不考慮微波加熱對微波化學反應的負作用，將微波產生的熱能通過容器壁傳遞給大氣；

（2）2個10 kW的微波發生模塊，考慮微波加熱，針對不同溫度下的微波化學反應；

（3）3個10 kW的微波發生模塊，考慮高溫下的微波化學反應。

4 微波反應器設計

4.1 單管饋入設計

裝置中的核心器件是微波管（型號為M24FB-210A，輸出功率為1 kW，頻率為2450 MHz，用電功率為1.4 kW），產生的微波通過一個模式轉換器進入微波反應器，為被處理物料吸收。

圖4所示為微波管饋入單元的結構，其中微波輻射窗（材料為聚四氟乙烯）實現微波反應容器同微波管之間的隔離。

圖4 微波管饋入單元的結構

圖5為微波管饋入單元的安裝圖。

圖5 微波管饋入單元的安裝圖

4.2 十管饋入設計

由于微波反應器的直徑（d=100 cm）和深度（h=100 cm）均大于微波管輻射的微波波長（λ=12.2 cm），因此在理論上，微波反應器對于微波管饋入單元是開放空間，即微波管通過饋入單元向微波反應器傳送微波是無障礙的。

利用CST研究了微波管在中心位置時向微波反應器傳送微波的物理過程，微波場分布見圖6。

在圖6所示結構中，被處理物料的直徑為50 cm，厚度為 20 cm，對應的體積是 4×104cm3，如果被處理物料是水，則一次的處理量是40 kg。

圖6 微波管在中心位置時向微波反應器傳送微波的物理過程

4.3 物料微波反應均勻化設計

根據CST仿真結果進行微波反應器上饋入單元的安裝布置設計，具體如圖7所示，1個微波反應器上安裝10個微波單元（微波管和微波饋入結構）。考慮到微波作用區很難完全均勻，且微波作用過程與物料吸收微波的過程相互耦合、相互影響，也會使微波的分布均勻性變差，因此需采取圖3所示的物料擺動方式，克服微波場的不均勻性。

圖7 微波反應器上饋入單元安裝圖

5 屏蔽設計

依照相關微波泄露標準[1]，微波屏蔽設計主要包括以下幾個方面:

（1）絕大部分微波沿著設計的路線進入反應器，多數直接被液態物料吸收，少量達到器壁（特殊材質）后被反射回物料中進行二次吸收，經過多次反射后可以被完全吸收。這種情況可以不考慮微波泄露和屏蔽。

（2）少部分微波殘留在微波管上，為了避免對外釋放，設計一個屏蔽罩來消除這部分泄露微波，屏蔽罩側面增加鐵氧體涂敷層來吸收微波，并避免諧振（如圖8所示）。屏蔽后的微波泄露量低于空氣本底值，完全滿足相關標準的要求。

圖8 微波屏蔽設計示意圖

6 結語

利用CST模擬軟件解決了1 kW的微波饋入和10 kW微波饋入之間的相互干擾問題，使用1 kW的微波管合成出一個10 kW的微波反應模塊，不僅降低了成本，而且從技術上大大減輕了10 kW微波發生器的開發困難，使微波化學反應裝置在生產上成為可能，同時引入模塊（10 kW模塊）概念，解決大規模、多重化學工藝的技術困擾。下一步的工作是同相關化學工藝緊密結合，將該類裝置推向實用化。

[1]李士根.微波的新應用和安全標準 [J].電子工程信息，1997，2（3）：59-61.

[2]KUMAR S，SHUKLA S.Concepts and applications of microwave engineering[M].PHI Learning Pvt.Ltd,2014：3.

[3]Cooking with Short Waves[J].Short Wave Craft,1933,4(7):394.

[4]牟群英,李賢軍.微波加熱技術的應用與研究進展[J].物理,2004,33(6):438-442.

[5]張敏，王紅麗，孫佳偉.基于CST軟件的專用仿真平臺的開發 [C]//中國電子學會.2007年全國微波毫米波會議論文集（上冊）.寧波：2007.