饋口位置及可調腔體壁對微波加熱效率的影響及其優化

黃 亮，姚 斌，和 偉，張建宇

（云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650092）

微波加熱具有速度快、可控性強、加熱效率高等諸多優點，已經廣泛運用在冶金、農產品干燥、化工以及特殊材料制備等諸多領域。微波反應腔是微波加熱的關鍵設備，不同的微波反應腔會帶來不同的加熱效率和均勻性。設計合理的微波反應腔能夠極大地提高微波加熱的效率和均勻性。姚斌[1]用HFSS軟件仿真研究了饋口位置、負載對微波加熱效率的影響并進行優化，得出饋口相互垂直比饋口平行時饋口間的反射功率小，并對腔體進行了優化，提高了加熱腔體的加熱效率；孫鵬等[2]利用COMSOL Multiphysics仿真了饋口位置、樣品位置及大小對微波加熱效率的影響；張瑾等[3]對微波加熱的均勻性以及微波閃蒸多模腔體進行了優化研究，得出了圓柱諧振腔體內的電磁場分布對諧振腔的幾何參數極其敏感，對腔體尺寸進行恰當的優化，提高微波加熱的效率，改善微波加熱的均勻性。但截至目前，尚未見到有關腔體壁可調的微波反應腔的相關研究報道。文章在分析微波反應腔相關理論的基礎上，設計了一款十字形可調腔體壁微波反應腔，利用HFSS研究了可調腔體壁對加熱效率的影響，并進行了優化。

1 模型

微波腔體中的電磁場可利用麥克斯韋方程組求得。鑒于微波爐中的介質可近似看作線性、各向同性、有耗介質，其非均勻分布時，電場的控制方程可推導為：

2 加熱效率的計算方法

微波加熱器加熱效率是由微波加熱器輸入功率和實際功率決定的。在HFSS仿真軟件中，S參數是衡量器件好壞的一個重要參量，其本身的定義即為歸一化電壓的比，所以功率比其實是S參數的平方。為了便于計算四饋口的輸入電磁波功率均歸一化為1 W，其微波間的吸收效率η表示為：

式中，Power11，Power22，Power33，Power44表示饋口1、饋口2、饋口3和饋口4之間的反射功率，Power12，Power13，Power14，Power23，Power24，Power34分別表示饋口12、饋口13、饋口14、饋口23、饋口24、饋口34之間的透射功率。

3 仿真結果

3.1 饋口位置對加熱效率及仿真優化

微波加熱器四饋口互相垂直時，可調腔體壁內正方體棱長長度α=400 mm，腔體變化參數d1，d2，d3，d4都為100 mm，饋口的反射功率及加熱效率隨r0的變化如圖1—2所示?？梢钥闯觯旔伩谖恢脜祌0＞40 mm時，加熱效率開始呈減小的趨勢，r0=130 mm時，出現最小值。最大值可達87%。因此在設計過程中，饋口間的間距不宜設計太大。

3.2 單壁可調時的加熱效率及仿真優化

由于饋口位置參數r0=40 mm時反射功率最小，加熱效率最高，故r0取此參數。取饋口長度h=60 mm，中心正方體棱長α=400 mm，其中，3個腔體變化參數d為定值100 mm，另一個厚度為d時，饋口的反射功率及加熱效率隨厚度d的變化如圖2所示。可以看出，當d=20 mm時，反射功率最大，加熱效率最??；當d=90 mm時，反射功率最小，加熱效率最高，可達91%。

圖1 加熱效率隨饋口位置r0的變化

圖2 加熱效率隨腔體變化參數d的變化

圖3 加熱效率隨腔體變化參數d的變化

3.3 雙壁可調時的加熱效率及仿真優化

當d1，d3為100 mm，d2，d4為d時，饋口的反射功率及加熱效率隨厚度d的變化如圖3所示?？梢钥闯觯攄=10 mm，20 mm，95 mm時，反射功率小，加熱效率高，最高可達93%。

（1）微波的加熱效率η隨著饋口位置參數r0的增大逐漸減小，所以在設計過程中，饋口的位置參數r0不應取過大，且當r0=40 mm時，微波反射功率較低，加熱效率較高。（2）可調腔體變化參數d在20～90 mm，微波反射功率呈現逐漸減小的趨勢，微波加熱效率逐漸增大。在d=90 mm時，加熱效率取得最大值91%。（3）可調腔體壁相對面腔體變化參數d=10 mm時，微波反射功率最小，微波加熱效率最高93.1%；可調腔體壁相鄰面腔體變化參數d=95 mm時，微波反射功率最小，微波加熱效最高，最高為96.3%。（4）可調腔體變化參數d=85 mm，微波反射功率最小，微波加熱效率最高為88.1%，且d在80～105 mm范圍內取得較大的加熱效率。

4 結語

合適的饋口位置以及對微波加熱器可調腔體變化參數的大小、微波加熱器的加熱效率起著十分重要的作用。在優化仿真后，微波加熱器在頻率為2.45 GHz頻段下，微波加熱的加熱效率最高可達96.3%。對可調腔體微波加熱器的研制具有一定的指導意義。