（无线电物理专业论文）微波炉打火问题的改善及其腔体的优化设计.pdf

摘要 摘要 随着微波技术的发展，微波能应用技术也越来越体现出它的优越性。微波炉 是微波能应用技术应用最普遍的一种微波加热器。微波炉的输出功率，加热均匀 性是主要的性能指标，因此测定微波炉功率，加热均匀性是一项重要的工作。如 何通过对耦合窗的改进，使能量最大限度的馈入微波炉腔体，这一方面可以提高 微波炉的利用效率，另一方面，使尽可能少的能量反射回磁控管，从而避免磁控 管使用寿命缩短，甚至损坏管子。 在生产线上，经常发生打火、不均匀加热以及泄漏等不良现象。设计者往往 通过实验来解决这类问题，实验过程具有一定盲目性。这就使研发工作实验量大， 实验方向不明确，效率低，而且造成了成本相对较高的劣势。为了克服传统的微 波炉设计中的“设计试制。修正刀旧的设计制造模式的弊端，将现有的商业软件较 好的和实验过程结合起来就显得尤为重要。h f s s 和c s t 是最早进入中国的仿真软 件，经过二十多年的发展，h f s s 和c s t 以其较高的仿真精度和可靠性，快捷的仿 真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结 构设计的首选工具。结合仿真软件，对微波加热腔特性进行研究，从而根据场结 构的特点来改进谐振腔结构设计；合理选择能量输出装置，使微波能量最大限度 的耦合到腔体中并作用到加热材料上去；判断耦合窗附近是否会出现打火现象等。 在理论指导下，实验和软件相结合必将成为今后各公司进行研发的新路子。 本论文系统的分析了耦合窗打火问题的改善过程，料理均匀性的改善方法， 并探索了炉门泄漏问题的改善方法。首先对打火，场均匀性，泄漏问题的原理进 行分析。接下来，结合生产中的实例分析了打火问题、均匀性问题的改善过程和 思路。最后，对泄漏问题进行了一定的探索性研究。通过实验结果和仿真结果的 对比，证实了本文论述的微波炉设计方法具有一定的工程实用价值。 关键词：加热均匀性，耦合窗，打火，泄漏 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o w a v e t e c h n i q u e , a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m i c r o w a v ep o w e ra l s os h o w si t sa d v a n t a g e sm o r ea n dm o r e m i c r o w a v eo v e ni sa h e a t i n ga p p a r a t u st h a tm o s tc o m m o n l yu s e sm i c r o w a v ep o w e r o u t p u tp o w e ra n d h e a t i n gu n i f o r m i t ya r em a j o rp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，s oi t i si m p o r t a n tt om e a 羽l r e o u t p u tp o w e ra n dh e a t i n gu n i f o r m i t yo fm i c r o w a v eo v e n b yi m p r o v i n gc o u p l i n g a p e r t u r e ，p o w e ro a n b ef e di nm i c r o w a v ec a v i t yt ot h e 伊e a t e s te x t e n t , w h i c hc a n o no n e h a n dg r e a t l yi m p r o v eu s ee f f i c i e n c yo fm i c r o w a v e ；a n do nt h eo t h e rh a n d , c a nm a k et h e l e a s te n e r g yr e f l e c tb a c kt ot h em a g n c c t r o n , s oa st oa v o i ds h o r t e n i n gt h el i f e s p a no f m a g n e t r o n , e v c l ld a m a g i n gt h em a g n c t r o n o nt h ep r o d u c t i o nl i n e , s u c hu n f a v o r a b l ep h e n o m e n aa ss p a r k i n g , n o n - u n i f o r m h e a t i n ga n dl e a k a g e ，e t co f t e nh a p p e n u s u a l l yd e s i g n e r ss o l v et h i sk i n do fp r o b l e m s t h r o u g he x p e r i m e n t s ，w h i l ee x p e r i m e n t sh a v et h ed i s a d v a n t a g eo fc e r t a i nb l i n d n e s s t h i sl e a d st on o to n l yal a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k , o b s c u r ee x p e r i m e n t a ld i r e c t i o n , l o we f f i c i e n c y , b u ta l s od i s a d v a n t a g eo fr e l a t i v e l yh i 班 c o s t i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e 丘d to ft h eo l dt r a d i t i o n a lm o d e lo f d e s i g n - p r e p r o d u c t i o n - c o r r e c t i o n , i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oc o m b m et h ee x i s t i n g c o m m e r c i a ls o f t w a r ea n de x p e r i m e n t a lc o u r s ep r o p e r l y i - i f s sa n dc s ta r et h ee a r l i e s t s o f t w a r ei n t r o d u c e di n t oc h i n aa n da f t e ro v e r2 0y e a r s d e v e l o p m e n t , t h e yh a v eb e c o m e t h ep r e f e r r e dt o o li nh i g h - f r e q u e n c ys t r u c t u r ef o rh i g h e rs i m u l a t i o na c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y , f a s t e rs i m u l a t i o ns p e e d , e a s y - t o - u s ei n t e r f a c e ，s t a b l ea n dm a t u r et e c h n o l o g y o fa d a p t i v em e s hs u b d i v i s i o n t h r o u g hs t u d y i n go fm i c r o w a v eh e a t i n gc h a m b e r c o m b i n i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e , p e o p l e 锄i m p r o v es t r u c t u r a ld e s i g no fr e s o n a t o r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l ds l r u c t u r e ；c h o o s er e a s o n a b l ep o w e ro u t p u t d e v i c e , a n dh a v em i c r o w a v ee n e r g yc o u p l ei n t ot h ec o u p l i n gc a v i t ya n dp u ti n t oe f f e c t t ot h eh e a t i n gm a t e r i a lt ot h em a x i m l r i l ja n dw h a t sm o r e , c a nj u d g ew h e t h e rt h e r ew i l l b ep h e n o m e n o no fs p a r k i n gn e a rt h ec o u p l i n ga p e r t u r e u n d e rt h ei n s t r u c t i o n so ft h e o r y , c o m b i n i n ge x p e r i m e n t sa n ds o f t w a r ei ss t i l et ob e c o m ea n e ww a yo fa uc o r p o r a t i o n s t h i sa r t i c l eg i v e sas y s t e m a t i ca n a l y s i so nh o wt oi m p r o v et h ep r o b l e mo f s p a r k i n g 二 a b s t r a c t i n c o u p l i n ga p e r t u r ea n di m p r o v e t h eu n i f o r m i t yo fc o o k i n g , a n de x p l o r e st h e i m p r o v e m e n to ft h ep r o b l e mo fl e a k a g ei nt h eo v e nd o o r f i r s t , t h ep r i n c i p l eo fs p a r k i n g , f i e l dd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t ya n dl e a k a g ea r ea n a l y z e d n e x t , c o m b i n i n gr e a le x a m p l e s i np r o d u c t i o n , t h ep r o b l e mo fi m p r o v i n gs p a r k i n ga n df i e l dd i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d ；a n d a tl a s t , as e r i e so f e x p l o r a t o r y r e s e a r c hi sd o n eo nt h ep r o b l e mo f l e a k a g e b yc o m p a r i n g t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s ，i tp r o v e st h a tt h em i c r o w a v eo v e nd e s i g n m e t h o dd e m o n s l x a t e di nt h i sa r t i c l ei sr e a l l yo fg r e a tp r a c t i c a lp r o j e c tv a l u e k e yw o r d s ：h e a t i n gu n i f o r m i t y ，c o u p l i n ga p e r t u r e ，s p a r k i n g , l e a k a g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：塑垄些日期：刃谚年岁月谚日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盏蠡些导师签名： 日期：年 月日 第一章绪论 1 1 微波炉的研究意义 第一章绪论 随着生活水平的不断提高，微波炉已经成为一种不可缺少的家用电器。作为 顾客来说，对微波炉的性能要求也越来越高，表现在对加热食物的品种要求更多， 从传统的一般食物加热发展到各种食品的制作，如蛋糕、土豆泥等等；同时还要 有烧烤和解冻功能，这就要求微波炉具备更为全面和优异的功能。而所有的这些 功能，均依赖于微波炉腔体与磁控管的匹配是否良好，即使功能全面的微波炉， 如果匹配不好，不仅达不到预期的效果，而且还有可能在轻负荷的时候出现打火、 局部热变以及泄漏等不良现象，严重影响微波炉的正常工作。在实际生产过程中， 也经常发生打火、局部热变以及泄漏等现象，而匹配状态的好与坏，很大程度上 取决于腔体结构、波导尺寸以及耦合窗的位置及尺寸等。因此，研究腔体和耦合 窗的尺寸，对其进行优化设计，可以改善腔体的匹配状态，减少打火、局部热变 和泄漏的发生概率，降低生产成本，提高产品利润。 随着微波炉在市场上的普及，微波炉应用范围也在不断扩大。由于微波炉的 大能量的高频功率，使其除了在传统的烹调加热等领域的功用外，还在烘干、杀 菌、保健和医疗等方面有着广阔的应用前景。进一步了解家用微波炉炉腔内电磁 场的分布情况，是提高微波炉使用效率的重要因素之一。微波炉炉腔结构复杂， 对其内的电磁场分布进行理论分析是一件非常困难的事情，基本无法得到一个解 析解。研究者往往只能对简化模型进行理论分析，这远远不能满足生产的要求。 微波炉的实际研制过程仍然是采用不断“设计一试制一校正 的方式，但这种方式 相当耗费时间和资金。尤其是2 0 0 6 年美国能源部发布了关于住宅电子和燃气器具、 微波炉、洗碗机、除湿机和商业洗衣机的节能标准，最p 1 8 1 号通报，对微波炉的效 率提出了更高的要求，并且把能效标准与售价挂钩，达到更高能耗等级的产品可 以以更高的价格销售，获得一定的税率优惠。所以如何寻找一种耗时更短，成本 更低的设计方法，是众多微波炉生产厂商和广大研究者追求的目标。 本文通过对耦合窗匹配特性及腔体优化的研究，力求找到一种理论、仿真和 实验过程紧密结合的研究方法，以最大限度的提高研发效率，克服传统的微波炉 设计制造模式的弊端。对微波加热腔特性的研究，可根据场结构的特点来改进谐 电子科技大学硕士学位论文 振腔结构设计，合理选择能量输出装置，使微波能量最大限度的耦合到腔体中并 作用到加热材料上去。本论文着重分析了耦合窗的设计思路，并对能量均匀性作 了分析，总结了场分布和能量均匀性的分析方法。对于微波泄漏问题，一般测试 中将微波泄漏感应器贴近微波炉炉门内的金属网片，感应器与网片相距5 厘米。在 这种情况下，按国际电工委员会( i e c ) 的标准，微波泄漏应低于5 m w c m 2 才是安全的， 而美国电器安全标准委员会( u l ) 的标准规定更严格，为l m w c m 2 。目前，国际知名 品牌的微波炉厂家，都将微波泄漏的指标严格控制在远远小于l m w c m 2 ，以达到最 安全值。在实际生产线上，真正泄漏比较严重的部位一般是炉门四周的缝隙。 目前为解决微波炉泄漏问题，一般在炉门四周采用由许多炉齿组成的抗流结 构，如何将实验和现有的商业软件相结合进行抗流结构的设计同样非常困难。主 要在于抗流结构非常复杂，建模和仿真计算都非常困难，无法获得一个和实际相 符的简化模型。本文探索利用t t f s s 设置周期边界条件，对模型作了简化，创建了 炉门的单齿结构模型，从实践上看是有效的。鉴于四个角结构的不规则性如毛刺 的存在，虽然对炉门四个角的泄漏问题还无法用软件提供解决方案，但对中间炉 齿部分的泄漏问题仍然具有实际意义。 1 2 微波炉的发展历史和国内外的研究现状 微波技术开始于1 8 9 7 年瑞理关于空心管中传播电磁波的理论工作，1 9 3 8 年维 利安兄弟制出了第一只速调管，4 0 年英国人制成了多腔磁控管，以后发展很快。目前 微波技术已很成熟，广泛的用于工业、农业、天文、军事、科学、医疗等领域。而 微波能用于食品加热是由p e r c ys h e n c e r 在1 9 4 5 年提出的，这促进了微波能用于工 农业加热和第一个微波炉的发展。这以后应用不断的扩大，1 9 6 4 年在美国弗罗里达 召开了第一个独立的微波能应用会议。1 9 6 6 年在阿伯特大学成立了国际微波能协 会( n v n , i ) ，并定期出版刊物专门介绍这方面的进展和应用情况。 生产线上微波炉的打火问题的主要原因是因为腔体与磁控管的匹配不良。国 内闫丽萍等【1 】的研究只给出了腔体的特性，没有设计磁控管的阻抗匹配关系；祝建 国【2 】只研究了脉冲磁控管的打火原因及解决方法，没有给出连续波磁控管的结论。 目前对打火问题一般的解决办法也只能通过实验的办法来解决，主要的参考依据 是雷基卧3 1 。微波炉输出功率、加热均匀性是主要的性能指标，因此测定微波炉功 率、加热均匀性是一项十分重要的工作降毋。我国陈成坤、吴鼎对微波炉的负载特 性作了较详细的研究网。关于微波炉加热均匀性的研究，国内季天仁、闫丽萍等对 2 第一章绪论 此有过研究【l ，7 】，季天仁对旋转天线改进微波炉加热均匀性作了详细研究，但对转 盘方法未作研究。闫丽萍说明了输出功率随负载的变化情况，负载面积越大输出 功率也越大，当负载面积足够大时，负载面积对输出功率的影响减弱。并且负载 转动对加热均匀性影响很大，一般可提高l 倍左右。关于场分布的均匀性，国外 也有大量的研究文献【8 。1 0 1 ，其中常用的方法是f e m ，f d t d 等。关于炉腔内电磁能量 分布的研究是与场分布密切相关的，这方面的文献也很多【1 1 。1 4 】，对场分布均匀性 通常考虑的方法是利用模式搅拌器【1 5 1 6 1 。2 0 0 5 年，利物浦大学y ih u a n g ，x uz h u ， b i n o yn a i r 运用理论和实验的方法分析了规则矩形谐振腔的场均匀性问题，给出 了一种典型谐振腔尺寸，并针对实际带有转盘和模式搅拌器的谐振腔给出了在 2 4 5 g h z 频点上模式数的近似估算公式，从而研究了规则矩形谐振腔内场分布的特 点【1 7 】。2 0 0 6 年西班牙e l s ad o m i n g u c z - t o r t a j a d a 给出了可以用方差来评价场分布均 匀性的算式【l 町，研究了用多层介质取得功率效率最优值的方法。同时这个方法相 比应用模式搅拌器来说，能够更好的避免边沿过热现象，因此对研究炉腔内的场 分布闯题是一个很好的选择。但多层介质的方法对目前价格竞争如此激烈的今天 显得不太实用；w a t a n a b es ，k a k u t a , y ，h a s h h n o t oo 利用f d t d h t e 方法，考 虑了融解热及非线性的影响，并考虑了解冻过程中复相对介电常数及热传导率在 加热过程中的迅速变化，计算得出了热材料的温度分布和测量值近似的符合。不 过仍然采用了规则的矩形谐振腔【1 9 】。2 0 0 7 年，w a t a n a b es ，k a k u t ay ，h a s h i m o t o o 进一步利用f d t d 方法对规则矩形腔体计算了加热材料的不均匀性温度分布，同 时考虑了电磁学问题、空气对流、热辐射等问题，计算出了材料表面温度分布【2 0 】。 关于微波泄漏问题，实际上的标准有国际标准，同时各个生产厂家通常制订 有自己的标准，一些名牌微波炉生产厂家对自己的产品标准制定更为严格，以利 于提高在市场上的竞争力。为此，一些国外大公司都开发了独特的防泄漏技术。 比如：目前微波炉炉门上的防止泄漏的金属网片，它的最早开发专利来自美国。 再如，在微波泄漏最可能发生的门体与炉腔腔口接触的缝隙处，最初时由于采用 接触式炉门存在安全隐患，如今几乎已被淘汰。美国早在8 0 年代就已经开始研究 抗流式炉门，由于很多微波炉厂家对泄漏标准都进行了更为严格的规定，现在抗 流式炉门已成为新的研究热点。这方面的文章比较少，2 0 0 5 年日本的k o u t a m a t s u m o t o 和o s m n uh a s h i m o t o 建立了比较规则的抗流结构模型，利用f d 3 1 d 方 法分析了炉门上下左右四边缝隙的泄漏问题，发现四边的泄漏情况不完全相同。 分析结果表明，使用齿状抗流结构能够获得3 0 d b 以上的屏蔽效果【2 1 1 。但这种分析 方法在实际中还不能得到有效的应用。2 0 0 8 年，t o m i y a s uk 指出了微波炉泄漏问 电子科技大学硕士学位论文 题涉及到一个公众的安全问题，这个问题一直没有得到有效的解决。他通过利用 麦克斯韦方程，分析指出通过槽缝的磁场旋度会产生强的电场辐射，同时指出了 齿状抗流结构经济实用，可靠性较好，能够承受炉门和炉腔间隙的机械形变。抗 流结构的目的是要在缝隙处提供良好的电接触。到目前为止，世界上几乎所有的 微波炉均采用这种结构田j 。 综上所述，无论对打火，场均匀性分析还是泄漏问题的分析，国内外的研究 方法主要是实验的方法，或者利用f d t d ，f e m 等方法对规则模型计算，上述方 法在进行微波炉研究时是有用的，但在实际微波炉生产中有时显得不太实用。实 际上，现有的商业微波仿真软件为我们提供了有利的工具，如何能将它和实验结 合将会对微波炉生产和研究至关重要。由于微波炉抗流槽结构复杂，应用商业软 件存在一定困难，如何将实验方法和商业软件结合的更好，需要进一步研究。 1 3 论文的内容安排及创新点 本文从理论，实验到仿真紧密结合，系统的分析了微波炉生产实践中经常出 现的打火，场分布不均匀，泄漏等问题产生的原因，提出了指导微波炉设计的方 案。在对规则腔体进行建模的基础上，利用仿真的方法研究了腔体不同部位尺寸， 材料，腔壁电导率等各种因素对场分布均匀性的影响。 本文内容共分六章。第一章讲述了微波炉研究的意义，微波炉的发展历史、 国内外的研究现状和论文的创新点。第二章讲述了微波炉的主要结构及主要部分 的工作原理，分析了微波的特点，微波加热的原理，并对介质的加热特性作了介 绍。第三章着重分析了打火，泄漏等不良问题产生的原因，并分析了场均匀性的 原理和改善的方法。第四章讲述了如何利用仿真软件进行微波炉分析，着重从规 则腔体出发，研究了不同部位尺寸，材料，金属电导率等对场分布的影响，为后 面微波炉设计提供指导方案。第五章以l g 公司m s l 7 4 3 w s z 型号微波炉为例，说 明了打火问题的改善过程，并通过料理实验验证场均匀性问题以及如何进一步改 善，从而得出这类问题的研究方法；另外以生产线上m s 0 7 4 4 型号微波炉泄漏问 题为例探索了一种泄漏问题的改善方法，重点探索了如何将复杂的微波炉模型利 用h f s s 周期边界条件简化为一种实用的单齿结构模型。第六章对论文内容作了简 单的总结。 本文的创新点主要有： 4 第一章绪论 1 利用c s t 、h f s s 仿真软件和实验相结合的方法系统的分析了微波炉打火、场 均匀性以及泄漏问题，通过分析、模拟及实验提供了微波炉系统设计的方法。 2 利用网络分析仪进行实测，给出了微波炉打火问题的一种新方案，实践证明 方案是可行的。 3 利用h f s s 周期边界条件对炉门复杂结构进行简化，得出了微波炉抗流结构 的单齿结构模型，对解决炉门泄漏问题有一定借鉴意义。 电子科技大学硕士学位论文 第二章微波加热原理及微波炉的主要结构 2 1 微波的加热原理 2 1 1 微波加热的特点 微波加热实际上是对介质的加热，介质在电场中会出现极化现象。家用微波 炉主要加热对象是食品，而在食品的成分中水占的比重很大，水分子的正负电荷 的中心并不重合，呈现极性，通常称为极性分子。一般情况下，由于分子的热运 动，分子的排列是杂乱无章的，就整个介质来说不呈现出极性，如图2 1 ( a ) 所示。 在外电场作用下，极性分子带正电一端趋于电场负极，带负电一端趋于电场正极， 沿着电场方向呈现某种程度的有序排列，如图2 1 ( b ) 所示。通常这种现象称为分 子的“转矩极化 。当外加电场小时，分子因热运动又变成无序状态，如图2 1 ( c ) 所示。当外加电场以相反的方向再次施加时，极性分子也随之以相反的方向有序 排列，如图2 1 ( d ) 所示。 漕囱萄 ( b )( c ) ( d ) 图2 1 极性分子的转向极化不葸图 假如外电场反复变动，则极性分子便会相应的随之反复摆动，在摆动过程中， 分子间发生类似摩擦而生热。当外部施加频率达到2 4 5 0 m h z 的微波电场时，电场 方向每秒钟变换2 4 5 亿次，极性分子也会随之摆动2 4 5 亿次。对极性物质而言， 微波加热的本质可以认为是极性分子从微波场中取得位能再转变为热能。所产生 的热量除了与物质本身性质有关外，还与微波场的电场强度与频率密切相关。 2 1 2 介质的微波加热特性 当电场交变时，介质的极化要克服分子和其周围分子之间的结合力的作用。 - 6 第二章微波加热原理及微波炉的主要结构 故物质的极化和电场的变化在时间上存在迟滞现象，称为介电弛豫现象。如果把 介质的极化考虑到介电常数中去，可以用复介电常数二来表示。在微波场情况下的 复介电常数与静电场情况下介电常数占相比，在相位上要滞后一个相位万，这是极 化迟滞现象引起的。可以把复介电常数二看成与静电场时的介电常数占同相的占。分 量与比占滞后x 2 相角的g 分量组成的。介质的损耗与占。有关， 占。= 占r a n d ， t a n 6 称为损耗角正切，令g = 晶s ，6 0 = 8 8 5 4 x1 0 。1 2 法米，占。，为介质的相对介 电常数。理论分析可知，单位体积介质从微波场中吸收的功率可由下式计算 c p = 三腰2 占，t a n 万x l o - 1 0 ( w m 3 ) ( 2 1 ) 9 式中p 一被加热单位物体从微波电场中吸收的功率；e 一微波电场强度；厂一微 波频率；t a n 万一被加热物体的损耗角正切；g ，一被加热物体的相对介电常数。几 种典型与微波炉设计有关的介质的相对介电常数和损耗角正切值如下表所示。 g ，、t a n 万大的物质介电损耗大，即吸收微波功率转化为热的能力强。由表中可 以看出，水的g ，t a n 万值比较大，所以被加热介质含水分大，微波介质损耗大， 易于加热。 表2 - 1 常用介质的相对介电常数和损耗角正切值 介电常数 材料 耗角正切t a n 万 s ， 云母片 3 5 40 0 0 1 9 1 p p s 转环 3 10 0 0 0 9 陶瓷 1 0 20 0 0 0 6 7 炉门塑料片 2 7 70 0 1 1 玻璃 5 50 0 0 3 4 水 7 6 7 0 1 5 7 由2 - 1 式看出，为了使介质能够被均匀加热，需要微波电场强度的分布均匀。 某些物质的介质损耗系数是随温度的上升而减小。对具有这种特性的物质， 虽然可能由于微波场的分布不均匀，在微波加热的起始阶段，会造成被加热物质 温度分布不均匀，但由于温度高的地方介质损耗小，温度低的地方介质损耗大， 最后会自动达到平衡，使微波加热更加均匀。但有些介质，如橡胶等，其损耗系 数随着温度的升高而增大的。对这种物质进行微波加热，要求微波电场的分布十 分均匀。如果由于电场的分布不均匀造成加热不均匀，温度高的地方损耗大，吸 收的微波能量也大，从而温度更高，结果会出现恶性循环，甚至出现局部烧焦现 7 o ， 电子科技大学硕士学位论文 象。因此对这种物质进行微波加热时，除了要求微波场分布均匀外，还要降低微 波加热功率，使过热部分通过热传导及水分蒸发等扩散热量，以达到热均衡。微 波一般能穿透到介质内部去，通常定义微波能量随穿透距离衰减到原来的寺 ( 1 3 6 ) 时，该穿透距离称为穿透深度，用d 表示为 肚赤兀心r 1 9 6 ( 2 2 ) 其中凡为自由空间的波长。通常，介质的穿透深度与波长在同一个数量级。一般 食品的穿透深度为5 8 厘米。 2 2 微波炉的主要部件及结构特点 如下图为家用微波炉的典型结构示意图，主要由以下几部分组成：微波炉的 电源及控制系统，电源部分向磁控管提供正常工作所需的各种电压。高压电源一 般多采用带漏磁变压器的半波倍压整流电路，这种电路结构简单，能保证磁控管 稳定的工作；磁控管，它把直流电能转变成微波能，家用微波炉选用2 4 5 0 兆赫的 连续波磁控管；微波炉腔体，它是一个多模谐振腔，由馈能波导口激励起的微波 场在腔内壁间多次反射形成驻波场，并在其间与被加热食品相互作用，达到加热 的目的；馈能波导，作用是把磁控管产生的微波能馈入微波炉腔内；微波炉炉门， 门边采用抗流结构，以防止微波能泄漏；透明观察窗，便于观察炉腔内食品被加 热的情况，门上装有屏蔽作用的多孔网板。此外还有风扇形状的模式搅拌器和被 加热的食品。 垂垂 a - w - 臣 簋亟 图2 - 2 家用微波炉的典型结构示意图 磁控管是微波炉的核心部件，家用微波炉选用的是频率为2 4 5 0 兆赫的连续波 磁控管，它可以把直流电能直接转换为微波能输出，转换效率可达7 0 。磁控管必 8 第二章微波加热原理及微波炉的主要结构 须处于稳定、可靠和高效率的工作状态，下节介绍各磁控管的结构及其作用。 2 3 磁控管的结构及振荡模式 2 3 。1 磁控管的结构 磁控管圭管芯和磁钢( 或电磁铁) 组成。管芯的结构包括阳极、阴极、能量 输出器和磁路系统等四部分，如下圈所示。管子内部保持高真空状态。 篷绫 图2 3 微波炉磁控管的结构图 2 _ 4 磁控管的阳极谐振系统 阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作 用的空闻。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空闻内完成能量转换。磁 控管的阳极对高频电磁场的振荡频率起着决定作用。磁控管的阳极由许多谐振腔 耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个 小谐振腔的谐振频率，我们也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。 磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡终，还能产生不同特性的多种 电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上，常用“隔型带 来隔离干扰 模式。隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来，以增加工作模式与相邻干扰 模式之闻静频率间隔。 2 3 2 磁控管的振荡模式 阳极可以看出是许多个小谐振腔组成，这些谐振腔均匀的分配在阳极上，每 个谐振腔都不是独立的，而是相互耦合的，形成了高频的谐振系统，如图2 4 所 示。对有n 个闭合成窭环形的谐振腔的磁控管，它的谐振频率是一些分立的点， 电子科技大学硕士学位论文 这些点的高频场沿阳极表面一周的相移为2 7 r 。设相邻谐振腔中高频信号的相位差 是伊，则谐振时必须满足 n , p = 2 n ：m 2 n t r 伊2 百 式中的，l = 0 , 1 ，2 代表的那些点，高频场的结构、振荡频率、相速、群速均不同， 称为振荡模式。由上面的公式可以出，上式为周期函数，即当n 取到n 为一个完 整周期，以后的各值周期循环。因此这种高频电路出现的情况可以分为n 个模式。 n 代表高频电场变化的周数，既驻波个数。称n 值不同，谐振频率相同的模式，为 “简并一模式。当n = n 2 的时候，没有其他模式和它形成简并模式，这种模式叫 “万”模式。图中即为表示在n = l ，2 ，3 ，4 情况下的高频电场的瞬时状态。其中 卅 模式为磁控管的正常工作模式。 3 曩； ，s 勰。 ，s 翱o 酵t 裂 6 凄。 i 蝌5 褥 图2 - 5n = l , 2 ，3 , 4 情况下的高频电场的瞬时状态 1 0 第三章微波炉设计的有关理论分析 第三章微波炉设计的有关理论分析 3 1 微波炉打火问题分析 3 1 1 打火的机理 微波炉工作时，炉腔处于高功率密度状态，经常发现在加热过程中会产生高 频击穿现象。这种击穿有几种可能的原因，一是炉腔内有些结构上存在的缺陷， 如金属毛刺，搭接隙缝等导致微波放电产生火花；另一种常见情况是炉内的空气 或水汽混合物的气体击穿；第三种是一些具有高介电常数的颗粒形材料由于颗粒 间接触点上的场强集中导致介质击穿，从而引起局部过热，最后导致过热空气的 高频击穿。为此，我们在设计和加工过程中应力求炉腔内表面平整光滑，特别是 焊缝或接缝处应没有明显的间隙，保证接触良好，为了防止在水汽排出过程中由 于功率密度过高引起的气体击穿，可改变馈口的波导位置来避免水汽进入波导口 引发波导内打火，保护磁控管的安全运行。 打火现象产生的原因实际上是一种气体放电。通常把在电场作用下气体被击 穿而导电的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子 体。根据所加电场的频率不同，气体放电可分为直流放电，低频放电，高频放电， 微波放电等多种类型。气体放电的形式和特点与放电条件有关。根据所加电压的 大小和放电电流的大小，气体放电可分为以下几种方式【2 3 】：( 1 ) 无声放电( 2 ) 辉光 放电( 3 ) 弧光放电( 4 ) 电晕放电( 5 ) 火花放电( 6 ) 高频放电( 7 ) 无极放电。直流放电 因其简单易行，特别是对工业装置来说可以施加很大的功率至今仍被采用。低频 放电的频率范围一般为1 1 0 0 k h z ，在实际工作中用得不多，目前在实验装置和工 艺设备中用得最多的莫过于高频放电装置。其频率范围为1 0 - 1 0 0 m h z ，由于这属 于无线电波频谱范围，故又称为射频放电，或称r f 放电，最常用的频率为 1 3 5 6 m h z 。当所用电场的频率超过1 g h z 是属于微波放电，略称m w 放电。常 用的微波放电频率为2 4 5 0 m h z 。微波放电等离子体是将微波能量转化为气体分子 的内能，使之激发电离以发生等离子体的一种气体放电形式。采用微波放电时， 由微波电源发生的微波通过传输线传输到贮能元件，再以某种方式与放电管耦合， 磁场能将能量赋予当做负载的放电气体，无需在放电空间设置电极而功率却可以 局部集中，因此能获得高密度等离子体。微波放电等离子体从l0 3 p a 一直到一个 1 1 电子科技大学硕士学位论文 大气压这样宽的压强范围内。都能建立起来。当活性炭和铁屑均匀混合放入微波 腔中，由于活性炭和铁屑都会吸收微波，聚集微波能，并且铁屑尖端的金属点位 能与微波发生强烈的相互作用，出现打火放电的现象，这是铁屑间空气放电的结 果 2 4 - 2 8 。目前对这种放电的机理研究还不是很充分1 2 9 3 0 】，可认为是形成了一种非 稳态的放电等离子体川。在有尖锐金属存在的场合，在中等电场强度 1 0 0 k v m ( 1 k v c m ) 下，也可能在大气压下产生电晕或电弧，尽管此电场看起来远低 于短间隙( 1 0 2 m ) 的两平行板电极之间的击穿强度，即3 0 0 0 k v m ( 3 0 k v c m ) 。这种效 应表示功率的损耗，并有可能损坏产品和加热器【3 2 3 3 】。在中高功率微波加热器中 防止击穿放电是我们必须关心的问题。下图给出了在两个频率下空气中的击穿场 强和压力的关系。 0 0 1 0 11 10叼1 0 0 0 p 乇l 大气压 图3 - 1 空气中典型击穿场强与压力的关系 这种曲线形状对多数气体来说是典型的，即击穿场强随着压力的下降而降低，致 某一最小值后，随着压力的下降，击穿场强再次上升。当频率接近工业上加热频 段1 3 5 6 兆赫及2 7 1 2 兆赫时比9 0 0 兆赫或2 4 5 0 兆赫时更容易击穿，在其它条件 相同时，后者不易产生放电。还可以看到，在接近大气压强时，各种频率的响应 曲线趋向于会聚成同一组数值，由前面( 2 - 1 ) 式，功率损耗比例于频率和电场强 度的平方，这对高频真空处理是有利的。 3 1 2 能量耦合和阻抗匹配 微波源与炉腔的耦合微波能量是通过波导系统进入谐振腔的，波导尺寸不同， 耦合窗的形状不同，波导的激励位置不同，一方面影响磁控管输出和微波炉腔体 的阻抗匹配，另一方面会在谐振腔内引发不同的模式分布，而不同的模式分布又 造成不同的电磁场的强弱分布状态。通常对这种耦合的基本要求是：( 1 ) 炉腔与微 1 2 第三章微波炉设计的有关理论分析 波源有良好的( 荷载情况下的) 匹配，微波源的功率无反射地馈入腔内。( 2 ) 耦合 装置应能最大限度地激励起众多电磁振荡模式，保证腔内场分布的均匀性。 这种耦合装置一般可分为直接耦合和间接耦合两种类型。直接耦合型：在直 接耦合方式中又可分为单管及多管直接耦合方式。由于连续波磁控管目前多为轴 向同轴天线输出结构，因此直接耦合方式就是将磁控管的同轴天线直接插入炉腔 中某一合适位置以产生面极化，或在天线端加接一螺旋天线以产生圆极化的电磁 波。间接耦合型：这种耦合方式是指微波磁控管先去激励一根波导管，再将该波 导与炉腔以单孔或多孔相耦合以激励腔内产生多模的电磁场。这种耦合方式适用 于单管大功率磁控管情况。因为这时不存在多管相互交叉耦合问题，因而相对来 说比较简单。 实现良好的阻抗匹配是避免耦合窗附近打火必须考虑的问题。波导和微波炉 炉腔是通过耦合窗进行能量耦合和实现阻抗匹配的。下面我们分析波导、耦合窗、 炉腔的等效电路。谐振腔与外电路的连接通常有终端型、传输型和反应型等几种 形式。为了作出包含谐振腔的微波系统等效电路，通常采用的基本方法是：把谐振 腔等效为并联谐振回路；把信号源等效为恒流( 或恒压) 发生器，如果是匹配信号 源，则其内导纳( 或内阻抗) 就等于所连接传输线的特性导纳( 或特性阻抗) ；把连 接系统的微波传输线等效为长线，而腔的耦合部分的作用是实现阻抗变换，因此 如果忽略它的损耗，则可把耦合元件等效为理想变压器。对系统来说，可把谐振 腔的连接看作终端型形式，现作出终端型谐振系统的等效电路如图所示。 l ：n 毋圈c i s 扣； j3 上 弋 2 c 图3 - 2 终端型谐振系统的等效电路图 3 - 3 等效电路简化图 它的等效电路可简化为3 3 图，整个电路的总导纳为： 】，= ( y o + n 2 g ) + 办2 ( 国c 一壶) = 力2 g ( 1 + ) 1 + 歹q ( 丢一手) 】 ( 3 - 1 ) 式中= 玉n 2 g ，q = 蜴( 1 + s ) 1 3 电子科技大学硕士学位论文 m 1 2 g = 白【南1 砑1 ( 3 _ 2 ) p = 昂= 瓦1 2 ( 3 3 ) 砌一嵋一 ， ，d 丢) ( 筠) 2 ( 3 5 ) p 蛳= ( 丢) 盂务 ( 3 斟 r o ：y o 忑- n 2 g ( 3 - 7 ) 工。一i , o + 刀2 g 岛= i l 一+ i l r r 。oi l = 喜 _ 圭兰鬻 c 3 8 ， 仉= 百p 跏= i 丽4 , 0 0 = l l r o l 2 i ( 3 - 9 ) 1 4 第三章微波炉设计的有关理论分析 仉= 1 一丽i z o - z 1 2 ( 3 1 0 ) 由上式可知，通过z 值可以反应谐振腔耦合效率的高低。耦合谐振腔的等效输入电 阻【3 5 】：谐振腔的激励形式通常有三种：耦合探针激励、耦合环激励、耦合孔激 励。这里假设为同轴探针激励( 微波炉就是用的同轴激励) ，则根据文献【3 刀可以 推导出耦合谐振腔的等效输入电阻( 注意：此处为同轴谐振腔) z 2 弼l 6 t o u r i n q ( 3 - 2 等 其中，为谐振腔内导体外半径，l 为耦合探针长度。q a 为谐振腔品质因数。 由上式可看出，对同轴谐振腔影响z 值的因素很多，有耦合探针长度l 、激励 位置r 和z ( 此处z 选为1 4 波长) 、谐振腔结构、品质因数、频率以及介电常数等。 一般空载时z 值设计的比较高，一是谐振腔此时存在较大反射，输入端口电压高、 电流小，会产生较强电场，易于谐振腔激励。另外由于谐振腔吸收功率很小，可 以在较小功率对谐振腔进行激励。二是随着微波炉工作前后谐振腔内介质的负载 特性发生变化，介质电磁特性和介电常数均发生较大变化，谐振腔的品质因数也 将发生变化。一般情况由于工作时介电常数增加，品质因数下降，输入阻抗z 会降 低，向特性阻抗靠近，反射功率会下降。 3 1 3 雷基图和史密斯圆图 通过前面的分析可知，微波炉的能量耦合是和阻抗匹配情况密切相关的，现在 的微波炉开发一般利用网络分析仪进行测试匹配情况，以史密斯圆图为