（等离子体物理专业论文）微波炉电磁仿真与优化设计.pdf

摘要 摘要 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，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 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，而且还有可能在空载时出现打火、“热变、泄漏以及磁控管阳极温度高等不 良现象，严重影响微波炉的正常工作和磁控管的寿命。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， 热变和泄漏的发生概率，降低生产成本， 可以改善腔体的匹配状态，减少打火、 提高产品利润。 本论文介绍了微波的产生、传输和加热原理，结合工程实际，利用c s t 仿真 软件对生产线发生的打火、泄漏和磁控管阳极温度高等问题进行了详细的分析， 并进行了优化设计，主要内容为： 1 详细研究了微波炉打火的原因，并对微波炉的耦合窗进行了优化设计。打 火原因的分析包括仿真分析和实验分析。通过仿真分析得出了微波炉的匹配状况， 而在实验分析中，打火频点的测试是非常重要的，也是本论文的创新之处，它为 解决磁控管天线帽的打火提供了一个很好的方法，在工程上有重要的指导意义。 2 对炉门抗流结构进行了仿真分析和优化设计。通过对炉门抗流结构的建模 仿真，分析了微波进入抗流结构后的传输系数，并对比了优化设计前后的传输系 数大小，仿真与实验结果都证实了优化设计方案的可行性。 3 严格按照工程要求对优化设计了耦合窗和抗流结构的整机进行了大量的实 验，实现了优化设计后的大批量生产，并形成相应的技术文件。 关键词：微波炉，耦合窗，抗流结构，电磁仿真，优化设计 a b s t r a c t w i 也t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s m i c r o w a v eo v e n sh a v e b e c o m ea ni n d i s p e n s a b l eh o u s e h o l da p p l i a n c e s f o rc u s t o m e r s t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o w a v eo v e nt h e r ea r ei n c r e a s i n g l yr e q u i r e d ，s u c ha sm o r ev a r i e t i e so ff o o d ，f r o m h e a t i n go fk i n d so ft r a d i t i o n a lf o o dt op r o d u c t i o no ff o o d ，a n db a r b e c u ea n dd e f r o s t i n g a r er e q u i r e di nt h em e a n t i m e , w h i c hd e m a n dm i c r o w a v eo v e n sm u s th a v em o r e c o m p r e h e n s i v ea n ds u p e r i o rf u n c t i o n s 砧1o ft h e s ef u n c t i o n sa r ed e p e n d e n to nt h e m a t c h i n go fm i c r o w a v ec a v i t ya n dm a g n e t r o ni sg o o do rb a d e v e nt h em i c r o w a v eo v e n i sf u l l - f e a t u r e d ，i ft h em i c r o w a v ec a v i t ya n dm a g n e t r o na r eb a dm a t c h e d ，i tw i l l n o t o n l yf 缸1t oa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，b u ta l s ol e a dt os p a r k ，m e l t ，o v e r - l e a k i n ga n d o v e r - h e a t i n go nt h ea n o d eo fm a g n e t r o nw h e nt h em i c r o w a v ei sl i g h tl o a d e d w h i c hw i l l s e r i o u s l ya f f e c tt h en o r m a lw o r ka n dl i f eo ft h em a g n e t r o n a n dm a t c h i n gs t a t ei sg o o d o rb a dl a r g e l yd e p e n d so nt h es i z eo fc a v i t ys t r u c t t t r e , w a v e g u i d ea n dc o u p l e dw i n d o w s , t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n go nt h es i z ea n dp o s i t i o no fc a v i t ya n dc o u p l e dw i n d o w sa n d o p t i m i z i n gi t sd e s i g nc a ni m p r o v em a t c h i n gs t a t eo fi n i c r o w a v eo v e na n dr e d u c eb a d p h e n o m e n o no np r o d u c t i o nl i n es u c ha ss p a r k , m e l t , o v e r - l e a k i n ga n do v e r - h e a t i n g , w h i c hi sh o p e dt or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ta n di m p r o v ep r o d u c tp r o f i t i nt h i sp a p e r , t h eg e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o nm i c r o w a v e , a n dt h eh e a t i n gp r i n c i p l e o fm i c r o w a v eo v e na r es i m p l yr e l a t e d 。u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ec s t ，t h eb a d p h e n o m e n o no np r o d u c t i o nl i n es u c ha ss p a r k , m e l t ，o v e r - l e a k i n ga n do v e r - h e a t i n go n t h ea n o d eo fm a g n e t r o nh a v e b e e na n a l y z e di nd e t a i la n dt h em i c r o w a v eo v e nh a sb e e n o p t i m i z e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： 1 ad e t a i l e ds t u d yo ft h er e a s o n sf o rt h es p a r km i c r o w a v eo v e n s a n dt h ec o u p l e d w i n d o wo fm i c r o w a v eo v e nh a v eb e e no p t i m i z e d t h ea n a l y s i so ft h ec a u s e so fs p a r k i n c l u d e ss i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i sw e o b t a i n e dt h e m a t c h i n g o ft h e m i c r o w a v e , a n di nt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ， s p a r k - f r e q u e n c yt e s t i n gi sv e r yi m p o r t a n t , a n di ti st h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e r , w h i c h p r o v i d e sa9 0 0 dm e t h o df o rs o l v i n gs p a r kp r o b l e mo ft h ea n t e n n aa p p a r a t u so f m a g n e t r o n ，a n di ta l s oh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ne n g a n e e r l n g 2 s i m u l a t i o na n a l y s i sa n do p t i m i z e dd e s i g nf o rt h ed l e k es t r u c t u r e t h r o u g ht h e c h o k es t r u c t u r e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y s i s t h et r a n s m i s s i o n c o e 伍e i e n to ft h ec h o k es t r u c t u r ew h e nm i c r o w a v ef l o w i n gi n t ot h ed o o ro fm i c r o w a v e o v e na n dc o m p a r i n gt h et r a n s m i s s i o nc o e 伍c i e n tb e f o r ea n da f t e ro p t i m u md e s i g n 硼1 e r e s u l to fs i m u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t a l c o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g n o p t i m i z a t i o n 3 a1 a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n es t r i c t l yi na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t so fe n g i n e g ra f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ec o u p l e dw i n d o wa n dt h e i i a b s t a c t c h o k es t r u c t u r eo fm i c r o w a v eo v e n m a s sp r o d u c t i o nh a sb e e nr e a l i z e da n d c o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a ld o c u m e n t sh a v eb e e nf o r m e di nt h e m e a nt i m e k e yw o r d s ：m i c r o w a v eo v e n ，c o u p l i n gw i n d o w , c h o k es 打u c t u r e ，e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n ，o p t i m u md e s i g n i i i 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：锄唛绣 眇 7 1 、。 日期：夕。够年厂融e t 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： 导师签名：班晦 日期：缈够年厂月 ，那么谐振频率就会增加；若在电场占优势的区域发生变化， ，则谐振频率会降低。而外向微扰的情况正好相反。 2 。3 波导的激励 2 3 1 波导的激励方法 波导激励的一般方法1 3 ，n 3 1 波导中某种所需要模式的激励是建立在已知此模式的场结构基础之上的，激 励的一般方法如下： ( 1 ) 探针激励 将同轴线的内导体延伸一小段沿电场方向插入波导内而构成。通常置于所要 1 6 第二章微波炉的理论分析 激励模式的电场最强处，以增强激励度。典型的装置是矩形波导主模t e 。模常用的 同轴一波导变换器 ( 2 ) 环激励 将同轴线内导体延伸后弯成环形，将其端部焊在外导体上，然后插入波导中 所需激励模式磁场最强处，并使小环的磁力线与法线平行，以增强激励度。 ( 3 ) 孔或缝激励 在两个波导的公共壁上开孔或缝，使一部分能量辐射到另一波导中去，并建 立起所需要的传输模式。孔或缝的激励方法还可用于波导与谐振腔之间的耦合、 两条微带线之间的耦合、波导与带状线之间的耦合等。 对于微波炉的传输波导来说，其激励装置是一根与磁控管相连接的同轴探针。 2 3 2 探针激励的格林函数法求解场分布 磁控管与波导的耦合采用探针耦合方式，现在采用并矢格林函数法求探针在 波导中激励起的场 设否( ，) 代表电场的并矢格林函数，它是单位点源所产生的辐射场的并矢形 式，式中，为场点( x ，y ，z ) 的坐标矢而，为位于( | ，y ，z ) 的源点的坐标矢，分布电 流加j 的辐射场可以表示为 冒( ，) = g ( ，i ，) 以，) d q (2一p+clo 2 8 ) 式中，q p 和q 。分别代表探针表面和探针穿入波导处的开口面。 式( 2 - 2 8 ) 所表达的电场满足下列边界条件： w 却脚，州，峥p 鞋 ( 2 2 9 ) 这是一个积分方程，它的解将定出q p 上的电流厂。设，方向的单位矢为， 则代替( 2 - 2 9 ) 式，边界条件可以表示为 锄) = 弦鬈：圭 ( 2 - 3 。) 再作l ，( ，) 和五( ，) 的标积，然后在q = q p + q 。上积分，得到 k ，( ，) & 矗q = 歹( r ) 否( ，| ，) 歹( ，) 蜃似五( 2 - 3 1 ) 对于同轴馈线系统，同轴线中的波是横电磁波，在馈线插入波导的开口面上， 有 1 7 电子科技大学硕士学位论文 即素i ， p 1 i l 盟 岛 日o = 刍毛 j = i h o = ip h q ( 2 - 3 2 ) 利用( z 一3 l j 瓦将( z 一3 2 ) 瓦左边嗣被枳幽毅化为 & = 赤m 妒卫2 死p 2 i n , 。1 ( 2 - 3 3 ) 岛岛 上式在q 。上积分得 赤叮, n 丁p d p d o 一心= - z f r 3 4 ) 式中互= 吖代表馈线的输入阻抗。 现在求波导馈线的输入阻抗。为了利用格林函数法计算z f 的近似值，我们先 求赫兹矢量兀的格林函数。 t 单位源 l k 。一 图2 - 4 矩形波导的格林函数 因为电流和赫兹矢量都在y 方向上，格林函数也就代表位于( 1 ，y ，z ) 点的y 方 向电流源在一端短路的半无限长波导中所产生的赫兹矢量。因而，我们所寻求的 并矢格林函数可以表示为g = f ，g f 它是下列非齐次方程的解 v 2 g + 砖g - = 万( x 1 ) 万( ) ，一y ) 6 ( z z ) ( 2 3 5 ) 从g 导出的切向电场在波导边界面上必须等于零；根据这个要求，g 的边界 条件可以表示为 1 8 g = 0 a g 一 = 0 砂 第二章微波炉的理论分析 将( 2 - 3 6 ) 式的解展开成下列级数： g x , y s z 刚) = 薹薹试警c o s 警帆。( m ) z g ( 劬z l l 枷) = 善o o 善o o 既s m 等c 0 8 孚砧z ( 2 - 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 式中，。= ( 拂么) 2 + ( 嚣) 2 一后2 ，q 。和是待定系数，经过一系列数学运 算之后得到 。一惫矿“s 缸等c o s 孚e “ = 一尝a b 薏p 一咖丝丛ac o s 等s 五( 三+ z ) 口 、 代回到( 2 - 3 7 ) 式，就得到 g - ：( x , y ，zix ，y ，z ) = ( 2 - 3 8 ) e - r z s h y 。( z + 三) ，z z e - r s h y m 。( z ，+ 五) ，z z ( 2 - 3 9 ) 利用并矢格林函数，可以直接计算场源在波导中产生的赫兹电矢量 ( x ，y ，z ) = 一去l 孑( 五y ，z l l ，y 。，z 。) 尸( y ) d q ( 2 4 。) 这里，i i 和g 适合同样形式的方程；它们具有相同的源函数- p 6 0 ，电极化 矢量p = 州弘。对于我们所考虑的馈线系统，可以近似的假定探针上的电流在y 方 向上按正弦函数分布 茹罂卜y ) p = = 嘉s i n 足( 帅) f 得到了赫兹矢量位露，我们就可以利用赫兹矢量位来计算电场和磁场： 1 9 ( 2 - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) 咄 忙 一一 白 鲫 劫 ，j、l 型6 挖一 s 。竺口 m n娃y 一 万一6 穆一 s x 一 竺口 n 戳 、rj 口缸 + v ! ：；即脚 i i t l 曰艿 电子科技大学硕士学位论文 式中，k 2 = 2 风岛。 馈线的输入阻抗 r = 而2 r l s i n 2 舭幽鲁 口d 1 ) 1 k z 五= 而2 r l a b l j , s i n 2 舭矾鲁 疗 z ( 2 - 4 3 ) 经过分析可以发现，适当的选择探针长度d 和短路位置三，就能使辐射电阻足 等于同轴线的特性阻抗z c ，并调节置以抵消高次模所贡献的输入电抗，这样选择 参量后，z j = z c ，全部入射功率耦合到波导内。 2 4 波导与谐振腔的耦合 波导与谐振腔之间的耦合分为直接耦合、探针耦合、耦合环耦合和孔缝耦合。 微波炉的传输波导与谐振腔之间的耦合采取的是孔缝耦合方式。为了达到良好的 耦合效果，使尽可能多的模式进入到谐振腔中，采取多孔耦合方式。 当考虑波导与谐振腔之间的耦合时，可以把小孔等效为电偶极子与磁偶极子 的组合，电偶极子的偶极矩正比于入射波在小孔处的归一化电场巨。，而磁偶极子 则正比于入射波在d , - 孑l 处的归一化切向磁场且。，它们同时都与小孔的形状和尺寸 有关埘 电偶极矩 p = 一e o p , , e 。 ( 2 4 4 ) 磁偶极矩 m = 他日，= 他e 。+ 眠q ， ( 2 4 5 ) 式中，成为法向电极化率，观。，m ，为两个正交的切向的磁化率。它们取决于 小孔的形状与大小，三种最常用的简单形状小孔极化率如下： ( a ) 圆孔 极化率： 圆孔 仇= ；r 3 v i h r 茁 ( b ) 椭圆孔 图2 - 5 耦合孔的形状 4 ， 聊v2 ， ( c ) 矩形孔 2 1 见2 i j 第二章微波炉的理论分析 椭圆孔5 了z 砑1 3 豫5 以2 矩形孔 = o = 三肠2以= 三腽2 2 4 1 小孔耦合的一般理论 现考虑波导通过一圆形孔与谐振腔耦合，如图所示。为简化分析，假设谐振 腔中只存在玛。模式的振荡。 图2 - 6 圆孔耦合 e i o i = ( 口b 1 ) v 2 如i h xs m 了7 1 z 哆 耳o - = ( 刍) 啦硪 一号s i n i , t t xc o s 了7 t zq + 詈c o s 了h xs 血了h 2 - 巳 ( 2 - 4 6 ) e = ( 巳e + z e ) 1 日：圭( 吃致坛e ) q q 7 假设有一磁偶极子一心q ，它激发的场的振幅 啊o l = 一 磕m o 。一碍 式中磕。= ( 州口) 2 + ( 州妒，q 为谐振腔的品质因数。耦合孔中心处归一化磁场 的x 分量她。( 笥蠢舢舢一个籽m o t h e 2 l ! 爿竺堕qi一， 砖川 扣可 i 羞q ql、 电子科技大学硕士学位论文 m o = 解得 2 锦肛2 j f l l o + 一 磕。口舻i 磕。一鳄l1 + l l 眠= 丽2 m j f l l o n a ( 2 4 9 ) ( 2 5 0 ) 式中， 4 为珥。模的振幅系数，x = 2 m 。屈。a b ， 归一化常数 n = ( 2 j a b k o z o r 。) 牝， 一一 舷口6 2 3 l 磁。一藤ll + 二| i 输入导纳 式中 瓦= 筹= 警一声+ y 县：丝 卜一 ( 2 5 1 ) ( 2 - 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 在谐振腔的等效电路中，等效电感为腔体等效电感丘与腔体壁表面阻抗引 起的电感t 之和，输入导纳可表示为 弘面巧毒瓦而邮 m j l c + j l s + r j c j ” 利用近似关系式国簖尺c c 0 2 q ，整理后得到 匕。石j 彩c o 冈2 0 c n 2 一归 ( 2 - 5 5 ) ( 2 - 5 6 ) 为确定参数玎2 我们需要确定谐振腔的阻抗，因为y 方向电场的线积分为等效 第二草，儇汲炉阴埋化分研 一 一一- - 二一 电压圪，c 为等效电路的电容 髟= 詈s i n 等s i n 竽( 2 - 5 7 ) 形= 鲁rrf 嘭蚴= 筹嘭( 2 - 5 8 ) 此c = c o a l 4 b ，利用c c , e o = 后写得输入导纳 驴一棚 ( 2 _ 5 9 ) 比较( 2 - 5 9 ) 和( 2 - 5 4 ) 得 刀2 = 瓦8 2 2 耵b z o ( 2 6 。) 定义圪为实数时的频率为耦合谐振腔的谐振频率，此时( 2 5 4 ) 的虚部为零， 则 。 ( 警“。枷铲碍p 懈户剀2 竽6 ， 对于高q 值的谐振腔，可令右边项为零，则 砖= = 七1 2 矿0 1 喊一等一害 ( 2 _ 6 2 ) 召屈。磕。，3 利用近似关系碚一碌。2 白o 。( 一向o 。) 得 t 一鲁 q _ 6 3 ) 临界耦合要求输入导纳瓦= 1 ，这就要求( 2 5 4 ) 的y 为单位电导，则 赢= k 碍警愕( 警心( 守) 2 6 4 ， 由此得到 m ：壁垒l ：兰，(265)r o u 埘= 些= = = = = = 一 厶 。石墨o 。4 8 a , oq i 3 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2 耦合系数 q ，反映了外电路对谐振腔的影响，或者说反映了外电路和谐振腔的耦合关系， 耦合强弱改变，q 不变，但q 却随之改变。为了定量的表示谐振腔与外电路的耦 合程度，定义q 与q 的比值为耦合系数 = 赛 防6 6 ) 亦称为耦合度。越大，即q 越小，负载吸收的功率越多，表示耦合越强； 反之，越小，q 越大，负载吸收功率越少，表示耦合越弱。按声大小可以将耦 合强弱分为三种情况： 称为过耦合； f l - - 1 ，= 称为临界耦合n 羽。 有载品质因数q 亦可用耦合系数表示： q = 丽q o q = 岛 2 5 微波炉的网络分析 ( 2 - 6 7 ) 微波炉的核心元件主要由微波源即磁控管、波导和谐振腔组成的一个微波系 统。由于微波炉中使用的波导一般都采用渐变结构，其场的结构较为复杂，不仅 有t e 波，而且还有t m 波；谐振腔作为负载，其振荡模式也不仅仅局限于磁。，模 式，还有其他很多的模式被激励起来，以保证加热的均匀性。因此，要严格用场 分析的办法求解波导及谐振腔的特性是非常困难的事情。但如果建立适当的等效 电路模型，运用网络理论对微波系统进行分析，能够清楚的了解微波炉的外部特 性，以帮助我们进行分析和设计。 2 5 1 等效电压、等效电流和等效阻抗 微波网络理论是在低频网络理论的基础上建立起来的，然而两者却有很大的 差异。低频传输线传输的是删波，而波导传输的是陋和波，且可能不只 传输单个模式；在删传输线中，电压波u 和电流波j 有确定的意义，一般也可 以测量，但在波导传输线中，u 和，已经失去了意义，也无法进行测量。因此， 为了利用网络理论来解决微波问题，必须运用“等效电压、“等效电流 和“等 2 4 第二章微波炉的理论分析 效阻抗等概念。 为了让波导等效为双线，应满足下列一些条件n 副。 对t e m 波传输线，传输功率可表示为 p = r e u ( z ) 1 ( z ) ( 2 6 8 ) 式中，u ( z ) 肃f j i ( z ) 是传输线上任一点处的电压和电流，1 ( z ) 为( z ) 的共厄 值。 对波导传输线，设其传输单一模式，并令其横向电磁场分别为巨和皿。因为 互( x , y ，z ) x 墨( 茗，夕，2 ) 代表坡印廷矢量，可见波导中的横向场与双线上的电压波和 电流波相似。所以，如果引入等效电压与横向电场e ( z ，y ，z ) 相对应，等效电流与 横向磁场相对应，则可做如下的规定： 黪i - i , x , y y 蠢z ) - - 红僦； 6 9 ， i ( ，( 训) o ( z ) 7 式中，e t 和h t 称为矢量模式波型函数，可认为是一个比例系数。则波导的传输 功率为 尸= 主r e 互巨叫d s = 圭r e p ( z ) 1 。( z ) m t 曩稍( 2 - 7 0 ) 式中，s 为波导的横截面。如满足 互e tx h , d s = 1 ( 2 7 1 ) 则波导与t e m 的传输功率具有相同的数学形式，即从功率传输的观点看可以 将波导等效为双线。式( 2 7 1 ) 称为归一化条件。然而，满足功率传输条件的u ( z 】和 l ( z 1 不是唯一的。为了确定等效电压、等效电流和等效阻抗，还必须根据具体的 传输线和具体的工作模式作出具体的规定。对于传输硒。波的矩形波导，它的横向 场分量和传输功率分别为 e = 磊s 逾( 警卜 皿= 差豳( 舟伽 矿= 笋瑶 4 z 毫” ( 2 - 7 2 ) 式中，e o 为波导宽边中心处的电场强度幅值，。为玛。波的波阻抗。 电子科技大学硕士学位论文 现规定玛。波的入射波电压u + 为 u = 毫e 渺= e o b e 州z 根据p + = 三u + ，矿得 i + ：亟f 泓 2 龟。 由( 2 - 7 1 ) 及上述式子可得 q ( 工，y ) = a y b s i n ( 为j ，) ：吒寻s i n ( 2 7 3 ) ( 2 7 4 ) ( 2 7 5 ) 可以验证q 和红满足( 2 7 1 ) 的归一化条件。由( 2 7 3 ) 和( 2 7 4 ) 可得出矩形波导 的等效阻抗为 互= 等一b 口z 碣。( 2 - 7 6 ) 习惯上将下式作为矩形波导碣。波等效阻抗的计算式 7 b 7 b 么c2 ：么碣。2 ： 2 5 2 电压、电流和阻抗的归一化 根据长线理论，传输线上的归一化阻抗和反射系数的关系为 乞：堕 1 一r ( 2 7 7 ) i 可以通过测量唯一的确定，故z 也就被唯一的确定了。对于双传输线， 以传输线的特性阻抗z c 为参考阻抗，对于波导，则将乙代以乙。 由归一化阻抗的概念可以直接导出归一化电压u 和归一化电流j 的定义， 西2 老，褂厄v 。o 传输线上的功率也可以用u 、i 表示为 2 6 z 是 即 ( 2 7 8 ) 嬲一口 嬲口 ，0、，一 第二章微波炉的理论分析 p = 三r e p + h r e 嗍( 2 - 7 9 ) 传输线上电压、电流可表示为入射波和反射波之和 u = q + q ，= 7 1 、u j - v , ) ( 2 8 0 ) 式中，u 为入射波电压，q 为反射波电压。若以z c 为参考阻抗对u 、，归一 化，则为 老= 老+ 老，厄2 老一老 8 ， 根据归一化电压、电流的定义，上式可以写成 ! 鼍墨 ( 2 - 8 2 ) j = 一以j 式中，u 表示归一化入射波电压，玑表示归一化反射波电压。由于归一化 电压u 和归一化电流，是唯一确定的，故归一化入射波电压以和归一化反射波电 压u ，也就唯一确定了。 由( 2 - 8 2 ) 式得 弘= ，q = - i , ( 2 - 8 3 ) 入射波功率为 只= 抖1 味z , j 烈1 吲= 婀 浯8 4 ， 反射波功率为 p = 三1r e 譬 = 三k 万万+ = 三l 瓦1 2 c 2 8 5 ， 可见，归一化入射波电压q 和归一化入射波电流在数值上相等，归一化反 射波电压以和归一化反射波电流在数值上的绝对值相等；入射波功率只与归一 化入射波电压模的平方有关，反射波功率只与归一化反射波电压模的平方有关。 因而，在归一化电路中只需引入归一化电压即可。 2 5 3 微波网络的s 参数 考虑到微波炉波导传输模式及谐振腔的振荡模式都比较复杂，而归一化电压 2 7 电子科技大学硕士学位论文 和归一化电流都难以准确的测量，因此在实际的工程应用中更多的使用s 参数来描 述微波炉的外部特性。因为s 参数是由归一化入射波电压和归一化反射波电压来定 义的，它比较容易测量，所以s 参数在工程上应用更为广泛。 强 7 6 2 7 工 s j 1 色 口， 二 图2 - 7 s 网络参量 如图2 7 所示，设吒代表网络第珂个端1 ：3 的归一化入射波电压，吃代表第，z 个 端口的归一化反射波电压，它们与同端口的电压关系为 u + 镶2 再 玩2 老 ( 2 8 6 ) 式中，乙为第靠个端口的参考阻抗。 假设网络是线性的，口与b 有线性关系，对两端口网络可写出 岛2 静+ 鼍：如 ( 2 - 8 7 ) a 2 = l 口l + 是2 a 2j 或 b = s a 式中，s = 瞪乏 称为散射矩阵，其各参量的物理意义为： 墨。：垒l表示端口2 匹配时，端口l 的反射系数； “ll 口2 ：o ：堕i 表示端口1 匹配时，端口2 的反射系数； “2 l 口l 卸 墨：；丑i 表示端口1 匹配时，端口2 到端口1 的传输系数； 第二章微波炉的理论分析 是，：堕f 表示端口2 匹配时，端口1 到端口2 的传输系数。 a l i 。柚 式中，口f - - 0 0 - - 1 ，2 ，) 表示第f 个端口接匹配负载，因而没有从负载反射回来 的波。 2 5 4 微波炉等效s 参数模型 乏 j i 产 s jt 1 色 1 口。 z 图2 - 8 微波炉等效s 参数模型 图2 8 为微波炉等效s 参数模型，其中b 、z g 分别表示微波源及源阻抗，乙 表示谐振腔中的负载臼劬。在实际工程运用中，我们主要以波导输入口为参考面， 通过测试s 参数来分析微波炉的外部特性。 2 6 微波炉炉门抗流结构的工作原理 微波炉炉门的结构分为两类，一类为接触式，另一类为抗流式。接触式炉门 借助于炉壁边缘或其上的金属弹簧片与炉门之间的紧密机械接触，来保证电气密 封的连续性和可靠性跚驯。由于微波炉在工作的时候，在炉门与炉壁的连接处有 较大的表面电流流过嘲【钏，因而对接触平面的加工精度提出了苛刻的要求，才能 保证良好的电气接触。即使这样，在以后使用的过程中，也会因污垢、氧化和机 械磨损而导致局部接触不良，导致炉门对微波的抑制能力降低，使微波泄漏能量 增大，影响使用安全。因此，现在的微波炉大多采用性能较好的抗流式炉门结构。 这种炉门的工作原理与机械式炉门有着本质上的区别。抗流式炉门的电气密封利 用了1 4 波长传输线的阻抗变换特性魄l 1 ，把炉门四周作成带有抗流小槽的结构 来实现的。 电子科技大学硕士学位论文 痉鑫- 一 图2 - 9 微波炉炉门抗流结构 五 满 嚣 c 一( 鑫) 露 一 l 知叫x 一6e b i = l 翻一一a 2 一 图2 1 0 微波炉炉门抗流结构原理图 对炉门抗流结构设计的一般要求是： ( 1 ) 完全密封住微波。炉门的微小泄漏在距5 c m 处应低于i m w c m 2 。 ( 2 ) 炉体内表面应具有良好的导电性。 ( 3 ) 不应有过热和电弧发生，能经受1 0 5 - 1 0 6 次以上的开关磨损。 ( 4 ) 有连锁系统。微波炉只有在门闭合后方可开通，炉门不论什么原因，一经 打开就要阻断微波功率进入炉腔，也就是切断磁控管的高压电源。 图2 1 0 所示是抗流式门结构原理图。么点由于d 点短路，致使此壁电流通路 的炉门接触面也是短路良好的，b 点附近是高阻抗低电流的。这种不接触式抗流 结构有较好的密封效果，能保证炉门泄漏值低于国际标准3 。 第三章微波炉仿真、实验研究及优化设计 第三章微波炉仿真、实验研究及优化设计 3 1 某型号微波炉存在的问题 某公司生产的一种微波炉在生产线上存在以下问题： 1 、由于匹配不良引起的磁控管天线帽打火 图3 一l 磁控管天线帽打火 2 、由于炉门附近微波能量分布过于集中引起炉门“热变” 图3 2 炉门的热变 3 、由于抗流结构设计缺陷造成的泄漏超标。 根据相关的国际标准，微波炉在出厂前的检测中，泄漏值应小于l m w c m 2 。图 3 3 是该型号微波炉生产不良的统计数据。从统计数据看，该型号微波炉的打火、 “热变 及泄漏不良都较高，分别为2 0 0 9 p p m 、1 6 5 5 2 p p m 和1 9 7 3 8 p p m 。改善的目 标是要把泄漏和“热变”不良降至5 0 0 p p m ，打火不良降至o p p m ，即在生产线上消 除打火现象的发生。 电子科技大学硕士学位论文 麓蝣o ro e c t i v e = 一s u bk p i 围回 3 0 0： 9 2 ，j ? 5 0 0；9 8 i1 c u ，f t ；i 1 6 5 5 2 5 疃| 拿7 j ：12r o u n d；1 4 2 3 9 ，： 5 0 0；9 6 c ，r 一 孳。印f t ；。，1 9 7 3 81 ；5 0 0 。ji 9 7 i 。7 ：“? 1 4c u f t 2 0 0 9 - 0 l o o ! 图3 3 某型号微波炉生产线不良的统计数据 3 3 打火原因分析 3 3 1 打火原因的仿真分析 该型微波炉在生产线上发生打火的部位为磁控管天线帽和微波耦合窗附近， 初步分析打火的原因为磁控管天线和耦合窗附近电场太大击穿空气所至。因此在 仿真的时候要特别留意耦合窗附近的电场分布情况。具体是什么原因造成的耦合 窗附近电场过大需综合仿真和实验情况进行分析。 f r e q e n c t g h z 图3 4 不良品的空载驻波系数仿真 3 2 萼懈一 蠹一一一 一；乙 第三章微波炉仿真、实验研究及优化设计 t y p e c o n p o n e n t p l a t f r e q u e n z 4 b p h a s e10 “9 r i l i t $ h 刖- - 2 dz 1 1 7 5 7 v a t2 e 7 3 1 5 s 1 1 - 3 8 图3 5 t y p e n o t o c o m p o n e n t p 1 a n ea tx f r e q u e n c y p h a s e n ；i xi m u l - z d 图3 6 t y p t 1 4 0 n i t o - c o 坤o n e n t p l a a t f r e q u e ：n c y。z 4 b p h a s e1 8 ed e s r e e s m a x i u a - z j15 2 8 6 0 lv ，- a t1 8 9 s g 8 g 1 8 7 一1 6 8 4 1 z 图3 7 耦合窗附近的电场分布( x = 1 8 9 5 ，f = 2 4 6 g h z ) 3 3 电子科技大学硕士学位论文 j ? 驾 巍 z - 7 4 铡 溅篡i 捌 p lanpa tx - 1 8 95 r fer i y 221 7 p h 一 -ed e e s n im - z d- g s z s 3v = a tt 8 95 6 b ，g 1 k 7 一1 18 图3 8 耦合窗附近的电场分布( x = 1 8 9 5 ，f = 2 4 7 g h z ) 图3 4 为生产线上不良品仿真的空载驻波系数。由于该型号微波炉使用的 2 m 一2 4 6 磁控管工作频率为2 4 6 g h z ，观察该频率点的驻波系数在3 0 以上。也就是 说微波炉在空载的时候反射系数非常大。图3 5 和3 6 为磁控管天线附近的电 场分布图，从图上可以看出在磁控管天线附近电场强度较大，在2 4 6 g h z 为 2 1 1 8 v m ，在2 4 7 g h z 为2 2 3 8 v m 。图3 7 和图3 8 是耦合窗的电场分布，该耦 合窗采用的是矩形孔双孔耦合方式，在2 4 6 g h z 为5 2 9 v m ，2 4 7 g h z 为4 9 5 v m 。综 合仿真结果，初步判断打火的原因为微波炉空载时驻波系数高，反射强，在磁控 管天线附近电场分布过度集中造成磁控管天线帽打火击穿。 3 3 2 打火原因的实验分析 以上仅仅对打火原因的一个仿真分析，为进一步确定打火的原因，还需进行 实验分析，从而找到打火的关键因素所在，为解决问题找到突破口。 3 3 2 1 打火频率点的确定 实验的第一步工作是确定打火的频率点。虽然该型微波炉使用的磁控管中心 频率为2 4 6 g h z ，但由于该型号微波炉额定输出功率较大( 1 2 0 0 w ) ，在工作的时候 频率有可能会偏离2 4 6 g h z ，甚至出现其他频率的功率输出。为此对微波炉工作时 的幅频特性进行测试。图3 9 和图3 1 0 给出了网络分析仪的测试结果。 第三章微波炉仿真、实验研究及优化设计 粤 蠢 罚 兽 蠢 疚 一1 _ 量 一o- ；t j卜船馥卅 岱鼍蚓晤薯 l a k l翘 d h 羹尹l那 |；i i 到 型 1 、矗童 曩 j一磊。暾点露歹游鼋旺a 。斌隽。胛 飞| q 磁 图3 9 幅频图( 未打火时测定) 量i i _i _ # 种一，2 q je 儡鸳叠蘸h h 。 毒瘩口，一蠢i 一奢t t o 一叠* 2 。譬，缓d 稿 l l l 量 ll 一 h 。t 一lk l i 臻 。l r剿”魄绺矿泌叼艇耐v i。譬7 舐虮矗 譬 g b z 图3 1 0 幅频图( 打火时测定) 从图3 9 上可以看出，该微波炉工作频率发生了一定的迁移，且在工作频率 之外出现了两个异常的频率点，分别在2 4 1 g h z 附近和2 4 7 g h z 附近，也就是说 在这两个异常频率点可能会发生磁控管天线帽的打火，究竟在哪个频率点发生打 火还需要进一步测试。图3 一1 0 是对正在发生打火的微波炉进行幅频测试结果， 该图显示了发生打火的频率点为高频部分，即2 4 7 g h z 附近的频点。 3 3 2 2 微波炉空负荷时的匹配分析 对于打火问题的实验分析，关键在于匹配分析，也就是对整个微波系统的匹 配性进行研究。在实际工程运用中，我们主要以波导输入口为参考面，通过测试s 。 参数来分析微波炉的匹配特性。 3