工業(yè)微波爐的微波源與爐腔的耦合

工業(yè)微波爐的微波源與爐腔的耦合

    微波技術(shù)作為一種新能源來(lái)加以利用，進(jìn)行微波加熱、微波干燥、微波殺蟲(chóng)、微波滅菌、微波膨化等項目上。工業(yè)微波爐的出現進(jìn)一步擴大了微波技術(shù)的應用領(lǐng)域。

    微波源與爐腔的耦合是工業(yè)微波爐設計中的另一個(gè)重要問(wèn)題。通常對這種耦合的基本要求是：1、爐腔與微波源具有良好的（荷載情況下的）匹配，使微波源的功率無(wú)反射地饋入腔內；2、耦合裝置應能最大限度地激勵起眾多電磁振蕩模式，以保證腔內場(chǎng)分布的均勻性。

    這種耦合裝置一般可分為直接耦合和間接耦合兩種類(lèi)型：

    1、直接耦合型

    在直接耦合方式中又可分為單管及多管直接耦合方式。由于連續波磁控管目前多為軸向同軸天線(xiàn)輸出結構，因此直接耦合方式就是將磁控管的同軸天線(xiàn)直接插入爐腔中某一合適位置以產(chǎn)生面極化，或在天線(xiàn)端加接一螺旋天線(xiàn)以產(chǎn)生圓極化的電磁波。對單模腔來(lái)說(shuō)，耦合口位置及耦合方式?jīng)Q定了該模式能否被激勵起來(lái)，但激勵后的諧振頻率則完全由腔體的邊界所確定。而多模腔的情況要復雜得多，因為多模腔中被激勵的眾多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和邊界條件共同決定的；同樣的邊界條件可以激勵起多少模式就由耦合裝置來(lái)確定了，因此可以通過(guò)電場(chǎng)仿真或憑經(jīng)驗來(lái)確定耦合口的多少，特別是具體的分布方式及相互位置，但有一個(gè)共同的前提，那就是應最大限度地激勵起盡可能多的模式，以保證爐腔內的場(chǎng)分布的均勻性。

    原則上，多模腔中的模式數目與耦合口數量沒(méi)有直接的關(guān)系，但在當前實(shí)際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價(jià)格低廉，在工業(yè)微波爐中已大量采用幾只、數十只甚至上百只爐用磁控管同時(shí)饋能以產(chǎn)生大功率的裝置，這種情況下，多管直接耦合就是一種必然的耦合方式。因此耦合口的分布，相對位置及極化方式都將影響到多管耦合時(shí)的耦合效率；這時(shí)要考慮的問(wèn)題已不再單純的模式數目的多少，同時(shí)還要考慮多管的相互耦合即耦合效率問(wèn)題，設計不好，多模腔將低效率地工作，甚至無(wú)法運行還會(huì )毀壞管子。這種情況下，需要考慮各振蕩源之間的交*耦合及其對振蕩器壽命及加熱均勻性的影響。

    每一振蕩器都會(huì )受到由于匹配不理想而產(chǎn)生的反射以及其它振蕩器的部分能量的影響。這些能量的總和必須不超過(guò)按振蕩器技術(shù)規范所能接受的允許的反射能量，計算由功率密度和品質(zhì)因素所確定的爐內壁電流的大小，并與僅由振蕩器單獨輸出功率時(shí)在其饋口處的壁電流相比較可以估計交*耦合的影響，由此可以得出該振蕩源看到的有效的反射系數值。20多年前，英國在896/915MHz上使用了36個(gè)1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率幾近100％，而目前我國也已有數目達80甚至100個(gè)以上的多管輸出結構，但具體耦合效率不詳。

    2、間接耦合型

    這種耦合方式是指微波磁控管先去激勵一根波導管，再將該波導與爐腔以單孔或多孔相耦合以激勵腔內產(chǎn)生多模的電磁場(chǎng)。這種耦合方式適用于單管大功率磁控管情況。因為這時(shí)不存在多管相互交*耦合問(wèn)題，因而相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。

    目前國內許多廠(chǎng)商把多隙縫波導天線(xiàn)輻射器引入工業(yè)微波爐中，有兩點(diǎn)應引起注意和重視。第一，爐內負載較輕（即QL較高情況下）時(shí)，這種多隙縫天線(xiàn)輻射系統實(shí)際上是一種爐腔內的激勵裝置，不能認為這是一種微波輻照系統，設計不好，將產(chǎn)生較大反射，耦合效率不高，第二，當負載較重且離天線(xiàn)離物料較近時(shí)，這才是一個(gè)比較理想的微波輻照系統，周?chē)饘賶Ρ谥黄鸬揭粋€(gè)防電磁輻射的屏蔽系統，而已不再是一個(gè)多模腔了，這時(shí)的容積和幾何尺寸不是臨界的，設計的出發(fā)點(diǎn)應該是多隙縫天線(xiàn)的輻射效率。

    遺憾的是很多設計者直接采用多隙縫微波同相天線(xiàn)的設計和計算方法作為理論根據，我們認為，工業(yè)微波爐的多隙縫微波輻照系統與雷達中的同相天線(xiàn)要求是不同的，前者要求在近區中功率均勻輻照至物料上，同時(shí)微波源應與天線(xiàn)良好匹配，而同相天線(xiàn)則要求在遠區產(chǎn)生一定方向圖的波束，因此在這些隙縫在軸向的相對距離上要求是不同的，對同相天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，相隔距離應為半波長(cháng)，以保證相互輻射的同相要求，而微波加熱中的隙縫相隔距離是使隙縫間的交*耦合最小以及防止隙縫反射造成的相互疊加，因此此距離應等于3/4λg，而不是同相天線(xiàn)中的1/2λg，而各隙縫離波導中心線(xiàn)的距離應考慮各隙縫的等功率輻射。波導終端應具有可調節的活塞以保證良好的匹配，設計良好時(shí)駐波比可在1.1~1.4之間，耦合效率可高達95％以上。

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