工業(yè)微波設備設計中的幾個(gè)問(wèn)題

工業(yè)微波設備設計中的幾個(gè)問(wèn)題

眾所周知，工業(yè)微波設備加熱用的微波爐（行波加熱器除外）與家用微波爐最大區別在于兩者的微波功率和爐腔體積相差很大。通常家用微波爐的容積一般在15～30立升之間，歐美地區一般在25～40立升之間，而工業(yè)微波爐的容積則在500立升以上，有時(shí)甚至可達數萬(wàn)立升。因此在設計這類(lèi)大容積的工業(yè)微波爐時(shí)就有許多不同的考慮原則，但主要還可歸納為以下幾個(gè)因素：

1、具有足夠高的微波功率密度；

2、具有足夠多的模式數，以保證爐內微波場(chǎng)強分布的均勻性；

3、與微波源具有良好的耦合方式，保證足夠高的耦合效率；

4、避免爐內尤其是耦合口附近產(chǎn)生因高水汽產(chǎn)生的高頻擊穿；

5、具有良好的防泄漏裝置，保證操作位上的人員的安全性。

一、多模腔的設計

通常由于微波波長(cháng)與物體幾何尺寸的共度性，因此在S波段的微波單模腔的幾何尺寸很小，容積也不大，這種小容積的爐腔不僅在工業(yè)微波加熱上沒(méi)有使用價(jià)值，即使在家用微波爐中也無(wú)使用價(jià)值。這就決定了無(wú)論是家用微波爐還是工業(yè)微波爐都不得不采用過(guò)模的多模電磁諧振腔，從物理學(xué)和電磁學(xué)的理論知道，任何一個(gè)諧振腔內，在過(guò)模狀態(tài)下，其中可能存在的諧振模式數目是與該腔體的體積成正比的，換句話(huà)說(shuō)，體積越大，其中可能存在的模式數目就越多，而腔內的微波電場(chǎng)的分布均勻性又與模式數目成比例，這就是為什么人們總是希望去設計一個(gè)腔體體積較大的爐腔去改善爐腔內電場(chǎng)的均勻性。

但片面追求增大體積卻會(huì )使微波功率一定情況下的功率密度下降，當然從能量守恒定律出發(fā)，只要在增大體積的同時(shí)，腔體四周的金屬邊界不增加損耗（如采用理想的或接近理想的金屬材料制造），那么即使功率密度的下降也不會(huì )對加熱效果產(chǎn)生顯著(zhù)的影響，然而在實(shí)際情況下，任何金屬材料的導電率都是有限的，尤其是不銹鋼，它的損耗是鋁的25倍，是銅的41倍，是銀的44倍，因此如采用不銹鋼作為爐腔的材料，在增大體積的同時(shí)卻大大增加了整個(gè)腔壁的面積和損耗，這種情況下采用增大體積的辦法只有在同時(shí)增大微波輸入功率的條件下才是正確的。

這就是目前市場(chǎng)上一部分出口的大容積家用微波爐中采用1kW~1.6kW磁控管的理由，在工業(yè)微波爐中，由于被加熱物料體積因素的考慮，爐腔容積通常在500～20000立升之間，有時(shí)甚至更大。在這樣大的腔體內如采用915MHz或2450MHz波段的微波磁控管作為微波源，這顯然是工作在大大的“過(guò)模”狀態(tài)，因此在其中可能存在的模式數非常之多。這種情況下，只要功率密度足夠，爐腔內的場(chǎng)分布均勻性是比較理想的。這種爐腔的空載品質(zhì)因數非常之高，但一旦加入待加熱的物料（特別是高含水量的物料）后，爐腔的有載品質(zhì)因素急劇下降，這種下降程度可達3～5個(gè)數量級之譜，有時(shí)甚至無(wú)法諧振了，一個(gè)典型的高Q諧振系統變成了一個(gè)低Q的微波輻照系統。

第二個(gè)因素則是被加熱物料的形狀和體積大小，爐腔尺寸特別是橫截面尺寸的選擇主要是考慮物料的體積大小及形狀要求，長(cháng)度方向的選擇則應考慮到微波功率及加工的產(chǎn)量要求。

第三個(gè)因素是應根據被加熱物料含水量的高低去選擇爐腔的容積，特別是長(cháng)度方向上的尺寸，含水量低的長(cháng)度可短些，否則應長(cháng)些。

第四個(gè)因素是根據微波源的饋能口的數目多少，是單饋口還是多饋口，是單微波源還是多個(gè)微波源（特別是互相獨立的多個(gè)微波源）。

第五個(gè)因素是腔內功率密度的大小，過(guò)高的微波功率密度將導致以下兩個(gè)效果。

（1）、爐內空氣或氣－汽混合物的介質(zhì)擊穿；

（2）、過(guò)大的內應力造成被加熱物料的損壞。

綜上所述，我們在設計一個(gè)多模腔時(shí)應根據諸多相互制約因素的限制，從理論上特別是實(shí)驗上選擇合理的尺寸，以期達到具有良好均勻分布，高效率的安全運行的高產(chǎn)量的工業(yè)微波爐。

最后應當指出，在工業(yè)微波爐中由于功率較大，因此通常采用三相全波整流非濾波的供電系統，這一直流電源使得磁控管的電流脈動(dòng)大大降低，因此不會(huì )出現象家用微波爐中因采用半波倍壓直流電源導致的微波源的多頻輸出現象，另一方面，工業(yè)微波爐中通常在微波源輸出與爐腔之間接有環(huán)流器，這樣負載變化不會(huì )對微波源產(chǎn)生頻率和功率牽引現象。這兩個(gè)因素使得工業(yè)微波爐中使用的磁控管性能較為穩定。

二、微波源與爐腔的耦合

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。

三、高功率密度時(shí)爐腔內的高頻擊穿或放電

在實(shí)際運行中，我們經(jīng)常發(fā)現在加熱過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生高頻擊穿現象。這種擊穿有幾種可能的原因，一是爐腔內有些結構上存在的缺陷，如金屬毛刺，搭接隙縫等導致微波放電產(chǎn)生火花；另一種常見(jiàn)情況是爐內的空氣或水汽混合物的氣體擊穿；第三種是一些具有高介電常數的顆粒形材料由于顆粒間接觸點(diǎn)上的場(chǎng)強集中導致介質(zhì)擊穿，從而引起局部過(guò)熱，最后導致過(guò)熱空氣的高頻擊穿。

不管是什么原因導致的擊穿和放電，尤其是發(fā)生在波導耦合口附近的放電又會(huì )誘發(fā)波導饋線(xiàn)中的雪崩擊穿，這時(shí)就會(huì )造成微波源和環(huán)形器的損壞或傷害，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的，因為目前大功率微波源和環(huán)形器的價(jià)格是可觀(guān)的，無(wú)論是管子還是環(huán)形器的損壞都將造成停產(chǎn)待修，增加生產(chǎn)成本，影響產(chǎn)量和效益。

為此，我們在設計和加工過(guò)程中應力求爐腔內表面平整光滑，特別是焊縫或接縫處應沒(méi)有明顯的間隙，保證接觸良好，為了防止在水汽排出過(guò)程中由于功率密度過(guò)高引起的氣體擊穿，可將帶在饋口的波導或多隙縫天線(xiàn)從頂部移至底部，饋口向上，從而避免水汽進(jìn)入波導口引發(fā)波導內燈火，保護了環(huán)形器和磁控管的安全運行。

四、其它類(lèi)型工業(yè)微波爐

除了上述多模腔結構的工業(yè)微波爐外，目前尚存在許多行波型工業(yè)微波爐，如曲折波導，V形波導，脊形波導，表面波波導，螺旋波導，圓或橢圓波導，同軸波導，盤(pán)荷波導……等，在這些加熱器中，微波以行波（快波或慢波形式）形式沿波導傳播、利用波導中的具有一定極化方向的電場(chǎng)與物料的相互作用達到加熱的目的，這些行波加熱器特別適用于絲或桿狀、帶狀、片狀等物料的加熱，例如各種塑料或尼龍絲、橡皮條、紙片、紙張或紙板，布匹、膠片、木板、地毯等。