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1、转载微波多模腔设计[转载]微波多模腔设计2011年08月31日　　微波多模腔设计　　众所周知，工业微波加热用的微波炉（行波加热器除外）与家用微波炉最大区别在于两者的微波功率和炉腔体积相差很大。通常家用微波炉的容积一般在15～30立升之间，欧美地区一般在25～40立升之间，而工业微波炉的容积则在500立升以上，有时甚至可达数万立升。因此在设计这类大容积的工业微波炉时就有许多不同的考虑原则，但主要还可归纳为以下几个因素：　　1、具有足够高的微波功率密度；　　2、具有足够多的模式数，以保证炉内微波场强分布的均匀性；　　3、与微波源具有良好的

2、耦合方式，保证足够高的耦合效率；　　4、避免炉内尤其是耦合口附近产生因高水汽产生的高频击穿；　　5、具有良好的防泄漏装置，保证操作位上的人员的安全性。　　本文重点讨论2、3、4几个问题　　一、多模腔的设计　　通常由于微波波长与物体几何尺寸的共度性，因此在S波段的微波单模腔的几何尺寸很小，容积也不大，这种小容积的炉腔不仅在工业加热上没有使用价值，即使在家用微波炉中也无使用价值。这就决定了无论是家用微波炉还是工业微波炉都不得不采用过模的多模电磁谐振腔，从物理学和电磁学的理论知道，任何一个谐振腔内，在过模状态下，其中可能存在的谐振模式数目是

3、与该腔体的体积成正比的，换句话说，体积越大，其中可能存在的模式数目就越多，而腔内的微波电场的分布均匀性又与模式数目成比例，这就是为什么人们总是希望去设计一个腔体体积较大的炉腔去改善炉腔内电场的均匀性。但片面追求增大体积却会使微波功率一定情况下的功率密度下降，当然从能量守恒定律出发，只要在增大体积的同时，腔体四周的金属边界不增加损耗（如采用理想的或接近理想的金属材料制造），那么即使功率密度的下降也不会对加热效果产生显著的影响，然而在实际情况下，任何金属材料的导电率都是有限的，尤其是不锈钢，它的损耗是铝的25倍，是铜的41倍，是银的44倍

4、，因此如采用不锈钢作为炉腔的材料，在增大体积的同时却大大增加了整个腔壁的面积和损耗，这种情况下采用增大体积的办法只有在同时增大微波输入功率的条件下才是正确的。这就是目前市场上一部分出口的大容积家用微波炉中采用1kW~1.6kW磁控管的理由，在工业微波炉中，由于被加热物料体积因素的考虑，炉腔容积通常在500～20000立升之间，有时甚至更大。在这样大的腔体内如采用915MHz或2450MHz波段的微波磁控管作为微波源，这显然是工作在大大的“过模”状态，因此在其中可能存在的模式数非常之多。这种情况下，只要功率密度足够，炉腔内的场分布均匀性

5、是比较理想的。这种炉腔的空载品质因数非常之高，但一旦加入待加热的物料（特别是高含水量的物料）后，炉腔的有载品质因素急剧下降，这种下降程度可达3～5个数量级之谱，有时甚至无法谐振了，一个典型的高Q谐振系统变成了一个低Q的微波辐照系统。　　第二个因素则是被加热物料的形状和体积大小，炉腔尺寸特别是横截面尺寸的选择主要是考虑物料的体积大小及形状要求，长度方向的选择则应考虑到微波功率及加工的产量要求。　　第三个因素是应根据被加热物料含水量的高低去选择炉腔的容积，特别是长度方向上的尺寸，含水量低的长度可短些，否则应长些。　　第四个因素则是根据微波

6、源的馈能口的数目多少，是单馈口还是多馈口，是单微波源还是多个微波源（特别是互相独立的多个微波源）。　　第五个因素则是腔内功率密度的大小，过高的微波功率密度将导致以下两个效果。　　（1）、炉内空气或气－汽混合物的介质击穿；　　（2）、过大的内应力造成被加热物料的损坏。　　综上所述，我们在设计一个多模腔时应根据诸多相互制约因素的限制，从理论上特别是实验上选择合理的尺寸，以期达到具有良好均匀分布，高效率的安全运行的高产量的工业微波炉。　　最后应当指出，在工业微波炉中由于功率较大，因此通常采用三相全波整流非滤波的供电系统，这一直流电源使得磁控

7、管的电流脉动大大降低，因此不会出现象家用微波炉中因采用半波倍压直流电源导致的微波源的多频输出现象，另一方面，工业微波炉中通常在微波源输出与炉腔之间接有环流器，这样负载变化不会对微波源产生频率和功率牵引现象。这两个因素使得工业微波炉中使用的磁控管性能较为稳定。　　二、微波源与炉腔的耦合　　微波源与炉腔的耦合是工业微波炉设计中的另一个重要问题。通常对这种耦合的基本要求是；　　（1）、炉腔与微波源具有良好的（荷载情况下的）匹配，使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，以保证腔内场分布的均匀性

8、。　　这种耦合装置一般可分为直接耦合和间接耦合两种类型：　　1、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