关于工业微波炉设计中的几个问题

甚至无法运行还会毁坏管子。这种情况下，需要考 虑各振荡源之间的交*耦合及其对振荡器寿命及加 热均匀性的影响。每一振荡器都会受到由于匹配不 理想而产生的反射以及其它振荡器的部分能量的 影响。这些能量的总和必须不超过按振荡器技术规 范所能接受的允许的反射能量，计算由功率密度和
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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，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
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
品质因素所确定的炉内壁电流的大小，并与仅由振 荡器单独输出功率时在其馈口处的壁电流相比较 可以估计交*耦合的影响，由此可以得出该振荡源 看到的有效的反射系数值。20 多年前，英国在 896/915MHz 上使用了 36 个 1.5kW 的磁控管，建立 起近 54kW 的功率，其耦合效率几近 100％，而目
前我国也已有数目达 80 甚至 100 个以上的多管输 出结构，但具体耦合效率不详。2、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*耦
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则完全由腔体的边界所确定。而多模腔的情况要复 杂得多，因为多模腔中被激励的众多模式（包括 TEmnp 模及 TMmnp 模），是由耦合口多少及位置和 边界条件共同决定的；同样的边界条件可以激励起 多少模式就由耦合装置来确定了，因此可以通过电 场仿真或凭经验来确定耦合口的多少，特别是具体
的分布方式及相互位置，但有一个共同的前提，那 就是应最大限度地激励起尽可能多的模式，以保证 炉腔内的场分布的均匀性。原则上，多模腔中的模 式数目与耦合口数量没有直接的关系，但在当前实 际情况下，由于家用微波炉用磁控管的低廉，在工 业微波炉中已大量采用几只、数十只甚至上百只炉
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
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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
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可调节的活塞以保证良好的匹配，设计良好时驻波 比可在 1.1~1.4 之间，耦合效率可高达 95％以上。 三、高功率密度时炉腔内的高频击穿或放电在实际 运行中，我们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。不管是什么原因导致的 击穿和放电，尤其是发生在波导耦合口附近的放电
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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
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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。对单模腔来说，耦合口位置及耦合方式决 定了该模式能否被激励起来，但激励后的谐振频率
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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，可将带在馈口的波导或多隙缝天 线从顶部移至底部，馈口向上，从而避免水汽进入 波导口引发波导内灯火，保护了环形器和磁控管的 安全运行。四、其它类型工业微波炉除了上述多模
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又会诱发波导馈线中的雪崩击穿，这时就会造成微 波源和环形器的损坏或伤害，这一点是至关重要 的，因为目前大功率微波源和环形器的是可观的， 无论是管子还是环形器的损坏都将造成停产待修， 增加生产成本，影响产量和效益。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
腔结构的工业微波炉外，目前尚存在许多行波型工 业微波炉，如曲折波导，V 形波导，脊形波导，表 面波波导，螺旋波导，圆或椭圆波导，同轴波导， 盘荷波导„„等，在这些加热器中，微波以行波（快 波或慢波形式）形式沿波导传播、利用波导中的具 有一定极化方向的电场与物料的相互作用达到加
热的目的，这些行波加热器特别适用于丝或杆状、 带状、片状等物料的加热，例如各种塑料或尼龙丝、 橡皮条、纸片、纸张或纸板，布匹、胶片、木板、 地毯等。
对同相天线来说，相隔距离应为半波长，以保证相 互辐射的同相要求，而微波加热中的隙缝相隔距离 是使隙缝间的交*耦合最小以及防止隙缝反射造成 的相互叠加，因此此距离应等于 3/4λ g，而不是 同相天线中的 1/2λ g，而各隙缝离波导中心线的 距离应考虑各隙缝的等功率辐射。波导终端应具有
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合问题，因而相对来说比较简单。目前国内许多厂 商把多隙缝波导天线辐射器引入工业微波炉中，有 两点应引起注意和重视。第一，炉内负载较轻（即 QL 较高情况下）时，这种多隙缝天线辐射系统实 际上是一种炉腔内的激励装置，不能认为这是一种 微波辐照系统，设计不好，将产生较大反射，耦合
效率不高，第二，当负载较重且离天线离物料较近 时，这才是一个比较理想的微波辐照系统，周围金 属墙壁只起到一个防电磁辐射的屏蔽系统，而已不 再是一个多模腔了，这时的容积和几何尺寸不是临 界的，设计的出发点应该是多隙缝天线的辐射效 率。遗憾的是很多设计者直接采用多隙缝微波同相
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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
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
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用磁控管同时馈能以产生大功率的装置，这种情况 下，多管直接耦合就是一种必然的耦合方式。因此 耦合口的分布，相对位置及极化方式都将影响到多 管耦合时的耦合效率；这时要考虑的问题已不再单 纯的模式数目的多少，同时还要考虑多管的相互耦 合即耦合效率问题，设计不好，多模腔将低效率地，
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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。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
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
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
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天线的设计和计算方法作为理论根据，我们认为， 工业微波炉的多隙缝微波辐照系统与雷达中的同 相天线要求是不同的，前者要求在近区中功率均匀 辐照至物料上，同时微波源应与天线良好匹配，而 同相天线则要求在远区产生一定方向图的波束，因 此在这些隙缝在轴向的相对距离上要求是不同的，