工業微波爐的微波源與爐腔的耦合

工業微波爐的微波源與爐腔的耦合

    微波技術作為一種新能源來加以利用，進行微波加熱、微波干燥、微波殺蟲、微波滅菌、微波膨化等項目上。工業微波爐的出現進一步擴大了微波技術的應用領域。

    微波源與爐腔的耦合是工業微波爐設計中的另一個重要問題。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輸出結構，因此直接耦合方式就是將磁控管的同軸天線直接插入爐腔中某一合適位置以產生面極化，或在天線端加接一螺旋天線以產生圓極化的電磁波。對單模腔來說，耦合口位置及耦合方式決定了該模式能否被激勵起來，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確定了，因此可以通過電場仿真或憑經驗來確定耦合口的多少，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有直接的關系，但在當前實際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價格低廉，在工業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饋能以產生大功率的裝置，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的耦合效率；這時要考慮的問題已不再單純的模式數目的多少，同時還要考慮多管的相互耦合即耦合效率問題，設計不好，多模腔將低效率地工作，甚至無法運行還會毀壞管子。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。

    每一振蕩器都會受到由于匹配不理想而產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按振蕩器技術規范所能接受的允許的反射能量，計算由功率密度和品質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生多模的電磁場。這種耦合方式適用于單管大功率磁控管情況。因為這時不存在多管相互交*耦合問題，因而相對來說比較簡單。

    目前國內許多廠商把多隙縫波導天線輻射器引入工業微波爐中，有兩點應引起注意和重視。第一，爐內負載較輕（即QL較高情況下）時，這種多隙縫天線輻射系統實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，將產生較大反射，耦合效率不高，第二，當負載較重且離天線離物料較近時，這才是一個比較理想的微波輻照系統，周圍金屬墻壁只起到一個防電磁輻射的屏蔽系統，而已不再是一個多模腔了，這時的容積和幾何尺寸不是臨界的，設計的出發點應該是多隙縫天線的輻射效率。

    遺憾的是很多設計者直接采用多隙縫微波同相天線的設計和計算方法作為理論根據，我們認為，工業微波爐的多隙縫微波輻照系統與雷達中的同相天線要求是不同的，前者要求在近區中功率均勻輻照至物料上，同時微波源應與天線良好匹配，而同相天線則要求在遠區產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，對同相天線來說，相隔距離應為半波長，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，而不是同相天線中的1/2λg，而各隙縫離波導中心線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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