单模微波烧结腔内电磁场分布规律及其影响因素的HFSS仿真研究

摘要

近年来，微波加热技术的应用越来越受到人们的重视，特别是在微波烧结陶瓷领域。单模烧结腔由于结构简单、便于控制和调节等优点得到了广泛的应用，其中以TE103模式的烧结腔最为典型，它具有较稳定的场分布和较高的场强密度。在微波烧结陶瓷过程中，确定腔体的谐振特性从而找到最佳的腔体长度十分重要，这为确定腔内电磁场的分布规律提供了必要条件。了解不同几何尺寸和微波参数的材料对场分布的影响会使微波烧结工艺更具有针对性。以往的解析方法只能处理简单的烧结腔模型，对于复杂腔体或者加载试样的腔体模型，解析方法已不再适用，而只能借助于电磁仿真软件所采用的数值计算方法。 HFSS是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法(FEM)的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。本论文首先借助HFSS构建了BJ-22型和改进型两种TE103单模烧结腔模型，数值模拟了腔体的谐振特性和电磁场的分布云图，确定出两种腔体中电磁场均匀区域的空间范围，改进型烧结腔继承了BJ-22型的优点，扩大了波导宽边方向的均匀场空间范围，可烧结较大尺寸的块状试样；研究了烧结腔建模仿真中的影响因素，证实了频率偏移会导致电场的均匀区域减小，二维面和对称面的使用可以在保证求解精度的基础上减少解算时间和计算机硬件资源，为多模烧结腔模型的仿真提供了简化模型的依据；数值模拟了加载圆柱状试样的烧结腔内的电场分布，仿真结果显示腔内电场的三个均匀区域都有所减小，两边的均匀区域缩小程度较小，中间的均匀区域由于试样吸收微波能量收缩较大，场强密度和稳定性都大大降低；结合参数扫描，分析和讨论了试样不同的几何尺寸和微波参数对试样和烧结腔内电场分布的影响：当表面半径R较小时，试样内部的电场分布从里到外逐渐增强，R的增大使试样中心和左右两端出现较高电场，腔内中间的均匀区域受到破坏，两边的受到“挤压”。轴向高度H和相对介电常数εr的不同都会使试样内部出现完全相反的电场分布，当H和εr，处于发生变化的分界点时，试样内部的场强趋于一致。H的增大使径向表面退极化场的减少幅度大于轴向表面的增加幅度，也使腔内中间的均匀区域的场稳定性逐渐升高。εr的增大使试样的退极化场增加，也使腔内中间的均匀区域的场稳定性逐渐降低。介质损耗角正切值tgδ不同时，试样内部的电场分布从里到外逐渐增强，但腔内电场分布始终保持不变，tgδ的增大使试样的退极化场缓慢增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第一章绪论

1.1论文的研究目的和意义

1.2国内外的研究现状

1.3本论文研究的主要内容

第二章微波加热系统概述

2.1微波加热

2.1.1微波加热的原理

2.1.2微波加热的特点

2.1.3微波加热系统

2.2矩形微波谐振腔

2.2.1矩形波导

2.2.2TE103单模微波谐振腔

2.3本章小结

第三章单模烧结腔内电磁场分布的仿真

3.1HFSS仿真的具体步骤

3.2单模微波烧结腔谐振频率的数值求解

3.2.1数值求解的具体步骤

3.2.2数值求解的结果分析

3.2.3谐振频率的结果分析

3.3单模微波烧结腔电磁场分布的数值模拟

3.3.1数值模拟的具体步骤

3.3.2数值模拟的结果分析

3.3.3电磁场模拟的结果分析

3.3.4电场模拟的结果与讨论

3.4本章小节

第四章影响试样和烧结腔内电场分布的因素

4.1烧结腔建模仿真中的影响因素

4.1.1频率偏移

4.1.2使用二维平面

4.1.3使用对称面

4.2TE103单模烧结腔加载圆柱状试样的数值模拟

4.3影响试样和烧结腔内电场分布的因素

4.3.1表面半径的影响

4.3.2轴向高度的影响

4.3.3相对介电常数的影响

4.3.4介质损耗角正切值的影响

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢