微波加热设备的设计与实验

摘要

微波加热在工业上作为材料的处理方式早在六十年前就出现了。从微波炉开始，这种加热方式逐渐走进人们的生活，并且展现出巨大的发展潜力。目前微波的热效应不仅仅局限于加热食物，在其他各种领域也发挥着巨大的作用。微波加热在医疗、新材料制备、材料处理等方面都有着广泛的应用。目前微波和人体组织相互影响的研究也是热点。这些方面共同推动了微波加热系统的研究。 目前微波加热系统的设计往往借助HFSS软件，进行腔体内电场的优化和馈入口反射的优化。这种先仿真后加工实验的方式，大大减少了研究的成本。但是在设计者设计的过程中往往对理论的理解不够，设计中大量的采用经验数据来调整腔体或者馈口的位置或者数量。而且在设计中往往只考虑了电场均匀性的影响，没有考虑材料的热学参量，没有考虑材料在加热过程中温度场的分布。材料的介电常数在温度变化的过程中会有很大的不同，而设计过程对材料介电常数往往重视不够。 所以本文针对这些问题研究了四个部分的内容： 1. 分析了微波加热的相关理论。介绍了介电常数的定义以及介电常数在微波加热过程中的影响；分析了介电常数随温度和频率变化的情况；研究了加热腔体内电场的基本理论，推导了腔体的谐振频率和Q值； 2. 研究了微波能量馈口缝隙天线的设计理论。针对加热用波导窄边缝隙天线提供了一个设计方法。并且通过试验验证了缝隙天线设计的可行性； 3. 根据理论和微波解冻设备的设计要求，通过HFSS软件和ANSYS软件的联合仿真。初步设计了一套微波解冻设备，并在此基础上进行了优化，给出了各个参数在设计过程中的影响。优化过程以微波加热相关理论为依据，大大减少了优化的时间，同时在温度场的仿真中考虑了相变的影响。设计完成的设备四个馈入口的反射均在-25dB以下，电场均匀性较好，温度场和升温曲线符合要求； 4. 从谐振腔微扰理论出发推导改进了谐振腔微扰法，提出了宽范围介电常数测量的矩形腔微扰法。通过仿真和实验验证了方法的可靠性。并且与原有的方法做了对比，大大提高了测量范围与精度。

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