多模微波加熱諧振腔的建模與仿真
基于有限積分算法設(shè)計軟件CST建立4000mm×1600mm×920mm的微波諧振腔體模型，通過調(diào)整饋口位置、饋口數(shù)量、負(fù)載位置等，優(yōu)化了腔體電場分布及饋源與腔體的耦合度，提高了微波加熱效率。
微波加熱與傳統(tǒng)的加熱方式相比，具有節(jié)能、環(huán)保、高效、可控等優(yōu)勢，在冶金、環(huán)保、化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。微波諧振腔作為微波加熱系統(tǒng)中最常用的熱存貯和熱轉(zhuǎn)換部件，最常用的諧振腔應(yīng)用器又分為單模腔應(yīng)用器與多模腔應(yīng)用器。單模諧振器場結(jié)構(gòu)簡單，能夠較精確地確定腔體內(nèi)場分布情況，因此可以把被加熱物料放置在腔體內(nèi)場強(qiáng)比較集中的位置，從而達(dá)到快速加熱的目的。單模諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)高、儲能大，缺點(diǎn)是體積小、腔內(nèi)場強(qiáng)分布不均勻，不適合分散加熱物料。
目前，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)常用的諧振腔應(yīng)用器是多模腔應(yīng)用器，多模腔應(yīng)用器內(nèi)很多電場模式并存，各個模式的電場相互疊加，可以在腔體內(nèi)形成比單模腔均勻的電磁能分布，實(shí)現(xiàn)物料的均勻加熱。根據(jù)電磁場理論，諧振腔的尺寸、形狀決定腔體內(nèi)的諧振模式，諧振模式?jīng)Q定腔體的場分布，直接影響加熱的均勻性。決定多模腔應(yīng)用器場分布均勻性的因素很多，波導(dǎo)類型、饋口數(shù)目、饋口位置、負(fù)載電磁特性、負(fù)載形狀、負(fù)載位置等，如果在實(shí)際生產(chǎn)中調(diào)整，由于因素多，調(diào)試周期長，研制成本高，并且由于測試手段有限，不能對腔體內(nèi)的場分布進(jìn)行細(xì)致的描述。
德國CST公司CST軟件中的CWS(微波工作室)工作模塊，包含快速便捷的結(jié)構(gòu)建模工具、常用的材料庫、瞬態(tài)求解器、頻域求解器、本征模求解器、模式分析求解器、完整的后處理模塊等，可以分析處理包含天線、濾波器、耦合器、傳輸線、諧振器等所有的相關(guān)的電磁場仿真問題。
本文采用CST軟件仿真了饋口位置、饋口數(shù)目、負(fù)載位置對諧振腔內(nèi)電場分布的影響，通過仿真分析，得出了多模式微波加熱諧振器的優(yōu)化設(shè)計方法。
1、多模微波器加熱模型
本試驗(yàn)的仿真對象是微波煤炭脫硫設(shè)備的微波諧振腔體，模型如圖1所示，x×y×z：4000mm×1600mm×920mm。饋排列情況和負(fù)載放置情況如圖2所示。以下仿真全部基于圖1腔體尺寸，并依照圖2所示調(diào)整負(fù)載位置、尺寸和饋口數(shù)量、位置等進(jìn)行計算。
圖1 腔體模型
圖2 饋口和負(fù)載放置示意圖
2、仿真結(jié)果與討論
2.1、饋口數(shù)量對腔體性能的影響
文章不考慮負(fù)載特性對腔體性能的影響，如圖2所示在腔體內(nèi)部放置SIC負(fù)載(圖3陰影所示)，厚30mm。在圖1所示的腔體XOY 平面分別放置1個饋口(圖3示饋口1激勵)，激勵功率30W；放置兩個饋口(圖3示饋口2、饋口3同時激勵)，激勵功率分別為15W；放置3個饋口(圖3示饋口1、饋口2、饋口3同時激勵)，激勵功率分別設(shè)置為10W，通過仿真計算，三種情況下的場分布對比如圖3所示。
圖3 饋口分布示意圖
圖4所示為微波諧振腔體在z=167mm平面上的電場分布，其中(a)為單饋口激勵時的電場分布，激勵功率30 W，最小電場0，最大電場309V/m；(b)為雙饋口激勵，各饋口激勵功率分別為15W，最小電場0，最大電場164V/m；(c)為三饋口激勵，各饋口激勵功率10W，最小電場0，最大電場129V/m。通過對比分析，在同等功率激勵腔體的條件下，很明顯三饋口激勵時腔體內(nèi)部的電場均勻性要優(yōu)于雙饋口激勵時的情況，雙饋口激勵時腔體的電場分布要優(yōu)于單饋口激勵時的電場分布情況。因此，在設(shè)計大體積、大功率激勵的微波諧振腔時，為了使得諧振腔內(nèi)電場分布均勻，多采用多饋口激勵的模式。
圖4 諧振腔內(nèi)z=167mm平面上的電場分布
結(jié)論
(1)多模微波加熱器中，微波諧振腔體的場均勻性及饋口的反射、耦合度與饋口數(shù)量、饋口位置、負(fù)載位置有關(guān)；
(2)多饋口激勵可以改善高功率、大體積微波諧振腔體的加熱均勻性；
(3)CST仿真軟件采用有限積分算法，可以有效分析腔體場分布、各饋口的反射系數(shù)及耦合，使用方便，占用計算機(jī)資源少，運(yùn)算快，在大體積微波諧振腔優(yōu)化設(shè)計中，具有不可替代的作用。
