黄 亮，姚 斌，和 伟，张建宇

（云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650092）

微波加热具有速度快、可控性强、加热效率高等诸多优点，已经广泛运用在冶金、农产品干燥、化工以及特殊材料制备等诸多领域。微波反应腔是微波加热的关键设备，不同的微波反应腔会带来不同的加热效率和均匀性。设计合理的微波反应腔能够极大地提高微波加热的效率和均匀性。姚斌[1]用HFSS软件仿真研究了馈口位置、负载对微波加热效率的影响并进行优化，得出馈口相互垂直比馈口平行时馈口间的反射功率小，并对腔体进行了优化，提高了加热腔体的加热效率；孙鹏等[2]利用COMSOL Multiphysics仿真了馈口位置、样品位置及大小对微波加热效率的影响；张瑾等[3]对微波加热的均匀性以及微波闪蒸多模腔体进行了优化研究，得出了圆柱谐振腔体内的电磁场分布对谐振腔的几何参数极其敏感，对腔体尺寸进行恰当的优化，提高微波加热的效率，改善微波加热的均匀性。但截至目前，尚未见到有关腔体壁可调的微波反应腔的相关研究报道。文章在分析微波反应腔相关理论的基础上，设计了一款十字形可调腔体壁微波反应腔，利用HFSS研究了可调腔体壁对加热效率的影响，并进行了优化。

1 模型

微波腔体中的电磁场可利用麦克斯韦方程组求得。鉴于微波炉中的介质可近似看作线性、各向同性、有耗介质，其非均匀分布时，电场的控制方程可推导为：

2 加热效率的计算方法

微波加热器加热效率是由微波加热器输入功率和实际功率决定的。在HFSS仿真软件中，S参数是衡量器件好坏的一个重要参量，其本身的定义即为归一化电压的比，所以功率比其实是S参数的平方。为了便于计算四馈口的输入电磁波功率均归一化为1 W，其微波间的吸收效率η表示为：

式中，Power11，Power22，Power33，Power44表示馈口1、馈口2、馈口3和馈口4之间的反射功率，Power12，Power13，Power14，Power23，Power24，Power34分别表示馈口12、馈口13、馈口14、馈口23、馈口24、馈口34之间的透射功率。

3 仿真结果

3.1 馈口位置对加热效率及仿真优化

微波加热器四馈口互相垂直时，可调腔体壁内正方体棱长长度α=400 mm，腔体变化参数d1，d2，d3，d4都为100 mm，馈口的反射功率及加热效率随r0的变化如图1—2所示。可以看出，当馈口位置参数r0＞40 mm时，加热效率开始呈减小的趋势，r0=130 mm时，出现最小值。最大值可达87%。因此在设计过程中，馈口间的间距不宜设计太大。

3.2 单壁可调时的加热效率及仿真优化

由于馈口位置参数r0=40 mm时反射功率最小，加热效率最高，故r0取此参数。取馈口长度h=60 mm，中心正方体棱长α=400 mm，其中，3个腔体变化参数d为定值100 mm，另一个厚度为d时，馈口的反射功率及加热效率随厚度d的变化如图2所示。可以看出，当d=20 mm时，反射功率最大，加热效率最小；当d=90 mm时，反射功率最小，加热效率最高，可达91%。

图1 加热效率随馈口位置r0的变化

图2 加热效率随腔体变化参数d的变化

图3 加热效率随腔体变化参数d的变化

3.3 双壁可调时的加热效率及仿真优化

当d1，d3为100 mm，d2，d4为d时，馈口的反射功率及加热效率随厚度d的变化如图3所示。可以看出，当d=10 mm，20 mm，95 mm时，反射功率小，加热效率高，最高可达93%。

（1）微波的加热效率η随着馈口位置参数r0的增大逐渐减小，所以在设计过程中，馈口的位置参数r0不应取过大，且当r0=40 mm时，微波反射功率较低，加热效率较高。（2）可调腔体变化参数d在20～90 mm，微波反射功率呈现逐渐减小的趋势，微波加热效率逐渐增大。在d=90 mm时，加热效率取得最大值91%。（3）可调腔体壁相对面腔体变化参数d=10 mm时，微波反射功率最小，微波加热效率最高93.1%；可调腔体壁相邻面腔体变化参数d=95 mm时，微波反射功率最小，微波加热效最高，最高为96.3%。（4）可调腔体变化参数d=85 mm，微波反射功率最小，微波加热效率最高为88.1%，且d在80～105 mm范围内取得较大的加热效率。

4 结语

合适的馈口位置以及对微波加热器可调腔体变化参数的大小、微波加热器的加热效率起着十分重要的作用。在优化仿真后，微波加热器在频率为2.45 GHz频段下，微波加热的加热效率最高可达96.3%。对可调腔体微波加热器的研制具有一定的指导意义。