工业微波炉的微波源与炉腔的耦合

工业微波炉的微波源与炉腔的耦合

    微波技术作为一种新能源来加以利用，进行微波加热、微波干燥、微波杀虫、微波灭菌、微波膨化等项目上。工业微波炉的出现进一步扩大了微波技术的应用领域。

    微波源与炉腔的耦合是工业微波炉设计中的另一个重要问题。通常对这种耦合的基本要求是：1、炉腔与微波源具有良好的（荷载情况下的）匹配，使微波源的功率无反射地馈入腔内；2、耦合装置应能最大限度地激励起众多电磁振荡模式，以保证腔内场分布的均匀性。

    这种耦合装置一般可分为直接耦合和间接耦合两种类型：

    1、直接耦合型

    在直接耦合方式中又可分为单管及多管直接耦合方式。由于连续波磁控管目前多为轴向同轴天线输出结构，因此直接耦合方式就是将磁控管的同轴天线直接插入炉腔中某一合适位置以产生面极化，或在天线端加接一螺旋天线以产生圆极化的电磁波。对单模腔来说，耦合口位置及耦合方式决定了该模式能否被激励起来，但激励后的谐振频率则完全由腔体的边界所确定。而多模腔的情况要复杂得多，因为多模腔中被激励的众多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和边界条件共同决定的；同样的边界条件可以激励起多少模式就由耦合装置来确定了，因此可以通过电场仿真或凭经验来确定耦合口的多少，特别是具体的分布方式及相互位置，但有一个共同的前提，那就是应最大限度地激励起尽可能多的模式，以保证炉腔内的场分布的均匀性。

    原则上，多模腔中的模式数目与耦合口数量没有直接的关系，但在当前实际情况下，由于家用微波炉用磁控管的价格低廉，在工业微波炉中已大量采用几只、数十只甚至上百只炉用磁控管同时馈能以产生大功率的装置，这种情况下，多管直接耦合就是一种必然的耦合方式。因此耦合口的分布，相对位置及极化方式都将影响到多管耦合时的耦合效率；这时要考虑的问题已不再单纯的模式数目的多少，同时还要考虑多管的相互耦合即耦合效率问题，设计不好，多模腔将低效率地工作，甚至无法运行还会毁坏管子。这种情况下，需要考虑各振荡源之间的交*耦合及其对振荡器寿命及加热均匀性的影响。

    每一振荡器都会受到由于匹配不理想而产生的反射以及其它振荡器的部分能量的影响。这些能量的总和必须不超过按振荡器技术规范所能接受的允许的反射能量，计算由功率密度和品质因素所确定的炉内壁电流的大小，并与仅由振荡器单独输出功率时在其馈口处的壁电流相比较可以估计交*耦合的影响，由此可以得出该振荡源看到的有效的反射系数值。20多年前，英国在896/915MHz上使用了36个1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率几近100％，而目前我国也已有数目达80甚至100个以上的多管输出结构，但具体耦合效率不详。

    2、间接耦合型

    这种耦合方式是指微波磁控管先去激励一根波导管，再将该波导与炉腔以单孔或多孔相耦合以激励腔内产生多模的电磁场。这种耦合方式适用于单管大功率磁控管情况。因为这时不存在多管相互交*耦合问题，因而相对来说比较简单。

    目前国内许多厂商把多隙缝波导天线辐射器引入工业微波炉中，有两点应引起注意和重视。第一，炉内负载较轻（即QL较高情况下）时，这种多隙缝天线辐射系统实际上是一种炉腔内的激励装置，不能认为这是一种微波辐照系统，设计不好，将产生较大反射，耦合效率不高，第二，当负载较重且离天线离物料较近时，这才是一个比较理想的微波辐照系统，周围金属墙壁只起到一个防电磁辐射的屏蔽系统，而已不再是一个多模腔了，这时的容积和几何尺寸不是临界的，设计的出发点应该是多隙缝天线的辐射效率。

    遗憾的是很多设计者直接采用多隙缝微波同相天线的设计和计算方法作为理论根据，我们认为，工业微波炉的多隙缝微波辐照系统与雷达中的同相天线要求是不同的，前者要求在近区中功率均匀辐照至物料上，同时微波源应与天线良好匹配，而同相天线则要求在远区产生一定方向图的波束，因此在这些隙缝在轴向的相对距离上要求是不同的，对同相天线来说，相隔距离应为半波长，以保证相互辐射的同相要求，而微波加热中的隙缝相隔距离是使隙缝间的交*耦合最小以及防止隙缝反射造成的相互叠加，因此此距离应等于3/4λg，而不是同相天线中的1/2λg，而各隙缝离波导中心线的距离应考虑各隙缝的等功率辐射。波导终端应具有可调节的活塞以保证良好的匹配，设计良好时驻波比可在1.1~1.4之间，耦合效率可高达95％以上。

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