工業(yè)微波爐微波源與與爐腔如何耦合
微波技術(shù)作為一種新能源來(lái)加以利用，進(jìn)行微波加熱、微波干燥、微波殺蟲(chóng)、微波滅菌等項(xiàng)目上。工業(yè)微波爐的出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大了微波技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。微波源與爐腔的耦合是工業(yè)微波爐設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要問(wèn)題。通常對(duì)這種耦合的基本要求是：
1、爐腔與微波源具有良好的（荷載情況下的）匹配，使微波源的功率無(wú)反射地饋入腔內(nèi)；
2、耦合裝置應(yīng)能最大限度地激勵(lì)起眾多電磁振蕩模式，以保證腔內(nèi)場(chǎng)分布的均勻性。
這種耦合裝置一般可分為直接耦合和間接耦合兩種類型：
1、直接耦合型
在直接耦合方式中又可分為單管及多管直接耦合方式。由于連續(xù)波磁控管目前多為軸向同軸天線輸出結(jié)構(gòu)，因此直接耦合方式就是將磁控管的同軸天線直接插入爐腔中某一合適位置以產(chǎn)生面極化，或在天線端加接一螺旋天線以產(chǎn)生圓極化的電磁波。對(duì)單模腔來(lái)說(shuō)，耦合口位置及耦合方式?jīng)Q定了該模式能否被激勵(lì)起來(lái)，但激勵(lì)后的諧振頻率則完全由腔體的邊界所確定。而多模腔的情況要復(fù)雜得多，因?yàn)槎嗄Ｇ恢斜患?lì)的眾多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和邊界條件共同決定的；同樣的邊界條件可以激勵(lì)起多少模式就由耦合裝置來(lái)確定了，因此可以通過(guò)電場(chǎng)仿真或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定耦合口的多少，特別是具體的分布方式及相互位置，但有一個(gè)共同的前提，那就是應(yīng)最大限度地激勵(lì)起盡可能多的模式，以保證爐腔內(nèi)的場(chǎng)分布的均勻性。原則上，多模腔中的模式數(shù)目與耦合口數(shù)量沒(méi)有直接的關(guān)系，但在當(dāng)前實(shí)際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價(jià)格低廉，在工業(yè)微波爐中已大量采用幾只、數(shù)十只甚至上百只爐用磁控管同時(shí)饋能以產(chǎn)生大功率的裝置，這種情況下，多管直接耦合就是一種必然的耦合方式。因此耦合口的分布，相對(duì)位置及極化方式都將影響到多管耦合時(shí)的耦合效率；這時(shí)要考慮的問(wèn)題已不再單純的模式數(shù)目的多少，同時(shí)還要考慮多管的相互耦合即耦合效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)不好，多模腔將低效率地工作，甚至無(wú)法運(yùn)行還會(huì)毀壞管子。這種情況下，需要考慮各振蕩源之間的交*耦合及其對(duì)振蕩器壽命及加熱均勻性的影響。
每一振蕩器都會(huì)受到由于匹配不理想而產(chǎn)生的反射以及其它振蕩器的部分能量的影響。這些能量的總和必須不超過(guò)按振蕩器技術(shù)規(guī)范所能接受的允許的反射能量，計(jì)算由功率密度和品質(zhì)因素所確定的爐內(nèi)壁電流的大小，并與僅由振蕩器單獨(dú)輸出功率時(shí)在其饋口處的壁電流相比較可以估計(jì)交*耦合的影響，由此可以得出該振蕩源看到的有效的反射系數(shù)值。20多年前，英國(guó)在896/915MHz上使用了36個(gè)1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率幾近100％，而目前我國(guó)也已有數(shù)目達(dá)80甚至100個(gè)以上的多管輸出結(jié)構(gòu)，但具體耦合效率不詳。
2、間接耦合型
這種耦合方式是指微波磁控管先去激勵(lì)一根波導(dǎo)管，再將該波導(dǎo)與爐腔以單孔或多孔相耦合以激勵(lì)腔內(nèi)產(chǎn)生多模的電磁場(chǎng)。這種耦合方式適用于單管大功率磁控管情況。因?yàn)檫@時(shí)不存在多管相互交*耦合問(wèn)題，因而相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。
目前國(guó)內(nèi)許多廠商把多隙縫波導(dǎo)天線輻射器引入工業(yè)微波爐中，有兩點(diǎn)應(yīng)引起注意和重視。第一，爐內(nèi)負(fù)載較輕（即QL較高情況下）時(shí)，這種多隙縫天線輻射系統(tǒng)實(shí)際上是一種爐腔內(nèi)的激勵(lì)裝置，不能認(rèn)為這是一種微波輻照系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不好，將產(chǎn)生較大反射，耦合效率不高，第二，當(dāng)負(fù)載較重且離天線離物料較近時(shí)，這才是一個(gè)比較理想的微波輻照系統(tǒng)，周圍金屬墻壁只起到一個(gè)防電磁輻射的屏蔽系統(tǒng)，而已不再是一個(gè)多模腔了，這時(shí)的容積和幾何尺寸不是臨界的，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是多隙縫天線的輻射效率。遺憾的是很多設(shè)計(jì)者直接采用多隙縫微波同相天線的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法作為理論根據(jù)，我們認(rèn)為，工業(yè)微波爐的多隙縫微波輻照系統(tǒng)與雷達(dá)中的同相天線要求是不同的，前者要求在近區(qū)中功率均勻輻照至物料上，同時(shí)微波源應(yīng)與天線良好匹配，而同相天線則要求在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生一定方向圖的波束，因此在這些隙縫在軸向的相對(duì)距離上要求是不同的，對(duì)同相天線來(lái)說(shuō)，相隔距離應(yīng)為半波長(zhǎng)，以保證相互輻射的同相要求，而微波加熱中的隙縫相隔距離是使隙縫間的交*耦合最小以及防止隙縫反射造成的相互疊加，因此此距離應(yīng)等于3/4λg，而不是同相天線中的1/2λg，而各隙縫離波導(dǎo)中心線的距離應(yīng)考慮各隙縫的等功率輻射。波導(dǎo)終端應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的活塞以保證良好的匹配，設(shè)計(jì)良好時(shí)駐波比可在1.1~1.4之間，耦合效率可高達(dá)95％以上。
1、爐腔與微波源具有良好的（荷載情況下的）匹配，使微波源的功率無(wú)反射地饋入腔內(nèi)；
2、耦合裝置應(yīng)能最大限度地激勵(lì)起眾多電磁振蕩模式，以保證腔內(nèi)場(chǎng)分布的均勻性。
這種耦合裝置一般可分為直接耦合和間接耦合兩種類型：
1、直接耦合型
在直接耦合方式中又可分為單管及多管直接耦合方式。由于連續(xù)波磁控管目前多為軸向同軸天線輸出結(jié)構(gòu)，因此直接耦合方式就是將磁控管的同軸天線直接插入爐腔中某一合適位置以產(chǎn)生面極化，或在天線端加接一螺旋天線以產(chǎn)生圓極化的電磁波。對(duì)單模腔來(lái)說(shuō)，耦合口位置及耦合方式?jīng)Q定了該模式能否被激勵(lì)起來(lái)，但激勵(lì)后的諧振頻率則完全由腔體的邊界所確定。而多模腔的情況要復(fù)雜得多，因?yàn)槎嗄Ｇ恢斜患?lì)的眾多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和邊界條件共同決定的；同樣的邊界條件可以激勵(lì)起多少模式就由耦合裝置來(lái)確定了，因此可以通過(guò)電場(chǎng)仿真或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定耦合口的多少，特別是具體的分布方式及相互位置，但有一個(gè)共同的前提，那就是應(yīng)最大限度地激勵(lì)起盡可能多的模式，以保證爐腔內(nèi)的場(chǎng)分布的均勻性。原則上，多模腔中的模式數(shù)目與耦合口數(shù)量沒(méi)有直接的關(guān)系，但在當(dāng)前實(shí)際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價(jià)格低廉，在工業(yè)微波爐中已大量采用幾只、數(shù)十只甚至上百只爐用磁控管同時(shí)饋能以產(chǎn)生大功率的裝置，這種情況下，多管直接耦合就是一種必然的耦合方式。因此耦合口的分布，相對(duì)位置及極化方式都將影響到多管耦合時(shí)的耦合效率；這時(shí)要考慮的問(wèn)題已不再單純的模式數(shù)目的多少，同時(shí)還要考慮多管的相互耦合即耦合效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)不好，多模腔將低效率地工作，甚至無(wú)法運(yùn)行還會(huì)毀壞管子。這種情況下，需要考慮各振蕩源之間的交*耦合及其對(duì)振蕩器壽命及加熱均勻性的影響。
每一振蕩器都會(huì)受到由于匹配不理想而產(chǎn)生的反射以及其它振蕩器的部分能量的影響。這些能量的總和必須不超過(guò)按振蕩器技術(shù)規(guī)范所能接受的允許的反射能量，計(jì)算由功率密度和品質(zhì)因素所確定的爐內(nèi)壁電流的大小，并與僅由振蕩器單獨(dú)輸出功率時(shí)在其饋口處的壁電流相比較可以估計(jì)交*耦合的影響，由此可以得出該振蕩源看到的有效的反射系數(shù)值。20多年前，英國(guó)在896/915MHz上使用了36個(gè)1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率幾近100％，而目前我國(guó)也已有數(shù)目達(dá)80甚至100個(gè)以上的多管輸出結(jié)構(gòu)，但具體耦合效率不詳。
2、間接耦合型
這種耦合方式是指微波磁控管先去激勵(lì)一根波導(dǎo)管，再將該波導(dǎo)與爐腔以單孔或多孔相耦合以激勵(lì)腔內(nèi)產(chǎn)生多模的電磁場(chǎng)。這種耦合方式適用于單管大功率磁控管情況。因?yàn)檫@時(shí)不存在多管相互交*耦合問(wèn)題，因而相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。
目前國(guó)內(nèi)許多廠商把多隙縫波導(dǎo)天線輻射器引入工業(yè)微波爐中，有兩點(diǎn)應(yīng)引起注意和重視。第一，爐內(nèi)負(fù)載較輕（即QL較高情況下）時(shí)，這種多隙縫天線輻射系統(tǒng)實(shí)際上是一種爐腔內(nèi)的激勵(lì)裝置，不能認(rèn)為這是一種微波輻照系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不好，將產(chǎn)生較大反射，耦合效率不高，第二，當(dāng)負(fù)載較重且離天線離物料較近時(shí)，這才是一個(gè)比較理想的微波輻照系統(tǒng)，周圍金屬墻壁只起到一個(gè)防電磁輻射的屏蔽系統(tǒng)，而已不再是一個(gè)多模腔了，這時(shí)的容積和幾何尺寸不是臨界的，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是多隙縫天線的輻射效率。遺憾的是很多設(shè)計(jì)者直接采用多隙縫微波同相天線的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法作為理論根據(jù)，我們認(rèn)為，工業(yè)微波爐的多隙縫微波輻照系統(tǒng)與雷達(dá)中的同相天線要求是不同的，前者要求在近區(qū)中功率均勻輻照至物料上，同時(shí)微波源應(yīng)與天線良好匹配，而同相天線則要求在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生一定方向圖的波束，因此在這些隙縫在軸向的相對(duì)距離上要求是不同的，對(duì)同相天線來(lái)說(shuō)，相隔距離應(yīng)為半波長(zhǎng)，以保證相互輻射的同相要求，而微波加熱中的隙縫相隔距離是使隙縫間的交*耦合最小以及防止隙縫反射造成的相互疊加，因此此距離應(yīng)等于3/4λg，而不是同相天線中的1/2λg，而各隙縫離波導(dǎo)中心線的距離應(yīng)考慮各隙縫的等功率輻射。波導(dǎo)終端應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的活塞以保證良好的匹配，設(shè)計(jì)良好時(shí)駐波比可在1.1~1.4之間，耦合效率可高達(dá)95％以上。
