基于CST仿真軟件的微波反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)

楊欣昱 唐鈺佳

電子科技大學(xué) （四川成都 611731）

20世紀(jì)40年代基于軍事需求發(fā)明了微波發(fā)生器后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)微波可用于物料的反應(yīng)、加熱、干燥等方面，目前已在多個(gè)領(lǐng)域開展了相關(guān)研究與應(yīng)用，涉及多種物料狀態(tài)。微波處理方式已成為提高物料和產(chǎn)品指標(biāo)的關(guān)鍵[1]?；谟?jì)算機(jī)仿真技術(shù)（CST）仿真軟件，完成了微波發(fā)生器、微波饋入單元、微波反應(yīng)器和微波屏蔽的電磁仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液態(tài)物料的處理并確保微波泄露值滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 相關(guān)背景

1.1 微波效應(yīng)概述

微波在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊、無(wú)限網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)衛(wèi)星等通信系統(tǒng)[2]。此外，微波對(duì)物質(zhì)具有加熱效應(yīng)，人們利用其良好的加熱性發(fā)明了微波爐[3]。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)，食品微波爐已經(jīng)普及至千家萬(wàn)戶。近年來(lái)，隨著微波化學(xué)效應(yīng)研究不斷取得進(jìn)展，國(guó)外開始研制工業(yè)應(yīng)用的特種微波化工設(shè)備和裝置，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)也基于工業(yè)訂單展開特種微波設(shè)備的研制，有些已經(jīng)得到成功應(yīng)用。

微波對(duì)物料的作用具有整體性、選擇性、快速高效等特點(diǎn)，可用于物料的反應(yīng)、加熱、干燥、殺菌、保鮮等方面，已在有機(jī)合成、高分子聚合、化學(xué)萃取、物料膨化、陶瓷燒結(jié)等單元操作中得到研究和應(yīng)用[4]。國(guó)外已在精細(xì)化工、食品、煙草、機(jī)械、陶瓷、木材、環(huán)保、生物化學(xué)、分析測(cè)試等行業(yè)開展微波效應(yīng)的研究與應(yīng)用，研究對(duì)象涉及液態(tài)、固態(tài)、液體固化、流態(tài)顆粒燒結(jié)等，幾乎每一類物料狀態(tài)中都存在多種適宜微波處理的物料。國(guó)際上，在某些高品質(zhì)材料以及由高品質(zhì)材料制備高新技術(shù)產(chǎn)品的研制過(guò)程中，微波處理方式已成為提高物料和產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。

1.2 基于CST的電路設(shè)計(jì)

CST由德國(guó)開發(fā)，是當(dāng)前微波設(shè)計(jì)中普遍使用的商業(yè)化三維電磁仿真軟件。基于CST可以進(jìn)行各種仿真模塊的開發(fā)[5]。根據(jù)邊界和微波端口，可給出模擬區(qū)域的電磁場(chǎng)分布，適用于對(duì)射頻、無(wú)線通信、封裝及光電子產(chǎn)品新功能的開發(fā)提供有效的研究手段，能夠計(jì)算任意形狀無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)、全波電磁場(chǎng)。在微波反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用多臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站和三維圖形系統(tǒng)工作站，基于電磁仿真軟件（CST MWS）、三維粒子模擬軟件(MAGIC和CHIPIC)及有限元分析軟件（ANSYS），完成了電磁仿真設(shè)計(jì)。

2 主體設(shè)計(jì)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

基于已有的裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和電磁仿真設(shè)計(jì)知識(shí)，確定設(shè)計(jì)思路為：采用單元+模塊+電路的模塊化方式、逐層搭建、構(gòu)成整體電路。（1）單元：由獨(dú)立的供電電路、高壓發(fā)生器、微波管、控制信號(hào)等組成，可獨(dú)立地產(chǎn)生和控制微波。單元輸出微波功率為1 kW，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。（2）模塊：10個(gè)單元組合在一起成為一個(gè)模塊。模塊中每個(gè)單元的控制信號(hào)均連接至裝置的中央控制器，且各個(gè)單元的控制信號(hào)互相獨(dú)立。（3）裝置：由6個(gè)10 kW模塊進(jìn)行組合，形成一個(gè)整體的微波裝置。設(shè)置中央控制系統(tǒng)，可對(duì)裝置中所有的微波管工況進(jìn)行互為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，與物料處理情況的具體參數(shù)相連接并進(jìn)行反饋，妥善地調(diào)控微波工況。

圖1 基本組成單元（1 kW微波管）工作流程

2.2 單元（1 kW微波管）的供電電路

單元的核心是1 kW微波管，擬選型號(hào)為M24FB-210A，輸出微波功率為1 kW，頻率為2 450 MHz，用電功率為1.4 kW。微波管需要由4 kV的高壓驅(qū)動(dòng)，因此配設(shè)將220 V轉(zhuǎn)換為4 kV的高壓包。圖2為1 kW微波管單元的供電電路。

3 控制設(shè)計(jì)

3.1 各單元獨(dú)立的供電電路

每個(gè)單元有獨(dú)立的供電電路，利用220 V電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的4 kV高壓（見圖1和圖2）為1 kW微波管獨(dú)立供電，每個(gè)單元的供電電路要接收該模塊提供的控制信號(hào)。為了避免各個(gè)單元之間相互干擾，由控制信號(hào)為220 V的繼電器直接控制供電電路的輸入饋電。

3.2 每個(gè)模塊獨(dú)立工作

每個(gè)模塊10個(gè)單元獨(dú)立工作（獨(dú)立接收控制信號(hào)），有1個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)接收到的控制信號(hào)是小信號(hào)（如溫度），要將其轉(zhuǎn)換為220 V的電壓信號(hào)，然后輸出到10個(gè)單元的控制端，控制輸入饋電的繼電器。

3.3 整體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目選用M24FB-210A型微波管作為微波產(chǎn)生單元，由此，由10個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)具有相應(yīng)功能的10 kW微波發(fā)生模塊，最后形成一套60 kW的微波液體處理裝置，如圖3所示。

圖3 60 kW微波液體處理裝置結(jié)構(gòu)

微波裝置設(shè)立3種工作方式：

（1）一個(gè)10 kW的微波發(fā)生模塊，不考慮微波加熱對(duì)微波化學(xué)反應(yīng)的負(fù)作用，將微波產(chǎn)生的熱能通過(guò)容器壁傳遞給大氣；

（2）2個(gè)10 kW的微波發(fā)生模塊，考慮微波加熱，針對(duì)不同溫度下的微波化學(xué)反應(yīng)；

（3）3個(gè)10 kW的微波發(fā)生模塊，考慮高溫下的微波化學(xué)反應(yīng)。

4 微波反應(yīng)器設(shè)計(jì)

4.1 單管饋入設(shè)計(jì)

裝置中的核心器件是微波管（型號(hào)為M24FB-210A，輸出功率為1 kW，頻率為2450 MHz，用電功率為1.4 kW），產(chǎn)生的微波通過(guò)一個(gè)模式轉(zhuǎn)換器進(jìn)入微波反應(yīng)器，為被處理物料吸收。

圖4所示為微波管饋入單元的結(jié)構(gòu)，其中微波輻射窗（材料為聚四氟乙烯）實(shí)現(xiàn)微波反應(yīng)容器同微波管之間的隔離。

圖4 微波管饋入單元的結(jié)構(gòu)

圖5為微波管饋入單元的安裝圖。

圖5 微波管饋入單元的安裝圖

4.2 十管饋入設(shè)計(jì)

由于微波反應(yīng)器的直徑（d=100 cm）和深度（h=100 cm）均大于微波管輻射的微波波長(zhǎng)（λ=12.2 cm），因此在理論上，微波反應(yīng)器對(duì)于微波管饋入單元是開放空間，即微波管通過(guò)饋入單元向微波反應(yīng)器傳送微波是無(wú)障礙的。

利用CST研究了微波管在中心位置時(shí)向微波反應(yīng)器傳送微波的物理過(guò)程，微波場(chǎng)分布見圖6。

在圖6所示結(jié)構(gòu)中，被處理物料的直徑為50 cm，厚度為 20 cm，對(duì)應(yīng)的體積是 4×104cm3，如果被處理物料是水，則一次的處理量是40 kg。

圖6 微波管在中心位置時(shí)向微波反應(yīng)器傳送微波的物理過(guò)程

4.3 物料微波反應(yīng)均勻化設(shè)計(jì)

根據(jù)CST仿真結(jié)果進(jìn)行微波反應(yīng)器上饋入單元的安裝布置設(shè)計(jì)，具體如圖7所示，1個(gè)微波反應(yīng)器上安裝10個(gè)微波單元（微波管和微波饋入結(jié)構(gòu)）?？紤]到微波作用區(qū)很難完全均勻，且微波作用過(guò)程與物料吸收微波的過(guò)程相互耦合、相互影響，也會(huì)使微波的分布均勻性變差，因此需采取圖3所示的物料擺動(dòng)方式，克服微波場(chǎng)的不均勻性。

圖7 微波反應(yīng)器上饋入單元安裝圖

5 屏蔽設(shè)計(jì)

依照相關(guān)微波泄露標(biāo)準(zhǔn)[1]，微波屏蔽設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面:

（1）絕大部分微波沿著設(shè)計(jì)的路線進(jìn)入反應(yīng)器，多數(shù)直接被液態(tài)物料吸收，少量達(dá)到器壁（特殊材質(zhì)）后被反射回物料中進(jìn)行二次吸收，經(jīng)過(guò)多次反射后可以被完全吸收。這種情況可以不考慮微波泄露和屏蔽。

（2）少部分微波殘留在微波管上，為了避免對(duì)外釋放，設(shè)計(jì)一個(gè)屏蔽罩來(lái)消除這部分泄露微波，屏蔽罩側(cè)面增加鐵氧體涂敷層來(lái)吸收微波，并避免諧振（如圖8所示）。屏蔽后的微波泄露量低于空氣本底值，完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖8 微波屏蔽設(shè)計(jì)示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

利用CST模擬軟件解決了1 kW的微波饋入和10 kW微波饋入之間的相互干擾問(wèn)題，使用1 kW的微波管合成出一個(gè)10 kW的微波反應(yīng)模塊，不僅降低了成本，而且從技術(shù)上大大減輕了10 kW微波發(fā)生器的開發(fā)困難，使微波化學(xué)反應(yīng)裝置在生產(chǎn)上成為可能，同時(shí)引入模塊（10 kW模塊）概念，解決大規(guī)模、多重化學(xué)工藝的技術(shù)困擾。下一步的工作是同相關(guān)化學(xué)工藝緊密結(jié)合，將該類裝置推向?qū)嵱没?/p>

[1]李士根.微波的新應(yīng)用和安全標(biāo)準(zhǔn) [J].電子工程信息，1997，2（3）：59-61.

[2]KUMAR S，SHUKLA S.Concepts and applications of microwave engineering[M].PHI Learning Pvt.Ltd,2014：3.

[3]Cooking with Short Waves[J].Short Wave Craft,1933,4(7):394.

[4]牟群英,李賢軍.微波加熱技術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].物理,2004,33(6):438-442.

[5]張敏，王紅麗，孫佳偉.基于CST軟件的專用仿真平臺(tái)的開發(fā) [C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì).2007年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（上冊(cè)）.寧波：2007.