微波爐腔體電磁場分布仿真及尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文微波爐腔體電磁場分布仿真及尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計姓名：巨漢基申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：物理電子學(xué)指導(dǎo)教師：趙青20080529摘要摘要微波爐是微波能應(yīng)用的最重要的一個方面，但是，微波爐的設(shè)計依然停留在“設(shè)計一試制一校正”的那種舊的設(shè)計制造模式，極大地延長了設(shè)計時間，增加了設(shè)計成本，不利于企業(yè)競爭力的提升。電磁場仿真軟件的出現(xiàn)，為改進(jìn)和應(yīng)用新的方法計算和預(yù)測場分布特性提供了新的手段，實現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計階段就能對其所應(yīng)用的系統(tǒng)進(jìn)行精確計算及性能預(yù)測，節(jié)約大量的設(shè)計實驗費用?？梢灾庇^地用彩色顯示部件內(nèi)部空間和各橫截面上電磁場強(qiáng)度分布。通過計算機(jī)仿真對腔體場結(jié)構(gòu)的研究，可根據(jù)場結(jié)構(gòu)的特點

2、來改進(jìn)諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，使微波能最大限度的耦合到腔體中，并作用到加熱負(fù)載上去。本文主要工作如下：第一章介紹了微波加熱的原理及微波爐的各個組成部分。第二章介紹了微波爐設(shè)計過程中涉及到的幾個主要理論，包括有限元理論、諧振腔理論、耦合波理論、波導(dǎo)理論及阻抗匹配理論。并結(jié)合微波爐實際設(shè)計進(jìn)行了一些說明。第三、四、五章是本文的工作重點。第三章把對微波爐性能影響比較大的幾個因素進(jìn)行了仿真研究，得到了各個因素的影響規(guī)律，為實際設(shè)計微波爐提供指導(dǎo)。這些因素包括：磁控管模型、波導(dǎo)、腔體、玻璃盤。其中，磁控管模型的準(zhǔn)確與否直接影響了仿真的準(zhǔn)確性。本文嚴(yán)格按照磁控管天線的實際尺寸進(jìn)行了建模。第四、五章是本文的創(chuàng)新之處

3、。第四章探討了仿真結(jié)果的判斷方法，提出了波導(dǎo)打火、輸出功率和效率、熔軸和炸盤、均勻性的判斷方法。然后，在和爐子上將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行了對照，證明了仿真方法的可行性。另外，在實際工作中解決了爐子的熔軸問題。第五章介紹了實際開發(fā)的兩個新平臺微波爐，和爐子。將仿真軟件應(yīng)用于實際設(shè)計中，并且根據(jù)仿真結(jié)果提出了最終的腔體結(jié)構(gòu)，將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行了對照，結(jié)果吻和的較好，在實際平臺上驗證了仿真方法的可行性。關(guān)鍵詞：微波爐，仿真，效率，均勻性，波導(dǎo)打火”?！?，：，印，強(qiáng)。：，獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方

4、外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名：匪避日凝：礬年竅呻關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：戶艮麥翩簽名：矽吼渺年夕月日第一章引言第一章引

5、言年美國雷聲公司研制出世界上第一臺微波爐。在世紀(jì)年代，微波爐大多應(yīng)用于工業(yè)及商業(yè)部門，經(jīng)過人們的不懈努力，年家用微波爐在西歐誕生，世紀(jì)年代逐步進(jìn)入家庭。年發(fā)明了防止微波泄漏的抗流密封門，有效的保證了微波泄漏不超過世界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。我國微波爐的研制和生產(chǎn)只有二十多年的歷史。年由南京微波能推廣應(yīng)用中心牽頭，聯(lián)合研制和生產(chǎn)出第一批微波爐，并投放市場。經(jīng)過殘酷的市場競爭，我國微波爐生產(chǎn)企業(yè)由以前的多家剩到了目前的少數(shù)幾家，其中格蘭仕、美的占了絕大多數(shù)的市場份額。由于中國在生產(chǎn)成本上具有無可比擬的優(yōu)勢，美國、歐洲等地都已把微波爐的訂單放到中國，本國都退出了微波爐生產(chǎn)。目前中國制造的微波爐主要是外銷，由于出

6、口市場過于集中，形成有量無價，沒有錢賺的局面，每臺微波爐的利潤只有幾塊錢。而且連年微波爐出口的量增價跌，已經(jīng)引起進(jìn)口國的警覺，在美洲一些國家，已經(jīng)出現(xiàn)了限制中國微波爐的苗頭。在目前中國企業(yè)已經(jīng)具備了規(guī)模優(yōu)勢的條件下，如何通過技術(shù)提升中國微波爐的盈利能力就變得至關(guān)重要。以前微波爐設(shè)計往往是通過不斷“設(shè)計一試制一校正”的方式的，這種方式相當(dāng)耗費時間和資金，具有極大地不確定性，如果設(shè)計不好，可能到交貨時間還沒法達(dá)到客戶的要求，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。尤其是年美國能源部能效與可再生能源辦公室發(fā)布了關(guān)于住宅電子和燃?xì)馄骶?、微波爐、洗碗機(jī)、除濕機(jī)和商業(yè)洗衣機(jī)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，即號通報乜】，對微波爐的效率提出了更高的

7、要求，并且把能效標(biāo)準(zhǔn)與售價掛鉤，達(dá)到更高能耗等級的產(chǎn)品可以以更高的價格銷售，獲得一定的回扣或稅率優(yōu)惠。而且由于進(jìn)行產(chǎn)品匹配的時間不確定性極大，有可能使產(chǎn)品落后于競爭對手推出市場，降低企業(yè)收益。如何更好更快地設(shè)計微波爐，成為了擺在各個廠家面前的難題。由此，電磁仿真軟件進(jìn)入了某些廠家的視野，其中，日本企業(yè)開展這方面的工作比較早，然后韓國，中國美的集團(tuán)都進(jìn)行了這方面的嘗試。電磁場仿真軟件的出現(xiàn)，為改進(jìn)和應(yīng)用新的方法計算和預(yù)測場分布特性提供了新的手段，實現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計階段就能對其所應(yīng)用的系統(tǒng)進(jìn)行精確計算及性能預(yù)測，節(jié)約大量的設(shè)計試驗費用。尤其是在產(chǎn)品開發(fā)的前期研究中，直接指導(dǎo)設(shè)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文

8、計過程，包括對設(shè)計方案的實現(xiàn)、設(shè)計方案具體內(nèi)容的優(yōu)化和改進(jìn)等。從而突破了微波加熱器以往“設(shè)計一試制一校正的那種舊的設(shè)計制造模式，尤其是適合于對大功率微波加熱過程中的“熱”狀態(tài)的電磁仿真。這不但可以精確地計算部件的性能參數(shù)，而且還可以直觀地用彩色顯示部件內(nèi)部空間和各橫截面上電磁場的強(qiáng)度分布。通過計算機(jī)仿真對腔體場結(jié)構(gòu)的研究，還可以提高各部件材料使用和選擇的合理性，在保證可靠而穩(wěn)定工作的條件下，進(jìn)一步降低成本，提高可靠性。對微波加熱腔場分布特性的研究?？筛鶕?jù)場結(jié)構(gòu)的特點來改進(jìn)諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理選擇能量輸出裝置，使微波能最大限度的耦合到腔體中并作用到加熱負(fù)載上去。目前，國際上主流的三維高頻電磁場仿

9、真軟件有德國公司的（微波工作室）、美國公司的（高頻結(jié)構(gòu)仿真）。就目前發(fā)行的版本而言，的的前后處理界面及操作感比好很多，然而也意識到了自己的缺點，在將要推出的新版本中，界面及操作都得到了極大的改善，完全可以和相比；在性能方面，兩個軟件各有所長，相差不多。值得注意的是，采用的理論基礎(chǔ)是（有限時域差分方法），所以的計算是由時域得到頻域解，對于像濾波器，耦合器等主要關(guān)心帶內(nèi)參數(shù)的問題設(shè)計就非常適合；而采用的理論基礎(chǔ)是（有限元方法），是一種積分方法，其解是頻域的，所以是由頻域得到時域解，對于設(shè)計各種輻射器及求本征模問題很擅長。由于進(jìn)入中國市場較早，所以目前國內(nèi)的使用者眾多，特別是在各大通信技術(shù)研究單位、

10、公司、高校非常普及。本研究使用的也是軟件。是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的參數(shù)和全波電磁場。使用，可以計算：基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題；端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化參數(shù)；結(jié)構(gòu)的本征模。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，以其無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電

11、子、半導(dǎo)體、計第一章引言算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)部件的電磁兼容電磁干擾特性，從而降低設(shè)計成本，減少設(shè)計周期，增強(qiáng)競爭力。微波爐的問題是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)問題，對于其中的某個部分的研究，如磁控管、波導(dǎo)、諧振腔等，有很多人進(jìn)行過了，也已經(jīng)很成熟了。但是對于把這些部分組合起來做成微波爐這個系統(tǒng)，還是有很多問題存在。從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，國外對微波爐的研究比較多，很多研究都是關(guān)于微波泄漏對其它系統(tǒng)的影響口卜拍】。對于微波爐諧振腔設(shè)計方面的研究比較多的是通過時域有限差分法或有限元法對微波爐

12、進(jìn)行理論分析口兒。也有人對其他方法進(jìn)行了探索，如格林函數(shù)法、傳輸線法、小孔耦合法等幻。理論分析都是對規(guī)則模型進(jìn)行的，跟實際的微波爐模型是有很大差別的，僅僅是一種理論指導(dǎo)作用。實際設(shè)計微波爐采用的還是實驗手段，各個微波爐生產(chǎn)廠家在實驗方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。國內(nèi)也有很多人對微波爐進(jìn)行過研究。對于微波爐進(jìn)行系統(tǒng)論述的比較全面的是電子科技大學(xué)的張兆鏜教授編著的微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)，對各種形式的加熱腔進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對材料的加熱特性變化進(jìn)行了深入的研究。另外，也有人通過實驗或理論計算，研究負(fù)載位置和形狀對微波爐場分布肼、熱流動們等的影響，得出了許多有用的結(jié)論。國內(nèi)對微波爐研究機(jī)構(gòu)有四川大學(xué)，他們通過實

13、驗方法研究了微波爐功率、均勻性和安全性乜¨，實驗方法基本跟國際標(biāo)準(zhǔn)一樣。鄭州糧食學(xué)院有人開發(fā)了計算腔內(nèi)模式的程序乜，這個工作電子科技大學(xué)的雷文強(qiáng)博士等人盼及北京航空航天大學(xué)的胡海濤碩士婦也做過，但該程序只能對規(guī)則腔體進(jìn)行分析，對于復(fù)雜形狀的諧振腔則無能為力。當(dāng)然，這個工作還是有一定的指導(dǎo)意義，在設(shè)計腔體之初我們可以通過這個程序大體了解腔體內(nèi)可能存在的模式，選擇一個近似合理的尺寸，然后在此基礎(chǔ)上調(diào)整模型結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)的胡海濤碩士通過仿真研究了攪拌片對腔內(nèi)場分布和電能轉(zhuǎn)化為微波能轉(zhuǎn)換效率的影響暖朝，但是他得出的某些結(jié)論我認(rèn)為是值得推敲的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳群教授也利用仿真研究微波諧

14、振腔晗引，文章內(nèi)只有大體介紹，沒見到具體仿真結(jié)果。華南理工大學(xué)有人利用小孔耦合理論對微波爐腔內(nèi)電磁場分布進(jìn)行了理論研究。電子科技大學(xué)的雷文強(qiáng)博士、曾葆青教授等人曾經(jīng)跟美的集團(tuán)合作曾經(jīng)進(jìn)行過微波爐仿真研究，并將仿真結(jié)果跟網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)果進(jìn)行了對照。另外武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院的吳曉紅同志也對仿真進(jìn)行了研究乜們，考察了負(fù)載在不同溫度、不同頻率下的腔內(nèi)場分布，并且用有限元法計算了規(guī)則腔體內(nèi)的電場分布，跟現(xiàn)有文獻(xiàn)中的理電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文論計算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果比較符合。意大利大學(xué)的等人口們也利用算法開發(fā)了微波爐仿真軟件，并且得到了負(fù)載上及空間中的電場分布圖?？梢钥闯觯瑢ξ⒉t的理論、實驗或者仿真研究，都

15、有人進(jìn)行過了，也得到了許多有用的結(jié)論。在企業(yè)仿真方面，日本企業(yè)，如松下，做得比較好，我們也找到了幾張松下公司的仿真圖片，可以看出他們也是采用了簡化模型分析了腔體中的水蒸氣對電磁場分布的影響，結(jié)果顯示加入水蒸氣可以使電磁場分布更均勻。但是他們的仿真工作具體進(jìn)行到了何種程度我們并不清楚。其次，韓國也有人從事這方面工作，主要工作好像是集中在門齒結(jié)構(gòu)、磁控管打火等方面的仿真。國內(nèi)企業(yè)如美的也進(jìn)行過這方面的嘗試，結(jié)果也不是很理想，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果差別比較大。到目前為止，不管高校還是企業(yè)，都沒有找到一種可以不通過實驗設(shè)計微波爐的方法，雖然仿真是最有希望達(dá)到這個目的的方法，但還有很多問題需要解決，還不夠理

16、想。無論如何，仿真技術(shù)是未來微波爐設(shè)計的一個方向，也是減少研發(fā)時間，提高企業(yè)競爭力的一種有用手段。任何企業(yè)如果不進(jìn)行這方面的研究，就可能被他的競爭對手甩在后邊，延緩?fù)瞥鲂缕返臅r間，利潤下降。微波的概念微波是一種頻率非常高的電磁波，波長在至之間，頻率在，能夠穿透電離層，屬超高頻波段。其低端與無線電的超短波段相接，高端與遠(yuǎn)紅外波段相接。在不太大的相對頻寬下，其可用頻段很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲，是低頻無線電波無法比擬的。微波除了作為傳遞信息的媒介外，其本身所攜帶的能量同樣得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其中最重要的就是微波加熱。最典型的應(yīng)用就是微波爐。目前微波爐常用的微波工作頻率有兩種，家用微波爐的微波

17、頻率為（相應(yīng)波長為），業(yè)用微波爐的工作頻率為（相應(yīng)波長為）微波在傳輸過程中，遇到不同的物質(zhì)會表現(xiàn)出反射、穿透、被吸收三種不同的特性：反射性：微波在傳輸過程中遇到金屬會反射回來。利用這個性質(zhì)，微波爐的爐腔都用不銹鋼或者冷軋板制成，使微波在爐腔內(nèi)來回穿透食物，加強(qiáng)熱效率。第一章引言穿透性：微波能夠穿透一些普通的玻璃、塑料、陶瓷等絕緣材料，所以可以用這些材料制造微波器皿。吸收性：各類食品都能吸收微波，微波使食物內(nèi)的分子震蕩、摩擦生熱，達(dá)到加熱食物的目的。對食物的穿透程度，視其質(zhì)量、厚度、形狀等因素而不同。微波加熱的原理微波加熱具有自己獨持的優(yōu)點。傳統(tǒng)所用的加熱方式都是先加熱物體表面，然后熱量由表面?zhèn)?/p>

18、到內(nèi)部。而用微波加熱，可對物體內(nèi)外部進(jìn)行“整體”加熱。微波加熱的原理是什么呢？下面我們從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)來認(rèn)識。圖無外電場時無機(jī)分子的分布艮一圖施加外電場時無機(jī)分子的分布電介質(zhì)從分子結(jié)構(gòu)看，可分為兩類：無極分子和有極分子。對于無極分子，在無外電場的情況下，其正負(fù)電荷中心是重合的，呈電中性，如圖所示。在外電場作用下，分子的正負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移，形成電偶極子，在垂直于外電場的電介質(zhì)表面出現(xiàn)規(guī)則排列的束縛電荷（位移極化現(xiàn)象），并隨電場增強(qiáng)位移極化也愈強(qiáng)，如圖所示。對有極分子而言，即使在無外電場的情況下，其正負(fù)電荷中心也不重合在分子熱運動的作用下，使得分子在空間的排列雜亂無章，呈電中性。在外電場作用

19、下，分子受到一個力矩的作用使電偶極子分子沿外電場轉(zhuǎn)動達(dá)到平衡狀態(tài)，在電介質(zhì)兩端面出現(xiàn)規(guī)則排列的束縛電荷（取向極化一轉(zhuǎn)向極化）：隨電場增強(qiáng)取向極化也愈強(qiáng)如果外加電場以相反的方向再次施加時，介質(zhì)中偶極子的取向也隨之旋轉(zhuǎn)。如果外加電場方向反復(fù)變動，則極性分子會相應(yīng)地隨之反復(fù)變動，在變動過程中，由于分子的熱運動，相鄰分子間的相互作用和極性分子的“變極效應(yīng)，產(chǎn)生了類似摩擦的作用，使極性的分子獲得能量，并以熱量形式表現(xiàn)出來，介質(zhì)的溫度也隨之升高。當(dāng)然，處于低頻的交流電路中時，介質(zhì)吸電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文收的功率極小，低頻電磁場的加熱能力也較小。隨著電磁場變化頻率的增加電磁場中介質(zhì)的極化取向和電磁場變化之

20、間在時間上存在的差異就會越大。微波波段電磁場頻率高達(dá)數(shù)量級，所以極化過程中類似于“摩擦的效果表現(xiàn)得極為激烈。因而產(chǎn)生的熱量也很可觀，完成了電磁能向熱能的轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為宏觀上的微波加熱。微波的防護(hù)大功率的微波輻射對人體是有傷害作用的，這種傷害包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)引起的作用，大劑量或長時間的微波照射，可使人體組織和器官特別是一些敏感部位如眼睛等受到一定的傷害。人體能夠承受的微波功率密度，如表。所示乜釗。表電磁波對人體的影響對人體的影響穿透人體，不被吸收穿透人體，部分吸收可被體表組織吸收部分由體表反射出去，部分被吸收穿透人體，部分吸收頻率眥莖名稱無線電及電視廣播電視廣播、微波微波微波、紅外線、可見光一

21、）一供一之紫外線、光表卜人體允許溫度及相應(yīng)的微波功率密度人體部位初期溫度最高允許溫度最高允許溫升穩(wěn)定狀態(tài)下微波功率密度全身眼睛睪丸隨著微波爐的普及，許多國家制定了微波爐泄露標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際電工委員會（）在家庭電器安全條例）第條款規(guī)定：在離微波爐的空間，測得的微波輻射強(qiáng)度不得超過?，F(xiàn)在的微波爐生產(chǎn)企業(yè)，采取了特殊設(shè)計的爐門結(jié)構(gòu)，一般情況都在，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。而且微波在空間傳播時，衰減程度與傳播距離的平方成反比，所以一般不會對人體健康造成影響。第一章引言微波爐的主要結(jié)構(gòu)部件微波爐的結(jié)構(gòu)主要包括：磁控管、爐腔、波導(dǎo)、爐門、高壓變壓器、電腦板、轉(zhuǎn)盤電機(jī)等。（如圖）。其工作過程如圖。控管圖微波爐腔體結(jié)構(gòu)

22、示意圖圖微波爐工作過程磁控管磁控管是一種正交場微波振蕩管。它由陰極、陽極和能量輸出機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。陰極和陽極組成同軸圓柱結(jié)構(gòu)，陰極處于中心，發(fā)射電子流，陽極環(huán)繞陰極，是一個由許多小諧振腔構(gòu)成的諧振系統(tǒng)，或者可以認(rèn)為是由一系列小諧振腔構(gòu)成的首尾相連的慢波系統(tǒng)。多腔諧振系統(tǒng)決定了磁控管的振蕩頻率。磁控管工作時陰、陽極之間加有直流電壓，因而電場是徑向的，使得電子在陰、陽極間作直線運動。直流磁場則加在管子軸線方向，使得電子在陰極圓形表面附近作螺旋線運動。直流電場和磁場相互垂直，共同作用于電子，使其做擺線運動。娟極塊一諧振腔隙陰極喃量輸出器醬振腔孔熱子引線圖磁控管外觀圖圖磁控管的基本結(jié)構(gòu)波導(dǎo)電

23、子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文矩形波導(dǎo)是微波領(lǐng)域使用的最多的一種傳輸線，它是由截面形狀為矩形的金屬管構(gòu)成，如圖。管壁材料一般是含銅量達(dá)到的黃銅或鋁。微波爐用波導(dǎo)是在末端有傾斜角度的矩形波導(dǎo)，使用的材料是不銹鋼。微波爐中磁控管產(chǎn)生的微波功率通過波導(dǎo)傳輸?shù)綘t腔。波導(dǎo)的內(nèi)壁尺寸受以下因素制約：微波爐的工作波長必須小于波導(dǎo)的臨界波長。另外，波導(dǎo)內(nèi)壁要求光滑，以免影響傳輸效果。為了將磁控管產(chǎn)生的微波通過波導(dǎo)傳輸?shù)角惑w中，需要確定合適形狀的耦合窗，對耦合窗的要求是：圖波導(dǎo)（）在爐腔內(nèi)能激勵起盡可能多的工作模式，以形成比較均勻的電磁場能量分布。（）具有適當(dāng)?shù)鸟詈隙?，使駐波比小于磁控管允許的最大駐波比，以保證磁控管正

24、常工作。實際激勵時視具體情況選擇一種耦合窗的尺寸、位置和數(shù)量。耦合窗的形狀可能是矩形，也可能是其他不規(guī)則形狀。其數(shù)量有單口、雙口和多口等三種，一般情況下耦合口的數(shù)量越多其腔內(nèi)能量分布會越均勻。爐門微波爐的爐門應(yīng)保證微波能量通過門縫的泄漏量必須低于國際規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)：離微波爐的空間，測得的微波輻射強(qiáng)度不得超過。，以確保使用者的安全和防止對其他電氣設(shè)備射頻干擾。在微波爐長期使用過程中，即使微波爐外表受到輕微損傷、沾污或氧化，爐門也能保持良好的電氣密封性能，在門縫處不能出現(xiàn)打火、過熱等現(xiàn)象。要求爐門經(jīng)過萬次以上的開、關(guān)動作后，仍不會產(chǎn)生機(jī)械變形或斷裂。為了進(jìn)一步保證使用者的安全和防止微波泄露，在爐門

25、上增加了連鎖裝置，當(dāng)爐門沒有關(guān)閉或者處于開啟狀態(tài)時，連鎖裝置能保證切斷總電源電路。微波爐爐門結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：接觸式爐門和抗流式爐門。接觸式爐門是借助于爐壁邊緣或其邊上的金屬彈簧片與爐門之間的緊密的機(jī)械接觸來保證電氣密封的連續(xù)性和可靠性。由于微波爐在工作時，在爐門和爐壁的接觸處，有可觀的表面電流流過，因而對接觸平面的加工精度提出了苛刻的要求，才能保證良好第一章引言的電氣接觸。即使這樣，在以后使用過程中，也會因污垢、氧化或機(jī)械磨損而導(dǎo)致局部接觸不良，從而引起放電打火，最終導(dǎo)致爐門對微波抑制能力降低，增大微波泄露量。因此，現(xiàn)在微波爐都是使用抗流式爐門結(jié)構(gòu)。這種爐門的工作原理與接觸式爐門有著本質(zhì)區(qū)

26、別。它是利用了波長傳輸線的阻抗變換特性，把爐門四周做成帶有扼流小槽的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，槽的尺寸與微波波長有關(guān)，利用短路開路特性可以設(shè)計合適的扼流槽尺寸。扼流槽附近的電場分布如圖所示。由于抗流式爐門對微波泄露的抑制主要是基于電氣上的密封，而不是機(jī)械上的嚴(yán)格接觸，所以在加工過程中，對尺寸精度的要求較接觸式爐門大為降低。實踐證明，這種爐門的微波泄露比接觸式爐門低（即泄露量不足）。圖爐門圖爐門扼流槽附近的電場分布高壓電源圖高壓漏磁變壓器圖變頻電源高壓漏磁變壓器現(xiàn)在常用的微波爐變壓器是一種高壓漏磁變壓器，它的初級繞組和次級高壓繞組、燈絲繞組分別繞制成單獨的線包。在初次級線包間插入一定迭厚的硅鋼片，給變壓器提

27、供一個磁分路，在磁分路中存在高磁阻的間隙。在變壓器工作時，磁分路中將產(chǎn)生一定的漏磁抗，用它來控制變壓器的輸出電流，以保證磁控管可靠、穩(wěn)定地工作。在磁控管振蕩工作時，變壓器次級高壓繞組上有電流流過，這個電電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文流將在它附近鐵芯上產(chǎn)生磁飽和。如果由于某種原因引起磁控管的電流上升，則變壓器輸出電流也增大，造成磁飽和加深，通過磁分路的漏磁通增加，結(jié)果使變壓器的輸出電壓下降，也即磁控管陽極電壓下降，從而限制了磁控管陽極電流的上升；反之，則會限制陽極電流的下降。可見，由于變壓器中漏磁抗的作用，使得輸出電流趨于穩(wěn)定，從而也就穩(wěn)定了陽極電流。所以，當(dāng)電源電壓在士范圍波動時，變壓器的次級電壓只

28、在額定值的士范圍內(nèi)波動，可以使磁控管穩(wěn)定工作。變頻電源微波爐工作一段時間后，往往不是全功率工作，這就需要使變壓器工作在斷續(xù)狀態(tài)，根據(jù)程序設(shè)定，工作一段時間停一段時間。這樣對于變壓器及磁控管的壽命都有很大影響。近年來，隨著變頻技術(shù)的出現(xiàn)，微波爐也考慮采用變頻技術(shù)。其工作原理是將交流電直接進(jìn)行整流濾波，得到一個直流低壓，提供給方波振蕩器，由正當(dāng)其產(chǎn)生一個高頻方波高壓。對該高頻方波高壓進(jìn)行整流濾波，得到磁控管需要的直流高壓。變頻變壓器直接采用交流進(jìn)行整流濾波，省去了笨重的工頻變壓器（），重量輕，效率高，電壓穩(wěn)定性好。時間功率控制器圖機(jī)械式控制器圖電子式控制器功率控制功率控制通過控制磁控管工作占空比的

29、方法來調(diào)節(jié)輸出功率的平均值，磁控管工作占空比的調(diào)節(jié)主要采取以下方法：電子電路，繼電器，單片機(jī)設(shè)定程序自動控制。微波爐基本都是在工作半個小時或者分鐘之后就自動轉(zhuǎn)為火力工作。時間控制時間控制是通過定時器來控制微波爐的設(shè)定時間和加熱時間定時器有機(jī)械第一章引言數(shù)字式和電子顯示式。機(jī)械數(shù)字是使用步進(jìn)走時馬達(dá)，通過轉(zhuǎn)動二個數(shù)字轉(zhuǎn)盤來進(jìn)行控制和指示。電子顯示式是采用阻容充電特性或振蕩電路的基準(zhǔn)信號進(jìn)行工作。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章微波爐設(shè)計和仿真軟件的理論基礎(chǔ)微波爐形狀比較復(fù)雜，其基本結(jié)構(gòu)是一個矩形腔，在周圍腔壁上有很多拉伸的凸包，以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和容積。這樣復(fù)雜的形狀從理論上分析是相當(dāng)困難的事情。但是

30、一些基本的理論還是對我們設(shè)計腔體和波導(dǎo)時具有很重要的指導(dǎo)意義，主要包括：有限元理論、諧振腔理論、微擾理論、耦合波理論、波導(dǎo)理論，以及阻抗匹配理論等。有限元（）基本理論電磁場的邊值問題實際上求解給定邊界條件下的麥克斯韋方程組及由方程組演化出的其它偏微分方程問題。從求解問題的技術(shù)手段上來說，它可以分為解析求解和數(shù)值求解兩大類。對于簡單模型，有時可以得到方程的解析解。若模型復(fù)雜度增加，則往往很難獲得模型的解析解。隨著計算工具，特別是大容量高速計算機(jī)的發(fā)展，電磁場數(shù)值分析已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，解決問題的面越來越廣，分析的問題也日趨復(fù)雜。電磁場數(shù)值分析是一門綜合的學(xué)科，涉及電磁場理論、數(shù)值分析、

31、計算方法、計算機(jī)基礎(chǔ)知識及高級語言等多個方面，但在計算上存在著共性。有限元就是一種有用的數(shù)值方法，大約有年的歷史。它首先在本世紀(jì)年代被提出，在年用于飛機(jī)的設(shè)計，在六七十年代被引進(jìn)到電磁場問題的求解中。公司的軟件是應(yīng)用有限元方法的原理來編制的。有限元方法的特點所謂的有限元法，就是將整個區(qū)域劃分為很多很小的子區(qū)域，這些小區(qū)域通常稱為“單元或“有限元”，然后求解每個小區(qū)域，最后將結(jié)果總和起來，便得到了整個區(qū)域的解。有限元方法的幾個特點：（）通過離散化和建立誤差泛函，原來的電磁場邊值問題變?yōu)榍蠼饩仃嚪匠蹋@是原來問題的弱解。（）最終矩陣方程的維數(shù)與結(jié)點的總數(shù)相同，未知數(shù)是結(jié)點上的數(shù)值解，單元內(nèi)第二章微

32、波爐設(shè)計和仿真軟件的理論基礎(chǔ)的數(shù)值是依靠結(jié)點處數(shù)值解的插值（這里是線性插值）。（）最終矩陣的構(gòu)成是由子域上的小線性系統(tǒng)按照其全域序陣，用來在相應(yīng)位置上填充的，所以最終矩陣是稀疏矩陣，其計算機(jī)的存儲要求并不大。有限元模型有限元模型是產(chǎn)品或工程對象的幾何與物理特性及其所處狀態(tài)的離散化的數(shù)學(xué)描述。有限元分析模型由以下幾大類數(shù)據(jù)及其關(guān)系組成：（）域（）節(jié)點（）單元（）屬性（）邊界條件（）荷載產(chǎn)品或工程總體模型可以分解為相對獨立的多個子區(qū)域，簡稱域。域的劃分一般以幾何或材料特性為依據(jù)。節(jié)點是有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)，單元是節(jié)點的拓?fù)溥B接。按單元的拓?fù)漕愋蛣澐郑饕幸韵铝箢悊卧狐c元、線元、三角元、四邊形元、

33、八節(jié)點塊元和梁元。單元屬性包括單元材料特性和單元幾何特性。單元材料特性說明了構(gòu)成單元的材料的物理特性。單元幾何特性主要是指單元的截面幾何尺寸及空間位置的向量特性。邊界條件有很多種類，包括位移邊界條件、熱傳導(dǎo)邊界條件和電磁邊界條件等，不同的分析模型之間的差別很大。荷載類型也很繁多。如節(jié)點力、節(jié)點加速度、梁上荷載、重力、離心力、單元表面壓力和單元表面任意力等。有限元方法的建模過程可以分為以下幾個步驟：（）區(qū)域離散。在任何有限元分析中，區(qū)域離散是第一步，或許也是最重要的一步，因為區(qū)域離散的方式將影響計算機(jī)內(nèi)存的需求、計算時間和數(shù)值結(jié)果的精確度。在一維例子里面，選取短直線段為單元，二維可以選擇矩形或者

34、三角形，三維問題可以選擇四面體、三棱柱或矩形塊。選用的四面體作為基本單元。（）插值函數(shù)的選擇。在每一個離散單元的結(jié)點上的值是我們要求的未知量，在電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文其內(nèi)部的其它點上的值是依靠結(jié)點值對其進(jìn)行插值。插值方式主要有線性插值和高階多項式插值，后者精度更高，但是公式也更復(fù)雜。軟件中有兩種插值方式可供選擇。（）方程組的建立。對方程利用變分方法建立誤差泛函，由于問題已經(jīng)離散化為很多個子域的組合，我們可以首先在每個單元內(nèi)建立泛函對應(yīng)的小的線性表達(dá)式，其次，將其填充到全域矩陣中的相應(yīng)位置，最后應(yīng)用邊界條件來得到矩陣方程的最終形式。（）方程組的求解。方程組的求解是有限元分析的最后一步。最終的方

35、程組是下列兩種形式之一：；，（）矽五吲（）方程（）是確定型的，它是從非齊次微分方程或非齊次邊界條件或從它們兩者兼有的問題中導(dǎo)出的。在電磁學(xué)中，確定性方程組通常與散射、輻射以及其它存在源或激勵的確定性問題有關(guān)。而方程（）是本征值型的，它是從齊次微分方程和齊次邊界條件導(dǎo)出的。在電磁學(xué)中，本征值方程組通常與諸如波導(dǎo)中波傳輸和腔體中的諧振等無源問題有關(guān)。在這種情形下，已知向量廠為零，矩陣三可以寫成么一陋的形式，這里五表示未知的本征值。這兩種方程組的解法是不同的，需要區(qū)別處理。關(guān)于有限元方程組的具體公式推導(dǎo)，這里就不做介紹了，詳細(xì)內(nèi)容可以參見文獻(xiàn)。微波諧振腔圖固定空間內(nèi)部的微波漫反射示意圖圖規(guī)則腔體完全

36、被短路面或開路面包圍的封閉電磁系統(tǒng)就是諧振腔。通常用高電導(dǎo)率的第二章微波爐設(shè)計和仿真軟件的理論基礎(chǔ)導(dǎo)體即金屬近似地實現(xiàn)短路面的邊界條件，這就是金屬壁的諧振腔。當(dāng)略去腔壁損耗，即認(rèn)為腔壁由理想導(dǎo)體構(gòu)成，同時腔內(nèi)充滿不導(dǎo)電的無損媒質(zhì)時，它就是理想諧振腔。在腔體邊緣有波導(dǎo)開口和物料取放開口。在箱體尺寸遠(yuǎn)大于微波波長的諧振腔內(nèi)，微波表現(xiàn)出如光線一般方向性，微波能在箱體四壁往復(fù)反射，形成漫反射，其示意圖如圖所示，從而達(dá)到均勻加熱的效果。微波諧振腔的基本特性參數(shù)諧振波長諧振波長是微波諧振腔的主要參數(shù)，是諧振腔內(nèi)某模式場達(dá)到最強(qiáng)時的波長，它表征了諧振腔的振蕩特性，或者說是諧振腔內(nèi)振蕩存在的條件即諧振腔的頻率

37、選擇特性。采用直角坐標(biāo)系，諧振腔的尺寸，如圖所示。在波動方程求解中：群后：式中（）礙（竺至），后；（竿），磚：死；（堅）（竿）。（）以口在傳播條件下，電磁場在無限長的均勻波導(dǎo)系統(tǒng)的橫向呈駐波狀態(tài)，但在縱向（向）為行波。在諧振腔中，由于四面都是封閉的，因此縱向也有邊界限制，沿向也成為駐波。由于向的兩端邊界都是金屬短路面，必然形成駐波波節(jié)點，這樣，在諧振腔的整個縱向長度上只能分布有駐波半波長的整數(shù)倍，即：，等（，）（）其中，是縱向的長度，以是波導(dǎo)波長。是一種特殊的分布，對型模式，存在分量，可以垂直于諧振腔縱向兩端的金屬面分布而不一定要等于零（或成為波節(jié)），因此就表示分量在縱向均勻分布而沒有變化，也

38、就不會出現(xiàn)波節(jié)、波腹了。而對于型模式，由于不存在分量，就不可能等于零。根據(jù)相位常數(shù)萬以，可得：（）電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文由于諧振腔中不再是連續(xù)的，所以由（）可以看出，也不再是連續(xù)的，即頻率不再能任意連續(xù)變化，只有對應(yīng)分離的值得那些頻率點的波才可能在諧振腔中存在，這就是諧振腔的頻率選擇性。這些頻率點就是諧振腔的諧振頻率，對應(yīng)的波長就是諧振波長。帶入本征關(guān)系式（）就可求得：鏟麗蠆其中以為波導(dǎo)的截止波長，以為波導(dǎo)波長。些因素有關(guān)。（）由于兄與以都是與傳輸系統(tǒng)的形狀尺寸和工作模式有關(guān)的量，所以無也與這品質(zhì)因數(shù)表征的是諧振腔頻率選擇的能力大小或者說選擇的靈敏度的大小。萬礦籌的平均功率損耗。諧振器儲能：

39、（）形職礬吾工占吲咖吾工療咖（）礬、礬分別表示諧振腔的電場儲能和磁場儲能。由于諧振腔內(nèi)電磁場以純駐波狀態(tài)存在，電場和磁場之間有萬的相位差，這就是說，當(dāng)腔內(nèi)電場在某一時刻達(dá)到最大值時，磁場將為零。反之，在另一時刻磁場達(dá)到最大值時，電場將為零。礦：職陟名：礬，主占豆三步五盡西三足爹膏凼。，礬，一去俐咖式中為諧振腔體積。而由腔壁上流過的高頻電流引起的腔內(nèi)損耗功率則為：（）第二章微波爐設(shè)計和仿真軟件的理論基礎(chǔ)一劬為磁場切向分量，為諧振腔內(nèi)壁表面面積，為其表面阻抗：璧害掣（）式中仃是腔壁材料的電導(dǎo)率，萬為電磁場在諧振腔內(nèi)壁的趨膚深度。將（）和（）代入（），就可以得到固有品質(zhì)因數(shù)的計算公式：等器吾器（）由

40、于諧振器內(nèi)壁附近的切向磁場總要大于內(nèi)部磁場，可認(rèn)為：療竺豆鋤則：否（）此式可以用來估算的值。一般來講，材料定了以后趨膚深度是確定的，為了得到高，則要提高（）。損耗電導(dǎo)損耗電導(dǎo)表征系統(tǒng)的功率特性，可以在一定工作頻段等效為振蕩回路。用損耗電導(dǎo)來描述諧振器的功率損耗。如圖：按等效功率的概念有：（假定電壓為時諧變化）掣（）為等效回路兩端的電壓，功率可用公式（）求出。瀝刀圖微波諧振腔的等效電路圖實際拉伸之后的腔體矩形諧振腔振蕩模式及其場分量微波爐的爐腔可近似看作為一矩形諧振腔，建立如圖所示的坐標(biāo)系。矩形爐腔三條邊的尺寸分別為，和。爐腔內(nèi)的每一種諧振模式均必須滿足方程。由于腔體內(nèi)無源，雷和再的波動方程滿足

41、：（比一×自一國蠶（）（）一旃且雷和療為正交完備的函數(shù)系。根據(jù)圖的尺寸，諧振腔中可激勵的諧振模式薹喜嵩一等等礬槲等小。等如（等）毋：藝窆棚（等?。嚎Вǖ龋┫希褐魉囍ヘ烤幱。ǖ龋?。（等）（等）掣：既薹砉篙掣詈凰印。等咖等，咖等引毋：薹砉嵩一歹功警風(fēng)印等，。等馮等，邯）善群刪。口互，（口咖通鈔（等）言善一等等試等咖咄警燦（等）”，。瑟：羔羔妻忽西?。ǖ龋ǖ龋ㄆ╉猓褐ブ毚鮾疇幱。ǖ龋?。（等）（譬），?。耗[（）矽：寶藝差巾（?。ǖ刃。ǖ龋泵闶街校ǎ┦侵C振腔的工作角頻率，（氕）（），為諧振時，邊對譬馨差輦蔫篆挈；、高一定時，的不同組合就能得到一組一組的諧振頻當(dāng)諧振腔的長、寬、高一

42、定時，酮個司組苗瓢日匕倚王”組組剛舊刪第二章微波爐設(shè)計和仿真軟件的理論基礎(chǔ)率。對于單模腔，若這些諧振頻率對應(yīng)的諧振模式能夠被波導(dǎo)口激發(fā)出來，則這些諧振模式就能在腔中建立，否則不能建立。而對于多模腔則正好相反，恰恰要避免諧振腔只工作在單一模式、其它模式基本被抑制的情況，盡可能地出現(xiàn)多種模式，以實現(xiàn)最佳的均勻性。家用微波爐磁控管的中心頻率是，但是不同廠家的磁控管諧振頻率往往不是這個值，如威特生產(chǎn)的磁控管頻率一般在左右，而公司的磁控管頻率則稍微偏高，一般在以上。在實際設(shè)計諧振腔時必須考慮這個差別。微擾理論當(dāng)諧振腔的腔壁或腔內(nèi)填充的介質(zhì)有微小變化時，諧振腔的基本參量諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)等也有相應(yīng)的微小變

43、化，如果這種變化對場分布及原有的參數(shù)影響很小，就稱為“微擾。對于這一問題的求解，一般是根據(jù)微擾前的已知解來近似地求出微擾后的解，而不必在新的條件下求解波動方程，這種求解方法稱為“微擾法”?，F(xiàn)在的微波爐一般都是在規(guī)則矩形腔基礎(chǔ)上拉伸出一些大小不等的凸包，拉伸時考慮的主要是腔體容積和機(jī)械強(qiáng)度，而沒有考慮拉伸部位對腔體內(nèi)場分布及諧振頻率的影響，只是想當(dāng)然的在某些部位拉伸，這樣做具有很大的隨意性，不能保證腔體達(dá)到最好的匹配。本節(jié)主要討論腔壁微擾對諧振腔諧振頻率的影響，或者說，是討論微擾前后腔內(nèi)電磁能量的變化與諧振頻率變化之間的關(guān)系。根據(jù)這個理論，在設(shè)計腔體時就可以在原來場分布的基礎(chǔ)上確定應(yīng)該在什么部位

44、拉伸，拉伸尺寸是多少，使腔體達(dá)到更好的性能。規(guī)則腔如圖，設(shè)體積為，內(nèi)填充空氣，未受微擾前場強(qiáng)為丘。和療，諧振角頻率為國?，F(xiàn)有對腔體進(jìn)行拉伸，拉伸的體積為，其特性用磁導(dǎo)率和介電常數(shù)表示。微擾后的場強(qiáng)為豆和療，諧振角頻率為。公式推導(dǎo)可得：一（一，蘭一。歷拳（療×云。睪）咖（）式（）是關(guān)于微擾頻率的嚴(yán)格公式心下面再對腔壁微擾（如圖）做進(jìn)一步的討論。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文根據(jù)電磁場的邊界條件，我們知道，在空腔壁上（良導(dǎo)體）電場只有法向分量，而磁場只有切向分量，因此，電磁場通過微擾壁時，法向電通量密度應(yīng)該連續(xù)：毛磊，而按切向磁場強(qiáng)度連續(xù)的條件，有日，代入式（），可得凰風(fēng)牝或木】咖竺墮圭車一線

45、術(shù)風(fēng)氣釩】咖（）其中利用了的條件。以（二）（）式的分子分母，得到：國。圭壘鑒二壘絲礦（）式中，分母形代表腔體內(nèi)總的電磁儲能，分子第一項既代表微擾體內(nèi)原有的磁場能的時間平均值，分子第二項形代表微擾體礦內(nèi)原有的電場能的時間平均值。可以看出，如果在諧振腔內(nèi)電場占優(yōu)勢的區(qū)域，將腔壁內(nèi)推一小體積，諧振頻率將降低，反之，若在同一地方將腔壁向外“拉出”一小體積，則諧振頻率將提高。同樣地，若在磁場占優(yōu)勢的區(qū)域，將內(nèi)推一小體積，諧振頻率將升高，反之，將腔壁外推時，諧振頻率將降低。如果腔壁形變引起的電能和磁能的變化量相同，則諧振頻率將維持不變。耦合波理論在許多微波理論中，耦合波理論具有特別重要的實際意義。這是因為，波型之間的耦合是微波系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能發(fā)生在波導(dǎo)與波導(dǎo)之間，也可能發(fā)生在同一波導(dǎo)之中，也可能發(fā)生在波導(dǎo)和諧振腔之間。實現(xiàn)耦合的機(jī)構(gòu)稱為耦合裝置或激勵裝置。在波導(dǎo)中，電磁場需有一個適當(dāng)?shù)募钤?，在柱形波?dǎo)中，通常用天線（探針或環(huán)）激勵，同時天線由波源供給能量。微波諧振腔在實際應(yīng)用時總要和微波系統(tǒng)相連或者通過傳輸系統(tǒng)由微波源向其提供能量。換句話說，諧振腔與傳輸系統(tǒng)之