一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法技术

本发明专利技术公开了一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，采用两种不同的各向异性介质实现微波谐振腔内一模式的波节点与另一模式的波腹点重合，从而改善静态谐振腔内电磁场分布均匀性。本发明专利技术能够降低有转盘微波炉和电磁搅拌器的平板微波炉的腔体机构复杂度，改善静态微波处理均匀性，进而推动高温高功率微波处理在如微波烧结、微波冶炼、微波化工等领域的应用。领域的应用。领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法


[0001]本专利技术涉及微波
，特别涉及一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法。

技术介绍

[0002]微波处理如微波消菌杀毒、微波杀虫、微波加热、微波干燥等具有高效、快速、节能以及整体处理等众多优点，已被广泛应用于工业、农业、医疗和食品加工等领域。
[0003]为了防范微波泄露带来的电磁污染和电磁干扰，微波处理通常在金属腔内进行。由于微波腔内电磁场谐振模式的电磁功率空间分布不均，这经常导致有些物料已经过处理(如过热)，有些物料还欠处理(如未被加热起来),从而大大限制了微波处理在更多领域的推广和应用。如何有效地改善微波处理均匀性已成为微波能应用推广的重要课题。
[0004]从微波腔体的角度改善微波处理均匀性主要有两种方法。一种是在微波腔内设置旋转载物托盘。该方法是现今提高微波处理均匀性最简单而有效的方法之一，但该方案往往因为旋转轴固定而导致转盘中心位置过处理或欠处理。虽然组合式旋转托盘可以丰富被处理物料的空间运动轨迹，改善转盘中心过处理或欠处理问题，但其结构过于复杂。而且，这种旋转载物托盘特别是组合式旋转托盘，非常不便于腔内清洁。另一种是平板式微波腔。该腔的移动部件(即电磁搅拌器)被陶瓷板隔离，腔内无移动部件，从而解决了旋转托盘导致的腔内清洁不便等问题。在这种平板腔中，被加热物料静置腔内，其加热均匀性主要依赖于电磁搅拌器对腔内模式的搅动能力以及各模式电磁场空间分布的互补性，但现今市面上大部分平板式微波腔的均匀性不如旋转托盘式微波腔。虽然这种有物体在腔内移动的微波谐振腔有利于改善微波处理均匀性，但增加了腔体机构复杂度，对移动物体的材质和高温稳定性也提出了一定的要求。因此，高温、超高温工业微波炉窑大多采用静态微波腔(腔内没有移动物体搅动腔内电磁场)，因而微波加热不均匀性较严重，甚至经常导致热失控。
[0005]此外，从微波源的角度也可以改善微波处理均匀性。同一腔体中不同频率电磁波模式的空间功率分布不同，合理地利用宽带微波源或多个不同工作频率的微波源来激励微波腔，也可以有效地改善微波处理均匀性。但采用宽带微波源(本身就非常昂贵)或多个不同频率的微波源，无疑大大增加了微波处理设备的成本。
[0006]传统静态微波谐振腔没有移动物体或其他方式来改变微波腔的工作状态，工作模式单一且腔内驻波场的波节点和波腹点固定不动，从而导致腔内电磁功率密度分布和微波处理不均匀。因此，一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，对于降低腔体机构复杂度，改善静态腔内微波处理均匀性，进而推动高温高功率微波处理在如微波烧结、微波冶炼、微波化工等领域的应用具有重要价值。
[0007]人工电磁材料，也称电磁超材料，是一种针对特定工作波长、人工设计的微结构电磁材料，可以实现许多天然材料在该波段不具有的电磁特性如负折射、光子禁带等。电磁超材料因其独特的电磁特性，已被广泛地应用于天线设计、光场操控等领域。

技术实现思路

[0008]针对现有静态微波腔内微波处理均匀性不佳的问题，本专利技术的目的在于提供一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，降低有转盘微波炉和电磁搅拌器的平板微波炉的腔体机构复杂度，改善静态微波处理均匀性，进而推动高温高功率微波处理在如微波烧结、微波冶炼、微波化工等领域的应用。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，
[0010]一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸为一致，且使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；
[0012]步骤2，选择两种不同的各向异性介质，使得谐振腔中沿着u、v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质全反射后的位相差为即两正交模式沿z方向的驻波数之差为奇数2q+1，其中q为整数；
[0013]步骤3，将两种各向异性介质分别设置于谐振腔内z方向上的两个内壁上，并将两种各向异性介质之间的距离设置为使谐振腔工作于两个正交模式或两简并模式上，从而使谐振腔内z方向上一个模式的波节点或者波腹点正好为另一个模式的波腹点或波节点，以改善电磁场均匀性。
[0014]一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸，使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；
[0016]步骤2，选择两种不同的第一各向异性介质和第二各向异性介质，使得谐振腔中沿着u、v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质透射后的位相差着u、v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质透射后的位相差其中d1和d2为两各向异性材料的厚度；β
u1
和β
u2
分别为u方向尺寸与谐振腔相同的波导在填充第一各向异性介质和第二各向异性介质后，电场或磁场沿u方向偏振的TE波或TM波的相位常数；β
v1
和β
v2
则为同样条件下v方向的相位常数；
[0017]步骤3，将两种各向异性介质分别设置于谐振腔内z方向上的两个内壁上，并将两种各向异性介质之间的距离设置为使谐振腔工作于两个正交模式或两简并模式上，从而使谐振腔内z方向上一个模式的波节点或者波腹点正好为另一个模式的波腹点或波节点，以改善电磁场均匀性。
[0018]一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸，使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；
[0020]步骤2，选择第一各向异性介质，使得谐振腔中电场或磁场沿着u、v两个正交方向
偏振的TE波或TM波经厚度为2d的第一各向异性介质全反射后的位相差其中q为整数；并将第一各向异性介质绕z轴旋转90
°
作为第二各向异性介质，即第一各向异性介质的折射率椭球长轴方向与第二各向异性介质的短轴方向一致；
[0021]步骤3，将两种厚度为d的各向异性介质分别设置于谐振腔内z方向上的两个内壁上，并使其中一种各向异性介质的折射率椭球长轴方向与u方向一致，另一种各向异性介质的折射率椭球长轴方向与v方向一致，同时将两种各向异性介质之间的距离设置为使谐振腔工作于两个正交模式或两简并模式上，从而使谐振腔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸为一致，且使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；步骤2，选择两种不同的各向异性介质，使得谐振腔中沿着u、v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质全反射后的位相差为即两正交模式沿z方向的驻波数之差为奇数2q+1，其中q为整数；步骤3，将两种各向异性介质分别设置于谐振腔内z方向上的两个内壁上，并将两种各向异性介质之间的距离设置为使谐振腔工作于两个正交模式或两简并模式上，从而使谐振腔内z方向上一个模式的波节点或者波腹点正好为另一个模式的波腹点或波节点，以改善电磁场均匀性。2.一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸，使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；步骤2，选择两种不同的第一各向异性介质和第二各向异性介质，使得谐振腔中沿着u、v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质透射后的位相差v两个正交方向偏振的电磁波经两种各向异性介质透射后的位相差其中d1和d2为两各向异性材料的厚度；β
u1
和β
u2
分别为u方向尺寸与谐振腔相同的波导在填充第一各向异性介质和第二各向异性介质后，电场或磁场沿u方向偏振的TE波或TM波的相位常数；β
v1
和β
v2
则为同样条件下v方向的相位常数；步骤3，将两种各向异性介质分别设置于谐振腔内z方向上的两个内壁上，并将两种各向异性介质之间的距离设置为使谐振腔工作于两个正交模式或两简并模式上，从而使谐振腔内z方向上一个模式的波节点或者波腹点正好为另一个模式的波腹点或波节点，以改善电磁场均匀性。3.一种改善静态微波谐振腔腔内电磁场均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据谐振腔内电磁场分布确定腔内工作模式，选取谐振腔三个正交方向中电磁场分布最不均匀的方向作为待改善方向，并记为z方向，另两个正交方向分别记为u方向和v方向；然后调整谐振腔在u方向和v方向上的尺寸，使得与调整后的谐振腔u方向和v方向尺寸相同的波导具有u方向偏振和v方向偏振的可导模；步骤2，选择第一各向异性介质，使得谐振腔中电场或磁场沿着u、v两个正交方向偏振的TE波或TM波经厚度为2d的第一各向异性介质全反射后的位相差其中q为整数；并将第一各向异性介质绕z轴旋转90
°
作为第二各向异性介质，即第一各向异性介质的折射率椭球长轴方向与第二各向异性介质的短轴方向一致；步骤3，将两种厚度为d的各向异性介质分别设置于谐振腔内...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐志祥，曾益轩，刘弋，夏懿嘉，凌誉清，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：