基于有限積分算法設計軟件CST建立4000mm×1600mm×920mm的微波諧振腔體模型，通過調整饋口位置、饋口數量、負載位置等，優化了腔體電場分布及饋源與腔體的耦合度，提高了微波加熱效率。

　　微波加熱與傳統的加熱方式相比，具有節能、環保、高效、可控等優勢，在冶金、環保、化學等領域得到了廣泛的應用和發展。微波諧振腔作為微波加熱系統中最常用的熱存貯和熱轉換部件，最常用的諧振腔應用器又分為單模腔應用器與多模腔應用器。單模諧振器場結構簡單，能夠較精確地確定腔體內場分布情況，因此可以把被加熱物料放置在腔體內場強比較集中的位置，從而達到快速加熱的目的。單模諧振腔的優點是品質因數高、儲能大，缺點是體積小、腔內場強分布不均勻，不適合分散加熱物料。

　　目前，工業領域內常用的諧振腔應用器是多模腔應用器，多模腔應用器內很多電場模式并存，各個模式的電場相互疊加，可以在腔體內形成比單模腔均勻的電磁能分布，實現物料的均勻加熱。根據電磁場理論，諧振腔的尺寸、形狀決定腔體內的諧振模式，諧振模式決定腔體的場分布，直接影響加熱的均勻性。決定多模腔應用器場分布均勻性的因素很多，波導類型、饋口數目、饋口位置、負載電磁特性、負載形狀、負載位置等，如果在實際生產中調整，由于因素多，調試周期長，研制成本高，并且由于測試手段有限，不能對腔體內的場分布進行細致的描述。

　　德國CST公司CST軟件中的CWS(微波工作室)工作模塊，包含快速便捷的結構建模工具、常用的材料庫、瞬態求解器、頻域求解器、本征模求解器、模式分析求解器、完整的后處理模塊等，可以分析處理包含天線、濾波器、耦合器、傳輸線、諧振器等所有的相關的電磁場仿真問題。

　　本文采用CST軟件仿真了饋口位置、饋口數目、負載位置對諧振腔內電場分布的影響，通過仿真分析，得出了多模式微波加熱諧振器的優化設計方法。

1、多模微波器加熱模型

　　本試驗的仿真對象是微波煤炭脫硫設備的微波諧振腔體，模型如圖1所示，x×y×z：4000mm×1600mm×920mm。饋排列情況和負載放置情況如圖2所示。以下仿真全部基于圖1腔體尺寸，并依照圖2所示調整負載位置、尺寸和饋口數量、位置等進行計算。

圖1　腔體模型

圖2　饋口和負載放置示意圖

2、仿真結果與討論

　　2.1、饋口數量對腔體性能的影響

　　文章不考慮負載特性對腔體性能的影響，如圖2所示在腔體內部放置SIC負載(圖3陰影所示)，厚30mm。在圖1所示的腔體XOY 平面分別放置1個饋口(圖3示饋口1激勵)，激勵功率30W；放置兩個饋口(圖3示饋口2、饋口3同時激勵)，激勵功率分別為15W；放置3個饋口(圖3示饋口1、饋口2、饋口3同時激勵)，激勵功率分別設置為10W，通過仿真計算，三種情況下的場分布對比如圖3所示。

圖3　饋口分布示意圖

　　圖4所示為微波諧振腔體在z=167mm平面上的電場分布，其中(a)為單饋口激勵時的電場分布，激勵功率30 W，最小電場0，最大電場309V/m；(b)為雙饋口激勵，各饋口激勵功率分別為15W，最小電場0，最大電場164V/m；(c)為三饋口激勵，各饋口激勵功率10W，最小電場0，最大電場129V/m。通過對比分析，在同等功率激勵腔體的條件下，很明顯三饋口激勵時腔體內部的電場均勻性要優于雙饋口激勵時的情況，雙饋口激勵時腔體的電場分布要優于單饋口激勵時的電場分布情況。因此，在設計大體積、大功率激勵的微波諧振腔時，為了使得諧振腔內電場分布均勻，多采用多饋口激勵的模式。

圖4　諧振腔內z=167mm平面上的電場分布

結論

　　(1)多模微波加熱器中，微波諧振腔體的場均勻性及饋口的反射、耦合度與饋口數量、饋口位置、負載位置有關；

　　(2)多饋口激勵可以改善高功率、大體積微波諧振腔體的加熱均勻性；

　　(3)CST仿真軟件采用有限積分算法，可以有效分析腔體場分布、各饋口的反射系數及耦合，使用方便，占用計算機資源少，運算快，在大體積微波諧振腔優化設計中，具有不可替代的作用。