一种基于楔形介质板实现多模腔中微波高效加热的方法

本发明涉及微波加热，特别是一种基于楔形介质板实现多模腔中微波高效加热的方法。

背景技术：

1、微波加热作为一种快速、高效的加热方式，广泛应用于食品加工、材料处理、医疗领域等多个领域。传统的微波加热设备主要包括微波源、波导、腔体和负载等组成。然而，目前的微波加热技术在加热效率、均匀性和适应性方面仍存在一些问题，其中一个重要问题是加热不同负载时的加热效率不一致。微波加热是利用电磁波与物质的相互作用，通过引发分子振动和摩擦来实现加热的过程。相比传统的热传导加热方式，微波加热具有以下优势：(1)高效加热：微波能量可以直接转化为物质内部的热能，加热速度快，能源利用效率高；(2)均匀加热：微波能量在物质内部通过多次反射和散射，实现了较为均匀的加热效果；(3)温度控制灵活：微波加热可以实现快速升温和快速降温，温度控制精度高；(4)环境友好：微波加热无需使用化石燃料，不产生烟尘和废气，对环境污染较小。尽管微波加热具有上述优势，但在实际应用中仍然存在一些问题，其中一个主要问题是在加热不同负载时的加热效率不一致。目前的微波加热方法在加热不同负载时，由于负载的形状、尺寸、材料特性以及位置等因素的影响，导致微波能量的分布不均匀，部分区域加热过热，而其他区域则加热不够。

2、传统的微波加热方法通常采用波导或腔体来传输微波能量，并将其直接辐射到负载上。然而，这种方法在加热不同形状和材料的负载时存在一些局限性。首先，波导或腔体的设计通常是针对特定形状或尺寸的负载，对于其他形状或尺寸的负载，加热效果较差。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种基于楔形介质板实现多模腔中微波高效加热的方法，以实现良好的加热效率。

2、本发明公开了一种基于楔形介质板替代梯度折射率超表面实现多模腔中微波高效加热方法，其包括：

3、通过对多模腔腔体内不同楔形介质板及底部材料的介电常数、不同楔形介质板及底部材料的高度进行优化，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热；其中，所述任意负载包括负载所处的位置、不同的托盘介电常数和半径、不同的负载介电常数及损耗角、不同负载形状进行微波加热仿真；底部材料指腔体底部铺满的与楔形介质板同材料的物质。

4、进一步地，通过仿真优化获得楔形介质板的参数，使其具有梯度折射率超表面的特性，即可实现微波单向传播；参数包括楔形介质板的坡度和介电；

5、然后将不对称波导与微波多模腔连接，放置楔形介质板的波导窄边与多模腔的底面在同一个平面上；同时腔体中铺满与楔形介质板介电相同的介电材料；并且介质板的厚度与楔形介质板最厚的厚度一致，以实现任意负载的高效率加热；任意负载指的是任意形状、任意体积、任意介电常数的负载。

6、进一步地，优化设计不对称波导的步骤包括：

7、考虑到楔形介质板介电常数的大小将直接影响等效超表面的等效相对介电常数，为了验证楔形介质板以及底部铺满的与楔形介质板同材料的物质的介电常数变化对电磁波加热的加热效率的影响，使用comsol multiphysics中的参数扫描，并计算楔形介质板及底部材料介电常数对加热效率的影响。

8、进一步地，控制无关变量均保持不变，通过仿真模型对参数优化以获取加热效率最高时对应的楔形介质板及底部材料介电常数值；其中，无关变量包括负载介电常数、负载形状大小、负载高度、托盘厚度以及托盘介电常数。

9、进一步地，使用不对称波导对不同的托盘介电常数和半径进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

10、利用参数扫描功能，将托盘介电常数和半径作为扫描对象，测试不同托盘介电常数和半径对应的加热效率，通过参数扫描来寻找最佳的托盘半径以及介电常数大小，以得到最高的加热效率。

11、进一步地，使用不对称波导对不同的负载介电常数及损耗角进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

12、采用comsol multiphysics中的参数扫描，分别测试计算不同负载介电常数和损耗角时，对应的超表面多模腔的加热效率；其中，控制无关变量均保持不变，以得到负载介电常数及损耗角的变化对加热效率的影响；无关变量包括楔形介质板及底部介电常数、控制楔形介质板及底部高度、负载所处位置、负载形状大小、托盘厚度以及托盘介电常数。

13、进一步地，使用不对称波导对不同的负载进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

14、确定负载的高度，然后对长宽变化范围进行全部组合，以固定值为步长测试加热效率的变化；其中，控制无关变量均保持不变，以得到非对称传播波导腔体中负载宽度深度对加热效果的影响；无关变量包括楔形介质板及底部介电常数、控制楔形介质板及底部高度、负载所处位置、负载介电常数、负载形状、托盘厚度以及托盘介电常数。

15、进一步地，使用不对称波导对不同的负载形状进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

16、测试当负载形状为球体、圆柱体以及长方体时对应的加热效率；当负载体积固定为预设值时，控制无关变量均保持不变，以得出不同负载形状采用非对称传播波导对物体进行加热的效率；无关变量包括楔形介质板及底部介电常数、控制楔形介质板及底部高度、负载所处位置、负载介电常数、负载体积、托盘厚度以及托盘介电常数。

17、由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：提高了能量利用率，使不同形状、体积、相对介电常数的负载的加热效率值达到90％以上，实现了任意负载高效加热的目的。

技术特征：

1.一种基于楔形介质板实现多模腔中微波高效加热的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过仿真优化获得楔形介质板的参数，使其具有梯度折射率超表面的特性，即可实现微波单向传播；参数包括楔形介质板的坡度和介电；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化设计不对称波导的步骤包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，控制无关变量均保持不变，通过仿真模型对参数优化以获取加热效率最高时对应的楔形介质板及底部材料介电常数值；其中，无关变量包括负载介电常数、负载形状大小、负载高度、托盘厚度以及托盘介电常数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用不对称波导对不同的托盘介电常数和半径进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用不对称波导对不同的负载介电常数及损耗角进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用不对称波导对不同的负载进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用不对称波导对不同的负载形状进行微波加热实验，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于楔形介质板实现多模腔中微波高效加热的方法，其包括：通过对多模腔腔体内不同楔形介质板及底部材料的介电常数、不同楔形介质板及底部材料的高度进行优化，以实现多模腔腔体内的任意负载的高效率加热；其中，所述任意负载包括负载所处的位置、不同的托盘介电常数和半径、不同的负载介电常数及损耗角、不同负载形状进行微波加热仿真；底部材料指腔体底部铺满的与楔形介质板同材料的物质。本发明能够实现良好的加热效率。

技术研发人员：朱铧丞,杨阳,杨丰铭,夏妍,黄子涵
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8