在预包装食品微波加热解决方案的设计阶段，可集成无线传感器以实时评估包装内部的温度和压力，从而确保长期的微生物安全性，并减少处理后的二次污染。尽管这种方法可作为一种可靠的传统蒸煮杀菌工艺（即，将包装食品置于密闭容器内进行灭菌）的替代方案，但传感器的几何形状和布置方式可能会影响微波腔体内的电磁功率耗散。
构建 COMSOL® 模型
为了更好地了解这些传感器可能引入的干扰，来自 GEPEA–Oniris（工艺工程-环境-农业-食品联合研究单位，法国南特国立兽医学院、食品科学与工程学院）和 CTCPA（法国农业食品技术中心）的联合团队开展了一项研究，通过模拟单模微波加热器中不同传感器位置的影响，对包装内微波加热工艺展开评估。这项研究聚焦于实验室规模的 915 MHz 微波加热工艺，研究对象为聚丙烯托盘中的 300g 土豆泥。团队在 COMSOL Multiphysics® 软件中构建了微波设备的三维几何模型，而聚丙烯托盘的实验测量几何结构则通过自定义 STL 文件导入 COMSOL®。
团队构建的模型具有很高的稳健性，充分考虑了微波装置的所有几何细节，包括波导过渡段的完整设计、阻抗匹配元件（膜片）、915 MHz 单模微波加热器以及滑动短路器。微波输入功率源通过微波天线处的同轴端口馈入，波导的所有表面，包括铜制滑动短路器，均被视为理想电导体。土豆泥的介电特性经实验测量，并假设其湿基含水率恒定为 76%。
为了避免微波与金属部件发生干扰，无线传感器使用一个尖拱形 316-L 不锈钢微波屏蔽罩包围，并放置在土豆泥样品的上表面。此外，在聚丙烯托盘顶部表面热封了一层聚丙烯薄膜以封闭系统。这些组件共同构成了一个数值模型，帮助团队获得关于包装内传感器位置的最佳布置方案，以尽可能降低其与电磁场的相互干扰。
基于仿真的洞见
团队使用 COMSOL Multiphysics® 的附加产品——RF 模块，预测微波腔体内的电磁场，并将其与土豆泥样品内微波吸收功率相关联。在求解器设置中，首先使用边界模式分析计算从波导输出的端口 2 处的模式（见图 1）；第二步是在 915 MHz 频率下开展 频域-稳态 研究。
当托盘内未放置传感器时，仿真结果显示微波反射功率为 24%（S11 = -6.16 dB），滑动短路器的最佳位置为 790 mm。随后，以 30° 为增量，评估不同 z 轴旋转角度（从 alpha = 0° 到 180°）的 S11（输入端口反射系数，即，端口失配的度量）随微波屏蔽罩位置变化的情况。
结果表明，微波屏蔽罩的位置需要与微波传播方向对齐（alpha = 0°），才能获得与无传感器食品托盘相近的 S11 参数（S11≈-6 dB，RF≈25%）。当逆时针旋转 90°，即，微波屏蔽罩位置朝向与横电平面相同的方向时，S11 参数降至 -7.8 dB。此外，将微波屏蔽罩的旋转角度从 90° 改为 180° 时，仿真结果表明 S11 从 -7.8 dB 变化至 -4.7 dB。这种从 90° 到 180° 的旋转还导致模拟的微波反射功率增加了一倍，90° 时微波反射功率为 17%，180° 旋转时为 33%。这些结果表明，传感器的位置至关重要，必须加以考虑，因为这些反射功率变化会影响整体微波功率效率。
团队使用便携式矢量网络分析仪（VNA）完成了数值模型的实验验证。VNA 连接在端口 1，用于根据不同操作条件评估来自负载的微波反射功率。S 11 参数用于表征天线处相对于入射微波功率的微波反射功率。总体而言，仿真结果与使用 VNA 进行的实验测量结果高度吻合。实验结果与仿真结果之间的少量差异可归因于传感器定位的细微变化，这是由于精确复现土豆泥不平整表面存在难度。
一项重要发现
这项研究带来了一项重要发现：将传感器位置与微波传播方向对齐时，微波反射系数与无传感器测试结果相近。然而，如果微波屏蔽罩位于波导的横电平面内，则可观察到微波反射功率显著降低。
测试表明，该模型还能够准确预测传感器与食品样品界面处的局部高峰值微波功率密度，这有助于进一步阐明温度与压力（T-and-P）传感器的最佳位置，不过这需要更多实验进行验证，并需要考虑食品可能存在的温度相关介电特性及其对电场分布的耦合影响。
进阶学习
如需了解有关该研究的更多信息，请阅读 GEPEA-Oniris 和 CTCPA 团队的完整论文，其中描述了团队完整的仿真方法和结果。该论文在 COMSOL 用户年会 2025 Amsterdam 上荣获最佳论文奖！
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