射频加热和微波加热模拟快速入门

2014年 5月 20日

在射频加热和微波加热网络研讨会中我们经常演示波导模型,因为使用它阐述概念人们比较容易理解。这里,我们再次将其作为模拟射频加热和微波加热的快速入门。

射频加热和微波加热简介

射频加热就是电磁场中的能量转化为热能。这种加热方式有两种类型:感应加热和介电加热。感应加热发生在电导率较高的材料中,比如铜或其他金属。交变的磁场感应出涡电流,电阻损耗使材料加热。而介电加热发生在绝缘材料中(您一定猜对了),受高频电磁场的作用而产生。交变电磁场使介电分子往复运动,由此材料由于内部摩擦而受热。

下面演示一个包含感应加热和介电加热的示例。

波导弯头中的微波加热

要让通过波导的微波重定向,可以增加一个弯曲部分。这部分被形象地称为波导弯头。在两个矩形直波导间有一个这样的弯曲部分,看起来如下:

显示内部铜镀层和介电块的带弯头铝质波导模型
带弯头的铝质波导示意图。为展示内部的铜镀层和介电块,图中未显示顶部。

如图所示,我们所选的波导不仅包含一个弯头,还包含一个耗损性的介电块(绝缘体)。这看起来有点奇怪,但在实际情况下,此处可能是一个调谐器或谐振器,或是其他器件。我们示例中此处采用介电块是为了更简单地演示如何模拟微波加热

模型背景知识和结果

电磁波以 100 瓦的功率源从波导的一端(离介电块较远的一端)传入。然后以 10 GHz 的频率振荡并沿矩形波导移动,穿过弯头,与介电块接触,最后从模型的另一端传出。

请注意,我们假定模型中的波导无限长。

我们希望确定波导和介电块如何随时间推移而加热。

可以利用 COMSOL Multiphysics 和 RF 模块分两步来求解:

  1. 电磁场

让我们看一下结果。

首先,要知道通电后波导是如何加热的。

显示通电后波导温度的线图

接下来,研究这个装配达到热平衡后有关电磁场和温度的稳态解。使用模型开发器中的“视图”节点可以隐藏几何实体。通过隐藏波导的上两层,我们可以得到更清楚的图像,从而了解内部的变化:

显示波导内部介电块的温度、电场、磁场以及功率流
波导内部:显示介电块的温度,以及电场(红色箭头)、磁场(绿色箭头)和功率流(蓝色箭头)。

以下是磁场和介电块的放大图:

放大介电块槽,显示其温度。同时显示功率流、电场和磁场。

我们还可以研究加热前后的电磁场。

加热前:

使用 COMSOL Multiphysics 创建的绘图,其中显示了波导在加热前的电磁场

这个介电块的材料属性是温度的函数,因此在加热后,它的电属性会改变。下图中绘制了介电块中的损耗正切,对应于稳态解。非均匀损耗正切分布是非均匀温度分布的结果。

显示介电块中损耗正切的绘图

学习如何建立这个模型

可以使用 COMSOL MultiphysicsRF 模块模拟射频加热和微波加热。此处我们演示的模型可以从软件(RF 模块库中的“微波加热”下)下载,也可以从案例下载中下载。

注意,可以打开模型的几何、网格、材料及其他预加载的部分,但仍需要执行求解步骤。换句话说,如果按照模型文档中的步骤执行,则可以跳过除计算外的所有步骤。

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