作者：栾东磊 王易芬
单位：上海海洋大学食品科学与技术学院；Auburn University， Biosystems Engineering Department
来源：2015 IEEE 15th Mediterranean Microwave Symposium (MMS)
摘要
在这项研究中，测量了有负载和无负载的家用微波炉的频率分布。并利用计算机仿真模型研究了在家用微波炉中加热时不同频率对冷冻食品加热方式的影响。使用商业软件QuickWave有限差分时域（FDTD）方法建立仿真模型，以求解耦合的电磁和热传递方程。 结果表明，家用微波炉的工作频率随时间不断变化。当频率从2400 MHz变为2500 MHz时，固定和旋转冷冻食品的加热方式都会改变；即使频率相同，冷冻食品的冷点和热点也由于频率变化而不稳定。
背景
家用微波炉已成为现代中的常见设备，而且微波炉食品的种类和数量也急剧增加。然而，加热不均匀依然是微波炉的主要缺点。
为了提高加热均匀性，研究者研究了许多因素包括食物的形状、位置、大小和介电性能。除了食物特性，还研究了搅拌器、旋转转盘和波反馈设计[6-8]。这些研究为改善家用微波炉内的加热均匀性提供了一定的技术支撑。但是，家用微波炉的加热不均匀是由于微波炉内部的共振模式所决定的微波场分布不均匀而引起的。
对于给定尺寸的烤箱，驻波模式取决于微波频率。对于具有与商用微波炉相似尺寸的腔体，在微波炉磁控管（2450±50 MHz）的频率范围内有许多可能的模式和场模式。因此，微波炉被称为多模式加热腔。在多模腔中，如果工作频率变化，则场模式也会相应变化。因此，工作频率对于预测加热方式和改善加热非常重要。
在我们先前的研究中[10]，通过计算机模拟研究了在室温（介电常数> 40）下食物的加热方式。仿真结果表明：固定的未冷冻食品的加热模式随工作频率从2400 MHz到2500 MHz而改变；对于旋转未冷冻食品，观察到类似的边缘加热模式，其表明当未冷冻食品在旋转盘上加热时，微波频率对加热方式的影响不大，而边缘加热主导了加热方式。
在这项研究中，测量了带有和不带有食物负载的家用微波炉的频率，以显示典型的频率分布和可能的范围。应用经过验证的计算机仿真模型来研究工作频率对低介电常数冷冻食品加热模式的影响。
方法
设备
使用TM-2650频谱分析仪和AN-301天线（B＆K Precision）来测量家用微波炉（Panasonic，NN-SD681S）的工作频率。对于每次测量，将TM-2650频谱分析仪的天线放置在距微波炉门5厘米处，以检测泄漏的微波。每0.4 MHz测量2400至2500 MHz范围内的微波。观察到微波炉的频率随时间变化。在测量过程中，每2-3秒记录一次频移图。每次测量大约有30张频移图，并将结果汇总在一个图中，以显示运行期间可能的频率分布。
计算机仿真模型与验证
使用商业软件Quickwave版本7.5 64位（QWED，波兰）构建了计算机仿真模型。有限差分时域（FDTD）方法用于求解耦合的电磁和热传递方程。烤箱的结构如图所示。烤箱不是标准的矩形腔体。它包括一个在中心的矩形盒，一个顶部和一个后盖，一个在底部的侧盒和一个转盘。 微波在一侧由短波导引导，并从端口传播到烤箱中。 在仿真中，将TE01正弦波源设置在波导的开头。功率设置为烤箱的最大功率1200W。烤箱的净功率可能会随着不同的负载而变化，这会导致模拟中食品温度估算过高。但是，在这项研究中仅关注加热方式而不考虑温度的准确性。
Panasonic NNSD681S微波炉的结构
在模拟过程中，食物的介电和热特性会随温度而变化。对于冷冻食品，采用热焓法模拟相变能量。模型的网格大小遵循每个波长10个单元的规则。对旋转角度进行了敏感性研究，以找到合适的旋转角度来平衡仿真时间和精度。低酰基结冷胶被用作模型食品以验证模拟模型。从室温将结冷胶（重量为600 g，尺寸为185x135x23 mm3）加热1分钟。使用热像仪（Therma-CAM™ Researcher 2001，FUR Systems）在微波加热后立即捕获结冷胶的温度分布。 加热方式的实验和仿真结果如图2所示。结果表明，尽管温度水平不同，但计算机模拟的预测加热模式与实验获得的热图像吻合良好。温度水平的差异可能是由于仿真模型的功率设置以及热图像捕获期间的热损失所致。表明了该仿真模型在加热模式预测中是可靠的。该仿真模型可用于研究冷冻食品在不同微波频率设置下的加热方式变化。
实验（A）和模拟结果（B）之间的加热方式比较。
在本研究中，选择具有已知的介电和热性能的冷冻牛肉作为典型的冷冻食品，以不同的频率设置进行模拟。冷冻牛肉的介电性能和焓数据示见下表。在模拟中，冷冻牛肉的尺寸设定为与结冷胶相同，即185×135×23mm 3。初始温度为-20℃。
结果
频率分布
图3显示了带负载和不带负载的家用微波炉的工作频率的典型分布（一杯300毫升的自来水，位于烤箱中央），从统计的角度揭示了工作频率的变化。结果表明，空烤箱的频率以2453 MHz为中心，并具有2 MHz的窄漂移带。除此之外，其他次要峰值分布在2462和2464 MHz。然而，当负载被放置时，频率分布在2450、2460和2470 MHz处扩展到更大的范围。事实证明，烤箱的工作频率会随着负载的放置而发生巨大变化。
空烤箱的频率分布的典型结果（顶部），有负载的频率分布的结果（底部），一杯300 ml的自来水在烤箱的中心旋转。
为了验证工作频率随时间的变化，将600毫升自来水放在一个托盘（底面积为185 x 135 mm2）中，放在烤箱转盘的中央，并加热4分钟。 四分钟内的工作频率如图所示。
微波炉的工作频率（Panasonic NN-SD681S）在四分钟内用600 ml自来水，A：第一分钟； B：第二分钟； C：第3分钟D：第4分钟
该图显示了工作频率在运行期间不断变化。这些变化可能是由于负载的位置和介电特性的变化所致。这些变化影响了输出阻抗，并使谐振腔失谐[13]。这种连续失谐会立即改变工作频率。
冷冻牛肉在不同频率下的加热方式
家用微波炉的磁控管的频率范围为2450±50 MHz。受负载条件的影响，工作频率可能在此范围内的任何频率下出现。在这项研究中，选择了五个频率设置（2400、2420、2450、2480和2500 MHz）来通过计算机仿真研究冷冻牛肉的加热模式变化。固定冷冻牛肉的预计加热方式如图所示。
固定冷冻牛肉在2400至2500 MHz的不同频率设置下的加热方式。
结果表明，共振模式随频率变化而变化，导致电场分布和加热方式不同。如果家用微波炉中的频率不稳定，则加热方式将不可预测且不可重复。即使在相同的负载下，微波加热过程中冷点和热点的位置也不稳定。因此很难为每种微波速冻食品设计工艺时间表（即功率和加热时间）。
转盘广泛安装在微波炉中以提高加热均匀性。在此基础上，还研究了冷冻牛肉在旋转盘上的加热方式。图6显示了在不同频率设置下旋转冷冻牛肉的加热方式。与图5中的加热方式相比，加热均匀性确实得到了改善。 然而，从不同的频率设置获得的加热模式彼此不同，冷点和热点的位置从一个选定的频率变为另一个选定的频率。此外，与具有高介电常数的未冷冻食品相比，冷冻食品的边缘加热并不严重。 尽管转盘可以在某种程度上改善加热均匀性，但是除非锁定频率和场模式，否则加热模式仍然不可重复。将来，在设计加工程序之前，提供稳定加热方式的技术对于加热微波冷冻食品至关重要。有两种可能的方法可以实现此目标：一种是找到频率稳定的微波源，另一种是保持固定模式的烤箱尺寸设计。
旋转冷冻牛肉在2400至2500 MHz范围内的不同频率设置下的加热方式。
结论
在这项研究中，我们测量了有负载和无负载的家用微波炉的频率分布。捕获并总结了工作频率的频移以统计显示工作频率分布的可能范围。家用微波炉的频率会随着时间不断变化，并且受负载条件的影响很大。通过计算机仿真研究了冷冻牛肉在不同频率设置下的加热方式。结果表明，固定和旋转冷冻食品的加热方式都随着频率设置的变化而变化。当工作频率不断变化时，即使对于相同的负载，也无法获得可重复的加热方式以及稳定的冷热区域。稳定的加热方式对于微波冷冻食品的加工时间表设计至关重要。将来，具有稳定频率的微波源和固定模式的烤箱设计是提供稳定加热模式的两种潜在方法。
关于作者
栾东磊，上海海洋大学食品学院副教授，上海市青年东方学者，上海市浦江人才计划。主要从事食品热加工新技术方面的研究。主持研发了国内首套896MHz、75KW 工业微波灭菌系统，基于该系统建立了微波杀菌工艺研发流程。主持或参与国家及上海市科研项目6项，包括国家自然科学基金项目、上海海洋大学科技发展专项及上海市地方能力建设专项；申请专利15 项，其中，发明专利10 项；获中国食品科学技术学会科技创新奖、上海水产学会年度优秀论文一等奖；关于家用微波炉的研究被IFT 和美国Davidson’s 公司作为科研头条和科技前沿报道。
王易芬，美国奥本大学生物系统工程系的副教授，博士研究生导师，联合国粮食及农业组织客座专家。2003年1月至2004年8月在华盛顿州立大学做博士后研究，2004年8月受聘于奥本大学成为可被聘为终身教授的助理教授，2009年8月成为终身教授，并被奥本大学聘为副教授。