微波能可应用于不同材料和物质的热处理，是现代科学和工程的快速发展趋势。微波在介质介质中的深度穿透提高了均匀性，增强了加热过程。各种微波炉加热设备，如烤箱、工业工厂、实验室设备和医疗应用器是相当大的。
微波加热器件的设计和优化是离不开对电磁波与有损介质介质相互作用的物理过程的理论研究。数学建模和实验测量是研究这类过程的主要工具。其中最著名的是耦合电磁传热问题，它考虑了温度对相互作用领域内微波电源分布的影响。
1、建模工具
数学模型的构建可以使用商业软件，如基于有限时域方法(FDTD)的QuickWave-3D软件(QW3D)。该软件的特点有：矩形网格共形映射和一种从时域模拟中直接提取波阻抗和传播常数的新方法，它可以节省计算机资源。微波设备的几何模型可以用所谓的用户定义对象语言用符号变量表示，这使得优化过程非常灵活和高效。
这里我们介绍几个关于这种方法的例子。
2、污染土壤的净化
土壤污染在许多国家都是一个非常常见的问题。土壤微波去污的原位处理方法相较于常用的离位技术更具有吸引力，因为它可以防止挖掘过程中可能的中毒，并且要便宜得多。一种工作频率为2.45GHz的同轴天线，如图1a所示，用于实现这种原位处理方法。不同的污染物，如油和其他化学物质，在微波加热土壤的过程中蒸发，然后可以排出。天线设计包括一个波导-同轴传输，一个其末端短路且带有20个插槽的一米的同轴线。它配备了一个金属圆锥体，可以很容易地将天线插入地面。用一个标准的矩形波导WR340作馈线。
Karlsruhe大学进行了上述空气介质天线的理论和实验研究，通过研究表明了天线和干燥土壤极好的耦合。然而，对于潮湿的土壤，可以观察到反射因子的增加。通过FDTD技术的QuickWave进行数值模拟帮助升级该装置，并降低了潮湿土壤的天线返回损失。使用分层介质一维分析模型进行的初步理论研究表明，当开槽天线通过5mm厚的聚四氟乙烯涂层与土壤分离时，可以取得最佳结果（图1b）。图2是不同水平不同含水量的土壤微波暴露的数值模拟结果。最高含水量时，2.45GHz的返回损失不超过0.25。
3、化学反应器
微波化学是科学和工程领域发展最快之一。这一领域的早期研究采用了传统的家用微波炉。分析化学需要特殊设备，因此，商业多模微波炉应运而生。不同的单模和多模微波加热系统在分析化学中得到了广泛而实际应用。化学反应的可重复性是这类系统的主要要求之一。也就是说，功率密度和温度必须分布相当均匀。单模波导和谐振器腔，仅用来加热一个样品，通常满足这一要求。在多个样品被加热的多模腔中，通过旋转样品来解决能量的不均匀分布问题。几乎所有的微波化学反应器都是基于矩形或圆柱形的波导和空腔来设计的。如图3所示。这种谐振器比简单的谐振腔具有微波电子学中更高的谐振波长值。这一特性允许我们选择操作频率915MHz，因此，有损耗电介质中的电磁场穿透深度增加。
腔内的主导模式由中心轴上的同轴探针激发。带有液体样品（水、蛋白质和吡咯利丁）的玻璃试管布置在一个特殊的环状聚四氟乙烯支架的探针间隙周围。本研究利用基于FDTD方法的QuickWave-3D寻找腔尺寸、谐振频率，它能求解在工作频率下最佳的耦合情况。模拟表明，在60℃的水中观察到的为最佳结果。图4显示了四种水样中的温度场图。
4、肿瘤消融术
微波能量在医学中得到了广泛的应用。例如，它可以是一个非常有前途的肿瘤消融工具。微波消融(MA)期间的恶性生物组织被加热至相对高的温度（60-100℃），以实现肿瘤细胞的凝血性坏死。癌组织使用如图5所示的同轴天线加热至高温。
该天线的辐射部分被插入到肿瘤区域的中部。天线直径小于2mm，工作频率为2.45GHz。对肌肉、肝脏和大脑等生物组织模型的初步实验研究表明，在工作频率为2.45GHz时，该天线的反射功率相对较低（低于3%）。然后，利用QuickWave-3D软件对天线的反射特性进行了模拟和优化。利用COMSOL软件模拟了消融区的温度。计算结果可以估计MA过程中不同温度下2.45GHz的间隙同轴天线的电磁和热特性。肝脏在80≤T[℃]≤100范围内的反射功率高达9-25%。即使在最坏的情况下(T=100ºC)，天线也能向组织提供75%的微波能量。图6显示了10W加热6分钟后的温度情况。
5、总结
上述三个示例说明了商业软件QuickWave-3D在全面分析和优化工业、科学和医学微波系统的强大能力，可以提高微波加热过程数学建模的效率和灵活性。
文章来源：
Vyacheslav V. Komarov, Computer‐Aided Analysis and Optimization of Microwave Heating Systems. AMPERE Newsletter. Issue 92, April 26, 2017
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