穿透深度

穿透深度

根据方程(2) 可计算穿透深度,它表达了与材料的介电性能的相关性。穿透深度表示在功率密度已减少到初始值的37%所达到的深度。 材料与高损耗因子 (虚部的复介电常数)表示更快的微波能量吸收速率。功率会从表面到核心区域呈指数级的减少。

Penetration depth

图 1. 穿透深度(用蓝色x)的电波随频率增加。左边代表了空气,右边为一个材料。

f = 频率,以赫兹表示
εO = 绝对介电常数 (DC) = 8,85x10-12 As/Vm
с = 光速 3x1010cm/s
Ε = 电场强度,单位 V/m
ε = εO * ( εr’ - j εr’’ ), 复介电常数
tan δ = εr’’/εr
δ = 介质损耗角,单位:度
λ0 = 波长,计算式 λ0 =c / f

表1显示了各种材料的穿透深度值。应该指出的是,穿透深度的电场强度有时可达到文献报告数值的两倍。

材料 温度 in °C 穿透深度 cm
45 1,4
95 5,7
-12 1100
面包 25 2 ... 5
马铃薯,生 25 0,9
马铃薯泥 25 0,8
豌豆、胡萝卜 25 1
25 0,9 ... 1,2
纸、纸板 25 20 ... 60
25 8 ... 350
天然橡胶 25 15 ... 350
空心格拉斯 25 35
25 56
聚氯乙烯 20 210
环氧树脂 (环氧 CN-501) 25 4100
聚四氟乙烯 25 9200
石英玻璃 25 16000

表1各种材料在2450MHz的微波功率穿透深度

在大的尺寸和高损耗因子的产品中,可能偶尔会有一个相当厚的过热的外表面。为防止这种现象,功率密度必须准确选择,以便有足够的时间使边界和核心的热量交换。如果选择的材料厚度小于穿透深度,只有一小部分提供的能量被吸收。

对于未被吸收的能量, 在离开物料之后辐射远离。未被吸收的微波经过金属腔体反射之后的再多次穿透物质。

另外,对微波加热的功率密度还需要考虑的是,必须维持腔体内适当的电场强度。大气压条件下,击穿强度比干燥空气(30 kV /厘米)的小好几个数量级。对于真空应用程序或当空气非常潮湿时,必须限制电场强度的范围来防止空气的电离,以避免设备和产品损坏造成巨大损失。