一种基于预测频率选择技术的优化方法，用于利用固态系统实现微波加热

《Journal of Food Engineering》：A predictive frequency-selected method for optimizing microwave heating with a solid-state system

本研究提出一种新型频率选择加热方法，通过优化频率序列生成互补温度分布，显著提高加热均匀性（COV降低75%），与传统固定频率和扫频方法相比，平均温度分别提升3.5°C和6.5°C，且无需复杂结构，适用于食品加工等领域。

　　

吴浩然|张久洲|王琳|苟德志|唐正明

中国西华师范大学电子信息工程学院，中国南充，637002

摘要：

尽管由于微波加热的高效率，它在食品加工中得到了广泛应用，但加热不均匀的问题仍然是一个关键的瓶颈，阻碍了其在家庭和工业领域的更广泛采用。本研究开发了一种新的频率选择性加热方法，通过使用一系列优化的频率来生成互补的温度分布，从而提高了微波加热的性能。基于之前的温度分布结果，使用专门设计的优化函数预测下一个频率。随后通过实验测量对频率序列进行了改进，以考虑观察到的频率偏移。结果表明，与固定频率加热相比，所提出的方法显著提高了加热均匀性，相关系数（COV）降低了75%；与扫频加热相比降低了56%。此外，平均温度分别提高了3.5°C和6.5°C。此外，对不同频率下加热时间的分析有助于开发优化的切换周期，这对于提高频率选择性加热的效果至关重要。这种方法不需要额外的复杂结构，显示出在未来的食品微波加工及其相关应用中的巨大潜力。

引言

自从微波加热在食品工业中得到广泛应用以来，加热不均匀一直是一个核心问题。微波加热可以快速升温，但热点和热失控可能会影响安全性和产品质量（Vadivambal & Jayas, 2008; Wang et al., 2015; Tian et al., 2025）。这种现象主要是由于材料对微波能量的不均匀吸收造成的，这与驻波模式密切相关（Pedre?o-Molina et al., 2007; Zhou et al., 2023a）。基于这一理解，研究人员探索了涉及移动组件的方法，如旋转转盘、模式搅拌器和调整金属边界或端口（Plaza-Gonzalez et al., 2005; Pitchai et al., 2012; Ye et al., 2019; He et al., 2020; Gu et al., 2022; Ye et al., 2021）。虽然这些策略已经显示出有效性，但它们通常依赖于额外的机械组件，这可能会增加系统的复杂性并引入一定的加热性能不确定性。

随着固态源技术的进步，可以精确控制微波输入的相位、频率和功率，促使研究人员探索新的可能性（Wi?ckowski et al., 2014; Zhou et al., 2023b; Zhou et al., 2023c）。最近的报告表明，使用扫频或频率移位策略的加热性能明显优于固定频率（Du et al., 2019; Kalinke et al., 2024）。Taghian Dinani等人（2021）研究了固态微波系统中频率扫描循环的效果，发现加热均匀性和微波吸收都有所提高。然而，在频率移位过程中，不同频率对加热性能的贡献并不总是相同的（Yakovlev, 2018; Kalinke et al., 2023）。此外，一些研究人员提出了频率选择性加热方法，即预先选择高效加热的频率，并排除其他频率用于加热（Tang et al., 2018; Yang et al., 2021; Yang & Chen, 2022; Sickert et al., 2023）。报告显示，频率选择性策略的性能明显优于固定频率或扫频策略。Tang等人（2018）基于多物理场建模开发了一种频率选择性方法，并研究了频率选择标准对加热性能的影响。Yang等人（2022）引入了一种新的动态互补频率移位策略，使用热成像仪检测温度分布并选择互补频率。这些进展突显了频率选择性加热方法在提高加热均匀性和效率方面的潜力。

为了进一步提高频率选择性加热的效果，需要继续努力。先前的研究总结了几个可能影响频率选择并限制其在实际应用中效果的潜在因素（Bows, 1999）。频率变化加热的尝试通常在2.4-2.5 GHz范围内进行，这限制了可选频率和电场分布的变化（Taghian Dinani et al., 2021; Yang & Chen, 2024）。此外，当前的频率选择方法仍存在局限性。基于仿真结果选择频率可能会受到参数和建模假设不确定性的影响（Sickert et al., 2023）。基于表面温度检测的实验方法已被证明在确定频率方面是有效的（Yang et al., 2022）。此外，结合仿真可以进一步改进对加热样品内温度分布的分析。

本研究旨在通过将输入频段扩展到2.2-3.0 GHz来推进食品加工中的频率选择性微波加热。开发了一个多物理场模型，提出了一种预测性的频率选择互补方法，然后通过实验进行调整。该方法的有效性与传统的固定频率和扫频方法进行了比较，并进一步分析了每个频率下的加热时间效应。

部分内容片段

加热样品的制备

吉兰胶在食品工业中广泛使用，因为它可以通过调整配方来模拟各种食品（Zhang et al., 2015; Zhou et al., 2025）。为了制备样品，将1%（w/w）的低酰基吉兰胶粉末（Kelcogel, CP Kelco U.S., Inc., GA, USA）加入温热的去离子水中（Cheron Chemicals Co., Ltd., Chengdu, China），然后在磁力搅拌器（DF-101S, Shanghai Lichen Instrument Technology）的搅拌下将溶液加热至90°C。

最佳频率序列的确定

虽然仿真代表了理想情况，但实验共振通常与仿真结果存在偏差。这种差异是由于制造公差、样品形状的变化和测量误差等因素造成的（Sickert et al., 2023）。为了解决频率偏移的问题，采用了类似于微波滤波器调谐的策略。具体来说，实验频率序列相对于仿真结果进行了偏移，以便对齐

结论

本研究提出了一种新的频率选择性加热方法，该方法利用在不同频率下形成的互补温度模式来解决食品加工过程中微波加热不均匀的问题。与旨在通过改变频率来改善微波加热的传统方法不同，所提出的方法选择了2.2-3 GHz频段内的频率序列，优化了加热均匀性和能源效率之间的平衡，从而提高了加热效果

CRediT作者贡献声明

吴浩然：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，软件，方法论，数据管理，概念化。苟德志：资源，研究。唐正明：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。张久洲：写作——审阅与编辑，可视化。王琳：资源，研究

未引用的参考文献

Liu et al., 2023.

数据可用性

数据将按请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了中国西华师范大学的基础研究基金（Grant KCXTD2024-2）和四川省的联合科学与教育基金（Grant 2025NSFSC2129）的支持。