DE102019210266B4 - Method and device for heating dielectric objects as uniformly as possible by means of high-frequency radiation - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem- ein Objekt (3) oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone (1) eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit (4) mit N ≥ 2 getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird,- wobei vor Beginn des Erwärmungsprozesses entweder Reflexionsmessungen oder wenigstens eine Streuparametermessung durchgeführt werden oder wird, bei denen oder der aus der Bestrahlungszone (1) rückgestreute Hochfrequenzstrahlung an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird,- aus der oder den Messungen Erwärmungsmatrizen für N unterschiedliche Teilbereiche des Objekts (3) oder der Objektgruppe abgeschätzt werden, von denen jeder Teilbereich einem der N HF-Sendekanäle zugeordnet ist,- aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt (3) oder der Objektgruppe führen, und- die HF-Sendekanäle anschießend zur Erwärmung des Objektes (3) oder der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with the most uniform possible heat distribution by means of high-frequency radiation, in which an object (3) or a group of objects is introduced into an irradiation zone (1) and via an HF transmission unit (4) with N ≥ 2 separate HF transmission channels with coherent High-frequency radiation is irradiated, - before the start of the heating process, either reflection measurements or at least one measurement of scattering parameters are or will be carried out, in which the high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone (1) is detected at irradiation locations of the RF transmission channels, - from the measurement or measurements, heating matrices for N different sub-areas of the object (3) or the object group are estimated, of which each sub-area is assigned to one of the N HF transmission channels, 3) or de r lead object group, and the HF transmission channels are then operated to heat the object (3) or the object group with the operating parameters determined from the heating matrices.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei denen die Objekte in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine Hochfrequenz-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten Hochfrequenz-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt werden.The present invention relates to a method and a device for heating dielectric objects with as uniform a heat distribution as possible by means of high-frequency radiation, in which the objects are introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via a high-frequency transmission unit with at least two separate high-frequency transmission channels.

Die Erwärmung dielektrischer Objekte mithilfe hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, hat eine lange Geschichte. Die Anwendung von Mikrowellen zur Erhitzung von Materialien ist dabei nicht auf Lebensmittel beschränkt, sondern hat sich in der industriellen Verarbeitung von verschiedensten Materialien verbreitet, beispielsweise in der Keramik-, Kautschuk- und Plastikindustrie und in vielen spezialisierten Verfahren der Chemieindustrie.The heating of dielectric objects with the help of high frequency (HF) electromagnetic radiation, particularly microwave radiation, has a long history. The use of microwaves for heating materials is not limited to food, but has spread in the industrial processing of a wide variety of materials, for example in the ceramic, rubber and plastic industries and in many specialized processes in the chemical industry.

In sehr vielen Anwendungsfällen der Mikrowellenerhitzung befinden sich die zu erwärmenden Objekte, im Folgenden auch als Last oder Erwärmungsgut bezeichnet, in einer geschlossenen, elektromagnetisch isolierten (meistens metallischen) Kavität, die durch eine oder mehrere hochfrequente elektromagnetische Strahlungsquellen gespeist wird. Eines der Hauptprobleme in solch einer Konfiguration ist, dass sich durch die Mehrfachreflektionen der elektromagnetischen (EM) Wellen an den Wänden der Kavität und der Oberfläche des Erwärmungsguts stehende Wellenmuster bilden, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung erheblich beeinträchtigen können. Da der Energieeintrag, der in Wärme umgewandelt wird, proportional zur quadrierten Amplitude des elektrischen Feldes ist, führt die ungleichmäßige Feldverteilung direkt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung bzw. Temperaturverteilung während des Erwärmungsprozesses. Dies ist meistens unerwünscht, besonders wenn die Verteilung nichtdeterministisch bzw. nichtkontrollierbar ist, und kann die Qualität des zu bearbeitenden Materials bzw. des Erwärmungsguts erheblich beeinträchtigen.In many applications of microwave heating, the objects to be heated, hereinafter also referred to as load or material to be heated, are located in a closed, electromagnetically isolated (mostly metallic) cavity that is fed by one or more high-frequency electromagnetic radiation sources. One of the main problems with such a configuration is that the multiple reflections of the electromagnetic (EM) waves form standing wave patterns on the walls of the cavity and the surface of the material to be heated, which can significantly affect the uniformity of the heating. Since the energy input, which is converted into heat, is proportional to the squared amplitude of the electric field, the uneven field distribution leads directly to uneven heating or temperature distribution during the heating process. This is mostly undesirable, especially if the distribution is nondeterministic or uncontrollable, and can considerably impair the quality of the material to be processed or the material to be heated.

Stand der TechnikState of the art

Für eine gleichmäßige Erwärmung einer oder mehrerer Objekte in einer Bestrahlungszone, insbesondere einer metallischen, elektromagnetisch isolierten Kavität, sind bisher unterschiedliche Techniken bekannt, von denen im Folgenden einige kurz angeführt werden.For uniform heating of one or more objects in an irradiation zone, in particular a metallic, electromagnetically insulated cavity, different techniques have been known so far, some of which are briefly listed below.

So wird für eine bessere Gleichmäßigkeit der Erwärmung eine Bewegung der Last innerhalb der Kavität, z.B. durch Platzierung auf eine rotierende Platte, eine Nutzung von mechanischen Modenmischern oder auch von beweglichen Antennen vorgeschlagen. Eine der wichtigsten Techniken zur Gleichmäßigkeitsoptimierung stellt die stochastische Mischung oder „Verwirbelung“ der elektromagnetischen Moden innerhalb einer Kavität dar. Dadurch wird versucht, ein über die Zeit statistisch homogenes EM-Feld zu erzeugen. Die Mischung kann durch mechanische Mittel (vgl. z.B. US 7 030 347 B2 ) oder durch Modulation der Frequenz (vgl. z.B. US 5 961 871 A ) und der Phase erfolgen. Mechanische Ansätze haben den Nachteil, dass sie oft auf aufwändiger Hardware basieren, die häufig und intensiv gewartet werden muss. Ferner kann sich solche Hardware nur bedingt, wenn überhaupt, auf unterschiedliche Erwärmungsgüter anpassen. Frequenz- und Phasenmodulationsansätze beheben bis zu einem gewissen Punkt diese Nachteile, haben jedoch oft eine schlechtere Performance als mechanische Ansätze, teilweise wegen des begrenzten Spektrums an Moden, die angeregt werden können. Weiterhin benötigt eine stochastische Modulation der Frequenz und Phase des EM-Feldes ein häufiges Umschalten zwischen einer großen Menge von Anregungsparametern, was hohe Anforderungen an die elektromagnetische Leistungsquelle stellt.Thus, for a better uniformity of the heating, a movement of the load within the cavity, for example by placing it on a rotating plate, the use of mechanical mode mixers or also of movable antennas is proposed. One of the most important techniques for optimizing uniformity is the stochastic mixing or "swirling" of the electromagnetic modes within a cavity. This attempts to generate a statistically homogeneous EM field over time. The mixture can be achieved by mechanical means (cf. US 7 030 347 B2 ) or by modulating the frequency (cf.e.g. U.S. 5,961,871 A ) and the phase. Mechanical approaches have the disadvantage that they are often based on complex hardware that has to be maintained frequently and intensively. Furthermore, such hardware can only adapt to different heating goods to a limited extent, if at all. Frequency and phase modulation approaches overcome these disadvantages to a certain point, but often have poorer performance than mechanical approaches, in part because of the limited range of modes that can be excited. Furthermore, a stochastic modulation of the frequency and phase of the EM field requires frequent switching between a large number of excitation parameters, which places high demands on the electromagnetic power source.

Weiterhin ist die deterministische Berechnung der Moden oder realisierbaren Felder in der beladenen Kavität bekannt, durch deren Überlagerung die Gleichmäßigkeit des daraus resultierenden Feldmusters optimiert werden kann. So beschreibt beispielsweise die US 2013/0186887 A1 ein deterministisches Verfahren, bei dem die Beziehung zwischen Anregungs- oder Betriebsparametern der EM-Quellen und der Leistungsmuster, die sie in der Last hervorrufen, experimentell mittels Infrarotmessungen ermittelt wird. Die für eine derartige Sensorik benötigte Hardware ist jedoch oft sehr aufwändig und teuer. In einigen Fällen ist sie auch mit den Anforderungen an die Nutzungsart nicht vereinbar. Furthermore, the deterministic calculation of the modes or realizable fields in the loaded cavity is known, through the superposition of which the uniformity of the resulting field pattern can be optimized. For example, the US 2013/0186887 A1 a deterministic method in which the relationship between excitation or operating parameters of the EM sources and the power patterns they produce in the load is determined experimentally by means of infrared measurements. However, the hardware required for such a sensor system is often very complex and expensive. In some cases it is also incompatible with the requirements for the type of use.

Schließlich können einige dieser Verfahren nur die Oberflächentemperatur als Maß des EM-Leistungsverbrauchs erfassen, was nicht immer aussagekräftig für voluminöse Objekte ist.Finally, some of these methods can only capture surface temperature as a measure of EM power consumption, which is not always meaningful for bulky objects.

Obige Techniken können zwar zur Verbesserung der Erwärmungsgleichmäßigkeit in einer Mikrowellenkavität führen, haben aber jeweils einige Nachteile bzw. Einschränkungen. Hierzu gehören bspw. das Erfordernis mechanisch beweglicher Teile, die häufig teuer herzustellen und aufwändig zu warten sind oder wegen mechanischen Verschleißes evtl. oft ausgetauscht werden müssen, das Erfordernis aufwändiger Messtechnik für eine deterministische Berechnung, hohe Anforderungen an die Steuerungshardware und den Leistungsverstärker bei Erzeugung einer stochastischen Mischung oder eine nicht optimale Gleichmäßigkeit der Erwärmung.Although the above techniques can improve the heating uniformity in a microwave cavity, they each have some disadvantages or limitations. These include, for example, the need for mechanically moving parts, which are often expensive to manufacture and complex to maintain or may have to be replaced due to mechanical wear, the need for complex measurement technology for a deterministic calculation, high demands on the control hardware and the power amplifier when generating a stochastic mixture or a non-optimal uniformity of heating.

Die EP 3 073 803 A1 beschreibt ein Verfahren zum Garen mit Mikrowellen sowie ein Mikrowellen-Gargerät, mit denen der Wirkungsgrad eines Mikrowellen-Garprozesses durch Minimieren der reflektierten Mikrowellenleistung optimiert wird.the EP 3 073 803 A1 describes a method for cooking with microwaves and a microwave cooking device with which the efficiency of a microwave cooking process is optimized by minimizing the reflected microwave power.

Aus der EP 3 154 314 A1 ist ein Gerät zum Erzeugen gewünschter elektromagnetischer Feldverteilungen zum Heizen eines Objektes in einer Kavität bekannt. Dabei wird z.B. eine Matrix verwendet / ermittelt, welche das räumliche Absorptionsverhalten in der Kavität widerspiegelt. Die Feldverteilung für jeden möglichen Anregungsvektor in der leeren Kavität wird dabei als bekannt vorausgesetzt.From the EP 3 154 314 A1 a device for generating desired electromagnetic field distributions for heating an object in a cavity is known. For example, a matrix is used / determined which reflects the spatial absorption behavior in the cavity. The field distribution for every possible excitation vector in the empty cavity is assumed to be known.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung anzugeben, mit denen die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand optimiert werden kann.The object of the present invention is to provide a method and a device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, with which the uniformity of the heating can be optimized without additional hardware expenditure.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to claims 1 and 8. Advantageous refinements of the method are the subject matter of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Objekt oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone, bspw. in eine metallische, elektromagnetisch isolierte Kavität, eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit N ≥ 2 getrennten HF-Sendekanälen bei einer oder mehreren Frequenzen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Die HF-Sendekanäle umfassen dabei jeweils eine oder mehrere Antennen, über die die Hochfrequenzstrahlung in die Bestrahlungszone eingestrahlt wird. Unter Hochfrequenzstrahlung ist hierbei ein Bereich zwischen 1 kHz und 300 THz zu verstehen. Vorzugsweise wird Hochfrequenzstrahlung im Bereich zwischen 3 MHz und 300 GHz eingesetzt. Vor Beginn des Erwärmungsprozesses werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren entweder Reflexionsmessungen oder es wird wenigstens eine Streuparametermessung durchgeführt, bei denen bzw. der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung mit einer geeigneten Messeinrichtung an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Bei einer Reflexionsmessung werden dabei die reflektierten Leistungen gemessen, die aus der Bestrahlungszone bzw. Kavität an den Einstrahlungstoren zurückreflektiert werden. Bei einer Streuparametermessung werden nicht nur die reflektierte Leistung sondern auch die Phase der zurückgestreuten Hochfrequenzstrahlung und somit die komplexen Streuparameter (S-Parameter) der beladenen Bestrahlungszone gemessen. Diese Messungen können bei niedriger HF-Sendeleistung durchgeführt werden. Aus der wenigstens einen Streuparametermessung bzw. den Reflexionsmessungen werden dann Erwärmungsmatrizen für N unterschiedliche Teilbereiche des Objekts oder der Objektgruppe abgeschätzt, von denen jeder Teilbereich einem der N HF-Sendekanäle zugeordnet ist. Das Verfahren basiert auf der Annahme, dass jede Antenne oder Antennengruppe, die durch einen HF-Sendekanal gespeist wird, hauptsächlich einen anderen Teilbereich des Erwärmungsguts, d. h. des Objekts oder der Objektgruppe, erwärmt als alle anderen von den verbleibenden HF-Sendekanälen gespeisten Antennen und dass die aufgenommene Leistung in diesem Teilbereich mit der reflektierten Leistung an dem jeweiligen HF-Kanal korreliert ist. Durch diese Annahmen lassen sich Erwärmungsmatrizen, auch als Q-Matrizen bezeichnet, für die einzelnen Teilbereiche des Erwärmungsguts aus den durchgeführten Testmessungen, d. h. den Reflexionsmessungen oder der Streuparametermessung, bestimmen. Die Bestimmung dieser Erwärmungsmatrizen setzt eine größere Anzahl von Reflexionsmessungen bei unterschiedlicher Anregung der einzelnen HF-Sendekanäle voraus, wie dies bspw. aus der der DE 10 2016 202 234 B3 bekannt ist. Bei Durchführung einer Streuparametermessung reicht diese eine Messung aus, um aus den daraus ermittelten komplexen Streuparametern bzw. der damit erhaltenen komplexen Streumatrix die Erwärmungsmatrizen berechnen zu können. Mit Hilfe dieser Erwärmungsmatrizen können dann Betriebs- oder Anregungsparameter (Amplitude und Phase) für die HF-Sendekanäle der zur Erwärmung eingesetzten HF-Sendeeinheit für jede für die Bestrahlung ausgewählte Frequenz bestimmt werden, die zu einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem bzw. den Objekten führen. Hierzu wird ein geeignetes Optimierungsverfahren eingesetzt. Die HF-Sendekanäle werden anschließend zur Erwärmung der Objekte bzw. Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebs- bzw. Anregungsparametern betrieben.In the proposed method, an object or a group of objects is introduced into an irradiation zone, e.g. in a metallic, electromagnetically insulated cavity, and irradiated with coherent high-frequency radiation via an HF transmission unit with N ≥ 2 separate HF transmission channels at one or more frequencies. The RF transmission channels each include one or more antennas via which the high-frequency radiation is radiated into the irradiation zone. In this context, high-frequency radiation is understood to mean a range between 1 kHz and 300 THz. High-frequency radiation in the range between 3 MHz and 300 GHz is preferably used. Before the start of the heating process, in the proposed method, either reflection measurements or at least one scattering parameter measurement is carried out, in which or the high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a suitable measuring device at the irradiation locations of the RF transmission channels. In the case of a reflection measurement, the reflected powers are measured, which are reflected back from the irradiation zone or cavity at the irradiation gates. With a scattering parameter measurement, not only the reflected power but also the phase of the backscattered high-frequency radiation and thus the complex scattering parameters (S-parameters) of the loaded irradiation zone are measured. These measurements can be carried out at low RF transmission power. From the at least one scatter parameter measurement or the reflection measurements, heating matrices are then estimated for N different partial areas of the object or the object group, each partial area of which is assigned to one of the N RF transmission channels. The method is based on the assumption that each antenna or antenna group fed by an RF transmission channel mainly heats a different sub-area of the material to be heated, ie the object or the object group, than all other antennas fed by the remaining RF transmission channels and that the power consumed in this sub-range is correlated with the power reflected on the respective RF channel. Using these assumptions, heating matrices, also referred to as Q-matrices, can be determined for the individual partial areas of the material to be heated from the test measurements carried out, ie the reflection measurements or the measurement of scattering parameters. The determination of these heating matrices requires a larger number of reflection measurements with different excitation of the individual RF transmission channels, as is the case, for example, from the DE 10 2016 202 234 B3 is known. When carrying out a scattering parameter measurement, this one measurement is sufficient to be able to calculate the heating matrices from the complex scattering parameters determined therefrom or the complex scattering matrix obtained therewith. With the help of these heating matrices, operating or excitation parameters (amplitude and phase) for the RF transmission channels of the RF transmission unit used for heating can then be determined for each frequency selected for the irradiation, which lead to the most uniform possible heat distribution in the object (s) . A suitable optimization process is used for this. The RF transmission channels are then operated to heat the objects or group of objects with the operating or excitation parameters determined from the heating matrices.

Vorzugsweise werden für jede der ausgewählten Frequenzen auf Basis der Erwärmungsmatrizen mehrere Anregungsparametersätze bzw. Anregungsvektoren bestimmt, die während des Erwärmungsprozesses zeitlich nacheinander verwendet werden, um ein Modenmischen durchzuführen. Die Anregung der HF-Sendekanäle mit diesen unterschiedlichen Anregungsvektoren erfolgt dann vorzugsweise in der Form eines periodischen Zeitschlitzverfahrens, bei dem für jeden Zeitschlitz andere Anregungsparameter verwendet werden. Dies wird im Rahmen der Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.A plurality of sets of excitation parameters or excitation vectors are preferably determined for each of the selected frequencies on the basis of the heating matrices, which are used one after the other during the heating process in order to carry out mode mixing. The excitation of the RF transmission channels with these different excitation vectors then preferably takes place in the form of a periodic time slot method in which different excitation parameters are used for each time slot. This is explained in more detail in the context of the exemplary embodiments.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Verbesserung bzw. Optimierung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung eines verlustbehafteten dielektrischen Erwärmungsguts mittels Einstrahlung von Hochfrequenzstrahlung. Um die Umgebung vor unerwünschter elektromagnetischer Strahlung zu schützen und die elektromagnetische Leistung effizient auf die Erwärmungslast zu konzentrieren, findet der Erwärmungsprozess häufig in einer geschlossenen elektromagnetisch isolierten Kavität statt. Dadurch können sich jedoch stehende Wellen innerhalb der Kavität und der Last bilden, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung stören. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich dennoch eine hohe Gleichmäßigkeit der Erwärmung realisieren. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung benötigen keine mechanisch beweglichen Teile, die in der Regel teuer herzustellen sind, aufwändig zu warten sind oder auch häufig ausgetauscht werden müssen. Das Verfahren benötigt kein stochastisches Modenrauschen, so dass der in der HF-Sendeeinheit einzusetzende Hochleistungsverstärker nicht so oft zwischen unterschiedlichen Anregungsparametern schalten muss. Das Verfahren erfordert keinerlei Messungen des physikalischen Zustands der Last oder des Inneren der Kavität bzw. der Bestrahlungszone, da die für das Verfahren benötigten physikalischen Größen (reflektierte Leistungen oder S-Parameter) an den Einlässen der Bestrahlungszone, an denen die Hochfrequenzleistung eingespeist wird, gemessen werden können. Somit erübrigt sich der Einsatz teurer, aufwändiger und komplizierter Sensorik im Inneren der Bestrahlungszone.The proposed method enables an improvement or optimization of the uniformity of the heating of a lossy dielectric material to be heated by means of radiation of high-frequency radiation. In order to protect the environment from undesired electromagnetic radiation and to concentrate the electromagnetic power efficiently on the heating load, the heating process often takes place in a closed, electromagnetically isolated cavity. However, this can cause standing waves to form within the cavity and the load, which disrupt the uniformity of heating. With the proposed method, however, a high degree of uniformity in the heating can be achieved. The proposed method and the associated device do not require any mechanically moving parts, which are usually expensive to manufacture, are complex to maintain or also have to be replaced frequently. The method does not require any stochastic mode noise, so that the high-power amplifier to be used in the RF transmission unit does not have to switch between different excitation parameters as often. The process does not require any measurements of the physical state of the load or the interior of the cavity or the irradiation zone, since the physical quantities required for the process (reflected powers or S-parameters) are measured at the inlets of the irradiation zone at which the high-frequency power is fed can be. The use of expensive, time-consuming and complicated sensors in the interior of the irradiation zone is thus unnecessary.

Das vorgeschlagene Verfahren setzt eine Bestrahlungszone für die hochfrequente Strahlung bzw. Energie voraus, worin sich das Erwärmungsgut befindet, und einen Leistungsverstärker mit HF-Quelle, der elektromagnetische Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich an mehreren (N ≥ 2) Kanälen bzw. Ausgängen erzeugen kann. Diese Bestrahlungszone kann eine voll oder teilweise elektromagnetisch isolierte Kavität sein (bspw. eine Kavität, deren Wände aus Metall gefertigt sind), oder eine offene bzw. teilweise offene Region, innerhalb derer die meiste HF-Strahlung und Leistung konzentriert ist. Die Schwingungen des Leistungsverstärkers müssen kohärent erzeugbar sein können, d.h. sie müssen dieselbe Frequenz und eine konstante Phasendifferenz haben können. Die Frequenz, Amplitude und Phase der Schwingungen muss vom Verstärker einstellbar und kontrollierbar sein. Der Verstärker speist die Bestrahlungszone, in der sich das Erwärmungsgut befindet, über die HF-Sendekanäle mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung an N Einlässen bzw. Einstrahlungsorten ein. Dementsprechend verfügt der Verstärker über N Kanäle. An jedem Einlass sind eine oder mehrere Antennen als Teil des jeweiligen HF-Sendekanals angeordnet, die in die Bestrahlungszone strahlen. Ferner ist entweder eine Messeinrichtung vorhanden, die die reflektierte Leistung der mit dem Erwärmungsgut beladenen Bestrahlungszone an den N ≥ 2 Einstrahlungsorten innerhalb der Frequenzbandbreite des Verstärkers messen kann, oder eine Messeinrichtung, die die Streuparameter (S-Matrix) der mit dem Erwärmungsgut beladenen Bestrahlungszone an den N ≥ 2 Einstrahlungsorten innerhalb der Frequenzbandbreite des Verstärkers messen kann.The proposed method requires an irradiation zone for the high-frequency radiation or energy, in which the material to be heated is located, and a power amplifier with an HF source that can generate electromagnetic oscillations in a certain frequency range at several (N ≥ 2) channels or outputs. This irradiation zone can be a fully or partially electromagnetically isolated cavity (e.g. a cavity whose walls are made of metal), or an open or partially open region within which most of the RF radiation and power is concentrated. The oscillations of the power amplifier must be able to be generated coherently, i.e. they must be able to have the same frequency and a constant phase difference. The frequency, amplitude and phase of the vibrations must be adjustable and controllable by the amplifier. The amplifier feeds the irradiation zone in which the material to be heated is located via the HF transmission channels with high-frequency electromagnetic radiation at N inlets or irradiation locations. Accordingly, the amplifier has N channels. One or more antennas, which radiate into the irradiation zone, are arranged at each inlet as part of the respective RF transmission channel. Furthermore, there is either a measuring device that can measure the reflected power of the irradiation zone loaded with the material to be heated at the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier, or a measuring device that displays the scatter parameters (S matrix) of the irradiation zone loaded with the material to be heated can measure the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier.

Entsprechend weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine HF-Sendeeinheit mit HF-Quelle und Leistungsverstärker und wenigstens zwei HF-Sendekanälen auf, über die in die Bestrahlungszone eingebrachte Objekte mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind. Die Vorrichtung verfügt auch über eine Messeinrichtung, mit der an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone entweder Reflexionsmessungen von aus der beladenen Bestrahlungszone rückgestreuter Hochfrequenzstrahlung oder eine Messung der komplexen Streuparameter der beladenen Bestrahlungszone durchgeführt werden können. Die HF-Sendekanäle können über eine oder auch über mehrere Sendeantennen verfügen. Die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit und der Messeinrichtung erfolgt über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens entsprechend einer oder mehrerer, der in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen Verfahrensausgestaltungen ausgebildet ist.Correspondingly, the device for carrying out the method has an RF transmission unit with an RF source and power amplifier and at least two RF transmission channels, via which objects introduced into the irradiation zone can be irradiated with coherent high-frequency radiation. The device also has a measuring device with which either reflection measurements of high-frequency radiation backscattered from the loaded irradiation zone or a measurement of the complex scatter parameters of the loaded irradiation zone can be carried out at the irradiation locations of the RF transmission channels in the irradiation zone. The RF transmission channels can have one or more transmission antennas. The RF transmission unit and the measuring device are controlled via a control and evaluation device which is designed to carry out the method in accordance with one or more of the method configurations described in the present patent application.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Erwärmung mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung in zeitlicher Abfolge bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzstrahlung, wobei dieser Zyklus der sequenziellen Frequenzanregung auch beliebig oft wiederholt werden kann. In diesem Fall werden auch die Reflexionsmessungen bzw. die Streuparametermessung bei jeder dieser unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt. Dadurch werden die Erwärmungsmatrizen ebenfalls für die unterschiedlichen Frequenzen innerhalb des Betriebsspektrums der Signalquelle bzw. des Leistungsverstärkers der Vorrichtung ermittelt. Die Optimierung der Gleichmäßigkeit kann somit bei mehreren Frequenzen erfolgen. Die Anregung der HF-Sendekanäle kann bei allen genutzten Frequenzen dann mit den jeweils optimierten Anregungsparametern, bei mehreren Anregungsparametersätzen jeweils zeitlich nacheinander, erfolgen. Es ist zusätzlich möglich, die Anregung(en) bei jeder einzelnen Frequenz separat zu gewichten, entweder durch unterschiedliche Leistungseinträge oder durch unterschiedliche Verweildauer bei der jeweiligen Frequenz. Durch diese Gewichtung kann die Gleichmäßigkeit der Erwärmung weiter verbessert werden. Die Gewichtung wird dabei vorzugsweise ebenfalls durch ein geeignetes Optimierungsverfahren ermittelt.In an advantageous embodiment of the method, the heating is carried out with coherent high-frequency radiation in a time sequence at several different frequencies of the high-frequency radiation, this cycle of the sequential frequency excitation also being able to be repeated as often as desired. In this case, the reflection measurements or the scattering parameter measurement are also used for each of these carried out at different frequencies. As a result, the heating matrices are also determined for the different frequencies within the operating spectrum of the signal source or the power amplifier of the device. The uniformity can thus be optimized at several frequencies. The excitation of the RF transmission channels can then take place at all frequencies used with the respectively optimized excitation parameters, with several sets of excitation parameters in each case one after the other. It is also possible to weight the excitation (s) separately for each individual frequency, either through different power inputs or through different dwell times at the respective frequency. This weighting can further improve the uniformity of the heating. The weighting is preferably also determined by a suitable optimization method.

Nachdem alle Frequenzen abgearbeitet wurden, kann sich der Zyklus der Anregung bei unterschiedlichen Frequenzen beliebig oft wiederholen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann während des Erwärmungsprozesses die Bestimmung der Erwärmungsmatrizen durch erneute Reflexionsmessungen oder Streuparametermessung ein- oder mehrmals wiederholt werden, um die Anregungsparameter jeweils an die zeitlich variablen Bestrahlungszonen- und Lastparameter - und potentiell auch an die Bedürfnisse des zeitlichen Erwärmungsprofils - anzupassen.After all frequencies have been processed, the cycle of excitation can be repeated as often as desired at different frequencies. In one embodiment of the method, the determination of the heating matrices by renewed reflection measurements or scatter parameter measurements can be repeated one or more times during the heating process in order to adapt the excitation parameters to the time-variable irradiation zone and load parameters - and potentially also to the needs of the time-based heating profile.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können in Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen Objekte oder Objektgruppen durch Hochfrequenzstrahlung gleichmäßig erhitzt werden sollen. Ein Beispiel ist die Anwendung in Mikrowellen- oder Kombiöfen für das Garen, Zubereiten, Auftauen von Lebensmitteln in Großküchen und der Gastronomie. Diese Öfen müssen das Erwärmungsgut gleichmäßig und effizient erwärmen, unter anderen um die hygienischen Vorschriften einzuhalten, die Eigenschaften der einzelnen Zutaten besser zu berücksichtigen, den Nahrungswert der Lebensmittel besser zu erhalten, den Garprozess zu beschleunigen. Ein weiteres Beispiel betrifft die Anwendung in der Industrie, insbesondere bei der Lebensmittelverarbeitung (z.B. Pasteurisierung, Trocknungsprozesse usw.), in der Chemietechnik (z.B. mikrowellenassistierte Synthese und Verarbeitung von chemischen Substanzen, Zubereitungsverfahren für pharmazeutische Produkte) oder in der Materialverarbeitung (z.B. Polymerisation, Erhitzung von Flüssig- und Festkörpern, unter anderem in der Keramik- und Stahlindustrie, Sinterung). Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht auch in der Medizintechnik, beispielsweise zur gleichmäßigen Erwärmung von Geweben, zum Auftauen von gefrorenen Blutvorräten oder Transplantationsorganen.The proposed method and the associated device can be used in areas of application in which objects or groups of objects are to be heated uniformly by high-frequency radiation. One example is the use in microwave or combination ovens for cooking, preparing and defrosting food in large kitchens and restaurants. These ovens have to heat the food evenly and efficiently, among other things in order to comply with the hygienic regulations, to take better account of the properties of the individual ingredients, to better preserve the nutritional value of the food, to accelerate the cooking process. Another example relates to the application in industry, especially in food processing (e.g. pasteurization, drying processes, etc.), in chemical engineering (e.g. microwave-assisted synthesis and processing of chemical substances, preparation processes for pharmaceutical products) or in material processing (e.g. polymerization, heating of liquids and solids, including in the ceramic and steel industry, sintering). Another possible use is in medical technology, for example for uniform heating of tissues, for thawing frozen blood supplies or transplant organs.

FigurenlisteFigure list

Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Vorrichtung für die Erwärmung eines oder mehrerer Objekte;
  • 2 ein Beispiel für die periodische Anwendung der Betriebsparameter bzw. Anregungsvektoren bei unterschiedlichen Frequenzen gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; und
  • 3 eine beispielhafte Unterteilung eines dielektrischen Objekts in drei fiktive Bereiche, je nach Einfluss der Antennen der in diesem Fall drei HF-Sendekanäle.
The proposed method and the associated device are described again in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 1 a schematic representation of an example of the proposed device for heating one or more objects;
  • 2 an example of the periodic application of the operating parameters or excitation vectors at different frequencies according to the proposed method; and
  • 3 an exemplary subdivision of a dielectric object into three fictitious areas, depending on the influence of the antennas of the three RF transmission channels in this case.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine beispielhaft ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist in diesem Beispiel folgende Bestandteile auf:

  • • Eine Bestrahlungszone in Form einer elektromagnetisch isolierten Kavität 1.
  • • Einen kohärenten hochfrequenten Leistungsverstärker 4 mit HF-Quelle, der N ≥ 2 separate elektromagnetische Schwingungen auf N (also gleich vielen) Kanälen gleichzeitig generieren kann, deren Frequenzen, Amplituden und relative Phasendifferenzen durch den Nutzer oder eine selbstständige Steuerungssoftware innerhalb bekannter Toleranzen festgelegt bzw. variiert werden können. Die Frequenzen der Ausgangssignale des Leistungsverstärkers 4 müssen nicht zwangsläufig dieselbe Frequenz haben. Es muss jedoch die Möglichkeit bestehen, einige oder alle Ausgangssignale kohärent zu generieren, d.h. bei exakt derselben stabilen Frequenz und mit fester relativer Phasendifferenz zueinander.
  • • Zwei oder mehr Antennen 2, die hochfrequente elektromagnetische Strahlung in die Kavität 1 einspeisen können und durch die HF-Sendekanäle der Vorrichtung gespeist werden. An jedem Kanal des Leistungsverstärkers 4 können hierzu eine oder mehrere Antennen angeschlossen sein, auch wenn in 1 beispielhaft nur eine Antenne pro Kanal angezeigt wird.
  • Einer Messeinrichtung 5, die entweder
    • - die komplexen Streuparameter bzw. Streumatrizen mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor und/oder während dem Erwärmungsprozess messen kann, oder
    • - die reflektierte Leistung, die an jedem Verstärkerkanal ankommt, mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor oder während dem Erwärmungsprozess messen kann. Diese Messeinrichtung kann entweder in die oben genannte Signalquelle eingebaut oder separat davon angeordnet sein.
  • • Einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinrichtung 9 die an vier Datenströmen angebunden ist: einen benutzerdefinierten Eingangsdatenstrom 7, einen Befehlsdatenstrom 8, einen Rückmeldungsstrom 6 aus dem Hochleistungsverstärker 4 und (optional) einen Rückmeldungsstrom 10 aus der Kavität 1. Datenstrom 6 kann unter anderem Daten entweder der S-Parametermessungen oder der Leistungsreflexionsmessungen aus Messeinrichtung 5 enthalten. Datenstrom 7 enthält Anweisungen vom Benutzer (beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Leistungspegel, Dauer der Erwärmung, Frequenzauflösung, Anzahl der Zyklen, Erwärmungsprofil usw.). Datenstrom 8 der
A device embodied by way of example for carrying out the proposed method is shown in FIG 1 shown schematically. In this example, the device has the following components:
  • • An irradiation zone in the form of an electromagnetically isolated cavity 1 .
  • • A coherent high frequency power amplifier 4th with HF source, which can generate N ≥ 2 separate electromagnetic oscillations on N (i.e. the same number) channels at the same time, the frequencies, amplitudes and relative phase differences of which can be defined or varied by the user or independent control software within known tolerances. The frequencies of the output signals from the power amplifier 4th do not necessarily have to have the same frequency. However, it must be possible to generate some or all of the output signals coherently, ie at exactly the same stable frequency and with a fixed relative phase difference to one another.
  • • Two or more antennas 2 , the high-frequency electromagnetic radiation into the cavity 1 can feed and are fed through the RF transmission channels of the device. On each channel of the power amplifier 4th one or more antennas can be connected for this purpose, even if in 1 for example only one antenna per channel is displayed.
  • • A measuring device 5 that either
    • - can measure the complex scatter parameters or scatter matrices with predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary times before and / or during the heating process, or
    • - can measure the reflected power arriving at each amplifier channel with a predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary times before or during the heating process. This measuring device can either be built into the above-mentioned signal source or arranged separately from it.
  • • An electronic control and evaluation device 9 which is connected to four data streams: a user-defined input data stream 7th , a command stream 8th , a feedback stream 6th from the high-performance amplifier 4th and (optionally) a feedback stream 10 out of the cavity 1 . Data stream 6th can include data from either the S-parameter measurements or the power reflection measurements from the measuring device 5 contain. Data stream 7th contains instructions from the user (for example, but not limited to, power level, duration of heating, frequency resolution, number of cycles, heating profile, etc.). Data stream 8th the

Steuer- und Auswerteeinheit beinhaltet die Anregungsparameter für die unterschiedlichen Kanäle des Verstärkers (u.a. Frequenz, Amplitude, Phasendifferenz, Dauer des Signals). Datenstrom 10 kann Sensordaten aus der Kavität 1 und/oder dem Erwärmungsgut enthalten (z.B. Temperatur, Feuchtegrad usw.), falls solche Sensoren vorhanden sind. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 9 beinhaltet Software, die unterschiedliche mathematische Verfahren A und B zur Bestimmung der Erwärmungsmatrizen und Bestimmung der Betriebs- bzw. Anregungsparameter ausführt. Das Verfahren A bestimmt anhand der S-Parametermessung oder der Messung der reflektierten Leistungen die Erwärmungsmatrizen, im Folgenden auch als Q-Matrizen bezeichnet, für eine Anzahl von Teilbereichen des Erwärmungsguts, die gleich der Anzahl der Kanäle des Systems ist. Das Verfahren B bestimmt anhand der Q-Matrizen, die mit Verfahren A berechnet wurden, für jede Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite der HF-Quelle einen Satz von Antennenanregungsparametern bzw. Betriebsparametern, der die konsumierten Leistungen der genannten Teilbereiche des Erwärmungsguts ausgleicht. Optional kann die Software auch ein weiteres mathematisches Verfahren C ausführen, das anhand der Ergebnisse von Verfahren B die passenden Gewichte für jede Frequenz bestimmen kann, um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung des Erwärmungsguts weiterhin zu verbessern. Die Steuer- und Auswerteeinheit 9 ist ein zentrales Element in einer Feedbackschleife, die den Erwärmungsprozess kontinuierlich überwacht und steuert.Control and evaluation unit contains the excitation parameters for the different channels of the amplifier (including frequency, amplitude, phase difference, duration of the signal). Data stream 10 can take sensor data from the cavity 1 and / or the material to be heated (e.g. temperature, humidity level, etc.), if such sensors are present. The control and evaluation device 9 contains software that carries out different mathematical processes A and B for determining the heating matrices and determining the operating and excitation parameters. Method A uses the S parameter measurement or the measurement of the reflected powers to determine the heating matrices, also referred to below as Q matrices, for a number of partial areas of the material to be heated, which is equal to the number of channels in the system. Method B uses the Q matrices that were calculated with method A to determine a set of antenna excitation parameters or operating parameters for each frequency within the operating bandwidth of the RF source, which compensates for the consumed power of the named sub-areas of the material to be heated. Optionally, the software can also execute a further mathematical method C, which can use the results of method B to determine the appropriate weights for each frequency in order to further improve the uniformity of the heating of the material to be heated. The control and evaluation unit 9 is a central element in a feedback loop that continuously monitors and controls the heating process.

In 1 ist auch eine Last bzw. Erwärmungsgut 3 zu erkennen, das in die Kavität 1 eingebracht wurde und aus einem oder mehreren dielektrischen Objekten bestehen kann.In 1 is also a load or good to be heated 3 to see that in the cavity 1 was introduced and can consist of one or more dielectric objects.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zur möglichst gleichmäßigen Erwärmung eines oder mehrerer Objekte innerhalb der Kavität näher beschrieben. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte:

  1. 1. Bestimmung der Erwärmungsmatrizen für N Teilbereiche des Erwärmungsguts mithilfe eines semi-empirischen Verfahrens A, wobei N der Anzahl der Sendekanäle entspricht.
  2. 2. Bestimmung der Anregungsparameter der Kanäle (Amplituden und Phasen), auch als Anregungsvektoren bezeichnet, bei jeder einzelnen der Frequenzen ƒn, n = 1,2,...,Nƒ, die vom Benutzer oder vom System innerhalb der Betriebsbandbreite ausgewählt wurden, mithilfe eines mathematischen Verfahrens B.
  3. 3. (Optional) Bestimmung von Gewichten, mit denen die Anregungsparameter und/oder Bestrahlungszeitdauern der oben ausgewählten Frequenzen gewichtet werden müssen, mithilfe eines mathematischen Verfahrens C.
  4. 4. Anwendung der Anregungsparameter, die in Schritten 2 und 3 bestimmt wurden, und Wiederholung der Anwendung für eine Anzahl von Erwärmungszyklen, die vom Benutzer oder automatisch vom System bestimmt werden kann. Das System (die Steuer- und Auswerteeinheit 9) kann diese Anzahl entweder einmal am Anfang des Erwärmungsprozesses bestimmen, oder adaptiv, je nach Zustand des Erwärmungsgutes, anpassen.
  5. 5. (Optional) Wiederholung der Schritte 1 bis 4, um die Anregungsparameter an potentiell veränderte Bedingungen der Last 3 anzupassen.
A preferred embodiment of the method for heating one or more objects within the cavity as uniformly as possible is described in more detail below. The procedure comprises the following steps:
  1. 1. Determination of the heating matrices for N partial areas of the material to be heated using a semi-empirical method A, where N corresponds to the number of transmission channels.
  2. 2. Determination of the excitation parameters of the channels (amplitudes and phases), also known as excitation vectors, at each of the frequencies ƒ n , n = 1,2, ..., N ƒ selected by the user or the system within the operating bandwidth , using a mathematical procedure B.
  3. 3. (Optional) Determination of weights with which the excitation parameters and / or irradiation times of the frequencies selected above must be weighted using a mathematical method C.
  4. 4. Apply the excitation parameters determined in steps 2 and 3 and repeat the application for a number of heating cycles that can be determined by the user or automatically by the system. The system (the control and evaluation unit 9 ) this number can either be once Determine at the beginning of the heating process or adaptively, depending on the condition of the material to be heated.
  5. 5. (Optional) Repeat steps 1 to 4 to adjust the excitation parameters to potentially changed conditions of the load 3 adapt.

Schritte 1 bis 3 stellen einen Testprozess dar (Erkennungsphase), bei dem das System durch gezielte Messungen und numerische Berechnungen die Kopplung der EM-Leistung mit dem Erwärmungsgut erkundet und die Anregungsparameter an diese Kopplung optimal anpasst. Deswegen können diese Schritte bei einer niedrigen Eingangsleistung stattfinden. Schritt 4 stellt den eigentlichen Erwärmungsprozess dar, bei dem der Pegel der HF Leistung den Bedürfnissen der vom Benutzer gestellten Anforderungen an die Erwärmung des Erwärmungsguts angepasst wird. Dieser Schritt erfolgt vorzugsweise in der Form eines periodischen Zeitschlitzverfahrens, bei dem für jeden Zeitschlitz andere Anregungsparameter verwendet werden. Das Zeitschlitzverfahren wird schematisch und beispielhaft in 2 für den Fall von drei Frequenzen und vier Kanälen dargestellt. Demnach besteht es aus folgenden drei ineinander geschachtelten Zeitschleifen:

  1. 1. Für n = 1 bis Nf
    1. a. Verweile bei Frequenz ƒn für tn Sekunden.
    2. b. Für j = 1 bis N
      1. i. Betreibe Leistungsverstärker 4 kohärent mit Anregungsvektor a j n
        Figure DE102019210266B4_0001
        für τnj Sekunden.
      2. ii. Gehe zu Schritt b.
    3. c. Gehe zu Schritt a.
  2. 2. Wiederhole Schritt 1 bis der Erwärmungsprozess beendet ist.
Steps 1 to 3 represent a test process (detection phase) in which the system uses targeted measurements and numerical calculations to explore the coupling of the EM power with the material being heated and optimally adapts the excitation parameters to this coupling. Therefore, these steps can take place at a low input power. Step 4 represents the actual heating process, in which the level of the HF power is adapted to the needs of the requirements made by the user for the heating of the material to be heated. This step is preferably carried out in the form of a periodic time slot method in which different excitation parameters are used for each time slot. The time slot method is shown schematically and by way of example in 2 for the case of three frequencies and four channels. Accordingly, it consists of the following three nested time loops:
  1. 1. For n = 1 to N f
    1. a. Dwell at frequency ƒ n for t n seconds.
    2. b. For j = 1 to N
      1. i. Operate power amplifiers 4th coherent with excitation vector a j n
        Figure DE102019210266B4_0001
        for τ nj seconds.
      2. ii. Go to step b.
    3. c. Go to step a.
  2. 2. Repeat step 1 until the heating process is finished.

Im Folgenden werden die drei Verfahren (A, B und C) beschrieben, mithilfe derer die Anregungsparameter der HF-Sendekanäle bestimmt werden.The following describes the three methods (A, B and C) with which the excitation parameters of the RF transmission channels are determined.

Bei dem Verfahren A handelt es sich um ein semi-empirisches Verfahren, das auf demselben Prinzip wie das Verfahren der DE 10 2016 202 234 B3 basiert.Method A is a semi-empirical method that is based on the same principle as the method of DE 10 2016 202 234 B3 based.

Wenn jeder Kanal einzeln angeregt wird, erzeugt die Ausstrahlung der Antenne bzw. Antennen, die daran angeschlossen sind, ein Leistungsmuster innerhalb des Erwärmungsguts. Das Leistungsmuster, das von Kanal k alleine angeregt wird, ist p k 0 ( r ) ,

Figure DE102019210266B4_0002
wobei r den Ortsvektor innerhalb des Erwärmungsguts darstellt. Man definiere den „Hauptbereich“ Bk des Kanals k als die Ortsmenge innerhalb des Erwärmungsguts G, wobei der Leistungspegel von p k 0 ( r )
Figure DE102019210266B4_0003
höher als der Leistungspegel aller übrigen Leistungsmuster ist: B k = { r G : p k 0 ( r ) p l 0 ( r ) , l k }
Figure DE102019210266B4_0004
When each channel is excited individually, the radiation from the antenna or antennas connected to it creates a power pattern within the material to be heated. The power pattern excited by channel k alone is p k 0 ( r ) ,
Figure DE102019210266B4_0002
where r represents the position vector within the material to be heated. Define the “main area” B k of the channel k as the local amount within the material to be heated G, where the power level of p k 0 ( r )
Figure DE102019210266B4_0003
is higher than the performance level of all other performance patterns: B. k = { r G : p k 0 ( r ) p l 0 ( r ) , l k }
Figure DE102019210266B4_0004

Diese Bereiche Bk bilden eine natürliche Unterteilung des Erwärmungsgutes in N separate, sich nicht überschneidende Ortsmengen, wobei N der Anzahl der Kanäle entspricht. Eine derartige Unterteilung ist beispielhaft für den Fall N = 3 in 3 dargestellt.These areas B k form a natural subdivision of the material to be heated into N separate, non-overlapping local quantities, where N corresponds to the number of channels. Such a subdivision is exemplary for the case N = 3 in 3 shown.

Die Gesamtleistung im Bereich Bk, wenn alle Antennen (oder ein Teil davon) angeregt werden, ist durch folgende Formel gegeben: p k = a H Q k a

Figure DE102019210266B4_0005
wobei a = [a1 a2 ... aN] der komplexe Anregungsvektor der Kanäle ist. Damit ist die Leistung, mit der Kanal k angeregt wird, |ak|2 und die Phase arg ak = arctan(Im{ak}/Re{ak}). Qk ist eine quadratische N × N Matrix, auch Erwärmungsmatrix oder Q-Matrix des Bereichs Bk genannt, und ihre Elemente sind durch folgende Formel gegeben: q i j k = 1 2 B k σ ( r ) E i ( r ) E j ( r ) d V
Figure DE102019210266B4_0006
wobei Ek(r) das elektrische Feld, das von Kanal k erzeugt wird, und σ(r) die äquivalente elektrische Leitfähigkeit im Erwärmungsgut ist.The total power in the range B k when all antennas (or a part of them) are excited is given by the following formula: p k = a H Q k a
Figure DE102019210266B4_0005
where a = [a 1 a 2 ... a N ] is the complex excitation vector of the channels. This means that the power with which channel k is excited is | a k | 2 and the phase arg a k = arctan (Im {a k } / Re {a k }). Q k is a square N × N matrix, also called the heating matrix or Q matrix of the area B k , and its elements are given by the following formula: q i j k = 1 2 B. k σ ( r ) E. i ( r ) E. j ( r ) d V
Figure DE102019210266B4_0006
where E k (r) is the electric field generated by channel k and σ (r) is the equivalent electrical conductivity in the material to be heated.

Ziel des Verfahrens A ist, die Q-Matrizen jedes Teilbereichs Bk zu finden. Dies kann durch „Befragung“ des Systems über gezielte Anregungen geschehen. Da es sich bei Qk um eine N × N hermitesche Matrix handelt, gibt es N2 reelle Unbekannte, die bestimmt werden müssen. Deswegen muss das System N2 Mal „befragt“ werden, d.h. es müssen N2 unterschiedliche Anregungen auf die Kanäle angewandt werden und die entsprechenden Leistungen innerhalb der Teilbereiche Bk gemessen oder abgeschätzt werden. Dann kann anhand der Gleichung pk = aHQka ein N2 × N2 lineares Gleichungssystem aufgestellt werden, dessen Lösung die Elemente der Matrix Qk ist. Die erforderlichen Anregungen werden beispielsweise ausführlich in der DE 10 2016 202 234 B3 (Absätze [0039] bis [0041]) beschrieben.The aim of method A is to find the Q-matrices of each sub-area B k. This can be done by “questioning” the system using targeted suggestions. Since Q k is an N × N Hermitian matrix, there are N 2 real unknowns that need to be determined. Therefore the system has to be “questioned” N 2 times, ie N 2 different stimuli have to be applied to the channels and the corresponding powers within the sub-areas B k have to be measured or estimated. Then, using the equation p k = a H Q k a, an N 2 × N 2 linear system of equations can be set up, the solution of which is the elements of the matrix Q k . The necessary suggestions are detailed, for example, in the DE 10 2016 202 234 B3 (Paragraphs [0039] to [0041]).

Jetzt wird eine Methode beschrieben, anhand derer man die Leistung pk im Teilbereich Bk für eine beliebige Anregung der Kanäle abschätzen kann. Der Kern des Konzepts ist, die konsumierte Leistung im Teilbereich Bk mit der Leistung rk, die an den k-ten Kanal zurückreflektiert wird, zu korrelieren. Diese reflektierte Leistung kann entweder direkt durch die Messeinrichtung 5 gemessen oder indirekt durch Formel r k = | j S k j n a j | 2

Figure DE102019210266B4_0007
bestimmt werden, wobei S n = [ S k j n ]
Figure DE102019210266B4_0008
die komplexe Streumatrix des Garraums bei der angeregten Frequenz ƒn und aj die komplexe Anregungsamplitude von Antenne j darstellen. Letztere indirekte Bestimmung erfordert, dass die Messeinrichtung 5 in der Lage ist, die komplexe Streumatrix des Garraums bei den Frequenzen zu messen, die von der Signalquelle 4 erzeugt werden können.A method is now described by means of which one can estimate the power p k in the sub-range B k for any excitation of the channels. The core of the concept is to correlate the power consumed in the sub-range B k with the power r k that is reflected back to the k-th channel. This reflected power can either be done directly by the measuring device 5 measured or indirectly by formula r k = | j S. k j n a j | 2
Figure DE102019210266B4_0007
be determined, where S. n = [ S. k j n ]
Figure DE102019210266B4_0008
the complex scatter matrix of the cooking chamber at the excited frequency ƒ n and a j represent the complex excitation amplitude of antenna j. The latter indirect determination requires that the measuring device 5 is able to measure the complex scattering matrix of the cooking chamber at the frequencies used by the signal source 4th can be generated.

Die einfallende Leistung auf einen Teilbereich Bk sei ek. Wenn die Gesamtleistung, die in alle Kanäle eingespeist wird, auf 1 Watt normiert ist, folgt k e k = 1

Figure DE102019210266B4_0009
Die reflektierte Leistung, die vom Bereich Bk an einen Kanal zurückkehrt, ist proportional zur einfallenden Leistung auf diesen Bereich. Daher ist rk = cek, wobei c ein positiver Reflexionskoeffizient ist. Diese Gleichung beinhaltet die zwei einzigen Vereinfachungen bzw. Annahmen des Verfahrens, dass

  1. (a) der Reflexionskoeffizient für alle Teilbereiche gleich ist
  2. (b) die reflektierte Leistung am k-ten Kanal nur aus Teilbereich Bk hervorgeht.
Annahme (a) ignoriert die möglichen materiellen Unterschiede zwischen den Teilbereichen und den Einfallsrichtungen der Strahlung auf die jeweiligen Teilbereiche (beides beeinflusst in der Praxis den Reflexionskoeffizienten). Annahme (b) ignoriert die Tatsache, dass die reflektierte Leistung am k-ten Kanal die Überlagerung der Reflexionen aus allen Teilbereichen ist. Stattdessen wird angenommen, dass die Reflexion aus dem Teilbereich Bk den Hauptanteil der reflektierten Leistung am k -ten Kanal ausmacht und dass die Reflexionsbeiträge aus den restlichen Teilbereichen vernachlässigbar sind.Let the incident power on a sub-area B k be e k . If the total power that is fed into all channels is normalized to 1 watt, then follows k e k = 1
Figure DE102019210266B4_0009
The reflected power returning to a channel from area B k is proportional to the power incident on that area. Hence r k = ce k , where c is a positive reflection coefficient. This equation contains the only two simplifications or assumptions of the method that
  1. (a) the reflection coefficient is the same for all sub-areas
  2. (b) the reflected power on the kth channel can only be derived from sub-area B k .
Assumption (a) ignores the possible material differences between the sub-areas and the directions of incidence of the radiation on the respective sub-areas (both influence the reflection coefficient in practice). Assumption (b) ignores the fact that the reflected power on the kth channel is the superposition of the reflections from all partial areas. Instead, it is assumed that the reflection from sub-area B k makes up the main portion of the reflected power on the k th channel and that the reflection contributions from the remaining sub-areas are negligible.

Addiert man alle Gleichungen der Form rk = cek auf, dann erhält man eine Formel für den Reflexionskoeffizienten c, denn k r k = c k e k = c .

Figure DE102019210266B4_0010
Wenn man also die gesamtreflektierte Leistung k r k
Figure DE102019210266B4_0011
als rtot bezeichnet, hat man c = rtot.If one adds up all equations of the form r k = cek, one obtains a formula for the reflection coefficient c, because k r k = c k e k = c .
Figure DE102019210266B4_0010
So if you consider the overall performance k r k
Figure DE102019210266B4_0011
referred to as r dead , one has c = r dead .

Die konsumierte Leistung im k -ten Teilbereich ist die Differenz zwischen der einfallenden und der reflektierten Leistung, d.h. p k = e k r k = ( 1 c 1 ) r k = 1 r t o t r t o t r k

Figure DE102019210266B4_0012
The power consumed in the k -th sub-range is the difference between the incident and the reflected power, ie p k = e k - r k = ( 1 c - 1 ) r k = 1 - r t O t r t O t r k
Figure DE102019210266B4_0012

Durch obige Formel lassen sich die konsumierten Leistungen für jeden Teilbereich Bk und beliebige Anregungen durch die Messung (direkt oder indirekt) der reflektierten Leistungen an allen Kanälen abschätzen.The above formula can be used to estimate the consumed power for each sub-area B k and any stimuli by measuring (directly or indirectly) the reflected power on all channels.

Verfahren A stellt eine Testphase bzw. Lern- oder Erkennungsphase dar, während derer das System die Kopplung zwischen der Anregung der Kanäle des Verstärkers und der Erwärmung der unterschiedlichen Teilbereiche des Erwärmungsgutes erkennt bzw. erlernt. Dabei müssen entweder N2 Testmessungen pro Anregungsfrequenz in Echtzeit durchgeführt werden, während derer die einfallenden und reflektierten Leistungen an jedem Kanal gemessen werden, oder es muss die komplexe Streumatrix der Kavität bei jeder Anregungsfrequenz bestimmt werden, und mithilfe derer die reflektierten Leistungen an jedem Kanal für N2 virtuelle Anregungen berechnet werden. Letztere Anregungen werden als „virtuell“ bezeichnet, weil sie nicht im realen System stattfinden, sondern deren Effekt von der Steuerungssoftware mithilfe der gemessenen Streumatrizen emuliert wird.Method A represents a test phase or learning or recognition phase, during which the system recognizes or learns the coupling between the excitation of the channels of the amplifier and the heating of the different partial areas of the material to be heated. Either N 2 test measurements per Excitation frequency can be carried out in real time, during which the incident and reflected powers are measured on each channel, or the complex scattering matrix of the cavity must be determined at each excitation frequency, and with the help of which the reflected powers on each channel are calculated for N 2 virtual excitations. The latter stimuli are referred to as “virtual” because they do not take place in the real system, but rather their effect is emulated by the control software with the help of the measured scatter matrices.

Zusammenfassend kann man Verfahren A in folgende Schritte zerlegen:

  • • Erste Ausführungsvariante
    1. 1. Wähle Nƒ Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: ƒ12, ...,ƒ.
    2. 2. Für n = 1 bis Nƒ
      1. a. Für i = 1 bis N
        1. i. Rege Kanal i an.
        2. ii. Miss reflektierte Leistung rk (k = 1,2, ... N) an allen Kanälen und berechne Gesamtreflektion r t o t = k r k .
          Figure DE102019210266B4_0013
          rtot
        3. iii. Berechne konsumierte Leistung in Bk aus p k = ( r t o t 1 1 ) r k
          Figure DE102019210266B4_0014
        4. iv. Für j = i + 1 bis N
          1. (a) Rege Kanäle i und j mit Phasendifferenz φ1, an.
          2. (b) Miss reflektierte Leistung rk (k = 1,2, ... N) an allen Kanälen und berechne Gesamtreflektion r t o t = k r k .
            Figure DE102019210266B4_0015
            rtot
          3. (c) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus pk = ( r t o t 1 1 ) r k
            Figure DE102019210266B4_0016
          4. (d) Wiederhole (a) bis (c) für Phasendifferenz φ2.
      2. b. Aus den vorangegangenen Messungen berechne Qk bei ƒn.
  • • Zweite Ausführungsvariante
    1. 1. Wähle Nƒ Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite aus: ƒ12, ...,ƒ.
    2. 2. Für n = 1 bis Nƒ
      1. a. Miss S-Parametermatrix S(ƒn)
      2. b. Für i = 1 bis N
        1. i. Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen, wenn nur Kanal i aktiv ist, durch rk = |Ski|2.
        2. ii. Berechne konsumierte Leistung in Bk aus p k = ( r t o t 1 1 ) r k
          Figure DE102019210266B4_0017
        3. iii. Für = i + 1 bis N
          1. (a) Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen k, wenn Kanäle i und j gleiche Phase haben, aus rk = |Skj + Ski|2.
          2. (b) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus pk = ( r t o t 1 1 ) r k
            Figure DE102019210266B4_0018
          3. (c) Berechne reflektierte Leistung an allen Kanälen k, wenn Kanäle i und j eine Phasendifferenz φ,bspw. von 90°, haben, aus rk = |Skje + Ski|2.
          4. (d) Berechne konsumierte Leistung in Bk aus pk = ( r t o t 1 1 ) r k .
            Figure DE102019210266B4_0019
      3. c. Aus den vorangegangenen Berechnungen berechne Qk bei ƒn.
In summary, method A can be broken down into the following steps:
  • • First variant
    1. 1. Select N ƒ frequencies within the operating bandwidth: ƒ 1 , ƒ 2 , ..., ƒ .
    2. 2. For n = 1 to N ƒ
      1. a. For i = 1 to N
        1. i. Stimulate channel i.
        2. ii. Miss reflected power r k (k = 1,2, ... N) on all channels and calculate total reflection r t O t = k r k .
          Figure DE102019210266B4_0013
          r dead
        3. iii. Calculate the power consumed in B k p k = ( r t O t - 1 - 1 ) r k
          Figure DE102019210266B4_0014
        4. iv. For j = i + 1 to N
          1. (a) Active channels i and j with phase difference φ 1 , on.
          2. (b) Miss reflected power r k (k = 1,2, ... N) on all channels and calculate total reflection r t O t = k r k .
            Figure DE102019210266B4_0015
            r dead
          3. (c) Calculate the power consumed in B k from p k = ( r t O t - 1 - 1 ) r k
            Figure DE102019210266B4_0016
          4. (d) Repeat (a) to (c) for phase difference φ2.
      2. b. From the previous measurements calculate Q k at ƒ n .
  • • Second variant
    1. 1. Select N ƒ frequencies within the operating bandwidth: ƒ 1 , ƒ 2 , ..., ƒ .
    2. 2. For n = 1 to N ƒ
      1. a. Miss S parameter matrix S (ƒ n )
      2. b. For i = 1 to N
        1. i. Compute reflected power on all channels, if only channel i is active, by r k = | S ki | 2 .
        2. ii. Calculate the power consumed in B k p k = ( r t O t - 1 - 1 ) r k
          Figure DE102019210266B4_0017
        3. iii. For = i + 1 to N
          1. (a) Compute reflected power on all channels k, if channels i and j have the same phase, from r k = | S kj + S ki | 2 .
          2. (b) Calculate the power consumed in B k from p k = ( r t O t - 1 - 1 ) r k
            Figure DE102019210266B4_0018
          3. (c) Calculate reflected power on all channels k if channels i and j have a phase difference φ, e.g. of 90 °, from r k = | S kj e + S ki | 2 .
          4. (d) Calculate the consumed power in B k from p k = ( r t O t - 1 - 1 ) r k .
            Figure DE102019210266B4_0019
      3. c. From the previous calculations compute Q k at ƒ n .

Nach der Bestimmung der Erwärmungsmatrizen Qk jedes Teilbereichs Bk ist es möglich, die konsumierte EM-Leistung in allen Teilbereichen für beliebige Antennenanregungen a durch Formel pk = aHQka zu bestimmen. Eine sehr häufig gestellte Anforderung an den Erwärmungsprozess ist, dass die Leistungswerte p1,p2, ... ,pk, ...,pN so wenig voneinander abweichen wie möglich (gleichmäßige Erwärmung des Erwärmungsguts). Ziel des Verfahrens B besteht darin, die passenden Anregungen a für die Kanäle zu finden, die zu einer möglichst gleichmäßigen Erwärmung führen, d.h. zu Werten p1, p2, ... ,pN die eine kleine Standardabweichung haben.After determining the heating matrices Q k of each sub-area B k , it is possible to determine the consumed EM power in all sub-areas for any antenna excitations a using the formula p k = a H Q k a. A very frequently asked requirement for the heating process is that the power values p 1 , p 2 , ..., p k , ..., p N differ from one another as little as possible (uniform heating of the material to be heated). The aim of method B is to find the appropriate excitations a for the channels that lead to the most uniform possible heating, ie to values p 1 , p 2 ,..., P N which have a small standard deviation.

Das Prinzip von Verfahren B beruht darauf, während des Verweilens bei einer Frequenz ƒn mehrere Anregungssätze bzw. -vektoren a 1 n , a 2 n , a 3 n ,

Figure DE102019210266B4_0020
hintereinander zu verwenden, um ein sogenanntes „Modestirring“, also ein Modenmischen, durchzuführen. Die Anregung mit mehreren Parametern hat den Vorteil, dass für jeden Anregungsparametersatz ein anderes Leistungsmuster im Erwärmungsgut hervorgerufen wird. Durch die zeitliche Überlagerung aller so erzeugten Muster kann die Gleichmäßigkeit der Erwärmung verbessert werden.The principle of method B is based on several sets or vectors of excitation while staying at a frequency ƒ n a 1 n , a 2 n , a 3 n , ...
Figure DE102019210266B4_0020
to be used one after the other in order to carry out a so-called “mode stirrring”, ie a mode mixing. The excitation with several parameters has the advantage that a different performance pattern is produced in the material to be heated for each excitation parameter set. The uniformity of the heating can be improved by the temporal superposition of all patterns generated in this way.

Man nehme an, dass die Signalquelle bei einer Frequenz ƒ = ƒn für eine Zeitdauer von tn Sekunden verweilt. Man unterteile diese Zeitdauer in NT Zeitintervalle, die eine jeweilige Zeitdauer von τn1, τn2, τn3, ..., τnN T Sekunden haben (siehe 2). Es gilt natürlich l = 1 N T τ n l = t n .

Figure DE102019210266B4_0021
Während des l -ten Intervalls werden die Kanäle durch den komplexen Anregungsvektor al angeregt. Die dadurch erzeugte Leistung im k -ten Teilbereich ist p k l = a l H Q k a l .
Figure DE102019210266B4_0022
Die zeitliche Überlagerung der unterschiedlichen Leistungen hat als Endeffekt, dass die äquivalente Leistung am Ende von tn Sekunden wie folgt aussieht: p k = 1 t n l = 1 N T τ n l a l H Q k a l
Figure DE102019210266B4_0023
Assume that the signal source dwells at a frequency ƒ = ƒ n for a period of t n seconds. This time period is subdivided into N T time intervals, each of which has a time duration of τ n1 , τ n2 , τ n3 , ..., τ nN T Seconds (see 2 ). It is of course true l = 1 N T τ n l = t n .
Figure DE102019210266B4_0021
During the l th interval, the channels are excited by the complex excitation vector a l. The power generated in this way is in the k -th sub-range p k l = a l H Q k a l .
Figure DE102019210266B4_0022
The final effect of the temporal superposition of the different powers is that the equivalent power looks like this at the end of t n seconds: p k = 1 t n l = 1 N T τ n l a l H Q k a l
Figure DE102019210266B4_0023

Um die Beschreibung des Verfahrens zu vereinfachen, kann man den Vorfaktor τnl/tn für jedes einzelne Leistungsmuster in die Amplituden der Anregungsvektoren durch Multiplikation mit dem Faktor τ n l / t n

Figure DE102019210266B4_0024
inkorporieren. Wenn man also al durch a l τ n l / t n
Figure DE102019210266B4_0025
ersetzt, wird obige Formel wie folgt vereinfacht: p k = l = 1 N T a l H Q k a l
Figure DE102019210266B4_0026
In order to simplify the description of the method, the prefactor τ nl / t n for each individual power pattern can be converted into the amplitudes of the excitation vectors by multiplying by the factor τ n l / t n
Figure DE102019210266B4_0024
incorporate. So if you go through a l a l τ n l / t n
Figure DE102019210266B4_0025
replaced, the above formula is simplified as follows: p k = l = 1 N T a l H Q k a l
Figure DE102019210266B4_0026

Wenn die komplexe Amplitude des j -ten Kanals während des l -ten Zeitintervalls alj ist, dann nimmt obige Formel folgende Form an: p k = i = 1 N j = 1 N ( l = 1 N T a l j a l i ) q i j k = i = 1 N j = 1 N c i j q i j k

Figure DE102019210266B4_0027
wobei c i j = l = 1 N T a l j a l j .
Figure DE102019210266B4_0028
Wenn man mit A = [aij] die Matrix der Anregungen darstellt, dessen i -te Zeile den Anregungsvektor während des i -ten zeitlichen Intervalls ist, dann ist C = AHA, wo C = cij]. Aus diesem Verhältnis zwischen C und A schließt man, dass die Elemente der Matrix C nicht beliebig sein können, sondern eine hermitesche und positiv semi-definite Matrix bilden müssen. Ferner sieht man aus (1), dass die eigentlichen Parameter, von denen das Leistungsmuster pk abhängt, die Elemente von C und nicht von A sind. Unabhängig von der Anzahl NT der Zeitschlitze wird C eine N x N hermitesche Matrix sein. Deswegen ist es möglich, ohne Verlust der Allgemeinheit die Anzahl der Zeitschlitze während des Verweilens bei einer Frequenz gleich der Anzahl der Kanäle zu wählen, d.h. NT = N. Mehr Freiheitsgrade für A würden die Anzahl der Freiheitsgrade für C nicht erhöhen.If the complex amplitude of the j th channel during the l th time interval is a lj , then the above formula takes the form: p k = i = 1 N j = 1 N ( l = 1 N T a l j a l i ) q i j k = i = 1 N j = 1 N c i j q i j k
Figure DE102019210266B4_0027
whereby c i j = l = 1 N T a l j a l j .
Figure DE102019210266B4_0028
If the matrix of the excitations is represented with A = [a ij ], the i-th row of which is the excitation vector during the i-th time interval, then C = A H A, where C = c ij ]. From this relationship between C and A one concludes that the elements of the matrix C cannot be arbitrary, but must form a Hermitian and positive semi-definite matrix. It can also be seen from (1) that the actual parameters on which the performance pattern p k depends are the elements of C and not of A. Regardless of the number N T of time slots, C will be an N x N Hermitian matrix. It is therefore possible to choose the number of time slots while staying at a frequency equal to the number of channels, ie N T = N, without loss of generality. More degrees of freedom for A would not increase the number of degrees of freedom for C.

Das Verfahren B zielt im Folgenden auf die geschickte Wahl der Matrix C, um möglichst wenig abweichende Werte pk zu erzielen. Das Maß der Gleichmäßigkeit, das verwendet wird, ist die normierte Standardabweichung der Werte pk, d.h. σ ^ p = 1 N k = 1 N ( p k p ¯ ) 2 p ¯

Figure DE102019210266B4_0029
wobei p ¯ = 1 N k = 1 N p k
Figure DE102019210266B4_0030
der durchschnittliche Wert aller Teilleistungen pk ist.In the following, method B aims at the skilful choice of matrix C in order to achieve values p k that deviate as little as possible. The measure of uniformity that is used is the normalized standard deviation of the values p k , ie σ ^ p = 1 N k = 1 N ( p k - p ¯ ) 2 p ¯
Figure DE102019210266B4_0029
whereby p ¯ = 1 N k = 1 N p k
Figure DE102019210266B4_0030
is the average value of all partial services p k .

Um σ̂p zu minimieren, muss die Matrix C passend gewählt werden. Letztere gehört zum Raum der hermiteschen Matrizen (d.h. CH = C); dieser Raum ist N2dimensional. D.h., dass es N2 reelle Freiheitsgrade γm und Basis-„Vektoren“ (Basis-Matrizen) Cm gibt, sodass C = m = 1 N 2 γ m C m

Figure DE102019210266B4_0031
wo Cm positiv-definite hermitesche Matrizen. Eine mögliche Basis des oben genannten Vektorraumes kann mithilfe folgender Matrizen aufgebaut werden:                 E k = [ e i j k ] , w o      e i j k = { 1, w e n n      i = j = k 0,                     s o n s t F k l = [ f i j k l ] , w o      f i j k l = { 1, w e n n      i = k , j = l , o d e r      i = l , j = k 0,                                                s o n s t              G k l = [ g i j k l ] , w o      g i j k l = { 1 , w e n n      i = k , j = l 1, w e n n      i = l , j = k 0,                     s o n s t
Figure DE102019210266B4_0032
In order to minimize σ̂ p , the matrix C must be chosen appropriately. The latter belongs to the space of the Hermitian matrices (ie C H = C); this space is N 2 dimensional. That means that there are N 2 real degrees of freedom γ m and basis “vectors” (basis matrices) C m , so that C. = m = 1 N 2 γ m C. m
Figure DE102019210266B4_0031
where C m positive-definite Hermitian matrices. A possible basis of the above-mentioned vector space can be constructed with the help of the following matrices: E. k = [ e i j k ] , w O e i j k = { 1, w e n n i = j = k 0, s O n s t F. k l = [ f i j k l ] , w O f i j k l = { 1, w e n n i = k , j = l , O d e r i = l , j = k 0, s O n s t G k l = [ G i j k l ] , w O G i j k l = { - 1 , w e n n i = k , j = l - - 1, w e n n i = l , j = k 0, s O n s t
Figure DE102019210266B4_0032

Eine Basis mit N2 Elementen, die eine Basis des Raumes, zu dem C gehört, formt, besteht aus folgenden Matrizen:   { E k } , k = 1,2, , N   { F k l + E k + E l } , k = 1,2, , N , l = k + 1,2, , N   { G k l + E k + E l } , k = 1,2, , N , l = k + 1,2, , N

Figure DE102019210266B4_0033
A basis with N 2 elements, which forms a basis of the space to which C belongs, consists of the following matrices: { E. k } , k = 1.2, ... , N { F. k l + E. k + E. l } , k = 1.2, ... , N , l = k + 1.2, ... , N { G k l + E. k + E. l } , k = 1.2, ... , N , l = k + 1.2, ... , N
Figure DE102019210266B4_0033

Wenn man obige Matrizen von m = 1 bis m = N2 durchgehend nummeriert, erhält man die Basis (Cm),m = 1,2, ...,N2.If you number the above matrices continuously from m = 1 to m = N 2 , you get the base (C m ), m = 1,2, ..., N 2 .

Bei der Zerlegung der Matrix C in der obigen Basis ( C = m = 1 N 2 γ m C m )

Figure DE102019210266B4_0034
muss man darauf achten, dass die Koeffizienten γm nicht beliebig sein können, sondern solche Werte haben müssen, dass C ≽ 0, d.h. C muss positiv semi-definit sein (sie muss ausschließlich nichtnegative Eigenwerte besitzen). Das geht aus der Definition von C = AHA hervor.When decomposing the matrix C in the above basis ( C. = m = 1 N 2 γ m C. m )
Figure DE102019210266B4_0034
one must take care that the coefficients γ m cannot be arbitrary, but must have such values that C ≽ 0, that is, C must be positive semi-definite (it must only have nonnegative eigenvalues). This follows from the definition of C = A H A.

Der obigen Zerlegung nach, können die einzelnen Elemente von C wie folgt geschrieben werden: c i j = m = 1 N 2 γ m c i j m , w o      c i j m

Figure DE102019210266B4_0035
die Elemente der Basis-Matrix Cm. Daher nimmt Gleichung (1) folgende Form an: p k = m = 1 N 2 γ m i , j c i j m q i j k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210266B4_0036
wobei p k 1 , p k 2 , , p k m , , p k N 2
Figure DE102019210266B4_0037
elementare Basismuster darstellen, die wie folgt definiert sind: p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q i j k
Figure DE102019210266B4_0038
According to the above decomposition, the individual elements of C can be written as follows: c i j = m = 1 N 2 γ m c i j m , w O c i j m
Figure DE102019210266B4_0035
the elements of the basic matrix C m . Therefore equation (1) takes the form: p k = m = 1 N 2 γ m i , j c i j m q i j k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210266B4_0036
whereby p k 1 , p k 2 , ... , p k m , ... , p k N 2
Figure DE102019210266B4_0037
represent elementary basic patterns, which are defined as follows: p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q i j k
Figure DE102019210266B4_0038

Zerlegung (4) von Leistungsmuster pk hat als direkte Folge, dass die maximale Anzahl von Freiheitsgraden, die man durch dieses Verfahren zur Verfügung hat, um das Leistungsmuster zu formen, N2 ist, unabhängig davon, wie fein man den zeitlichen Zyklus unterteilt, d.h. egal wie groß NT ist.Decomposition (4) of performance pattern p k has the direct consequence that the maximum number of degrees of freedom that one has available through this method to shape the performance pattern is N 2 , regardless of how finely one subdivides the time cycle, ie no matter how big N T is.

Das Optimierungsziel, d.h. die Minimierung der Ungleichmäßigkeit, die durch σ̂p ausgedrückt wird, hängt nun von der Wahl der Koeffizienten γ12,...,γm,...,γN 2 ab, die man in einen reellen Vektor γ = [ γ 1      γ 2           γ N 2 ] T

Figure DE102019210266B4_0039
zusammenfassen kann. Die analytische Abhängigkeit der Optimierungsfunktion σ̂p von γ kann anhand der Zerlegung p k = m = 1 N 2   γ m p k m
Figure DE102019210266B4_0040
berechnet werden. Damit der Ausdruck vereinfacht wird, werden vorher die Elementarmuster p k m
Figure DE102019210266B4_0041
so normiert, dass ihre Summe 1 Watt ist, und neue Koeffizienten definiert: p k = m = 1 N 2   γ m p k m = m = 1 N 2   γ ^ m p ^ k m
Figure DE102019210266B4_0042
wobei p ^ k m = p k m / m = 1 N p k m  und  γ ^ m = γ m m = 1 N p k m .
Figure DE102019210266B4_0043
Anhand dieser Definitionen ist das Maß der Ungleichmäßigkeit durch folgende Formel gegeben: σ ^ p ( γ ^ ) = N γ ^ T P t γ ^ ( m γ ^ m ) 2 1
Figure DE102019210266B4_0044

wobei P t = [ π m n t ]
Figure DE102019210266B4_0045
eine N2 × N2 symmetrische reelle Matrix mit Elementen π m n t =
Figure DE102019210266B4_0046
m = 1 N p ^ k m p ^ k n ,
Figure DE102019210266B4_0047
Wenn man die Summe der unbekannten Koeffizienten auf 1 normiert, d.h. m γ ^ m = 1,
Figure DE102019210266B4_0048
dann ist die Minimierung der Ungleichmäßigkeit laut Formel (5) äquivalent zur Minimierung der quadratischen Form ƒ(γ) = γ̂TPtγ̂. Daher läuft Verfahren B auf folgendes Optimierungsproblem hinaus:

  • • Finde einen reellen N2 -dimensionalen Vektor γ̂, der folgenden Bedingungen genügt:
    • [i] m = 1 N 2   γ ^ m = 1.
      Figure DE102019210266B4_0049
    • [ii] Die Matrix c = m = 1 N 2   γ m c m
      Figure DE102019210266B4_0050
      ist positiv semi-definit.
    • [iii] Er minimiert die Funktion ƒ(γ) = γ̂TPtγ̂.
The optimization goal, ie the minimization of the unevenness, which is expressed by σ̂ p , now depends on the choice of the coefficients γ 1 , γ 2 , ..., γ m , ..., γ N 2 , which can be converted into a real one vector γ = [ γ 1 γ 2 ... γ N 2 ] T
Figure DE102019210266B4_0039
can summarize. The analytical dependence of the optimization function σ̂ p on γ can be determined using the decomposition p k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210266B4_0040
be calculated. In order to simplify the expression, the elementary patterns are made beforehand p k m
Figure DE102019210266B4_0041
normalized in such a way that their sum is 1 watt, and new coefficients are defined: p k = m = 1 N 2 γ m p k m = m = 1 N 2 γ ^ m p ^ k m
Figure DE102019210266B4_0042
whereby p ^ k m = p k m / m = 1 N p k m and γ ^ m = γ m m = 1 N p k m .
Figure DE102019210266B4_0043
Using these definitions, the degree of unevenness is given by the following formula: σ ^ p ( γ ^ ) = N γ ^ T P. t γ ^ ( m γ ^ m ) 2 - 1
Figure DE102019210266B4_0044

whereby P. t = [ π m n t ]
Figure DE102019210266B4_0045
an N 2 × N 2 symmetric real matrix with elements π m n t =
Figure DE102019210266B4_0046
m = 1 N p ^ k m p ^ k n ,
Figure DE102019210266B4_0047
If one normalizes the sum of the unknown coefficients to 1, ie m γ ^ m = 1,
Figure DE102019210266B4_0048
then the minimization of the unevenness according to formula (5) is equivalent to the minimization of the quadratic form ƒ (γ) = γ̂ T P t γ̂. Method B therefore results in the following optimization problem:
  • • Find a real N 2 -dimensional vector γ̂ that satisfies the following conditions:
    • [i] m = 1 N 2 γ ^ m = 1.
      Figure DE102019210266B4_0049
    • [ii] The matrix c = m = 1 N 2 γ m c m
      Figure DE102019210266B4_0050
      is positive semi-definite.
    • [iii] It minimizes the function ƒ (γ) = γ̂ T P t γ̂.

Oben genanntes Optimierungsproblem fällt in die Kategorie der semi-definiten Programmierung (SDP) und kann u.a. anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden, wie dies aus Fachbüchern (z.B. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) bekannt ist.The above-mentioned optimization problem falls into the category of semi-definite programming (SDP) and can be numerically solved using known mathematical methods for convex optimization, as found in specialist books (e.g. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) is known.

Durch die numerische Lösung des obigen Optimierungsproblems berechnet man die optimalen Koeffizienten γk der Zerlegung von Matrix C, die die Ungleichmäßigkeit minimiert. Aus der C-Matrix, die durch Formel (3) berechnet wird, kann man die Matrix der optimalen Kanalanregungen A durch das Lösen der Matrixgleichung C = AHA finden. Diese Gleichung hat unendlich viele Lösungen, die allerdings zur selben Leistungsverteilung im Erwärmungsgut führen, weil letztere ausschließlich von der Matrix C abhängt. Die einfachste dieser Lösungen erhält man, wenn man die C-Matrix diagonalisiert. Laut dem spektralen Theorem für hermitesche Matrizen lässt sich diese Matrix wie folgt zerlegen: C = VDVH, wobei V eine unitäre Matrix mit den Eigenvektoren von C als Spalten und D eine Diagonalmatrix ist, die die Eigenwerte von C enthält. Diese Zerlegung lässt sich anhand üblicher numerischer Verfahren bestimmen. Demnach sieht eine Lösung der Gleichung C = AHA folgendermaßen aus: A = VD 1 / 2 V H

Figure DE102019210266B4_0051
The numerical solution of the above optimization problem calculates the optimal coefficients γ k of the decomposition of matrix C, which minimizes the unevenness. From the C matrix, which is calculated by formula (3), the matrix of the optimal channel excitations A can be found by solving the matrix equation C = AHA. This equation has an infinite number of solutions, which, however, lead to the same power distribution in the material to be heated, because the latter depends exclusively on the matrix C. The simplest of these solutions is obtained by diagonalizing the C-matrix. According to the spectral theorem for Hermitian matrices, this matrix can be decomposed as follows: C = VDV H , where V is a unitary matrix with the eigenvectors of C as columns and D is a diagonal matrix that contains the eigenvalues of C. This decomposition can be determined using standard numerical methods. So a solution to the equation C = AHA looks like this: A. = VD 1 / 2 V H
Figure DE102019210266B4_0051

Somit ist das Optimierungsproblem gelöst; d.h. für jeden Zeitabschnitt τnl,l = 1,2, ..., NT, wird die Anregung des j-ten Kanals vom komplexen Eintrag alj der A-Matrix gegeben. Durch additive Überlagerung dieser NT Muster wird das erwünschte, äquivalente Leistungsmuster pk erzeugt, das maximale Gleichmäßigkeit hat. Dabei muss man nochmals betonen, dass die minimal ausreichende Anzahl an unterschiedlichen Anregungsvektoren bzw. Zeitintervallen, um die maximale Gleichmäßigkeit zu erreichen, NT = N ist, da aus Formel (6) hervorgeht, dass A quadratisch ist. Dies bedeutet, dass genauso viele Anregungsvektoren wie Kanäle benötigt werden, um durch obiges Verfahren das Maximum an Gleichmäßigkeit zu erreichen.The optimization problem is thus solved; that is, for each time segment τ nl , l = 1, 2, ..., N T , the excitation of the jth channel is given by the complex entry a lj of the A matrix. By additive superimposition of these N T patterns, the desired, equivalent power pattern p k is generated, which has maximum uniformity. It must be emphasized again that the minimally sufficient number of different excitation vectors or time intervals to achieve maximum uniformity is N T = N, since formula (6) shows that A is quadratic. This means that as many excitation vectors as channels are required in order to achieve maximum uniformity using the above method.

Schließlich kann man Verfahren B wie folgt zusammenfassen:

  • • Input: Ein Satz von N Erwärmungsmatrizen Q1, Q2, ...,QN, bei einer bestimmten Frequenz ƒn.
  • • Output: Ein Satz von N Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN, die zeitlich nacheinander für τn1, τn2, ..., τnN Sekunden als Anregungsparameter des Verstärkers während des Verweilens bei Frequenz ƒn angewandt werden sollen (vgl. 2).
  • • Schritte:
    1. 1. Berechne die Basismatrizen C m = [ c i j m ]
      Figure DE102019210266B4_0052
    2. 2. Mithilfe der Q-Matrizen Q k = [ q i j k ]
      Figure DE102019210266B4_0053
      berechne die N2 Basismuster durch p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q i j k , m = 1,2, , N 2
      Figure DE102019210266B4_0054
    3. 3. Normiere die Basismuster auf Summe von 1 Watt: p ^ k m = p k m / m = 1 N p k m .
      Figure DE102019210266B4_0055
    4. 4. Berechne die Matrix P t = [ π m n t ] , won  π m n t = m = 1 N p ^ k m p ^ k n .
      Figure DE102019210266B4_0056
    5. 5. Minimiere (bspw. durch konvexe Optimierung) die Funktion ƒ(γ) = γ̂TPtγ̂ unter folgenden Bedingungen:
      • m = 1 N 2   γ ^ m = 1
        Figure DE102019210266B4_0057
      • ■ Die Matrix C = m = 1 N 2   γ m C m
        Figure DE102019210266B4_0058
        ist positiv semi-definit.
    6. 6. Berechne nichtnormierte Koeffizienten durch γ m = γ ^ m / m = 1 N p k m .
      Figure DE102019210266B4_0059
    7. 7. Berechne C-Matrix durch C = m = 1 N 2 γ m C m .
      Figure DE102019210266B4_0060
    8. 8. Führe die Eigenwertzerlegung von C durch: C = VDVH.
    9. 9. Berechne die Anregungsmatrix durch A = VD1/2VH. Die optimalen Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN sind die entsprechenden Zeilen von A, d.h. [alj], [a2j], ..., [aNj].
Finally, method B can be summarized as follows:
  • • Input: A set of N heating matrices Q 1 , Q 2 , ..., Q N , at a certain frequency ƒ n .
  • • Output: A set of N excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N , which are used one after the other for τ n1 , τ n2 , ..., τ nN seconds as the amplifier's excitation parameters while it is at frequency ƒ n should be (cf. 2 ).
  • • Steps:
    1. 1. Compute the basic matrices C. m = [ c i j m ]
      Figure DE102019210266B4_0052
    2. 2. Using the Q-matrices Q k = [ q i j k ]
      Figure DE102019210266B4_0053
      compute the N 2 basic pattern p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q i j k , m = 1.2, ... , N 2
      Figure DE102019210266B4_0054
    3. 3. Normalize the basic pattern to a sum of 1 watt: p ^ k m = p k m / m = 1 N p k m .
      Figure DE102019210266B4_0055
    4. 4. Compute the matrix P. t = [ π m n t ] , won π m n t = m = 1 N p ^ k m p ^ k n .
      Figure DE102019210266B4_0056
    5. 5. Minimize (e.g. by convex optimization) the function ƒ (γ) = γ̂ T P t γ̂ under the following conditions:
      • m = 1 N 2 γ ^ m = 1
        Figure DE102019210266B4_0057
      • ■ The matrix C. = m = 1 N 2 γ m C. m
        Figure DE102019210266B4_0058
        is positive semi-definite.
    6. 6. Compute non-normalized coefficients by γ m = γ ^ m / m = 1 N p k m .
      Figure DE102019210266B4_0059
    7. 7. Compute C-matrix C. = m = 1 N 2 γ m C. m .
      Figure DE102019210266B4_0060
    8. 8. Perform the eigenvalue decomposition of C: C = VDV H.
    9. 9. Calculate the excitation matrix by A = VD 1/2 V H. The optimal excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N are the corresponding rows of A, ie [a lj ], [a 2j ], ..., [a Nj] .

Das oben beschriebene Optimierungsverfahren stellt nur eine beispielhafte Ausgestaltung dar und kann auch durch ein äquivalentes Verfahren ersetzt werden, beispielsweise durch ein Verfahren wie es in der DE 10 2016 202 234 B3 (Absätze [0052] bis [0055]) beschrieben ist. In letztgenanntem Fall würde dann nur ein Anregungsvektor (statt N) pro Frequenz bestimmt und angewandt.The optimization method described above is only an exemplary embodiment and can also be replaced by an equivalent method, for example by a method as shown in FIG DE 10 2016 202 234 B3 (Paragraphs [0052] to [0055]). In the latter case, only one excitation vector (instead of N) per frequency would then be determined and applied.

In Verfahren B wurde die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bei einer einzelnen Frequenz optimiert. Wird dieses Verfahren bei mehreren Frequenzen angewendet, erhält man eine Reihe von optimierten Leistungsverteilungen pkn) in Abhängigkeit von der Frequenz. Man kann diese Frequenzen mit den entsprechenden Anregungsparametern nacheinander anregen, um ein durchschnittliches Leistungsmuster zu bekommen: p ¯ k = 1 N ƒ n = 1 N ƒ   p k ( ƒ n )

Figure DE102019210266B4_0061
In method B, the heating uniformity was optimized at a single frequency. If this method is used at several frequencies, one obtains a series of optimized power distributions p kn ) as a function of the frequency. You can excite these frequencies one after the other with the corresponding excitation parameters in order to get an average performance pattern: p ¯ k = 1 N ƒ n = 1 N ƒ p k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0061

Man kann jedoch diese Überlagerung der entsprechenden monofrequenten Muster auch unterschiedlich stark gewichten, entweder indem man die Anregungen bei den einzelnen Frequenzen entsprechend skaliert, oder indem man die Verweildauer bei jeder Frequenz entsprechend verlängert bzw. verkürzt. Der Endeffekt ist gleich, nämlich, dass das äquivalente Leistungsmuster, das schließlich daraus resultiert, eine gewichtete Überlagerung der monofrequenten Muster ist: p ^ k = n = 1 N ƒ  w n p k ( ƒ n )

Figure DE102019210266B4_0062
wobei wn positive Zahlen sind. Im Falle der Gleichgewichtung w1 = w2 = ... = wN ƒ = 1/Nƒ, erhält man den üblich definierten Durchschnitt aller Leistungsmuster, d.h. p̃k = p̅k.However, this superimposition of the corresponding monofrequency patterns can also be weighted differently, either by scaling the excitations at the individual frequencies accordingly, or by lengthening or shortening the dwell time at each frequency accordingly. The end effect is the same, namely that the equivalent power pattern that ultimately results is a weighted superposition of the monofrequency patterns: p ^ k = n = 1 N ƒ w n p k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0062
where w n are positive numbers. In the case of equal weighting w 1 = w 2 = ... = w N ƒ = 1 / N ƒ , one obtains the commonly defined average of all performance patterns, ie p̃ k = p̅ k .

Das Maß der Ungleichmäßigkeit des resultierenden Musters ist, wie bei Verfahren B, die normierte Standardabweichung der Leistungsverteilung unter den Teilgebieten Bk (siehe Formel (2)). Man kann dieses Maß erneut als analytische Funktion der Gewichte wn ausdrücken. Zur Vereinfachung der Formel ist es sinnvoll, die Leistungsmuster bei jeder einzelnen Frequenz so zu normieren, dass deren Summe 1 Watt beträgt. Dementsprechend müssen auch die variablen Gewichte skaliert werden: p ^ k = n = 1 N ƒ   w ^ k p ^ k ( ƒ n ) ,    p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 N p k ( ƒ n )    w ^ n = w n k = 1 N p k ( ƒ n )

Figure DE102019210266B4_0063
The degree of non-uniformity of the resulting pattern is, as in method B, the normalized standard deviation of the power distribution among the sub-areas B k (see formula (2)). One can express this measure again as an analytical function of the weights w n. To simplify the formula, it makes sense to normalize the power pattern for each individual frequency so that their total is 1 watt. The variable weights must also be scaled accordingly: p ^ k = n = 1 N ƒ w ^ k p ^ k ( ƒ n ) , p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 N p k ( ƒ n ) w ^ n = w n k = 1 N p k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0063

Die normierte Standardabweichung des endgültigen Leistungsmusters p̃k ist demnach σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P ƒ w ^ ( n w ^ n ) 2 1

Figure DE102019210266B4_0064
wobei ŵ = [ŵ1 ... ŵN ƒ ]T der Vektor der Gewichte und P ƒ = [ π m n ƒ ] eine N ƒ × N ƒ
Figure DE102019210266B4_0065

symmetrische Matrix mit Elementen π m n ƒ = m = 1 N p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0066
ist. Da eine Skalierung der Gewichte ŵn um den gleichen Faktor keinen Unterschied in der Gleichmäßigkeit verursacht, kann man annehmen, dass die Summe der Gewichte auf 1 normiert ist, d.h. n w ^ n = 1,
Figure DE102019210266B4_0067
Dementsprechend nimmt Formel (7) die Form σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P ƒ w ^ 1
Figure DE102019210266B4_0068
an. Um die Ungleichmäßigkeit σ̂p(ŵ) zu minimieren, reicht es also, die quadratische Form ƒ(ŵ) = ŵTPƒŵ zu minimieren, wobei man beachten muss, dass die Summe der Gewichte auf 1 normiert ist und dass alle Gewichte nichtnegativ sind (es ist physikalisch unmöglich durch inkohärente Überlagerung von Leistungsmustern eine negative Gewichtung hervorzurufen, da es wegen der Inkohärenz keine destruktive Interferenz geben kann). Daraus folgt, dass folgendes Optimierungsproblem gelöst werden muss:

  • • Finde einen reellen Nf -dimensionalen Vektor ŵ, der folgenden Bedingungen genügt:
    • [i] n = 1 N ƒ w ^ n = 1
      Figure DE102019210266B4_0069
    • [ii] ŵn ≥ 0, n = 1,2, ..., Nƒ.
    • [iii] Er minimiert die Funktion ƒ(ŵ) = ŵTPfŵ.
The normalized standard deviation of the final performance pattern is therefore p̃ k σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P. ƒ w ^ ( n w ^ n ) 2 - 1
Figure DE102019210266B4_0064
where ŵ = [ŵ 1 ... ŵ N ƒ ] T is the vector of the weights and P. ƒ = [ π m n ƒ ] a ƒ × N ƒ
Figure DE102019210266B4_0065

symmetric matrix with elements π m n ƒ = m = 1 N p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0066
is. Since scaling the weights ŵ n by the same factor does not cause any difference in uniformity, one can assume that the sum of the weights is normalized to 1, ie n w ^ n = 1,
Figure DE102019210266B4_0067
Accordingly, Formula (7) takes the form σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P. ƒ w ^ - 1
Figure DE102019210266B4_0068
on. In order to minimize the unevenness σ̂ p (ŵ), it is sufficient to minimize the quadratic form ƒ (ŵ) = ŵ T P ƒ ŵ, whereby one must note that the sum of the weights is normalized to 1 and that all weights are nonnegative (it is physically impossible to produce a negative weighting by incoherently superimposing performance patterns, since there cannot be any destructive interference due to the incoherence). It follows that the following optimization problem has to be solved:
  • • Find a real N f -dimensional vector ŵ that satisfies the following conditions:
    • [i] n = 1 N ƒ w ^ n = 1
      Figure DE102019210266B4_0069
    • [ii] ŵ n ≥ 0, n = 1,2, ..., N ƒ .
    • [iii] It minimizes the function ƒ (ŵ) = ŵ T P f ŵ.

Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann unter anderem wie bereits bei Verfahren B anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden. Nach der Bestimmung der normierten Gewichte ŵn kann man die nichtnormierten Gewichte durch folgende Formel bestimmen w n = w n k = 1 N p k ( ƒ n )

Figure DE102019210266B4_0070
The above optimization problem is convex and can be solved numerically, among other things, as with method B using known mathematical methods for convex optimization. After determining the normalized weights ŵ n , the non-normalized weights can be determined using the following formula w n = w n k = 1 N p k ( ƒ n )
Figure DE102019210266B4_0070

Diese können wiederum auf Gesamtsumme 1 normiert werden, d.h. w n '

Figure DE102019210266B4_0071
w n / n w n
Figure DE102019210266B4_0072
und die endgültige Gewichtung kann entweder durch Skalierung der Verweildauer der Signalquelle in der jeweiligen Frequenz, oder durch Skalierung des entsprechenden Leistungspegels der Verstärkerkanäle umgesetzt werden.These can in turn be normalized to a total of 1, ie w n '
Figure DE102019210266B4_0071
w n / n w n
Figure DE102019210266B4_0072
and the final weighting can be implemented either by scaling the dwell time of the signal source in the respective frequency, or by scaling the corresponding power level of the amplifier channels.

Schließlich kann man Verfahren C wie folgt zusammenfassen:

  • • Input: Ein Satz von Leistungsmustern {pkn), k = 1,2, ...,N) gemessen oder berechnet bei einem vorbestimmten Stichprobensatz von Frequenzen {ƒn,n = 1,2, ..., Nƒ}.
  • • Output: Ein Satz von Gewichten {wn, n = 1,2, ..., Nƒ}, die entweder als Zeit- oder Amplitudenmodulation des Verweilens des Verstärkers bei der jeweiligen Frequenz ƒn angewandt werden können, um die Gleichmäßigkeit des am Ende resultierenden Musters zu optimieren.
  • • Schritte:
    1. 1. Normiere Leistungsmuster mithilfe der Formel p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 N p k ( ƒ n )
      Figure DE102019210266B4_0073
    2. 2. Berechne Matrix P ƒ = [ π m n ƒ ]  druch  π m n ƒ = k = 1 N p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
      Figure DE102019210266B4_0074
    3. 3. Minimiere Funktion ƒ(ŵ) = wTPƒŵ unter folgenden Bedingungen:
      • k = 1 N ƒ w ^ n = 1
        Figure DE102019210266B4_0075
      • ■ ŵn ≥ 0,n = 1,2, ..., Nƒ
      Die Minimierung kann u.a. mit Verfahren der konvexen Optimierung durchgeführt werden.
    4. 4. Berechne die nichtskalierten Gewichte durch w n = w ^ n / k = 1 N p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210266B4_0076
    5. 5. (Optional) Normiere die Gewichte auf 1 durch w n ' = w n / n = 1 N ƒ w n .
      Figure DE102019210266B4_0077
Finally, method C can be summarized as follows:
  • • Input: A set of performance patterns {p kn ), k = 1,2, ..., N) measured or calculated at a predetermined sample set of frequencies {ƒ n , n = 1,2, ..., N ƒ }.
  • • Output: A set of weights {w n , n = 1,2, ..., N ƒ }, which can be applied either as time or amplitude modulation of the dwell time of the amplifier at the respective frequency ƒ n in order to ensure the evenness of the optimize the resulting pattern at the end.
  • • Steps:
    1. 1. Normalize performance patterns using the formula p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 N p k ( ƒ n )
      Figure DE102019210266B4_0073
    2. 2. Compute matrix P. ƒ = [ π m n ƒ ] through π m n ƒ = k = 1 N p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
      Figure DE102019210266B4_0074
    3. 3. Minimize function ƒ (ŵ) = w T P ƒ ŵ under the following conditions:
      • k = 1 N ƒ w ^ n = 1
        Figure DE102019210266B4_0075
      • ■ ŵ n ≥ 0, n = 1,2, ..., N ƒ
      The minimization can be carried out using methods of convex optimization, among other things.
    4. 4. Calculate the unscaled weights w n = w ^ n / k = 1 N p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210266B4_0076
    5. 5. (Optional) Normalize the weights to 1 w n ' = w n / n = 1 N ƒ w n .
      Figure DE102019210266B4_0077

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Kavität/BestrahlungszoneCavity / irradiation zone
22
AntennenAntennas
33
Erwärmungsgut/Last bzw. ObjekteGoods / load or objects to be heated
44th
Leistungsverstärker mit HF-Quelle/HF-SendeeinheitPower amplifier with RF source / RF transmitter unit
55
MesseinrichtungMeasuring device
66th
RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
77th
EingangsdatenstromInput data stream
88th
BefehlsdatenstromCommand stream
99
Steuer- und AuswerteeinrichtungControl and evaluation device
1010
RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
B1-B3B1-B3
fiktive Bereichefictional areas

Claims (8)

Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem - ein Objekt (3) oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone (1) eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit (4) mit N ≥ 2 getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird, - wobei vor Beginn des Erwärmungsprozesses entweder Reflexionsmessungen oder wenigstens eine Streuparametermessung durchgeführt werden oder wird, bei denen oder der aus der Bestrahlungszone (1) rückgestreute Hochfrequenzstrahlung an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird, - aus der oder den Messungen Erwärmungsmatrizen für N unterschiedliche Teilbereiche des Objekts (3) oder der Objektgruppe abgeschätzt werden, von denen jeder Teilbereich einem der N HF-Sendekanäle zugeordnet ist, - aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt (3) oder der Objektgruppe führen, und - die HF-Sendekanäle anschießend zur Erwärmung des Objektes (3) oder der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with the most uniform possible heat distribution by means of high-frequency radiation, in which - an object (3) or a group of objects is brought into an irradiation zone (1) and via an HF transmission unit (4) with N ≥ 2 separate HF transmission channels with coherent High-frequency radiation is irradiated, - before the start of the heating process, either reflection measurements or at least one measurement of scattering parameters are or will be carried out in which the high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone (1) is detected at irradiation locations of the RF transmission channels, - Heating matrices for N different sub-areas of the object (3) or the object group are estimated from the measurement or measurements, each sub-area of which is assigned to one of the N RF transmission channels Heat distribution as evenly as possible in the object (3) or the object group, and - the HF transmission channels are then operated to heat the object (3) or the object group with the operating parameters determined from the heating matrices. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Erwärmungsmatrizen eine Anzahl von vorzugsweise N Anregungsvektoren als Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zur Erwärmung des Objektes (3) oder der Objektgruppe zeitlich nacheinander angewendet werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a number of preferably N excitation vectors are determined from the heating matrices as operating parameters for the RF transmission channels, which are used to heat the object (3) or the group of objects one after the other. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsmessungen oder die wenigstens eine Streuparametermessung bei unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzstrahlung durchgeführt werden oder wird, um für jede dieser Frequenzen Erwärmungsmatrizen und Betriebsparameter zu erhalten, wobei die HF-Sendekanäle zur Erwärmung des Objekts (3) oder der Objektgruppe einmalig oder wiederholt zeitlich nacheinander bei den unterschiedlichen Frequenzen mit den aus den Erwärmungsmatrizen für diese Frequenzen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the reflection measurements or the at least one scatter parameter measurement are or will be carried out at different frequencies of the high-frequency radiation in order to obtain heating matrices and operating parameters for each of these frequencies, the RF transmission channels for heating the object (3) or the object group once or are operated repeatedly one after the other at the different frequencies with the operating parameters determined from the heating matrices for these frequencies. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Sendekanäle bei den unterschiedlichen Frequenzen jeweils für die gleiche Bestrahlungsdauer betrieben werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the RF transmission channels are operated at the different frequencies for the same irradiation duration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Betriebsparameter aus den Erwärmungsmatrizen ein Optimierungsverfahren eingesetzt wird, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Objekts (3) oder der Objektgruppe zu erhalten.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that an optimization method is used to determine the operating parameters from the heating matrices in order to obtain the most uniform possible heating of the object (3) or the group of objects. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Betriebsparameter aus den Erwärmungsmatrizen ein Optimierungsverfahren eingesetzt wird, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Objekts (3) oder der Objektgruppe zu erhalten, wobei mit einem weiteren Optimierungsverfahren für jede Frequenz auch eine Bestrahlungsdauer und/oder eine Bestrahlungsleistung ermittelt wird, mit denen die HF-Sendekanäle bei der jeweiligen Frequenz betrieben werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that an optimization method is used to determine the operating parameters from the heating matrices in order to obtain as uniform a heating of the object (3) or the object group as possible, with a further optimization method also including an irradiation duration and / or an irradiation power for each frequency is determined with which the RF transmission channels are operated at the respective frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsmessungen oder die wenigstens eine Streuparametermessung während des Erwärmungsprozesses ein- oder mehrmals wiederholt werden oder wird, um aktualisierte Erwärmungsmatrizen für die N unterschiedlichen Teilbereiche des Objekts (3) oder der Objektgruppe zu erhalten, und aktualisierte Betriebsparameter aus den aktualisierten Erwärmungsmatrizen bestimmt und für die weitere Erwärmung angewendet werden.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the reflection measurements or the at least one scattering parameter measurement are or will be repeated one or more times during the heating process in order to obtain updated heating matrices for the N different partial areas of the object (3) or the object group, and updated operating parameters from the updated heating matrices determined and used for further heating. Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung, mit - einer HF-Sendeeinheit (4) mit wenigstens zwei HF-Sendekanälen, über die in eine Bestrahlungszone (1) eingebrachte Objekte (3) mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind, - einer Messeinrichtung (5), mit der an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle Reflexionsmessungen oder Streuparametermessungen der Bestrahlungszone (1) mit eingebrachten Objekten (3) durchgeführt werden können, und - einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (9) für die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit (4) und Messeinrichtung (5) und für die Auswertung der durchgeführten Messungen, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.Device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, with - an HF transmission unit (4) with at least two HF transmission channels, via which objects (3) introduced into an irradiation zone (1) can be irradiated with coherent high-frequency radiation, - a measuring device (5), with which reflection measurements or scatter parameter measurements of the irradiation zone (1) with introduced objects (3) can be carried out at irradiation locations of the HF transmission channels, and - a control and evaluation device (9) for activating the HF transmission unit (4) and measuring device (5 ) and for the evaluation of the measurements carried out, which are necessary for the implementation of the method according to one or more of the Claims 1 until 7th is trained.
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