CN101442847B - 一种直耦杯状微波馈能天线及其阵列微波加热装置 - Google Patents
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Abstract
一种直耦杯状微波馈能天线及其阵列微波加热装置，属于微波能应用技术领域，涉及工业微波加热技术。直耦杯状微波馈能天线包括微波磁控管(1)、输出同轴线段(4)和杯状天线；所述杯状天线与输出同轴线段(4)偏心相连。直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，包括直耦杯状微波馈能天线阵列，所述直耦杯状微波馈能天线阵列由若干个直耦杯状微波馈能天线紧密错位排列而成。本发明的直耦杯状微波馈能天线的输入驻波比低，耦合效率高，杯状天线开口端微波场分布均匀，紧密错位排列的天线阵列产生的微波辐射图形有利于大面积均匀高效的加热应用，且本发明成本低廉、维护方便。本发明可适用于沥青混凝土公路建设与养路中的加热或路面除冰用加热。
Description
技术领域
本发明属于微波能应用技术领域，涉及工业微波加热技术，特别适用于需要大面积均匀加热应用场合，如用于沥青混凝土公路建设与养路中的加热或路面除冰用加热。
背景技术
在工业微波加热技术应用中，微波加热装置分为谐振型(单模腔或多模腔)，传输型(基模或高模)，辐射型(封闭式或开放式)，慢波型(表面波)等许多结构，以适应不同形状、体积及特殊要求的加热对象。通常，被加热的物料都安置在微波加热装置中，可以在腔型微波加热装置中断续加热生产，也可在多模隧道型微波加热装置连续加热生产，这些被加热物料一般是块状、颗粒状、条状、片状或丝状等结构，而且是可搬动的。对于像公路、机场跑道、结冰路面等被加热对象则具有特殊性，一是面积大，二是无法移动或搬动，在这种情况下，采用微波加热方法时，就必须使用特殊的微波加热装置。对这种特殊的微波应用器，有几点基本要求，这就是：1、被加热对象的质量保证；2、加热的均匀性；3、加热效率即微波功率的利用率；4、加热温度的可控性；5、加热时的安全性。
由于路面或跑道的面积较大，且无法移动或搬动，因此，只能采用由多个微波天线组成的天线阵列，置于路面上一定距离处，阵列中每个天线同时向路面辐射微波功率，路面在微波功率辐照下，由于材料本身的介质损耗，从而吸收微波功率使得物料温度升高，达到加热升温或除冰的目的。
现有的适用于路面加热的微波加热装置都是基于角锥喇叭状微波馈能天线阵列的，但大都存在效率低、加热不均匀等缺点；且现有的微波加热装置采用的是工业用大功率连续波磁控管，再用功率分配网络给每个单元天线馈能，这种方式使得现有的微波加热装置成本高昂。
发明内容
本发明提供一种直耦杯状微波馈能天线及其阵列微波加热装置，具有加热均匀性好，加热效率高等特点。
一种直耦杯状微波馈能天线，如图1所示，包括微波磁控管1、输出同轴线段4和杯状天线。所述输出同轴线段4安装于微波磁控管1的安装法兰盘3上，并与微波磁控管1的输出天线头2保持相同的中心轴。所述杯状天线由杯状天线筒体5、杯状天线顶盖6构成，所述杯状天线顶盖6上偏心地开有一与输出同轴线段4外孔径形同的孔；所述杯状天线顶盖6与所述杯状天线筒体5相焊接。所述杯状天线通过杯状天线顶盖6上的偏心孔与输出同轴线段4相焊接。
上述技术方案中，所述微波磁控管1采用微波炉用连续波磁控管。
一种直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，如图2所示，包括直耦杯状微波馈能天线阵列，所述直耦杯状微波馈能天线阵列由若干个直耦杯状微波馈能天线按品字形紧密错位排列而成。所述直耦杯状微波馈能天线结构如图1所示。
所述直耦杯状微波馈能天线阵列可整体安装在金属板11上，以保证所有直耦杯状微波馈能天线的微波辐射口在阵列中处于同一水平面。
本发明所述的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置在具体应用时，为了防止加热过程中负载升温时产生的水汽或其它废气等污染物对直耦杯状微波馈能天线(内壁及磁控管)可能造成的危害，可用云母或聚四氟乙烯等耐高温介质板12将直耦杯状微波馈能天线微波辐射口密封，或在阵列天线下端辐照面上整体将所有直耦杯状微波馈能天线遮住(如图3所示)。
本发明所属的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置在具体应用时，为了防止微波功率向四周泄漏造成对环境及人员干扰与伤害，可在金属板11下放的直耦杯状微波馈能天线阵列四周设置一防护板13(如图3所示)。
本发明的特点及效果：
本发明提供的直耦杯状微波馈能天线，其磁控管输出微波功率直接耦合在杯状天线内激发起横磁波(TM模)的传输模式，其基模的磁场在与轴线相垂直的截面上，而电场则与轴线平行，在天线端口及离端口不太远的距离内，微波场强沿角向分布是均匀对称的。由于每个单元天线的输入驻波比很低，因此，大大提高了磁控管的输出功率和耦合效率。
本发明提供的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置由于采用了本发明所述的直耦杯状微波馈能天线构成的天线阵列，大大提高了磁控管的输出功率和耦合效率以及加热均匀性；同时，由于天线阵列中每个单元天线均由独立的微波源馈能，而廉价高效的微波炉用磁控管就是每个天线上的微波源，炉用磁控管的输出功率大、效率高、结构紧凑、安装方便，成本低廉(每瓦输出不足0.1元)，特别当磁控管出现意外损坏时，单个微波源即将引起停机状态，而多管馈能时，即使出现个别磁控管意外损坏情况，也不必停机，仍可继续使用，而且更换成本也不高。此外，由于紧密错位排列这种阵列形状，对大面积辐照加热的均匀性也有一定的改善。
附图说明
图1为本发明的直耦杯状微波馈能天线结构示意图。
图2为本发明的直耦杯状微波馈能天线阵列结构示意图。
图3为本发明的直耦杯状微波馈能天线阵列加热装置结构示意图。
图4为本发明的直耦杯状微波馈能天线具体实施方式中，直耦杯状微波馈能天线微波辐射口处的仿真电场分布示意图。
图5为本发明的直耦杯状微波馈能天线具体实施方式中，直耦杯状微波馈能天线离微波辐射口50mm处的仿真电场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图1图2及图3的实施案例对本发明作进一步的说明。
本实施案例是根据微波源的工作频率是2.45GHz设计的，直耦杯状微波馈能天线选用不锈钢材料制造，虽然不锈钢的微波损耗大于铜和铝，但其在大气、水汽、尘埃、烟雾及挥发物等恶劣环境中的化学稳定性好，机械強度高，易于加工与安装，而且杯状圆筒整个表面积不大，对微波的吸收可以忽略不计。杯状天线圆筒5的半径a为60至62mm、高度h为120至123mm；输出同轴线段4内半径c为17.5mm；同轴线内导体即磁控管输出天线头2的直径d为17mm，杯状天线筒体5与输出天线头2的偏心度e为30mm，输出天线头2的插入深度f为20至27mm，输出同轴线段4长度为8mm。
品字形紧密错位排列的阵列天线中，每单元天线行中心距为130至135mm，列中心距为115至125mm。
为了便于安装，阵列天线中每个单元天线均装在整块面积略大于天线阵列面积的金属板11上(例如钢板或铝板)。
本发明未涉及在加热过程中，微波功率在微波应用器四周泄漏会造成对环境及人员干扰与伤害的防护墻13的具体设计，这项防泄漏技术及装置将在另一专利中申报与说明。
本案例中的杯状直耦微波馈能天线在上述尺寸时，经电磁仿真模拟计算得到输入端的S11＝-37dB(中心频率f0时)，即输入驻波比SWR≤1.04，实测为SWR＝1.09，与理论计算相符。理想耦合效率可达99％以上。在天线口7及离端口50mm处的仿真电场分布如图4及图5所示。
本实施案例的工作原理如下：
当本案例的微波应用器中所有天线单元上的磁控管加上高压开始工作时，尽管每只磁控管的工作频率f0会存在差别，但这种差别在输入驻波比小于1.5时，差别不会大于5MHz，因此，每只磁控管的输出功率和耦合效率不会产生大的变化与影响，由于杯状圆筒的隔离作用，天线阵列中相邻天线间的相互耦合并不存在，至多是微波辐射至负载平面上，由于负载与空气界面阻抗不匹配，造成部分反射波可能会产生互耦现象，导致耦合效率的降低，这一现象对于任何阵列天线式微波加热器都是存在的，工程上很难彻底解决。
由于天线阵端面离被加热的负载之间的距离通常在50至200mm范围之内，因此，对每个杯状天线单元来说，属于天线近区工作范围，尚未形成波束，不具有很強的方向性，所以按品字形错位排列后，可以最大限度地缩小各相邻天线单元间的距离，形成非常紧凑的一种大面积阵列，这就保证了被加热负载面上微波场強分布的均匀性，以达到加热过程中，负载内温升的均匀性和一致性。
本发明的直耦杯状单元天线及品字形紧密错位排列的阵列天线微波加热器可适用于其它任何频段，因此，凡依据本发明所述的结构相同、频段不同的各种尺寸的阵列天线微波加热器均属于本发明所要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种直耦杯状微波馈能天线，包括微波磁控管(1)、输出同轴线段(4)和杯状天线；所述输出同轴线段(4)安装于微波磁控管(1)的安装法兰盘(3)上，并与微波磁控管(1)的输出天线头(2)保持相同的中心轴；所述杯状天线由杯状天线筒体(5)、杯状天线顶盖(6)构成，所述杯状天线顶盖(6)上偏心地开有一与输出同轴线段(4)外孔径形同的孔；所述杯状天线顶盖(6)与所述杯状天线筒体(5)相焊接；所述杯状天线通过杯状天线顶盖(6)上的偏心孔与输出同轴线段(4)相焊接。
2.根据权利要求1所述的直耦杯状微波馈能天线，其特征在于，所述微波磁控管(1)为微波炉用连续波磁控管。
3.根据权利要求1所述的直耦杯状微波馈能天线，其特征在于，所述输出同轴线段(4)和杯状天线采用不锈钢材料制造。
4.根据权利要求1所述的直耦杯状微波馈能天线，其特征在于，杯状天线圆筒(5)的半径a为60至62mm、高度h为120至123mm；输出同轴线段(4)内半径c为17.5mm；磁控管输出天线头(2)的直径d为17mm，杯状天线筒体(5)与输出天线头(2)的偏心度e为30mm，输出天线头(2)的插入深度f为20至27mm，输出同轴线段(4)长度为8mm。
5.根据权利要求1所述的一种直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，包括直耦杯状微波馈能天线阵列，所述直耦杯状微波馈能天线阵列由若干个直耦杯状微波馈能天线按品字形紧密错位排列而成。
6.根据权利要求5所述的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，其特征在于，所述直耦杯状微波馈能天线阵列整体安装在金属板(11)上。
7.根据权利要求5所述的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，其特征在于，采用耐高温介质板(12)将直耦杯状微波馈能天线微波辐射口密封，或在阵列天线下端辐照面上整体将所有直耦杯状微波馈能天线遮住。
8.根据权利要求7所述的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，其特征在于，所述耐高温介质板(12)为云母板或聚四氟乙烯板。
9.根据权利要求6所述的直耦杯状微波馈能天线阵列微波加热装置，其特征在于，在金属板(11)下方的直耦杯状微波馈能天线阵列四周设置一防护板(13)。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111109 Termination date: 20141217 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |