CN101448348B - 一种螺旋喇叭状微波馈能天线及其阵列微波加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋喇叭状微波馈能天线及其阵列微波加热装置，涉及微波能应用技术中的微波加热技术。馈能天线中，锥形喇叭筒体(15)通过喇叭天线底板(17)偏心安装在磁控管(12)上；螺旋天线(14)安装于磁控管(12)的输出天线头(13)上。螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，微波馈能天线阵列由多个螺旋喇叭状微波馈能天线(1)按品字形错位排列而成，所有螺旋喇叭状微波馈能天线(1)辐射端口朝上。本发明的螺旋喇叭状微波馈能天线提高了微波功率输出效率；本发明的螺旋喇叭状微波馈能天线阵列微波加热装置具有更高的微波功率输出效率和耦合效率、加热均匀、排湿通畅、提高了磁控管的工作可靠性及寿命，节省了设备的生产和维护成本。

Description

一种螺旋喇叭状微波馈能天线及其阵列微波加热装置
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。
背景技术
在微波能应用技术领域中，广泛使用着国际微波能协会(IMPI)推荐的两个主要频段，即915MHz及2450MHz频段。数十年来，人们已创制和生产出许多供物料加热、升温、脱水、干燥、灭菌、煮白、膨化、合成、萃取、硫化、脱硫等应用的各种箱型或隧道型微波加热应用器，以适应逐炉断续生产和连续性生产的不同需求。在连续性生产的各种隧道型多模腔式应用器中，又分为大功率单管馈能式及数量众多的小功率磁控管分布馈能式两种结构，前者需要数十千瓦甚至一百千瓦的工业专用的大功率连续波磁控管，其价格昂贵(单管价每只为一至二万元人民币)；而分布馈能的小功率磁控管，可采用廉价的微波炉用磁控管(每瓦输出功率不足0.1元人民币)。因此，长期以来，设备制造商们更乐于采用后一分布馈能方案，从而生产出各种结构和功能的隧道型多模腔式微波应用器，但其设计思想及总体结构几乎千篇一律，都采用微波源从传送带上方顶部向下面传送帶上物料辐射微波功率，达到加热等各种目的。由于管子众多(少的几只，多的数十，数百甚至上千只)，模式单一，各辐射口附近极易产生电磁互耦现象，导致各相邻磁控管输出功率的下降，耦合效率降低，严重时会使磁控管损坏；另一方面，加热过程中物料中排出的湿气及其它挥发物，只能从侧面开孔抽风排湿，效率不高，效果不好，过量湿气等污染物一旦向上进入顶部磁控管的馈能端口，极易导致管外或管内打火、跳模等弊端，缩短磁控管工作寿命，甚至损坏电源。因此，寻找一种既可改善加热时的均匀性，同时又可提高磁控管的输出功率和耦合效率，亦能大力提高排湿效能的新型微波应用器就具有重要的学术上和实用上的价值和意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种螺旋喇叭状微波馈能天线，该天线比现有的微波加热装置中的微波馈能天线具有更高的微波功率输出效率。本发明的另一目的是提供一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，该装置比现有的阵列微波加热装置具有更高的微波功率输出效率和耦合效率，能够改善微波加热的均匀性，使得排湿通畅，还能使湿气、物料等污染物无法进入微波加热装置的微波馈能天线内，从而提高磁控管的工作可靠性及寿命，节省设备的生产和维护成本。
本发明技术方案如下：
一种螺旋喇叭状微波馈能天线，如图1所示，包括磁控管12、螺旋天线14，锥形喇叭筒体15，金属匹配销钉16和喇叭天线底板17。所述锥形喇叭筒体15与喇叭天线底板17相互焊接。所述锥形喇叭筒体15通过喇叭天线底板17偏心安装在磁控管12的法兰盘上。所述螺旋天线14安装于所述磁控管12的输出天线头13上，所述螺旋天线14的中心轴线与所述锥形喇叭筒体15的中心轴线相重合。所述喇叭天线底板17上，以所述锥形喇叭筒体15的中心轴线为对称轴，与所述磁控管12的输出天线头13对称安装有一金属匹配销钉16。
对于上述螺旋喇叭天线的微波加热器的螺旋天线14，其螺旋线的绕向为左旋或右旋两种不同方式；对于所述金属匹配销钉16在所述喇叭天线底板17上的安装方式为焊接方式；对于锥形喇叭筒体15和喇叭天线底板17，其材质为金属，如不锈钢、铝及铝合金或铜等；对于金属匹配销钉16，其材质可采用不锈钢、铝及铝合金或铜等。
一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，如图2所示，包括微波馈能天线阵列、天线阵列安装板3、多模腔微波加热炉体5、微波抑制器6、物料传输带7、多孔金属隔板8、排湿抽风通道9、传送帶滚轮10和设备机架11。所述微波馈能天线阵列由多个前述螺旋喇叭状微波馈能天线1沿物料传输帶7行进方向按品字形错位排列而成(如图3所示)，所有螺旋喇叭状微波馈能天线1辐射端口朝上，相邻的螺旋喇叭状微波馈能天线1的螺旋天线14的绕向相反，整个微波馈能天线阵列安装在天线阵列安装板3上。所述物料传输帶7可通过所述传送帶滚轮10围绕微波馈能天线阵列运动，并在微波馈能天线阵列上方保持水平状态。所述多模腔微波加热炉体5位于所述物料传输帶7上方，多模腔微波加热炉体5内上方水平安装有多孔金属隔板8，多模腔微波加热炉体5顶部具有排湿抽风通道9。多模腔微波加热炉体5、多孔金属隔板8与天线阵列安装板3共同形成微波多模腔。在多模腔的物料进出口处安装有防止微波泄漏的微波抑制器6。所述天线阵列安装板3、多模腔微波加热炉体5和传送帶滾轮10安装于设备机架11上。
上述螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，所述多模腔微波加热炉体5的侧壁上可开观测孔以光测腔内物料加热情况；所述微波馈能天线阵列的喇叭口上最好覆盖一耐高温的介质板4(如云母板)，以防止湿气、物料等污染物进入微波加热装置的微波馈能天线内；所述天线阵列安装板3、多模腔微波加热炉体5和多孔金属隔板8宜采用不锈钢板制作。
需要说明的是，上述螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，所述微波馈能天线阵列的长度和宽度可以根据具体需要加热的物料而具体设计，没有固定的方式。
本发明具有以下特点：
1、本发明所提供的螺旋喇叭状微波馈能天线，由于采用了与磁控管直接耦合的圆极化螺旋喇叭天线，使得辐射出来的电磁波的电场方向不是固定不变而是高速旋转的，从而能够有效提高天线微波功率输出效率，并在一定程度上降低端口电磁波相互耦合现象。
2、本发明所提供的螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，由于采用相邻喇叭天线内螺旋线反向绕制原则，进一步降低了端口电磁波相互耦合现象。且这种圆极化电磁波(左旋波及右旋波)相邻时不会产生相互干扰，且对于随机杂乱堆放的杆状物料加热时，可以达到均匀加热的效果。而不像线极化的电磁波那样只对与电场平行的杆状物才能加热，而不会对与电场垂直的杆状物加热，从而无法达到均匀一致的加热效果。
3、本发明所提供的螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，由于采用了品字形错位排列形成的天线阵列，能够改善加热时的均匀性。
4、本发明所提供的螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，由于采用底部向上馈能的方式，能够避免湿气等挥发及污染物进入微波馈能天线内，从而有利于提高微波馈能天线的寿命和可靠性，并有利于降低设备维护成本，同时又有助于提高抽风排湿的效果。
附图说明
图1为本发明提供的一种螺旋喇叭状微波馈能天线的结构示意图。
图2为本发明提供的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置结构示意图。
图3为本发明提供的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的排列方式示意图。其中m为奇数列，n为偶数列
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的说明
本实施案例各部分具体参数和尺寸如下：
本实施案例是根据微波源的工作频率为2450MHz设计的，螺旋喇叭天线(见图2)中的外壳采用铝或不锈钢材料制造，喇叭天线底板17半径为42mm，锥形喇叭筒体15顶端喇叭口半径为80mm，锥形喇叭筒15高度为170mm；螺旋天线14的螺旋半径为32mm，螺旋天线14的螺旋丝半径为2mm、螺距为40mm、圈数3.5圈；磁控管输出天线头13直径为17mm、离底板高度为6mm、中心离喇叭轴线距离为21mm；匹配销钉16半径为8.5mm，离喇叭天线底板17高度为20mm。
本案例的螺旋喇叭状微波馈能天线设计中，选择螺旋天线14的螺旋直径与波长之比为D/λ＝0.524即大于0.46，这种情况下，微波辐射波束呈圆锥形，传送帶离喇叭口较近，属近区工作范围，因此得到环状的场分布图形，这种场形保证了加热的均匀性。该喇叭天线经电磁仿真计算，得到天线输入端的输入驻波比为S11＝—30dB，即SWR＝1.065，这与网络仪实际测到的非常符合，这使得磁控管与天线的耦合效率的理想值在99％以上。
螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中，各螺旋喇叭状微波馈能天线按品字形错位排列(见图3)时的行距与列距均为180mm，喇叭口离传送帶距离为200至250m。根据传送带宽度在横向可排列3至10个，甚至更多的喇叭天线。在纵向(沿传送帶行进方向)则根据多模腔的纵向长度确定其列数。
螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置中隧道型多模腔炉腔的尺寸(长*宽*高)(见图2)应根据物料大小，形状，含水量，单位时间产量，微波功率密度等综合指标设计确定，该炉腔的技术设计工作与传统馈能结构的设计类似，本案例不再进行说明。
由上述参数喇叭天线组成的错位排列阵列，同时由于圆极化波的高速旋转，这就保证了物料在移动过程中被加热时的均匀性，并且由于互耦现象的减弱或排除，使得每个天线的耦合效率大为提高，既增大了单管的输出功率，也增大了天线阵列的总输出功率，同时由于排湿通暢方便，炉腔内打火几率大为降低，保证了设备的可靠安全运行。

Claims (9)

1.一种螺旋喇叭状微波馈能天线，包括磁控管(12)、螺旋天线(14)，锥形喇叭筒体(15)，金属匹配销钉(16)和喇叭天线底板(17)；
其特征在于：所述锥形喇叭筒体(15)与喇叭天线底板(17)相互焊接；所述锥形喇叭筒体(15)通过喇叭天线底板(17)偏心安装在磁控管(12)的法兰盘上；所述螺旋天线(14)安装于所述磁控管(12)的输出天线头(13)上，所述螺旋天线(14)的中心轴线与所述锥形喇叭筒体(15)的中心轴线相重合；所述喇叭天线底板(17)上，以所述锥形喇叭筒体(15)的中心轴线为对称轴，与所述磁控管(12)的输出天线头(13)对称安装有一金属匹配销钉(16)。
2.根据权利要求1所述的螺旋喇叭状微波馈能天线，其特征在于，所述螺旋天线(14)的绕向为左旋或右旋方式。
3.根据权利要求1所述的螺旋喇叭状微波馈能天线，其特征在于，所述锥形喇叭筒体(15)、喇叭天线底板(17)和匹配销钉(16)的材质为不锈钢、铝及铝合金或铜。
4.根据权利要求1所述的螺旋喇叭状微波馈能天线，其特征在于，所述喇叭天线底板(17)半径为42mm，锥形喇叭筒体(15)顶端喇叭口半径为80mm，锥形喇叭筒(15)高度为170mm；所述螺旋天线(14)的螺旋半径为32mm，螺旋天线(14)的螺旋丝半径为2mm、螺距为40mm、圈数3.5圈；所述磁控管输出天线头(13)直径为17mm、离底板高度为6mm、中心离喇叭轴线距离为21mm；所述匹配销钉(16)半径为8.5mm，离喇叭天线底板(17)的高度为20mm。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，包括微波馈能天线阵列、天线阵列安装板(3)、多模腔微波加热炉体(5)、微波抑制器(6)、物料传输带(7)、多孔金属隔板(8)、排湿抽风通道(9)、传送带滚轮(10)和设备机架(11)；所述微波馈能天线阵列由多个前述螺旋喇叭状微波馈能天线(1)沿物料传输带(7)行进方向按品字形错位排列而成，所有螺旋喇叭状微波馈能天线(1)辐射端口朝上，相邻的螺旋喇叭状微波馈能天线(1)的螺旋天线(14)的绕向相反，整个微波馈能天线阵列安装在天线阵列安装板(3)上；所述物料传输带(7)可通过所述传送带滚轮(10)围绕微波馈能天线阵列运动，并在微波馈能天线阵列上方保持水平状态；所述多模腔微波加热炉体(5)位于所述物料传输带(7)上方，多模腔微波加热炉体(5)内上方水平安装有多孔金属隔板(8)，多模腔微波加热炉体(5)顶部具有排湿抽风通道(9)；多模腔微波加热炉体(5)、多孔金属隔板(8)与天线阵列安装板(3)共同形成微波多模腔；在多模腔的物料进出口处安装有防止微波泄漏的微波抑制器(6)；所述天线阵列安装板(3)、多模腔微波加热炉体(5)和传送带滚轮(10)安装于设备机架(11)上。
6.根据权利要求5所述的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，其特征在于，所述多模腔微波加热炉体(5)的侧壁上开有观测孔。
7.根据权利要求5所述的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，其特征在于，所述微波馈能天线阵列的喇叭口上覆盖一耐高温的介质板(4)。
8.根据权利要求7所述的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，其特征在于，所述耐高温的介质板(4)为云母板。
9.根据权利要求5所述的一种螺旋喇叭状微波馈能天线阵列的微波加热装置，其特征在于，所述天线阵列安装板(3)、多模腔微波加热炉体(5)和多孔金属隔板(8)采用不锈钢板制作。
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