CN101749757B - 微波炉预定模式切换 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波炉预定模式切换。一种用微波加热装载物的微波炉和方法。所述微波炉包括适于接收装载物的腔体。所述腔体被设计以支持至少两种预定模场。对于每种预定模场而言，已知所述腔体中的谐振频率。所述微波炉还包括用以经由至少一个馈送端口将微波馈送进腔体内的频率可控的微波源。所述方法包括测量从所述腔体反射的信号的步骤和基于测得信号识别所述腔体中的谐振频率的步骤，所述信号是微波源的工作频率的函数。所述方法还包括基于已知谐振频率从所述识别出的谐振频率中选出用于所述预定模式的至少两个谐振频率的步骤，和用所述选出的频率切换所述微波源的工作频率的步骤。本发明的优点在于使得能够对腔体中的所述装载物进行均匀加热。

Description

微波炉预定模式切换

技术领域

本发明涉及用于对被布置在腔体中的装载物(load)进行加热的微波炉领域，且特别是，本发明涉及适于在模场(mode field)之间切换的微波炉。更具体而言，所述微波炉包括被设计以便支持至少两种预定模式的腔体和被连接至所述腔体的频率可控的微波源。所述微波炉进一步包括用于切换所述微波源的工作频率以便实现均匀加热目的的控制单元。

背景技术

微波加热技术涉及在腔体中馈送微波辐射。当借助于微波炉对以食品形式存在的装载物进行加热时，要考虑多方面因素。这些因素中的绝大多数因素对于所属领域技术人员而言是众所周知的，所述因素例如包括：在使食品吸收最大量的可用微波功率从而达到令人满意的效率的同时，对食品进行均匀加热的需求。

正如所属领域技术人员已公知地那样，不均匀的微波辐射加热可能是由于模场中存在热点(hot spot)和冷点(cold spot)造成的。为了消除或减弱热点和冷点效应，传统的解决方案是在加热过程中用转盘使位于微波炉腔体中的装载物产生旋转，或者是使用所谓的“模式搅拌器(mode stirrer)”连续改变腔体内的模式图像(pattern)。这些技术的缺点在于无法充分满足加热均匀性的要求且在这些技术中涉及到了旋转或移动部件的使用。

另一种可选方式是，在美国专利US5632921中，披露了一种微波炉，其中在第一馈送孔与第二馈送孔之间存在二次布置，且在来自被连接至该第一馈送孔的第一波导馈送装置的微波输入与来自被连接至该第二馈送孔的第二波导馈送装置的微波输入之间存在九十度的相移，这种微波炉旨在在腔体中产生旋转微波图像，由此实现更均匀的加热。然而，其缺点在于，这种微波炉需要相当先进的结构才能将微波馈送至微波炉的腔体且需要非标准的腔体设计。

因此，需要提供能够克服上述这些问题的新的方法和装置。

发明内容

本发明的一个目的在于完全或部分地克服现有技术的上述不利和缺点并且为上面的技术和现有技术提供一种改进的可选方式。

总的说来，本发明的目的是提供一种改善了加热均匀性的微波炉。

本发明的该目的和其它目的是通过一种具有在独立权利要求中限定出来的特征的方法和微波炉实现的。本发明的优选实施例的特征之处在于这些独立权利要求。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种根据权利要求1所述的微波炉。所述微波炉包括腔体和频率可控的微波源。所述腔体适于接收将要被加热的装载物(物体、物质或食品)。所述腔体被设计以便支持至少两种预定模式(或模场)。对于每种预定模式而言，所述腔体中的谐振频率是已知的。进一步地，所述微波炉包括频率可控的微波源，所述微波源被连接至所述腔体以便经由至少一个馈送端口将微波馈送进入所述腔体内。所述微波炉进一步包括适于测量(或用于测量)从所述腔体反射的信号(以便改变产生的微波的频率)的测量单元，所述信号与所述微波源的工作频率呈函数关系。进一步地，所述微波炉包括控制单元，所述控制单元被连接至所述微波源且适于基于所述测得的信号识别所述腔体中的谐振频率。所述控制单元进一步适于基于所述已知谐振频率从所述识别出的谐振频率中选出用于所述预定模式的至少两个谐振频率，并且用所述选出的频率切换所述微波源的工作频率。

根据本发明的第二方面，提供了一种用根据权利要求14所述的微波对装载物进行加热的方法。所述方法包括提供适于接收所述装载物的腔体的步骤。所述腔体被设计以便支持至少两种预定模式(或模场)。对于每种预定模式而言，所述腔体中的谐振频率是已知的。所述方法进一步包括提供频率可控的微波源以便经由至少一个馈送端口将微波馈送进入所述腔体内的步骤。所述方法进一步包括测量从所述腔体反射的信号的步骤和基于所述测得的信号识别所述腔体中的谐振频率的步骤，所述信号与所述微波源的工作频率呈函数关系。所述方法进一步包括基于所述已知谐振频率从所述识别出的谐振频率中选出用于所述预定模式的至少两个谐振频率的步骤。随后用所述选出的频率切换所述微波源的工作频率。

根据本发明的第三方面，提供了一种可被载入根据本发明的第一方面的微波炉内的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于导致所述微波炉的处理器件实施根据本发明的第二方面的步骤的软件编码部分。特别是，所述计算机程序产品被限定以便导致所述处理器件实施所述测量步骤、所述识别步骤、所述选择步骤和所述切换步骤。

本发明利用了这样一种认知，即微波腔体可被设计以便支持预定模式或模场，所述预定模式或模场随后可在所述微波炉的工作过程中被识别以便控制(切换)所述微波辐射源的频率。特别是，本发明基于这样的理解，即可使用频率可控的微波源在两种模式或模场之间切换。本发明的所述方法和微波炉的优点在于：由于所述腔体被设计用于预定模式(即已知谐振频率)，因此可在所述测得的信号的所有可能的反射率最小值(reflection minima)中迅速识别并选择所述微波炉的工作频率。

有利地，所述腔体被设计以便支持导致产生互补加热图像的至少两种模式或模场，由此在所述腔体中提供均匀加热。用于进行切换的频率因而提供了互补的加热图像，从而使得通过第二加热图像(或第二模式)补偿了第一加热图像(或第一模式)中热点和冷点的存在。换句话说，可通过第二模场的加热图像消除或至少减弱第一模场中热点和冷点的效应，即腔体中热点和冷点的存在。结果是，本发明提供了一种改进了加热均匀性的微波炉。

在所述模式之间进行的所述切换可被认为导致在所述腔体中产生了类似旋转的模场，特别是如果所述腔体被设计以便支持两种以上模式的情况下更是如此。

所述控制单元因此有利地适于选择导致产生了互补加热图像的频率。由于模式会例如由于装载物产生的变化(例如几何形状、重量或状态产生的变化)而被扭曲，因此所述控制单元可适于确定，在从所述测得的信号中识别出来且对应于预定模式的谐振频率中，哪个谐振频率可用于进行馈送。

本发明的有利之处还在于：其可被实施于具有标准设计和/或带有标准馈送结构的微波炉中。

本发明的有利之处还在于：其不需要任何移动或旋转部件，由此提供了一种机械上可靠的微波炉。

进一步地，本发明的有利之处在于，其提供了一种改进了能量效率的微波炉，原因在于该微波炉的工作频率对应于所述测得的信号中的反射率最小值。

所述腔体可被设计以使得，在与第一预定模式相对应的加热图像中出现的热点和冷点并不对应于在与第二预定模式相对应的加热图像中出现的具有相同位置的热点和冷点。优选地，第一模场中的热点和冷点可分别由第二模场中的冷点和热点直接补偿。换句话说，与第一模场中的热点或冷点相对应的腔体位置并不分别对应于第二模场中的热点或冷点。尽管上面仅描述了用于两个模场的情况，但本发明还可被实施用于两个以上的模场，由此在两个以上的值之间切换所述微波源的频率。

进一步地，对于特定的腔体设计而言，其模式会例如由于装载物产生的变化(例如几何形状、重量或状态产生的变化)而被扭曲。如果装载物产生变化，则可在另一谐振频率处获得以扭曲形式存在的与已知谐振频率相对应的预定模式。

根据一个实施例，所述控制单元适于通过将所述识别出的谐振频率与预定模式的所述已知谐振频率进行比较的方式选出用于所述预定模式的谐振频率。另一种可选方式是，所述控制单元可适于通过使所述识别出的谐振频率与代表预定模式的所述已知谐振频率的频率间隔相匹配的方式选出用于所述预定模式的谐振频率。如果发现识别出的谐振频率处于代表已知谐振频率或预定模式的频率间隔内，则认为所述识别出的谐振频率对应于所述预定模式。进一步地，根据所述扭曲情况，所述控制单元可选择是否使用所述识别出的频率进行馈送。严重的扭曲可能表明优选并不使用这种扭曲的模式进行馈送，所述严重的扭曲例如为：由于所述腔体中产生的变化而导致在所述测得的信号中的与预定模式相对应的反射率最小值频率中出现了较大程度的切换。

应该意识到：在由所述测量单元测得的所述反射信号中识别出来的所述谐振频率是与所述测得的信号中的反射率最小值相对应的频率。有利地，所述控制单元可适于识别出反射率最小值低于预定值的那些谐振频率，从而使得仅需要对有限数量的谐振频率进行分析。

根据一个实施例，基于预定的烹饪功能和/或预定装载物来选择用于进行馈送的频率，这样做的有利之处在于：各种烹饪功能和/或各种类型的装载物可能需要不同的加热类型，即不同的模场类型。可以设想，对于特定的烹饪功能而言，所述预定模式中的一些模式比其它预定模式更为适合。例如，对于液体装载物(例如汤)、冷冻装载物(例如肉)和爆米花(感受体)来来说，可通过选择用于每种装载物类型的最优模式的方式分别对它们进行更高效地加热。

根据又一实施例，所述微波炉可进一步包括用于存储所述已知谐振频率和/或代表所述已知谐振频率的频率间隔的存储介质。特别是，所述存储介质可被实施为查阅表，在所述查阅表中，在所述已知谐振频率与预定烹饪功能之间或者在所述已知谐振频率与预定装载物之间建立起了对应关系。进一步地，所述存储介质还可存储与多种众所周知(或者典型)的装载物相对应的完整的反射特性(或反射信号)，所述反射特性与所述特定腔体的频率呈函数关系。

一旦所述控制单元已选出了所述微波源的工作频率，则可实施在所述选出的频率之间进行切换的算法。所述算法中的参数可取决于预定烹饪功能和/或预定装载物。所述烹饪功能或装载物类型可以是由使用者限定的参数输入，所述参数例如是借助于微波炉上的旋钮输入的。

根据一个实施例，所述控制单元可适于调节选自以下参数组群中的至少一个参数，所述参数组群包括在工作周期中的所述选出的频率的序列顺序、在用于切换的所述频率中的每个频率下的工作时间、以及在用于切换的所述频率中的每个频率下的所述微波源的输出功率水平。

所述微波源可以是任何频率可调(或频率捷变)的微波源。特别是，所述微波源可以是基于固态的微波发生器，所述微波发生器包括半导体元件。

通过研究以下详细披露内容、附图和所附权利要求书将易于理解本发明的进一步的目标、特征和优点。所属领域技术人员将可以认识到：本发明的不同特征可进行组合以便产生除下文描述的那些实施例以外的实施例。

附图说明

通过下面对本发明的优选实施例进行的示例性且非限制性的详细描述并结合附图将更好地理解本发明的上述以及附加的目的、特征和优点，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的微波炉；

图2示意性地示出了测量单元的一个实例；

图3是框图，图中示出了根据本发明的一个实施例的微波炉的整体功能；

图4a是曲线图，图中示出了取自理想点源(在数值研究过程中使用的假想源)的电流与频率的函数关系，这是一种研究给定腔体中的理论谐振频率的便利方式；

图4b示出了从顶部开口进行激励的模式TM411的反射特性和从腔体中的左壁进行激励的模式TM312的反射特性，所述腔体例如为结合图9示出和描述的腔体，且借助于在每个波导中引入调谐元件的方式使馈送波导相匹配；

图5a是腔体的水平剖面中的示意性三维(3D)视图，该腔体中没有装载物，该腔体的尺寸为280×228×169mm，模式为TM₄₁₁，激励频率为2408.5MHz；

图5b是与图5a所示视图相对应的示意性二维(2D)视图；

图6a是图5a所示腔体的垂直剖面中的示意性3D视图，模式为TM₄₁₁，激励频率为2408.5MHz；

图6b是与图6a所示视图相对应的示意性2D视图；

图7a是图5a所示腔体的水平剖面中的示意性3D视图，模式为TM₃₁₂，激励频率为2481.3MHz；

图7b是与图7a所示视图相对应的示意性2D视图；

图8a是图5a所示腔体的垂直剖面中的示意性3D视图，模式为TM₃₁₂，激励频率为2481.3MHz；

图8b是与图8a所示视图相对应的示意性2D视图；

图9示意性地示出了根据本发明的另一实施例的微波炉的腔体；

图10是图9所示腔体的水平剖面中的扭曲场图的示意图，且布置在腔体中的装载物的介电常数ε＝4-j2，模式为TM₄₁₁；

图11是图10所示腔体模式中的处于装载物上表面处的加热图像的示意图；

图12是图9所示腔体的水平剖面中的扭曲场图的示意图，且布置在腔体中的装载物的介电常数ε＝4-j2，模式为TM₃₁₂；

图13是图12所示腔体模式中的处于装载物上表面处的加热图像的示意图；

图14是从图9所示腔体中的TM₄₁₁模式中获得的处于装载物上表面处的水平平面中的加热图像的示意图，且装载物的介电数据ε＝40-j8；

图15是从图9所示腔体中的TM₃₁₂模式中获得的处于装载物上表面处的加热图像的示意图，且装载物的介电数据ε＝40-j8；和

图16是根据本发明所述的方法的概略图。

所有这些附图都是示意性的，并不一定是按比例进行绘制的，且图中通常仅示出了阐明本发明所必需的部件，其中可省略或仅建议性地示出其它部件。

具体实施方式

参见图1，图中示出了具有根据本发明的一个实施例的特征和功能的微波炉100。

微波炉100包括由包封表面限定出的腔体150。腔体150的其中一个侧壁可装配有门155，该门使得能够将装载物，如食品，引入腔体150中。进一步地，腔体150设有至少一个馈送端120，通过所述馈送端口将微波馈送至微波炉100的腔体150。腔体150大体上由金属制成。

尽管结合图1所述的微波炉100具有矩形包封表面，但应该意识到：微波炉的腔体并不限于这种形状且可例如具有圆形剖面。

微波炉100进一步包括频率可调的微波源110，所述微波源借助于传输线或波导130被连接至腔体150的馈送端120。该传输线可以例如为同轴缆线。

尽管结合图1所述的腔体150包括一个以上的用于将微波传输进入腔体150内的馈送端口(孔)，但腔体150也可设置单个馈送端口。进一步地，还设置了用于将微波从微波源110导引至馈送端120的馈送结构。该馈送结构可包括至少一个主波导或传输线130且可选地可包括从主波导或传输线130上分支出来的多个次级波导或传输线135，以便将微波从微波源110导引至一个或多个馈送端口120。

进一步地，微波炉可包括切换装置160，每个切换装置与馈送端口120相关联，且被布置在传输线130中以便停止向相应的馈送端口120进行的馈送。

根据一个实施例，微波源110是基于固态的微波发生器，所述微波发生器例如包括碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)部件。其它半导体部件也可适于构成微波源110。除了使得可能控制所产生的微波的频率以外，基于固态的微波发生器的优点还包括使得可能控制发生器的输出功率水平且具有固有的窄带特征。由基于固态的发生器发射出的微波的频率通常构成了较窄的频率范围，如2.4GHz至2.5GHz。然而，本发明并不限于该频率范围且该基于固态的微波源110可适于在以915MHz为频率中心的频率范围内进行发射，该频率范围例如为875-955MHz，或者可也使用任何其它的适当频率范围(或带宽)。本发明例如可应用于具有915MHz、2450MHz、5800MHz和22.125GHz的中频的标准源。另一种可选方式是，微波源110可以是频率可调的磁控管，例如文献GB2425415中披露的磁控管。

根据本发明，腔体150被设计以便支持至少两种预定模式或模场(在下文中仅被称作模式)。对于每种预定模式而言，腔体150中的谐振频率是已知的。在工作过程中，已知谐振频率被用作用于确定被传输至腔体150的频率的基准值，即被用作用于确定微波源110的工作频率的基准值。

进一步地，微波炉100包括用于测量，或者适于测量，从腔体150反射的信号的测量单元(或器件)162，所述反射信号与微波源110的工作频率呈函数关系。被传输至腔体的微波可被装载物吸收、被腔体的元件吸收或者被腔体中存在的其它物体吸收、或者从腔体(或馈送端口)反射回来。由测量单元162测得的反射信号代表了从腔体150反射的辐射。例如，切换装置160可包括用于测量从馈送端口120反射的微波功率的测量单元162。这种测量的结果随后被传输至控制器件或单元180(下文会对其进行更详细地描述)，所述控制器件或单元使用该测量结果控制由微波源110产生的微波的频率(即控制微波源110的工作频率)。实际上，如果与腔体150之间并未实现完美联接的话，则一些微波功率将通过馈送端口120被反射回来，被反射进入传输线130内。对是否与腔体150之间存在令人满意的联接进行控制的一种有利且因此优选的方式是，测量从馈送端口120反射的功率，这例如是在切换装置160处进行的。应该意识到：在馈送端口处反射的信号水平可取决于被传输的微波的频率。图2示出了如何在设置了一个馈送端口120的情况下进行这种测量的优选实例，所述馈送端口包括位于水平面中的狭槽183。定向联接器181被布置在与位于狭槽183上方的传输线130相邻的位置处，所述传输线位于所述狭槽上游。定向联接器181的存在形式为与传输线130平行地延伸穿过一定距离的线路，所述一定距离与传输线130中的波导的波长的四分之一相对应。因此将借助于该定向联接器181检测到在狭槽183上游传播的潜在微波功率，且随后可通过已公知的方式测量该功率。

另一种可选方式是，或除了上述方式以外，为了直接测量腔体中的谐振，测量单元162可以是探针，所述探针包括位于其末端处的用于感测从腔体反射的信号的场传感器。这种探针适当地可用于腔体的设计阶段中。

测量单元162可被整合为控制单元180中的子单元，或者被布置为被连接至控制单元180的独立单元。

进一步地，微波炉100包括用于控制微波源110且由此控制被传输进入腔体150内的微波的性质(如频率和功率)的控制单元180。控制单元180被连接至微波源110和测量单元162，从而使得微波源110使其频率扫过可允许的带宽且测量单元162测量从腔体150反射的信号。控制单元180适于基于由测量单元162测得的信号来识别腔体150中的谐振频率。就这方面而言，识别出的谐振频率是与测得的信号中的反射率最小值相对应的频率。特别是，控制单元180可适于识别出反射率最小值低于预定值(或阈值)的那些谐振频率。使用阈值的有利之处在于：控制单元180减去了其中一些反射率最小值，由此减少了需要进一步分析的反射率最小值数量。

控制单元180进一步适于基于已知谐振频率从识别出的谐振频率中选出与腔体150的预定模式相对应的至少两个频率。例如，控制单元180可适于基于已知谐振频率从识别出的谐振频率中选出与腔体150的预定模式中的每种模式相对应的至少一个频率。

在第一种其它可选方式中，控制单元180可适于通过将识别出的谐振频率与预定模式的已知谐振频率进行对比的方式来选择频率。如果识别出的谐振频率对应于其中一个已知谐振频率，则可获得处在该识别出的谐振频率下的其中一种预定模式，即与该已知谐振频率相对应的模式。然而，如果用于预定模式的该已知谐振频率是在空腔的情况下确定得出的话，则由于腔体中装载物的存在会导致模式图像产生扭曲，因此在已知谐振频率值与识别频率值之间会出现不匹配的情况。进一步地，与频率呈函数关系的反射信号还可取决于装载物的状态(或状况)，即，如果装载物产生变化的话，则不会在同样的频率下观察到反射率最小值。因此，对于特定的预定模式而言，在识别出的谐振频率与已知谐振频率之间可能存在一定程度的差异(不匹配)。在识别出的谐振频率下观察到的所产生的预定模式是扭曲的(扭曲模式)。

在第二种其它可选方式中，控制单元180可适于通过使识别出的谐振频率与代表预定模式的已知谐振频率的频率间隔相匹配的方式来选择与该预定模式相对应的频率。作为一个实例，如果腔体被设计以便支持当腔体为空腔时处在2460GHz的已知谐振频率下的模式的话，则在腔体中布置了装载物的情况下，对于该腔体而言，识别出的例如为2459GHz的谐振频率很可能就与该模式是对应的，但产生了某种程度上的扭曲。相似地，如果腔体被设计以便支持在腔体中布置了典型装载物的情况下处在2460GHz的已知谐振频率下的模式的话，则对于该腔体和处于不同状态下的该装载物而言，处在例如2459GHz下的谐振频率可能就与该模式是对应的，但产生了扭曲。下面还将结合图10-图15对这种扭曲和由于装载物变化带来的效应进行进一步说明。因此，对于被设计以便支持处在2460GHz的已知谐振频率下的模式的这种腔体而言，控制单元可适于在由测量单元162测得的反射信号中在2455-2465GHz的频率间隔内搜索谐振频率。

拉制单元180进一步适于利用选出的频率切换微波源110的工作频率。因此，在被分成多个时间段的工作周期中，被传输至腔体150的微波频率可根据不同的时间段产生变化。根据一个实施例，控制单元180适于基于预定烹饪功能和/或预定装载物选择频率。为此目的，微波炉100可设有如图1中的附图标记190所示的常用按钮和旋钮以便设定例如烹饪功能和装载物类型等工作参数，且设有显示器195。控制单元180有利地适于在导致产生了互补加热图像的所选出的频率之间进行切换。

有利地，腔体被设计以便支持有限数量的模式，从而使得腔体中的谐振频率，或反射信号中的反射率最小值，被很好地分离开来。实现充分的频率分离是有利的，原因在于这有利于识别出测得的信号中的谐振频率或模式。通常情况下，如果腔体尺度(即尺寸)增加的话，则反射率最小值之间的频率分离程度就会下降。在某一点上，即对于具有相对较大尺寸的腔体而言，反射率最小值之间接近到使它们合并在一起的程度且在测得的信号中进行谐振频率的识别也变得较为困难。因此，本发明优选可应用于较小尺寸的腔体，该腔体例如具有标准饭盒的尺寸大小，且典型的装载物重量范围为350g。然而，本发明也可应用于包括这样的腔体的微波炉，该腔体被设计以便支持任意数量的模场。下面将结合图4-图8和图9-图15对其中的两种典型腔体尺度进行描述。总的说来，本发明可应用于包括这样的腔体的微波炉，该腔体被设计以便支持至少两种预定模场。

腔体150中可用模场的数量和/或类型取决于腔体150的设计。腔体150的设计包括腔体150的物理尺寸和腔体150中的馈送端口120的位置。在带坐标系(x、y、z)的图中，腔体150的尺寸大体上由附图标记h、d和w表示，它们分别代表高度、深度和宽度。腔体被设计以使其支持至少两种模式(即，腔体尺寸不算太小)且使得模场的总数量保持在有限程度上以便确保在这些模式之间存在充分的频率分离(即，以便避免不同模式之间的反射率最小值出现合并，或至少将这种合并降至最低限度)。

馈送端口120原则上可被布置在腔体150的任何壁部处。然而，对预定模式而言，馈送端口通常有其最优位置。例如，馈送端口120可被设置在腔体150的侧壁或顶壁处，例如图1所示。进一步地，本发明可以设想使用一个以上馈送端口的实施方式。在这种构型中，可使用第一馈送端口将处于第一频率下的微波馈送进入腔体150内，同时可使用第二馈送端口将处于第二频率下的微波馈送进入腔体150内。还可基于所产生的加热图像选择与特定频率相对应的馈送端口。

通常情况下，在工作循环开始时通过测量单元162测量反射信号，且根据上述方式选择用于进行切换的频率。然而，还可设想的是：测量单元162适于连续地或周期性地监控从腔体150反射的信号，以便动态地(即在工作周期中)选择用于进行切换的频率。测量单元162可适于在由微波源110发送了脉冲之后测量从腔体150反射的信号。为了使与工作周期相关的测量或者使工作周期内的测量实现同步，微波炉可进一步包括时钟系统。

图3以框图的形式进一步示出了本发明的微波炉的总体功能。发生器110将微波馈送至腔体150。通过测量单元162测量从腔体150反射的信号并将测得的信号传输至控制单元180。控制单元180可包括用于对测得的信号进行分析的处理器185，且控制单元可提取(或识别)出与反射率最小值相对应的谐振频率。控制单元180进一步包括用于存储已知谐振频率的存储介质186。处理器180可使用该已知谐振频率从所述提取或识别出的谐振频率中选出两个或多个频率来控制微波源110。如上所述，本发明的基本认识是如何在测得的信号中从多个频率中选出与反射率最小值相对应的频率。随后可根据算法对微波源110的工作频率进行调节，其中在工作周期中，在第一时间段T1内，微波源110在第一频率F1下工作，且在第二时间段T2内，微波源在第二频率F2下工作。除了测得的反射以外，算法参数的最优还可能取决于使用者给出的参数。如上所述，控制单元180还可包括时钟系统187。

下面将对支持有限数量的模式的腔体150的设计进行描述。

在充气的腔体中，基于用于计算众数谐振频率的公式，等式1，来计算腔体尺寸：

$f=\frac{c}{2}\·\sqrt{{\left(\frac{n}{w}\right)}^2+{\left(\frac{m}{d}\right)}^2+{\left(\frac{p}{h}\right)}^2}$ (等式1)

其中n是宽度尺寸的众数指数(mode index)，m是深度尺寸的众数指数，p是高度尺寸的众数指数，在例如图1所示的(x、y、z)坐标系中，w、d和h分别是沿方向x、方向y和方向z的腔体宽度、腔体深度和腔体高度，且c是真空中的光速。众数指数表示腔体尺寸中的半波长数量。

对于支持至少两种预定模式的腔体设计而言，即对于具有两个已知谐振频率的腔体而言，对其中一个腔体尺寸进行了赋值。在本实例中，宽度w的赋值为0.280m。腔体被选择以便支持处在2.410GHz的第一频率下的第一模式和处在2.485GHz的第二频率下的第二模式。这两个选出的频率还被称作第一已知频率和第二已知频率。应该意识到：本实施例中使用的宽度w的值和谐振频率的值仅是多种可能的值中的一些实例，且在本发明的范围内还可使用其它值。

通常情况下，该频率是在允许的频率带宽内选择的，在本实例中是在2.4GHz与2.5GHz之间选择的。所选出的频率优选具有充分的分离程度，从而使得反射率最小值不会合并。换句话说，所选出的频率优选使得：尽管与这些频率相对应的模式可能变得扭曲，但反射率最小值仍保持分离状态且保持可识别的状态。下面将结合图10-图15对扭曲效应进行进一步说明。进一步地，所选出的两个频率之间的分离又是有限的，从而使得在腔体中存在装载物或者在腔体中产生变化或者腔体中布置的装载物产生变化的情况下，反射率最小值仍被包括在允许的频率带宽内。如果选出的两个频率与允许的带宽的边界(例如2.4GHz和2.5GHz)离得过近，则会出现这样的风险，即，在腔体中存在装载物的情况下，相应的模式将会被识别于这样的反射率最小值处，该反射率最小值对应于处于允许的带宽之外的频率(例如低于2.4GHz)。

真空中的光速被认为等于299792458m/s。本发明还为这两种预定模式选择了值得关注的众数指数。在本实例中，第一模式被选择为TM₄₁₁模式，且第二模式被选择为TM₃₁₂模式。这两种模式还可被分别定义为模式1和模式2，这两种模式的指数n(宽度)、m(深度)和p(高度)分别具有以下值：

模式1(用于第一频率)：n₁＝4；m₁＝1；p₁＝1；且

模式2(用于第二频率)：n₂＝3；m₂＝1；p₂＝2。

随后可根据等式2计算腔体高度：

$z=\sqrt{\frac{{(m_1\×p_2)}^2-{(m_2\×p_1)}^2}{{\left(\frac{2\×m_1\×f_2}{c}\right)}^2-{\left(\frac{m_1\×n_2}{w}\right)}^2-{\left(\frac{2\×m_2\×f_1}{c}\right)}^2+{\left(\frac{m_2\×n_1}{w}\right)}^2}}$ (等式2)

在本实例中，腔体高度因而等于0.169m。

随后可根据等式3计算腔体深度：

$y=\frac{m_2}{\sqrt{{\left(\frac{2\×f_2}{c}\right)}^2-{\left(\frac{n_2}{w}\right)}^2-{\left[\frac{p_2}{\sqrt{\frac{{(m_1\×p_2)}^2-{(m_2\×p_1)}^2}{{\left(\frac{2\×m_1\×f_2}{c}\right)}^2-{\left(\frac{m_1\×n_2}{w}\right)}^2-{\left(\frac{2\×m_2\×f_1}{c}\right)}^2+{\left(\frac{m_2\×n_1}{w}\right)}^2}}}\right]}^2}}$

(等式3)

在本实例中，腔体深度因而等于0.228m。

尽管上面的实例基于具有由笛卡尔坐标限定出的矩形包封表面的腔体，但应该意识到：该谐振条件还可应用于由柱面坐标或球面坐标限定出的包封表面。

进一步地，已经通过经验观察到了用于腔体设计的以下条件：

(m₁×p₂)²＞(m₂×p₁)²            (等式4)

参见图4-图8，图中示出了在具有上述设计(或尺寸)的腔体中实施的模拟试验的结果。腔体150被认为是装满空气的空腔，具有矩形几何形状，宽度为280mm、深度为228mm且高度为169mm。在理论上，对于TM₄₁₁模式而言，该腔体至少在2410MHz下产生谐振，对于TM₃₁₂模式而言，该腔体至少在2485MHz下产生谐振。在本实施例中，微波源110被认为是理想的点状源(即，馈送端口120的位置在本实例中并不重要)。当该点状(集总)源在腔体中驱动谐振时，从该源获取的电流处于最小限度下。图4a的曲线图示出了从腔体反射的信号与采用所谓有限差分探测法(Finite Difference probing)而通过数值研究获得的频率之间的函数关系。如图4a所示，获得了与预定模式的已知谐振频率非常接近的谐振频率，即在2408.5MHz(曲线中的第一反射率最小值R_min1)的频率下和2481.3MHz(曲线中的第三反射率最小值R_min3)的频率下产生了谐振。此外，还在2412.7MHz(曲线中的第二反射率最小值R_min2)的频率下观察到了谐振。因此，在本实例中，控制单元将在对应于R_min1的频率与对应于R_min3的频率之间切换微波频率，原因在于这些频率与两种预定模式是相对应的。

图5-图8示出了当利用处在2408.5MHz和2481.3MHz的频率下的正弦波形对根据上述设计的腔体进行激励时的场图。

图5a和图5b示出了微波炉腔体的水平剖面中的场图(垂直电场)，腔体尺寸为280×228×169mm，模式为TM₄₁₁，激励频率为2408.5MHz。图5a示出了腔体中的场图的三维(3D)视图，而图5b示出了该场图在(x、y)平面中的二维(2D)视图。图中示出了对于在腔体中产生的模式TM₄₁₁而言的垂直电场幅度。具有较大幅度的区域51沿x方向大体上对称地分布，这些区域被具有较小幅度的区域52分开。在这些区域51、52之间，幅度的变化是连续的。应该意识到：模式TM₄₁₁沿x方向呈现出电场的四个最大值(maximum)。

图6a和图6b示出了对于上述同一腔体而言，该腔体的垂直剖面中的场图(垂直电场)，模式为TM₄₁₁，激励频率为2408.5MHz。图6a示出了腔体中的场图的3D视图，而图6b示出了该场图在(y、z)平面中的2D视图。图中示出了对于在腔体中产生的模式TM₄₁₁而言的垂直电场幅度。具有较大幅度的区域61沿z方向大体上对称地分布，这些区域被具有较小幅度的区域62分开。在这些区域61、62之间，幅度的变化是连续的。应该意识到：模式TM₄₁₁沿z方向呈现出电场的两个最大值。

图7a和图7b示出了对于上述同一腔体而言，该腔体的水平剖面中的场图(垂直电场)，模式为TM₃₁₂，激励频率为2481.3MHz。图7a示出了腔体中的场图的3D视图，而图7b示出了该场图在(x、y)平面中的2D视图。图中示出了对于在腔体中产生的模式TM₄₁₁而言的垂直电场幅度。具有较大幅度的区域71沿z方向大体上对称地分布，这些区域被具有较小幅度的区域72分开。在这些区域71、72之间，幅度的变化是连续的。应该意识到：模式TM₃₁₂沿x方向呈现出电场的三个最大值。

图8a和图8b示出了对于上述同一腔体而言，该腔体的垂直剖面中的场图(垂直电场)，模式为TM₃₁₂，激励频率为2481.3MHz。图8a示出了腔体中的场图的3D视图，而图8b示出了该场图在(y、z)平面中的2D视图。图中示出了对于在腔体中产生的模式TM₄₁₁而言的垂直电场幅度。具有较大幅度的区域81沿z方向大体上对称地分布，这些区域被具有较小幅度的区域82分开。在这些区域81、82之间，幅度的变化是连续的。应该意识到：模式TM₃₁₂沿z方向呈现出电场的三个最大值。

图5-图8所示的场图清楚地表明：具有上述设计(尺寸为280×228×169mm)和预定模式(处在约2480MHz下的TM₃₁₂模式处在约2410MHz下的TM₄₁₁模式)的腔体提供了互补的加热图像，由此导致产生了均匀的加热。该腔体被设计以使得：第一模式中的冷点或冷区域(例如区域52和62)对应于第二模式中的热点(例如区域71和81)，且反之亦然。

再次参见图1，例如对于测试新设计的腔体而言，微波炉可进一步包括一排IR传感器200以便测量被置于腔体中的装载物的温度分布。

参见图9-图15，图中示出了本发明的另一实施例。

图9示出了已经利用上面结合等式1-等式4所述的方法设计出来的腔体950。在本实施例中，腔体950具有280mm的宽度w、214mm的深度d和175mm的高度h。腔体设有两个独立的孔或馈送端口以便将微波馈送进入腔体内。腔体被设计以便支持处在接近2410MHz的第一频率下的第一模式TM₄₁₁和处在接近2450MHz的第二频率下的第二模式TM₃₁₂。第一馈送端口920a或顶部波导(z＝h)被置于包封表面上，且位于半宽度(x＝w/2)和半深度(y＝d/2)处，而第二馈送端口920b被置于包封表面上的侧壁处(当打开腔体的门时的左手侧，x＝0)，且位于半高度(z＝h/2)和半深度(y＝d/2)处，例如图9所示。在本实例中，与传播方向垂直的波导尺寸为80×10mm。应该意识到：腔体中馈送端口的位置并不限于本实例中的位置，且馈送端口可位于腔体中的不同位置处。

尽管本实施例的腔体包括两个独立的馈送端口，但应该意识到：本发明并不限于这种实施例，且包括单个馈送端口或者两个以上馈送端口的腔体同样处在本发明的范围内。

用于特定模式的馈送端口优选被置于与该场的最大值相对应的位置处。

进一步地，在本实例中，覆盖该剖面一半的解冻装载物(ε＝4-j2)被设定位于腔体底面上方10mm的位置处。

现在将对结合图9所述的腔体950中的两种预定模式的所产生的场和加热图像进行描述。

图10示出了腔体950的水平剖面中的场图(电场)，模式为TM₄₁₁，激励频率为约2410MHz。与空腔的模式图像(参见图5-图8)的形式相比，被布置在腔体950中的装载物导致模式图像产生了扭曲。如图所示，该模式图像在某种程度上产生了扭曲，且因此，具有较大幅度的区域101和具有相比较而言较小幅度的区域102看起来不同于空腔的情况。将图10所示的场图与图5b所示的长度进行对比就可以清楚地表明场图中的扭曲所产生的效应。图11示出了水平平面中的电场(加热图像)的幅度，该水平平面与装载物(ε＝4-j2)的上侧或上表面处在同一水平高度下，在本实例中该水平平面处于图9所示腔体的底平面上方且与该底平面之间的距离为10mm加上装载物高度。

图12示出了腔体950的水平剖面中的在某种程度上产生了扭曲的场图(电场)，模式为TM₃₁₂，激励频率为约2450MHz。如同TM₄₁₁模式那样，与空腔的模式图像的形式相比，被布置在腔体950中的装载物导致模式图像产生了扭曲。可将图12所示的场图与例如图7b所示的场图进行对比来表明场图中的扭曲所产生的效应。具有较大幅度的区域实例由121表示且具有相比较而言较小幅度的区域实例由122表示。图13示出了水平平面中的电场(加热图像)的幅度，该水平平面与装载物(ε＝4-j2)的上侧或上表面处在同一水平高度下，在本实例中该水平平面处于图9所示腔体的底平面上方且与该底平面之间的距离为10mm加上装载物高度。

可以看到，图10和图12所示的加热图像是相对互补的。因此，通过在如图10和图12所示的两种模场或加热图像之间进行切换，即通过在与这两种模式相对应的频率之间进行切换，可在腔体中获得场的“假拟旋转”，由此导致产生了相当均匀的加热均匀性。应该意识到：实现均匀加热还可能需要对于两种谐振而言获得相当等同的匹配度。在上述实例中，并未考虑腔体与极短的假想波导之间的匹配情况。下面将对该匹配进行更详细地描述。

如果对于该实例中所考虑的装载物，即ε＝4-j2的装载物(例如冻肉末)，而言的两种馈送波导是匹配的，则反射特性例如变为图4b所示的那种特性。

图4b示出了对于从顶部孔920a进行激励的模式TM₄₁₁而言的反射特性(图4b中的虚线)和对于从位于腔体950中的侧壁处的孔920b进行激励的模式TM₃₁₂而言的反射特性(图4b中的实线)，且通过在每个波导中引入调谐元件的方式实现了馈送波导的匹配。对于与顶部孔920a相对应的反射特性而言，识别出的反射率最小值处于约2410MHz的频率下，这对应于TM₄₁₁模式。对于与侧壁孔920b相对应的反射特性而言，识别出的反射率最小值处于约2450MHz的频率下，这对应于TM₃₁₂模式。调谐元件(例如电容型心)是一种伸出的物体，朝向波导凸出，这改变了波导或传输线的局部阻抗。

正如上面所述，装载物由于其介电性质而将改变腔体的电尺寸。介电常数越高，则这种改变将越大。因此，在设计过程中，对于典型的预期装载物而言，即对于例如典型的冰箱冷冻食品部分的有效介电性质而言，需要对一个或多个馈送系统进行调谐。在该过程中，理论腔体尺寸还可根据以下等式按比例略微缩小：

x_res＝x_theory·ξ_x(ε)    等式5

y_res＝y_theory·ξ_y(ε)    等式6

z_res＝z_theory·ξ_z(ε)    等式7

其中0≤ξ_x、ξ_y、ξ_z≤1且ξ_x、ξ_y和ξ_z与装载物的介电性质呈函数关系。通常情况下，仅考虑腔体高度的变化就足够了，即，仅限定ξ_z就足够了。在上述等式中，X_res、Y_res和Z_res分别代表新的或按比例缩小的腔体尺寸值，即宽度、深度和高度(例如参见图1)，且X_theory、Y_theory和Z_theory分别为腔体的宽度、深度和高度的理论计算值。

为了说明装载物变化产生的效应，图14和图15示出了腔体的场图，在所述腔体中布置了这样的装载物，该装载物的介电常数高于结合图10-图13所示的介电常数。在本实例中，具有例如40-j 8的介电常数的装载物，即用于重新加热的一些典型食品，被布置在腔体950中。图14和图15示出了在腔体的水平剖面中的，当分别用TM₄₁₁模式和TM₃₁₂模式对腔体进行激励时，在装载物的上表面处获得的加热图像。将图14所示场图与图15所示场图进行对比可以看出：对于介电数据与典型的再热食品装载物相似的装载物而言，也可获得互补的加热图像。

再次参见图4a，装载物(或装载物的介电常数)产生的变化将导致反射率最小值产生频率偏移。通常情况下，装载物的介电常数ε取决于装载物的本质，例如食品类型，和/或装载物的状态(液体而非固体，或相反)。

进一步地，有利地使用阈值来限制将要由处理器分析的反射率最小值的数量。如图4a中的点源(假想)电流与频率的函数关系图所示，可使用阈值T1来消除或滤掉第二反射率最小值R_min2，该第二反射率最小值并不对应于其中一种预定模式。在本实例中，尽管在测得的信号中存在三个反射率最小值，但处理器仅对两个反射率最小值进行识别和处理。

通常情况下，参见上述实例，在腔体设计过程中选择的优选模场是导致产生了互补加热图像的模场，由此改善了均匀加热。

图16概略性地示出了根据本发明的方法1600的总体步骤。方法1600是在适于接收装载物的腔体150中实施的。该腔体被设计以便支持至少两种预定模式。对于每种预定模式而言，腔体中的谐振频率是已知的。该方法因此包括提供适于接收装载物的腔体的步骤1610。该腔体适于支持至少两种模式，与所述至少两种模式分别相对应的谐振频率是已知的。进一步地，在步骤1620中提供频率可控的微波源以便借助于至少一个馈送端口将微波馈送进入腔体内。该方法进一步包括步骤1630，该步骤对从腔体反射的信号进行测量，所述信号与由微波源产生的微波的频率(即，该微波源的工作频率)呈函数关系。在步骤1640中，基于该测得的信号对腔体中的谐振频率进行识别。在步骤1650中，对于预定模式而言，基于已知谐振频率从识别出的谐振频率中选出至少两个频率。随后，在步骤1660中，利用选出的频率切换微波源的工作频率。

根据一个实施例，控制单元180适于对所选出的用于在工作周期中进行切换的频率的序列顺序进行调节。例如，如果选出四个频率F1、F2、F3和F4，则可优选根据与这四个频率相关联的相应的加热图像或预定模式，以序列顺序(F4、F2、F1、F3)而不是以序列顺序(F1、F2、F3、F4)对微波源110进行工作。由于腔体被设计用于预定且众所周知的模式，因此可易于通过控制单元180确定最优的序列顺序。

进一步地，控制单元180可适于调节处在用于进行切换的频率中的每个频率下的工作时间和/或输出功率水平。例如，如果反射信号与频率的曲线图表明分别对于两个反射水平R1和R2而言在两个频率F1和F2处出现了两个反射率最小值，则可优选在频率F1和F2下调节微波源110的工作时间和/或输出功率水平，以便确保实现与R1和R2之比呈函数关系的均匀加热。例如，如果R1低于R2，则可优选使微波源110在第一频率F1下具有比在第二频率F2下更高的工作功率水平和/或更长的工作时间段。

如上所述，最优参数(序列顺序、工作时间和输出功率水平)还可能取决于由使用者输入的预定烹饪功能和/或预定装载物类型。

有利地，控制单元180的存储介质186被实施为查阅表，在所述查阅表中，在已知谐振频率与预定烹饪功能之间和/或在已知谐振频率与预定装载物之间建立起了对应关系。

本发明可应用于利用微波进行加热的家用器具如微波炉上。本发明的特定应用实例是旨在对饭盒(重量范围为350g的装载物)进行加热的微波炉，即具有相对较小容量的微波炉。上面描述的本发明的方法还可被实施为计算机程序，当执行该程序时，该程序会在微波炉中实施本发明的方法。可例如对该计算机程序进行下载升级并将其载入已经包括频率可控的微波源如固态微波源的微波炉内。

尽管已经描述了特定实施例，但所属领域技术人员应该理解：可在由所附权利要求书限定的范围内设想出多种变型和变化。

例如，尽管申请中描述了具有矩形剖面的腔体，但本发明还可设想被实施于可由任何套组的正交曲线坐标限定的腔体中，该正交曲线坐标例如为柱面坐标或球面坐标。

Claims (15)

1.一种微波炉(100)，所述微波炉包括： 

腔体(150)，所述腔体适于接收将要被加热的装载物，所述腔体被设计以便支持至少两种预定模式，其中，对于每种预定模式而言，所述腔体中的谐振频率是已知的； 

频率可控的微波源(110)，所述微波源被连接至所述腔体以便经由至少一个馈送端口(120)将微波馈送至所述腔体； 

适于测量从所述腔体反射的信号的测量单元(162)，所述信号与所述微波源的工作频率呈函数关系；和 

控制单元(180)，所述控制单元被连接至所述微波源且适于： 

基于所述测得的信号识别所述腔体中的谐振频率； 

基于所述已知谐振频率从所述识别出的谐振频率中选出用于所述预定模式的至少两个谐振频率；并且 

用所述选出的频率切换所述微波源的工作频率。 

2.根据权利要求1所述的微波炉，其中所述控制单元适于通过将所述识别出的谐振频率与预定模式的所述已知谐振频率进行比较的方式选出用于所述预定模式的谐振频率。 

3.根据权利要求1或2所述的微波炉，其中所述控制单元适于通过使所述识别出的谐振频率与代表预定模式的所述已知谐振频率的频率间隔相匹配的方式选出用于所述预定模式的谐振频率。 

4.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述识别出的谐振频率是与所述测得的信号中的反射率最小值相对应的频率。 

5.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元适于识别出反射率最小值低于预定值的那些谐振频率。 

6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元适于基于预定烹饪功能和/或预定装载物选择所述用于进行切换的频率。 

7.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元适于选择导致产生了互补加热图像的频率。 

8.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述腔体具有被布置以便在所述腔体中激励出互补模式的两个或更多个馈送端口。 

9.根据权利要求3所述的微波炉，所述微波炉进一步包括用于存储所述已知谐振频率和/或代表所述已知谐振频率的所述频率间隔的存储介质(186)。 

10.根据权利要求9所述的微波炉，其中所述存储介质被实施为查阅表，在所述查阅表中，在所述已知谐振频率与预定烹饪功能之间或者在所述已知谐振频率与预定装载物之间建立起了对应关系。 

11.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元进一步适于在工作周期中调节用于对所述腔体进行馈送的所述选出的频率的序列顺序。 

12.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元进一步适于调节在用于对所述腔体进行馈送的所述频率中的每个频率下的工作时间。 

13.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述控制单元进一步适于调节在用于对所述腔体进行馈送的所述频率中的每个频率下的所述微波源的输出功率水平。 

14.根据前述权利要求1-2中任一项所述的微波炉，其中所述微波源是基于固态的微波发生器，所述微波发生器包括半导体元件。 

15.用微波对装载物进行加热的方法，所述方法包括以下步骤： 

提供适于接收所述装载物的腔体的步骤(1610)，所述腔体被设计以便支持至少两种预定模式，其中，对于每种预定模式而言，所述腔体中的谐振频率是已知的； 

提供频率可控的微波源以便经由至少一个馈送端口将微波馈送进入所述腔体内的步骤(1620)； 

测量从所述腔体反射的信号的步骤(1630)，所述信号与所述微波源的工作频率呈函数关系； 

基于所述测得的信号识别所述腔体中的谐振频率的步骤(1640)； 

基于所述已知谐振频率从所述识别出的谐振频率中选出用于所述预定模式的至少两个谐振频率的步骤(1650)；以及 

用所述选出的频率切换所述微波源的所述工作频率的步骤(1660)。 

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