CN108668398A - 一种采用相位扫描的微波加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用相位扫描的微波加热装置，包括微波发生器、波导功率分配器、波导移相器、微波应用腔体、不少于2副的微波天线以及相位扫描控制系统；该波导功率分配器有N(N≥2)路输出，至少有一路输出与波导移相器连接；微波天线划分为N组，至少有一组的输入与波导移相器的输出连接，其它组天线的输入与波导功率分配器的输出直接连接；该波导移相器的输入端口到输出端口之间的相位差是连续可调的；相位扫描控制系统以给定的速度调整所述波导移相器的移相角度；通过扫描不同组天线之间的相位差，实现微波应用腔体中微波场强、弱场区域的移动，提高加热的均匀性；本发明功率容量大，适合工业微波规模化生产应用。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别地涉及一种采用相位扫描的微波加热装置。
背景技术
微波加热是利用微波场作用于极性分子，使其快速摆动、碰撞摩擦造成内能提升从而达到加热的目的。由于微波波长远大于红外线，其穿透深度深，可直接作用于物料内部而不需要热传导，因此具有能量传递速度快，传递损耗低的优点。另外，这种物料自发热的加热机理，系统热惯性小，加热的启动和停止反应速度快，可实现灵活的控制。
实际应用中，由于微波应用腔体的金属边界作用，以及物料的介电特性影响，导致物料中的微波场分布会有明显的强弱分布变化，导致加热的冷热分区明显，加热效果不均匀。这是微波场分布固有的物理特性，也是影响微波加热应用效果的主要因素。
为改善这种不均匀性，较为常用的方法包括：物料翻搅运动，如CN 204122002U公开的连续式微波加热双轴搅拌装置；利用多模腔体，希望不同模式的强弱分布形成互补，典型的如CN106686792A公开的一种多重模态微波加热装置；利用模式扰动改变腔体内的场模式，从而改变冷热区的位置；利用微波馈能天线的分布位置使其辐射场分布形成强弱互补，如CN104125669A公开的微波加热装置；以及采用固态微波源、多组天线利用幅度和相位扫描，以改变微波腔体内场分布，从而改善其均匀性，如CN205017622U公开的一种微波发生装置以及微波加热装置。
上述措施在特定的应用中具有一定的改善效果，但又有一定的局限性。例如：物料翻搅运动的方法仅适合液体或颗粒状物料；多模腔体以及模式扰动的方法，由于物料介电特性和形状复杂，很难从理论上分析出全部的模式，因此很难判断最终腔体中有多少模式、场分布的均匀性如何；多天线分布式馈能，由于金属腔体边界条件的作用，其效果与自由空间不同，最终仍会有明显的冷热区分布；固态源提供了良好的幅度和相位控制特性，但目前尚没有用于几十、上百千瓦以上大功率工业应用的实例。
发明内容
本发明的目的是为进一步改善工业微波加热应用中的均匀性问题，提出了一种采用相位扫描的微波加热装置，其主要特征是，通过波导功率分配器和波导移相器，实现加热系统中多个天线之间的相位差扫描，从而控制微波应用腔体中微波场分布强、弱区域移动，达到能量分布均匀的目的；本发明功率容量大，可用于大功率工业微波加热。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用相位扫描的微波加热装置，包括微波发生器，波导功率分配器，波导移相器，微波应用腔体，不少于2副的微波天线以及相位扫描控制系统；其特征在于，所述微波发生器的输出与波导功率分配器的输入连接；所述波导功率分配器有N(N≥2)路输出，其特征在于至少有一路输出与所述波导移相器连接；其特征还在于，所述波导移相器的输入端口到输出端口之间的相位差是连续可调的；所述微波天线被分为N组，其特征在于至少有一组天线的输入与所述波导移相器的输出连接，其它组天线的输入分别与其它所述波导功率分配器的输出连接；所述微波天线的辐射口面朝所述微波应用腔体的内部，将微波能量馈入微波应用腔体内的物料中；其特征还在于，所述相位扫描控制系统以给定的速度连续调整所述波导移相器的移相角度。
优选的，所述波导功率分配器具有2路分配输出，其中一路输出与波导移相器连接；所述微波天线分为两组，一组微波天线的输入与所述波导移相器的输出连接，另一组微波天线输入与所述波导功率分配器的输出直接连接；其特征在于，所述微波应用腔体与两组微波天线连接，且两组微波天线分布在物料的两侧，即微波应用腔体内的物料位于两组微波天线之间的连线上，两组微波天线的辐射方向相对，照射物料的两个侧面。
优选的，所述波导功率分配器具有2路分配输出，其中一路输出与波导移相器连接；所述微波天线分为两组，一组微波天线的输入与波导移相器的输出连接，另一组微波天线的输入与所述波导功率分配器的输出直接连接；其特征在于，所述微波应用腔体与所述两组微波天线相连接并按一定的间距分布在微波应用腔体内的物料的同一侧；所述两组微波天线的辐射方向相同或接近。
优选的，所述波导移相器包括一个匹配双T也又称魔T)、两个短路活塞和一个长度为四分之一波导波长的波导；所述魔T的一个横臂端口与短路活塞连接，另一个横臂端口与四分之一波导波长的波导连接，再与短路活塞连接；所述魔T的H面分支节作为波导移相器输入，则E面分支为波导移相器输出，或者E面分支作为波导移相器输入，则H面分支作为波导移相器输出；所述两个短路活塞具有相同的短路位置，在相位调整过程中保持同步移动。优选的，所述短路活塞包括波导、活塞以及拉杆；所述波导的一端为输入端，另一端为短路面；所述活塞位于波导腔内，由金属板围成一端开放的长方形盒体，该长方形盒体的横截面形状与波导横截面相似，但尺寸略小，确保活塞与波导内壁无直接接触；该长方形盒体的四个面分别平行于波导的两个宽边和两个窄边，第五个面垂直于波导轴向，并且靠近波导输入端，而另一个靠近波导短路面、且垂直于波导轴向的面是开放的；所述长方形盒体状活塞沿轴线方向的长度约为四分之一波导波长；所述拉杆为圆柱体，该圆柱体的轴线与波导轴线重合，一端在所述波导外部，另一端穿过所述波导的短路面上的圆孔，伸入波导内，并从所述长方形盒体状活塞开放的一端进入活塞内部，与长方形盒体状活塞的第五个面连接固定；在所述波导外部使用电机或其它动力装置推/拉所述拉杆，带动所述活塞在波导内部沿波导轴线方向运动，实现短路面位置的调节。优选的，所述相位扫描控制系统包括步进电机，步进电机控制器以及控制单片机；该步进电机与所述波导移相器的短路活塞拉杆连接，带动拉杆沿波导轴向运动；所述步进电机控制器接收所述控制单片机的控制信号，操作步进电机运转，实现相位扫描。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种采用相位扫描的微波加热装置，采用波导功率分配器和波导移相器，实现微波作用腔体中不同组天线之间相位差的扫描，从而在不移动物料的情况下实现微波场中强、弱区域的移动，达到均匀加热目的，功率容量大，适合规模化工业微波应用。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明实施例1的微波应用腔体和微波天线构成示意图；
图3为本发明实施例1的波导移相器示意图；
图4为本发明实施例1的短路活塞结构示意图；
图5(a)为本发明实施例1的-90°相差时能量分布仿真结果；
图5(b)为本发明实施例1的-60°相差时能量分布仿真结果；
图5(c)为本发明实施例1的-30°相差时能量分布仿真结果；
图5(d)为本发明实施例1的0°相差时能量分布仿真结果；
图5(e)为本发明实施例1的30°相差时能量分布仿真结果；
图5(f)为本发明实施例1的60°相差时能量分布仿真结果；
图5(g)为本发明实施例1的90°相差时能量分布仿真结果；
图5(h)为本发明实施例1的所有相位情况累加平均后的能量分布仿真结果；
图6为本发明实施例2的构成示意图；
图7为本发明实施例2的能量分布仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种采用相位扫描的微波加热装置，原理如图1所示，包括微波发生器11、波导功率分配器12、波导移相器13、相位扫描控制系统14、微波天线15，微波应用腔体16以及物料17。
微波发生器11产生的微波功率经波导功率分配器12分配为N(N≥2)路输出，其中至少一路输出与波导移相器13连接；微波天线15分为N组，其中一组微波天线151的输入与波导移相器13的输出连接，其它组微波天线152的输入与波导功率分配器12的输出口直接连接。波导移相器13可连续调整输入到输出之间的相位差。相位扫描控制系统14 根据设定的速度调整波导移相器13的相位，实现天线组151和152之间相位差的变化，则微波应用腔体16中场分布随着相位差的变化而改变，实现微波场强、弱场区域在物料17 中的移动。
本发明实施例1采用磁控管微波发生器，以及波导功率三分配器，该磁控管微波发生器和波导功率三分配器为微波工业应用领域的通用部件，其特性和指标不构成本实施例的特征。本实施例采用如图2所示的微波应用腔体和微波天线，该微波应用腔体21的截面为矩形，平板状物料22平行于该微波应用腔体的底面放置，并距离该微波应用腔体底面一定高度。微波天线23包括三根平行放置的波导缝隙天线，其中最左侧和最右侧的天线为一组231，其输入端直接与波导功率三分配器的两个输出端口连接；中间的天线232的输入与波导移相器连接后，再与波导功率三分器的一个输出口连接。
本实施例的微波天线包括波导，缝隙233以及锥台状喇叭234组成，波导为通用的矩形波导，窄边平行于微波应用腔体21的顶面，并在窄边上有矩形缝隙233，将微波能通过矩形缝隙233馈入到微波应用腔体内。
锥台状喇叭234由金属板制成，其较小的口面位于微波应用腔体21的顶部，且包围三根波导天线的三个缝隙；较大的口面朝向微波应用腔体21内部的物料。
本实施例1的波导移相器构成如图3所示，包括魔T 31，两个短路活塞32以及一个长度为四分之一波导波长的连接波导33。该魔T31的一个横臂端口313与短路活塞32连接，另一个横臂端口314与波导33连接后，再与短路活塞连接。该魔T31的H分支端口311 可作为总的输入端口，则E分支的端口312即为总输出端口，反之亦可。
本实施例1的波导移相器的短路活塞结构如图4所示，包括波导41，活塞42和拉杆43。该波导的一个端口411短路，另一个端口412作为输入端。活塞42位于波导腔内，由金属板围成一端开放的、具有五个面的长方形盒体，该长方形盒体的横截面形状与波导横截面相似，但尺寸略小，与波导内壁无直接接触；该长方形盒体的四个面分别平行于波导的两个宽边和两个窄边，第五个面421垂直于波导轴向，并且靠近波导输入端，而另一个靠近波导短路面、且垂直于波导轴向的面是开放的；所述长方形盒体状活塞沿轴线方向的长度约为四分之一波导波长；所述拉杆43为圆柱体，该圆柱体的轴线与波导轴线重合，一端在所述波导外部，另一端穿过所述波导的短路面411上的圆孔，伸入波导内，并从所述长方形盒体状活塞开放的一端进入活塞内部，与长方形盒体状活塞的第五个面412连接固定；在所述波导外部推/拉所述拉杆，带动所述活塞在波导内部沿波导轴线方向运动，实现短路面位置的调节。
图5为本实施例在不同天线相位差时的归一化能量分布图，图5(a)～图5(g)分别是相位从由-90°～90°每间隔30°变化时的归一化能量，可以看出，随着相位的变化，微波场强、弱场分布区域在水平方向移动。将各个相位差对应的能量分布累加平均后，最终的能量分布如图5(h)所示，可见其均匀性比单一相位情况大为改善。
本发明实施例2如图6所示。与实施例1不同之处在于，微波发生器输出与波导功率二分配器连接。微波天线62包括6根平行放置的波导缝隙天线，其中3根为组成一组621，位于微波应用腔体61的上表面，另外三根组成一组622，位于微波应用腔体的下表面；物料63位于两组微波天线之间，第一组微波天线621的辐射方向与第二组微波天线622的辐射方向相对。每组微波天线各与一个波导功率三分配器(图中未画出)的三个输出端口连接。其中任一波导功率三分配器的输入与波导移相器连接后，再与所述波导功率二分配器的一个输出连接；另一个波导功率三分配器的输入直接与波导功率二分配器的输出连接。调整波导移相器的移相角度，则天线组621和天线组622之间的相位差发生变化，使微波场强、弱场的分布区域沿垂直方向移动，改善垂直方向的均匀性。
图7为实施例2相位差在-180°～180°之间变化，物料中能量分布累加平均后的结果，可以看出弱场区的分布范围明显减小。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种采用相位扫描的微波加热装置，包括微波发生器、波导功率分配器、波导移相器、微波应用腔体，不少于2副的微波天线以及相位扫描控制系统；其特征在于，所述微波发生器的输出与波导功率分配器的输入连接；所述波导功率分配器有N(N≥2)路输出，其中至少有一路输出与所述波导移相器连接；所述波导移相器的输入端口到输出端口之间的相位差是连续可调的；所述微波天线被分为N组，至少有一组天线的输入与所述波导移相器的输出连接，其它组天线的输入分别与其它所述波导功率分配器的输出连接；所述微波天线的辐射口朝向所述微波应用腔体的内部，将微波能量馈入微波应用腔体内的物料中；所述相位扫描控制系统以给定的速度连续调整所述波导移相器的移相角度。
2.如权利要求1所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述波导功率分配器具有2路分配输出，其中一路输出与所述波导移相器的输入连接；所述微波天线分为两组，一组微波天线的输入与所述波导移相器的输出连接，另一组微波天线的输入与所述波导功率分配器的输出直接连接；所述微波应用腔体与两组微波天线连接，且两组微波天线分布在微波应用腔体内的物料的两侧，即所述微波应用腔体内的物料位于两组微波天线之间的连线上，两组微波天线的辐射方向相对，照射物料的两个侧面。
3.如权利要求1所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述波导功率分配器具有2路分配输出，其中一路输出与所述波导移相器的输入连接；所述微波天线分为两组，一组微波天线的输入与所述波导移相器的输出连接，另一组微波天线的输入与所述波导功率分配器的输出直接连接；所述微波应用腔体与所述两组微波天线连接，且两组微波天线以一定的间距分布在微波应用腔体内的物料的同一侧；所述两组天线的辐射方向相同或接近。
4.如权利要求1或2或3所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述波导移相器包括一个匹配双T(也称魔T)、两个短路活塞和一个长度为四分之一波导波长的波导；所述魔T的一个横臂端口与短路活塞连接，另一个横臂端口与四分之一波导波长的波导连接，再与短路活塞连接；所述魔T的H面分支节作为波导移相器输入，则E面分支为波导移相器输出，或者E面分支作为波导移相器输入，则H面分支作为波导移相器输出；所述两个短路活塞具有相同的短路位置，在相位调整过程中保持同步移动。
5.如权利要求4所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述短路活塞包括波导、活塞以及拉杆；所述波导的一端为输入端，另一端为短路面；所述活塞位于波导腔内，由金属板围成一端开放的长方形盒体，该长方形盒体的横截面形状与波导横截面相似，但尺寸略小，确保活塞与波导内壁无直接接触；该长方形盒体的四个面分别平行于波导的两个宽边和两个窄边，第五个面垂直于波导轴向，并且靠近波导输入端，而另一个靠近波导短路面、且垂直于波导轴向的面是开放的；所述长方形盒体状活塞沿轴线方向的长度约为四分之一波导波长；所述拉杆为圆柱体，该圆柱体的轴线与波导轴线重合，一端在所述波导外部，另一端穿过所述波导的短路面上的圆孔，伸入波导内，并从所述长方形盒体状活塞开放的一端进入活塞内部，与长方形盒体状活塞的第五个面连接固定；在所述波导外部使用电机或其它动力装置推/拉所述拉杆，带动所述活塞在波导内部沿波导轴线方向运动，实现短路面位置的调节。
6.如权利要求1或2或3所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述相位扫描控制系统包括步进电机，步进电机控制器以及控制单片机；该步进电机与所述波导移相器的短路活塞拉杆连接，带动拉杆沿波导轴向运动；所述步进电机控制器接收所述控制单片机的控制信号，操作步进电机运转，实现相位扫描。
7.如权利要求4所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述相位扫描控制系统包括步进电机，步进电机控制器以及控制单片机；该步进电机与所述波导移相器的短路活塞拉杆连接，带动拉杆沿波导轴向运动；所述步进电机控制器接收所述控制单片机的控制信号，操作步进电机运转，实现相位扫描。
8.如权利要求5所述的一种采用相位扫描的微波加热装置，其特征在于：所述相位扫描控制系统包括步进电机，步进电机控制器以及控制单片机；该步进电机与所述波导移相器的短路活塞拉杆连接，带动拉杆沿波导轴向运动；所述步进电机控制器接收所述控制单片机的控制信号，操作步进电机运转，实现相位扫描。
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