CN109257025A - 开关匹配模块、解冻装置及自动解冻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关匹配模块、解冻装置及自动解冻方法，包括第三电感L3，所述第三电感L3的一端与功率输出端连接；第五电感L5，所述第五电感L5的一端与所述第三电感L3的另一端连接；第一旁路，所述第一旁路的一端与所述功率输出端连接，所述第一旁路的另一端接地；第二旁路，所述第二旁路的一端与所述第三电感L3的另一端连接，所述第二旁路的另一端接地。与现有技术相比，本发明具有如下优势：1)即可提升调谐的分辨率，又可拓宽食物的补偿范围，降低开关的数量，从而降低成本。2)采用L型加L型匹配电路，能极大地降低开关器件的数量及性能的要求，对解冻装置的使用安全及寿命等都有极好的改善。

Description

开关匹配模块、解冻装置及自动解冻方法

技术领域

本发明涉及家用电气领域，特别是一种开关匹配模块、解冻装置及自动解冻方法。

背景技术

传统的自然解冻方法包含空气解冻，水浸泡解冻，它们均是靠热传导的方式来解冻。自然解冻的方式时间较长，均匀性不好，并且容易在解冻过程中滋生细菌，卫生状况堪忧；冰箱冷藏解冻，即将冷冻食物放在冰箱-5度左右的环境下缓慢解冻，但解冻时间太长。解冻板解冻，食物表面靠与解冻板接触较快地传导热量，但食物内部本身导热率低，内外均匀性差，时间较长，厚度大的食物尤为明显。

现有技术中国发明专利《具有集总电感式匹配网络的解冻设备及其操作方法》(申请公布号：CN107684007A)公开了一种解冻系统，所述解冻系统包括：RF信号源；电极，所述电极接近于其内定位有待解冻负载的腔室；传输路径，所述传输路径在所述RF信号源与所述电极之间；和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络沿着所述RF信号源的输出与所述电极之间的所述传输路径电耦合。所述系统还包括功率检测电路，所述功率检测电路耦合到所述传输路径且被配置成检测沿着所述传输路径的反射信号功率。系统控制器被配置成基于所述反射信号功率修改所述阻抗匹配网络的电感值，以减小所述反射信号功率与前向信号功率的比率。所述阻抗匹配网络包括多个定位于固定电感器区域内的固定值集总电感器。

目前能有效去除刺身中寄生虫及虫卵的办法是低温冷冻，经过冷冻处理的温度越低、时间越长，刺身食用起来就越安全，同时冷冻还能保持刺身的鲜度及品质不变而使其可以长期保存。冷冻后的刺身仍需要快速且均匀地解冻才能保留刺身的口感，同时安全卫生的食用。但是常见的自然解冻、冷藏解冻时间长，并且容易在解冻过程的5摄氏度～60摄氏度环境下滋生细菌，卫生状况堪忧；而微波炉解冻，虽然是通过电磁场渗透方式来解冻，时间更快些，但由于频率高，内外均匀性特别差，表面温度会很高，细菌繁殖可能很快。这些解冻方法不能很好的帮助用户解决刺身的解冻需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种解决上述技术问题的开关匹配模块、解冻装置及自动解冻方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种开关匹配模块，包括第三电感L3，第三电感L3的一端与功率输出端连接；

第五电感L5，第五电感L5的一端与第三电感L3的另一端连接；

第一旁路，第一旁路的一端与功率输出端连接，第一旁路的另一端接地；

第二旁路，第二旁路的一端与第三电感L3的另一端连接，第二旁路的另一端接地。

优选地，第一旁路包括：

第一电感L1，第一电感L1的一端与功率输出端连接；

第二电感L2，第二电感L2的一端与第一电感L1的另一端连接，第二电感L2的另一端接地。

优选地，第二旁路包括：

第四电感L4，第四电感L4的一端与第三电感L3的另一端连接，第四电感L4的另一端接地。

优选地，第二旁路包括：

第四电感L4，第四电感L4的一端与第三电感L3的另一端连接；

第六电感L6，第六电感L6的一端与第四电感L4的另一端连接，第六电感L6的另一端接地。

优选地，第三电感L3为可调电感；

第五电感L5为固定电感；

第一电感L1为固定电感；

第二电感L2为可调电感；

第四电感L4为固定电感。

优选地，第三电感L3为固定电感；

第五电感L5为固定电感；

第一电感L1为固定电感；

第二电感L2为可调电感；

第四电感L4为固定电感；

第六电感L6为可调电感。

一种解冻装置，至少包括：

解冻腔体，在解冻腔体内设有工作室；

控制单元，控制单元设置在解冻腔体内；

射频功率输出模块，射频功率输出模块设置在解冻腔体内，射频功率输出模块与控制单元通信；

测量单元，测量单元分别与控制单元及射频功率输出模块通信；

开关匹配模块，开关匹配模块与测量单元通信；

辐射单元，辐射单元与开关匹配模块通信，辐射单元设置在工作室的下方；其中

开关匹配模块为开关匹配模块。

一种自动解冻方法，包含常规解冻、快速解冻、刺身解冻，其特征在于，有如下步骤：

步骤1，控制单元接收解冻命令后控制射频功率输出模块输出射频功率；

步骤2，控制单元控制开关匹配模块及可控信号源在射频功率下进行匹配；

步骤3，开关匹配模块完成匹配并判定匹配状态是否正常；

若匹配状态正常，则进入步骤4；

若匹配状态异常，则结束解冻；

步骤4，记录当前的匹配状态的匹配状态值，设定射频功率解冻食物，并检测食物的射频参量；

若解冻完成，则结束；

若解冻未完成，并且失配度高于设定的阈值，则降低射频功率输出模块输出的射频功率，并返回步骤2。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1，控制单元控制开关匹配模块在射频功率下进行电调谐匹配；

步骤2.2，完成电调谐匹配后，进行电调频匹配。

优选地，步骤4中，解冻完成的条件为：

计时变量t大于t0并且计数变量大于c0；或者

时间间隔变量T1不等于t0、计数阈值CT不等于c0,且计数变量C大于计数阈值CT；

其中

t0为默认的时间间隔变量，c0为默认的计数阈值；

常规解冻的计数阈值要大于快速解冻的计数阈值；刺身解冻能自动逐步降低功率，每次功率降低的幅度一般在5％至20％之间。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1)即可提升调谐的分辨率，又可拓宽食物的补偿范围，降低开关的数量，从而降低成本。

2)采用L型加L型匹配电路，能极大地降低开关器件的数量及性能的要求，对解冻装置的使用安全及寿命等都有极好的改善。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明射频解冻装置结构示意图；

图2为本发明射频解冻装置显示模块功能示意图；

图3为本发明解冻装置中含有辐射单元的腔体结构示意图；

图4为本发明解冻装置中含有折弯型辐射单元的腔体结构示意图；

图5为本发明解冻装置模块之间的系统连接框图；

图6为本发明解冻装置的可控功率源模块连接框图；

图7为本发明解冻装置的开关匹配模块实施例一电路图；

图8为本发明解冻装置的开关匹配模块实施例二电路图；

图9为本发明解冻装置的可调电感的实现方式示意图；

图10为本发明解冻装置刺身解冻的基本工作流程图；

图11为本发明解冻装置的自动解冻刺身的工作流程图一；

图12为本发明解冻装置的自动解冻刺身的工作流程图二；

图中：

1-解冻腔体 2-风扇 3-开关切换模块

4-射频功率输出模块 5-电源模块 6-控制单元

7-显示模块 71-显示区域 72-常规按钮

73-快速按钮 74-刺身按钮 75-手动按钮

8-工作室 9-食物 10-绝缘板

11-辐射单元 12-馈电单元

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和修改。

图1为解冻装置结构示意图，它描述了各个模块布局的一种实现方式，辐射组件位于解冻腔体1里面，由低损耗的绝缘板10固定；开关匹配模块3位于解冻腔体1的后面，电缆或者导电棒通过后侧面上的通孔将它与辐射组件相连，通孔上固定有绝缘套筒，电缆或者导电棒需要穿过绝缘套筒防止与解冻腔体1有接触；射频功率输出模块4，电源模块5位于解冻腔体1的右侧，电缆通过右侧面上的通孔将它们与与开关匹配模块3相连；控制单元6位于解冻腔体1的前面偏右侧，电缆通过解冻腔体1的前面偏右侧上的小孔将它与射频功率输出模块4，电源模块5及开关匹配模块3相连；UI位于控制单元6上，UI上有便于用户控制的按键及显示模块7；风扇2安装在解冻腔体1的后面以及右侧，便于给开关匹配模块3、射频功率输出模块4及电源模块5提供风冷散热。刺身9放置于工作室8中的绝缘板10上解冻。放置刺身9的开口侧设置有可开合的门体结构，门体结构合上时能有效防止射频能量的泄露。解冻腔体1及门体结构需要为或者包含金属材质，这样才能起到屏蔽的作用。基于上述的描述，本领域的技术人员应理解为实现方式比较简单，布局不局限于此。

图2为射频解冻装置显示模块的一种功能示意图，显示模块的种类不限，形状不限，位置不限。显示区域71显示当前的解冻功能模式、解冻时间，状态等信息；功能区域包含四个基本的功能选择，分别为常规按钮72、快速按钮73、刺身按钮74及手动按钮75。其中常规、快速、刺身模式均为自动功能模式，装置能按照内部设定的程序自动判定食物是否已经到了解冻终止的适合温度；手动功能模式下，装置可按照用户设置的时间来解冻食物，下文将详细描述。

图3为含有辐射单元11的腔体简图，辐射单元11固定在绝缘板10上，位于腔体的下方。辐射单元11可以是一块金属面板，或者金属网格，或者金属折弯件(例如图3)等。金属面板的边缘电场强度最大，可以将边缘部分适当向下弯折，使电场强度大的部分向下分布，提高解冻食物9的均匀性，图4中为边缘向下折弯后的金属面板。金属面板的形状也不受限制，可以是圆形，方形等等，金属面板的形状也决定了腔体内的电场分布，即影响食物9加热的均匀性。辐射单元11上有射频高压，辐射单元11不能与腔体电接触。食物9放置在绝缘板10上，这样食物9离辐射单元11较近，辐射单元11周围的电场较强，解冻效率高。馈电单元12一端连接辐射单元11，另一端连接开关匹配模块3，馈电单元可以为金属棒、电缆等等，馈电单元与腔体不能有电接触。Zin为馈电端口往天线端的输入阻抗，Zin随着放入食物9的重量、温度、形状、种类的不同而不同，要使Zin与射频功率输出模块4能一直处于良好的匹配状态，必须在它们之间加一个阻抗转换模块即匹配模块，同时测量模块用于监测当前的匹配状态。

图5为解冻装置模块之间的系统连接框图。电源模块5将市电转化为多个稳定输出的直流电源，负责给射频功率输出模块4，控制单元6及开关匹配模块3供电。控制单元6是整个系统的控制中枢，完成系统所有的状态监测，数据分析，功能控制及UI界面人机交互，远程监控等功能；具体为控制射频功率输出模块4输出频率及功率的大小，控制电源模块5的开启及输出电压的大小同时读取电源输出电压及电流的大小，控制开关匹配模块3中的开关切换状态，接收并处理来自测量单元测量得到的射频参量。射频功率输出模块4能将直流电能转化为射频高功率电磁场能。测量单元用于监测射频功率输出模块4输出端与辐射单元11的馈电端之间的匹配状态。开关匹配模块3接收来自控制单元6的开关控制信号，将辐射单元11馈电端的阻抗转换到与射频功率输出模块4输出端的阻抗相接近的状态。射频高功率电磁场能经过测量单元，开关匹配模块3到达含有辐射单元11的腔体。辐射单元11负责将射频功率高效均匀地传送给食物9，这些高速变化的射频振荡电磁场迫使食物9中的分子、离子等进行剧烈运动而升温；金属腔体将电磁场能量束缚在腔体内，防止电磁场辐射到腔体外面同时实现快速均匀地解冻与加热食物9。实际实施本发明时还可包括提供其它功能的组件及装置，如散热装置等。

图6～图9列出了本发明解冻装置主要的功能模块的实现方法，仅仅作为本领域技术人员参考，实现方法不局限于此。

图6是由射频功率输出模块4，控制单元6，测量单元及电源模块5组成的可控功率源模块，其中射频功率输出模块4包含可控信号源及功率放大链路，电源模块5包含可调电压部分及固定电压部分。

射频功率输出模块4中的射频可控信号源可输出频率可调的微弱射频信号，由控制单元6输出的控制信号来控制射频信号的输出状态，如开启/关闭信号，控制信号的输出频率等，本发明的频率范围为40.66MHz～40.70MHz，类似的也可选择其它合适的频段；可控信号源输出的射频信号需经过功率放大链路的放大后产生用于解冻的射频高功率能量，功率放大链路一般由两到三级的功率放大晶体管构成，功率放大晶体管比较常见的为金属氧化物半导体晶体管或者氮化镓晶体管；控制单元6为这些晶体管提供可控的栅极电压，电源模块5的可调电压部分为晶体管提供可变的漏级电压，同时控制单元6控制电源模块5输出可调电压的大小。控制单元6可以通过改变栅极电压或者漏级电压的大小来控制射频功放模块输出功率的大小。

测量单元用于检测功率放大链路输出端的射频参数，具体为输出及反射功率的大小，S₁₁的幅值及相位。控制单元6通过这些射频参数来了解辐射单元11的馈电端的阻抗状态及其与功率放大链路输出端的匹配情况。本发明测量单元的实现方法为射频耦合器。

电源模块5至少包含可调电压部分、固定电压部分和控制接口。控制单元6可通过电源控制接口对可调电压部分的输出电压进行设置，可调电压部分是给射频功率输出模块4中的功率放大链路提供漏级电压，控制单元6还能读取设置的电压及供应的电流大小，这样通过闭环的处理能时刻监控电源模块5及功率放大链路是否处于正常状态，保证解冻系统功率源的可靠及安全。控制单元6需要电源模块5中的固定电压部分为其提供稳定常开的固定电压。

本发明图6中由射频功率输出模块4，控制单元6，测量单元及电源模块5组成的子系统是一个频率可控，功率可调，匹配可测，稳定可靠的功率源系统，有重要而广泛的应用价值。在本发明中可扫描频率，找到相应的与食物9阻抗最佳匹配的解冻频率点，本文称之为电调频匹配。

射频功率输出模块4输出的射频功率必须先经过开关匹配模块3后才能有效地到达辐射组件。开关匹配模块3是无源可调部分，当阻抗匹配状态不好并达到系统软件设定的阈值时，由控制单元6输出的开关切换控制信号来切换多路开关寻找射频功率输出模块4输出端的最佳匹配状态，其作用在于补偿因食物9种类，大小，位置，形状及温度不同而造成的阻抗差异，实现全程自动补偿食物9的变化。用开关切换寻找到的与食物9阻抗匹配的最佳状态，本文称之为电调谐匹配。

开关匹配模块3为一个电感型匹配网络，包含固定的电感部分及可调的电感部分。可调电感部分中有多个受控制单元6控制的开关，每个开关上相应的并联一个受控电感，这些开关的开启与闭合可决定这些受控电感的接入与否的状态或者改变电路的拓扑结构；同时开关匹配模块3中还有若干个固定电感，它们没有与开关并联，即不受控制单元6的控制，这些固定电感可起到分担电流或者电压的作用。

本发明的开关匹配模块3具体实现方法如图7～图9所示，图7和图8为两种有效的匹配实现方式，端口1接测量单元的输出端，端口2接辐射单元11的馈电输入端。以上方式的提出主要是为了以最简单的方法实现匹配要求，同时给本领域的技术人员提供两种匹配方案，方便硬质电路板的布局及布线。下面会具体说明，方便本领域技术人员理解。尽管此文中描述了这两种匹配的具体实现方式，但本发明的实现方式不局限于所出示的拓扑网络。

实施例一，图7中，端口1一端首先并联一个由固定电感L1及可变电感L2串联后接地的第一旁路；在端口1及节点1之间串联一个固定电感L3；在节点1上并联一个由固定电感L4及可变电感L6串联后接地的第二旁路；在节点1及端口2之间串联一个固定电感L5。固定电感L1及固定电感L4分别限定了第一旁路及第二旁路的电感最小值，防止第一旁路及第二旁路因直接接地短路而引起射频能量的全反射，导致射频能量不能有效传递到端口2后端的辐射单元11。

实施例二，图8中，端口1一端首先并联一个由固定电感L1及可变电感L2串联后接地的第一旁路；在端口1及节点2之间串联一个可调电感L3；在节点2上并联一个由固定电感L14接地的第二旁路；在节点2及端口2之间串联一个固定电感L5。同样，固定电感L1限定了第一旁路的电感最小值，防止第一旁路因直接接地短路而引起射频能量的全反射，导致射频能量不能有效传递到端口2后端的辐射单元11。

图9为图7或者图8中可调电感部分的可调电感L2、可调电感L3及可调电感L6的具体实现方式。可调电感由若干个电感由小到大串联而成，在每个所述电感上都并联一个受控制单元6控制开启或者关闭的开关，电源模块5能为这些开关提供稳定的电压，本发明的开关具体可为高功率的继电器。当某个开关闭合时，其对应的与之并联的电感被开关短路，电感未被接入电路中；反之，当某个开关开启时，对应的与之并联的电感接入电路中。开关的开启与闭合控制电感量接入的大小。为了使电感量的接入成可控的线性趋势，这些电感量的大小可以设为以两倍左右的关系成等比例增长，最小的电感量决定最小的调整步长，电感接入的数量或者开关的数量决定整个可调电感的最大值。

图7和图8中基本的电路拓扑结构均为由两个L型电感匹配网络串接而成。但是固定电感部分及可调电感部分的位置存在区别，对应的机理如下文所述。

端口1接测量单元的输出端，即第一旁路靠近射频功率输出模块4，端口1的电压相对较低，通过控制第一旁路的最小串联电感值L1，能有效地控制旁路上的电流最大值，因而第一旁路作为可调电感部分可降低开关器件的耐电压及电流的指标要求，容易实现。第一旁路主要用来调整匹配的好坏程度，即S₁₁的幅值大小。端口2及辐射单元11输入端的输入阻抗的容抗越小，电阻越大，第一旁路接入的电感值则越大；反之，接入的电感值最小。

端口2接安装在金属腔体里面的辐射单元11的馈电端，馈电端对应的输入阻抗中的串联电阻很小，或者并联电阻很大，即腔体里面的Q值极大。导致端口2的电压及电流很大。电感L5直接与辐射单元11的输入端相连，需要承受较大的电流，不适合作为可调电感部分。电感L5上的电流为电感L3上的电流与第二旁路上的电流相量总和，第二旁路对应的电感及电感L3均可作为可调电感。

图7中端口1和节点1之间串联的电感L3为固定电感，第二旁路对应的为可调电感。由于第二旁路与端口2即辐射单元11靠得较近，第二旁路主要用来调整S₁₁谐振频率的偏移。例如在本发明中使匹配频点回到40.6MHz～40.70MHz范围内，可调电感L6变大，S₁₁谐振频率向较低的频率方向偏移；反之，可调电感L6变小，S₁₁谐振频率向较高的频率方向偏移。电感L4能有效地控制旁路上的电流最大值，降低开关器件的耐电压及电流的指标要求。图7中的第一旁路及第二旁路分工明确，第一旁路用来调整S₁₁的幅值大小，第二旁路用来调整S₁₁谐振频率的偏移。一般情况下电感L2及电感L6有4到7个受控电感或者开关，电感L2及电感L6的范围在10nH至800nH左右，大小与馈电端对应的输入阻抗相关。电感L4及电感L5的范围在200nH至500nH左右，电感L3的范围在400nH至800nH左右，电感L1在80nH至150nH左右。

图8中端口1和节点2之间串联的电感L3为可调电感，而第二旁路对应的电感L4为固定电感，可调电感L3与端口1即射频功率输出模块4及第一旁路靠得较近。与图7不同的是，可调电感L2及可调电感L3能同时影响S₁₁的幅值大小及S₁₁谐振频率的偏移。这样电感L2的受控电感或者开关数量可减少至2到5个，电感L3的受控电感或者开关数量为4到7个。

经研究发现食物9的重量和温度(影响食物9的介电常数)对辐射单元11输入端的阻抗影响最大，解冻腔室内放的食物9越多或者食物9的温度越高(不超过0℃)，对应的容抗越小，电阻越大；空载时，对应的容抗最大，电阻最小。因而可以用可调电感L6或者可调电感L3及电调频最佳匹配频率来预估解冻腔室是否处于空载或者满载状态。举例来说，当可调电感L6或者可调电感L3最大，匹配频率最低时，解冻腔室可对应空载状态，可调电感L6或者可调电感L3最小，匹配频率最高时，解冻腔室可对应满载状态。

射频功率输出模块4中的射频输出功率有一定的频率调整范围，例如40.66MHz～40.70MHz，输出频率由控制单元6控制。图10为本发明解冻装置的电调频基本流程图，电调谐切换开关的过程中保持射频功率输出模块的频率不变，默认初始频率为

40.68MHz。电调频匹配一般在电调谐找到最佳匹配之后进行，具体步骤如下：

步骤一：保持电调谐匹配后的开关状态不变，记录当前散色参数S₁₁的幅值大小S₀；

步骤二：调整射频功率输出模块4的输出频率，电调频率步长大约在5KHz至10KHz左右，读取初始频率左右两个最近频率点(如40.675MHz及40.685MHz)的S₁₁幅值大小S_L、S_R；

步骤三：比较S₀、S_L及S_R的数值大小；

步骤四：若S₀最小，最佳频率点为初始频率40.68MHz，完成电调频匹配；

步骤五：若S_L或者S_R最小，控制单元控制射频功率输出模块选择S₁₁变小的那一侧频率方向，逐步扫频；若S₁₁的幅值仍在逐步减小，则继续向该方向扫频，若S₁₁的幅值开始增大，则停止扫频，S₁₁最小的那个频率点为电调谐最佳匹配频率点，完成电调频匹配。

电调频匹配过程中，可控功率源模块能调整并找到最佳匹配的信号输出频率。作为辅助匹配，它主要起两个方面的作用：1.减少补偿S₁₁谐振频率偏移的开关数量，即可调电感L6或者可调电感L3的中的开关数量，具体思路是在不改变补偿范围及精度的情况，增大电调谐匹配的最小频移量，即步长，这时通过连续的电调频匹配辅助，防止越过调谐过程中越过某些食物9负载(重量或者温度不同)的最佳匹配状态；2.另一个作用就是拓宽了食物9的补偿范围，若解冻的食物9太多，可调电感L6或者可调电感L3降到了最低，这时还可电调频降低频率到40.66MHz进行匹配。总之作为辅助的电调频，即可提升调谐的分辨率，又可拓宽食物9的补偿范围，降低开关的数量，从而降低成本。

控制单元6，完成系统所有的状态监测，数据分析，功能控制及UI界面人机交互，它可以包含一个或者多个用于控制的处理器，存储器，显示模块7，语音模块，按键模块，通讯接口等，其用于

1)状态监控，包含①门体结构开关监测，通过门体结构的开合控制微动开关的开合，控制信号时刻监测微动开关是否闭合，若门体结构开启，电源无法开启，解冻程序无法运行；②通过测量单元反馈的射频测量参数，时刻监测馈电端口的阻抗状态，确保射频功率输出模块4输出的射频功率能有效的传递到辐射单元11。

2)数据分析，采集射频测量模块的输出频率、前向和反向功率及它们的相差，从而计算得到散色参数S₁₁的幅值及相位。分析得到不同种类、温度、形状、重量的食物9的阻抗状态。

3)功能控制，通过控制单元6输出的电源控制信号控制电源的输出；控制单元6输出的栅极电压控制功率放大链路各个栅极电压的大小；控制单元6输出的射频信号控制，控制可控信号源的输出状态及频率状态；通过控制单元6输出的开关切换控制信号控制开关匹配模块3上开关的通断等。

4)UI交互模块，包含显示模块7，按键模块，旋钮，语音模块等。用于接受用户输入的信号，用户通过按键及旋钮来进行功能选择，还可通过远程监控模块实时便捷监控等。

本发明中的解冻装置还可以添加一些其它的辅助组件，散热组件，测温组件等。散热组件包含风扇2，合理设计的风道，以及一些热阻较低的散热结构件，对系统中的电源模块5、射频功率输出模块4及开关匹配模块3进行散热。测温组件包含热敏电阻测温及红外测温等，热敏电阻测温主要是针对电源模块5及射频功率输出模块4，红外测温主要是针对需要解冻的食材，将测得的温度数据传送给控制单元6进行监控及分析，保证系统的可靠运行。

如上文所述解冻装置可有四个工作模式供选择，分别是常规模式，快速模式，刺身模式及手动模式。其中，常规模式表示可对食物进行自动解冻，解冻后的食物较软温度在-1℃左右；快速模式也是一种自动模式，表示解冻后的食物较硬，但是容易切割，温度大概在-4℃左右；刺身模式是专门针对刺身解冻的一种自动模式；上述三个自动模式，在解冻开始后，解冻显示时间从零时间开始按顺计时逐一递增。控制单元能不断地分析解冻过程中食物的阻抗变化过程，判断解冻是否完成。解冻完成后，停止计时，控制单元能控制整个装置停止输出射频功率。

手动模式表示通过设定相应的时间来解冻，装置会按照设置的时间进行解冻，设置的时间可参考标注的解冻不同重量、类型食物的建议时长。在手动模式下，解冻显示时间从设置时间开始按倒计时逐一递减，直至倒计时结束，控制单元能控制整个装置停止输出射频功率，解冻完成；在手动模式下，装置还可按照设定的温度进行解冻，解冻显示时间从零时间开始按顺计时逐一递增，直至温度升高到设定的温度，控制单元能控制整个装置停止输出射频功率，解冻完成。

在解冻食物的过程中，由于食物温度的变化会导致辐射单元11的馈电端输入阻抗变化，从而导致测量的S₁₁发生变化。但随着温度的上升，食物内部的冰晶状态逐渐转换为流动液态，出现了大量相变情况，食物在吸收相同能量的条件下，温升会逐渐变缓，S₁₁变化的幅度及相位会逐渐降低，特别是温度升到-2摄氏度至0摄氏度区间时，S₁₁基本保持不变。因而利用温升变缓或者S₁₁变化减缓这一特性，可判断食物解冻是否完成。解冻时需不断的读取并储存S₁₁的幅值及相位，并计算S₁₁的幅值及相位的变化量，如果变化量已经稳定到一定程度时解冻完成。经过试验发现本发明适合解冻刺身(如三文鱼，生蚝等)，具体体现在解冻均匀快速，能极大的保留原始食材的鲜度及口感。

图11为解冻装置解冻的基本工作流程图。控制单元6的UI交互模块能接收到用户发出的常规/快速/刺身/手动指令，接收到开始解冻的信号后，控制单元6设置射频功率输出模块4的输出频率为初始频率(例如40.68MHz)，控制功率为低功率输出，控制开关匹配模块3进行电调谐匹配，不断切换匹配状态或者电感的连接状态，同时读取测量单元测量得到的辐射单元11馈电端S₁₁的幅值及相位，射频功率输出模块4输出及反射功率的大小，判断匹配状态的好坏，一般S₁₁的值越小，匹配状态越好。小功率输出的目的是防止在切换开关的过程中传输大功率产生的高压及大电流对器件造成不可逆的损坏，但为保证射频测量模块的检测精度功率输出不能太小，功率的大小与射频功率输出模块及开关器件的选型有关。电调谐找到最佳匹配后，保持开关状态不变，进行电调频匹配，电调频率步长大约在5KHz至10KHz左右，电调频匹配时，先读取初始频率左右两个最近的频率点的S₁₁匹配值，并比较它们的大小，然后朝着S₁₁变小的那一侧频率增大或者减小的方向，逐步扫频，直到找到S₁₁最小的那个频率点，完成电调频。

找到最佳匹配后，装置会分析匹配状态是否异常，异常情况表现为匹配状态不好，比如S₁₁的值高于-8dB。若匹配状态异常一般存在两种情况，空载和故障。空载对应的开关匹配模块3的切换状态固定，而故障情况下，开关切换状态比较随机，装置很容易识别。

匹配状态正常时，装置能记录当前开关的匹配状态，并提高射频输出功率来解冻食物。在解冻过程中，由于食物温度的变化(如温度逐渐上升)会导致电调辐射装置输入端的阻抗变化，从而使功放模块输出的功率变化，这样输出功率可能升高或者降低很多，装置很可能高负荷工作或者解冻时间增加，因而需要定时维持稳定的输出功率。若解冻过程中阻抗变化导致检测到的适配度高于设定的阈值，装置会降低功放模块的输出功率，重新进入最佳匹配的搜寻及设置模式，进行电调谐匹配之前，需重新将射频功率输出模块4的输出频率设定为初始频率(例如40.68MHz)。

解冻时还需要定时存储并分析解冻过程中的射频参量，这里的射频参量主要指的是射频测量模块检测的S₁₁的幅值及相位信息。为保证食物解冻的均匀品质，解冻过程中射频功放模块输出功率还需要不断调整，后面将会具体描述。解冻完成后，装置会关闭信号源，电源及射频功率输出模块4并提醒用户解冻完成。

手动模式下，解冻停止条件取决于用户设置的时间或者温度；自动模式下，解冻停止条件取决于装置本身对食物参数变化的判别。下面将重点介绍自动模式(常规/快速/刺身)下的解冻流程。

图12为解冻装置的自动解冻的工作流程图。用户通过UI交互模块发送自动解冻指令(常规/快速/刺身)给控制单元，控制单元控制射频功放模块低功率射频输出，控制开关切换模块切换匹配状态，同时读取射频测量模块测量得到的电调辐射装置输入端S₁₁的幅值及相位，功放模块输出及反射功率的大小，判断匹配状态的好坏；通过微调可控信号源的输出频率，找到最佳的匹配状态。

找到最佳匹配后，装置会分析匹配状态是否异常，异常情况表现为匹配状态不好，比如S11的值高于-8dB。若匹配状态异常一般存在两种情况，空载和故障。

匹配状态正常时，装置能记录当前开关的匹配状态值，匹配状态值具体指的是S11的幅值、相位、开关的切换状态及信号源的输出频率。匹配的时间间隔指的是寻找到匹配后下一次重新寻找匹配的时间间隔，时间间隔变量T1存储的是初次匹配至第二次匹配的时间间隔，依次类推，时间间隔变量Tn存储的是第n次匹配至第n+1次匹配的时间间隔。默认情况下将时间t0赋值给T1，这可以作为衡量食物初始温升变化快慢的时间阈值。

计数阈值CT是评估S11的幅值及相位的变化稳定程度的参量，CT越大，稳定度越好，CT默认值为c0。计数阈值CT由匹配初始状态值及第二次匹配前的最后存储的变化量M1/PH1决定。一般情况下，食物越多，变化量M1/PH1越小，对应的计数阈值越大。

若需要解冻的食物较少，但是温度又比较高(比如高于-7摄氏度)，按一般情况处理，变化量M1/PH1会较小，对应的计数阈值也会较大，解冻时间会很长，需要根据另一组判别条件来自动停止。这种情况下，初次匹配至第二次匹配的时间间隔会比较长，在第二次重新找匹配之前，时间间隔变量T1为默认的t0,计数阈值为默认的c0，若满足计时变量t大于t0并且计数变量大于c0条件时，解冻停止。另外还可以按照此思路展开，若需要解冻的食物温度较低(比如-10度左右)，在第二次重新找匹配之前，若不满足计时变量t大于t0并且计数变量大于c0条件，并且判定的计数阈值较大(按此计数阈值停止会较迟)，在第三次重新找匹配之前，若满足计时变量t大于t1，并且计数变量大于c1条件时，解冻停止。本发明为简单表述思路，只考虑t0及c0的判定条件。

值得一提的是，不能完全只依赖S11的幅值M的变化率来判定食物的温度是否已经达到了稳定状态，因为很可能存在S11的幅值M很稳定，但是相位PH确一直在变化的状态。同时判断S11幅值M与相位PH的变化量能对应食物温度的变化量，从而判定食物的解冻状态。

在常规模式下，解冻后的食物较软温度在-1℃左右；快速模式解冻后的食物较硬，温度大概在-4℃左右；因而在相同条件下，常规模式下计数阈值CT要大于快速模式下的计数阈值CT,可根据实验来确定具体参数。

在刺身模式下，为保持刺身本身的鲜度及降低解冻过程中的滴水损失，装置会自动根据S11的幅值及相位的变化量大小以及匹配的时间间隔逐步降低功率，每次功率降低的幅度一般在5％至20％之间。计数阈值CT越大，每次功率降低的幅度越小。在解冻过程中，由于刺身温度的变化会导致射频功率输出模块输出端的阻抗变化，进而导致模块输出的功率变化，这样输出功率可能升高或者降低很多，装置很可能高负荷工作或者解冻时间增加，因而同样也需要定时维持稳定的输出功率。

解冻时需不断的读取并储存S11的幅值及相位，并计算S11的幅值及相位的变化量，所述的变化量是新的S11的幅值或者相位与一定时间(比如20S)之前的S11的幅值或者相位差值的绝对值，但变化量的计算方式较多不仅限于此。若计算的变化量小于装置设定的稳定阈值，计数变量C开始计数，否者计数变量C保持不变。

解冻是否停止的判别主要有两点：1.初始最佳匹配设置后，在下次重新找匹配之前，即时间间隔变量T1为默认的t0,计数阈值为默认的c0，若满足计时变量t大于t0并且计数变量大于c0条件时，解冻停止。这种条件适用于解冻处于半解冻状态的食物。2.至少经过了两次寻找最佳匹配，即时间间隔变量T1已经更新并不在为t0，而计数阈值CT也不再默认为c0,若满足计数变量C大于计数阈值CT，解冻停止。

值得一提的是，装置解冻食物有默认的时间上限，若达到这个默认的时间上限，装置也会停止解冻。

本发明的技术方案相较于现有技术《具有集总电感式匹配网络的解冻设备及其操作方法》(申请公布号：CN107684007A)，具有如下优势：

1、匹配方式的区别

现有技术采用了通过控制器控制阻抗匹配网络开关状态的方式来实现匹配。本发明提出了电调谐匹配后采用电调频匹配的方式，这样有非常好的优点：

1)减少补偿S₁₁谐振频率偏移的开关数量，同时还可以提升匹配的分辨率，具体思路是在不改变补偿范围的情况，增大电调谐匹配的最小频移量，即步长，不增加电调频匹配时，开关调谐的步长约为90KHz，这时通过连续的电调频匹配将步长增大40KHz，这样可以减少若干个开关的数量，同时调频的步长可以很小如5KHz，极大的提高了电调谐匹配的分辨率，从而找到最佳的匹配状态，提升解冻效率。

2)另一个作用就是拓宽了食物的补偿范围，即使系统能够解冻更重或者更轻的食物。

总的来说加上电调频匹配后，即可提升调谐的分辨率，又可拓宽食物的补偿范围，降低开关的数量，从而降低成本。

2、匹配电路的区别

现有技术采用了L型加π型的电感匹配电路。本发明采用了L型加L型的电感匹配电路，这样有非常显著的优势：

1)从拓扑结构上看，更为简单，实现起来更加方便。

2)从功能上看，两者均是实现匹配功能，但效果有显著差别。若解冻食物的范围均为0.1Kg到2Kg，L型加π型电路的远离射频源端的可调电感的范围为：160nH-1429nH，而L型加L型电路的远离射频源端的可调电感的范围为：160nH-305nH。可以看出在保证相同步长的情况下，L型加L型电路的开关数量可相应的减少；同时两个电路在同等功率的情况下，可调电感支路上的电流相差较小，电感越大，开关承受的电压也需要增大，因而L型加L型电路对开关的指标要求也会大大降低，对解冻装置低成本实现来说起到了很大的帮助。

3)本发明中还将可调电感支路换成了射频输入端及中间节点之间串联的电感，如图7中的电感L9，这样的好处在于不改变匹配范围的前提下，可调电感L9和可调电感L8能相互有积极的影响，起到的作用在于能很大的减少可调电感L8的电感值范围，即减少可调电感L8开关的数量。

总之，采用本发明的L型加L型匹配电路，能极大的降低开关器件的数量及性能的要求，对解冻装置的使用安全及寿命等都有极好的改善。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种开关匹配模块，其特征在于，包括：

第三电感L3，第三电感L3的一端与功率输出端连接；

第五电感L5，第五电感L5的一端与第三电感L3的另一端连接；

第一旁路，第一旁路的一端与功率输出端连接，第一旁路的另一端接地；

第二旁路，第二旁路的一端与第三电感L3的另一端连接，第二旁路的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的开关匹配模块，其特征在于，第一旁路包括：

第一电感L1，第一电感L1的一端与功率输出端连接；

第二电感L2，第二电感L2的一端与第一电感L1的另一端连接，第二电感L2的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的开关匹配模块，其特征在于，第二旁路包括：

第四电感L4，第四电感L4的一端与第三电感L3的另一端连接，第四电感L4的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的开关匹配模块，其特征在于，第二旁路包括：

第四电感L4，第四电感L4的一端与第三电感L3的另一端连接；

第六电感L6，第六电感L6的一端与第四电感L4的另一端连接，第六电感L6的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的开关匹配模块，其特征在于，第三电感L3为可调电感；

第五电感L5为固定电感；

第一电感L1为固定电感；

第二电感L2为可调电感；

第四电感L4为固定电感。

6.根据权利要求4所述的开关匹配模块，其特征在于，第三电感L3为固定电感；

第五电感L5为固定电感；

第一电感L1为固定电感；

第二电感L2为可调电感；

第四电感L4为固定电感；

第六电感L6为可调电感。

7.一种解冻装置，其特征在于，至少包括：

解冻腔体，在解冻腔体内设有工作室；

控制单元，控制单元设置在解冻腔体内；

射频功率输出模块，射频功率输出模块设置在解冻腔体内，射频功率输出模块与控制单元通信；

测量单元，测量单元分别与控制单元及射频功率输出模块通信；

开关匹配模块，开关匹配模块与测量单元通信；

辐射单元，辐射单元与开关匹配模块通信，辐射单元设置在工作室的下方；其中

开关匹配模块为权利要求1至6任意一项所述的开关匹配模块。

8.一种自动解冻方法，包含常规自动解冻模式、快速自动解冻模式和刺身自动解冻模式，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，控制单元接收解冻命令后控制射频功率输出模块输出射频功率；

步骤2，控制单元控制开关匹配模块及可控信号源在射频功率下进行匹配；

步骤3，开关匹配模块完成匹配并判定匹配状态是否正常；

若匹配状态正常，则进入步骤4；

若匹配状态异常，则结束解冻；

步骤4，记录当前的匹配状态的匹配状态值，设定射频功率解冻食物，并检测食物的射频参量；

若解冻完成，则结束；

若解冻未完成，并且失配度高于设定的阈值，则降低射频功率输出模块输出的射频功率，并返回步骤2。

9.根据权利要求8所述的自动解冻方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，控制单元控制开关匹配模块在射频功率下进行电调谐匹配；

步骤2.2，完成电调谐匹配后，进行电调频匹配。

10.根据权利要求8所述的自动解冻方法，其特征在于，步骤4中，解冻完成的条件为：

计时变量t大于t0并且计数变量大于c0；或者

时间间隔变量T1不等于t0、计数阈值CT不等于c0,且计数变量C大于计数阈值CT；

其中

t0为默认的时间间隔变量，c0为默认的计数阈值；

常规自动解冻模式的计数阈值大于快速自动解冻模式的计数阈值；刺身自动解冻模式逐步降低功率，每次功率降低的幅度一般在5％～20％之间。