CN110311646A - 一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了污水处理技术领域的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法及系统。通过调整位于微波功率源与反应腔之间的自适应匹配网络的参数，使得反应腔在不同工作状态下与微波功率源阻抗匹配，所述自适应匹配网络由压控电容和压控电感组成。采用本发明的方法，当反应腔处于不同工作阶段和状态下，系统能自动实现反应腔和微波功率源之间的阻抗匹配，提升微波功率的利用率，增强了反应腔的工作稳定性，提高了系统的工作效率。

Description

一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法及系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法及系统。

背景技术

利用大功率微波对反应腔中物质的电磁作用，大幅提升废水的处理效率，形成了新一代的微波射频技术在环保行业的应用系统。其中，微波功率源提供大功率的射频信号，反应腔利用大功率射频信号对物质进行电磁场作用以加快物质活化分离的速度。

在传统的微波功率源与反应腔的系统中，当反应腔处于不同工作状态时，反应腔激励端口的特性阻抗会发生明显变化，使微波功率源与反应腔之间不能有良好的阻抗匹配，导致微波功率源输出端的反射功率增加，系统的功耗增加，工作效率降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法及系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法，通过调整位于微波功率源与反应腔之间的自适应匹配网络的参数，使得反应腔在不同工作状态下与微波功率源阻抗匹配，自适应匹配网络由压控电容和压控电感组成。

具体步骤包括：

S1，获取微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗，反应腔的输入端口特性阻抗随着反应腔内储存的污水状态而变化；

S2，根据微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗求得微波功率源输出端口的反射系数；

S3，判断微波功率源输出端口的反射系数是否小于预设的反射系数阈值；若否，减小微波功率源的输出功率，并通过改变电压的方式改变压控电容的电容值和压控电感的电感值，使得反应腔与微波功率源阻抗匹配，并且微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值，再将微波功率源的输出功率增大到预设功率。

一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，包括微波功率源、定向耦合器、检波电路、监控电路、反应腔，还包括自适应匹配单元、输出功率检波电路和反射功率检波电路，微波功率源、定向耦合器、自适应匹配单元和反应腔串联，微波功率源输出的功率信号，依次通过定向耦合器和自适应匹配单元，输出到反应腔；

定向耦合器接收微波功率源输出的功率信号，在输出功率信号到自适应匹配单元的同时，将输出采样信号输出到输出功率检波电路，将反射采样信号输出到反射功率检波电路；

输出功率检波电路从定向耦合器获取输出采样信号，并输出检波输出采样信号到监控电路；

反射功率检波电路从定向耦合器获取反射采样信号，并输出检波反射采样信号到监控电路，

监控电路，根据输入的检波输出采样信号和检波反射采样信号，输出控制电压到自适应匹配单元；

自适应匹配单元根据控制电压，调整反应腔输入端口等效特性阻抗，当反应腔的输入端口特性阻抗随着反应腔内储存的污水状态变化时，微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值。

定向耦合器为两个，其中一个定向耦合器将输出采样信号输出到输出功率检波电路，其中一个将反射采样信号输出到反射功率检波电路，定向耦合器的方向性D≥25dB。

自适应匹配单元由压控电感L1，压控电感L2，压控电容C1，压控电容C2组成，压控电感L2和压控电容C2串联，形成第一支路，第一支路与压控电容C1并联，再与L1串联，形成一个串并联组合的双端口网络。

反应腔输入端口等效特性阻抗的计算公式为：

Z_L’＝R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]+j{(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]+c}

其中，Z_L’为加入自适应匹配电路后反应腔输入端口等效特性阻抗，a＝X_L+ω₀L₂-1/ω₀C₂，b＝ω₀C₁，c＝ω₀L₁，其中ω₀＝2πf₀，ω₀为微波功率源输出的角频率，f₀为微波功率源的工作频率，R_L是反应腔的等效负载电阻，X_L是反应腔的等效负载电抗，压控电感L1电感值为L₁，压控电感L2电感值为L₂，压控电容C1电容值为C₁，压控电容C2的电容值为C₂。

加入自适应匹配电路后反应腔输入端口等效特性阻抗Z_L’＝Z₀ ^*时，反应腔与微波功率源阻抗匹配，其中，Z₀ ^*＝R₀-jX₀，R₀为微波功率源输出端的等效电阻，X₀是微波功率源输出端的等效电抗，Z₀ ^*为Z₀的共轭阻抗，Z₀是微波功率源输出端口特性阻抗，Z₀＝R₀+jX₀。

加入自适应匹配电路后反应腔输入端口等效特性阻抗Z_L’＝Z₀ ^*是指：R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]＝R₀，-(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]-c＝X₀，其中，Z₀ ^*＝R₀-jX₀，R₀为微波功率源输出端的等效电阻，X₀是微波功率源输出端的等效电抗，Z₀ ^*为Z₀的共轭阻抗，Z₀是微波功率源输出端口特性阻抗，Z₀＝R₀+jX₀，a＝X_L+ω₀L₂-1/ω₀C₂，b＝ω₀C₁，c＝ω₀L₁，其中ω₀＝2πf₀，ω₀为微波功率源输出的角频率，f₀为微波功率源的工作频率，R_L是反应腔的等效负载电阻，X_L是反应腔的等效负载电抗，压控电感L1电感值为L₁，压控电感L2电感值为L₂，压控电容C1电容值为C₁，压控电容C2的电容值为C₂。

微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用上述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法的电路。

微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用上述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用本发明的方法和系统，当反应腔处于不同工作阶段和状态下，系统能自动实现反应腔和微波功率源之间的阻抗匹配，提升微波功率的利用率，增强了反应腔的工作稳定性，提高了系统的工作效率。

附图说明

图1为本发明一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法的流程图；

图2为本发明实施例1中的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路原理图；

图3为本发明实施例1中的自适应匹配单元电路原理图；

图4为本发明实施例1中的调整电压值来改善该反射系数Γ的算法控制逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法，流程图如图1所示。通过调整位于微波功率源与反应腔之间的自适应匹配网络的参数，使得反应腔在不同工作状态下与微波功率源阻抗匹配，具体步骤包括：

S1，获取微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗。

微波功率源的工作频率为f，模式为单音信号，角频率ω＝2πf，其输出端口特性阻抗为Z₀。反应腔的输入端口特性阻抗为Z_L，其值受到反应腔内储存的污水状态影响。

S2，根据微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗求得微波功率源输出端口的反射系数。

微波功率源与反应腔级联时，微波功率源输出端口的反射系数为：

Γ＝︳Z₀ ^*-Z_L︳/︳Z₀ ^*+Z_L︳

其中，Γ是反射系数，Z₀为微波功率源输出端口特性阻抗，Z₀*为Z₀的共轭阻抗，Z_L为反应腔的输入端口特性阻抗。

当反应腔的输入端口与微波功率源的输出端口没有良好匹配时，反射系数会比较大，如果Γ超过阈值Γ_max，反应腔将无法正常工作。

反射系数的另一种计算方法为：微波功率源输出端口反射系数其中，P_out是微波功率源的输出功率，P_r在反应腔检测到的反射功率。

S3，判断微波功率源输出端口的反射系数是否小于预设的反射系数阈值；若否，减小微波功率源的输出功率，并通过改变电压的方式改变压控电容的电容值和压控电感的电感值，使得反应腔与微波功率源阻抗匹配，微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值，再将微波功率源的输出功率增大到预设功率。由于在改变匹配的过程中，射频链路不稳定，在大功率状态下容易自激，所以需要降低微波功率源的输出功率再调整匹配。

一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，电路原理图如图2所示，包括微波功率源、定向耦合器、检波电路、监控电路、反应腔，自适应匹配单元、输出功率检波电路和反射功率检波电路，微波功率源、定向耦合器、自适应匹配单元和反应腔串联，微波功率源输出的功率信号，依次通过定向耦合器和自适应匹配单元，输出到反应腔。

定向耦合器接收微波功率源输出的功率信号，在输出功率信号到自适应匹配单元的同时，将输出采样信号输出到输出功率检波电路，将反射采样信号输出到反射功率检波电路。

特别的，定向耦合器为两个，其中一个定向耦合器将输出采样信号输出到输出功率检波电路，其中一个将反射采样信号输出到反射功率检波电路。

输出功率检波电路从定向耦合器获取输出采样信号，并输出检波输出采样信号到监控电路；反射功率检波电路从定向耦合器获取反射采样信号，并输出检波反射采样信号到监控电路。

监控电路根据输入的检波输出采样信号和检波反射采样信号，再通过功率对应表获得输出功率P_out与反射功率P_r，微波功率源输出端口反射系数将微波功率源输出端口反射系数Γ与反射系数阈值Γ_max做比较，当Γ≤Γ_max时，输出控制电压到自适应匹配单元。其中，功率对应表由微波功率源连接标准负载与功率计测试所得。

自适应匹配单元根据控制电压，调整反应腔输入端口等效特性阻抗，当反应腔的输入端口特性阻抗随着反应腔内储存的污水状态变化时，微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值。

特别的，自适应匹配单元自适应匹配网络由压控电容和压控电感组成。

进一步的，自适应匹配单元由压控电感L1，压控电感L2，压控电容C1，压控电容C2组成，监控电路根据微波功率源输出端口反射系数Γ与反射系数阈值Γ_max大小输出调整电感和电容取值的控制电压，改变自适应匹配单元中的电感与电容的值，从而改善微波功率源与反应腔的匹配效果，实现微波功率源与反应腔之间的自适应阻抗匹配。

包括压控电感L1，压控电感L2，压控电容C1，压控电容C2的自适应匹配单元电路原理图如图3所示，压控电感L2和压控电容C2串联，形成第一支路，第一支路与压控电容C1并联，再与L1串联，形成一个串并联组合的双端口网络。

这些电感与电容都是压控可调的，关系如下：

L₁＝F₁(V₁)；

C₁＝F₂(V₂)；

C₂＝F₃(V₃)；

L₂＝F₄(V₄)；

其中，F_n(V_n)反应了电压与电感值或电压与电容值之间的关系，并且各电压值分别控制其相应的器件的取值，与其它变量无关，系统通过调整电压V₁、V₂、V₃、V₄的值，即可改变电感与电容L₁、C₁、C₂、L₂的值。

自适应匹配单元与反应腔级联之后的输入端口等效特性阻抗为：

Z_L’＝(Z_L+jωL₂+1/jωC₂)/[1+(Z_L+jωL₂+1/jωC₂)*jωC₁]+jωL₁

此时对于任一值的Z₀与Z_L，均可通过改变电感L₁、L₂与电容C₁、C₂的值实现匹配，使反射系数Γ≤Γ_max。

因此，我们可以采用特定的算法，根据采样计算得到的反射系数数据Γ自动调整电压V₁、V₂、V₃、V₄的值来改善该反射系数Γ，算法控制逻辑如图4所示。从而实现在任意工作频率下，微波功率源与反应腔的自适应匹配。

具体举例如下：

当工作频率为f₀，即角频率ω₀＝2πf₀，微波功率源输出端口特性阻抗Z₀＝R₀+jX₀，反应腔等效负载阻抗Z_L＝R_L+jX_L时，若需反应腔与微波功率源完全阻抗匹配，则加入自适应匹配单元后，反应腔输入端口等效特性阻抗Z_L’＝Z₀ ^*，其中＝R₀-jX₀。

由于Z_L’＝(R_L+jX_L+jω₀L₂+1/jω₀C₂)/[1+(R_L+jX_L+jω₀L₂+1/jω₀C₂)*jω₀C₁]+jω₀L₁，

令a＝X_L+ω₀L₂-1/ω₀C₂，b＝ω₀C₁，c＝ω₀L₁，有：

Z_L’＝R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]+j{(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]+c}，其中a、b、c均为实数。

Z_L’＝Z₀ ^*＝R₀-jX₀，即R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]＝R₀，-(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]-c＝X₀时，反应腔与微波功率源完全匹配。

通常R₀≈50Ω，X₀≈0，故Γ＝︳50-Z_L’︳/︳50+Z_L’︳，所以通过改变L₁、C₁、C₂、L₂的值，改变Z_L’的值，使得Γ≤Γ_max，从而使反应腔与微波功率源在任意工作条件下实现良好匹配。

微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用上述一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法的电路。

微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用上述任何一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路。

Claims (10)

1.一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法，其特征在于，通过调整位于微波功率源与反应腔之间的自适应匹配网络的参数，使得反应腔在不同工作状态下与微波功率源阻抗匹配，所述自适应匹配网络由压控电容和压控电感组成。

2.如权利要求1所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1，获取微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗，所述反应腔的输入端口特性阻抗随着所述反应腔内储存的污水状态而变化；

S2，根据所述微波功率源的输出端口特性阻抗和反应腔的输入端口特性阻抗求得微波功率源输出端口的反射系数；

S3，判断微波功率源输出端口的反射系数是否小于预设的反射系数阈值；若否，减小微波功率源的输出功率，并通过改变电压的方式改变所述压控电容的电容值和所述压控电感的电感值，使得反应腔与微波功率源阻抗匹配，并且所述微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值，再将微波功率源的输出功率增大到预设功率。

3.一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，包括微波功率源、定向耦合器、检波电路、监控电路、反应腔，其特征在于，还包括自适应匹配单元、输出功率检波电路和反射功率检波电路，所述微波功率源、定向耦合器、自适应匹配单元和反应腔串联，微波功率源输出的功率信号，依次通过定向耦合器和自适应匹配单元，输出到反应腔；

所述定向耦合器接收所述微波功率源输出的功率信号，在输出所述功率信号到自适应匹配单元的同时，将输出采样信号输出到所述输出功率检波电路，将反射采样信号输出到所述反射功率检波电路；

输出功率检波电路从定向耦合器获取输出采样信号，并输出检波输出采样信号到监控电路；

反射功率检波电路从定向耦合器获取反射采样信号，并输出检波反射采样信号到监控电路，

监控电路，根据输入的所述检波输出采样信号和检波反射采样信号，输出控制电压到所述自适应匹配单元；

所述自适应匹配单元根据所述控制电压，调整反应腔输入端口等效特性阻抗，当所述反应腔的输入端口特性阻抗随着所述反应腔内储存的污水状态变化时，微波功率源输出端口的反射系数小于预设的反射系数阈值。

4.如权利要求3所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，其特征在于，所述定向耦合器为两个，其中一个定向耦合器将输出采样信号输出到所述输出功率检波电路，其中一个将反射采样信号输出到所述反射功率检波电路，定向耦合器的方向性D≥25dB。

5.如权利要求3或4所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，其特征在于，所述自适应匹配单元由压控电感L1，压控电感L2，压控电容C1，压控电容C2组成，所述压控电感L2和压控电容C2串联，形成第一支路，所述第一支路与所述压控电容C1并联，再与L1串联，形成一个串并联组合的双端口网络。

6.如权利要求5所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，其特征在于，反应腔输入端口等效特性阻抗的计算公式为：

Z_L’＝R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]+j{(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]+c}

其中，Z_L’为加入自适应匹配电路后反应腔输入端口等效特性阻抗，a＝X_L+ω₀L₂-1/ω₀C₂，b＝ω₀C₁，c＝ω₀L₁，其中ω₀＝2πf₀，ω₀为微波功率源输出的角频率，f₀为微波功率源的工作频率，R_L是反应腔的等效负载电阻，X_L是反应腔的等效负载电抗，压控电感L1电感值为L₁，压控电感L2电感值为L₂，压控电容C1电容值为C₁，压控电容C2的电容值为C₂。

7.如权利要求6所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，其特征在于，所述加入自适应匹配电路后反应腔输入端口等效特性阻抗Z_L’＝Z₀ ^*时，反应腔与微波功率源阻抗匹配，其中，所述Z₀ ^*＝R₀-jX₀，R₀为微波功率源输出端的等效电阻，X₀是微波功率源输出端的等效电抗，Z₀ ^*为Z₀的共轭阻抗，Z₀是微波功率源输出端口特性阻抗，Z₀＝R₀+jX₀。

8.如权利要求7所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路，其特征在于，Z_L’＝Z₀ ^*是指：R_L/[(1-ab)²+R_L ²b²]＝R₀，-(a-a²b-R_L ²b)/[(1-ab)²+R_L ²b²]-c＝X₀，其中，所述Z₀ ^*＝R₀-jX₀，R₀为微波功率源输出端的等效电阻，X₀是微波功率源输出端的等效电抗，Z₀ ^*为Z₀的共轭阻抗，Z₀是微波功率源输出端口特性阻抗，Z₀＝R₀+jX₀，a＝X_L+ω₀L₂-1/ω₀C₂，b＝ω₀C₁，c＝ω₀L₁，其中ω₀＝2πf₀，ω₀为微波功率源输出的角频率，f₀为微波功率源的工作频率，R_L是反应腔的等效负载电阻，X_L是反应腔的等效负载电抗，压控电感L1电感值为L₁，压控电感L2电感值为L₂，压控电容C1电容值为C₁，压控电容C2的电容值为C₂。

9.微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用如权利要求1或2的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配方法的电路。

10.微波污水处理模块、微波污水处理系统包括采用如权利要求3-8任一所述的一种微波功率源与反应腔的自适应匹配电路。