CN111031620B - 一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波加热领域，是指一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备，解决了现有技术中多固态源分区加热，加热成本高、结构复杂的问题。本发明包括固态源和加热腔，还包括天线辐射装置、功分器；所述天线辐射装置设置于加热腔内；所述固态源通过功分器连接天线辐射装置；所述功分器为两组以上微带电路。本发明通过功分器连接固态源，控制固态源的频率、输出功率及工作时间，实现加热腔内分区加热；本发明可实现分区加热，结构简单、成本低。

Description

一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备
技术领域
本发明涉及微波加热领域，特别是指一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备。
背景技术
随着现代科技的飞速发展，微波能作为一种新型的高效率、清洁能源，已广泛应用于工业生产、日常生活等各个领域，微波加热在生活和工业生产中发挥着越来越重要的作用的同时，消费者对微波加热的成本及加热均匀性都提出了更高的要求。
现有技术中存在通过指向加热以提升微波加热均匀性的方法，通过多固态源分区辐射以达到分区加热的目的，但其存在成本高昂的问题；
亟待出现一种可解决上述问题的新型的可实现分区加热的少固态源的加热设备及方法。
发明内容
本发明提出的一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备，解决了现有技术中多固态源分区加热，加热成本高结构复杂的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种利用单固态源调频实现微波分区加热的设备，包括固态源和加热腔，还包括天线辐射装置、功分器；所述天线辐射装置设置于加热腔内；所述固态源通过功分器连接天线辐射装置；所述功分器为将微波能量进行均分并产生相位差异的微波器件；所述微波器件为二级微带电路。
进一步地，所述功分器为1分6路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为2组×3路且2组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000021
或0的微带电路；所述功分器第①级的2路微带电路长度差l1-l2＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为2个等功率同相位3路功分器。
另外，所述功分器为1分9路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为3组×3路且3组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000022
或0的微带电路；所述功分器第①级的3路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为3个等功率同相位3路功分器。
另外，所述功分器为1分16路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为4组×4路且4组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000023
或0的微带电路；所述功分器第①级的4路微带电路长度差l1-l2＝l2-l2＝l2-l4＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为4个等功率同相位4路功分器。
进一步地，所述天线辐射装置为微带贴片天线单元组成的阵列天线，所述单个贴片天线单元在2.41GHz～2.49GHz频率范围内S11＜-10dB。
一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法，包括以下步骤：A、在加热腔体内设置由微带贴片天线单元组成的阵列天线；固态源通过功分器连接阵列天线；B、控制固态源工作频率、输出功率和工作时间进行控制，使微波能量通过功分器进行均分和相位改变后再传输至阵列天线；C、微波能量通过作为馈源的阵列天线在加热腔体空间内进行合成，能量在给定的时间和功率内将腔体内划分为3个区域分别进行加热。
本发明公开的一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法及设备，通过功分器连接固态源，控制固态源的频率、输出功率及工作时间，实现加热腔内分区加热；本发明可实现分区加热，结构简单、成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明的逻辑流程图；
图2：产生相差功分器原理示意图；
图3：本发明的结构示意图；
图4：不同频率下各区域加热温度切片图；
其中：1、贴片天线；2、微波传输线；3、功分器；4、固态源；5、加热腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开的一种利用单固态源调频实现微波分区加热的设备，包括固态源4和加热腔5，还包括天线辐射装置、功分器3；所述天线辐射装置设置于加热腔5内；所述固态源4通过功分器3连接天线辐射装置；所述功分器3为二级微带电路或其他相同功能的微波器件。
进一步地，所述功分器3为为1分9路等功率功分器，包括功分器3第①级和功分器3第②级；所述功分器3包括将电磁能量均分为3组×3路且三组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000041
或0的微带电路。
进一步地，所述功分器3第①级的3路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器3第②级为3个等功率同相位3路功分器3。
进一步地，所述天线辐射装置为9个微带贴片天线1单元组成的3×3阵列天线，所述单个贴片天线1单元在2.41GHz～2.49GHz频率范围内S11＜-10dB。
优选地，所述固态源4为单路同轴输出、2400～2500MHz频率可控的压控固态源4。
本发明公开的一种利用单固态源调频实现微波分区加热的方法，包括以下步骤：A、在加热腔5体内设置由9个微带贴片天线1单元组成的3×3阵列天线；固态源4通过功分器3连接阵列天线；B、对固态源4工作频率、输出功率和工作时间进行控制，使微波能量通过功分器3进行均分和相位改变后再传输至阵列天线；C、微波能量通过作为馈源的9单元阵列天线在加热腔5体空间内进行合成，能量在给定的时间和功率内将腔体内划分为3个区域分别进行加热。
具体实施方式一
所述功分器3为1分6路等功率能够产生相差的功分器，包括功分器3第①级和功分器3第②级；功分器3包括将电磁能量均分为2组×3路且2组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000051
或0的微带电路或能够完成该功能的其他微波器件；其中第①级的2路微带电路长度差l1-l2＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或传播波长λf0的整数倍；其中第②级为2个等功率同相位3路功分器3。天线辐射装置为6个微带贴片天线1单元组成的2×3阵列天线，单个贴片天线1单元在2.41GHz～2.49GHz频率范围内S11＜-10dB。固态源4为单路输出、2400～2500MHz频率可控的压控固态源4。
其分区加热的方法，包括以下步骤：A、在加热腔5体内设置由6个微带贴片天线1单元组成的2×3阵列天线；固态源4通过功分器3连接阵列天线；B、对固态源4工作频率、输出功率和工作时间进行控制，使微波能量通过功分器3进行均分和相位改变后再传输至阵列天线。C、微波能量通过作为馈源的6单元阵列天线在加热腔5体空间内进行合成，能量在给定的时间和功率内将对腔体内划分的3个区域分别进行加热。
另外如图2，1分6路，所示，将功分器3进行变形，改变功分器3第①级与第②级的设计依然可以得到相同的结果。可实现此功能的功分器3有多种变形，通过变形实施后，均可通过单固态源4变频实现分区加热的功能。故均为本专利的保护内容。
使用6贴片天线1单元组成的相控阵天线阵列进行模拟分区加热仿真，总功率400W，首先将空间分为I、II、III区域，3个区域分别放有100ml水，介电常数为80-12*j，由于腔体内的反射，温升的效果不会完全相同，基于变频相控阵理论，通过改变固态源4频率，形成具有指向性的微波波束，对3个区域分别进行60s加热：
如图4，1分6路，各区域加热温度切片图所示，经过60s加热后，有明显的分区加热效果。
具体实施方式二
功分器3为1分9路等功率能够产生相差的功分器，包括功分器3第①级和功分器3第②级；所述功分器3包括将电磁能量均分为3组×3路且3组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000061
或0的微带电路或能够完成该功能的其他微波器件；功分器3第①级的3路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝Δl；功分器3第②级为3个等功率同相位3路功分器3；天线辐射装置为9个微带贴片天线1单元组成的3×3阵列天线；
设频率f0＝2450MHz，f1＝2400MHz，f2＝2500MHz，如图2功分器3原理示意图所示，将加热腔5分成I、II、III区域，将功分器3第①级的2路微带电路长度差l1-l2＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍，控制固态源4在不同时刻输出不同功率的频率为f0，f1，f2的电磁波能量到功分器3第①级，由于微带电路长度差Δl使得功分器3第①级输出的电磁波相位差
Figure BDA0002268582860000071
分别为0，
Figure BDA0002268582860000072
电磁波再通过功分器3第②级后能量均分为9路，通过9单元天线阵列后能量根据相控阵理论在空间中相互叠加合成偏离角分别为0，θ，-θ的偏转波束，分别指向中心II区域和I、III区域，对3个加热空间分别进行加热。通过调节固态源4频率、功率、加热时间，能够实现指向性加热，只对所需要的区域进行加热，进而能够使3个区域最终的加热温度达到所需的效果。
另外如图2，1分9路所示，将功分器3进行变形，改变功分器3第①级与第②级的设计依然可以得到相同的结果。可实现此功能的功分器3有多种变形，通过变形实施后，均可通过单固态源4变频实现分区加热的功能。故均为本专利的保护内容。
如图4，1分9路，使用6贴片天线1单元组成的相控阵天线阵列进行模拟分区加热仿真，总功率300W，首先将空间分为I、II、III区域，3个区域分别放有100ml水，介电常数为80-12*j，由于腔体内的反射，温升的效果不会完全相同，基于变频相控阵理论，通过改变固态源4频率，形成具有指向性的微波波束，对3个区域分别进行60s加热。
具体实施方式三
功分器3为1分16路等功率能够产生相差的功分器3，包括功分器3第①级和功分器3第②级；所述功分器3包括将电磁能量均分为4组×4路且4组电磁能量相位差均为
Figure BDA0002268582860000073
或0的微带电路或能够完成该功能的其他微波器件。功分器3第①级的4路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝l2-l4＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或传播波长λf0的整数倍；功分器3第②级为4个等功率同相位4路功分器3。天线辐射装置为16个微带贴片天线1单元组成的4×4阵列天线，所述单个贴片天线1单元在2.41GHz～2.49GHz频率范围内S11＜-10dB。
其分区加热的方法，包括以下步骤：A、在加热腔5体内设置由16个微带贴片天线1单元组成的4×4阵列天线；固态源4通过功分器3连接阵列天线；B、对固态源4工作频率、输出功率和工作时间进行控制，使微波能量通过功分器3进行均分和相位改变后再传输至阵列天线。C、微波能量通过作为馈源的16单元阵列天线在加热腔5体空间内进行合成，能量在给定的时间和功率内将对腔体内划分的3个区域分别进行加热。
设频率f0＝2450MHz，f1＝2400MHz，f2＝2500MHz，如图2功分器3原理示意图所示，将加热腔5分成I、II、III区域，将功分器3第①级的3路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝l3-l4-Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍，控制固态源4在不同时刻输出不同功率的频率为f0，f1，f2的电磁波能量到功分器3第①级，由于微带电路长度差Δl使得功分器3第①级输出的电磁波相位差
Figure BDA0002268582860000081
分别为0，
Figure BDA0002268582860000082
电磁波再通过功分器3第②级后能量均分为16路，通过16单元天线阵列后能量根据相控阵理论在空间中相互叠加合成偏离角分别为0，θ，-θ的偏转波束，分别指向中心Ⅱ区域和Ⅰ、Ⅲ区域，对3个加热空间分别进行加热。通过调节固态源4频率、功率、加热时间，能够实现指向性加热，只对所需要的区域进行加热，进而能够使3个区域最终的加热温度达到所需的效果。
另外如图2，1分16路，所示，将功分器3进行变形，改变功分器3第①级与第②级的设计依然可以得到相同的结果。可实现此功能的功分器3有多种变形，通过变形实施后，均可通过单固态源4变频实现分区加热的功能。故均为本专利的保护内容。
使用16贴片天线1单元组成的相控阵天线阵列进行模拟分区加热仿真，总功率400W，首先将空间分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域，3个区域分别放有100ml水，介电常数为80-12*j，由于腔体内的反射，温升的效果不会完全相同，基于变频相控阵理论，通过改变固态源4频率，形成具有指向性的微波波束，对3个区域分别进行60s加热：
如图4，1分16路，各区域加热温度切片图所示，经过60s加热后，有明显的分区加热效果。
本发明公开的一种利用单固态源4调频实现微波分区加热的方法及设备，通过功分器3连接固态源4，控制固态源4的频率、输出功率及工作时间，实现加热腔5内分区加热；本发明可实现分区加热，结构简单、成本低。
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用单固态源调频实现微波分区加热的设备，包括固态源和加热腔，其特征在于：还包括天线辐射装置、功分器；所述天线辐射装置设置于加热腔内；
所述固态源通过功分器连接天线辐射装置；
所述功分器为将微波能量进行均分并产生相位差异的微波器件；所述微波器件为二级微带电路，所述功分器为1分6路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为2组×3路且2组电磁能量相位差均为
Figure FDA0002807534390000011
或0的微带电路；所述功分器第①级的2路微带电路长度差l1-l2＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为2个等功率同相位3路功分器，所述功分器为1分9路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为3组×3路且3组电磁能量相位差均为
Figure FDA0002807534390000012
或0的微带电路；所述功分器第①级的3路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为3个等功率同相位3路功分器，所述功分器为1分16路等功率功分器，包括功分器第①级和功分器第②级；所述功分器包括将电磁能量均分为4组×4路且4组电磁能量相位差均为
Figure FDA0002807534390000013
或0的微带电路；所述功分器第①级的4路微带电路长度差l1-l2＝l2-l3＝l3-l4＝Δl设置为中心频率f0在介质中的传播波长λf0，或波长λf0的整数倍；功分器第②级为4个等功率同相位4路功分器，所述天线辐射装置为微带贴片天线单元组成的阵列天线，单个贴片天线单元在2.41GHz～2.49GHz频率范围内S11＜-10dB。
2.一种如权利要求1所述利用单固态源调频实现微波分区加热的设备实现微波分区加热的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、在加热腔体内设置由微带贴片天线单元组成的阵列天线；固态源通过功分器连接阵列天线；
B、控制固态源工作频率、输出功率和工作时间进行控制，使微波能量通过功分器进行均分和相位改变后再传输至阵列天线；
C、微波能量通过作为馈源的阵列天线在加热腔体空间内进行合成，能量在给定的时间和功率内将腔体内划分为3个区域分别进行加热。
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