CN111031621B - 一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法、系统和装置 - Google Patents

一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法、系统和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法、系统和装置，通过频分调制、时分调制以及空域选择的方式实现微波功率到各待加热区域配套天线的不同时长分配，各待加热区域配套天线将微波功率作用到各待加热物体上，实现分区按需加热的效果。其中微波分区加热装置包括：封闭式金属加热腔体、微波能量辐射结构、分区多频馈电网络、分时分频控制系统。本发明所采用的分时分频控制系统可以对加热范围精准控制，可以对微波加热范围进行均匀加热、指定区域加热等精细化加热，充分满足了按需加热的需求。

Description

一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法、系统和 装置
技术领域
本发明属于微波加热应用领域，涉及一种微波加热方法。
背景技术
微波加热技术是现代新型的加热技术，高效的能量利用率和低能量损 耗使其在节能减排和环保能源发展方面成为一大亮点。然而微波加热也有 一些缺点，不均匀加热是其中最常见的一种，加热不均匀会引起局部过热 和出现热点等问题，甚至可能会发生燃烧和爆炸。微波加热不均匀主要原 因有两点：电磁波在腔体中反复反射，形成驻波；腔体中电磁参数不连续， 导致电磁波快速衰减。为提高微波加热均匀性，提出将每个分区域的温度分布进行细化控制，最终达到整个区域均匀化的效果。提高微波加热均匀 性是目前微波加热技术在各个领域应用的热点问题。
为提高微波加热均匀性，Sang-Hyeon Bae等人公开了一种通过对多微 波源输入功率的顺序控制实现均匀加热的微波加热方法(Sang-Hyeon Bae, Min-Gyo Jeong,Ji-Hong Kim,and Wang-Sang Lee,“A Continuous Power-Controlled Microwave BeltDrier Improving Heating Uniformity,”IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS,VOL.27,NO.5, MAY 2017.)，使得多个场模式不停变化，大大减少了谐振腔内部温度场的 热点和冷点，从而实现了微波均匀加热，但是其加热结构笨重复杂，不利 于广泛使用，并且也增加了使用成本。四川大学朱铧丞，杨阳和黄卡玛公 开了一种微波选频加热的装置(四川大学，一种微波选频加热的装置，中 国发明专利，申请号201620669502.8，申请日2016.06.28)，通过改变微 波频率来提高对被加热物体的加热效果，但是，该方式不能实现所需区域 的局部加热和按需加热。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种基于时频 空域综合调制的微波分区加热方法、系统和装置，通过频分调制、时分调制 以及空域选择的方式实现微波功率到各待加热区域配套天线的不同时长分 配；最终，各待加热区域配套天线将微波功率作用到各待加热物体上，实 现分区按需加热的效果。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于时频空域综合 调制的微波分区加热方法，首先，通过待加热物体的自动图像比对分析或 者加热需求手动输入方式，确定各待加热区域所需的微波功率以及加热时 长配比；其次，通过频分调制、时分调制以及空域选择的方式实现微波功 率到各待加热区域配套天线的不同时长分配；最终，各待加热区域配套天 线将微波功率作用到各待加热物体上，实现分区按需加热的效果。
进一步的，所述的频分调制方式是通过改变微波功率源的外加直流偏 压值，来实现微波功率源的输出频率变化；微波功率源的输出功率值始终 处于最优效率所对应的最优功率输出范围内。
进一步的，所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流 偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长。
进一步的，所述的空域选择方式是通过多工器将工作在不同频率的多 个天线集成到一个功率输入口上，再通过输入微波功率源的频率不同来进 行不同天线的选择性工作，进而实现加热区域的选择。
进一步的，各区域待加热物体的加热效果采用自动图像比对分析的方 法进行实时监控，通过监测结果对时频空域综合调制参数进行优化，最终 达到最需要的分区加热效果。
一种基于时频空域综合调制的微波分区加热系统，包括
加热需求输入模块，用于获取使用者所需要的加热范围及加热效果；
加热效果采集模块，用于确定待测加热物体的实时加热效果；
频率控制模块，用于控制微波功率源的输出频率值；
时间控制模块，用于控制微波功率源不同输出频率值所持续的时长；
系统参数运算模块，用于分析处理采集得到的待加热物体信息和输入 得到的所需效果信息，精准控制微波功率源的不同输出频率值、不同频率 所持续的时长；
微波辐射模块，用于将微波功率源辐射到各区域的带加热物体上；
电源管理模块，用于为微波分区加热系统的其他模块提供不同电压、 电流配比。
一种基于时频空域综合调制的微波分区加热装置，包括封闭式金属加 热腔体、微波能量辐射结构、分区多频馈电网络和分时分频控制系统，所 述的微波能量辐射结构固定于金属加热腔体的内侧壁；所述的分区多频馈 电网络与微波能量辐射结构直接相连；分时分频控制系统与分区多频馈电 网络相连，实现不同频率的微波能量从外部微波源低反射输入到微波能量 辐射结构中，并且由此辐射至金属加热腔中。
进一步的，所述的微波能量辐射结构由N个窄带工作的辐射体结构单 元构成，N为大于等于2的自然数，其中辐射体结构单元的具体数量与排 布位置由所需加热位置与加热形状决定；辐射体结构单元的长度、宽度和 高度要确保其工作频率位于ISM标准频率范围内，且工作频率相互各异。
进一步的，所述的分区多频馈电网络由多段不同长度宽度的树状传输 线以及微波能量馈入端口组成，其中树状传输线的分支数量由辐射体结构 单元的具体数量决定；树状传输线的分支宽度和长度由各辐射体结构单元 的阻抗匹配决定，以实现其中一个分支工作时，其他分支在此频率下等效 为开路状态；当外部微波源大功率输出时微波能量馈入端口采用N型头相 连，当外部微波源小功率输出时微波能量馈入端口采用SMA接头相连，具体馈电点位置由所需加热位置与加热效果确定。
进一步的，所述的分时分频控制系统由单片机、摄像头和单片机模块 组成，其中摄像头与单片机相连，加热需求输入模块用于对需求的信息采 集；系统参数运算模块分别与频率控制模块和时间控制模块相连，频率控 制模块和时间控制模块一端共同连接分区多频馈电网络；加热效果采集模 块与微波加热腔相连，用于将微波加热腔中的信息进行反馈至单片机，维 持微波加热腔中的温度于一个范围之内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的分时分频控制系统可以对加热范围精准控制，可 以对微波加热范围进行均匀加热、指定区域加热等精细化加热，充分满足 了按需加热的需求。
(2)本发明采用了反馈优化系统，通过自身模块，对自身的加热环境 进行判断，来不断调整加热效果，提高了加热温度的稳定性。
(3)本发明采用的微波加热装置，整体结构简单，空间利用率高，成 本低于现阶段的同级产品，有利于广泛普及。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的 说明。
附图说明
图1是本发明所采用的基于时频空域综合调制的微波分区加热方法的一 种系统框图。
图2是本发明的总体结构的一种系统框图。
图3是本发明所采用的微波能量辐射结构和分频馈电网络的展开图。
具体实施方式
如图1的基于时频空域综合调制的微波分区加热方法的一种系统框图所 示，一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法，首先，摄像头120 将待加热物体进行自动图像比对分析，通过待加热物体的自动图像比对分 析或者加热需求手动输入方式，通过系统参数运算模块112，确定各待加热 区域所需的微波功率以及加热时长配比；其次，通过频率控制模块113、时 间控制模块114以及分区多频馈电网络200的方式实现微波功率到微波能量辐射结构320的不同区域的不同时长分配；最终，微波能量辐射结构320 将微波功率作用到各待加热物体上，实现分区按需加热的效果。
进一步的，所述的频分调制方式是通过改变分时分频控制系统100的 微波功率源的外加直流偏压值，来实现微波功率源的输出频率变化；微波 功率源的输出功率值始终处于最优效率所对应的最优功率输出范围内。
进一步的，所述的时分调制方式是通过配比分时分频控制系统100的 微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出 频率的持续时长。
进一步的，所述的空域选择方式是通过分区多频馈电网络200的多工 器将工作在不同频率的多个天线集成到一个功率输入口上，再通过输入微 波功率源的频率不同来进行微波能量辐射结构320的选择性工作，进而实 现加热区域的选择。
进一步的，各区域待加热物体的加热效果采用自动图像比对分析的方 法进行实时监控，通过加热效果采集模块115的到信息反馈至系统参数运 算模块112对时频空域综合调制参数进行优化，最终达到最需要的分区加 热效果。
一种基于时频空域综合调制的微波分区加热系统，包括——
加热需求输入模块111，用于获取使用者所需要的加热范围及加热效 果；
加热效果采集模块115，用于确定待测加热物体的实时加热效果；
频率控制模块113，用于控制微波功率源的输出频率值；
时间控制模块114，用于控制微波功率源不同输出频率值所持续的时 长；
系统参数运算模块112，用于分析处理采集得到的待加热物体信息和输 入得到的所需效果信息，精准控制微波功率源的不同输出频率值、不同频 率所持续的时长；
微波辐射模块320，用于将微波功率源辐射到各区域的带加热物体上；
电源管理模块，用于为微波分区加热系统的其他模块提供不同电压、 电流配比。
进一步的，图2与图3的一种基于时频空域综合调制的微波分区加热 装置，包括封闭式金属加热腔体310、微波能量辐射结构320、分区多频馈 电网络200、分时分频控制系统100，所述的微波能量辐射结构320固定于 340mm*338mm*145mm的金属加热腔体310的内侧壁；所述的分区多频馈电网 络200与微波能量辐射结构320直接相连；分时分频控制系统100与分区 多频馈电网络200相连，实现不同频率的微波能量从1-200W外部微波源低 反射输入到微波能量辐射结构320中，并且由此辐射至金属加热腔310中。
进一步的，所述的微波能量辐射结构320由N个窄带工作的辐射体结 构单元321构成，N为大于等于2的自然数，其中辐射体结构单元321的 具体数量与排布位置由所需加热位置与加热形状决定；辐射体结构单元321 的长度、宽度和高度要确保其工作频率位于ISM标准频率范围内，且工作 频率相互各异。
进一步的，所述的分区多频馈电网络200由多段不同长度宽度的树状 传输线以及微波能量馈入端口组成，其中树状传输线的分支数量由辐射体 结构单元的具体数量决定；树状传输线的分支宽度和长度由各辐射体结构 单元的阻抗匹配决定，以实现其中一个分支工作时，其他分支在此频率下 等效为开路状态；当外部微波源大功率输出时微波能量馈入端口采用N型 头相连，当外部微波源小功率输出时微波能量馈入端口采用SMA接头相连，具体馈电点位置由所需加热位置与加热效果确定。
进一步的，所述的分时分频控制系统100由单片机110、摄像头120和 单片机模块组成，其中摄像头120与单片机110相连，加热需求输入模块 111用于对需求的信息采集；系统参数运算模块112分别与频率控制模块113 和时间控制模块114相连，频率控制模块113和时间控制模块114一端共同 连接分区多频馈电网络200；加热效果采集模块115与微波加热腔300相连， 用于将微波加热腔300中的信息进行反馈至单片机110，维持微波加热腔300中的温度于一个范围之内。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读 者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特 别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术 启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合 仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法，其特征在于：首先，通过待加热物体的自动图像比对分析或者加热需求手动输入方式，确定各待加热区域所需的微波功率以及加热时长配比；其次，通过频分调制、时分调制以及空域选择的方式实现微波功率到各待加热区域配套天线的不同时长分配；最终，各待加热区域配套天线将微波功率作用到各待加热物体上，实现分区按需加热的效果；
基于时频空域综合调制的微波分区加热系统，包括
加热需求输入模块，用于获取使用者所需要的加热范围及加热效果；
加热效果采集模块，用于确定待测加热物体的实时加热效果；
频率控制模块，用于控制微波功率源的输出频率值；
时间控制模块，用于控制微波功率源不同输出频率值所持续的时长；
系统参数运算模块，用于分析处理采集得到的待加热物体信息和输入得到的所需效果信息，精准控制微波功率源的不同输出频率值、不同频率所持续的时长；
微波辐射模块，用于将微波功率源辐射到各区域的待加热物体上；
电源管理模块，用于为微波分区加热系统的其他模块提供不同电压、电流配比；
所述的频分调制方式是通过改变微波功率源的外加直流偏压值，来实现微波功率源的输出频率变化；微波功率源的输出功率值始终处于最优效率所对应的最优功率输出范围内；
所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长；
所述的空域选择方式是通过多工器将工作在不同频率的多个天线集成到一个功率输入口上，再通过输入微波功率源的频率不同来进行不同天线的选择性工作，进而实现加热区域的选择。
2.根据权利要求1所述的一种基于时频空域综合调制的微波分区加热方法，其特征在于：各区域待加热物体的加热效果采用自动图像比对分析的方法进行实时监控，通过监测结果对时频空域综合调制参数进行优化，最终达到最需要的分区加热效果。
3.一种基于时频空域综合调制的微波分区加热系统，其特征在于:包括
加热需求输入模块，用于获取使用者所需要的加热范围及加热效果；
加热效果采集模块，用于确定待测加热物体的实时加热效果；
频率控制模块，用于控制微波功率源的输出频率值；
时间控制模块，用于控制微波功率源不同输出频率值所持续的时长；
系统参数运算模块，用于分析处理采集得到的待加热物体信息和输入得到的所需效果信息，精准控制微波功率源的不同输出频率值、不同频率所持续的时长；
微波辐射模块，用于将微波功率源辐射到各区域的待加热物体上；
电源管理模块，用于为微波分区加热系统的其他模块提供不同电压、电流配比；
通过频分调制、时分调制以及空域选择的方式实现微波功率到各待加热区域配套天线的不同时长分配，其中，所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长；
所述的频分调制方式是通过改变微波功率源的外加直流偏压值，来实现微波功率源的输出频率变化；微波功率源的输出功率值始终处于最优效率所对应的最优功率输出范围内；
所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长；
所述的空域选择方式是通过多工器将工作在不同频率的多个天线集成到一个功率输入口上，再通过输入微波功率源的频率不同来进行不同天线的选择性工作，进而实现加热区域的选择；
各区域待加热物体的加热效果采用自动图像比对分析的方法进行实时监控，通过监测结果对时频空域综合调制参数进行优化，最终达到最需要的分区加热效果。
4.一种基于时频空域综合调制的微波分区加热装置，包括封闭式金属加热腔体、微波能量辐射结构、分区多频馈电网络和分时分频控制系统，其特征在于：所述的微波能量辐射结构固定于金属加热腔体的内侧壁；分区多频馈电网络与微波能量辐射结构直接相连；分时分频控制系统与分区多频馈电网络相连，实现不同频率的微波能量从外部微波源低反射输入到微波能量辐射结构中，并且由此辐射至金属加热腔中；
通过频分调制、时分调制以及空域选择的方式实现微波功率到各待加热区域配套天线的不同时长分配，其中，所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长；
所述的频分调制方式是通过改变微波功率源的外加直流偏压值，来实现微波功率源的输出频率变化；微波功率源的输出功率值始终处于最优效率所对应的最优功率输出范围内；
所述的时分调制方式是通过配比微波功率源不同外加直流偏压值的持续时长，来实现微波功率源不同输出频率的持续时长；
所述的空域选择方式是通过多工器将工作在不同频率的多个天线集成到一个功率输入口上，再通过输入微波功率源的频率不同来进行不同天线的选择性工作，进而实现加热区域的选择；
各区域待加热物体的加热效果采用自动图像比对分析的方法进行实时监控，通过监测结果对时频空域综合调制参数进行优化，最终达到最需要的分区加热效果。
5.根据权利要求4所述的一种基于时频空域综合调制的微波分区加热装置，其特征在于：所述的微波能量辐射结构由N个窄带工作的辐射体结构单元构成，N为大于等于2的自然数，其中辐射体结构单元的具体数量与排布位置由所需加热位置与加热形状决定；辐射体结构单元的长度、宽度和高度要确保其工作频率位于ISM标准频率范围内，且工作频率相互各异。
6.根据权利要求5所述的一种基于时频空域综合调制的微波分区加热装置，其特征在于：所述的分区多频馈电网络由多段不同长度宽度的树状传输线以及微波能量馈入端口组成，其中树状传输线的分支数量由辐射体结构单元的具体数量决定；树状传输线的分支宽度和长度由各辐射体结构单元的阻抗匹配决定，以实现其中一个分支工作时，其他分支在此频率下等效为开路状态。
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