CN111432513B - 一种二维阵列加载微波设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维阵列加载微波设备，包括两个金属平板和至少一根馈入传输线。在金属平板上设置有二维周期加载体，在该微波设备的工作频率附近实现宽带阻带，实现馈入传输线与其它部分或其它馈入传输线之间良好的隔离，使我们可以通过调配器单独调配每一根馈入传输线。这种二维阵列加载微波设备具有结构简单的特点，可以大规模地用于各种材料的加热和干燥，也可以用于微波材料的在线连续测量中。

Description

一种二维阵列加载微波设备

技术领域

本发明涉及均匀高效微波加热或者微波测试领域，具体涉及一种二维阵列加载微波设备。

背景技术

微波加热可以代替各种传统加热方式。 微波设备利用微波能加热各种材料，包括但不限于木材、粮食、药材、调料、乳制品等。在微波化学领域，微波能量被用于加快各种化学反应。微波能还被用于纳米材料、人造金刚石等各种新材料的生产。

在加热腔之类的任何空腔内，电磁波将以该空腔的各种固有模式的形式共振存在。在一定工作频率，多个模式共同被激励，空间某些位置处的电场的幅值为最大，另一些位置处的幅值又很小。在 2450MHz 的典型微波能应用频率，这些电场集中处之间的距离为所用微波的工作波长的一半， 在62 毫米左右，导致被加热物在对应尺度上的不均匀。

为了解决微波加热的均匀性问题，国际国内的技术人员进行了不懈的努力。

人们试图通过增加微波馈口数目，改变馈口形状，改变微波馈口在加热腔外表面上的位置，或者改变微波馈口处电场的极化方向，或者同时随机改变上述四个变量，改善加热的均匀性。但是，到目前为止，由于问题的高度复杂性，微波界对这一问题尚缺乏清晰的理论指导，三维电磁仿真模拟也因为计算量巨大而难以完成。因此微波炉，特别是大型微波设备中加热的均匀性问题一直没有得到很好地解决。

另一方面，为了测量各种微波材料的微波参数，包括但不限于介电常数的实部和虚部和磁导率的实部和虚部，我们常常需要将被测材料进行分块取样，分别置入微波传输线或谐振腔中。这种方案无法方便地对尺寸比较大的微波材料进行在线连续测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维阵列加载微波设备。这里，可以设置多个微波源，而且其中的微波源之间是相互隔离的。我们可以独立地处理每一个微波源，测量其反射系数或通过调配器进行调配。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二维阵列加载微波设备，包括位于 Y方向的盖板、位于-Y方向的底板，沿X 方向和沿Z 方向的至少3列， 至少3排加载体；所述加载体只在 Y方向与盖板接触或在-Y 方向与底板接触； 在所述盖板和底板之间设置有通道；X、Y和Z 方向构成直角坐标系。

围绕至少一根所述馈入传输线与所述盖板或者所述底板的连接处的中心点，在-X方向，X 方向，-Z 方向和Z方向上都有至少2个所述加载体。

一般情况下，为了向该微波设备的通道中馈入微波能量，我们需要多根馈入传输线。这些馈入传输线可以布置在盖板上， 也可以布置在底板上，或者同时布置在盖板和底板上。 由于阵列分布的加载体的带阻效应，从一根馈入传输线馈入的微波主要存在于该馈入传输线的馈口附近。

一般来讲，所述通道的形状为矩形体， 其三条边分别平行于 X方向、Y方向和Z 方向。

较好的设计，所述加载体为至少 5列，至少5排。加载体的数目也可以有多达数十列、数十排到数千排， 决定于该微波设备的大小。

为了防止微波通过所述通道从其位于 X方向和-X方向的侧面向外泄漏，在所述盖板和底板之间在 X方向和-X方向分别设置有一个侧板。每个侧板都同时与所述盖板和底板接触。

一般情况下，所述盖板、底板和加载体的材料均为金属，比如合金铝、不锈钢等。

所述加载体也可以为低损耗微波介质材料，其损耗角正切低于 0.1。在一定成本范围内，材料的损耗角正切参数越低越好。

一般情况下，所述加载体为轴线平行 Y方向的柱状体。所述加载体的横截面形状为圆形、矩形或正方形。其中以圆形和正方形为最佳。

为了在该微波设备的工作频率附近较宽的频率范围内阻碍微波在通道中在水平面上传播，在 X 方向和在 Z 方向相邻的所述加载体的轴线之间的间距为工作波长的0.15~0.35 倍。同时，所述加载体在 Y方向的高度为工作波长的0.15~0.35倍。

该微波设备还包括位于所述通道中的被加热物。

本发明提供了一种二维阵列加载微波设备。该微波设备包括两个金属平板。

在一个或两个金属平板上设置有二维周期加载体。这样的两个金属板可以在该微波设备的工作频率附近较宽的带宽内实现微波阻带。当我们通过馈入传输线向两个平板之间的通道中馈入微波能量时，该微波将到达通道但不随所述通道在水平面内传播，而是被局限在该馈入传输线的馈口附近。这样，我们可以实现各馈入传输线之间良好的隔离。这种微波设备可以用于均匀微波加热领域和微波材料的连续自动测试领域。

附图说明

图 1 为本发明、实施例 1 和实施例 2的俯视示意图。

图 2 为图 1 的 AA 方向剖视图。

图 3 为图 1 的 AA 方向剖视图。

图 4 为实施例 3 和实施例 4的俯视示意图。

图 5 为图 4 的 AA 方向剖视图。

图 6 是实施例 3 的四个侧面的能量泄漏系数（dB）。

图 7 是图 4 的 AA 方向剖视图。

图 8 是实施例 4 的四个侧面的能量泄漏系数（dB）。

附图中标号对应名称：1-盖板， 2-底板，3-馈入传输线，4-加载体，5-通道， 6-被加热物。

本说明书中部分名词（参见图 1~2）规定如下：

水平面，即任意与 XZ 平面平行的平面 。

上方，即Y 方向，也就是与水平面垂直向上的方向。

下方，即-Y 方向，也就是与水平面垂直向下的方向。

左方，指 X 方向。

右方，指-X 方向。

工作波长， 该微波设备的微波源的工作频率对应的空气中的波长。

排：沿X 方向排列的具有相同 Z 方向位置的多个目标构成一排。

列：沿Z 方向排列的具有相同 X 方向位置的多个目标构成一列。

馈口：任意馈入传输线与任意金属平板的交界面。

具体实施方式

实施例 1

如图 1 和图 2 所示。

一种二维阵列加载微波设备，包括位于 Y方向的盖板 1、位于-Y方向的底板2，沿X方向和沿 Z 方向的 10 列， 18 排加载体4；所述加载体 4只在-Y方向与底板2 接触； 在所述盖板1和底板 2之间设置有通道5。

围绕3 根中的任意 1 根所述馈入传输线 3与所述盖板 1的连接处的中心点，在-X 方向，X 方向，-Z 方向和Z方向上在所述底板2上都有至少2个所述加载体4。

所述通道5 的形状为矩形体， 其三条边分别平行于 X方向、Y方向和Z方向。

为了向该微波设备的通道5中馈入微波能量，我们设置了3根馈入传输线3。

这些馈入传输线 3 都为矩形波导，都布置在盖板 1上。 由于阵列分布的加载体4的带阻效应，从一根馈入传输线 3 馈入到通道5中的微波只局限于该馈入传输线3 的馈口附近。

所述盖板1、底板 2 和加载体4 的材料均为金属。

所述加载体 4 为轴线平行Y方向的柱状体。所述加载体 4的横截面形状为圆形。

在X 方向和在 Z 方向相邻的所述加载体 4的轴线之间的间距为工作波长的0.15~0.35倍。

所述加载体 4 在 Y 方向的高度为工作波长的 0.15~0.35 倍。

该微波设备还包括位于所述通道 5中的被加热物6。

实施例2

如图1 和如图 3 所示。

实施例2与实施例1的区别仅在于，在盖板1上也对应设置了加载体4阵列。

这时，为了便于向通道 5 中馈入微波能量，在所述盖板上在所述馈入传输线3附

近的所述加载体 4 都被去除， 而且该波导馈入传输线 3伸入盖板1以下并与通道5 的上表面齐平。

围绕3 根中的任意 1 根所述馈入传输线 3与所述盖板 1的连接处的中心点，在-X 方向，X 方向，-Z方向和 Z方向上在盖板1上和在所述底板2上都有至少 2个所述加载体4。

实施例3

如图4~图 6 所示。

一种二维阵列加载微波设备，包括位于 Y方向的盖板 1、位于-Y方向的底板2，沿X方向和沿 Z 方向的 7 列， 7 排加载体4；所述加载体 4只在-Y方向与底板2 接触； 在所述盖板 1和底板2 之间设置有通道5。

围绕1 根所述馈入传输线 3与所述盖板 1的连接处的中心点，在-X方向，X方向，-Z 方向和 Z 方向上在所述底板 2上都有至少2个所述加载体 4。

所述通道5 的形状为矩形体， 其三条边分别平行于 X方向、Y方向和Z方向。

为了向该微波设备馈入微波能量，我们设置了 1根馈入传输线 3。该传输线布置在盖板1 上。 由于阵列分布的加载体 4的带阻效应，从该馈入传输线 3馈入通道5 中的微波只局限于该馈入传输线 3的馈口附近。

所述盖板 1、底板 2 和加载体4 的材料均为金属。

所述加载体 4 为轴线平行Y方向的柱状体。所述加载体 4的横截面形状为圆形。

在X 方向和在 Z 方向相邻的所述加载体 4的轴线之间的间距为工作波长的0.15~0.35倍。

所述加载体 4 在 Y 方向的高度为工作波长的 0.15~0.35 倍。

所述馈入传输线 3 为矩形波导。其中的工作模式为 TE10 模式。这样设计，在该馈入传输线 3 的馈口附近，微波场在通道 5中在水平面内的 X方向的分布比较均匀。这时，所述矩形波导中的微波的电场方向与 X方向平行。

在所述通道 5 中，设置了被加热物 6。

具体参数为：加载体 4 为直径10.04 毫米， 长度为19.25 毫米的金属圆柱，

相邻金属柱的轴线在 X 方向和在Z方向的距离为 24.51毫米， 通道5的高度为20毫米。被加热物 6 的介电常数为9，厚度为5毫米，其上表面距离通道 5的上表面的间距为5毫米。

图6 是三维模拟计算得到的实施例 3的四个侧面的能量泄漏系数（dB）随频率的变化曲线。在模拟计算中，微波能量自矩形波导馈入传输线 3从盖板1馈入通道5 中。通道5 的四个侧面都设置成匹配边界条件。任何从馈入传输线 3通过通道5 到达任意一个侧面的微波将被完全吸收。从图6可以看出，在2.3GHz~2.65GHz 带宽外的许多频率点，大部分能量将可以通过多通道 5到达侧面。但是在2.3GHz~2.65GHz 频带内，进入通道 5的微波只有约 4%的能量才能沿通道5 传播。大部分微波能量将集中在馈口附近并加热被加热物 6，或沿馈入传输线3 反射。在计算中没有考虑被加热物 6的吸收效应。但是考虑了该吸收效应后，四个侧面的能量泄漏系数将由于微波能被吸收而进一步降低。

实施例4

如图4、图 7 和图 8 所示。

实施例4 与实施例 3 相似，其主要区别在于，在盖板 1的下表面上与在底板2 上对应地设置了加载体 4， 通道5 的高度增加了一倍。这时，为了便于向通道5 中馈入微波能量，盖板 1 下表面上在所述馈入传输线3附近的所述加载体 4都被去除， 而且该波导馈入传输线 3 伸入盖板1以下并与通道 5的上表面齐平。

围绕1 根所述馈入传输线 3与所述盖板 1的连接处的中心点，在-X方向，X方向，-Z 方向和 Z 方向上在盖板1上和在所述底板2上都有至少2个所述加载体4。

在这里，加载体 4 为直径14.3毫米， 长度为28.21毫米的金属圆柱，相邻金属柱的轴线在 X 方向和在Z方向的距离为 29.98毫米， 通道5的高度为40毫米。被加热物6 的介电常数为9，厚度为 10毫米，其上表面距离通道5的上表面的间距为5 毫米。

图 8是三维模拟计算得到的实施例 4的四个侧面的能量泄漏系数（dB）随频率的变化曲线。从图 8可以看出，在2.2GHz~2.8GHz带宽外的许多频率点，大部分能量将可以通多通道 5到达侧面。但是在2.2GHz~2.8GHz 频带内，进入通道5 的微波只有约 4%的能量才能沿通道 5传播。大部分微波能量将集中在馈口附近并加热被加热物 6，或沿馈入传输线3反射。在馈入传输线 3中设置调配器，可以让微波能量几乎全部被用于加热被加热物 6。

与实施例3 相比，在盖板1同时设置了加载体4，该加热设备的结构更复杂些。但是，通道 5 的高度增加了一倍， 可以用于加热比较厚的被加热物6。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明的主要创新点在于：通过二维周期性的设置加载体在两个平板之间实现包含工作频率的带阻，从而实现多根馈入传输线之间有效的隔离。依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二维阵列加载微波设备，包括位于 Y 方向的盖板（1）、位于-Y方向的底板（2），在所述盖板（1）和底板（2）之间设置有通道（5）；在所述盖板（1）上或者在所述底板（2）上设置有至少一根馈入传输线（3）；所述馈入传输线（3） 向所述盖板（1）和底板（2）之间的通道（5）输送微波能量；X、Y 和Z 方向构成直角坐标系；其特征在于，

还包括加载体（4），所述加载体（4）为至少 5 列，至少 5 排，围绕至少一根所述馈入传输线（3）与所述盖板（1）或者所述底板（2）的连接处的中心点，在-X 方向，X 方向，-Z 方向和Z方向上都有至少 2 个所述加载体（4），沿 X 方向和沿 Z 方向设置的至少 3列， 至少3排加载体（4），加载体（4）用于产生带阻效应；

所述盖板（1）、底板（2）、加载体（4）的材料都为金属，所述加载体（4）或者固定设置于所述盖板（1）的下表面，或者固定设置于所述底板（2）的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种二维阵列加载微波设备，其特征在于，所述通道（5）为矩形体， 所述通道（5）有分别沿X方向、Y 方向和 Z 方向的三条边。

3.根据权利要求1所述的一种二维阵列加载微波设备，其特征在于，所述加载体（4）为轴线平行 Y 方向的横截面为圆形、矩形或正方形的柱状体。

4.根据权利要求1所述的一种二维阵列加载微波设备，其特征在于，在X 方向和在 Z方向相邻的所述加载体（4）的轴线之间的间距为工作波长的0.15~0.35倍。

5.根据权利要求1所述的一种二维阵列加载微波设备，其特征在于，所述加载体（4）在Y 方向的高度为工作波长的 0.15~0.35 倍。

6.根据权利要求1所述的一种二维阵列加载微波设备，其特征在于，在所述通道（5）中设置有被加热物（6）。

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