CN113395797B - 微波辐射单元、可重构毯式微波平面加热器及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了微波辐射单元、可重构毯式微波平面加热器及其加热方法，属于微波天线技术领域，本申请实施例提供的微波辐射单元，通过在介质板的相对两面分别设置辐射天线和天线反射板，使得微波辐射单元不仅结构小巧，且方向性良好；本申请实施例提供的可重构毯式微波平面加热器，由若干个微波辐射单元通过阵列排布构成，相邻两个微波辐射单元之间通过柔性连接部连接，可根据待加热物体，确定可重构毯式微波平面加热器的形状以及微波辐射单元的数量，以实现对不同形状、大小或者曲率的待加热物体的均匀加热，适用范围广。

Description

微波辐射单元、可重构毯式微波平面加热器及其加热方法

技术领域

本申请涉及微波天线技术领域，特别是涉及微波辐射单元、可重构毯式微波平面加热器及其加热方法。

背景技术

在工业微波加热技术应用中，微波加热装置分为谐振型（单模腔或多模腔），传输型（基模或高模），辐射型（封闭式或开放式）等许多结构，以适应不同形状、体积及特殊要求的加热对象。然而目前现有技术还存在以下问题：

谐振型微波加热装置：通常将被加热的物料放置在微波谐振腔中实现加热。这些被加热物料一般体积较小，多为块状、颗粒状、条状、片状或丝状等结构，而且是可搬动的。但是当物体的体积较大时，需要大于物体体积的腔体来实现微波加热，越大体积的微波装置制造成本越高，且加热过程中加热的均匀性和效率难以保证。

传输型加热装置：工业上通过不断向腔体中填料和取料来实现连续化生产，还可以通过将加热装置设计出隧道炉的形式来实现工业化生产，该加热方式依然仅适用于小体积物体的加热，无法满足大体积物体的加热需求。

辐射型微波加热装置：虽然可以实现无法搬动的大体积物体的加热，但是由于其辐射阵列天线单元结构固定，因此对于表面不规则物体的加热均匀性难以保证，如无法对高低起伏的路面或者人体表面实现均匀加热；并且这类装置通常采用的是工业用大功率连续波磁控管，再用功率分配网络给每个单元天线馈能，这种方式使得现有的辐射型微波加热装置结构复杂、成本高昂。

发明内容

本申请提供一种生产成本低、适用性广的微波辐射单元，以及由若干个该微波辐射单元阵列排布构成的可重构毯式微波平面加热器及其加热方法，可根据待加热物体，确定可重构毯式微波平面加热器的形状以及微波辐射单元的数量，以实现对不同形状、大小或者曲率的待加热物体的均匀加热。

为了解决上述问题，本申请采用了以下的技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种微波辐射单元，包括：

辐射天线、介质板、馈电接头和天线反射板；

其中，所述辐射天线和所述天线反射板分别设置于所述介质板的相对两板面，所述馈电接头设置于所述天线反射板上，所述辐射天线的馈电端穿过所述介质板后与所述馈电接头连接。

在本申请一实施例中，所述辐射天线为螺旋贴片天线。

在本申请一实施例中，所述螺旋贴片天线的形状为等距螺旋。

在本申请一实施例中，所述辐射天线设置于所述介质板的中部。

在本申请一实施例中，所述介质板采用非导电材料制成。

在本申请一实施例中，所述馈电接头为同轴连接器接头。

在本申请一实施例中，所述天线反射板采用金属材料制成。

第二方面，本申请实施例提供了一种可重构毯式微波平面加热器，包括若干个本申请第一方面提供的微波辐射单元，若干个所述微波辐射单元排布为阵列结构，在所述阵列结构中，相邻两个所述微波辐射单元之间通过柔性连接部连接。

第三方面，本申请实施例提供了一种可重构毯式微波平面加热器的加热方法，所述方法包括：

步骤S101：根据待加热物体的表面积和表面形状，确定本申请第二方面提供的可重构毯式微波平面加热器的形状以及所述可重构毯式微波平面加热器中的微波辐射单元的数量；

步骤S102：将所述重构毯式微波平面加热器具有辐射天线的一面朝向所述待加热物体；

步骤S103：通过馈电接头向其所在的微波辐射单元馈入微波能量，以使所述可重构毯式微波平面加热器对所述待加热物体进行加热。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请实施例提供的微波辐射单元，通过在介质板的相对两面分别设置辐射天线和天线反射板，使得微波辐射单元不仅结构小巧，且方向性良好；本申请实施例提供的可重构毯式微波平面加热器，由若干个微波辐射单元通过阵列排布构成，相邻两个微波辐射单元之间通过柔性连接部连接，可根据待加热物体，确定可重构毯式微波平面加热器的形状以及微波辐射单元的数量，以实现对不同形状、大小或者曲率的待加热物体的均匀加热，适用范围广。

附图说明

图1是本申请实施例一种微波辐射单元中具有辐射天线的一面的结构示意图；

图2是本申请实施例一种微波辐射单元中具有天线反射板的一面的结构示意图；

图3是本申请实施例一种可重构毯式微波平面加热器中具有辐射天线的一面的结构示意图；

图4是本申请实施例一种可重构毯式微波平面加热器中具有天线反射板的一面的结构示意图；

图5是本申请实施例一种可重构毯式微波平面加热器的侧面结构示意图；

图6是本申请实施例一种可重构毯式微波平面加热器的加热方法的步骤流程图。

附图标记：1-辐射天线；2-介质板；3-柔性连接部；4-馈电接口；5-天线反射板。

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做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。

针对本申请背景技术中所提出的现有微波加热装置通常结构复杂、成本高昂、适用性低的问题，本申请旨在提出了一种结构简单、适用性广的可重构毯式微波平面加热器，能够根据被加热物体的形状大小进行结构调整，为此还提供了一种结构小巧、方向性良好的微波辐射单元作为可重构毯式微波平面加热器最小组成单元，以实现对不同物体的均匀加热。

参照图1-2，示出了本申请一种微波辐射单元，包括：辐射天线1、介质板2、馈电接口4和天线反射板5；

在本实施方式中，辐射天线1和天线反射板5分别设置于介质板2的相对两板面，馈电接口4设置于天线反射板5上，辐射天线1的馈电端穿过介质板2后与馈电接口4连接。其中辐射天线1可以由导电性能良好的金属螺旋片组成，优选地，可以采用铜材料制成。

需要说明的是，螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线，它由导电性能良好的金属螺旋线组成，当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。

而在本实施方式中，采用螺旋天线作为辐射源，在满足辐射要求的同时具有结构小巧、生产成本低等优点；同时通过在介质板2上设置天线反射板5，能够将天线射向天线反射板5的信号挡住并反射向辐射天线1的一侧，加强了辐射天线1的辐射强度，螺旋天线在2.45GHz回波损耗小于-20dB，并且方向性良好，能够有效满足物体的加热需求。

在一种可行的实施方式中，所述辐射天线1为螺旋贴片天线，螺旋贴片天线的形状设置为等距螺旋，并将辐射天线1设置于介质板2的中部，使得辐射天线的馈电接头4设置于介质板2的中心。需要说明的是，直线运动与圆周运动相叠加可以形成螺旋状曲线，每一个旋转周期曲线外扩相同的距离，这样的螺旋统称为等距螺旋。

优选地，辐射天线1可以采用平面阿基米德螺旋天线，当使用一根平衡馈线从辐射天线1的螺旋中心进行馈电时，在馈电点附近，由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区相互抵消，在螺旋的周长接近一个波长时产生最大辐射，周长为一个波长的圆环上的行波电流将辐射圆极化波，因此在周长为一个波长附近的区域形成辐射天线1的主要辐射区，当频率变化时，主要辐射区随之变动，但方向图基本不变，因此采用平面阿基米德螺旋天线，具有宽频带的工作特性，同时还兼具体积小、重量轻等优点。

优选地，辐射天线1还可采用平面阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线的复合结构，其中平面等角螺旋天线是一种角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。由于这种天线的外形只由角度决定，不包含线性长度，因而平面等角螺旋天线的特性不受频率变化的影响，故有极宽的频带。通过在平面等角螺旋天线的基础上结合平面阿基米德螺旋天线的特性，使得辐射天线1不受频率变化的影响的同时具有宽频带的工作特性，提高辐射天线1馈能的稳定性和效率。

在一种可行的实施方式中，介质板2采用非导电材料制成，以避免对辐射天线1的辐射造成干扰；同时天线反射板5采用金属材料制成，优选地，可以采用铜材料制成，以达到良好的反射效果，将天线射向天线反射板5的信号挡住并反射向辐射天线1的一侧，加强了辐射天线1的辐射强度；而馈电接头4采用同轴连接器接头，可以根据所需的辐射功率大小或实际使用环境，选择使用SMA接头或TNC接头，本实施方式不对馈电接头4的类型作出具体限定。

基于同一发明构思，本申请一实施例提供了一种可重构毯式微波平面加热器，包括若干个本申请第一方面提出的的微波辐射单元，若干个微波辐射单元排布为阵列结构，在阵列结构中，相邻两个微波辐射单元之间通过柔性连接部3连接，其中，柔性连接部3可以但不限于采用具有弹性且可弯折的橡胶制成，使得可重构毯式微波平面加热器能够根据物体的形状改变辐射结构，能够实现对不同待加热物体的均匀加热。

需要说明的是，微波辐射单元可以但不限于设置成三角形、长方形或者圆形。阵列结构可以但不限于为圆形阵列、矩形阵列或品字形阵列。可重构毯式微波平面加热器可以利用柔性连接部3将微波辐射单元连接成一整体，因而基于柔性连接部3的可扩展性，使得可重构毯式微波平面加热器可以但不限于设置为矩形、圆形或不规则形状以适应不同的加热需求，即本实施方式不对微波辐射单元的形状、微波辐射单元的阵列结构以及可重构毯式微波平面加热器的形状作出具体限制。如图3-图5所示，示出了一种可重构毯式微波平面加热器，其由121个微波辐射单元按照11×11的矩形阵列排布而成，其中，图3为本实施方式中的可重构毯式微波平面加热器中具有辐射天线的一面的结构示意图；图4为本实施方式中的可重构毯式微波平面加热器中具有天线反射板的一面的结构示意图；图5为本实施方式中的可重构毯式微波平面加热器的侧面结构示意图。在本实施方式中，柔性连接部3与微波辐射单元之间可以但不限于采用卡接、粘接等方式进行连接，作为其中的一个优选方案，参照图3-图5，采用卡接结构将微波辐射单元安装于柔性连接部3内，具体地，柔性连接部3为镂空的一体式结构，该柔性连接部3设置有多个与微波辐射单元适配的框口，每个框口与对应的微波辐射单元接触的部位设置有安装槽，使得每个微波辐射单元均可通过安装槽和对应的框口卡接，通过卡接结构进行连接，便于微波辐射单元的安装以及微波辐射单元损坏后的拆卸维修，同时基于卡接的可拆卸安装方式，使得可重构毯式微波平面加热器便于携带和运输。对于已安装微波辐射单元的可重构毯式微波平面加热器，由于柔性连接部3的存在，使得柔性连接部3能够对每个微波辐射单元进行保护，有效避免在使用过程中产生的碰撞对微波辐射单元造成损坏。

本实施方式需要说明的是，柔性连接部3的安装槽可以根据微波辐射单元的形状进行对应的调整。当微波辐射单元设置为方形时，柔性连接部3与微波辐射单元接触的四条边则分别对应开设一个条形槽，以使微波辐射单元的四个方形边均卡接入条形槽内。当微波辐射单元设置为圆形时，柔性连接部3则对应设置为圆形，并在柔性连接部3与微波辐射单元接触的部分开设圆形槽，以使微波辐射单元的圆边均卡接入圆形槽内。

本实施方式中，作为优选，微波辐射单元之间的柔性连接部3的厚度小于微波辐射单元中介质板2的厚度，以使可重构毯式微波平面加热器在对待加热物体进行加热时，能够根据待加热物体的形状更为轻松地弯折更大的角度，在满足更多不规则物体的加热需求的同时提高可重构毯式微波平面加热器的使用寿命。

在本实施方式中，作为其中的一个优选方案，可重构毯式微波平面加热器的外侧边界还设置有用于和其他可重构毯式微波平面加热器的卡接部，以实现多个可重构毯式微波平面加热器之间的可拆卸连接，便于扩展可重构毯式微波平面加热器的加热面积，使其能够满足大面积或大体积的待加热物体的加热需求。

在一种可行的实施方式中，继续参照图3-图5，具体地，微波辐射单元设置为正方形，其尺寸为30mm*30mm，并且按照矩形阵列对微波辐射单元进行排布，得到由若干个微波辐射单元构成的2m*2m的可重构毯式微波平面加热器。采用该可重构毯式微波平面加热器可以对块状、颗粒状、条状、片状或丝状等结构的小体积物体进行加热，如对方形岩石进行加热时，由于柔性连接部3的存在，可将可重构毯式微波平面加热器进行弯折而呈现与方形岩石向匹配的形状，使得微波辐射单元中的辐射天线1正对该方形岩石，随后利用微波辐射装置通过馈电接头4向辐射天线1馈入微波能量，以实现对方形岩石的加热。

在本实施方式中，当待加热物体体积较大时，如结冰路面等不可搬运且无法移动的物体，针对此类物体，可重构毯式微波平面加热器的大小可以根据待加热物体的大小进行调整，然后将可重构毯式微波平面加热器布设于结冰路面上，随后利用微波辐射装置通过馈电接头4向辐射天线1馈入微波能量，以实现对结冰路面的加热。

在本实施方式中，针对目前现有的微波热疗用辐射器由于结构固定而存在无法保证人体加热均匀性，以及单一设备只能针对人体某个部位使用等问题，本实施方式还可根据人体各个部位的形状进行调整，使其适应不同的人体微波热疗的需求，如对人体的手臂进行加热时，由于柔性连接部3的存在，可将可重构毯式微波平面加热器进行弯曲而呈现与手臂相匹配的圆柱形状，随后利用微波辐射装置通过馈电接头4向辐射天线1馈入微波能量，以实现对人体的手臂的加热。

本实施方式提供的可重构毯式微波平面加热器具有结构简单、便于携带、适用性广等优点，不仅可以实现对山体岩石、公路、泥土、机场跑道、结冰路面等不可搬运且无法移动的物体的加热，还能应用于人体的微波热疗。

基于同一发明构思，参见图6，本申请一实施例提供了一种可重构毯式微波平面加热器的加热方法，该方法可以包括：

步骤S101：根据待加热物体的表面积和表面形状，确定可重构毯式微波平面加热器的形状以及可重构毯式微波平面加热器中的微波辐射单元的数量；

在本实施方式中，针对块状、颗粒状、条状、片状或丝状等结构的小体积物体，如对圆柱形管材进行加热时，先根据圆柱形管材的表面积大小，以适配微波辐射单元相应的数量，随后将可重构毯式微波平面加热器进行弯曲成圆柱形，然后套设于圆柱形管材的外侧，以使微波辐射单元中的辐射天线1正对圆柱形管材的表面。

在本实施方式中，针对如不平整路面等不可搬运且无法移动的物体时，可重构毯式微波平面加热器的形状以及可重构毯式微波平面加热器中的微波辐射单元的数量可以根据不平整路面的路面起伏情况进行相应调整，使可重构毯式微波平面加热器中的辐射天线1均与路面保持一定的距离，保证不平整路面被加热时受热均匀。

在本实施方式中，针对人体部位如脚部的加热需求，可重构毯式微波平面加热器可根据脚部的形状特征，调整为前小后大的形状以贴合脚部，以使微波辐射单元中的辐射天线1可以正对脚部皮肤表面，进而实现对人体脚部的均匀加热。

在本实施方式中，由于柔性连接部3的存在，使得可重构毯式微波平面加热器不仅可以实现对山体岩石、公路、泥土、机场跑道、结冰路面等不可搬运且无法移动的物体的加热，还能应用于人体的微波热疗，适用范围广。

步骤S102：将可重构毯式微波平面加热器具有辐射天线1的一面朝向待加热物体；

需要说明的是，将可重构毯式微波平面加热器朝向待加热物体时，需要与待加热物体保持一定的距离，避免直接接触而降低重构毯式微波平面加热器的加热效率。

步骤S103：通过馈电接头4向其所在的微波辐射单元馈入微波能量，以使可重构毯式微波平面加热器对待加热物体进行加热。

在本实施方式中，由微波辐射单元组成的天线阵列，结构简单且易于扩展，可以根据不同体积的待加热物体的加热需求，调整可重构毯式微波平面加热器中微波辐射单元的数量，以达到充足的加热面积；在此基础上，每个微波辐射单元之间通过柔性连接部3连接，不仅可将可重构毯式微波平面加热器调整为与待加热物体对应的形状，以实现对不同形状、大小或者曲率的待加热物体的均匀加热，还能有效避免微波能量泄露，提高重构毯式微波平面加热器的加热效率。

需要说明的是，尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的微波辐射单元、可重构毯式微波平面加热器及其加热方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种可重构毯式微波平面加热器，其特征在于，包括若干个微波辐射单元，若干个所述微波辐射单元排布为阵列结构，在所述阵列结构中，相邻两个所述微波辐射单元之间通过柔性连接部（3）连接；

其中，所述微波辐射单元包括辐射天线（1）、介质板（2）、馈电接头（4）和天线反射板（5）；所述辐射天线（1）和所述天线反射板（5）分别设置于所述介质板（2）的相对两板面，所述馈电接头（4）设置于所述天线反射板（5）上，所述辐射天线（1）的馈电端穿过所述介质板（2）后与所述馈电接头（4）连接；所述辐射天线（1）为螺旋贴片天线，所述螺旋贴片天线的形状为等距螺旋；所述微波辐射单元用于加热。

2.一种可重构毯式微波平面加热器的加热方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S101：根据待加热物体的表面积和表面形状，确定如权利要求1所述可重构毯式微波平面加热器的形状以及所述可重构毯式微波平面加热器中的微波辐射单元的数量；

步骤S102：将所述重构毯式微波平面加热器具有辐射天线（1）的一面朝向所述待加热物体；

步骤S103：通过馈电接头（4）向其所在的微波辐射单元馈入微波能量，以使所述可重构毯式微波平面加热器对所述待加热物体进行加热。

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