CN113597038A - 一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，包括介质表面波天线，介质表面波天线包括金属接地板、设置在金属接地板上的至少一个介质条，设置在介质条上表面中部的至少两个馈电结构。本发明的技术方案具有较高的纵向表面波高度，且受微波炉腔顶部金属反射的影响较小，使得炉腔内的能量分布更加均匀，进一步提高了加热效率，缩短了加热时间。

Description

一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置

技术领域

本发明属于微波加热设备技术领域，尤其涉及一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置。

背景技术

自微波炉问世以来，现在几乎成为每个家庭厨房的必备品。然而随着技术的飞速发展，人们对生活品质的进一步追求，对微波炉的加热效率提出了更高的要求。众所周知，微波炉是利用电磁波与食物分子之间的相互作用来实现加热的目的。具体来讲，当外电场与食物分子相作用时，会使得分子发生极化。电磁波频率较低时，分子的极化方向会随着电场方向的变化而变化。电磁波频率较高时，分子极化方向的变化不能和电场方向的变化保持一致，分子之间会发生碰撞，从而消耗一部分能量，这部分能量转化成分子的内能，宏观表现就食物的温度升高，最后实现加热的目的。当电磁波的频率过高时，在极短的时间里，分子经受了多次电场方向的变化，宏观上分子并没有转动，所以也没有吸收电磁波能量，食物也不会被加热。

目前微波炉的加热方式是通过磁控管产生电磁波，然后馈入炉腔，在金属腔壁来回反射形成驻波场，驻波场中的电磁能量被食物分子吸收，从而实现加热过程。然而驻波场的能量分布极不均匀，在波峰处的能量达到最大值，而在波节处的能量为零。这样的一种场分布会造成处在波峰位置附近的食物加热充分，而处在波节点附近的食物则难以获得更多的热量。

目前常见的两种实现均匀加热的方法。第一种是在炉腔内安装转盘，通过转盘的旋转来实现食物的均匀受热。另外一种方法是在炉腔内旋转天线，利用天线的旋转以及天线的近场辐射能够将电磁波辐射或者反射到微波炉腔内的各个位置，提升微波炉的加热均匀性。

微波炉加热食物时，食物放在转盘上，通过转盘的旋转能够实现食物的均匀受热。然而，液态物质，比如水和油脂在加热时由于旋转可能发生贱漏的现象，并且由于贱漏造成的污渍难以清洗。此外，随着使用时间的增加，电机传动轴与炉腔之间的密封性会变差，带来一定的安全隐患。

采用旋转天线的方式能够实现炉腔内各个角落都有能量分布。然而，天线的近场辐射是球面波，其在微波炉腔内必然存在多次复杂的反射，利用其反射只能保证各个位置存在微波能量，但不能保证每个位置的微波能量分布保持一致，同时，对天线的旋转会对天线的性能产生很大的影响，加速天线内部结构的损毁。

发明内容

为了解决解决食物在目前的加热方式下受热不均匀的问题，本发明提出一种微波炉表面波均匀加热结构，采用介质表面波天线阵列把产生的表面波在炉腔内进行均匀加热。本发明的具体技术方案如下：

一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，包括介质表面波天线，所述介质表面波天线包括金属接地板、设置在所述金属接地板上的至少一个介质条，设置在所述介质条上表面中部的至少两个馈电结构，其中，

所述金属接地板放置于微波炉内部，尺寸与微波炉的炉腔相适应；

所述馈电结构是电容加载的单极子馈电结构，在单极子的顶部设置圆形金属板，在所述金属接地板边缘设置接地引脚连接所述金属接地板和地。

进一步地，所述介质条的厚度h满足：

其中，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长，ε_r为介质条的介电常数；所述介质条的宽度W满足：

进一步地，在所述介质条的两端分别设置L型金属格挡，包括垂直设置的侧金属格挡和顶金属格挡，其中，

所述侧金属格挡与所述介质条垂直布置，所述顶金属格挡与所述介质条平行布置，所述顶金属格挡的长度b为天线工作电磁波在介质中的波长的1/2，所述顶金属格挡与所述介质条之间的距离a为天线工作电磁波在介质中的波长的1/4。

进一步地，所述介质条上表面和/或所述介质条与所述金属接地板之间设置耐温材料制成的介质薄膜。

进一步地，将至少两个所述介质条以间隔d排成列，满足

进一步地，将4个所述介质条以间隔d排成列，并在所述顶金属格挡上方放置载物台。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的加热装置相比传统的结构更加简单、紧凑，能够产生表面波；

2.本发明的加热装置具有较高的纵向表面波高度，且受微波炉腔顶部金属反射的影响较小，使得炉腔内的能量分布更加均匀，进一步提高了加热效率，缩短了加热时间；

3.本发明的加热装置也适用于其它的微波加热设备。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的介质表面波天线结构示意图；

图2是本发明一个实施例的结构示意图；

图3是本发明另一个实施例的结构示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是图3的主视尺寸示意图；

图6是图3的侧面尺寸示意图；

图7是本发明第三个实施例的的结构示意图；

图8是图7的侧面结构示意图；

图9是本发明一个实施例的回波损耗示意图；

图10是本发明一个实施例的三维方向图；

图11是本发明另一个实施例的XOZ面场强分布图；

图12是本发明另一个实施例的YOZ面场强分布图。

附图标号说明：

1-金属接地板，2-馈电结构，3-介质条，4-侧金属格挡，5-顶金属格挡，6-介质薄膜，7-载物台。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明为一种新型的微波炉均匀加热结构，原理是采用表面波天线产生的表面波，对食物进行加热。传统微波炉腔内形成的是电磁波为驻波结构，存在对食物加热不均匀的问题，本发明提出的利用介质表面波天线的方式进行加热克服了这一问题，使得微波能量在炉腔内分布更加均匀，从而提高了加热效率，缩短了加热时间。本发明的装置可以应用到微波炉，或者其它的微波加热设备。

本发明采用介质表面波天线把产生的表面波在炉腔内进行均匀加热，具体实施步骤为：

第一步：根据炉腔的尺寸在微波炉底部金属地上设计出合适的介质表面波天线。

第二步：在表面波天线两侧放置具有一定厚度的金属以减少表面波天线从侧面辐射。

第三步：将设计好的介质表面波天线在微波炉腔内进行组阵，保证在微波炉腔内垂直于介质表面波天线的纵向截面也能够产生表面波。

第四步：对介质的厚度，馈电结构的位置以及组阵间隔进行优化设计，使得微波炉腔内横向截面和纵向截面均能够产生表面波，并消除微波炉腔内电磁波的反射对加热均匀性的影响，克服了传统微波炉腔内能量分布不均匀的缺陷。

具体地，如图1-2所示，一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，包括介质表面波天线，介质表面波天线包括金属接地板1、设置在金属接地板1上的至少一个介质条3，设置在介质条3上表面中部的至少两个馈电结构2，其中，

金属接地板1放置于微波炉内部，尺寸与微波炉的炉腔相适应；

馈电结构2是电容加载的单极子馈电结构，在单极子的顶部设置圆形金属板，以降低馈源结构的高度；在金属接地板1边缘设置接地引脚连接金属接地板1和地，进一步降低了天线的轮廓高度，接地引脚能够限制了单极子馈电的反向辐射，可以保证较高的辐射效率。

介质条3为了满足微波炉腔内尺寸的要求，需要获得低剖面的表面波天线，因此需要介质条的厚度h尽量低；为了避免高欧姆损耗，需要低介电损耗材料；介质条的宽度W影响天线的增益，需要保证天线向外辐射的性能。

在一些实施方式中，两个馈电结构2相对于介质表面波天线中心位置呈中心对称，既能够保证微波炉中间部分(最常用的部分)具有较强的电磁波，也能够保证表面波从天线中心位置同时分别向两端传播。

较佳地，介质条3的厚度h满足：

其中λ为天线在自由空间中工作频率下的波长，ε_r为介质条的介电常数；介质条3的宽度W为宽度：

在一些实施方式中，在介质条3的两端分别设置L型金属格挡，包括垂直设置的侧金属格挡4和顶金属格挡5，其中，侧金属格挡4与介质条3垂直布置，侧金属格挡4的宽度比介质条3的宽度略宽，能够防止在利用微波炉加热过程中未被食物吸收的表面波从介质表面波天线的两端辐射出去，提高能量的利用效率。

顶金属格挡5与介质条3平行布置，顶金属格挡5的长度b为天线工作电磁波在介质中工作频率下波长的1/2，顶金属格挡5与介质条3之间的距离a为天线工作电磁波在介质中的波长的1/4。顶金属格挡5能够减少电磁波在微波炉金属内壁上进行多次反射，降低对微波炉加热均匀性的影响，在输入相同功率的情况下，产生的均匀的表面波强度高，有利于缩短食物加热时间，提高微波炉的加热效率。

如图3-6所示，在一些实施方式中，介质条3上表面和/或介质条3与金属接地板1之间设置耐温材料制成的介质薄膜6，一方面用以保护介质表面波天线的馈电结构，并增加表面波天线的结构稳定性，另一方面能够增加均匀表面波的高度。因为表面波在垂直于交界面方向上场强是呈指数衰减的。加上介质板能够减慢该方向上的场的衰减速度，提高微波炉腔内均匀分布的高度，提高微波炉均匀加热的性能。

如图7-8所示，在一些实施方式中，将至少两个介质条3以间隔d排成列，满足

由于单个表面波均匀加热装置向外辐射的范围有限，前述结构只能保证微波炉腔内横向截面电磁能量的均匀性，无法保证其纵向截面电磁能量的均匀性，且无法保证电磁波能量覆盖到微波炉腔内的每一个角落，因此需要采用阵列方式，虽然两个单元的装置可以使得整个微波炉腔内均有电磁波覆盖，但是其无法在腔内的纵向截面产生均匀的表面波。因此，阵列方式能够在微波炉腔内产生较高高度，较大强度的均匀的表面波，且受到电磁波在腔体内壁上复杂的多次发射的干扰较小，可以应用到家用的微波炉中，提高微波炉的加热均匀性。同时，本发明也可以应用到其它的微波加热设备如电磁炉以及其他民用或工业均匀加热设备中。

较佳地，将4个介质条3以间隔d排成列，并在顶金属格挡5上方放置耐高温材料的载物台7。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

如图9-10所示，图3所示的介质表面波天线的回波损耗在中心频率附近小于-20dB，在微波炉的工作频率范围内该实施例天线的回波损耗均小于-15dB。天线向上辐射，最大实际增益为8.6dB。介质表面波天线在微波炉工作频率范围内具有良好的性能。

如图11-12所示，在空载情况下对图7所示的结构仿真，得到不同频率下表面波纵向和横向电场分布以及载物台上场强分布。由表面波纵向和横向电场分布可知，XOZ面和YOZ面的电磁波场强比较均匀，在直流功率为1W的条件下，微波炉腔内最大场强有100V/m，横向电场均匀性高度最高可达180mm，纵向电场均匀性高度为80mm。本发明的装置能够实现均匀加热。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，包括介质表面波天线，所述介质表面波天线包括金属接地板(1)、设置在所述金属接地板(1)上的至少一个介质条(3)，设置在所述介质条(3)上表面中部的至少两个馈电结构(2)，其中，

所述金属接地板(1)放置于微波炉内部，尺寸与微波炉的炉腔相适应；

所述馈电结构(2)是电容加载的单极子馈电结构，在单极子的顶部设置圆形金属板，在所述金属接地板(1)边缘设置接地引脚连接所述金属接地板(1)和地。

2.根据权利要求1所述的一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，所述介质条(3)的厚度h满足：

其中，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长，ε_r为介质条的介电常数；所述介质条(3)的宽度W满足：

3.根据权利要求1或2所述的一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，在所述介质条(3)的两端分别设置L型金属格挡，包括垂直设置的侧金属格挡(4)和顶金属格挡(5)，其中，

所述侧金属格挡(4)与所述介质条(3)垂直布置，所述顶金属格挡(5)与所述介质条(3)平行布置，所述顶金属格挡(5)的长度b为天线工作电磁波在介质中的波长的1/2，所述顶金属格挡(5)与所述介质条(3)之间的距离a为天线工作电磁波在介质中的波长的1/4。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，所述介质条(3)上表面和/或所述介质条(3)与所述金属接地板(1)之间设置耐温材料制成的介质薄膜(6)。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，将至少两个所述介质条(3)以间隔d排成列，满足

6.根据权利要求5所述的一种用于微波炉的微波表面波均匀加热装置，其特征在于，将4个所述介质条(3)以间隔d排成列，并在所述顶金属格挡(5)上方放置载物台(7)。

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