CN114007294B - 一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置，包括由喇叭和矩形馈电波导连接组成的波导喇叭天线，设置在矩形馈电波导上的用于馈电的磁控管，以及设置在喇叭的喇叭口末端的表面波产生装置。本发明的装置能够与现有的成熟的磁控管馈电方式实现很好的匹配，能够激励和传送高频率，大功率的电磁波并能够辐射均匀的表面波，提高微波炉的加热均匀性。

Description

一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置

技术领域

本发明属于微波激励技术领域，尤其涉及一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置。

背景技术

随着生活品质的不断提升，人们对微波炉在性能上的要求更高，对微波炉在功能上的需求更多。一方面要求微波炉能够加热不同种类的食物，另一方面需要其具备解冻，烧烤，烘焙，微波理疗等其他功能。这对食物的加热均匀性和加热效率提出了更高的要求。

微波炉的原理是利用高频微波的变化会使得被加热食物中的正负电荷粒子不停震荡产生热量，但磁控管产生的高频微波能量直接通过波导馈送至微波炉腔内。因此炉腔内微波能量分布是不均匀的，导致食物的不同位置加热速率出现差异。同时，微波炉各部分结构之间是否具有较好的匹配，也对微波炉的加热效率有较大影响。综上，为了提升微波炉的加热均匀性与加热效率，需要对微波炉的激励结构进行改进，同时，其需要与磁控管等微波炉内的其他结构实现较好的匹配。

目前，微波炉主要的通过改进激励结构提升加热均匀性的方案为多源多频结构和高频加热结构方案。多源多频结构同时采用工作频率为2450MHz的磁控管和工作频率为915MHz的固态微波源。利用低频微波在腔体内激励的低阶模式来弥补高频微波无法产生的这些模式，使得微波炉腔体内的模式数量增加，以此来改善微波场的分布均匀性，提高加热均匀性。高频加热装置是将波导管产生的高频电力利用环形天线进行激励，其在表面波传输线路上产生表面波，其能够利用被激励的均匀的表面波对食物进行均匀加热。

多源多频结构采用高低两种频率微波同时在微波炉内进行工作，需要提出改进措施以降低互耦合带来的影响，同时该方案也对实现腔体的匹配带来的更大难度。需要对微波炉的其他配件进行优化设计，费时费力。工作频率为915MHz的固态微波源需要经由天线将微波能量辐射至炉腔内，但天线会给微波炉带来多余的反射，在空载时会对微波炉和天线均带来较大的损耗，同时如何将微波能量全部馈入炉腔内也是在优化设计时需要考虑的因素，增加了天线优化的难度。

高频加热装置是将波导管产生的高频电力利用环形天线进行激励，但该结构只是表面波传输线结构，通过环形天线激励的电磁波在表面波传输线路上产生表面波高度非常低，微波能量只能覆盖在微波炉底部，当被加热食物尺寸较高时，无法对其进行均匀加热。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置，可以与现有的成熟的磁控管馈电方式实现很好的匹配，能够激励和传送高频率，大功率的电磁波并能够辐射均匀的表面波，提高微波炉的加热均匀性。本发明的具体技术方案如下：

一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置，所述装置包括由喇叭和矩形馈电波导连接组成的波导喇叭天线，设置在所述矩形馈电波导上的用于馈电的磁控管，以及设置在所述喇叭的喇叭口末端的表面波产生装置。

进一步地，所述磁控管设置在所述矩形馈电波导的长边的中线上，距离相对较近的所述矩形馈电波导的长边的距离为1/4λ，其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

进一步地，所述磁控管插入所述矩形馈电波导的深度达到所述喇叭的高度的一半，即满足：

H_a＝2*H

其中，H_a为所述喇叭的高度，H为所述磁控管插入的深度；

所述喇叭的喇叭口宽度满足：

其中，H_b为所述喇叭的喇叭口宽度，G为所述波导喇叭天线的增益，ε_ap是所述喇叭的口径效率，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长，a、b是所述矩形馈电波导的高度和宽度，a选择与所述喇叭的高度H_a最接近的标准矩形波导尺寸。

进一步地，所述表面波产生装置为存在表面波的包含介质分界面的结构或用于引导电磁波传播慢波结构。

进一步地，所述存在表面波的包含介质分界面的结构为介质条结构，包括：

设置在所述喇叭的喇叭口末端、沿所述喇叭的底面延伸的金属接地板，设置在所述金属接地板上表面的至少一个介质条，所述介质条的上方设有载物台，

在所述介质条的上方，所述喇叭馈送端口上沿与所述载物台之间，设置与所述载物台拼接的金属导引板，同样，在所述载物台的末端设置相同的金属导引板，所述金属导引板与所述载物台厚度一致。

进一步地，所述介质条的厚度H₁满足：

其中，k₀是表面波波数，ε_r是相对介电常数。

进一步地，所述用于引导电磁波传播慢波结构为金属褶皱结构，包括：

设置在所述喇叭的喇叭口末端、沿所述喇叭的底面延伸的金属接地板，设置在所述金属接地板上表面的金属褶皱结构，所述金属褶皱结构的上方设有载物台。

进一步地，所述金属褶皱结构为若干个与所述载物台垂直的金属片，金属片垂直于所述喇叭的喇叭口的延伸方向，且各金属片互相平行的排列在所述喇叭的喇叭口的延伸方向。

进一步地，所述金属片分为四组，每组包括多个厚度相等、间距相等的垂直于所述喇叭的喇叭口的延伸方向的金属片，在所述金属接地板上表面位于所述喇叭的喇叭口的两侧方向上分别设置一组金属片即高金属褶皱，在所述金属接地板上表面位于所述喇叭的喇叭口的中间方向上设置两组金属片即低金属褶皱，每组的多个金属片互相平行的排列在所述喇叭的喇叭口的延伸方向，每组金属片之间的间距相等均为d₃；其中，

所述高金属褶皱的高度高于所述低金属褶皱的高度，但均低于所述喇叭的喇叭口末端的高度；

所述高金属褶皱内的金属片的高度为H₃，厚度为t₁；所述低金属褶皱内的金属片的高度为H₄，厚度为t₂，满足：

λ/2≤d₃+2*H₃+t₁≤3λ/4

d₃+2*H₄+t₂＝λ/2

其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用波导喇叭天线进行激励，适合辐射和传送大功率的电磁波；

2.本发明的磁控管能够和喇叭很好的匹配，不用改变成熟的磁控管的馈电方式；

3.本发明在尽量不降低增益的情况下，缩短了矩形馈电波导和喇叭的长度，减小了微波炉的整体尺寸；

4.本发明能够产生均匀的表面波辐射，使得微波炉腔体内的电磁能量分布更加均匀，能够对食物进行均匀加热。

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是本发明的磁控管馈电的波导喇叭天线结构示意图；

图2是磁控管馈电的波导喇叭天线的主视结构图和尺寸示意图；

图3是磁控管馈电的波导喇叭天线的侧视结构图和尺寸示意图；

图4是磁控管馈电的波导喇叭天线的回波损耗曲线图；

图5是磁控管馈电的波导喇叭天线的三维增益方向图；

图6是磁控管馈电的波导喇叭天线在微波炉内腔激励介质条阵列表面波装置结构示意图；

图7是图6所示结构的主视结构图和尺寸示意图；

图8是图6所示结构的侧视结构图和尺寸示意图；

图9是图6所示结构的XOZ面场强分布图；

图10是图6所示结构的YOZ面场强分布图；

图11是磁控管馈电的波导喇叭天线在微波炉内腔激励金属褶皱表面波装置结构示意图；

图12是图11所示结构的主视结构图和尺寸示意图；

图13是图11所示结构的侧视结构图和尺寸示意图；

图14是图11所示结构的XOZ面场强分布图；

图15是图11所示结构的YOZ面场强分布图。

附图标记说明：1-波导喇叭天线，101-喇叭，102-矩形馈电波导，2-磁控管，3-金属接地板，4-金属导引板，5-载物台，6-介质条，7-高金属褶皱，8-低金属褶皱，9-微波炉内腔。

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。

一种辐射型表面波均匀场分布微波炉的喇叭激励装置，能够与现有的成熟的磁控管馈电方式实现很好的匹配，能够激励和传送高频率，大功率的电磁波并能够辐射均匀的表面波，提高微波炉的加热均匀性。

如图1所示，一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置，装置包括由喇叭101和矩形馈电波导102连接组成的波导喇叭天线1，设置在矩形馈电波导102上的用于馈电的磁控管2，以及设置在喇叭101的喇叭口末端的表面波产生装置。波导喇叭天线1的结构简单，能够传输和辐射较大功率电磁波，且具有良好的辐射特性并获得较大的增益。

如图2-3所示，磁控管2设置在矩形馈电波导102的长边的中线上，距离相对较近的矩形馈电波导102的长边的距离为1/4λ，其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

磁控管2插入矩形馈电波导102的深度达到喇叭101的高度的一半，即满足：

H_a＝2*H

其中，H_a为喇叭101的高度，H为磁控管2插入的深度；

喇叭101的喇叭口宽度满足：

其中，H_b为喇叭101的喇叭口宽度，G为波导喇叭天线1的增益，ε_ap是喇叭101的口径效率，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长，a、b是矩形馈电波导102的高度和宽度，a选择与喇叭101的高度H_a最接近的标准矩形波导尺寸。

对图1所示的磁控管馈电的波导喇叭天线进行仿真，得到如图4和图5所示的回波损耗曲线图和三维增益方向图，由反射系数曲线可知，本发明的磁控管馈电的波导喇叭天线在2.45GHz工作频段内反射系数小于-10dB；由三维增益方向图可知，本发明的磁控管馈电的波导喇叭天线向右辐射电磁波，且最大实际增益为9.0dB。因此，磁控管2能够很好的和波导喇叭天线1匹配在一起，满足作为微波炉的用于激励表面波的馈源要求。

本发明的磁控管馈电的波导喇叭天线能够在微波炉腔内与任意表面波装置均可以激励出均匀的表面波，将其放置在微波炉内与表面波产生装置结合，表面波产生原理有以下两种：一是表面波存在于包含介质分界面的结构中，被激励的接金属地的介质条能够在介质条表面产生TE和TM模式的表面波；二是利用慢波结构，用开放的结构引导电磁波传播，使其传播速度小于自由空间的波速，沿结构的轴向按规律传播，即为表面波。

本发明的表面波产生装置为存在表面波的包含介质分界面的结构或用于引导电磁波传播慢波结构。

本发明把磁控管2与喇叭101很好的匹配的在一起，将其产生并馈送的微波通过设置在微波炉底部的表面波激励结构产生均匀的表面波，本发明采用两种表面波激励结构，一种是金属褶皱结构，另一种是介质条阵列结构，最终提升微波炉的加热均匀性。

如图6-8所示，存在表面波的包含介质分界面的结构为介质条结构，包括：

设置在喇叭101的喇叭口末端、沿喇叭101的底面延伸的金属接地板3，设置在金属接地板3上表面的至少一个介质条6，介质条6的上方设有载物台5，

在介质条6的上方，喇叭101馈送端口上沿与载物台5之间，设置与载物台5拼接的金属导引板4，同样，在载物台5的末端设置相同的金属导引板4，金属导引板4与载物台5厚度一致。

较佳地，介质条6的厚度H₁满足：

其中，k₀是表面波波数，ε_r是相对介电常数。

在空载情况下对图6所示的结构仿真，得到如图9-10所示的在微波炉工作频段下炉腔内XOZ面和YOZ面电场分布。磁控管馈电的波导喇叭天线在微波炉内腔能够在介质条阵列上激励产生均匀的纵向和横向表面波，在直流功率为1W的条件下，微波炉腔内最大均匀场强有100V/m。因此，能够与介质条阵列表面波结构在微波炉内实现良好的匹配。

如图11-13所示，用于引导电磁波传播慢波结构为金属褶皱结构，包括：

设置在喇叭101的喇叭口末端、沿喇叭101的底面延伸的金属接地板3，设置在金属接地板3上表面的金属褶皱结构，金属褶皱结构的上方设有载物台5。

在一些实施方式中，金属褶皱结构为若干个与载物台5垂直的金属片，金属片垂直于喇叭101的喇叭口的延伸方向，且各金属片互相平行的排列在喇叭101的喇叭口的延伸方向。

较佳地，金属片分为四组，每组包括多个厚度相等、间距相等的垂直于喇叭101的喇叭口的延伸方向的金属片，在金属接地板3上表面位于喇叭101的喇叭口的两侧方向上分别设置一组金属片即高金属褶皱7，在金属接地板3上表面位于喇叭101的喇叭口的中间方向上设置两组金属片即低金属褶皱8，每组的多个金属片互相平行的排列在喇叭101的喇叭口的延伸方向，每组金属片之间的间距相等均为d₃；其中，

高金属褶皱7的高度高于低金属褶皱8的高度，但均低于喇叭101的喇叭口末端的高度；

高金属褶皱7内的金属片的高度为H₃，厚度为t₁；低金属褶皱8内的金属片的高度为H₄，厚度为t₂，满足：

λ/2≤d₃+2*H₃+t₁≤3λ/4

d₃+2*H₄+t₂＝λ/2

其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

在微波炉空载情况下对图11所示的结构仿真，得到在2.45GHz工作频段下微波炉腔内XOZ面和YOZ面电场分布。由金属褶皱结构产生的表面波纵向和横向电场分布可知，磁控管馈电的波导喇叭天线能够在金属褶皱周期性结构上激励产生均匀的纵向和横向表面波，且表面波能量能够覆盖大部分微波炉，且产生的反射较小。因此，在微波炉内磁控管馈电的波导喇叭天线能够与金属褶皱表面波周期性结构实现良好的匹配。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

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 (3)

1.一种辐射型表面波均匀场分布的激励装置，其特征在于，所述装置包括由喇叭(101)和矩形馈电波导(102)连接组成的波导喇叭天线(1)，设置在所述矩形馈电波导(102)上的用于馈电的磁控管(2)，以及设置在所述喇叭(101)的喇叭口末端的表面波产生装置；

所述表面波产生装置为用于引导电磁波传播慢波结构；

所述用于引导电磁波传播慢波结构为金属褶皱结构，包括：

设置在所述喇叭(101)的喇叭口末端、沿所述喇叭(101)的底面延伸的金属接地板(3)，设置在所述金属接地板(3)上表面的金属褶皱结构，所述金属褶皱结构的上方设有载物台(5)；

所述金属褶皱结构为若干个与所述载物台(5)垂直的金属片，金属片垂直于所述喇叭(101)的喇叭口的延伸方向，且各金属片互相平行的排列在所述喇叭(101)的喇叭口的延伸方向；

所述金属片分为四组，每组包括多个厚度相等、间距相等的垂直于所述喇叭(101)的喇叭口的延伸方向的金属片，在所述金属接地板(3)上表面位于所述喇叭(101)的喇叭口的两侧方向上分别设置一组金属片即高金属褶皱(7)，在所述金属接地板(3)上表面位于所述喇叭(101)的喇叭口的中间方向上设置两组金属片即低金属褶皱(8)，每组的多个金属片互相平行的排列在所述喇叭(101)的喇叭口的延伸方向，每组金属片之间的间距相等均为d₃；其中，

所述高金属褶皱(7)的高度高于所述低金属褶皱(8)的高度，但均低于所述喇叭(101)的喇叭口末端的高度；

所述高金属褶皱(7)内的金属片的高度为H₃，厚度为t₁；所述低金属褶皱(8)内的金属片的高度为H₄，厚度为t₂，满足：

λ/2≤d₃+2*H₃+t₁≤3λ/4

d₃+2*H₄+t₂＝λ/2

其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

2.根据权利要求1所述的激励装置，其特征在于，所述磁控管(2)设置在所述矩形馈电波导(102)的长边的中线上，距离相对较近的所述矩形馈电波导(102)的长边的距离为1/4λ，其中，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长。

3.根据权利要求1或2所述的激励装置，其特征在于，所述磁控管(2)插入所述矩形馈电波导(102)的深度达到所述喇叭(101)的高度的一半，即满足：

H_a＝2*H

其中，H_a为所述喇叭(101)的高度，H为所述磁控管(2)插入的深度；

所述喇叭(101)的喇叭口宽度满足：

其中，H_b为所述喇叭(101)的喇叭口宽度，G为所述波导喇叭天线(1)的增益，ε_ap是所述喇叭(101)的口径效率，λ为波导喇叭天线在自由空间中工作频率下的波长，a、b是所述矩形馈电波导(102)的高度和宽度，a选择与所述喇叭(101)的高度H_a最接近的标准矩形波导尺寸。

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