CN114040533B - 一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置，包括波导喇叭天线和设置在波导喇叭天线喇叭口末端的至少一个介质条，介质条的上方设有载物台。通过本发明的技术方案，把磁控管产生的微波通过微波炉底部的介质条阵列形成均匀的表面波，并对微波炉腔内的食物进行均匀加热，旨在提升微波炉的加热均匀性和效率。

Description

一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置

技术领域

本发明属于微波均匀加热技术领域，尤其涉及一种喇叭激励介质微波表面波均匀加热装置。

背景技术

与传统加热技术相比，微波加热具有更好的性能，例如更短的加热时间、更高的清洁环境以及较低的制造成本。为了优化微波炉设计以提高产品质量，避免由于局部过热造成结构材料的损毁，进行了许多微波加热性能的研究，尤其是微波炉或烤箱腔体内电磁场的均匀化研究。传统微波炉采用转盘方式，通过将食物在不均匀的电磁场中不断移动来解决此问题。但随着平板微波炉的出现，传统微波炉的均匀加热方式已经不再适用，为了解决磁控管产生的微波能量通过波导直接传送至微波炉腔内造成腔体各部分加热速率差异，需要新的提升加热均匀性的方案。

目前平板微波炉主要的提升加热均匀性的方案为模式搅拌器和双频双磁控管方法。

模式搅拌器方法是将模式搅拌器放置在微波能量馈入的端口处，微波炉内腔相当于一个在2.45GHz频段下工作的混响室，通过模式搅拌器不断的转动，腔体内部的电尺寸相应的不断改变，使得腔体内部产生不同的模式分布。平板上方的受热点位置不断改变，使得食物能够均匀受热。

双频双磁控管方法采用两个频率不同的低电压磁控管对食物进行加热。与单磁控管相比，双磁控管可以充分利用家用电源的总功率，提升加热效率。同时，由于二者频率的差异，磁控管通过波导传送的微波能量在腔体内的传输路径不同，使得能量在腔体内部分布的更均匀，提高加热均匀性。

搅拌器的不同结构和位置会导致不同的实际工作容积并影响腔体内部的均匀性，因此理论上搅拌器尺寸应该越大越好。但搅拌器尺寸受到微波炉实际尺寸的限制，因此其对微波炉腔内模式分布的影响十分有限。同时其在放置在微波炉中平板下方，能量馈入的端口处，会有一部分能量反射回波导和磁控管。造成能量利用率降低并损耗磁控管。

双频双磁控管方法中虽然双磁控管的工作频率存在差异，但其工作频率必须在2.45GHz频段内，因此其频率差值不会很大。因此在微波能量的馈入端口会存在较大的耦合，虽然可以通过改变馈入端口的排布或者对馈入端口的结构进行设计，以降低互耦合的影响。但在设计过程中需要较多的结构尺寸优化以及调试过程。双磁控管的同时工作也对微波炉磁控管的散热性能提出了更大的挑战，所以与单个磁控管馈入能量的微波炉相比，双磁控管方案必须要降低磁控管的工作电压，这势必会对馈入的微波能量以及微波炉的工作效率造成影响。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置，把磁控管产生的微波通过微波炉底部的介质条阵列形成均匀的表面波，并对微波炉腔内的食物进行均匀加热，旨在提升微波炉的加热均匀性和效率。本发明的具体技术方案如下：

一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置，包括波导喇叭天线和设置在所述波导喇叭天线喇叭口末端的至少一个介质条，所述介质条的上方设有载物台。

进一步地，所述介质条激发的表面波功率和所述介质条的辐射功率之比最大，所述介质条内只以TM₀模式传输，所述介质条支持的表面波最大模式总数为N，N为整数，满足：

其中，H和ε_r分别是介质条的厚度和相对介电常数，

是表面波波数，由于介质条内只以TM₀模式传输，因此N＝1，即介质条的厚度H和相对介电常数ε_r满足：

其中，μ₀和ε₀分别是真空中的介电常数和磁导率，ω是真空中的角频率。

进一步地，所述介质条的宽度W满足：

其中，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长。

进一步地，所述均匀加热装置还包括设置在所述波导喇叭天线喇叭口末端、沿所述波导喇叭天线底面延伸的金属接地板，所述介质条设置在所述金属接地板上表面。

进一步地，在所述介质条的上方，所述波导喇叭天线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，所述金属导引板的宽度d₁满足

进一步地，所述介质条为平行排列的两个，两者之间的间隔T₁满足

进一步地，所述介质条为平行排列的四个，中间两个介质条之间的间隔T₂满足

边缘的介质条与相邻的介质条之间的间隔T₃满足

本发明的有益效果在于：

1.与金属相比，介质条能够产生均匀的表面波的同时，其本身不存在反射，因此在能量馈送的端口不存在微波能量的反射，减小对微波炉的损耗，提高电磁能量的利用率。

2.本发明在微波炉腔底部采用介质条阵列结构相比传统的结构更加简单，易于加工，制造和生产。

3.本发明在横向和纵向截面均能够产生高度较高，强度较大的均匀的微波表面波，且受腔体顶部的反射影响较小。使得炉腔内的能量分布更加均匀，进一步提高了加热效率。

4.本发明同样适用于其它的高功率电磁加热设备。

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是本发明的第一种实施方式的喇叭激励介质条均匀加热装置结构示意图；

图2是图1所示喇叭激励介质条均匀加热装置主视结构和尺寸示意图；

图3是图1所示喇叭激励介质条均匀加热装置侧视结构和尺寸示意图；

图4是本发明第二种实施方式的喇叭激励介质条均匀加热装置结构示意图；

图5是图4所示的喇叭激励介质条均匀加热装置主视结构和尺寸示意图；

图6是图4所示的喇叭激励介质条均匀加热装置侧视结构和尺寸示意图；

图7是本发明第三种实施方式的喇叭激励介质条阵列均匀加热装置结构示意图；

图8是图7所示的喇叭激励介质条阵列均匀加热装置主视结构和尺寸示意图；

图9是图7所示的喇叭激励介质条阵列均匀加热装置侧视结构和尺寸示意图；

图10是图1所示的喇叭激励介质条均匀加热装置的XOZ面场强分布图；

图11是图1所示的喇叭激励介质条均匀加热装置的YOZ面场强分布图；

图12是图7所示的喇叭激励介质条阵列均匀加热装置的XOZ面场强分布图；

图13是图7所示的喇叭激励介质条阵列均匀加热装置的YOZ面场强分布图。

附图标记说明：1-波导喇叭天线，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-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。

如图1-图4、图7所示，一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置，包括波导喇叭天线1和设置在波导喇叭天线1喇叭口末端的至少一个介质条6，介质条6的上方设有载物台5，原理是波导喇叭激励和传送的电磁波在接地介质条的上表面产生均匀的表面波，本发明研究的介质条6尽量选择相对介电常数较高，耐高温的材料。

为了使得电磁能量能够充分利用，介质条6激发的表面波功率和介质条6的辐射功率之比最大，介质条6内只以TM₀模式传输，介质条6支持的表面波最大模式总数为N，N为整数，满足：

其中，H和ε_r分别是介质条的厚度和相对介电常数，

是表面波波数，由于介质条内只以TM₀模式传输，因此N＝1，即介质条的厚度H和相对介电常数ε_r满足：

其中，μ₀和ε₀分别是真空中的介电常数和磁导率，ω是真空中的角频率。

介质条6的宽度W满足：

其中，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长，介质条的长度L与微波炉内腔尺寸相关。

在一些实施方式中，均匀加热装置还包括设置在波导喇叭天线1喇叭口末端、沿波导喇叭天线1底面延伸的金属接地板3，介质条6设置在金属接地板3上表面。

为了增强馈源的定向性，减少由于在馈送端口存在的电磁反射对磁控管的损耗，在介质条6的上方，波导喇叭天线1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，保证微波能量能够完全馈入微波炉腔内，降低由于电磁反射造成的能量损耗；同样，在载物台5的末端设置相同的金属导引板4，减少电磁波向微波炉边缘的扩散，保证产生的均匀的电磁能量集中在微波炉的中心区域，提升微波炉的工作效率；金属导引板4的材料为导电性强的金属，金属导引板4与载物台5厚度一致。

在一些实施方式中，金属导引板4的宽度d₁满足

图10和图11是图1所示喇叭激励介质条均匀加热装置的XOZ面和YOZ面场强分布图，由图可知，通过喇叭激励并馈送到炉腔内部的电磁波能够在介质条上表面产生均匀的表面波。在直流功率为1W的条件下，在微波炉腔体内部横向截面和纵向截面均可以产生强度为100V/m的均匀的电磁波。但介质条产生的均匀的电磁波在XOZ面上的宽度较窄，因此需要将介质条组阵以增加XOZ面均匀的表面波的宽度。

如图4-图6所示，介质条6为平行排列的两个，两个介质条关于微波炉底面中心线对称，即两个介质条尺寸完全相同。但由于两个介质条之间存在耦合影响，为了最大限度减小耦合，两个介质条之间的间隔T₁满足

λ为天线在自由空间中工作频率下的波长。介质条的长度L₁与微波炉内腔尺寸相关。在波导喇叭天线馈送端口上沿与载物台之间放置一块金属导引板4，其与载物台5拼接，保证微波能量能够完全馈入微波炉腔内，两个介质条的方案增加了XOZ面均匀的表面波宽度，但其仍然无法覆盖整个微波炉的XOZ截面。

如图7-图9所示，介质条6为平行排列的四个，四个介质条之间存在耦合影响，为了最大限度降低互耦合，中间两个介质条6之间的间隔T₂满足

边缘的介质条6与相邻的介质条6之间的间隔T₃满足

T₂与T₃的值不一定相等，四个介质条的长度L₂与微波炉内腔尺寸相关，不能超过微波炉内腔的长度。

为增强从喇叭馈入的电磁能量的利用率，减小磁控管的损耗。在波导喇叭天线馈送端口上沿引伸出一块金属板导引板4，其与载物台5拼接。

如图12-13所示，在空载情况下对图7所示的结构仿真，得到在微波炉工作频段下微波炉腔内纵向和横向电场分布。由介质条阵列产生的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，微波炉腔内最大均匀场强有100V/m。本发明装置在能够实现对食物均匀加热的同时，能够减小磁控管的损耗，增加微波炉的工作效率。本发明也可以应用到其它其他民用或工业大功率微波加热设备中。

本发明的装置还可以应用到微波炉，或者其它高功率微波加热设备中。

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 (7)

1.一种喇叭激励介质表面波均匀加热装置，其特征在于，包括波导喇叭天线(1)和设置在所述波导喇叭天线(1)喇叭口末端的至少一个介质条(6)，所述介质条(6)的上方设有载物台(5)；

所述介质条(6)激发的表面波功率和所述介质条(6)的辐射功率之比最大，所述介质条(6)内只以TM₀模式传输，所述介质条(6)支持的表面波最大模式总数为N，N为整数，满足：

其中，H和ε_r分别是介质条的厚度和相对介电常数，

是表面波波数，由于介质条内只以TM₀模式传输，因此N＝1，即介质条的厚度H和相对介电常数ε_r满足：

其中，μ₀和ε₀分别是真空中的介电常数和磁导率，ω是真空中的角频率。

2.根据权利要求1所述的均匀加热装置，其特征在于，所述介质条(6)的宽度W满足：

其中，λ为天线在自由空间中工作频率下的波长。

3.根据权利要求2所述的均匀加热装置，其特征在于，所述均匀加热装置还包括设置在所述波导喇叭天线(1)喇叭口末端、沿所述波导喇叭天线(1)底面延伸的金属接地板(3)，所述介质条(6)设置在所述金属接地板(3)上表面。

4.根据权利要求1-3之一所述的均匀加热装置，其特征在于，在所述介质条(6)的上方，所述波导喇叭天线(1)馈送端口上沿与所述载物台(5)之间，设置与所述载物台(5)拼接的金属导引板(4)，同样，在所述载物台(5)的末端设置相同的金属导引板(4)，所述金属导引板(4)与所述载物台(5)厚度一致。

5.根据权利要求4所述的均匀加热装置，其特征在于，所述金属导引板(4)的宽度d₁满足

6.根据权利要求5所述的均匀加热装置，其特征在于，所述介质条(6)为平行排列的两个，两者之间的间隔T₁满足

7.根据权利要求6所述的均匀加热装置，其特征在于，所述介质条(6)为平行排列的四个，中间两个介质条(6)之间的间隔T₂满足

边缘的介质条(6)与相邻的介质条(6)之间的间隔T₃满足

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