CN1167562A - 变频微波加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测试或者其它所选应用的变频微波加热装置(10’)，设计成可以调制引入到多波模微波腔(32’)内的微波的频率。该变频加热装置(10’)行波管(TWT)20。功率监视器(62)接收检测入射到和反射出微波腔(32’)的信号的方向和幅度的定向耦合器(24’)的输入。功率和温度显示/控制器(60)还用作控制微波振荡器(14’)、预放大器功率控制(18’)和TWT电源(22’)。设置冷却系统(66)用于冷却TWT(20)。渐缩波导耦合器(68)用作阻抗变换器。

Description

变频微波加热装置
根据美国能源部颁发给Martin Marietta能源系统公司的合同No.DE-AC-840RZ1400，本发明得到了政府的支持，所以政府在本发明中具有一些权利。
本申请部分揭示并要求早先提出的待批申请，1994年10月14日申请的No.08/306,305中所揭示的主题的权利，该申请揭示和要求早先提出的待批申请(1994年3月31日申请的No.08/221,103)中所揭示的主题，揭示和要求早先提出的申请(1991年申请的No.07/792,103)中所揭示的主题，该申请已于1994年6月14日被授予美国专利证书No.5,321,222，它所揭示的主题至少是本发明的一个发明人发明的。
技术领域
本发明涉及微波辐射，尤其涉及具有选择性地改变微波源的频率和功率的能力的微波炉。
背景技术
在微波辐射领域中，众所周知，微波炉一般是由固定的工作频率构成的。已经知道，各种材料与微波的相互作用(interaction)是与频率相关的。这些相互作用可以包括固化(curing)橡胶和烧结(sintering)陶瓷。因此，希望有可以在宽的频率范围上工作的微波炉。
大多数微波源的带宽非常窄，这是因为它们使用谐振腔。为家用制作的微波炉设置有磁控管，它工作在2.45GHz上，这是加热水有效的频率。由于2.45GHz的微波与水的耦合能力，这些微波炉用于烹调食品、干燥以及其它目的，其中受到作用的主要材料是水。然而，众所周知，在该范围内的频率并不适于所有的场合，例如加热等离子体、烧结诸如硅等的材料以及准备诸如金刚石膜片等膜片。
通过波模摆动(mode stirring)方法使频率扫过较宽范围重要的含义是用微波功率对医疗器械或者被污染的废物进行消毒。这样使用决定了能消除腔内的可能不能接收到足够功率的“死区”，以彻底进行消毒。电子频率扫描能以较高的速率进行，因而在整个炉腔内产生了更一致的时间上均匀的功率密度。所要求的频率扫描可以通过使用各种微波电子设备来实现。例如，螺旋式行波管(TWT)与诸如电压可调磁控管(2.45±0.05GHz)相比可以使扫描覆盖较宽的带宽(例如2至8GHz)。如下文将揭示的，其它设备具有其它的特性带宽。
又，已知一般家庭使用的频率固定的微波炉具有冷点和热点。这种现象是由波长对微波腔大小的比率引起的。把较低频率的微波引入较小的腔内，会产生驻波，因此微波功率不是均匀地充满腔内的所有空间，未受影响的区域没有加热。在极端的情况下，炉腔实际上成为“单波模”腔。
已经在波模摆动下进行了偿试，或者随机地使微波“束”偏转，以消除驻波波模，从而使微波辐射充满腔体。一种偿试是在腔的波束进口处增加旋转的风扇叶片。
克服驻波不利影响的另一种方法是在单波模腔内故意产生驻波，可以把工件放置在具有最高功率(热点)的位置上。因此，仅仅腔内驻波最集中的部份可以使用。
虽然还不知道其正确的原因，但已经显示，在高频上烧结各种材料会得到改善。然而，现有技术难以进行一系列相同的仅改变频率的摆动实验。这大部分是由于各微波源连接到不同的炉腔内所造成的。众所周知，炉腔的几何形状是在这种实验中必须考虑的参量。
在一些著作中，已经报导了引入陀螺振子振荡器以产生频率固定的28GHz微波的炉。陀螺振子炉能比那些设置有2.45GHz磁控管的微波炉更有效地烧结某些材料。陀螺振子炉在烧结陶瓷等材料方面有特殊的应用。然而，28GHz并不是烧结所有材料都有效的频率。要求确定把最有效的频率加到带有所选结构的腔的炉中的指定材料上。
在加热处理时最有效的处理频率可以随指定的材料而变化。当材料改变状态时，也可能要求改变频率。因此，可以要求它在加热过程中具有改变频率的能力，允许测试器开始以一频率加热样品，然后随着温度的升高，改变频率，以维持良好的耦合。也可以要求在加热合成材料时，改变材料来有效地对不同频率起作用。
也已生产了其它的设备来改变所选材料的加热工艺的参数。已有技术中典型的技术是下列美国专利中所揭示的设备：
专利号       发明人            公告日期
3,611,135    D.L.Margerum      1971.10.5
4,144,468    G.Mourier         1979.3.13
4,196,332    A.Mackay B，等    1980.4.1
4,340,796    M.Yamaguchi等     1982.7.20
4,415,789    T.Nobue等         1983.11.15
4,504,718    H.Okatsuka等      1985.3.12
4,593,167    O.K.Nilssen       1986.6.3
4,777,336    J.Asmussen        1988.10.11
4,825,028    P.H.Smith         1989.4.25
4,843,202    P.H.Smith等       1989.6.27
4,866,344    R.I.Ross等        1989.9.12
4,939,331    B.Berggren等      1990.7.3
发表在1979年14(1)期的微波功率期刊上的、Mackay B.等著的、名称为“微波炉的频率灵敏(agile)源”文章中进一步讨论MacKay在’332中所揭示的主题。然而，除了上述共同待批申请No.07/792,103之外，并没有揭示具有宽频范围的微波炉。
使用宽频范围的一个障碍是难以实现高效地把微波耦合到多波模敷贴腔，尤其是在这种耦合装置包括介电窗时。
因此，本发明的一个目的在于提供一种微波加热装置，它能在宽频范围上工作。
本发明的另一个目的在于提供一种可以在宽频范围上工作的微波加热装置，其中该微波源可以与具有其它频率范围的微波源互换。
本发明的再一个目的在于提供这样一种微波加热装置，其中，可以把两个或更多个微波源以并行方式设置到系统中。
本发明的又一个目的在于提供一种包括多个平行设置的微波源的微波加热装置，其中，微波源可以选择和替换使用。
本发明的又一目的在于提供一种具有多个微波源的微波加热装置，每个微波源由同一个信号发生器和电源控制。
本发明的又一个目的在于提供一种微波加热装置，频率调缺点可以用作波模摆动(mode stirring)的形式，以在多波模腔和设置在其内的负载内产生更均匀的功率分布。发明内容
本发明还将实现其它的目的和优点，它被设计成调制引入到用于测试或者其它所选应用的炉腔内的微波频率。一些可用的处理包括热处理、消毒、烧结、等离子体处理、矿物处理、聚合、蚀刻以及制备膜。
本发明提供一种微波信号发生器，用于产生低功率微波信号，输入到微波放大器中。较佳实施例中的信号发生器可以扫过一指定范围的频率，以脉冲方式工作，调制微波信号的频率，并产生各种复杂的波形。较佳实施例的微波信号发生器可以利用内部的脉冲发生器工作在脉冲模式，或者可以从外部得到脉冲。设置有一内部调制器以进行宽带调制。内部调制器可以工作在调幅(AM)模式或者调频(FM)模式。
电压控制器用于调制微波压控振荡器的振幅。微波压控振荡器可以用来替代微波信号发生器，以改善产生的微波的频率和幅度。
可以提供第一放大器，以放大微波信号发生器或者微波压控振荡器输出的信号的幅度。较佳实施例的第一放大器是压控的，因此，其增益是可以调节的，操作者可以选择输出的幅度。
提供第二放大器，处理第一放大器输出的信号，或者当不用第一放大器时处理从微波信号发生器或者微波压控振荡器输出的信号。第二放大器向炉腔输出高功率微波信号，并使工件受到微波辐射。在较佳实施例中，第二放大器可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、环形TWT、环棒TWT、速调管、行波速调管或者陀螺振子之一。这些器件包括设计成扩散放大器在正常工作期间集聚的热的内部冷却设备。
在本发明的另一个实施例中，振荡器和第一和第二放大器可以用频率灵敏的同轴磁控管来代替，其频率可以手动、机械或者电调谐。
提供一电源，用于第二放大器的工作。在较佳实施例中，电源是由精确稳压的螺旋式电源与无稳压控制器的高压电源组成的直流电源。
提供一定向耦合器，用于检测信号的方向以及根据检测到的方向进一步控制该信号。把从微波源接收到的信号送至微波腔。从微波腔的方向上接收到的信号送至反射功率负载上。因此定向耦合器提供一种手段，利用这一手段，把反射功率转离微波源，以保护微波源免受未被工件吸收的功率。较佳实施例的定向耦合器是水冷却的，以扩散微波源来的功率传输和微波腔来的功率反射集聚到的热。
提供第一功率表，用于测量供给微波腔的功率。第一功率表用于与位置设置成测量从微波腔反射来的功率的第二功率表连接，以监视微波腔的效率并确保在反射功率负载上消耗该反射功率而不是由第二放大器来消耗。
反射功率负载还可以用于通过从炉腔中移去所有工件，由此，把第二放大器的所有信号送至反射功率负载来测试系统的机能。可以把反射功率负载接收到的功率与第二放大器输出的功率比较，以确定系统的损耗。
第二功率表检测反射功率的幅度。该幅度可以用于确定引入到微波腔内的微波的即时频率的效率。由于所选工件较高的吸收率，所以较低的反射功率表示更有效的工作频率。
可以提供渐缩的过渡(tapered transition)以提高效率，用该渐缩过渡可以把宽带微波能量耦合到微波腔内。把它作为传输线与微波腔之间的阻抗转换器，这种过渡提高了耦合到腔内的功率百分比。另外，对于必须把微波能量耦合到有活性气体的腔内的应用来说，该渐缩过渡提供了一种减少在窗口和活性气体之间的界面之间微波能量的功率密度的方法，从而防止在输入窗口形成等离子放电。
附图概述
根据下面对本发明的详细描述以及附图，本发明的上述特点将变得更易理解。
图1是本发明的变频微波炉系统的较佳实施例的示意图；
图2是本发明的变频微波炉系统的另一较佳实施例的示意图；
图3是行波管的透视图，部分作了剖视，它组成本发明的变频微波炉系统；
图4是组成本发明的变频微波炉系统的行波管的示意图；
图5是行波管的端视图，作了剖视，它组成本发明的变频微波炉系统；
图6是本发明的变频微波加热装置的另一较佳实施例的示意图；
图7是本发明的渐缩波导敷贴器的视图，示出了其入口；
图8是图7的渐缩波导敷贴器的端视图，示出了其出口；
图9是渐缩波导沿图7的9-9线的底面部视图；
图10是渐缩波导敷贴器的另一个实施例端视图，它进一步包括介电窗，并示出了其出口；
图11是渐缩波导沿图10的11-11线的底面剖视图；
图12是是渐缩波导的另一个实施例的端视图，示出了其出口，其中内壁限定为台阶式缩小；
图13是渐缩波导沿图12的13-13线的底面剖视图；
图14是渐缩波导敷贴器的另一个实施例的端视图，示出了其出口，其中内壁限定为台阶式缩小，并且包括了介电窗；
图15是渐缩波导管沿图14的15-15线的底面剖视图，；
图16示出了用于观察根据本发明所用的微波腔内的活动的观察口的正视图；
图17是图16的观察口沿17-17线的端面剖视图；
图17A是图17的观察口的部分放大图，以更清楚地示出密封本发明所用的微波腔的门的密封机构；
图18示出了本发明的变频微波加热装置的另一个较佳实施例的示意图；
图19是本发明所用的一个矩形微波腔的波模密度对频率的曲线图；
图20A-D用图形示出了根据本发明的几个特点所用的微波腔的理论模型和第一微波源内的功率分布；
图21A-F用图形示出了根据本发明的几个特点所用的微波腔的理论模型和第二微波源内的功率分布。
本发明的实施方式
具有本发明各种特点的变频微波加热装置在图中一般以10来图示。微波加热装置10设计成调制引入到微波腔内以测试或者进行其它所选应用的微波的频率。这种调制对于测试过程以确定对特定材料处理最有效的频率是有用的。频率调制与在较小的炉腔内产生更均匀的功率分布的波模摆动一样也是有用的。
频率调制测试不仅在确定所选材料有效的烧结频率时是有用的，而且在确定所选材料的各种状态的最有效烧结频率也是有用的。以相同的方式，频率调制在处理状态变化的材料方面也是有用的，其中材料的每种状态都更有效地联接到从其它状态的频率改变的频率上。而且，在处理合成材料时频率调制也是有用的，其中每种成分联接到与其它成分不同的频率上。
图1示意性地示出了本发明的变频微波加热装置的较佳实施例，其中所选的工件36正待处理。可进行的处理包括加热处理、消毒、烧结、等离子处理、矿石加工、聚合、蚀刻以及制备膜等，但不限于这些。应当理解，本揭示中所用的术语“工件”涉及所选的材料或者材料的组合。术语“工件”可以进一步包括如此所选的材料或者材料的组合，其中至少一种材料要经过至少一种状态的变化，因此，在一给定时间材料不至一种状态。
提供一微波压控振荡器14，用于产生低功率微波信号，输入到微波炉32内。复杂波形发生器1 2向压控振荡器14提供控制电压，使压控振荡器扫描指定的频率范围，它工作在脉冲模式，调制微波信号的频率，并产生各种复杂波形。
较佳实施例的复杂波形发生器12可以用内部脉冲工作在脉冲模式，或者可以从外部得到脉冲。设置内部调制器以进行宽带调制。内部调制器可以以AM模式或者FM模式工作。
微波压控振荡器14产生频率由波形发生器12加到压控振荡器14上的电压确定的微波信号。与所选材料可以有效地与特定频率耦合以及要求高电压一样，可以要求调制微波频率，尽管第二种材料可以更有效地以不同频率和在低或高电压下进行耦合。因此，微波压控振荡器14可以与复杂波形发生器12一起使用，以修正产生的微波的频率。
将可看到，频率与功率级可能的组合是无数的。而且，有了这种频率与幅度调制能力，将可看到，可以通过使微波的频率和幅度交替来实现对工件36的处理，以达到最大的处理效率。调制可以以这样的速率进行，以使工件36不能检测到，但仍能对各材料和材料状态产生最大的处理效率。
可以提供第一放大器，放大微波压控振荡器14输出的信号的功率。本较佳实施例的第一放大器18是压控的，因此其增益是可调的，所以输出幅度可由操作者选择。在变频微波加热装置10工作期间，操作者可以同时调节第一放大器18，所以可以相应调节微波的幅度。第一放大器18的控制电压还可以由复杂波形发生器12提供，可以以所要求的方式调制信号输出的幅度。
提供第二放大器20，对第一放大器18的输出信号进行处理，或者当不用第一放大器18时，对微波压控振荡器14的输出信号进行处理。第二放大器20输出微波信号，输入到多波模炉腔34内，使工件36受到微波信号的照射。在较佳实施例中，第二放大器20可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、环形TWT、环棒TWT、速调管、行波速调管或者陀螺振子之一。
TWT20是一种线性射束器件，它放大并输出具有所选频率和波形的信号。TWT20在TWT20的结构所限定的范围或带宽内具有放大所选频率或波形的能力。尤其是，TWT的物理几何形状限止了频率范围，所以当达到高限时，将遇到抵消信号，出现第二波。
为了达到高于或者低于引入特定结构中的TWT20所能提供的频率，改变TWT20的内部几何形状，尤其是螺旋40的间距。在后面提到的TWT20中，可以定义一新的频率范围。因此将看到，TST20结构的改变是可能的，所以可以达到较宽的频率范围。至此，本发明的TWT20被设计成可选择地从变频微波加热装置10中移去，并与其它的这种TWT20互换。因此，单微波压控振荡器14、微波炉32和微波炉腔34可以与各种TWT20一起使用，所以，可以仅把微波频率作为主要变量进行一系列相同的测试。一个TWT20可以限定4GHz至8GHz的频率范围，而另一个TWT20’限定了8GHz至16GHz的频率范围。再一个TWT20”可以限定第三频率范围。把TWT20与TWT20’互换限定了从4GHz至16GHz的总范围。一种限定4GHz至8GHz的范围的TWT20为Microwave Laboratories(微波试验室)公司制造的Model T-1096G/H Band Helix TWT。在表1中列出的Model T-1096的技术规格。
如上所述，行波管20是一种线性射束器件，其特点在于行移电场连续地纵向沿着电子束的路径取得能量。如图3和图4所示，典型的TWT20是由电子枪组件44连接到单线螺旋丝40的第一端46上构成的。枪组件44产生聚焦的电子束，直接穿过螺旋丝40的中央。与螺旋丝40形成整体的渐缩的碳衰减器50用作定向耦合器，防止从通路上返回到管的输入处的反射。射频输入和输出绕组52、54分别设置在螺旋丝40的阴极和收集端。
        表1 T-1096G/H Band Helix TWT的技术规格射频特性           最小值  最大值  典型值  单位功率输出            63.0    65.0    63.5   dbm频率范围            4.0     8.0            Ghz谐波含量            -       -3.0    -6.0   dbc标称功率时的增益    25.0    37.0    30.0   db电参数螺旋丝电压          -8.0    -9.0    -8.4   kV阳极电压(WRTC)      0.0     +9.0    -      kV收集极电压(WRTC)    +6.2    +6.8    +6.5   kV丝线电压(WRTC)      12.4    13.2    12.8    V螺线管电压          35.0    57.0    48.0    VVac-Ion电压         +3.5    +5.0    +3.5   kV螺旋丝电流          -       25.0    15.0   mA阳极电流            -       5.0     -      mA收集极电流          0.9     1.8     1.2     A丝线电流            1.2     2.0     1.4     A螺线管电流          21.0    26.0    25.0    AVac-Ion电流         -       0.01    -      mA最佳功率                    10.7    9.2    kW
被正向充电的收集极56位于螺旋丝40的第二端48。收集极56提供TWT20工作的能量。电子束聚焦和封闭磁体58围在TWT20的整体组件外。
在螺旋丝40的轴上行进的电子与沿着螺旋丝40传播的射频波相互作用，能量从电子束转移到射频波上。这种相互作用连续地进行并不断积累，在射频信号沿螺旋丝40传播时增加了其振幅。
本较佳实施例的第二放大器20包括内部冷却装置38，它被设计成扩散第二放大器20在正常工作时集聚的热。尤其，在用螺旋式TWT的情况下，TWT20的螺旋丝和螺旋丝支架42由选出的材料制成，以达到其功能。本较佳实施例的螺旋式TWT20设置有用扁铜线制成的螺旋丝40。多个保持器42围绕着螺旋式TWT42的纵轴平行设置，在TWT42上绕有铜线，保持器42用来保持铜线限定的螺旋丝40，并还扩散在螺旋式TWT20工作期间传输给铜线的热。在本较佳实施例中，保持器42  少用一个平面43限定了横截面，平面43基本上与铜线接触。
而且，本实施例的保持器42由氧化铍制成。尽管已知氧化铍为电绝缘体，但它还是极佳的导热体。铜线限定平面横截面并基本上与保持器42的平面43接触高效和彻底地扩散了传输到铜线上热，因此，为螺旋式TWT20的内部提供了冷却装置38，延长了螺旋式TWT20的寿命。
设置了电源22，用于第二放大器20的工作。虽然在图中没有单独画出，但较佳的电源22为由精确稳压的阴极电源和无稳压的收集极高压电源组成的直流电源。阴极电源的输出稳压通过使用四极管的电子管稳压电路来实现的。一种这样的电子管为Eimac 4PR400A电子管。对收集极电源和阴极原电源的稳压是用机电式稳压器。本较佳实施例的收集极电源设置有两个开关板，用于选择输出范围。用于向第二放大器提供电力的典型的电源22为通用Voltronics型BRE-15-140-ML高压电源。在表2中列出了这种通用Voltronics电源的技术指标。
     表二通用voltronics Model BRE-15-140-ML电源的电技术指标螺旋丝电源输出电压                  500V-15KVDC输出电流                  140mADC极性                      负极输出波纹                      .01％rms 15KVDC，140mADC稳压，负载                .01％(从空载到满载)，最大输出稳压，线路                +0.1％，190-230VAC线路电压，
                      最大输出收集极电压输出电压和电流I型(平联)               0-5KV，4000mAII型(串联)              0-10KV，2000mA极性                      正极性输出，负极连接到螺旋丝电源波纹                      3％rms，1 0KVDC，2000mA稳压，负载                +2％(从空载到满载)，最大输出稳压，线路                +2％，190-230VAC线路电压，
                      最大输出保安电路(跨接在收集极电源上)响应时间                   5微秒系统输入电压                  190-230VAC，相与相，3相，
                      60Hz，30KVA电力连接                  5端连接板(3相中央接地)输出连接器                10-32个柱，用于收集极、阴极和螺旋丝控制连接器                90端Elco连接器
如图2所示，变频微波加热装置10可以不用微波压控振荡器14和第一放大器18工作。在该实施例中，单独用微波信号发生器12来产生所选的信号，并不经调制而直接输出。一种这类微波信号发生器12为Wiltron制造的Model 6724信号发生器。在本实施例中，在第二放大器20的电源22内进行幅度调制。
参见图1和图2，提供一定向耦合器24，用于检测信号的方向，并进一步根据检测到的方向对信号进行定向。定向耦合器24设置在第二放大器20的收集端的附近。把从第二放大器20接收到的信号送到微波腔32内。把从微波腔32方向接收到的信号送到反射功率负载28。因此，定向耦合器24提供了一个手段，即，把反射信号-即，工件36没有吸收的返回源20的功率-转离第二放大器20，以保护第二放大器20不受工件36未吸收的功率的影响。本实佳实施例的反射功率负载28是水冷却的，以扩散通过反射微波腔32的功率集聚的热。
提供第一功率表30，用于测量传递给微波腔32的功率。第一功率表30用于连同设置的第二功率表26一起测量微波炉32的反射功率，以监视微波炉的效率，并确保反射功率在反射功率负载28上被消耗，而不是第二放大器20。
第二放大器20输出的信号被引入到微波腔34内，由所选的工件36吸收。一般，工件36不能完全吸收引入的信号，因此引入的信号被反射返回第二放大器20，而没有其它的路径。
反射信号到达定向耦合器24，被转向第二功率表26，最后到反射功率负载28上。如上所述，在反射功率负载28上消耗反射功率，以保护第二放大器20的寿命。也可以从炉腔34移去所有的工件，把反射功率负载28用于测试系统的机能，由此把整个负载从第二放大器20连到反射功率负载28上。可以把反射功率负载28接收的功率与第二放大器20发出的功率比较，以确定系统的损耗。
第二功率表26检测反射功率的大小。该值可以用于确定引入到微波腔34的微波的即时频率的效率。低反射功率表示高效率工作频率，这是由于所选工件36有较高的吸收率。
本技术领域的熟练人员从上述的描述中可以认识到已经指出了变频微波加热装置10对已有技术提供的优点。具体地说，本发明的微波加热装置10提供了一种调节引入到腔34内以进行烧结或者其它要求的加工等微波的频率的手段。可以看出，本发明的微波加热装置10在测试所选材料相对于微波频率的处理特性时是有用的。这种测试能对带有微波源的微波炉32进行设计，以产生确定频率的微波。
还可以看出，本发明的微波加热装置10也可以用作微波可以随不同材料或者材料状态变化的生产工具。可以在微波加热装置工作期间进行频率调制，以适应各种材料和材料状态。而且，本发明的频率调制能力可用作波模摆动的方法，以在较小的微波腔34内产生更均匀的功率分布。
在开发过程中进行的各种测试已经显示了本发明的变频微波加热装置10的效率。下面描述两个测试过的实施例。然而，本发明人并不是把本发明限于这些实施例。
在第一个测试过的实施例中，构成适于烧结、热处理和其它高温处理的2.5KW的微波炉32。压控振荡器14(型号VC0 100-0243，由Delphi公司制造)由0至15V控制信号提供从4至8Ghz连续变化的低功率微波信号。具有可变增益选择的固态预放大器18(型号NHI 4080MW-2，由National Hybrid公司制造)提供可变地放大压控振荡器14的信号。
高功率微波放大器20包括向波管(型号T-1096，由微波实验室公司制造)(见表1)和高压直流电源(型号BRE-15-140-ML，由Universal Voltroncis制造)(见表2)。高功率微波放大器把该信号以约为+37db的增益放大。得到的微波功率在4至8GHz的频率范围和0至2.5KW的功率范围上是可连续选择的。在这些参数范围内可以单独地把频率和幅度调制成任意的波形。
设置一双定向耦合器24(型号R202-5N，由微波工程公司制造)，通过该双定向耦合器施加微波功率。把微波功率输入到直径约为12英寸长约为9英寸的多波模34内，在腔34内激励出多种随机的微波波模。用两个功率表(型号HP436A，由Hewlett Packard公司制造)连续地测量正向和反射功率级。
已经证明对碳化硅和碳化硼陶瓷体都能进行有效的微波加热。在各情况下，能调节频率，以使腔34内的实际负载的反射功率最小，使陶瓷快速地加热。这里不需要调整腔34的大小或者激励出特定的波模，以最大效率地进行加热。
在第二个测试过的实施例中，用传统微波炉的多波模腔34和空气冷却的带宽为2至8GHz的行波管构成至少适用于等离子体处理、消毒和食品加工研究等的300W的微波炉。
对包括水、爆米花和掺入Co、Cr或者V氧化物的铝陶瓷等各种样品进行试验证明如果调节微波频率使反射功率最小能高效地进行加热。所示的结果是，当频率连续地扫过工作带宽时，反射功率极低，并且样品的加热效率与其在腔34内的位置无关。
对变频微波加热装置10进行这种测试包括对环氧树脂(即，由Union Carbide制造的ERL-2258树脂，以及由Dupont制造的M-苯二胺硬化剂)样品进行固化。根据制造商的说明混合样品，倒到直径4英寸的玻璃盘中。以固定的6GHz的频率加热一样品，而根据本发明用使频率从4.5至7.5MHz每秒5000次扫描来加热另一样品。固定频率的样品得到不均匀的加热和极大的热量逃走。扫描频率的样品被均匀地固化，没有局部过加热的现象，因而证明频率扫描的价值在于在微波腔34内产生更均匀的功率分布。
图6所示的是变频微波加热装置10’的另一个实施例。在该实施例中，功率和温度显示和控制器60接收功率监视器62和温度传感器64的输出。功率监视器62接收定向耦合器24’的输入，把它用作与前述实施例中的反射到功率表26，30相同的基本作用。功率和温度显示和控制器60还用于控制微波振荡器14’、预放器器功率控制18’和TWT电源22’。设置有一冷却系统66，用于在其工作期间至少冷却TWT20。
可以提供一渐缩的波导耦合器68，以提高效率，用该渐缩波导耦合器68把宽带微波能量耦合到微波腔内。把它用作定向耦合器24’的传输线与微波腔32’之间的阻抗转换器，这种过渡增加了耦合到微波腔32’内的功率百分比。另外，对于必须把微波能量耦合到有活性气体的微波腔32’内的应用来说，该渐缩波导68提供了一种减少在窗口和活性气体之间的界面之间微波能量的功率密度的方法，从而防止在输入窗口形成等离子放电。
图7-9所示的是渐缩波导敷贴器68A。图7是示出了入口72的端视图。图8是示出了出口74的端视图。图9是波导敷贴器68A的横截面图，在其中更详细地示出了渐缩的内壁70。从这些图中可以看出，波导敷贴器68A的一个实施例限定了内壁70，它在从入口72到出口74形成光滑的锥形，出口74大于入口72。在沿其长度的任一给定的横截面上，波导敷贴器68A的内壁70一般为矩形的开口，突起部分76从其任一部分延伸。突起部分76还限定了矩形横截面。如这些图中所示，这些突起部分限定了与波导68A的内壁70的锥形成比例的光滑的锥形。波导敷贴器68A的本体限定了一端板78，用于把波导敷贴器68A固定到微波加热装置10上。
实际上，已经发现，用图7-9所示的波导敷贴器68A实现了在整个有用的微波腔范围内测得约为2∶1的自由空间电压驻波比。
变频微波加热装置10已构筑成用微波实验室公司制造的，4-8GHz的、型号为T-1096的TWT源进行测试，并加入了图7-9所示的渐缩波导敷贴器68A。还使用了筒形多波模微波腔34。R.A.Rudder等人在“通过水-乙醇溶液的微波激励的等离子体进行金刚石CVD”(1993年，Amer.Cer.Soc.春季会议，Cincinnati)讨论了测试的结果，将该文援引在此，以作参考。在这些测试中，已经证明，包括本发明的波导敷贴器68A的微波加热装置10产生可以移动并通过调节频率可以控制的高密度的局部等离子体。密集的等离子体保持在正向功率小至100W的程度。在4-8GHz的带宽上的所有频率的反射功率最小。
上述的微波源12包括一螺旋式TWT放大器。然而应当理解，根据本发明的其它方面，也可以使用许多其它的微波源12。下面的表3给出了一些适用的其它微波源12的一般特性。
                       表三一些适用的微波源的特性
源类型 频率范围(GHz) 带宽(％) 峰值输出功率(kW) 平均输出功率(kW) 总效率(％)
环形TWT .5-20 5-15 1-20 .05-.6 30-45
环棒TWT .5-20 10-20 3-30 .08-.9 30-45
速调管 .5-70 5-8 100--8000 1-5000 40-70
相交场Amp .5-20 15-40 100--3000 1-300 30-50
在上述实施例中的螺旋式TWT是由液体冷却的，因此需要额外的功率和支持设备。对于在实验室规模的实验，气冷却变频微波加热装置10是用微波实验室公司的气冷却螺旋式TWT(例如，T-1067型)和本发明的渐缩波导敷贴器68A制成。使用13×13×10英寸的矩形微波腔34，在该腔中，在从2.5至7.5MHz频率范围上微波功率都能有效地耦合。应认识到该范围几乎覆盖了两个倍频。用热敏纸测试证明，频率扫描在整个腔34内产生均匀的功率密度是高效率的。
对本实施例的微波腔34进行与上述固化环氧树脂(由Union Carbide制造的ERL-2258树脂，以及由Dupont制造的M-苯二胺硬化剂)进行的相似的测试。在这些测试中，把频率范围和扫描速率都减小，以确定合适的波模摆动所必须的最小范围。同时，把样品体积增加到直径6英寸的圆盘。从这些结果中可以明显地得出，即使20％的带宽在一些样品中也足以进行均匀的微波加热，尤其对于那些有高导热性，有助于使较小的空间变化平均的样品。
如上所述，本发明的微波加热装置10装备有多于一个以上的微波源12。对于这一范围，还对下述的微波加热装置10进一步作了改进，增加了第二TWT(微波实验室公司的T-1068型)和第二渐缩微波敷贴器68A，使炉32的带宽约为2.5至17.5Ghz，或者近三倍频程。应当理解，并不应把上述例子解释为把本发明的微波加热装置10限制为两个微波源12。相反，应当理解，根据本发明，任意多个微波源12和波导敷贴器68可以与一个微波腔34组合。
图10和11示出了波导敷贴器68B的另一个实施例，其中设置有个窗80，用于这样一种环境，即，微波腔34内的压力与周围的压力不同，和/或在微波加热处理时用的是不是空气的气体。该实施例的入口72类似于前一实施例，因此，图7表示图10和11中所示的实施例的入口72。窗80本质上为介电体，能经受住正负压差。波导敷贴器68B的本实施例的内壁70终止于出口74的筒形非渐缩端82。突起部分76终止于内壁70斜率变化处。端板78形成凹槽84，以容纳介电窗80。形成中心定位开口88的固定到端板78上，并至少固定在介电窗80的外缘上，以保证窗口80相对于波导68B的位置。在窗80和波导68B之间以及窗80与固定板85之间设置有密封件90，以防止液体从微波腔34通过波导敷贴器68B流到外面。
如图7-9所示的实施例一样，用图10-11的波导敷贴器38B可以实现在微波腔34整个有用的频率范围上测得约为2∶1的自由空间VSWR。
本技术领域的熟练人员应当理解，许多传统的技术可以用于把渐缩波导过渡58连接到炉腔34内和把介电窗80封闭到波导68内。还应理解，可能出现这种情形，即必须用适当的气流、液体冷却剂流等类似的流体对介电窗80或者波导68进行冷却。
本技术领域的熟练人员还应当理解，渐缩脊用于提供脊状宽带波导(例如WRD350型)最佳的匹配，如果在微波源12与渐缩波导过渡68之间用非脊状波导，则不需要。
图12和13图示了本发明的波导敷贴器68C的另一个实施例，并再用图7表示入口72。如图所示，本实施例中，突起部分76与图8和9的光滑锥形相反，形成台阶形锥形。因此，形成一系列矩形突起部分76A，每个连续的突起部分的长度向出口74方向增加，相对突起76A之间的长度随着相对突起76A的每个连续对增加。与前述实施例的光滑锥形相反，本实施例的突起76A在有限量的离散位置上改变了大小。包含在本实施例内的自由空间VSWR是有利的。
对图12和13所示的实施例的进一步改进是图14和15所示的实施例。该实施例进一步包括介电窗80，以与图10和11的实施例相似的形式固定。
应当理解，在操作微波设备时，尤其是以高功率操作时，必须对设备进行适当的封闭或者屏蔽，以防止不希望有的微波辐射泄漏。还应理解，随着有用频率范围的增加，屏蔽变得更加困难。例如，工作在2.45Ghz固定频率上的普通微波炉通过使用对高频无效的共振式机械阻流器就可以使泄漏最小。因为本发明的微波加热装置10工作在大于5％带宽的频率范围上，所以传统微波炉上使用的微波密封技术证明不适于满足人员的安全和对通信干扰的要求。
图16图示了改进的观察口92的正视图，观察口92用于用眼睛观察微波腔34内的样品的状况。观察口92包括“蜂窝”状金属过滤器94，六边形单元的直径小于其深度。例如，一种适当的比例约为直径0.061英寸比厚1.0英寸。这种结构在高至20GHz的频率上至少提供了250dB的衰减。该过滤器94设置在相对的诸如熔凝石英等的透明玻璃之间，形成观察口92的微波封口。
由于腔门98上的微波封口对于人员和通信保护是必要的，所以如图17所示在本发明中设置了四层微波封口100，在图17A中作了更清楚的图示。一双环形封口102、104伸入腔34内，环102连接到门98上，环104连接到腔34内的微波炉32上。环102、104之间的空间用于断开波导，尤其是在低于4GHz的频率上。已经确定合适的空间为0.06英寸。由腔34内的微波炉32承受的环形封口103支持可压缩条106，例如镀金的铜片，在图示的实施例中，它在10GHz的频率上提供了70dB的衰减。由门98承受的环形封口102在门关闭时压缩条106。环绕支撑在腔34上的门开口112周围的是诸如蒙耐合金网状物的可压缩条108，它用作可轻微压缩的门缓冲器。本实施例的蒙耐合金网状物108提供了在10GHz频率上附加的80dB的衰减。最且，环绕在腔34上的可压缩条108的是可压缩条110，它形成基本上为“e”形的横截面。较佳实施例的压缩条110是填充碳的硅树脂弹性条，用于在10GHz的频率提供附加的75dB的衰减。观察口92和门98关闭时的这种屏蔽的最后结果是从变频微波加热装置上没有检测到在2.4和17.5GHz的频率上有微波泄漏。即使是大至安全水平的微波泄漏也没有检测到。本技术领域的熟练人员应认识到，上述微波密封结构根据待封闭的和/或等屏蔽的频率范围和功率级可以很好地利用所述技术的各种组合。
图18中所示的是本发明的变频微波加热装置10的另一个实施例。在该实施例中，用诸如频率灵敏的同轴磁控管114的高功率振荡器来代替前述实施例的微波振荡器14、预放大器功率控制18和TWT20。本较佳实施例的磁控管114的可用带宽至少为其中心频率的5％。磁控管114或是手动频率控制，或者最好是通过闭环、电压基反馈控制系统进行频率控制。在这种反馈控制系统中，用低电平(0至10V)信号激励磁控管114内的伺服机构，使它精确地把磁控管的同轴腔内的插板(plunger plate)复位来从一个频率到另一个频率地“调谐”磁控管114。
为了更好地确定所需带宽的限制因数，构成12×12×10英寸的矩形微波腔34是理想的模式，它用于确定能在腔34内在4至6GHz频率范围上得到支持的谐振波模数。这些计算结果清楚地证明，即使在这样小的腔34内，也甚至在4至6GHz频率范围上可能有大量的(超过600)、密集的波模(常常是在一个频率上3至4个)。这些结果已在图19中以波模密度对频率的形式作了图示。根据这些结果，明显地，在一些情况下，小至当前频率的5％的带宽也可以提供足够多的波模，以在微波腔34内提供较均匀的能量分布。
用这种理想的模式，根据沿微波腔的水平中平面上的各点位置的函数计算功率密度。检查的第一种情况假设中心频率为5GHz。如图中所示，随着带宽百分比的降低，功率分布逐渐地变得不均匀，其中带宽被定义成高低频率差除以中心频率，或者：
(f高-f低)/f中心带宽约大于10％的功率密度是相当均匀的，而5％的带宽的功率密度的均匀性稍差。第二种情况假设中心频率为15GHz，对应于范围从40％下降至1.3％的带宽画出功率密度。在这种情况下，对于低至2.5％的带宽，与前一种情况相比，功率密度相当均匀。即使带宽进一步减小到仅1.3％，对于许多微波加热应用来说，功率密度也足够均匀了。
图20A-D图示了用上述理想模式和中心频率为5GHz作的功率图。如上述内容中所用的一样，功率图是三维图形，它示出了横跨微波腔34的各点上的功率。功率以z坐标图示，x和y坐标为微波腔34的底面。各图的带宽为5％、10％、20％和40％。应注意，随着带宽的增加，微波腔34各处的功率分布更均匀。
相似地，图21A-F图示了用上述理想和中心频率为15GHz作的功率图。各带宽为1.3％、2.5％、5％、10％、20％和40％。再者，对于1.3％的带宽，点与点之间的功率分布显著地变化。然而，对于有用的40％的带宽，功率分布基本上的平滑的。
已经用热敏纸在微波腔34内测试了理想的结果，证明了精度，测试时是根据理想化的模式选择微波源12的。热点或者具有高功率分布的位置使热敏纸变成棕色，而冷点仍使热敏纸维持白色。这些测试的结果证实了上面讨论的理想测试的情况。
虽然已经图示和描述了几个较佳实施例，并且已经具体地描述了经构筑和测度的几个实施例，但应当理解，这些描述并不是对揭示内容的限制，而是覆盖了落入所附权利要求书或者它们的等效物中所限定的发明的精神和范围内的所有修饰和变换的方法。

Claims (33)

1、一种变频微波加热装置，用于处理所选材料，所述变频微波加热装置包括微波炉，它限定有一多波模腔，用于处理所述所选的材料，其特征在于，所述变频微波加热装置包含：
微波信号发生器，用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号；
第一信号放大器，用于放大所述信号发生器产生的所述信号，所述第一信号放大器在所选频率范围内产生微波，并限定一中心频率，所述微波的功率与所选幅度相关，所述第一信号放大器包含有用带宽至少为所述中心频率5％的微波电子器件；
电源，用于向所述第一信号放大器提供电力；和
传输器，用于把所述第一信号放大器产生的所述微波传送到所述微波炉内。
2、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述微波电子器件从下面的组中选择：行波管、行波速调管、速调管、相交场放大器、同轴磁控管和陀螺振子。
3、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述电源为可调的，可以有选择地对所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度进行调制。
4、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含信号幅度控制器，用于有选择地调制所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度。
5、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含第二放大器，用于在所述第一放大器之前有选择地放大所述信号发生器产生的所述信号。
6、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含：
信号定向器，把所述第一放大器产生的所述微波和所述微波炉反射的微波进行定向；和
反射微波消耗器，用于消耗从所述微波炉反射的所述微波，从所述微波炉反射的所述微波具有所其相关的功率和幅度。
7、如权利要求6所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述信号定向器设置有冷却装置，用于扩散所述信号定向器工作集聚的热量。
8、如权利要求6所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含系统监视器，用于监视与传送给所述微波炉的所述微波相关的所述功率的所述大小以及与从所述微波炉反射的所述微波相关的所述功率的所述大小，所述系统监视器用于监视所述变频微波加热装置的效率。
9、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含预放大器，使用所述信号发生器的所选驱动级传送给所述微波腔的微波功率达到所要求的程度。
10、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述传输器包含波导敷贴器，它包括由从入口到出口光滑渐缩的内壁限定的波导，以在所述第一信号放大器的有用频带上提供至少3∶1的自由空间电压驻波比。
11、如权利要求10所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述波导敷贴器进一步包括介电窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周围环境压力的压力时保护所述变频微波加热装置。
12、如权利要求11所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含冷却装置，用于冷却所述介电窗。
13、如权利要求11所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含筒形过渡，以匹配所述波导与所述介电窗之间的阻抗断点。
14、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述传输器包含波导敷贴器，它包括由从入口到出口台阶式渐缩的内壁限定的波导，以在所述第一信号放大器的有用频带上提供至少3∶1的自由空间电压驻波比。
15、如权利要求14所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述波导敷贴器进一步包括介电窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周围环境压力的压力时保护所述变频微波加热装置。
16、如权利要求15所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含冷却装置，用于冷却所述介电窗。
17、如权利要求15所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含筒形过渡，以匹配所述波导与所述介电窗之间的阻抗断点。
18、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含相对设置的门和封口，用于防止所述微波信号泄漏，所述表面形成了一个开口，所述选出的材料通过该开口放入或者从所述多波模腔内取出，所述封口至少由从下述构成的组中选出的一个组构成：支撑在所述微波腔靠近并从所述开口向外延伸的第一环，由所述门支撑并且大小适以容纳在所述第一环内的第二环，和被支撑在所述第一环和所述第二环之间的可压缩密封件，以当所述环由所述第一环容纳时形成封口；至少一个受所述门支撑并设置在其上的垫片，以在所述门处于关闭位置时使所述多波模腔的所述表面与所述开口周围啮合；以及至少一个封口，由可压缩的吸收微波的聚合材料制造，并由所述门支撑，位于所述门上，以当所述门处于关闭位置时使所述多波模腔的所述表面与所述开口周围啮使。
19、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述多波模腔进一步包括观察口，用于在处理期间观察所述所选的材料，所述观察口装有微波屏蔽，以防止所述微波信号泄漏。
20、一种变频微波加热装置，用于处理所选材料，所述变频微波加热装置包括微波炉，它限定有一多波模腔，用于处理所述所选的材料，其特征在于，所述变频微波加热装置包含：
微波信号发生器，用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号，所述微波信号发生器是频率灵敏的同轴磁控管；
电源，用于向所述微波信号发生器提供电力；
传输器，用于把所述微波信号发生器产生的所述微波传送到所述微波炉内。
21、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述同轴磁控管的有用带宽至少为其中心频率的5％。
22、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述电源为可调的，可以有选择地对所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度进行调制。
23、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含信号频率控制器，用于控制所述同轴磁控管振荡的频率。
24、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述传输器包含波导敷贴器，它包括由从入口到出口光滑渐缩的内壁限定的波导，以在所述第一信号放大器的有用频带上提供至少3∶1的自由空间电压驻波比。
25、如权利要求24所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述波导敷贴器进一步包括介电窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周围环境压力的压力时保护所述变频微波加热装置。
26、如权利要求25所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含冷却装置，用于冷却所述介电窗。
27、如权利要求25所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含筒形过渡，以匹配所述波导与所述介电窗之间的阻抗断点。
28、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述传输器包含波导敷贴器，它包括由从入口到出口台阶式渐缩的内壁限定的波导，以在所述第一信号放大器的有用频带上提供至少3∶1的自由空间电压驻波比。
29、如权利要求28所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述波导敷贴器进一步包括介电窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周围环境压力的压力时保护所述变频微波加热装置。
30、如权利要求29所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含冷却装置，用于冷却所述介电窗。
31、如权利要求29所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含筒形过渡，以匹配所述波导与所述介电窗之间的阻抗断点。
32、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含相对设置的门和封口，用于防止所述微波信号泄漏，所述表面形成了一个开口，所述选出的材料通过该开口放入或者从所述多波模腔内取出，所述封口至少由从下述构成的组中选出的一个组构成：支撑在所述微波腔靠近并从所述开口向外延伸的第一环，由所述门支撑并且大小适以容纳在所述第一环内的第二环，和被支撑在所述第一环和所述第二环之间的可压缩密封件，以当所述环由所述第一环容纳时形成封口；至少一个受所述门支撑并设置在其上的垫片，以在所述门处于关闭位置时使所述多波模腔的所述表面与所述开口周围啮合；以及至少一个封口，由可压缩的吸收微波的聚合材料制造，并由所述门支撑，位于所述门上，以当所述门处于关闭位置时使所述多波模腔的所述表面与所述开口周围啮使。
33、如权利要求20所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述多波模腔进一步包括观察口，用于在处理期间观察所述所选的材料，所述观察口装有微波屏蔽，以防止所述微波信号泄漏。
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