CN118234074A - 用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统和方法，至少包括但不限于加热腔、微波阵列和人工智能单元；所述微波阵列设置在加热腔上，所述人工智能单元与微波阵列连接；所述微波阵列用于对加热腔内部馈电，并将微波反射信号反馈给人工智能单元，所述人工智能单元接收到声信号后进行图像反演，反演出腔体内的初始电场分布；将电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波阵列单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。

Description

用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统和方法

技术领域

本发明属于微波加热领域，特别涉及一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统和方法。

背景技术

微波既可以作为信息的载体，在通信、探测等方面发挥着重要的作用；也可以作为能量的载体，在能量传输、加热等方面被广泛的应用，是一种清洁、高效的能源。1945年，第一个关于微波加热技术的专利被美国人Spencer PL申请。十年后，世界上第一台微波炉被发明。如今，微波炉已经作为常用家电，被广泛的应用。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，微波炉越来越受到消费者的重视，并慢慢成为厨房必备家用电器。由于微波加热具备加热速度快、耗能低同时还方便随时控制等优点，所以微波炉逐渐得到广泛应用，消费者对微波炉的要求也逐渐提高，尤其在对食物的加热均匀性、加热效率等方面。

自1947年由雷神公司设计出第一台微波炉至今，微波炉加热均匀性的问题仍没有得到很好地解决，影响微波炉加热均匀性的因素包括食品的形状、尺寸、位置及其介电特性等。这些因素通过影响微波炉加热时的电场分布来影响微波加热的均匀性。微波进入加热腔后经腔体金属壁反射，其反射波和入射波叠加将形成驻波。驻波的波腹位置电场强度最大，处于波腹位置的食品升温最快，该食品位置成为食品加热的热点，热点位置的食品可能由于加热过度，降低品质；而在驻波的波节位置电场强度最小,处于波节位置食品加热速度慢，该位置会成为食品加热后的冷点，其位置处可能无法在短时间内达到所需温度。

传统微波炉工作频率为2450MHz，一般采用单一微波源、单一频率进行加热，虽然微波炉腔体是多模谐振腔，能在腔体内激励起多个电磁模式，但激励起的模式个数毕竟有限，仍然存在明显的加热不均匀问题。

在设计微波炉时，一般要考虑微波能量是否会在炉腔中聚焦。如果微波炉能量炉腔中聚焦，很可能造成打火，部件熔化等异常现象，这是一款合格微波炉不应存在的现象。因此，在微波炉研发设计时，微波能量在炉腔中必须是一个动态的辐射过程，即微波炉的发射方向必须不间断的按照某种周期变化。这样才可以避免微波能量在炉腔中聚焦，以至于打火或其他异常现象发生。一般采用转动食物、转动天线或动态反射微波的方法来避免聚焦的问题。

为了改善微波加热不均匀这一问题，国内外的学者提出了一系列的解决方案，主要包括旋转食物、添加模式搅拌器及天线等方式。这些方案的核心就是改变作用于食物的电场分布，从而改善物料的加热均匀性。

转盘微波炉如图1所示，通过炉腔侧面波导口将波导中的微波能量耦合到腔体中，炉腔底部存在转轴，转轴下部与电机轴相连，上部与介质转盘相连，电机转动就能带动玻璃转盘转动旋转，通过改变物料的空间分布从而改变食物中电场的分布。炉腔中微波是“静态”的。加热食物时，通过玻璃转盘带动食物360度转动。因此，转盘上的食物各部位不断交替处于微波场的不同位置，从而改善加热不均匀性。

常见的提高微波炉加热均匀性的方法还有在微波腔体内安装模式搅拌器，如图2所示。在微波炉中匹配一个模式搅拌器，然后将磁控管发射的微波经过一个匹配好的波导管导入腔体中，被安装在腔体中的搅拌器将电场打散后进入到腔体内部，炉腔中驻波电场的波腹与波节交替变换，使得炉腔中能量均匀分布，从而提高微波炉加热的均匀性

发明内容

本发明的目的在于，针对上述不足之处提供一种用用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统和方法，本方案解决了现有技术中无论是移动加热物体本身或者添加模式搅拌器等方式，加热都具有随机性，且它们均是使腔体内的电场发生无预测的改变，也就是说无法知道腔体内的电场的变化的趋势，从时间维度上看，腔体内的电场均匀性在某一时刻相较上一时刻可能会变差也可能会变好的问题。

本发明是通过下述方案来实现的：

一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，至少包括但不限于加热腔、微波阵列和人工智能单元；所述微波阵列设置在加热腔上，所述人工智能单元与微波阵列连接；所述微波阵列用于对加热腔内部馈电，并将微波反射信号反馈给人工智能单元，所述人工智能单元接收到声信号后进行图像反演，反演出腔体内的初始电场分布；将电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波阵列单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。

基于上述一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，所述微波阵列包括多个天线，多个天线形成天线阵列，且多个天线通过同轴馈入能量。

基于上述一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，所述人工智能单元包括感知模块、判断模块、控制模块和微波调节系统；所述感知模块分别与微波阵列中每个辐射器单元连接；所述感知模块与判断模块连接，所述判断模块与控制模块连接；所述控制模块与微波调节系统连接。

基于上述一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，所述控制模块包括频率控制单元、相位控制单元和幅度控制单元；所述微波调节系统包括频率模块、相位模块和功率模块；所述频率控制单元与频率模块连接，所述相位控制单元与相位模块连接；所述幅度控制单元与功率模块连接。

基于上述一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，在微波阵列对整个腔体内电场进行补偿时，调节固态源各通道间的相位差，使得每个天线单元馈电相位不同，来实现微波波束的扫描指向，从而让电场强度较小的地方得到指向补偿。

本发明公开一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，包括以下步骤：

步骤一：微波阵列对加热腔内进行馈电，从而将能量辐射到腔体中；

步骤二：微波阵列中微波辐射单元馈电端口接收到当前微波阵列在加热腔中所产生微波信号的反射信号，并将反射信号传递个人工智能单元，人工智能单元进行图像反演，反演出腔体内的电场分布；

步骤三：将步骤二中的电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波辐射单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。如图5所示。

在步骤二中，重建温度场的具体步骤为：人工智能单元收集各个端口的反馈信息：幅度和相位，利用人工智能神经网络对温度场进行反演重建。

在步骤二中，反演重建后通过大量训练仿真，得到温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，通过神经网络训练仿真学习，得到对应的温度场分布T1；最终获取所有端口温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，得到最终的腔体内温度分布情况。

通过人工智能单元对反演出来的温度场进行分析，颜色越深区域表示此区域温度越低，颜色越浅，表示温度越高，得到加热腔中每个位置的温度场数据，由此获取需要进行二次补偿的位置；人工智能单元控制微波阵列各个天线馈入的辐射相位，将每个天线的能量都集中聚焦在二次补偿位置，对场分布薄弱地方的补偿。

步骤三基于波的叠加原理，得到天线单元为点M(k，l)，聚焦点为R(r，θ，ψ)，则天线单元之间的相位差公式为：

其中f为电磁波频率，c为光速；由此计算出每个天线的馈电相位，从而使波叠加在相应的聚焦点上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本方案利用微波源阵列来给腔体馈电，可以通过控制每个微波源的相位来控制腔体内的电场分布。同时，微波阵列获取当前微波的反馈信号，并反馈给人工智能单元，人工智能单元进行图像反演，反演出腔体内的电场分布；将电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波辐射单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，实现整个加热过程。

附图说明

图1为现有技术中本身移动的方式加热物体的示意图；

图2为现有技术中添加模式搅拌器的方式热物体的示意图；

图3为实施例1的结构示意图；

图4为实施例1的方法流程图；

图5为波的叠加原理示意图；

图6为神经网络反演温度场示意图；

图7为反演出的温度场分布示意图；

图8为微波阵列场分布优化系统示意图；

图9为对不同位置进行优化的优化场分布均匀性效果展示；

图10为聚焦不同位置时温度场分布图；

附图标记：1、加热腔；2、微波阵列；3、人工智能单元。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。

实施例1

如图3和图4所示，本发明提供一种技术方案：

一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其至少包括但不限于加热腔1、微波阵列2和人工智能单元3；微波阵列2设置在加热腔1上，人工智能单元3分别与微波阵列2连接；微波阵列2用于对加热腔1内部馈电，并将微波反射信号反馈给人工智能单元3，人工智能单元3接收到声信号后进行图像反演，反演出腔体内的初始电场分布；将电场分布作为人工智能单元3的输入，人工智能单元3能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波阵列2单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。

基于上述结构，在加热腔1中放置需要获得微波能量的物质材料，通过启动微波阵列2对加热腔1内进行馈电，然后通过微波阵列2获取当前微波的反馈信号，并反馈给人工智能单元3，人工智能单元3进行图像反演，反演出腔体内的电场分布；将电场分布作为人工智能单元3的输入，人工智能单元3能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波辐射单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，实现整个加热过程。

作为示例的，微波阵列2包括四个天线，四个天线形成天线阵列，且四个天线通过同轴馈入能量。

基于上述结构，将个天线通过同轴馈入能量可以方便后期对其进行高效调节。

作为示例的，人工智能单元3可以包括感知模块、判断模块、控制模块和微波调节系统；感知模块分别与微波阵列2中每个辐射器单元连接；感知模块与判断模块连接，判断模块与控制模块连接；控制模块与微波调节系统连接。

基于上述结构，通过感知模块用于接受从微波阵列2中辐射器反馈的微波信号，感知模块将信号传递给判断模块，判断模块根据预设逻辑对控制模块提供控制指令，控制模块控制微波调节系统进行动作。

作为示例的，控制模块可以包括频率控制单元、相位控制单元和幅度控制单元；微波调节系统包括频率模块、相位模块和功率模块；频率控制单元与频率模块连接，相位控制单元与相位模块连接；幅度控制单元与功率模块连接；

基于上述结构，通过控制模块对微波阵列2中的各个功能模块进行控制。

实施例2

如图5～图10所示，本发明提供一种技术方案：

一种用微波阵列2提升微波能量高均匀分布的方法，其包括以下步骤：

步骤一：微波阵列2对加热腔1内进行馈电，从而将能量辐射到腔体中；

步骤二：微波阵列2中微波辐射单元馈电端口接收到当前微波阵列2在加热腔1中所产生微波信号的反射信号，并将反射信号传递个人工智能单元3，人工智能单元3进行图像反演，反演出腔体内的电场分布；

步骤三：将步骤二中的电场分布作为人工智能单元3的输入，人工智能单元3能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波辐射单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。如图5所示。

在步骤二中，重建温度场的具体步骤为：人工智能单元3收集各个端口的反馈信息：幅度和相位，利用人工智能神经网络对温度场进行反演重建；反演过程如图6所示，通过大量训练仿真，得到温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，如：端口反馈信息的幅度E1和相位φ1，通过神经网络训练仿真学习，得到对应的温度场分布T1。最终获取所有端口温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，得到最终的腔体内温度分布情况，如图7所示。

在步骤三中具体的，通过人工智能单元3对反演出来的温度场进行分析，颜色越深区域表示此区域温度越低，颜色越浅，表示温度越高，得到加热腔1中每个位置的温度场数据，由此获取需要进行二次补偿的位置；人工智能单元3控制微波阵列2各个天线馈入的辐射相位，将每个天线的能量都集中聚焦在二次补偿位置，对场分布薄弱地方的补偿。

本方案基于波的叠加原理，如图5所示，可以得到天线单元为点M(k，l)，聚焦点为R(r，θ，ψ)，则天线单元之间的相位差公式为：

其中f为电磁波频率，c为光速。由此计算出每个天线的馈电相位，从而使波叠加在相应的聚焦点上。

本实施例对采用本方法的结构进行了验证：

优化场分布均匀性效果展示图如图8所示。

此方案技术效果图如图8所示，将微波端口的反射信号进行信号处理，再根据处理出来的场分布均匀性结果调控微波源阵列每个单元的相位，将每个微波辐射单元辐射点聚焦到场分布较弱的位置，从而达到对于场分布较小部分的补偿，经过多次处理，对腔体内场分布较弱的多个位置进行扫描补偿，如图9，使得腔体内在时间维度上能够实现有预测的场分布均匀，实现如图10所示的场分布效果。

如图10所示为3D打印腔体内有打印负载时的情况。根据波的叠加原理，使波聚焦在相应的聚焦点上，让聚焦点负载的温度得到升高。图10中，从(a)到(e)分别是将聚焦点从负载的左端变化到右端的情况，图中颜色越白说明此处的温度越高，颜色越红说明温度越低。

能够很明显的看出，经过本方案的处理之后，打印负载的温度变得越来越均匀。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其特征在于：至少包括但不限于加热腔、微波阵列和人工智能单元；所述微波阵列设置在加热腔上，所述人工智能单元与微波阵列连接；所述微波阵列用于对加热腔内部馈电，并将微波反射信号反馈给人工智能单元，所述人工智能单元接收到声信号后进行图像反演，反演出腔体内的初始电场分布；将电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波阵列单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。

2.如权利要求1所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其特征在于：所述微波阵列包括多个天线，多个天线形成天线阵列，且多个天线通过同轴馈入能量。

3.如权利要求2所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其特征在于：所述人工智能单元包括感知模块、判断模块、控制模块和微波调节系统；所述感知模块分别与微波阵列中每个辐射器单元连接；所述感知模块与判断模块连接，所述判断模块与控制模块连接；所述控制模块与微波调节系统连接。

4.如权利要求3所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其特征在于：所述控制模块包括频率控制单元、相位控制单元和幅度控制单元；所述微波调节系统包括频率模块、相位模块和功率模块；所述频率控制单元与频率模块连接，所述相位控制单元与相位模块连接；所述幅度控制单元与功率模块连接。

5.如权利要求4所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的系统，其特征在于：在微波阵列对整个腔体内电场进行补偿时，调节固态源各通道间的相位差，使得每个天线单元馈电相位不同，来实现微波波束的扫描指向，从而让电场强度较小的地方得到指向补偿。

6.一种基于上述权利要求1～5任一所述系统的用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：微波阵列对加热腔内进行馈电，从而将能量辐射到腔体中；

步骤二：微波阵列中微波辐射单元馈电端口接收到当前微波阵列在加热腔中所产生微波信号的反射信号，并将反射信号传递个人工智能单元，人工智能单元进行图像反演，反演出腔体内的电场分布；

步骤三：将步骤二中的电场分布作为人工智能单元的输入，人工智能单元能够对此刻电场进行均匀性分析，进而输出信号控制每个微波辐射单元的相位，让辐射点聚焦到电场分布较弱的位置，优化腔体内的电场分布均匀性。如图5所示。

7.如权利要求6所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，其特征在于：在步骤二中，重建温度场的具体步骤为：人工智能单元收集各个端口的反馈信息：幅度和相位，利用人工智能神经网络对温度场进行反演重建。

8.如权利要求7所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，其特征在于：在步骤二中，反演重建后通过大量训练仿真，得到温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，通过神经网络训练仿真学习，得到对应的温度场分布T1；最终获取所有端口温度场分布与各端口相位幅度的对应关系，得到最终的腔体内温度分布情况。

9.如权利要求8所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，其特征在于：通过人工智能单元对反演出来的温度场进行分析，颜色越深区域表示此区域温度越低，颜色越浅，表示温度越高，得到加热腔中每个位置的温度场数据，由此获取需要进行二次补偿的位置；人工智能单元控制微波阵列各个天线馈入的辐射相位，将每个天线的能量都集中聚焦在二次补偿位置，对场分布薄弱地方的补偿。

10.如权利要求9所述的一种用微波阵列提升微波能量高均匀分布的方法，其特征在于：步骤三基于波的叠加原理，得到天线单元为点M(k，l)，聚焦点为R(r，θ，ψ)，则天线单元之间的相位差公式为：

其中f为电磁波频率，c为光速；由此计算出每个天线的馈电相位，从而使波叠加在相应的聚焦点上。