CN1271418A - 超高频反射计装置及其方法和装有它的微波炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监测微波炉阻抗变化的超高频反射计装置。该装置包括一个具有穿到所述波导(100)中的并用微波带状线(13)连接的两个天线的功率定向耦合器(10)和包括多个耦合线的多端口耦合器。该多端口耦合器与功率定向耦合器(10)协同工作,用于输出关于来自加热箱的反射波相对磁控管发射的入射波的相位的信息。这两个天线之间的距离选择得小于磁控管发射的波长的四分之一。它可应用在家用及专业的微波炉中。

Description

超高频反射计装置及其方法和装有它的微波炉
本发明涉及超高频反射计装置。本发明也涉及在反射计装置中使用的方法，以及装有该装置的微波炉。
家用及专业应用的微波炉的最佳使用必须以能检测烹饪时微波阻抗的变化为前提。通常使用一种磁控管的阻抗图、如雷基(Rieke)图来考察该变化。我们可以对此使用安装在微波炉波导上的功率定向耦合器、如在文献US4211911中所公开的耦合器及“六端口”(sixports)耦合器组成的反射计装置，后一耦合器被公开在M.Caron等人著的标题为“基于通用易作六端口的大功率反射计”(“A versatileeasy to do six-ports based high power reflectomete”Journalof microwave，Vol.30，No4 1995，中。
单独使用的功率定向耦合器可以测量由微波炉磁控管发射的功率及由炉膛反射的功率。应该指出，本发明的主题也涉及在其简单方案中包括单独使用的功率耦合器的超高频反射计装置。对此具有分别正比于入射及反射超高频电场的两个复数电压。这两个电压的比例提供了从磁控管看的具有模ρ及相位角的复数反射系数。“六端口”耦合器可精确地接受该相位的信息。
文献US4211911指出，在功率定向耦合器的两个天线之间的距离应等于波长的四分之一。然而，在通常操作微波炉的频率范围中，由于体积的原因，在天线间的这种距离约束实际上不允许在微波炉的波导上安装这种耦合器。
本发明的目的是克服这种缺点并提出一种具有其体积小于现有装置的反射计装置，并同时得到足够的测量精度，以便监测微波炉阻抗的变化。
该目的借助一种用于监测微波炉阻抗变化的反射计装置来实现，该微波炉包括一个发射预定波长的电磁波的磁控管及一个波导，后者将来自磁控管的波导向一个加热或烹饪箱，该装置包括一个具有设在该波导中的两个天线的功率定向耦合器，这两个天线之间用导体带或微波带状线连接。
根据本发明，这两个天线之间的距离选择得小于磁控管发射的波长的四分之一。
于是，现在就可以将该紧凑的反射计装置安装到现时大多数微波炉装有的波导上，而传统的反射计则不能装入其上。
在第一实施形式中，根据本发明的反射计装置还包括设置在功率定向耦合器下游的多端口接合电路，该多端口接合电路与功率定向耦合器协同工作，用于根据所述功率定向电路提供的信号输出来自加热箱的反射波相对磁控管发射的入射波的相位。
在另一实施形式中，根据本发明的反射计装置两个功率-电压转换器，每个转换器包括一个适配级及一个超高频检测级，第一功率-电压转换器与功率定向耦合器协同工作，以测量入射功率，及第二功率-电压转换器与功率定向耦合器协同工作，以测量反射功率。
按照根据本发明的反射计装置的一个优选形式，两天线分别设在相平面中波导中线的一侧及另一侧上，并相隔小于磁控管发射波长的四分之一。连接两天线的导体带或微波带状线这时可以被设计成明显的直线状。
这种构型尤其用于显著减少在环路水平面上观察到的导体带的辐射。借助直线状带可使该辐射极大地减少。
此外，通过在该接合电路耦合点位置上固定微微法拉等级的电容CMS可以减小通常因多端口接合电路引起的衰减。
根据本发明的另一方面，提出一种用于在微波炉中实现反射计测量的方法，该微波炉设有根据上述权利要求中任一项的反射计装置，其中，抽取设在波导内部的两个天线各端子上的信号，将这些信号施加到多端口接合电路上以输出其信号，允许在其处理后提供关于由微波炉箱形成的腔所反射的波相对磁控管产生的入射波的相位信息。
根据本发明，还采集波导中相平面上相隔距离小于磁控管发射波长的四分之一的两点处的超高频信号。
根据本发明的又一方面，提出至少包括一个根据本发明的反射计装置的微波炉。
在以下的说明中还将阐明本发明的其它特征及优点。以非限制例子方式给出的附图为：
-图1是根据本发明的设在波导上的反射计装置一部分的透视图；
-图2是在根据本发明的反射计装置中使用的一个定向耦合器的部分截面图；
-图3A及3B表示在根据本发明的反射计装置中使用的六端口接合电路的两种实施形式；
-图4是用于根据本发明的反射计装置中的定向耦合器的第一实施形式的上视图；
-图5是用于根据本发明的反射计装置中的定向耦合器的第二实施形式的上视图；
-图6概要地表示装有根据本发明的一个反射计装置的微波炉；
-图7概要地表示装有根据本发明的两个反射计装置的微波炉；
-图8表示在根据本发明的反射计装置中使用的一个功率-电压转换器；
-图9表示使用图8所示类型的两个功率-电压转换器测量入射及反射功率的一个试验结构；
-图10表示在微波炉箱运行情况下使用根据本发明的装置作出的反射计测量记录；及
-图11表示反射计测量记录，说明对微波炉中一杯水沸腾的检测。
现在将参照上述附图来描述根据本发明的反射计装置的多个实施例。
参照图1及2，根据本发明的反射计装置1包括一个固定在波导100的上表面11上的功率定向耦合器10及一个“六端口”接合电路30，它例如被描述在M.Caron等人发表在“国际微波功率协会”的杂志Journal of microwave Vol.30，No4 1995，中的文章“基于通用易作六端口的大功率反射计”(“A versatile easy to do six-portsbased high power reflectometer”)上。反射计装置1被定位在波导100的上面，并允许一方面，测量入射功率，另一方面，测量反射功率。
图1中所示的波导100典型地相应于在如图6上所示微波炉60中的一个应用。波导100在其一个端部上与一个槽13连通，后者用于容纳一个磁控管61的发射天线62，而其另一端与用于接受负荷食物64的腔或箱63相连通。与波导100邻接的槽13的上壁例如可具有一个凸缘5，其构型有利于优化位于其下的发射天线62的功能及布置。腔63接收由磁控管61产生的并经波导100导向的入射辐射波OI，及作为回应送回一个反射辐射波OR。根据本发明的反射计装置1的定向耦合器10被固定在波导的上部11上并连接到“六端口”接合电路30，后者输出一组四个超高频信号，该信号将在控制磁控管61的处理和控制组件中被滤波及处理。
功率定向耦合器10包括两个天线22，23，它们穿过波导100内部并连接在可从定向耦合器10上表面接触到的两个连接器2，3上。两个天线22，23在它们中间用放置在绝缘材料、如环氧树酯作的上部板的导体带或微波带状线13相连接，该上部板放置在作为接地平面的下部板7上。在波导100的下部板7及上部板11之间最好放置一层金属片，如铝片。功率定向耦合器10借助螺丝部件(未示出)被牢固地固定波导100。固定在连接器3，2上的天线23，23穿过设在波导100中的两个透孔延伸到波导内部，这两个孔的直径比天线直径大得多，以避免天线一波导间的短路。
我们可以考虑在定向耦合器中天线之间的导体带或微波带状线的的各种构型，如图4及5所示。在图4所示的第一实施例中，连接定向耦合器40的连接器2，3的导体带43为明显的正弦形状或更普遍的波动形状，并对应于波导纵向中心线上端口P1，P2的布置。这样一种构型主要描述在文件US4211911中。
在图5所示的第二实施例中，定向耦合器50的连接器3，2偏离在中心线的两侧上，以致可以设置拉紧的导体带13。
参照图3A，“六端口”接合电路30包括两个定向耦合器及一个谐振环路。端口P1构成第一输入端口并譬如通过连接器3与定向耦合器10的天线23相连接。端口P2构成第二输入端口并通过连接器2与定向耦合器10的天线22相连接。端口P3构成参考端口，它将获得正比与端口P1输入功率电平的功率电平。在端口P3上连接着一个适配负荷。
如图3B所示，还可以通过在接合电路的耦合点上插入几分之一微微法的超高频电容C13，C13，C24，C26，来显著地改善“六端口”接合电路30的性能。除了这样获得的六端口电路衰减的显著降低外，附加这些电容可用来更好地确定耦合点及改善定向性。因此，附加1PF的超高频电容可导致3dB而非30dB的耦合，并具有25dB的满意方向性。
现在将说明为什么两天线之间的距离可选择为小于四分之一波长的某一距离。
假定：
L，天线之间的距离(待确定)，
Ls，天线间导体带或微波带状线的长度，
λs，导体带中的波长，
λg，波导中的波长，
βs＝2π/λs
βg＝2π/λg
C1，C2，定向耦合器中的耦合系数。
导体带或微波带状线的电长度应遵守以下相位条件：
βs.Ls＝βg.L+π
现在我们参照图2，并作为参考取标称入射电压为1，来考虑功率定向耦合器不同端口的复数幅值：
端口1(相应于天线23)
         1
端口2(相应于天线22)
         e-jβg.L
端口3  1/2(C1.e-jβs.Ls+C2.e-jβg.L)
端口4  1/2(C1+C2e-jβs.Ls*e-jβg.L)
实际上，可以考虑耦合系数C1及C2大致相等。考虑该相等性及关于电长度的上述条件，我们容易证明定向耦合器的端口3上信号的复数幅值为零。此外，端口4上信号的复数幅值可用下式表达：
V＝1/2.C.(1-cos(2.βg.L)+jsin(2.βg.L)
同样地，端口4上波功率由以下表达式表示：
V.V*＝C2/2.(1-cos(2.βg.L))
如果，我们譬如选择长度L等于λg/8(即2.167cm)，则在端口P4上得到的复数幅值等于1/2C(1+j)，它相应于幅值为0.707C及相对端口1相移45°，相应于功率为C2/2，完全能满足对阻抗的变化执行监测。
重要的是，端口3上的入射信号的量值为零或可忽略，而端口4上反射信号的量值为零。
作为实施的实际例子，作出了一个定向耦合器，其具有的天线间距离等于波导波长的1/8。例如，考虑的波导具有的高度等于36.6mm及宽度等于92mm。如果磁控管波长为λ＝122，36mm，而波导的波长为λg＝163，84mm及相平面之间的距离如选择等于λg/8，即20，48mm。
放置在功率定向耦合器上的导体带或带状线的特性譬如将如下：
相对介电常数εr＝4.3(环氧树脂)
三板结构中的波长为λs＝c/(f√εr)＝59mm。
导体带的波长例如选择等于5.λt/8＝36.88mm。
通常，导体带的长度可由以下关系确定：
Ls＝L/λg.λs+k.λs/2
其中k＝1，3，5等等。
导体带的长度依赖于该导体带载体的介电常数。该介电常数愈大，该长度愈短；介电板的厚度愈小，导体带愈窄。
根据本发明的紧凑反射计装置也可用在设有一个磁控管及两个注入口的炉中，如图7中概要表示的。对此，包括一个磁控管71及两个分别位于上方及下方的注入口72I，72S一个反射炉70装有分别布置在磁控管71两侧的波导73I，73S上的上及下反射计装置1I，1S。在此构型中，可能测量到大于1的发射系数，因为一个波可从一个口输入并从另一口返回。
应当指出，在本发明的范围中我们可以考虑一种反射计装置，它包括唯一使用的无六端口耦合器、而具有两个检测器的功率耦合器。该耦合器可提供能满足如空载运行安全性这些简单情况下的反射系数幅值。
参照图8，于是，我们可以设计一个功率-电压转换器80，其组成为：一个适配级81，它由包括一个输入、如连接器SMA811或一个同轴电缆裸端及一个50Ω的导体带812的微带技术实现；一个超高频检测级82，它包括一个肖特基检测二极管822，一个50Ω的导体带821及一个辐射形铁氧体823；及一个用于处理所获得的电压测量信息的跟随或等效级。这种检测器也可在使用六端口耦合器的情况下用于P3，P4，P5，P6上。
为了测量入射及反射功率，在图9所示的结构90中设置了两个功率转换器91，92。这些转换器测量由波导内部的反射计天线获得的入射功率及反射功率，并变换成两个正比的电信号S1，S2。通过校准标定，可以确定出发射的入射功率和由食物负荷及腔体反射的功率。我们便可由此根据入射功率及反射功率之间的差求出所消耗的功率。
本发明可被使用在所有类型的微波炉中，并用于所有应用范围、家用或专业的应用上。特别是，使用在化学试验中的微波炉可有利地装设根据本发明的反射计装置。
由于本发明的反射计装置，可以使识别如图10所示的微波炉空载运行相位成为可能，该图中连续的曲线表示一杯水的反射系数随时间的变化，而虚线的曲线表示空载运行情况下反射系数的变化。我们同样可检测一杯水沸腾的状态，如图11中所示。
当然，本发明并不被限制在刚才所述的例子上，而在不偏离本发明范围的情况下对这些例子可作出多种改型。并且，波导以及反射计装置组成部分的尺寸和形状可根据所设微波炉的类型而改变。对于本发明中所考虑的频率及波长也同样如此。

Claims (15)

1.用于监测微波炉(60)的阻抗变化的超高频反射计装置，该微波炉包括一个发射预定波长(λ)的电磁波的磁控管(61)及一个波导(100)，后者将来自磁控管(61)的波导向一个加热或烹饪箱(63)，该装置包括一个具有设在所述波导(100)中的并用导体带或微波带状线(13，43)连接的两个天线(23，22)的功率定向耦合器(10)，其特征在于：这两个天线(23，22)之间的距离(L)选择得小于磁控管(61)发射的波长(λ)的四分之一。
2根据权利要求1的反射计装置，其特征在于：还包括设置在功率定向耦合器(10)下游的多端口接合电路(30，30)，该多端口接合电路(30，30)与功率定向耦合器(10)协同工作，用于根据所述功率定向回路(10)提供的信号，输出关于来自加热箱(63)的反射波(OR)相对磁控管(61)发射的入射波(OI)的相位的信息。
3.根据权利要求1的反射计装置(90)，其特征在于：它包括两个功率-电压转换器(91，92；80)，每个转换器包括一个适配级(81)及一个超高频检测级(82)，第一功率-电压转换器(91)与功率定向耦合器(R)协同工作，以测量入射功率，及第二功率-电压转换器(92)与功率定向耦合器(R)协同工作，以测量反射功率。
4.根据以上权利要求中一项的反射计装置，其特征在于：两天线(23，22)分别设在相平面中波导(100)纵向中线的一侧及另一侧上，并相隔小于磁控管(61)发射波长(λ)的四分之一。
5.根据权利要求1至3中一项的反射计装置，其特征在于：这两个天线至波导的纵向中线上明显地对齐。
6.根据权利要求4或5中一项的反射计装置，其特征在于：连接两天线的导体带或微波带状线(13)为明显的直线状。
7.根据权利要求6的反射计装置，其特征在于：微波带状线(13)的长度Ls由以下关系式确定：
Ls＝L/λg.λs+k.λs/2
其中，k＝1，3，5等等
L表示两天线之间的距离，
λs表示与三板结构的定向耦合器相关的波长。
8.根据权利要求7的反射计装置，其特征在于：k被选择得等于1，及L被选择得等于λg/8。
9.根据以上权利要求中一项的反射计装置，其特征在于：多端口接合电路(30)在每个耦合点上包括一个超高频电容(C13，C13，C24，C26)。
10.根据权利要求9的反射计装置，其特征在于：这些超高频电容是微微法拉等级的电容。
11.根据以上权利要求中一项的反射计装置，其特征在于：该功率定向耦合器是以三板回路(circuit triplaque)的形式实现的。
12.根据权利要求11的反射计装置，其特征在于：它还包括插在功率定向耦合器(10)的下接地平面及波导(100)的上部分(11)之间的一个金属片或导电板(8)。
13.用于在微波炉(60)中实现反射计测量的方法，该微波炉设有根据上述权利要求中任一项及权利要求2的反射计装置(1)，其中，抽取穿到波导(100)内部的两个天线(23，22)上的信号，将这些信号施加到多端口接合电路(30)上以输出其信号，允许在其处理后提供关于由微波炉箱或腔所反射的波(OR)相对磁控管(61)产生的入射波(OI)的相位信息，其特征在于：两天线(23，22)相隔的距离小于磁控管(61)发射波长的四分之一。
14.包括根据权利要求1至12中一项的反射计装置(1)的微波炉(60)。
15.至少包括根据权利要求1至12中一项的、设在波导(73S，73I)上磁控管(71)两侧的两个反射计装置(1)的微波炉(70)。
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