CN205919380U

CN205919380U - 一种固态微波功率源及采用该固态微波功率源的固态微波炉

Info

Publication number: CN205919380U
Application number: CN201620934444.7U
Authority: CN
Inventors: 李国伟; 陈鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2026-08-25

Abstract

本实用新型涉及一种固态微波功率源及微波炉。一种固态微波功率源，包括信号源，预放大器，功率分配器以及功率分配器平衡负载，微波功率模块使用1～n 路固态半导体元件GaN功率放大管对微波源信号进行放大，所述信号源由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源产生的微波信号经过预放大器放大，然后经过功率分配器分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块连接微波发射天线。一种采用前述固态微波功率源的固态微波炉，包括炉盖、炉体以及微波控制系统，比采用LDMOS半导体功率放大管效率提高10%，功率密度提高3‑4倍，可使天线体积更小，进一步减少微波炉的体积。

Description

一种固态微波功率源及采用该固态微波功率源的固态微波炉

技术领域

本实用新型涉及一种微波功率模块及微波炉，尤其是涉及一种使用固态半导体元件GaN（氮化镓）功率放大管对微波信号源进行放大的微波功率源及使用该微波功率源的固态微波炉。

背景技术

目前的家用微波炉及微波功率模块是由磁控管产生微波，其结构如附图1所示，包括炉门101、炉腔102、波导管103、炉盖104、磁控管105、冷却风扇106、高压系统107及炉窗108、微波搅拌器109等部分构成。其中高压系统107是整个家用微波炉系统的核心，包括高压变压器、高压保险、高压电容、高压二极管、灯丝变压器等部分。高压系统107正常工作时，给磁控管105提供所需的4000V的脉动直流阳极电压和3-4V的灯丝电压，磁控管105发射微波并经过波导管103导向炉腔102，微波与炉腔102中的被加热物质发生作用起到快速加热的目的。

使用上述微波功率模块的家用磁控管微波炉由于高压部分的存在，具有成本高、体积大、重量大及电压高等问题，而磁控管本身体积巨大、工作条件苛刻（需要高电压及冷却装置）、输出效率低、工作寿命短、制造难度大，限制了微波炉向高效、节能方向上的发展。市售的家用磁控管微波炉，炉腔102通常为矩形方腔，为使自波导管103导入的微波在炉腔102内分布均匀并生产谐振，使用微波搅拌器109旋转将微波反射到炉腔103，并且食物放置托盘下设置旋转机构，使食物在加热过程中旋转，达到均匀加热的目的。这类机构使得运动部件增多，设计与制造复杂。并且矩形炉腔内空间利用率不高，无法缩小体积，做成便携式微波炉。虽然有新式的平板式微波炉取消了底部的旋转托盘和微波搅拌器，但底部平板依然需要设置旋转的实体天线来将磁控管发射的微波尽量均匀的导入炉腔，同样需要复杂的运动部件。

目前产生微波的技术除了采用磁控管外，还有半导体器件能够产生微波。但目前基于半导体的微波技术主要应用在雷达与通信技术方面。用于雷达与通信方面的微波与用于加热的微波主要区别仅仅是频段的不同。微波加热应用规定的ISM（IndustrialScientific Medical工业、科学、医学）频段为915MHz及2450MHz。915MHz多用于工业微波加热，家用微波炉采用的是2450MHz的频率。通常半导体微波炉使用的微波功率源，都是采用源、放大原理。在实际使用的过程中多采用专用的微波产生器，如基于锁相环及压控振荡器来产生所需频率的微波。如图2所示，信号源201所产生的2450Mhz微波经过预放大模块202进行初次放大成为小功率微波信号，再经过功率分配模块203和平衡负载210后，进入1 路或是多路的二级LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体）功率放大管204、209，得到大功率微波信号，经过功率合成器205及输出平衡负载208后，输出到微波炉工作腔体206中。功率检测模块207通常用于采用检波二极管检测电压驻波比来检测微波的反射功率，进行功率控制。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术不足，提出了一种采用GaN（氮化镓）半导体功率放大管的微波功率源，及使用该微波功率源的固态微波炉，比采用LDMOS半导体功率放大管效率提高10%，功率密度提高3-4倍，可使天线体积更小，进一步减少微波炉的体积。

本实用新型所采用的技术方案：

一种固态微波功率源，包括信号源（401），预放大器（402），功率分配器（403）以及功率分配器平衡负载（405），微波功率模块，所述微波功率模块使用1～n 路固态半导体元件GaN功率放大管对微波源信号进行放大，所述信号源（401）由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源（401）产生的微波信号经过预放大器（402）放大为小功率微波信号，然后经过功率分配器（403）分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管（404）进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块（406）连接微波发射天线，所述n为自然数。

所述的固态微波功率源，微波发射天线采用分布式天线系统，分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，分布式天线系统含有1～n片圆弧形波导（501），每片圆弧形波导（501）内侧分布有水平缝隙（502）及垂直缝隙（503），所述水平缝隙（502）及垂直缝隙（503）为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，每片圆弧形波导分别与对应的GaN功率放大管（404）对接。

所述的固态微波功率源，分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线（604）平面由等角螺旋部分（601）和阿基米德螺旋（602）复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点（603），馈电点通过阻抗变换器（605）分别与对应的GaN功率放大管（404）对接，平面螺旋天线（604）背部设有抛物型反射面（606）。

一种固态微波炉，包括炉盖、炉体以及微波控制系统，所述微波功率源由信号源（401）、预放大器（402）、功率分配器（403）、1～n路GaN功率放大管（404）以及功率分配器平衡负载（405）组成，所述信号源（401）由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源（401）产生的微波信号经过预放大器（402）放大为小功率微波信号，再经过功率分配器（403）分配为1～n路微波信号送到GaN功率放大管（404）进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块（406）连接微波发射天线，馈送大功率微波信号到炉体内腔，n为自然数。

所述的固态微波炉，微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，在炉体内胆的外缘均布1～n片圆弧形波导（501），每片圆弧形波导（501）内侧分布有水平缝隙（502）及垂直缝隙（503），所述水平缝隙（502）及垂直缝隙（503）为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，在每片圆弧形波导内部有用于微波耦合的天线头（506）及用于与微波功率源（304）对接的同轴电缆接头（504）。

所述的固态微波炉，微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线（604）置于炉体内胆的下方，天线平面由等角螺旋部分（601）和阿基米德螺旋（602）复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点（603），馈电点穿过背腔部分由阻抗变换器（605）与同轴接头（607）相连，在背腔内部设有抛物型反射面（606）。

所述的固态微波炉，炉体采用圆柱形，上端为炉体上盖（301），炉体内胆包括上内胆（318）与下内胆（319），上内胆（318）设置于炉体上盖（301）内，所述上内胆（318）与下内胆（319）共同形成圆柱形微波谐振工作腔体，炉体上盖（301）与圆柱形炉体（303）铰接并设有固定搭扣（302），炉体上盖（301）与炉体下内胆（319）的结合部分设有电磁铁装置（320），电磁铁装置（320）与固定搭扣（302）联动。

所述的固态微波炉，炉体底部设有底座（306），所述底座（306）内置供电部件及微波功率源，微波功率源（304）置于供电部件之上，供电部件给GaN微波功率源提供0-50V的工作电压以及为控制系统提供12V、5V、3.3V直流工作电压；所述底座（306）上端面设有或从中引出与所述固态微波功率源（304）连接的1～n个微波同轴电缆输出接头（305）。

所述的固态微波炉，炉体上盖（301）外部设置有显示加热时间及工作状态以及电池剩余电量信息的LCD屏或是数码管（316）以及功能按键（315）；炉体上盖（301）内设有温度传感器（317）并内置IR温度单元（416），所述IR温度单元（416）由红外热电堆感应器及信号调节芯片组合封装而成，输出数字信号供控制系统的MCU处理，控制系统通过调节VCO的可变电容值来调节本地振荡电路的工作频率在2450±50MHz 范围内，并控制供电部件向1～n路GaN功率放大管提供0-50V工作电压，并通过工作电压的调节变化，控制GaN功率放大管的输出功率。

实用新型有益效果：

1、本实用新型微波功率源及固态微波炉采用低电压工作的GaN（氮化镓）半导体功率放大管，工作电压低（直流50V），相对于传统磁控管微波炉所需的4000伏高压，可省于复杂昂贵的高压产生装置，成本更低、安全性更高。使用无需运动部件的天线构成加热腔，针对传统的磁控管微波炉需要带有复杂运动部件的微波搅拌器及转盘等部件，大大简化了微波炉结构。

2、本实用新型微波功率源及固态微波炉采用GaN（氮化镓）半导体微波功率器件来构成微波功率模块，比采用LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体）效率提高10%左右，功率密度提高3-4倍。相对于需要高压及体积笨重传统的磁控管，可使天线体积更小，进一步减少微波炉的体积。

3、本实用新型微波功率源及固态微波炉采用1路或多路GaN（氮化镓）半导体功率放大管构成微波功率源，小功率微波信号经GaN（氮化镓）半导体功率放大管放大后，无需功率合成，分别采用1路或N路RF输出，可简化微波功率源结构，无需高成本的微波功率合成器。

4、本实用新型固态微波功率源及微波炉采用GaN（氮化镓）半导体功率放大管构成微波功率源，可以采用内置电池供电或是外接直流电源工作，在特定情况下，甚至可以接入太阳能电池板供电工作。体积小，重量轻，供电方式多样，方便制作便携式微波炉，增加了微波炉使用方便性能。

5、本实用新型固态微波炉采用分布式天线结构，采用四路波导缝隙天线单元，每路波导的激励源功率及频率均可通过控制系统独立调节。缝隙天线中的缝隙采用正交分布排列，使得缝隙间的干扰减少，最大限度的保证了圆柱腔内的微波分布均匀。是一种效果良好的低成本分布线天线实现。

6、本实用新型固态微波炉采用分布式天线结构，采用四旋臂平面螺旋天线，天线背腔中带抛物面板射板，可以为圆柱型加热腔中形成相匹配的微波场分布。四旋臂平面螺旋天线体积小，增益高，无任何运行部件。此实例通常用于总发射功率小于200W的情况下使用。

附图说明

图1是现有磁控管微波炉结构示意图；

图2是现有LDMOS微波功率源电路原理图；

图3 a为本实用新型固态微波炉整体结构示意图；

图3b为本实用新型固态微波炉底座结构示意图；

图3c为本实用新型固态微波炉炉体上盖结构示意图；

图4a、图4b、图4c为本实用新型固态微波炉分布式天线之一结构示意图；

图5a、图5b、图5c为本实用新型固态微波炉分布式天线之二结构示意图；

图6为本实用新型固态微波炉电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图6，本实用新型微波功率源，包括信号源401，预放大器402，功率分配器403以及功率分配器平衡负载405，微波功率模块，所述微波功率模块使用1～n 路固态半导体元件GaN功率放大管对微波源信号进行放大，所述信号源由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源401产生的微波信号经过预放大器402放大为小功率微波信号，然后经过功率分配器403分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管404进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块406连接微波发射天线，所述n为自然数。

实施例2

参见图6、图4，本实施例的微波功率源，与实施例1不同的是，微波发射天线采用分布式天线系统，分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，分布式天线系统含有1～n片圆弧形波导501，每片圆弧形波导501内侧分布有水平缝隙502及垂直缝隙503，所述水平缝隙502及垂直缝隙503为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，每片圆弧形波导分别与对应的GaN功率放大管404对接。

实施例3

参见图6、图5，本实施例的微波功率源，与实施例1不同的是，分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线604平面由等角螺旋部分601和阿基米德螺旋602复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点603，馈电点通过阻抗变换器605分别与对应的GaN功率放大管404对接，平面螺旋天线604背部设有抛物型反射面606。

实施例4

参见图6，本实用新型固态微波炉，包括炉盖、炉体以及微波功率源及控制系统，所述微波功率源使用固态半导体元件GaN功率放大管对微波信号源进行放大，所述微波功率源由信号源401、预放大器402、功率分配器403、1～n路GaN功率放大管404以及功率分配器平衡负载405组成，所述信号源401由PLL（锁相环）及VCO（压控振荡器）构成本地振荡电路，信号源401产生的微波信号经过预放大器402放大为小功率微波信号，再经过功率分配器403分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管404进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块406连接微波发射天线，馈送大功率微波信号到炉体内腔407，供加热食物使用。所述n为自然数。RF输出模块406可以为波导装置，或者为同轴电缆传输线。

实施例5

参见图4a、图4b、图4c以及图6。本实施例的固态微波炉，与实施例4的不同之处在于：微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，在炉体内胆505的外缘均布1～n片圆弧形波导501，每片圆弧形波导501内侧分布有水平缝隙502及垂直缝隙503，所述水平缝隙502及垂直缝隙503为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，在每片圆弧形波导内部有用于微波耦合的天线头506及用于与微波功率源304对接的同轴电缆接头504。

实施例6

参见图5a、图5b、图5c以及图6。本实施例的固态微波炉，与实施例4的不同之处在于：微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线604置于炉体内胆的下方，天线平面由等角螺旋部分601和阿基米德螺旋602复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点603，馈电点穿过背腔部分由阻抗变换器605与同轴接头607相连，在背腔内部设有抛物型反射面606。

实施例7

参见图3 a、图3b、图3 c。本实施例的固态微波炉，与前述各实施例的不同之处在于：炉体采用圆柱形，上端为炉体上盖301，炉体内胆包括上内胆318与下内胆319，上内胆318设置于炉体上盖301内，上内胆318与下内胆319共同形成圆柱形微波谐振工作腔体，炉体上盖301与圆柱形炉体303铰接并设有固定搭扣302，炉体上盖301与炉体下内胆319的结合部分设有电磁铁装置320，电磁铁装置320与固定搭扣302联动。

炉体上内胆318与下内胆319形成的加热腔，可放置附带的工作餐盛放附件。工作时锁紧上盖301与炉体下内胆319。当固定搭扣302扣合时，微动开关接通，电磁铁装置320吸合，将炉体303上部与炉体下内胆319结合部分紧密吸合，防止微波外泄，保障使用人体安全。当302打开时，微动开关断开，电磁铁装置320释放，此时可以打开炉盖301，取出加热物品。

炉体底部设有底座306，炉体底座306内置供电部件及微波功率源，微波功率源304置于供电部件之上，供电部件给GaN微波功率源提供0-50V的工作电压以及为控制系统提供12V、5V、3.3V直流工作电压；炉体底座306上端面设有或从中引出与所述GaN微波功率源304连接的1～n个微波同轴电缆输出接头305。

炉体上盖301外部设置有显示加热时间及工作状态以及电池剩余电量信息的LCD屏或是数码管316以及功能按键315；炉体上盖301内设有温度传感器317并内置IR温度单元（图6中标号416），所述IR温度单元416由红外热电堆感应器及信号调节芯片组合封装而成，输出数字信号供控制系统（图6中标号414）的MCU处理，控制系统414通过调节VCO的可变电容值来调节本地振荡电路的工作频率在2450±50MHz 范围内，通过供电部件向1～n路GaN功率放大管提供0-50V工作电压，并通过工作电压的调节变化，控制GaN功率放大管的输出功率。

本实用新型固态微波炉，由于采用了低电压工作的GaN（氮化镓）微波功率源，因此供电部件可以采用市电输入转换成直流，或者采用电池组409供电，增加了使用方便性。图6中，市电输入模块408可以连接直流DC输出模块413，也可以通过充电器模块412给电池组409充电。电池组模块409、充放电控制器410及太阳能电池板411为可选部分。太阳能电池板411可以通过充放电控制器410给电池组409供电。供电部分将分别给GaN（氮化镓）微波功率源提供0-50V的工作电压以及给控制系统411提供所需12V、5V、3.3V直流工作电压。

本实用新型固态微波炉，由于使用了无需运动部件的分布式天线结构构成加热腔，针对传统的磁控管微波炉需要带有复杂运动部件的微波搅拌器及转盘等部件，大大简化了微波炉结构。比采用LDMOS微波功率件效率提高10%左右，功率密度提高3-4倍。结构简单，空间利用率高，效率高。

Claims

1.一种固态微波功率源，包括信号源（401），预放大器（402），功率分配器（403）以及功率分配器平衡负载（405），微波功率模块，其特征在于：所述微波功率模块使用1～n 路固态半导体元件GaN功率放大管对微波源信号进行放大，所述信号源（401）由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源（401）产生的微波信号经过预放大器（402）放大为小功率微波信号，然后经过功率分配器（403）分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管（404）进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块（406）连接微波发射天线，所述n为自然数。

2.根据权利要求1所述的固态微波功率源，其特征在于：微波发射天线采用分布式天线系统，分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，分布式天线系统含有1～n片圆弧形波导（501），每片圆弧形波导（501）内侧分布有水平缝隙（502）及垂直缝隙（503），所述水平缝隙（502）及垂直缝隙（503）为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，每片圆弧形波导分别与对应的GaN功率放大管（404）对接。

3.根据权利要求1所述的固态微波功率源，其特征在于：分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线（604）平面由等角螺旋部分（601）和阿基米德螺旋（602）复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点（603），馈电点通过阻抗变换器（605）分别与对应的GaN功率放大管（404）对接，平面螺旋天线（604）背部设有抛物型反射面（606）。

4.一种固态微波炉，包括炉盖、炉体以及微波控制系统，其特征在于：所述微波功率源由信号源（401）、预放大器（402）、功率分配器（403）、1～n路GaN功率放大管（404）以及功率分配器平衡负载（405）组成，所述信号源（401）由PLL及VCO构成本地振荡电路，信号源（401）产生的微波信号经过预放大器（402）放大为小功率微波信号，再经过功率分配器（403）分配为1～n 路微波信号送到GaN功率放大管（404）进行功率放大，经过放大后的1～n 路大功率微波信号通过RF输出模块（406）连接微波发射天线，馈送大功率微波信号到炉体内腔（407），n为自然数。

5.根据权利要求4所述的固态微波炉，其特征在于：微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用波导宽边缝隙天线，在炉体内胆的外缘均布1～n片圆弧形波导（501），每片圆弧形波导（501）内侧分布有水平缝隙（502）及垂直缝隙（503），所述水平缝隙（502）及垂直缝隙（503）为正交分布，共同构成波导宽边缝天线，在每片圆弧形波导内部有用于微波耦合的天线头（506）及用于与微波功率源（304）对接的同轴电缆接头（504）。

6.根据权利要求4所述的固态微波炉，其特征在于：微波发射天线采用分布式天线系统，所述分布式天线系统采用1～n旋臂平面螺旋天线，所述平面螺旋天线（604）置于炉体内胆的下方，天线平面由等角螺旋部分（601）和阿基米德螺旋（602）复合构成；天线平面中部对应设有1～n个水滴型馈电点（603），馈电点穿过背腔部分由阻抗变换器（605）与同轴接头（607）相连，在背腔内部设有抛物型反射面（606）。

7.根据权利要求4、5或6所述的固态微波炉，其特征在于：炉体采用圆柱形，上端为炉体上盖（301），炉体内胆包括上内胆（318）与下内胆（319），上内胆（318）设置于炉体上盖（301）内，所述上内胆（318）与下内胆（319）共同形成圆柱形微波谐振工作腔体，炉体上盖（301）与圆柱形炉体（303）铰接并设有固定搭扣（302），炉体上盖（301）与炉体下内胆（319）的结合部分设有电磁铁装置（320），电磁铁装置（320）与固定搭扣（302）联动。

8.根据权利要求7所述的固态微波炉，其特征在于：炉体底部设有底座（306），所述底座（306）内置供电部件及微波功率源，微波功率源（304）置于供电部件之上，供电部件给GaN微波功率源提供0-50V的工作电压以及为控制系统提供12V、5V、3.3V直流工作电压；所述底座（306）上端面设有或从中引出与所述固态微波功率源（304）连接的1～n个微波同轴电缆输出接头（305）。

9.根据权利要求8所述的固态微波炉，其特征在于：炉体上盖（301）外部设置有显示加热时间及工作状态以及电池剩余电量信息的LCD屏或是数码管（316）以及功能按键（315）；炉体上盖（301）内设有温度传感器（317）并内置IR温度单元（416），所述IR温度单元（416）由红外热电堆感应器及信号调节芯片组合封装而成，输出数字信号供控制系统的MCU处理，控制系统通过调节VCO的可变电容值来调节本地振荡电路的工作频率在2450±50MHz 范围内，并控制供电部件向1～n路GaN功率放大管提供0-50V工作电压，并通过工作电压的调节变化，控制GaN功率放大管的输出功率。