CN86103424B - 利用裂缝天线馈能的微波加热器 - Google Patents

Abstract

本发明是利用裂缝天线馈能的微波加热器，属于微波加热技术领域。本微波加热器的一壁装有馈能波导，加热器壁和馈能波导壁重合的壁上分布着馈能的裂缝天线。该微波加热器加热均匀、效率高、进出料方便。此种利用裂缝天线馈能的加热方式，可用于各种微波加热技术中。

Description

利用裂缝天线馈能的微波加热器

本发明是关于利用裂缝天线馈能的微波加热器，属于微波加热技术领域。

微波加热技术具有独特的优点，在工业、农业、生活领域正被广泛采用，箱式加热器特别是隧道式加热器，由于进出料口大，并能连续加工，是工业上普遍采用的一种结构形式。

目前国内外这种类型的微波加热器，其加热均匀性和匹配性不够理想，使其应用受到某种程度的限制。多年来微波技术专家做了很多工作：改进箱体设计;选择谐振模式数及模式分布;选择馈能口的位置;采用多口和多波导馈能;安装模式搅拌器;采用旋转馈能等。使微波加热器结构逐渐复杂，成本相应提高，但其加热均匀性和匹配性能改善甚微。

目前国际上已有的微波加热器，如美国专利US4354083介绍了用裂缝的分支波导馈能的微波炉，微波能从顶壁和底壁馈进，在底壁设有反射板，目的是改善家用微波炉的效率和加热均匀性。

国际专利WO83/02996，介绍了用带裂缝的分支波导伸进密封箱体内进行真空干燥和真空冷冻干燥的装置，该装置提高了产品的质量和干燥效率。

美国专利US4463239，介绍了用四个圆弧形裂缝在馈电波导中的取向发生周期变化，使裂缝辐射的能量也相应地变化，不同程度地改善了微波加热的均匀性。

上述的技术是针对小型家用的微波炉和真空冷冻干燥箱，但对工业上应用的隧道式微波加热器的加热均匀性、匹配性能、转换效率等问题，尚未妥善解决。本发明介绍的利用裂缝天线馈能的微波加热器，较好地解决了以上问题。其工作原理如下：

裂缝天线可以分为谐振式和非谐振式两种，相邻裂缝的距离等于1/2λg（λg为波导波长）称为谐振式裂缝天线，这种天线的特点是：裂缝的激励都是同相的，最大辐射方向与天线轴垂直，终端装短赂板，匹配频带较窄。相邻裂缝之间的距离较大于或稍小于λg/2的称为非谐振式裂缝天线。这种天线的特点是：裂缝的激励不同相，其相位沿天线按线性变化，最大辐射方向偏离天线轴的法线，为消除反射波瓣，在终端装短路板。实验测试表明，谐振式裂缝天线的匹配频带很窄，虽经测试，未能奏效，不能满足国产磁控管的技术条件。非谐振式裂缝天线的匹配频带较宽，可以满足国产磁控管的要求，但辐射的效率较低，有1/3的能量被终端吸收，负载吸收不能满足微波加热器的需要。

鉴于在微波加热器上使用的裂缝天线是向箱体内辐射微波能，与向天空幅射的雷达上使用的裂缝天线用途不一样，工作条件也不一样。后者要求较好的方向性，必须消除反射波形成的波瓣;而前者要求加热的均匀性和效率，对方向性要求不太严格。根据这一特点，我们充分利用非谐振式裂缝天线在较宽频带良好匹配的优点，用短路板代替终端的吸收负载，调节短路板位置，利用调谐装置（图中未画出），采用调匹方法，来使短路板的反射降至最低限度。这样就研制成功了既有较宽的匹配频带又有较高辐射效率的适用微波加热用的非谐振式裂缝天线馈能器。

作为微波加热器的裂缝天线，工作条件相当复杂，与馈电波导的匹配除受裂缝天线谐振情况，裂缝的大小和位置，终端短路板的影响外，还受加热箱体的谐振情况，负载物料的影响。为此，我们采用近似计算方法。假定：裂缝之间的相互影响忽略不计;每个裂缝均工作在谐振状态;终端短路板的反射影响被忽略;所有裂缝由行波激励;每个裂缝辐射能量相等。

首先根据微波波长选出一个矩形波导作为馈能器波导，求出波导波长λg和TE10摸式的内壁电流分布，根据箱体和馈能器波导的尺寸和λg，考虑裂缝的对称性和均匀性，确定裂缝天线总数，最后确定裂缝天线的结构尺寸。

1.确定裂缝天线中心线与馈能器波导中心线间的距离X1：随着微波能沿着波导向前传输，裂缝天线不断向箱体辐射能量，辐射能量的数量与裂缝的电导G成正比，纵向裂缝的归一化电导G与X1的关系式如下：

G′＝2.09（a/b）（λg/λ）｛cos（π/2）（λ/λg）｝sin（πX1/a）

……（1）

式中：a，b为馈能器波导宽壁和窄壁的内壁尺寸。λ为所使用的微波自由空间波长。由（1）式知，当X1＜a/2时，G′∝X1，G′随着X1的增加而增大。为了达到均匀加热的效果，希望每个裂缝辐射的功率相等。随着微波能向终端传输，裂缝不断幅射能量，波导馈能器里的能量越来越少，如果G′不变，裂缝幅射的能量将越来越少。为了使每个裂缝幅射的能量相等，G′要逐渐增大，X1也要逐渐增大。根据裂缝幅射的功率和通过功率与G′的关系，计算出每个裂缝的X1值。X1的数值范围为：X1＝（15-39）%a。

2.确定相邻裂缝天线中心线间的距离d∶d值的选择是为保证裂缝天线和馈能波导匹配，d值稍小于λg/2，其差值与裂缝数N有关，N越大，差值越小。d值的选取范围如下：

d＝（45-48.5）%λg

馈能器波导的圆弧部分，圆弧裂缝宽度和直线波导部分的裂缝宽度相同，裂缝间隔和弧长同直线波导部分的电角度相同，以此原则确定圆弧部分裂缝天线的结构尺寸。

本发明利用裂缝天线馈能的微波加热器，为隧道式微波加热器，其结构如图二所示。微波加热器的固定支架和传动装置未画出，[6]为进料口，进出料口尺寸为800mm×130mm，[5]为梳状抑制器，内装梳状抑制片和吸收材料，[4]为群岛抑制器，内装方形抑制块，[3]为抑制檐，辐射进箱体[1]的微波能，经抑制檐[3]、群岛抑制器[4]、梳状抑制器[5]后，绝大部分被抑制掉，使泄漏的能量在国家规定的安全标准以内。在抑制檐[3]上下壁开有通风排湿孔和外部排风系统相连，吸收箱体[1]内的物料排放的水蒸汽。在箱体[1]侧壁装有炉门[2]，炉门[2]内装有抑制微波能的结构。在箱体[1]上壁安置馈能器波导[7]和馈电波导[8]，微波能通过馈电波导[8]进入馈能器波导[7]向箱体[1]内辐射微波能。

本微波加热器工作频率为915MHz±25MHz，为使箱体[1]在工作频带内有足够多的谐振模式，希望箱体[1]的尺寸尽量大些，从功率密度和机械加工角度希望箱体[1]尺寸尽量小些。根据模式计算和频谱分析，选择箱体[1]的外形尺寸为201cm×100cm×108cm。

本裂缝天线馈能的微波加热器，其馈能器波导结构尺寸如图三所示。

根据微波的频率、箱体[1]的尺寸、裂缝天线[9]在箱体[1]顶壁上的分布。

选择裂缝天线[9]的数目等于19，即N＝19。选择WG-8波导做为馈能器波导[7]，其内壁宽、窄边尺寸为：

a＝292.1mm，b＝146.05mm

馈能器波导[7]园弧部分，平均半径为187mm。

馈能器波导[7]的裂缝天线[9]具体结构尺寸如下：

馈能器波导的直线部分。

X1.01＝34mm，X1.02＝35mm，…X1.13＝54mm，

X1.14＝58mm，…X1.18＝88mm，X1.19＝111mm。

d＝187mm。

2L1＝154mm，2L2＝154mm，…2L13＝157mm，

2L14＝158mm，…2L18＝161mm，2L19＝156mm。

D＝20mm。

馈能器波导的圆弧部分。

圆弧裂缝天线[9]弧长径向夹角ψl＝48°

相邻圆弧裂缝中心线之间距离的径向夹角ψ＝57°。

为保证馈能器波导[7]的裂缝天线[9]直接向箱体[1]辐射微波能，箱体[1]的顶壁和馈能器波导[7]的底壁共用同一金属板。为保证裂缝天线[9]和馈电波导[8]匹配，在馈能器波导[7]微波能传输的终端装有短路板[10]，通过调节机构，改变短路板[10]在终端的位置，以达匹配的目的（调节机构未画出）。

本隧道式微波加热器，其驻波比，出料口温差、物料脱水、杀菌效果测试如下：

在915MHz±25MHz的频带内，电压驻波比示于表一。

表一

频率 890 895 900 905 910 915 920 925 930 935 940

MHz

驻波比 2.6 1.8 1.37 1.85 1.66 1.4 1.89 1.35 1.65 1.38 1.27

V.S.W.R

说明该设备在915MHz±25MHz的频带内，与馈电波导[7]的匹配性能较好，满足国产磁控管对负载的技术要求。

实践使用效果，试验物料木屑的温差，脱水、杀菌效果分别列于表二、表三、表四中。

表二

温度℃ 袋号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

测试点

1 65 61 65 60 65 62 62 62 58 58

2 66 66 67 61 66 66 64 / / 60

3 63 58 64 60 63 64 61 54 54 59

温差 3 3 3 1 3 4 3 8 4 2

测试结果表示：加热均匀性好，平均温度差3.4℃，最大温差±4℃。

表三

木屑袋号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

初始重量kg 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

处理后重量kg 3.30 3.25 3.25 3.25 3.22 3.23 3.23 3.23 3.16 3.23

净去水量kg 0.70 0.75 0.75 0.75 0.75 0.78 0.77 0.77 0.84 0.77

去水百分率% 17.5 18.7 18.7 18.7 18.7 19.5 19.2 19.2 21 19.2

可看出木屑最大去水量达21%，当磁控管阳极电压V＝11.2kV、电流I＝2.3A、效率η＝75%室温12℃时计算表明去水效果达1.1kg/kw-H。

表四

杀菌率 序号 1 2

位置

木屑布袋 上 99.9961% 99.9879%

木屑布袋 中 99.9976% 99.9841%

木屑布袋 下 99.9595% 99.9319%

平均杀菌率 99.9844% 99.9680%

可以看出对木屑的杀菌效果达99.9%以上。

从以上测试结果看出，利用裂缝天线馈能的隧道式微波加热器比已有的微波加热器有如下优点：加热物料温差由±10℃左右降为±4℃以下;驻波比小，且受负载的影响小，匹配性能好;杀菌效果达99.9%以上;在满足杀菌要求的条件下脱水可达1.1kg/kw-H;同时本加热器进出料口高130mm、宽800mm可加工大块物料或袋装物料;漏能小、保证安全使用。

Claims (5)

1、一种利用裂缝天线馈能的微波加热器，属于微波加热领域，由箱体[1]、进料口[6]、炉门[2]、馈能波导[7]组成，其特征是：在箱体[1]的一壁和馈能波导[7]的一宽壁共用同一金属板;馈能波导[7]终端装有短路板;裂缝天线[9]的中心线与馈能波导[7]内壁宽边的中心线之距离X1逐渐增大;两相邻裂缝天线[9]的距离d小于波导波长λg。

2、根据权利要求1所述的利用裂缝天线馈能的微波加热器，其特征是裂缝天线[9]的中心线与馈能波导[7]内壁宽边a的中心线之间距离大于15%馈能波导[7]内壁宽边a，小于39%馈能波导[7]内壁宽边a，

即：15%a＜X1＜39%a。

3、根据权利要求1所述的利用裂缝天线馈能的微波加热器，其特征是两相邻裂缝天线[9]的距离d等于波导波长λg的（45～48.5）%，

即：d＝（45～48.5）λg。

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