DE102019210264B4 - Method and device for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation - Google Patents

Method and device for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem- eine Objektgruppe aus mehreren Objekten in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird,- wobei vor der Erwärmung der Objektgruppe wenigstens eine differentielle Streuparametermessung durchgeführt wird, bei der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung bei unterschiedlicher Anzahl der Objekte der Objektgruppe in der Bestrahlungszone an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird,- aus der differentiellen Streuparametermessung Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe abgeschätzt werden,- aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer vorgegebenen Wärmeverteilung in der Objektgruppe führen, und- die HF-Sendekanäle anschießend zur Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation, in which - an object group of several objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an RF transmission unit with at least two separate RF transmission channels, - with the object group being heated prior to heating At least one differential measurement of scattering parameters is carried out, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a different number of objects in the object group in the irradiation zone at irradiation locations of the RF transmission channels, - from the differential measurement of scattering parameters, heating matrices for the objects in the object group are estimated, - from the Heating matrices Operating parameters for the RF transmission channels are determined, which lead to a predetermined heat distribution in the object group, and the RF transmission channels then for heating the object group with de n operating parameters determined from the heating matrices.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem die Objekte in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine Hochfrequenz-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten Hochfrequenz-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt werden.The present invention relates to a method and a device for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation, in which the objects are introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via a high-frequency transmission unit with at least two separate high-frequency transmission channels.

Die Erwärmung dielektrischer Objekte mithilfe hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, hat eine lange Geschichte. Die Anwendung von Mikrowellen zur Erhitzung von Materialien ist dabei nicht auf Lebensmittel beschränkt, sondern hat sich in der industriellen Verarbeitung von verschiedensten Materialien verbreitet, beispielsweise in der Keramik-, Kautschuk- und Plastikindustrie und in vielen spezialisierten Verfahren der Chemieindustrie.The heating of dielectric objects with the help of high frequency (HF) electromagnetic radiation, especially microwave radiation, has a long history. The use of microwaves for heating materials is not limited to food, but has spread in the industrial processing of a wide variety of materials, for example in the ceramic, rubber and plastic industries and in many specialized processes in the chemical industry.

In sehr vielen Anwendungsfällen der Mikrowellenerhitzung befinden sich die zu erwärmenden Objekte, im Folgenden auch als Last oder Erwärmungsgut bezeichnet, in einer geschlossenen, elektromagnetisch isolierten (meistens metallischen) Kavität, die durch eine oder mehrere hochfrequente elektromagnetische Strahlungsquellen gespeist wird. Eines der Hauptprobleme in solch einer Konfiguration ist, dass sich durch die Mehrfachreflektionen der elektromagnetischen (EM) Wellen an den Wänden der Kavität und der Oberfläche des Erwärmungsguts stehende Wellenmuster bilden, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung erheblich beeinträchtigen können. Da der Energieeintrag, der in Wärme umgewandelt wird, proportional zur quadrierten Amplitude des elektrischen Feldes ist, führt die ungleichmäßige Feldverteilung direkt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung bzw. Temperaturverteilung während des Erwärmungsprozesses. Dies ist meistens unerwünscht, besonders wenn die Verteilung nichtdeterministisch bzw. nichtkontrollierbar ist, und kann die Qualität des zu bearbeitenden Materials bzw. des Erwärmungsguts erheblich beeinträchtigen. Auch in nichtisolierten Anwendungsbereichen der Mikrowellenstrahlung kann es jedoch zu Ungleichmäßigkeiten in der Leistungsverteilung kommen. Konfigurationen mit mehreren kohärenten Strahlungsquellen können bspw. auch im offenen Raum Interferenzmuster erzeugen, die die Gleichmäßigkeit der Erwärmung stören. Ferner können auch in offenen Szenarien geometrische Eigenschaften der Last oder ihrer Umgebung zu Streuphänomenen führen, die zu ungleichmäßiger Leistungsverteilung führen könnten.In many applications of microwave heating, the objects to be heated, also referred to below as loads or items to be heated, are located in a closed, electromagnetically insulated (mostly metallic) cavity that is fed by one or more high-frequency electromagnetic radiation sources. One of the main problems with such a configuration is that the multiple reflections of the electromagnetic (EM) waves form standing wave patterns on the walls of the cavity and the surface of the material to be heated, which can significantly affect the uniformity of the heating. Since the energy input, which is converted into heat, is proportional to the squared amplitude of the electric field, the uneven field distribution leads directly to uneven heating or temperature distribution during the heating process. This is mostly undesirable, especially if the distribution is nondeterministic or uncontrollable, and can considerably impair the quality of the material to be processed or the material to be heated. Even in non-isolated areas of application of microwave radiation, however, irregularities in the power distribution can occur. Configurations with several coherent radiation sources can, for example, also generate interference patterns in open space, which disturb the uniformity of the heating. Furthermore, even in open scenarios, geometric properties of the load or its surroundings can lead to scatter phenomena, which could lead to uneven power distribution.

Die Ungleichmäßigkeit der Erwärmung kann jedoch in einigen Anwendungsfällen auch erwünscht sein. Es wäre beispielsweise von Vorteil, wenn in der Gastronomie zwei oder mehr Lebensmittel bzw. Gerichte unterschiedlicher Art gleichzeitig in einem Gerät gegart bzw. zubereitet werden können. Wenn sich diese Lebensmittel in der Wärmeaufnahmekapazität, im erwünschten Gargrad, in der Menge usw. unterscheiden, ist es nötig, unterschiedliche elektromagnetische Leistung in unterschiedliche dielektrische Volumina einzubringen. Ein anderes Beispiel, bei dem die ungleiche Verteilung der EM-Leistung vorteilhaft sein kann, ist das mikrowellenassistierte Zerschlagen von inhomogenem Gestein durch Fokussierung der EM-Leistung. In all diesen Fällen ist es nötig, die elektromagnetische Leistung auf vordefinierte Teilbereiche der Last zu fokussieren, einige Teile der Last stärker als die restlichen zu erwärmen, oder allgemein ein erwünschtes EM-Leistungsprofil in die Last einzuprägen.However, the unevenness of the heating can also be desirable in some applications. For example, it would be advantageous if two or more foods or dishes of different types could be cooked or prepared in one appliance at the same time in gastronomy. If these foods differ in the heat absorption capacity, the desired degree of cooking, in the amount, etc., it is necessary to apply different electromagnetic power to different dielectric volumes. Another example in which the uneven distribution of the EM power can be advantageous is the microwave-assisted breaking up of inhomogeneous rock by focusing the EM power. In all these cases it is necessary to focus the electromagnetic power on predefined sub-areas of the load, to heat some parts of the load more than the rest, or generally to impress a desired EM power profile into the load.

Stand der TechnikState of the art

Für beide Probleme, sowohl der gleichmäßigen als auch der fokussierten Erwärmung, gibt es zwei Kategorien von Lösungen: deterministische und sogenannte „blinde“ Verfahren. Deterministische Verfahren basieren auf Informationen bezüglich der elektromagnetischen Feldverteilung im Inneren der Last, die durch Messungen oder Simulationen erlangt wurde.For both problems, both uniform and focused heating, there are two categories of solutions: deterministic and so-called “blind” methods. Deterministic methods are based on information regarding the electromagnetic field distribution inside the load, which has been obtained through measurements or simulations.

So beschreibt beispielsweise die US 2013/0186887 A1 ein deterministisches Verfahren, bei dem die Beziehung zwischen Anregungs- oder Betriebsparametern der EM-Quellen und der Leistungsmuster, die sie in der Last hervorrufen, experimentell mittels Infrarotmessungen ermittelt wird. Die für eine derartige Sensorik benötigte Hardware ist jedoch oft sehr aufwändig und teuer. In einigen Fällen ist sie auch mit den Anforderungen an die Nutzungsart nicht vereinbar. Schließlich können einige dieser Verfahren nur die Oberflächentemperatur als Maß des EM-Leistungsverbrauchs erfassen, was nicht immer aussagekräftig für voluminöse Objekte ist.For example, the US 2013/0186887 A1 a deterministic method in which the relationship between excitation or operating parameters of the EM sources and the power patterns they produce in the load is determined experimentally by means of infrared measurements. However, the hardware required for such a sensor system is often very complex and expensive. In some cases it is also incompatible with the requirements for the type of use. Finally, some of these methods can only capture surface temperature as a measure of EM power consumption, which is not always meaningful for bulky objects.

Eine weitere Unterkategorie von deterministischen Verfahren basiert auf elektromagnetischen Simulationen wie bei der US 9459346 B2 oder voroptimierten Strukturen, um die Leistungsverteilung in der Last vorherzusagen bzw. im Voraus zu optimieren. Der Hauptnachteil solcher Methoden ist, dass sie nur für eine begrenzte Anzahl von sehr streng vorbestimmten Lasten anwendbar sind. Ferner ist die Übereinstimmung der EM-Simulationen und der physikalischen Realität für komplexe und relativ große Strukturen (insbesondere in multiresonanten Kavitäten) nicht immer ausreichend präzise.Another sub-category of deterministic methods is based on electromagnetic simulations such as the US 9459346 B2 or pre-optimized structures to predict the power distribution in the load or to optimize it in advance. The main disadvantage of such methods is that they only work for one limited number of very strictly predetermined loads are applicable. Furthermore, the correspondence between the EM simulations and the physical reality for complex and relatively large structures (especially in multi-resonant cavities) is not always sufficiently precise.

Blinde Verfahren verzichten auf derartige Informationen und verwenden entweder die gleiche Anregungsart und -weise für alle möglichen Lasten oder stützen sich auf externe Messungen.Blind methods dispense with such information and either use the same type and method of excitation for all possible loads or rely on external measurements.

Eine der wichtigsten Techniken der meisten blinden Verfahren zur Gleichmäßigkeitsoptimierung stellt die stochastische Mischung oder „Verwirbelung“ der elektromagnetischen Moden innerhalb einer Kavität dar. Dadurch wird versucht, ein über die Zeit statistisch homogenes EM-Feld zu erzeugen. Die Mischung kann durch mechanische Mittel (vgl. z.B. US 7 030 347 B2 ) oder durch Modulation der Frequenz (vgl. z.B. US 5 961 871 A ) und der Phase erfolgen. Mechanische Ansätze haben den Nachteil, dass sie oft auf aufwändiger Hardware basieren, die häufig und intensiv gewartet werden muss. Ferner kann sich solche Hardware nur bedingt, wenn überhaupt, auf unterschiedliche Erwärmungsgüter anpassen. Frequenz- und Phasenmodulationsansätze beheben bis zu einem gewissen Punkt diese Nachteile, haben jedoch oft eine schlechtere Performance als mechanische Ansätze, teilweise wegen des begrenzten Spektrums an Moden, die angeregt werden können. Weiterhin benötigt eine stochastische Modulation der Frequenz und Phase des EM-Feldes ein häufiges Umschalten zwischen einer großen Menge von Anregungsparametern, was hohe Anforderungen an die elektromagnetische Leistungsquelle stellt.One of the most important techniques of most of the blind methods for uniformity optimization is the stochastic mixing or "swirling" of the electromagnetic modes within a cavity. This attempts to generate a statistically homogeneous EM field over time. The mixture can be achieved by mechanical means (cf. US 7 030 347 B2 ) or by modulating the frequency (cf.e.g. U.S. 5,961,871 A ) and the phase. Mechanical approaches have the disadvantage that they are often based on complex hardware that has to be maintained frequently and intensively. Furthermore, such hardware can only adapt to different heating goods to a limited extent, if at all. Frequency and phase modulation approaches overcome these disadvantages to a certain point, but often have poorer performance than mechanical approaches, in part because of the limited range of modes that can be excited. Furthermore, a stochastic modulation of the frequency and phase of the EM field requires frequent switching between a large number of excitation parameters, which places high demands on the electromagnetic power source.

Für eine Fokussierung der EM-Leistung innerhalb des Erwärmungsguts ist die Palette der bisherigen blinden Verfahren viel eingeschränkter. Der häufigste und schlichteste Ansatz besteht darin, den Anwendungsraum der EM-Leistung mit geeigneter Hardware elektromagnetisch zu isolieren, wie dies bspw. in der US 8 420 991 B2 dargestellt ist. Die daraus entstandenen Teilbereiche werden separat mit EM-Leistung gespeist, sodass das Verhältnis der Leistungen in besagten Bereichen kontrollierbar ist. In vielen Anwendungen ist jedoch solch eine strikte Isolation des Erwärmungsguts nicht möglich, entweder wegen physikalischer oder wegen geometrischer Einschränkungen (z.B. Gerichte, die aus unterschiedlichen Lebensmitteln bestehen und in einem gemeinsamen Behälter zubereitet werden müssen, biologische Gewebe in vivo, usw.).The range of previous blind methods is much more limited for focusing the EM power within the material to be heated. The most common and simplest approach is to electromagnetically isolate the application area of the EM power with suitable hardware, as is the case, for example, in the US 8 420 991 B2 is shown. The resulting sub-areas are fed separately with EM power, so that the ratio of the services in said areas can be controlled. In many applications, however, such strict insulation of the material to be heated is not possible, either because of physical or geometric restrictions (e.g. dishes that consist of different foods and have to be prepared in a common container, biological tissue in vivo, etc.).

Eine alternative Art und Weise, einen Teil des Erwärmungsguts elektromagnetisch hervorzuheben, besteht darin, ein Kontrastmittel in diesen Teil einzuführen, das hohen elektromagnetischen Kontrast aufweist. Durch differentielle Reflexionsmessungen vor und nach der Einführung des Kontrastmittels können dann passende Anregungsparameter für die Fokussierung ermittelt werden, wie dies in G. Bellizzi et al. „Blind focusing of electromagnetic fields in hyperthermia exploiting target contrast variations.“ IEEE Transactions on Biomedical Engineering 62.1 (2015): 208-217 , beschrieben ist. Dieser Ansatz bietet sich jedoch nicht für alle Anwendungsfälle von elektromagnetischer Erwärmung an, denn die Einführung eines Kontrastmittels ist oft entweder unmöglich, unpraktisch oder nicht erwünscht wie z.B. bei der Lebensmittelerwärmung.An alternative way of electromagnetically highlighting a part of the material to be heated is to introduce a contrast medium into this part which has a high electromagnetic contrast. By means of differential reflection measurements before and after the introduction of the contrast agent, suitable excitation parameters for the focusing can then be determined, as shown in FIG G. Bellizzi et al. "Blind focusing of electromagnetic fields in hyperthermia exploiting target contrast variations." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 62.1 (2015): 208-217 is described. However, this approach is not suitable for all applications of electromagnetic heating, because the introduction of a contrast medium is often either impossible, impractical or undesirable, as is the case with food heating, for example.

Die EP 3 073 803 A1 beschreibt ein Verfahren zum Garen mit Mikrowellen sowie ein Mikrowellen-Gargerät, mit denen der Wirkungsgrad eines Mikrowellen-Garprozesses durch Minimieren der reflektierten Mikrowellenleistung optimiert wird. Die Ermittlung der komplexen Streuparameter des Garraums ermöglicht es dabei, eine entsprechende Anpassung der relativen Phasenlagen vornehmen zu können. Weiterhin können die Amplituden der Mikrowellenstrahlung basierend auf den erfassten vorwärtslaufenden und rückwärtslaufenden Mikrowellensignalen entsprechend optimiert werden.the EP 3 073 803 A1 describes a method for cooking with microwaves and a microwave cooking device with which the efficiency of a microwave cooking process is optimized by minimizing the reflected microwave power. The determination of the complex scattering parameters of the cooking chamber makes it possible to adjust the relative phase positions accordingly. Furthermore, the amplitudes of the microwave radiation can be optimized accordingly on the basis of the detected forward-running and reverse-running microwave signals.

Die US 2016 / 0 330 803 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Bestrahlung eines Objektes in einem Bestrahlungsraum mittels mindestens zwei Sendeantennen, wobei über ermittelte Streumatrizen die eingestrahlte Leistung, Amplitude, Phase und Frequenz der Mikrowellenstrahlung für die Sendeantennen angepasst wird. Dies kann zur Minimierung der reflektierten Mikrowellenleistung oder zum Eintrag einer bestimmten Soll-Leistung erfolgen.the US 2016/0 330 803 A1 describes a method for controlling the irradiation of an object in an irradiation room by means of at least two transmitting antennas, with the radiated power, amplitude, phase and frequency of the microwave radiation being adapted for the transmitting antennas via determined scatter matrices. This can be done to minimize the reflected microwave power or to enter a specific target power.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung anzugeben, die eine Erwärmung einer Gruppe von Objekten mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung oder auch eine gleichmäßige Erwärmung eines Objektes ohne Temperaturmessungen an den Objekten oder zusätzlichen Hardwareaufwand ermöglichen.The object of the present invention is to provide a method and a device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, which allow a group of objects to be heated with a predeterminable heat distribution or even an object to be heated evenly without temperature measurements on the objects or additional hardware expenditure.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit den Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to claims 1, 2 and 19. Advantageous refinements of the method are the subject matter of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden differenzielle Streuparametermessungen, d.h. S-Parametermessungen, die an unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden, an dem zu erwärmenden Objekt oder der zu erwärmenden Objektgruppe durchgeführt und aus diesen Messungen Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe oder Teilbereiche des Objekts abgeschätzt. Mit Hilfe dieser Erwärmungsmatrizen können dann Betriebs- oder Anregungsparameter (Amplitude, Phase, Frequenz) für die HF-Sendekanäle der zur Erwärmung eingesetzten HF-Sendeeinheit bestimmt werden, die zu der gewünschten Wärmeverteilung in dem bzw. den Objekten führen. Je nach Anwendung können hierbei zwei Verfahrensvarianten zum Einsatz kommen.In the proposed method, differential parameter measurements, i.e. S-parameter measurements that take place at different times, are carried out on the object or group of objects to be heated, and heating matrices for the objects of the group of objects or partial areas of the object are estimated from these measurements. With the help of these heating matrices, operating or excitation parameters (amplitude, phase, frequency) for the RF transmission channels of the RF transmission unit used for heating can then be determined, which lead to the desired heat distribution in the object or objects. Depending on the application, two process variants can be used.

Bei der ersten Verfahrensvariante wird eine Objektgruppe aus mehreren Objekten in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit mehreren getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Die HF-Sendekanäle speisen dabei jeweils eine oder mehrere Antennen, über die die Hochfrequenzstrahlung in die Bestrahlungszone eingestrahlt wird. Unter Hochfrequenzstrahlung ist hierbei ein Bereich zwischen 1 kHZ und 300 THz zu verstehen. Vorzugsweise wird Hochfrequenzstrahlung im Bereich zwischen 3 MHz und 300 GHz eingesetzt. Bei dieser ersten Verfahrensvariante wird vor der Erwärmung der Objektgruppe wenigstens eine differenzielle Streuparametermessung durchgeführt, bei der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung bei unterschiedlicher Anzahl der Objekte der Objektgruppe in der Bestrahlungszone mit einer geeigneten Messeinrichtung an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Unter einer differenziellen Streuparametermessung sind hierbei zwei getrennte Streuparametermessungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu verstehen. Aus der differenziellen Streuparametermessung werden dann Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe abgeschätzt und aus den Erwärmungsmatrizen Betriebs- bzw. Anregungsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt, die zu einer vorgegebenen Wärmeverteilung in der Objektgruppe führen. Die HF-Sendekanäle werden anschließend zur Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebs- bzw. Anregungsparametern betrieben.In the first variant of the method, an object group made up of several objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an HF transmission unit with several separate HF transmission channels. The RF transmission channels each feed one or more antennas via which the high-frequency radiation is radiated into the irradiation zone. In this context, high-frequency radiation is understood to mean a range between 1 kHZ and 300 THz. High-frequency radiation in the range between 3 MHz and 300 GHz is preferably used. In this first variant of the method, at least one differential measurement of scattering parameters is carried out before the object group is heated, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a suitable measuring device at the irradiation locations of the RF transmission channels for a different number of objects in the object group in the irradiation zone. A differential measurement of scattering parameters should be understood to mean two separate measurements of scattering parameters at different points in time. Heating matrices for the objects in the object group are then estimated from the differential measurement of scattering parameters and operating or excitation parameters for the RF transmission channels are determined from the heating matrices, which lead to a predetermined heat distribution in the object group. The RF transmission channels are then operated to heat the object group with the operating or excitation parameters determined from the heating matrices.

Bei der zweiten Verfahrensvariante wird eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb eines dielektrischen Objekts angestrebt, wie dies beispielsweise beim Auftauen von Gefriergut erwünscht ist. Bei dieser Verfahrensvariante wird wiederum ein Objekt oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit mehreren getrennten HF-Sendekanälen über einen Erwärmungszeitraum mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt. Es werden wiederum eine oder mehrere differenzielle Streuparametermessungen durchgeführt, bei denen in diesem Fall aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung vor Beginn und zu einer Zeit während des Erwärmungszeitraums und/oder zu unterschiedlichen Zeiten während des Erwärmungszeitraums an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird. Aus jeder differenziellen Streuparametermessung werden dann Erwärmungsmatrizen für relativ zu anderen Bereichen des Objekts oder der Objektgruppe stärker erwärmte Bereiche, so genannte Hotspots, abgeschätzt. Aus den Erwärmungsmatrizen werden dann Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt, die zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt oder der Objektgruppe führen. Die HF-Sendekanäle werden anschließend, also nach jeder neuen differenziellen Streuparametermessung - zur Erwärmung oder weiteren Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben.In the second variant of the method, a uniform distribution of heat within a dielectric object is aimed for, as is desired, for example, when thawing frozen food. In this variant of the method, in turn, an object or a group of objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation over a heating period via an HF transmission unit with several separate HF transmission channels. In turn, one or more differential scatter parameter measurements are carried out in which, in this case, high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected before the start and at a time during the heating period and / or at different times during the heating period at the irradiation locations of the RF transmission channels. From each differential measurement of scattering parameters, heating matrices are then estimated for areas that are more strongly heated relative to other areas of the object or the object group, so-called hotspots. Operating parameters for the RF transmission channels are then determined from the heating matrices, which lead to a uniform distribution of heat in the object or the group of objects. The HF transmission channels are then operated, i.e. after each new differential measurement of scattering parameters, for heating or further heating of the object group with the operating parameters determined from the heating matrices.

Bei den vorgeschlagenen Verfahrensvarianten wird durch die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen aus den differenziellen Streuparametermessungen eine Information darüber gewonnen, welche Leistungsmuster bzw. Leistungsverteilungen und damit Wärmeverteilungen bei beliebigen (innerhalb der Betriebsparametergrenzen) Anregungen der für die Bestrahlung eingesetzten HF-Sendekanäle in die Last eingeprägt werden. Bei dem Verfahren wird die Beziehung zwischen Betriebsparameter der HF-Sendekanäle und Wärme- bzw. absorbierte Leistungsverteilung durch externe Messungen abgeschätzt, d.h. durch Messungen, die weder innerhalb der Bestrahlungszone noch innerhalb des Erwärmungsguts erfolgen. Stattdessen werden die Streuparameter der Bestrahlungszone an den Einstrahlungsorten bzw. Einstrahlungstoren vor und nach der Einführung vorbestimmter Objekte bzw. Objektgruppen oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Erwärmung gemessen. Durch geeignete Auswertung dieser Messungen können die Erwärmungsmatrizen für diese Objekte bzw. Objektgruppen oder Teilbereiche der Objekte bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Erwärmungsmatrizen kann dann die elektromagnetische Leistung bestimmt werden, die für eine beliebige Anregung des Systems, also beliebige Betriebsparameter, in jedem dieser Objekte bzw. Objektgruppen oder Teilbereichen in Wärme umgewandelt wird. Die Beziehung zwischen Eingang (Anregung) und Ergebnis (verbrauchte Leistung) wird damit in der Form von Erwärmungsmatrizen quantifiziert, um diese Beziehung für die Optimierung der Gleichmäßigkeit oder einer Fokussierung der Erwärmung oder auch einer beliebigen vorgebbaren Wärmeverteilung einzusetzen.In the proposed method variants, by estimating the heating matrices from the differential scatter parameter measurements, information is obtained about which power patterns or power distributions and thus heat distributions are impressed on the load with any (within the operating parameter limits) excitations of the RF transmission channels used for the irradiation. In the method, the relationship between the operating parameters of the RF transmission channels and the heat or absorbed power distribution is estimated by external measurements, ie by measurements that take place neither within the irradiation zone nor within the material to be heated. Instead, the scattering parameters of the irradiation zone are measured at the irradiation locations or irradiation gates before and after the introduction of predetermined objects or object groups or at different times during the heating. The heating matrices for these objects or object groups or partial areas of the objects can be determined by suitable evaluation of these measurements. With the help of these heating matrices, the electromagnetic power can then be determined that is required for any excitation of the system, that is to say any operating parameters, in each of these objects or object groups or sub-areas in Heat is converted. The relationship between input (excitation) and result (consumed power) is thus quantified in the form of heating matrices in order to use this relationship for optimizing the uniformity or focusing the heating or any predeterminable heat distribution.

Entsprechend weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine HF-Sendeeinheit mit HF-Quelle und Leistungsverstärker und wenigstens zwei HF-Sendekanälen, über die in die Bestrahlungszone eingebrachte Objekte mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind, und eine Messeinrichtung auf, mit der an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone komplexe Streuparameter der beladenen Bestrahlungszone gemessen werden können. Die HF-Sendekanäle können über eine oder auch über mehrere Sendeantennen pro Kanal verfügen. Für die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit und Messeinrichtung ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorhanden, die zur Durchführung des Verfahrens entsprechend einer oder mehrerer der in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen Verfahrensvarianten und Ausgestaltungen ausgebildet ist.Correspondingly, the device for carrying out the method has an RF transmission unit with an RF source and power amplifier and at least two RF transmission channels, via which objects introduced into the irradiation zone can be irradiated with coherent high-frequency radiation, and a measuring device with which the RF- Transmission channels in the irradiation zone complex scattering parameters of the loaded irradiation zone can be measured. The RF transmission channels can have one or more transmission antennas per channel. A control and evaluation device is available for controlling the RF transmission unit and measuring device, which is designed to carry out the method in accordance with one or more of the method variants and configurations described in the present patent application.

Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf differentiellen Streumatrixmessungen (S), d.h. Messungen der Streuparameter (S-Parameter) an den Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle in die Bestrahlungszone, im Folgenden auch als EMAZ (Electromagnetic Application Zone) bezeichnet, vor und nach der Veränderung der Beladung (erste Verfahrensalternative) oder Veränderung der Temperatur der Beladung (zweite Verfahrensalternative) der Bestrahlungszone, und auf der Auswertung der entsprechenden Veränderung der S-Parameter.The proposed method is based on differential scatter matrix measurements (S), i.e. measurements of the scatter parameters (S parameters) at the irradiation locations of the RF transmission channels in the irradiation zone, also referred to below as EMAZ (Electromagnetic Application Zone), before and after the change in load (first alternative method) or change in the temperature of the load (second alternative method) of the irradiation zone, and on the evaluation of the corresponding change in the S-parameters.

Im Gegensatz zu dem in obiger Veröffentlichung von G. Bellizzi et al. beschriebenen Verfahren zur Fokussierung von Mikrowellen wird der Veränderung der S-Parameter bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine physikalische Bedeutung zugewiesen, indem aus dieser Veränderung Erwärmungsmatrizen berechnet bzw. abgeschätzt werden. Diese Erwärmungsmatrizen können anschließend nicht nur für Fokussierung benutzt werden, sondern auch für allgemeine Optimierung der Form der Leistungsverteilung (u.a. für Gleichmäßigkeitsoptimierung). Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf der Veränderung des S-Matrixprodukts Δ(SHS), und nicht auf dem Matrixprodukt ΔSHΔS der Veränderungen.In contrast to the above publication by G. Bellizzi et al. The method described for focusing microwaves is assigned a physical meaning to the change in the S parameters in the proposed method, in that heating matrices are calculated or estimated from this change. These heating matrices can then not only be used for focusing, but also for general optimization of the shape of the power distribution (among other things for optimizing uniformity). The proposed method is based on the change in the S matrix product Δ (S H S), and not on the matrix product ΔS H ΔS of the changes.

Das vorgeschlagene Verfahren setzt eine Bestrahlungszone für die hochfrequente Strahlung bzw. Energie voraus, worin sich das Erwärmungsgut befindet, und einen Leistungsverstärker mit HF-Quelle, der elektromagnetische Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich an mehreren (N ≥ 2) Kanälen bzw. Ausgängen erzeugen kann. Diese Bestrahlungszone (EMAZ) kann eine voll oder teilweise elektromagnetisch isolierte Kavität sein (bspw. eine Kavität, deren Wände aus Metall gefertigt sind), oder eine offene bzw. teilweise offene Region, innerhalb derer die meiste HF-Strahlung und Leistung konzentriert ist (z.B. die Abbildungskammer eines Magnetresonanztomographen, der Anwendungsbereich eines mikrowellenassistierten Steinbruchgeräts usw.). Die Schwingungen des Leistungsverstärkers müssen kohärent erzeugbar sein können, d.h. sie müssen dieselbe Frequenz und eine konstante Phasendifferenz haben können. Die Frequenz, Amplitude und Phase der Schwingungen muss vom Verstärker einstellbar und kontrollierbar sein. Der Verstärker speist die EMAZ, in der sich das Erwärmungsgut befindet, über die HF-Sendekanäle mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung an N Einlässen bzw. Einstrahlungsorten ein. Dementsprechend verfügt der Verstärker über N Kanäle. An jedem Einlass sind eine oder mehrere Antennen als Teil des jeweiligen HF-Sendekanals angeordnet, die in die EMAZ strahlen. Ferner ist eine Messeinrichtung vorhanden, die die Streuparameter (S-Matrix) der EMAZ an den N ≥ 2 Einstrahlungsorten innerhalb der Frequenzbandbreite des Verstärkers messen kann.The proposed method requires an irradiation zone for the high-frequency radiation or energy, in which the material to be heated is located, and a power amplifier with an HF source that can generate electromagnetic oscillations in a certain frequency range at several (N ≥ 2) channels or outputs. This radiation zone (EMAZ) can be a fully or partially electromagnetically isolated cavity (e.g. a cavity whose walls are made of metal), or an open or partially open region within which most of the RF radiation and power is concentrated (e.g. the imaging chamber of a magnetic resonance tomograph, the area of application of a microwave-assisted quarry device, etc.). The oscillations of the power amplifier must be able to be generated coherently, i.e. they must be able to have the same frequency and a constant phase difference. The frequency, amplitude and phase of the vibrations must be adjustable and controllable by the amplifier. The amplifier feeds the EMAZ, in which the material to be heated is located, via the HF transmission channels with high-frequency electromagnetic radiation at N inlets or irradiation locations. Accordingly, the amplifier has N channels. At each inlet, one or more antennas are arranged as part of the respective RF transmission channel, which radiate into the EMAZ. There is also a measuring device that can measure the scatter parameters (S matrix) of the EMAZ at the N ≥ 2 irradiation locations within the frequency bandwidth of the amplifier.

Bei der ersten Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Verfahrens besteht das Erwärmungsgut aus L ≥ 2 trennbaren Teilen bzw. Objekten, die separat in die EMAZ eingeführt werden können. Beispielsweise kann das Erwärmungsgut auf metallischen oder andersartigen Trägern platziert werden, die separat in die EMAZ eingeführt werden können. Das Erwärmungsgut kann sich auch in getrennten Behältern befinden, die zumindest teilweise durchsichtig für die hochfrequente elektromagnetische Strahlung innerhalb des Betriebsfrequenzspektrums sind. In the first variant of the proposed method, the material to be heated consists of L ≥ 2 separable parts or objects that can be introduced separately into the EMAZ. For example, the material to be heated can be placed on metallic or other types of carriers that can be inserted separately into the EMAZ. The material to be heated can also be located in separate containers which are at least partially transparent to the high-frequency electromagnetic radiation within the operating frequency spectrum.

Diese Behälter können getrennt und unabhängig voneinander in die EMAZ eingeführt bzw. aus der EMAZ entfernt werden.These containers can be inserted into the EMAZ or removed from the EMAZ separately and independently of one another.

Die erste Verfahrensvariante lässt sich in drei Phasen zerlegen:

  1. (a) Abschätzung der Erwärmungsmatrizen des Erwärmungsguts.
  2. (b) Bestimmung der Anregungen der Kanäle des Verstärkers anhand einer Optimierung der Erwärmung.
  3. (c) Anwendung der obigen Anregungen zur Erwärmung der Last.
The first variant of the process can be broken down into three phases:
  1. (a) Estimation of the heating matrices of the material to be heated.
  2. (b) Determination of the excitations of the channels of the amplifier on the basis of an optimization of the heating.
  3. (c) Apply the suggestions above to heat the load.

Für die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen des Erwärmungsguts (erste Phase) werden unterschiedliche Teilmengen bzw. Objekte des Erwärmungsguts in die EMAZ eingeführt und die S-Parameter der teilbeladenen EMAZ an den Einstrahlungsorten gemessen. Zusätzlich werden die S-Parameter der vollbeladenen EMAZ gemessen, d.h. der EMAZ, wenn das gesamte Erwärmungsgut eingeführt worden ist. Die Differenz zwischen diesen S-Parametermessungen wird anhand des nachfolgend beschriebenen mathematischen Verfahrens ausgewertet, um die Erwärmungsmatrizen der unterschiedlichen Teilmengen bzw. Objekte des Erwärmungsguts zu berechnen. Dieser Schritt kann für beliebige Teilmengen des Erwärmungsguts wiederholt werden, soweit es dessen Form, Konsistenz und die Beladungsmöglichkeiten der EMAZ erlauben, bis die Erwärmungsmatrizen aller Teilmengen bzw. Objekte, aus denen sich das Erwärmungsgut zusammensetzt, berechnet worden sind.To estimate the heating matrices of the material to be heated (first phase), different subsets or objects of the material to be heated are introduced into the EMAZ and the S parameters of the partially loaded EMAZ are measured at the irradiation locations. In addition, the S-parameters of the fully loaded EMAZ are measured, i.e. the EMAZ when all the material to be heated has been introduced. The difference between these S-parameter measurements is evaluated using the mathematical method described below in order to calculate the heating matrices of the different subsets or objects of the material to be heated. This step can be repeated for any subsets of the material to be heated, as long as its shape, consistency and the loading options of the EMAZ allow, until the heating matrices of all subsets or objects that make up the material to be heated have been calculated.

Die zweite Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Verfahrens eignet sich für Erwärmungsgüter, die möglichst gleichmäßig erwärmt werden müssen, wobei deren dielektrische Eigenschaften vorzugsweise stark von der örtlichen Temperatur abhängen. Häufig vorkommende Anwendungsbeispiele, die unter diese Kategorie fallen, betreffen das Auftauen von gefrorenen Gütern (z.B. Lebensmittel, Fertiggerichte, tiefgefrorene Blutproben oder Transplantationsorgane usw.). Bei einer ungleichmäßigen Feldverteilung innerhalb des Erwärmungsguts (bzw. Auftauguts) gibt es „Hotspots“, d.h. lokalisierte Bereiche, deren Temperatur im Vergleich zu den anderen Bereichen überdurchschnittlich schnell steigt. Wenn die Verluste des Materials mit steigender Temperatur ebenfalls steigen, gibt es den sogenannten „Runaway Effekt“, währenddessen solche Hotspots immer mehr Leistung aufnehmen und noch schneller heißer werden, was wiederum die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ständig weiter verschlechtert. Es handelt sich hierbei also um eine positive Rückkopplungsschleife, deren unerwünschten Ergebnisse sich ständig selbst verstärken. Um diesem katastrophalen Effekt entgegenzuwirken, müssen die Anregungsparameter so nachgeregelt werden, dass so wenig Leistung wie möglich in die sich ständig bildenden Hotspots eingeführt wird. Bei der zweiten Verfahrensvariante werden wiederholt, vorzugsweise regelmäßig, S-Parametermessungen durchgeführt, um das Auftreten dieser Hotspots zu detektieren, ihre Erwärmungsmatrizen zu berechnen und ihrer weiteren Erwärmung entgegenzuwirken. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bzw. des Auftauens ständig überwacht und geregelt. Das Auftreten und die Erwärmungsmatrizen der Hotspots werden durch den Vergleich von aufeinanderfolgenden S-Parametermessungen detektiert bzw. ermittelt. Wenn sich die S-Parameter der EMAZ bei gleichgebliebener Anregung innerhalb eines zeitlichen Intervalls wesentlich geändert haben, deutet dies darauf hin, dass ein Teil des Erwärmungs- bzw. Auftauguts seine Eigenschaften wegen seiner Erwärmung verändert hat. Anhand dieser Veränderung werden gemäß der zweiten Verfahrensvariante passende Anregungen berechnet, die die betroffenen „heißen“ Bereiche am wenigsten weitererwärmen.The second method variant of the proposed method is suitable for items to be heated that have to be heated as uniformly as possible, their dielectric properties preferably depending strongly on the local temperature. Frequently occurring application examples that fall under this category relate to the thawing of frozen goods (e.g. food, ready meals, frozen blood samples or transplant organs, etc.). If the field distribution within the food to be heated (or defrosted) is uneven, there are "hotspots", i.e. localized areas whose temperature rises faster than average compared to the other areas. If the losses of the material also increase with increasing temperature, there is the so-called “runaway effect”, during which such hotspots consume more and more power and get hotter even faster, which in turn continuously worsens the uniformity of the heating. So this is a positive feedback loop, the undesirable results of which are constantly self-reinforcing. To counteract this catastrophic effect, the excitation parameters must be readjusted so that as little power as possible is introduced into the hotspots that are constantly forming. In the second variant of the method, S-parameter measurements are carried out repeatedly, preferably regularly, in order to detect the occurrence of these hotspots, to calculate their heating matrices and to counteract their further heating. As a result, the uniformity of the heating or thawing is constantly monitored and regulated. The occurrence and the heating matrices of the hotspots are detected or determined by comparing successive S-parameter measurements. If the S-parameters of the EMAZ have changed significantly within a time interval while the excitation has remained the same, this indicates that part of the food to be heated or thawed has changed its properties due to its warming. On the basis of this change, suitable suggestions are calculated according to the second variant of the method, which heat the affected “hot” areas the least.

Die zweite Verfahrensvariante kann in folgende Phasen zerlegt werden:

  1. (a) Messung der S-Parameter der EMAZ vor dem Start des Erwärmungsprozesses.
  2. (b) Auswahl eines Anregungsparametersatzes.
  3. (c) Anregung der EMAZ mit gewähltem Parametersatz.
  4. (d) Erneute Messung der S-Parameter, Abschätzung der Erwärmungsmatrizen eventueller Hotspots aus der Differenz der S-Parametermessungen und Berechnung neuer Anregungsparameter anhand der Erwärmungsmatrizen.
  5. (e) Falls der Erwärmungsprozess noch nicht zu beenden ist, gehe zu Schritt (c).
The second variant of the process can be broken down into the following phases:
  1. (a) Measurement of the S-parameters of the EMAZ before the start of the warming process.
  2. (b) Selection of a set of excitation parameters.
  3. (c) Excitation of the EMAZ with the selected parameter set.
  4. (d) Renewed measurement of the S-parameters, estimation of the heating matrices of any hotspots from the difference in the S-parameter measurements and calculation of new excitation parameters based on the heating matrices.
  5. (e) If the heating process has not yet ended, go to step (c).

Die Abschätzung der Erwärmungsmatrizen aus der Differenz zwischen den S-Parametermessungen erfolgt wiederum anhand eines mathematischen Verfahrens, das später näher beschrieben wird. Auf diese Weise werden anhand der Veränderung der S-Parameter passende Anregungsparameter ermittelt, um die Bildung von Hotspots während des Erwärmungsprozesses zu vermeiden.The estimation of the heating matrices from the difference between the S-parameter measurements is again carried out using a mathematical method that will be described in more detail later. In this way, based on the change in the S-parameters, suitable excitation parameters are determined in order to avoid the formation of hotspots during the heating process.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden aus differenziellen Streuparametermessungen Erwärmungsmatrizen von Teilbereichen einer Last ermittelt, die mittels kohärenter elektromagnetischer Leistung erwärmt werden soll. In der ersten Verfahrensvariante sind diese Teilbereiche vom Benutzer und/oder den geometrischen bzw. physikalischen Randbedingungen bestimmt. Der Benutzer kann diese Teilbereiche in die Bestrahlungszone einführen oder daraus entfernen. Aus den gemäß dem Verfahren abgeschätzten Erwärmungsmatrizen für diese Teilbereiche kann das Profil der elektromagnetischen Leistungsverteilung, das durch die Hochfrequenzstrahlung in die Last eingeprägt wird, optimiert werden. Dementsprechend können unterschiedliche Anwendungen der kohärenten Hochfrequenzerwärmung realisiert werden, beispielsweise die gleichmäßige Erwärmung oder die Fokussierung der Leistung in einen oder in mehrere Teilbereiche. In der zweiten Verfahrensvariante geht es um die möglichst gleichmäßige und materialschonende Erwärmung von Objekten, vorzugsweise von Objekten, in denen während des Erwärmungsprozesses ein abrupter Phasenübergang stattfindet. Ein Beispiel hierfür ist Gefriergut, bei dem der Phasenübergang von fest auf flüssig möglichst homogen und gleichzeitig erfolgen sollte. Das Ziel des Verfahrens besteht darin, das Entstehen von so genannten Hotspots zu detektieren, deren Erwärmungsmatrizen zu ermitteln und der Bildung der Hotspots entgegenzuwirken. In diesem Fall sind also die Teilbereiche, deren Erwärmungsmatrizen durch das vorgeschlagene Verfahren ermittelt werden, die Hotspots.In the proposed method, heating matrices of partial areas of a load that are to be heated by means of coherent electromagnetic power are determined from differential scatter parameter measurements. In the first variant of the method, these sub-areas are determined by the user and / or the geometric or physical boundary conditions. The user can introduce these partial areas into the irradiation zone or remove them therefrom. From the estimated according to the procedure Heating matrices for these sub-areas can be used to optimize the profile of the electromagnetic power distribution, which is impressed on the load by the high-frequency radiation. Accordingly, different applications of coherent high-frequency heating can be implemented, for example uniform heating or focusing of the power in one or more sub-areas. The second variant of the method is about heating objects as uniformly and gently as possible, preferably objects in which an abrupt phase transition takes place during the heating process. An example of this is frozen food, in which the phase transition from solid to liquid should be as homogeneous as possible and at the same time. The aim of the method is to detect the formation of so-called hotspots, to determine their heating matrices and to counteract the formation of hotspots. In this case, the sub-areas whose heating matrices are determined by the proposed method are the hotspots.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich um ein so genanntes blindes Verfahren, bei dem keine Sensordaten über physikalische Parameter wie beispielsweise Temperatur oder elektromagnetische Feldstärke in der Last bzw. EMAZ benötigt werden. Das Verfahren basiert nur auf Messungen an den Einstrahlungsorten bzw. Einlässen der hochfrequenten Strahlung bzw. den Ausgängen der Verstärkerkanäle. Es handelt sich hierbei um Streuparametermessungen der EMAZ. Damit ist keine umständliche, teure und schwer zu wartende Sensorik erforderlich. Der Erwärmungsprozess und die Benutzerfreundlichkeit werden nicht durch das Einführen bzw. das Entfernen von Sensoren in die Last bzw. EMAZ beeinträchtigt. Bei der ersten Verfahrensvariante ermöglicht die Ermittlung der Erwärmungsmatrizen der einzelnen Objekte bzw. Teilbereiche der Last ein breites Spektrum an Erwärmungsmöglichkeiten, von homogener Erwärmung bis zu selektiver Fokussierung der elektromagnetischen Leistung. Zwischen diesen extremen Leistungsverteilungen (homogen/fokussiert) können auch beliebige andere Verteilungen in die Last eingeprägt werden. Im Falle der Gleichmäßigkeitsoptimierung werden keinerlei bewegliche Teile für die Erzeugung eines statistisch homogenen elektromagnetischen Feldes benötigt. Ebenso wenig wird ein elektronisch generiertes Modenrauschen durch zufällige Frequenz- bzw. Phasenvariationen benötigt, das hohe Ansprüche an die Umschaltgeschwindigkeit des Leistungsverstärkers stellen würde und auf die unterschiedlichen Beladungsszenarien nicht anpassbar wäre. Auch eine Nutzung von Kontrastmitteln ist bei den vorgeschlagenen Verfahren nicht erforderlich. In einer Ausgestaltung der zweiten Verfahrensvariante kann ein Phasenübergang der Last anhand der Berechnung und Überwachung der mittleren Absorptionsrate der Last schnell und zuverlässig verfolgt bzw. detektiert werden. Der Vorteil der hierzu beschriebenen Methode liegt besonders darin, dass der Durchschnitt der Absorptionsrate direkt aus den S-Parametern abgeleitet werden kann, ohne zeitaufwändige (und oft nicht ausreichende) Parameterdurchläufe durchzuführen. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung kann in Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen Objekte oder Objektgruppen durch Hochfrequenzstrahlung definiert erhitzt werden sollen. Ein Beispiel ist die Anwendung in Mikrowellen- oder Kombiöfen für das Garen, Zubereiten, Auftauen von Lebensmitteln in Großküchen und der Gastronomie. Diese Öfen müssen das Erwärmungsgut gleichmäßig und effizient erwärmen, unter anderen um die hygienischen Vorschriften einzuhalten, die Eigenschaften der einzelnen Zutaten besser zu berücksichtigen, den Nahrungswert der Lebensmittel besser zu erhalten, den Garprozess zu beschleunigen. Andererseits ist es von großem Vorteil, wenn ein beliebiger Teil des Garguts stärker als der Rest erwärmt werden kann, denn dadurch lassen sich unterschiedliche Gerichte bzw. Lebensmittel gleichzeitig garen oder gleichartige Lebensmittel in unterschiedlichen Gargraden zubereiten. Ein weiteres Beispiel betrifft die Anwendung in der Industrie, insbesondere bei der Lebensmittelverarbeitung (z.B. Pasteurisierung, Trocknungsprozesse usw.), in der Chemietechnik (z.B. mikrowellenassistierte Synthese und Verarbeitung von chemischen Substanzen, Zubereitungsverfahren für pharmazeutische Produkte) oder in der Materialverarbeitung (z.B. Polymerisation, Erhitzung von Flüssig- und Festkörpern, unter anderem in der Keramik- und Stahlindustrie, Sinterung). Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht auch in der Medizintechnik, beispielsweise zur selektiven oder gleichmäßigen Erwärmung von Geweben, zum Auftauen von gefrorenen Gutvorräten oder Transplantationsorganen oder zur Optimierung der hochfrequenten elektromagnetischen Felder in der Magnetresonanztomografie.The proposed method is what is known as a blind method, in which no sensor data on physical parameters such as temperature or electromagnetic field strength in the load or EMAZ are required. The method is based only on measurements at the irradiation locations or inlets of the high-frequency radiation or the outputs of the amplifier channels. These are scatter parameter measurements by the EMAZ. This means that there is no need for cumbersome, expensive and difficult-to-maintain sensors. The heating process and usability are not affected by inserting or removing sensors in the load or EMAZ. In the first variant of the method, the determination of the heating matrices of the individual objects or partial areas of the load enables a wide range of heating options, from homogeneous heating to selective focusing of the electromagnetic power. Between these extreme power distributions (homogeneous / focused), any other distributions can also be impressed on the load. In the case of uniformity optimization, no moving parts are required to generate a statistically homogeneous electromagnetic field. Nor is electronically generated mode noise due to random frequency or phase variations required, which would place high demands on the switching speed of the power amplifier and would not be adaptable to the different loading scenarios. Use of contrast media is also not necessary with the proposed method. In one embodiment of the second variant of the method, a phase transition of the load can be tracked or detected quickly and reliably on the basis of the calculation and monitoring of the mean absorption rate of the load. The advantage of the method described for this purpose lies in the fact that the average of the absorption rate can be derived directly from the S parameters without performing time-consuming (and often insufficient) parameter runs. The proposed method and the associated device can be used in areas of application in which objects or groups of objects are to be heated in a defined manner by high-frequency radiation. One example is the use in microwave or combination ovens for cooking, preparing and defrosting food in large kitchens and restaurants. These ovens have to heat the food evenly and efficiently, among other things in order to comply with the hygienic regulations, to take better account of the properties of the individual ingredients, to better preserve the nutritional value of the food, to accelerate the cooking process. On the other hand, it is of great advantage if any part of the food can be heated more than the rest, because this allows different dishes or foods to be cooked at the same time or similar foods to be prepared in different degrees of cooking. Another example relates to the application in industry, especially in food processing (e.g. pasteurization, drying processes, etc.), in chemical engineering (e.g. microwave-assisted synthesis and processing of chemical substances, preparation processes for pharmaceutical products) or in material processing (e.g. polymerization, heating of liquids and solids, including in the ceramic and steel industry, sintering). Another possible use is in medical technology, for example for selective or uniform heating of tissues, for thawing frozen goods or transplant organs or for optimizing high-frequency electromagnetic fields in magnetic resonance tomography.

FigurenlisteFigure list

Die vorgeschlagenen Verfahrensvarianten sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher beschrieben. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Vorrichtung für die Erwärmung eines oder mehrerer Objekte;
  • 2 eine beispielhafte Aufteilung des Erwärmungsguts in vier Teilbereiche in der EMAZ;
  • 3 ein Beispiel für eine teilbeladene EMAZ, deren ursprüngliche Beladung in 2 dargestellt ist;
  • 4 ein weiteres Beispiel für eine teilbeladene EMAZ, deren ursprüngliche Beladung in 2 dargestellt ist;
  • 5 ein Beispiel für die Wahl der Betriebs- bzw. Anregungsparameter nach einem Zeitschlitzverfahren; und
  • 6 ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der Wärmeverteilung während der Erwärmung eines Erwärmungsguts.
The proposed method variants and the associated device are described in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 1 a schematic representation of an example of the proposed device for heating one or more objects;
  • 2 an exemplary division of the material to be heated into four sub-areas in the EMAZ;
  • 3 an example of a partially loaded EMAZ whose original load was in 2 is shown;
  • 4th Another example of a partially loaded EMAZ whose original load was in 2 is shown;
  • 5 an example for the selection of the operating or excitation parameters according to a time slot method; and
  • 6th an example of the development over time of the heat distribution during the heating of a material to be heated.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine beispielhaft ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist folgende Bestandteile auf:

  • • Eine elektromagnetische Bestrahlungszone (EMAZ) 1, die in 1 beispielhaft als elektromagnetisch isolierte Kammer ausgebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt. Die EMAZ kann auch offen oder halboffen ausgebildet, nichtisoliert oder nur teilweise isoliert sein.
  • • Einen kohärenten hochfrequenten Leistungsverstärker 4 mit HF-Quelle, der N ≥ 2 separate elektromagnetische Schwingungen auf N (also gleich vielen) Kanälen gleichzeitig generieren kann, deren Frequenzen, Amplituden und relative Phasendifferenzen durch den Nutzer oder eine selbstständige Steuerungssoftware innerhalb bekannter Toleranzen festgelegt bzw. variiert werden können. Die Frequenzen der Ausgangssignale des Leistungsverstärkers 4 müssen nicht zwangsläufig dieselbe Frequenz haben. Es muss jedoch die Möglichkeit bestehen, einige oder alle Ausgangssignale kohärent zu generieren, d.h. bei exakt derselben stabilen Frequenz und mit fester relativer Phasendifferenz zueinander.
  • • Zwei oder mehr Antennen 2, die hochfrequente elektromagnetische Strahlung in die EMAZ einspeisen können und Teil der HF-Sendekanäle der Vorrichtung sind. An jedem Kanal des Leistungsverstärkers 4 können hierzu eine oder mehrere Antennen angeschlossen sein, auch wenn in 1 beispielhaft nur eine Antenne pro Kanal angezeigt wird.
  • Eine Messeinrichtung 5, die die komplexen Streuparameter bzw. Streumatrizen der EMAZ mit vordefinierter Frequenzauflösung innerhalb der Betriebsbandbreite zu willkürlichen Zeitpunkten vor, während und nach dem Erwärmungsprozess messen kann. Die Messeinrichtung kann entweder in die oben genannte Signalquelle eingebaut oder separat davon angeordnet sein.
  • • Eine Steuer- und Auswerteeinheit 9, die an vier Datenströmen angebunden ist: einen benutzerdefinierten Eingangsdatenstrom 7, einen Befehlsdatenstrom 8, einen Rückmeldungsstrom 6 aus dem Leistungsverstärker 4 und der Messeinrichtung 5, und (optional) einen Rückmeldungsstrom 10 aus der EMAZ 1. Der Rückmeldungsstrom 6 enthält Daten der S-Parametermessungen aus der Messeinrichtung 5. Der Eingangsdatenstrom 7 enthält Anweisungen vom Benutzer (beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Leistungspegel, Dauer der Erwärmung, Frequenzauflösung, Anzahl der Zyklen, Erwärmungsprofil usw.). Der Befehlsdatenstrom 8 beinhaltet die Anregungsparameter für die unterschiedlichen Kanäle des Verstärkers (u.a. Frequenz, Amplitude, Phasendifferenz, Dauer des Signals). Der Rückmeldungsstrom 10 kann Sensordaten aus der EMAZ und/oder dem Erwärmungsgut enthalten (z.B. Temperatur, Feuchtegrad usw.), falls solche Sensoren vorhanden sind. Die Steuer- und Auswerteeinheit 9 beinhaltet Software, die unterschiedliche mathematische Verfahren A und B zur Abschätzung der Erwärmungsmatrizen und Bestimmung der Betriebs- bzw. Anregungsparameter ausführt. Das Verfahren A schätzt anhand differentieller S-Parametermessungen (d.h. S-Parametermessungen, die an unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden) die Erwärmungsmatrizen, im Folgenden auch als Q-Matrizen bezeichnet, eines oder mehrerer Teilbereiche des Erwärmungsguts ab. Das Verfahren B bestimmt anhand der Q-Matrizen, die mit Verfahren A berechnet bzw. abgeschätzt wurden, die passenden Anregungen, um eine erwünschte Wärme- bzw. Leistungsverteilung im Erwärmungsgut zu erzeugen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 9 ist ein zentrales Element in einer Feedbackschleife, die den Erwärmungsprozess kontinuierlich überwacht und steuert.
A device embodied by way of example for carrying out the proposed method is shown in FIG 1 shown schematically. The device has the following components:
  • • An electromagnetic radiation zone (EMAZ) 1 , in the 1 is designed for example as an electromagnetically isolated chamber. However, the invention is not limited to such an embodiment. The EMAZ can also be open or semi-open, non-insulated or only partially insulated.
  • • A coherent high frequency power amplifier 4th with HF source that can generate N ≥ 2 separate electromagnetic oscillations on N (i.e. the same number) channels at the same time, the frequencies, amplitudes and relative phase differences of which can be defined or varied by the user or independent control software within known tolerances. The frequencies of the output signals from the power amplifier 4th do not necessarily have to have the same frequency. However, it must be possible to generate some or all of the output signals coherently, ie at exactly the same stable frequency and with a fixed relative phase difference to one another.
  • • Two or more antennas 2 that can feed high-frequency electromagnetic radiation into the EMAZ and are part of the device's RF transmission channels. On each channel of the power amplifier 4th one or more antennas can be connected for this purpose, even if in 1 for example only one antenna per channel is displayed.
  • • A measuring device 5 that can measure the complex scatter parameters or scatter matrices of the EMAZ with a predefined frequency resolution within the operating bandwidth at arbitrary times before, during and after the heating process. The measuring device can either be built into the above-mentioned signal source or arranged separately from it.
  • • A control and evaluation unit 9 connected to four data streams: a user-defined input data stream 7th , a command stream 8th , a feedback stream 6th from the power amplifier 4th and the measuring device 5 , and (optional) a feedback stream 10 from the EMAZ 1 . The feedback stream 6th contains data of the S-parameter measurements from the measuring device 5 . The input data stream 7th contains instructions from the user (for example, but not limited to, power level, duration of heating, frequency resolution, number of cycles, heating profile, etc.). The command stream 8th contains the excitation parameters for the different channels of the amplifier (including frequency, amplitude, phase difference, duration of the signal). The feedback stream 10 can contain sensor data from the EMAZ and / or the material to be heated (e.g. temperature, degree of humidity, etc.), if such sensors are available. The control and evaluation unit 9 contains software that executes different mathematical methods A and B for estimating the heating matrices and determining the operating and excitation parameters. Method A uses differential S-parameter measurements (ie S-parameter measurements that take place at different times) to estimate the heating matrices, also referred to below as Q matrices, of one or more partial areas of the material to be heated. Method B uses the Q matrices that were calculated or estimated using method A to determine the appropriate stimuli in order to generate a desired heat or power distribution in the material to be heated. The control and evaluation unit 9 is a central element in a feedback loop that continuously monitors and controls the heating process.

In 1 ist auch eine Last bzw. Erwärmungsgut 3 zu erkennen, das in die EMAZ eingebracht wurde und aus einem oder mehreren dielektrischen Objekten bestehen kann.In 1 is also a load or good to be heated 3 to recognize that has been introduced into the EMAZ and can consist of one or more dielectric objects.

Im Folgenden werden zwei beispielhafte Ausführungen des vorgeschlagenen Verfahrens näher erläutert, im Rahmen derer auch die mathematischen Verfahren A und B näher beschrieben werden.In the following, two exemplary embodiments of the proposed method are explained in more detail, in the context of which the mathematical methods A and B are also described in more detail.

Erste AusführungFirst execution

Die erste beispielhafte Ausführung betrifft Erwärmungsszenarien, bei denen der Benutzer das Erwärmungsgut in Teilmengen aufteilen kann und separat in die EMAZ einführen bzw. aus der EMAZ entfernen kann. Dies kann beispielsweise in einem Mikrowellenofen oder Kombiofen mit mehreren Einschüben auftreten, in dem die Gerichte bzw. Lebensmittel auf unterschiedlichen Trägern (z.B. Backblechen) platziert werden können. Man nehme also an, dass das Erwärmungsgut aus L Teilen besteht, die in den 2 bis 4 als G1, G2, ..., Gl, ..., GL gekennzeichnet sind und getrennt in die EMAZ 1 eingeführt bzw. von der EMAZ 1 entfernt werden können. Das Verfahren besteht aus drei Phasen:

  1. 1. Abschätzung der Erwärmungsmatrizen der L Teilbereiche.
  2. 2. Bestimmung der Anregungen der Kanäle des Verstärkers anhand von Optimierung des Leistungsmusters.
  3. 3. Anwendung der obigen Anregungen zur Erwärmung der Last.
The first exemplary embodiment relates to heating scenarios in which the user can divide the material to be heated into partial quantities and introduce it separately into the EMAZ or remove it from the EMAZ. This can occur, for example, in a microwave oven or combi oven with several racks, in which the dishes or food can be placed on different carriers (e.g. baking trays). So one assumes that the material to be heated consists of L parts, which are in the 2 until 4th are marked as G 1 , G 2 , ..., G l , ..., G L and are separated into the EMAZ 1 introduced or by the EMAZ 1 can be removed. The process consists of three phases:
  1. 1. Estimation of the heating matrices of the L sub-areas.
  2. 2. Determination of the excitations of the channels of the amplifier on the basis of optimization of the power pattern.
  3. 3. Applying the suggestions above to heat the load.

Phase 1 (Erkennungsphase):

  1. 1. Der Benutzer führt das gesamte Erwärmungsgut (G1, G2, ..., GL) in EMAZ 1 ein und das System misst die N × N S-Matrix der EMAZ bei mehreren Frequenzen ƒ12, ..., ƒN ƒ mithilfe der Messeinrichtung 5. Die Daten werden als Nf komplexe Matrizen S0n),n = 1, ...,Nƒ, mittels Datenstrom 6 in den Speicher von Steuer- und Auswerteeinheit 9 übertragen. In 2 ist eine beispielhafte Aufteilung des Erwärmungsguts 3 in vier Teilbereiche G1, G2, G3, G4 dargestellt.
  2. 2. Für l = 1 bis L
    1. a. Der Benutzer entfernt den Teil Cl des Erwärmungsguts. Dabei kann entweder Gl samt seinen Träger entfernt werden (siehe z.B. 3) oder nur das Erwärmungsgut entfernt werden (siehe z.B. 4). In letzterem Fall ist es in der Regel praktischer, zuerst Gl samt seinen Träger zu entfernen und danach einen anderen leeren, identischen Träger einzuführen. Wenn die Geometrie und das Material des Trägers das EM-Feld innerhalb der EMAZ stark beeinflusst, kann diese alternative Vorgehensweise Vorteile haben.
    2. b. Das System misst die N × N S-Matrix der EMAZ bei denselben Frequenzen ƒn, n = 1, ..., Nƒ mithilfe der Messeinheit 5. Die Daten werden als Nƒ komplexe Matrizen Sln), n = 1, ...,Nƒ, mittels Datenstrom 6 in den Speicher von Steuer- und Auswerteeinheit 9 übertragen.
    3. c. Steuer- und Auswerteeinheit 9 berechnet die Q-Matrix von Teilbereich Gl mithilfe von Verfahren A.
    4. d. Der Benutzer führt Teilmenge Gl wieder in die EMAZ ein.
Phase 1 (recognition phase):
  1. 1. The user enters the entire item to be heated (G 1 , G 2 , ..., G L) in EMAZ 1 one and the system measures the N × N S matrix of the EMAZ at several frequencies ƒ 1 , ƒ 2 , ..., ƒ N ƒ using the measuring device 5 . The data are provided as N f complex matrices S 0n ), n = 1, ..., N ƒ , by means of a data stream 6th into the memory of the control and evaluation unit 9 transfer. In 2 is an exemplary division of the material to be heated 3 shown in four sub-areas G 1 , G 2 , G 3 , G 4 .
  2. 2. For l = 1 to L
    1. a. The user removes the part C l of the material to be heated. Either G l and its carrier can be removed (see e.g. 3 ) or only the material to be heated must be removed (see e.g. 4th ). In the latter case, it is usually more practical to first remove G 1 and its carrier and then to insert another empty, identical carrier. If the geometry and material of the carrier have a strong influence on the EM field within the EMAZ, this alternative approach can have advantages.
    2. b. The system measures the N × N S matrix of the EMAZ at the same frequencies ƒ n , n = 1, ..., N ƒ using the measuring unit 5 . The data are provided as N ƒ complex matrices S ln ), n = 1, ..., N ƒ , by means of a data stream 6th into the memory of the control and evaluation unit 9 transfer.
    3. c. Control and evaluation unit 9 calculates the Q-matrix of sub-area G l using method A.
    4. d. The user re-introduces subset G l into the EMAZ.

Im Folgenden wird die Form von Verfahren A im Falle der ersten Ausführung des Verfahrens erklärt. Das Ziel dieses Algorithmus ist, die Erwärmungsmatrix (Q-Matrix) eines Teilbereichs Gl zu ermitteln. Diese Matrix ist eine N × N komplex symmetrische Matrix Ql, wo N die Anzahl der Kanäle darstellt. Wenn die Anregung der Kanäle durch den komplexen Vektor a = [a1 a2 ... aN ] T gegeben ist (wobei |an|2 die Leistung von Kanal n und arg an seine Phase darstellen), dann ist per Definition die innerhalb von Gl in Wärme umgewandelte elektromagnetische Leistung gleich p l = a H Q l a .

Figure DE102019210264B4_0001
The following explains the form of Method A in the case of performing the method for the first time. The aim of this algorithm is to determine the heating matrix (Q matrix) of a sub-area G l . This matrix is an N × N complex symmetric matrix Q l , where N represents the number of channels. If the excitation of the channels is given by the complex vector a = [a 1 a 2 ... a N] T (where | a n | 2 represents the power of channel n and arg a n its phase), then by definition equals the electromagnetic power converted into heat within G l p l = a H Q l a .
Figure DE102019210264B4_0001

Die Elemente einer Q-Matrix können durch folgende Formel definiert werden: q i j l = 1 2 G l σ ( r ) E i ( r ) E j ( r ) d V

Figure DE102019210264B4_0002
wobei Ek(r) das elektrische Feld, das von Kanal k erzeugt wird, wenn nur Kanal k sendet, und σ(r) die äquivalente elektrische Leitfähigkeit im Erwärmungsgut darstellen.The elements of a Q-matrix can be defined by the following formula: q i j l = 1 2 G l σ ( r ) E. i ( r ) E. j ( r ) d V
Figure DE102019210264B4_0002
where E k (r) is the electric field that is generated by channel k if only channel k is transmitting, and σ (r) represents the equivalent electrical conductivity in the material to be heated.

Anhand des Energieerhaltungssatzes ist die gesamte Leistung, die in der EMAZ verbraucht wird, gleich der eingespeisten Leistung ||a||2 = aHa minus der reflektierten Leistung ||S0a||2 = aHS0 HS0a. Man beachte dabei, dass die reflektierte Leistung durch die S-Matrix S0 berechnet wird, d.h. durch die Messung, die bei Vollbeladung der EMAZ durchgeführt wurde. Daher ist p 1 + p 2 + + p L + p w = a H a a H S 0 H S 0 a = a H ( I S 0 H S 0 ) a ,

Figure DE102019210264B4_0003
wobei pw = aHQwa die parasitären Verluste der EMAZ sind. Solche Verluste können bspw. an den metallischen Wänden der EMAZ entstehen, falls die Bestrahlungszone durch metallische Wände von ihrer Umgebung teilweise oder vollständig isoliert wird. Ferner können parasitäre Verluste auch an anderen metallischen Gegenständen (z.B. Antennen, Lastträger) entstehen, die nicht zum Erwärmungsgut gehören. Falls die EMAZ nicht vollständig (wenn überhaupt) von ihrer Umgebung isoliert ist, kann man schließlich unter parasitären Verlusten auch die EM-Strahlungsleckage aus der Bestrahlungszone in ihre Umgebung einstufen.Using the law of conservation of energy, the total power consumed in the EMAZ is equal to the power fed in || a || 2 = a H a minus the reflected power || S 0 a || 2 = a H S 0 H S 0 a. Note that the reflected power is calculated by the S matrix S 0 , ie by the measurement that was carried out when the EMAZ was fully loaded. thats why p 1 + p 2 + + p L. + p w = a H a - a H S. 0 H S. 0 a = a H ( I. - S. 0 H S. 0 ) a ,
Figure DE102019210264B4_0003
where p w = a H Q w a are the parasitic losses of the EMAZ. Such losses can arise, for example, on the metallic walls of the EMAZ if the irradiation zone is partially or completely isolated from its surroundings by metallic walls. Furthermore, parasitic losses can also occur on other metallic objects (e.g. antennas, load carriers) that are not part of the material to be heated. If the EMAZ is not completely (if at all) isolated from its surroundings, one can finally classify the EM radiation leakage from the irradiation zone into its surroundings under parasitic losses.

Daher ergibt sich die Gleichung a H ( Q w + k = 1 L Q k ) a = a H ( I S 0 H S 0 ) a

Figure DE102019210264B4_0004
für alle möglichen Vektoren a ∈ CN . Daraus lässt sich folgende Matrixgleichung ableiten: Q w + k = 1 L Q k = I S 0 H S 0
Figure DE102019210264B4_0005
Hence the equation results a H ( Q w + k = 1 L. Q k ) a = a H ( I. - S. 0 H S. 0 ) a
Figure DE102019210264B4_0004
for all possible vectors a ∈ C N. The following matrix equation can be derived from this: Q w + k = 1 L. Q k = I. - S. 0 H S. 0
Figure DE102019210264B4_0005

Wenn die EMAZ nicht vollbeladen ist, sondern ein Teil (bspw. Gl) fehlt, kann man anhand ähnlicher Vorgehensweise folgende Gleichung ableiten: Q w + k 1 Q k I S l H S l

Figure DE102019210264B4_0006
If the EMAZ is not fully loaded, but a part (e.g. G l ) is missing, the following equation can be derived using a similar procedure: Q w + k 1 Q k I. - S. l H S. l
Figure DE102019210264B4_0006

Dabei sei zu beachten, dass in Gleichung (3) die S-Parametermessung SI der EMAZ ohne den l -ten Teil des Garguts Gl und die Q-Matrizen Qk der EMAZ unter Vollbeladung erscheinen. Eine implizite Annahme in Gleichung (3) ist, dass die Q-Matrizen aller Teilmengen des Erwärmungsguts (Qk, k ≠ l), die in der EMAZ verblieben sind, und der Wandverluste gleich wie im Fall der Vollbeladung (s. Gleichung (2)) geblieben sind. Dies ist nur eine Näherung, denn das Entfernen eines Teils des Erwärmungsguts wird die elektromagnetischen Felder innerhalb der EMAZ etwas verändern, was wiederum laut Gleichung (1) zur Veränderung der Q-Matrizen der Teilbereiche Gl führt. Daher stellt Gleichung (3) nur eine Approximation dar.It should be noted that in equation (3) the S parameter measurement S I of the EMAZ without the l -th part of the food G l and the Q matrices Q k of the EMAZ appear with a full load. An implicit assumption in equation (3) is that the Q matrices of all subsets of the material to be heated (Q k , k ≠ l) that have remained in the EMAZ and the wall losses are the same as in the case of a full load (see equation (2 )) have stayed. This is only an approximation, because removing part of the material to be heated will slightly change the electromagnetic fields within the EMAZ, which in turn leads to a change in the Q matrices of the sub-areas G l according to equation (1). Therefore equation (3) is only an approximation.

Wenn man Gleichungen (2) und (3) voneinander abzieht, erhält man folgende Schätzung für die Q-Matrix des Teils Gl des Erwärmungsguts: Q l S l H S l S 0 H S 0 = Δ ( S H S )

Figure DE102019210264B4_0007
If one subtracts equations (2) and (3) from one another, one obtains the following estimate for the Q-matrix of the part G l of the material to be heated: Q l S. l H S. l - S. 0 H S. 0 = Δ ( S. H S. )
Figure DE102019210264B4_0007

Damit ist eine gute Approximation für die Erwärmungsmatrix eines Teilbereichs des Erwärmungsguts die Veränderung des S-Parameterprodukts SHS, nachdem besagter Teilbereich aus der EMAZ entfernt wurde. Dies hat folgende einfache physikalische Interpretation: die Veränderung von SHS ist gleich der Veränderung der reflektierten Leistung. Es ist klar, dass die konsumierte Leistung sinken und die reflektierte Leistung um den gleichen Betrag steigen muss, wenn ein Teil des Erwärmungsguts entfernt wird. Die Veränderung des S-Parameterprodukts Δ(SHS) muss also gleich der Leistung Ql sein, die im Teilbereich Gl konsumiert wurde.A good approximation for the heating matrix of a sub-area of the material to be heated is therefore the change in the S-parameter product S H S after said sub-area has been removed from the EMAZ. This has the following simple physical interpretation: the change in SHS is equal to the change in reflected power. It is clear that the power consumed must decrease and the reflected power increase by the same amount if part of the material to be heated is removed. The change in the S-parameter product Δ (S H S) must therefore be equal to the power Q l that was consumed in the sub-area G l.

Das Verfahren gemäß Gleichung (4) wird im Folgenden mit A0 bezeichnet. Da Umverteilungseffekte des elektromagnetischen Feldmusters bei Entfernung von Teilmengen zu Fehlern bei der Abschätzung der Q-Matrizen führen können, ist es möglich, dass die geschätzten Q-Matrizen Q ˜ l S l H S l S 0 H S 0

Figure DE102019210264B4_0008
unnatürliche negative Eigenwerte aufweisen. Solche Eigenwerte sind unnatürlich, weil alle Eigenwerte von Q-Matrizen Leistungswerte repräsentieren, wie aus der Gleichung vHlv = vH(λv) = λ||v||2ersichtlich ist, wo v der Eigenvektor von Q̃l ist, der dem Eigenwert λ entspricht. Der Eigenwert ist die Leistung, die der Eigenvektor in Teilbereich Gl generiert, normiert durch die Eingangsleistung des Eigenvektors. Leistungswerte können nur positiv sein, was demnach auch für die Eigenwerte gelten muss. Um dieses Problem zu beheben, kann man die geschätzten Q-Matrizen Q̃l durch die beste positiv semidefinite Approximation ersetzen. Diese Approximation lässt sich durch folgende Formel berechnen: Q ^ l = 1 2 ( U + V ) Σ V H
Figure DE102019210264B4_0009
wo Q̃l = UΣVH die Singulärwertzerlegung von Q̃l. Matrix Q̂l ist demnach die beste Approximation von Q̃l, die „natürliche Eigenschaften“, also nichtnegative Eigenwerte hat. Das Verfahren, das durch das Hinzufügen von Approximation (5) entsteht, wird im Folgenden als A1 Variation von Verfahren A bezeichnet.The method according to equation (4) is referred to below with A0. Since redistribution effects of the electromagnetic field pattern when subsets are removed can lead to errors in the estimation of the Q-matrices, it is possible that the estimated Q-matrices Q ˜ l S. l H S. l - S. 0 H S. 0
Figure DE102019210264B4_0008
have unnatural negative eigenvalues. Such eigenvalues are unnatural because all eigenvalues of Q-matrices represent power values, as from the equation v Hl v = v H (λv) = λ || v || 2 it can be seen where v is the eigenvector of Q̃ l , which corresponds to the eigenvalue λ. The eigenvalue is the power that the eigenvector generated in sub-area G l , normalized by the input power of the eigenvector. Performance values can only be positive, which must therefore also apply to the eigenvalues. To solve this problem, the estimated Q-matrices Q̃ l can be replaced by the best positive semidefinite approximation. This approximation can be calculated using the following formula: Q ^ l = 1 2 ( U + V ) Σ V H
Figure DE102019210264B4_0009
where Q̃ l = UΣV H is the singular value decomposition of Q̃ l . Matrix Q̂ l is therefore the best approximation of Q̃ l , which has “natural properties”, that is, nonnegative eigenvalues. The procedure created by adding approximation ( 5 ) is referred to below as the A1 variation of method A.

Es gibt eine weitere physikalische Bedingung, deren Einhaltung zur Verbesserung der Schätzung der Q-Matrizen führen könnte, nämlich der Energieerhaltungssatz, der durch Gleichung (2) verkörpert wird. Da die durch (4) geschätzten Q-Matrizen einen gewissen Grad an Ungenauigkeit enthalten, ist zu erwarten, dass Gleichung (2) von den geschätzten Matrizen Q̃l nicht eingehalten wird. Man könnte jedoch nach neuen Matrizen Q̂l suchen, die einerseits möglichst nah an den ursprünglichen Schätzungen Q̃l liegen, andererseits positiv semidefinit sind und Gleichung (2) erfüllen. Somit lässt sich folgendes Optimierungsproblem formulieren:

  • Finde Matrizen Q̂l, l = 1,2, ..., L die:
    1. 1. Positiv semidefinit sind, d.h. Q̂l ≥ 0.
    2. 2. Die Gleichung Q ˜ w + k = 1 L Q ^ l = I S 0 H S 0
      Figure DE102019210264B4_0010
      erfüllen.
    3. 3. Folgende Norm minimieren: l = 1 L Q ^ l Q ˜ l 2 .
      Figure DE102019210264B4_0011
There is another physical condition which, if met, could improve the estimate of the Q-matrices, namely the law of conservation of energy, which is embodied by equation (2). Since the Q matrices estimated by (4) contain a certain degree of inaccuracy, it is to be expected that equation (2) will not be met by the estimated matrices Q̃ l. However, one could search for new matrices Q̂ l , which on the one hand lie as close as possible to the original estimates Q̃ l , on the other hand are positive semidefinite and satisfy equation (2). The following optimization problem can thus be formulated:
  • Find matrices Q̂ l , l = 1,2, ..., L which:
    1. 1. Are positive semidefinite, ie Q̂ l ≥ 0.
    2. 2. The equation Q ˜ w + k = 1 L. Q ^ l = I. - S. 0 H S. 0
      Figure DE102019210264B4_0010
      fulfill.
    3. 3. Minimize the following norm: l = 1 L. Q ^ l - Q ˜ l 2 .
      Figure DE102019210264B4_0011

Man beachte, dass man in Schritt 2 die genaue Q-Matrix der parasitären Verluste Q̃w nicht verwenden kann, da sie unbekannt ist. Man kann jedoch stattdessen eine Abschätzung Q̃w besagter Q-Matrix verwenden, die man z.B. ermitteln kann, wenn man die Verluste der leeren EMAZ durch Formel Q ˜ w = I S e H S e

Figure DE102019210264B4_0012
berechnet, wobei Se die S-Parameter der leeren EMAZ repräsentieren.Note that you step in 2 cannot use the exact Q matrix of parasitic losses Q̃ w because it is unknown. However, one can use an estimate Q̃ w of said Q-matrix instead, which can be determined, for example, by calculating the losses of the empty EMAZ by means of a formula Q ˜ w = I. - S. e H S. e
Figure DE102019210264B4_0012
calculated, where S e represent the S parameters of the empty EMAZ.

Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann anhand entsprechender numerischer Verfahren, die durch Software auf Steuerungs- und Auswerteeinheit 9 implementiert sind, gelöst werden. Diese Variation von Verfahren A, die die Lösung von obigem konvexen Optimierungsproblem erfordert, nennen wir A2.The above optimization problem is convex and can be solved by means of corresponding numerical methods, which are carried out by software on the control and evaluation unit 9 are implemented. We call this variation of method A, which requires the solution of the above convex optimization problem, A2.

Anhand des Energieerhaltungssatzes kann Phase 1 auch so modifiziert werden, dass man nur L - 1 statt L Schritte durchführen muss. Wenn man die Q-Matrizen der ersten L - 1 Teilbereiche berechnet hat, kann man die Erwärmungsmatrix des L -ten Teilbereichs durch den Energieerhaltungssatz wie folgt berechnen: Q ˜ L = I S 0 H S 0 l = 1 L 1 Q ˜ l Q ˜ w

Figure DE102019210264B4_0013
Using the law of conservation of energy, phase 1 can also be modified in such a way that one only has to carry out L - 1 instead of L steps. When the Q-matrices of the first L - 1 sub-areas have been calculated, the warming matrix of the L-th sub-area can be calculated using the law of conservation of energy as follows: Q ˜ L. = I. - S. 0 H S. 0 - l = 1 L. - 1 Q ˜ l - Q ˜ w
Figure DE102019210264B4_0013

Den letzten Term von Gleichung (6) kann man entweder weglassen, wenn die parasitären Verluste klein sind, oder durch Messung der S-Parameter Se der leeren EMAZ, wie vorhin beschrieben, abschätzen. Für den Fall L = 2 als Beispiel, also Unterteilung des Erwärmungsguts in zwei Bereiche, kann man demnach das Verfahren von Phase 1 wie folgt vereinfachen:

  1. 1. Miss die S-Parameter der leeren EMAZ Se bei Frequenzen f1, fz, ...,fN f und berechne Q ˜ w = I S e H S e
    Figure DE102019210264B4_0014
  2. 2. Führe den ersten Teil der Last G1 in die EMAZ ein und miss erneut die S-Parameter S2 der EMAZ.
  3. 3. Ohne den Teil G1 zu entfernen, führe den zweiten Teil der Last G2 in die EMAZ ein und miss die S-Parameter S0 der vollbeladenen EMAZ.
  4. 4. Berechne Q-Matrix von G2 durch Q ˜ 2 = S 2 H S 2 S 0 H S 0 .
    Figure DE102019210264B4_0015
  5. 5. Berechne Q-Matrix von G1 durch Q ˜ 1 = I S 0 H S 0 Q ˜ 2 Q ˜ w .
    Figure DE102019210264B4_0016
The last term of equation (6) can either be omitted if the parasitic losses are small, or estimated by measuring the S parameters S e of the empty EMAZ, as described above. For the case L = 2 as an example, i.e. subdivision of the material to be heated into two areas, the phase 1 simplify as follows:
  1. 1. Measure the S parameters of the empty EMAZ S e at frequencies f 1 , f z , ..., f N f and calculate Q ˜ w = I. - S. e H S. e
    Figure DE102019210264B4_0014
  2. 2. Introduce the first part of the load G 1 into the EMAZ and measure the S-parameters S 2 of the EMAZ again.
  3. 3. Without removing part G 1 , introduce the second part of load G 2 into the EMAZ and measure the S-parameters S 0 of the fully loaded EMAZ.
  4. 4. Compute Q-matrix of G 2 by Q ˜ 2 = S. 2 H S. 2 - S. 0 H S. 0 .
    Figure DE102019210264B4_0015
  5. 5. Compute Q-matrix of G 1 by Q ˜ 1 = I. - S. 0 H S. 0 - Q ˜ 2 - Q ˜ w .
    Figure DE102019210264B4_0016

Phase 2 (Optimierungsphase):Phase 2 (optimization phase):

In dieser Phase der ersten beispielhaften Ausführung des Verfahrens muss der Benutzer oder das System eine oder mehrere Anforderungen an die elektromagnetische Leistungsverteilung stellen und die Kanalanregungen durch ein Optimierungsverfahren so wählen, dass das erzeugte Leistungsmuster den Anforderungen genügt. Es können unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, die ein entsprechendes Optimierungsverfahren benötigen. Im Folgenden werden beispielhaft zwei der am häufigsten benutzten Anforderungen beschrieben.In this phase of the first exemplary embodiment of the method, the user or the system must place one or more requirements on the electromagnetic power distribution and use an optimization method to select the channel excitations so that the generated power pattern meets the requirements. Different requirements can be made that require a corresponding optimization process. Two of the most frequently used requirements are described below as examples.

1) Fokussierung der elektromagnetischen Leistung:1) Focusing the electromagnetic power:

Bei dieser Anforderung geht es darum, die meiste Leistung in einen Teilbereich Gl des Erwärmungsguts zu konzentrieren. Da das Volumen besagten Teilbereichs viel kleiner als das des restlichen Erwärmungsguts sein kann, ist es sinnvoller über Leistungsdichte zu reden, also über Leistung normiert durch das Volumen, in dem diese verbraucht wird. Ein Kriterium für die Qualität der Fokussierung, das häufig verwendet wird, ist der Leistungskontrast, also das Verhältnis der durchschnittlichen Leistungsdichte im fokussierten Bereich zur durchschnittlichen Leistungsdichte im restlichen Erwärmungsgut: MPDR= k l V k V l p l k l p k

Figure DE102019210264B4_0017
wobei pk die Leistung, die im Teilbereich Gk verbraucht wird und Vk das entsprechende Volumen besagten Teilbereichs darstellen. In der obigen Definition ist als zu fokussierender Bereich der l -te Teilbereich Gl angenommen. Das Akronym MPDR steht für „Mean Power Density Ratio“, also Verhältnis der durchschnittlichen Leistungsdichten. Zur Maximierung von MDPR kann ein Algorithmus eingesetzt werden, wie er beispielsweise in der DE 10 2016 202 234 B3 in den Absätzen [0049]-[0051] beschrieben ist.This requirement is about concentrating most of the power in a sub-area G l of the material to be heated. Since the volume of said sub-area can be much smaller than that of the rest of the material to be heated, it makes more sense to talk about power density, i.e. about power normalized by the volume in which it is consumed. A criterion for the quality of the focusing that is often used is the power contrast, i.e. the ratio of the average power density in the focused area to the average power density in the rest of the material to be heated: MPDR = k l V k V l p l k l p k
Figure DE102019210264B4_0017
where p k is the power that is consumed in sub-area G k and V k represents the corresponding volume of said sub-area. In the above definition, the l-th sub-area G l is assumed to be the area to be focused. The acronym MPDR stands for "Mean Power Density Ratio". To maximize MDPR, an algorithm such as that described in the DE 10 2016 202 234 B3 in paragraphs [0049] - [0051].

Wenn man den konstanten Vorfaktor in Gleichung (7) weglässt, ist es ausreichend, folgenden Quotienten zu maximieren: a H Q l a a H ( k l Q k ) a

Figure DE102019210264B4_0018
If one omits the constant prefactor in equation (7), it is sufficient to maximize the following quotient: a H Q l a a H ( k l Q k ) a
Figure DE102019210264B4_0018

Dieses Problem lässt sich als verallgemeinertes Eigenwertproblem neu darlegen. Demnach ist der gesuchte Anregungsvektor der Eigenvektor der Gleichung Q l a = λ ( k l Q k ) a

Figure DE102019210264B4_0019
der dem größten Eigenwert λ entspricht. Dieses mathematische Problem lässt sich leicht anhand bekannter numerischer Verfahren lösen.This problem can be presented again as a generalized eigenvalue problem. Accordingly, the sought-after excitation vector is the eigenvector of the equation Q l a = λ ( k l Q k ) a
Figure DE102019210264B4_0019
which corresponds to the greatest eigenvalue λ. This mathematical problem can be easily solved using well-known numerical methods.

Man beachte dabei, dass obiges Verfahren einen optimalen Fokussierungsvektor amax(ƒ) pro Frequenz erzeugt. Man kann deswegen alle Anregungsvektoren bei den entsprechenden Frequenzen fn, n = 1, ..., Nƒ zeitlich nacheinander anwenden. Da jede Frequenz ein anderes Potential für Fokussierung hat, ist es möglich, dass die Anwendung unterschiedlicher Frequenzen die durchschnittliche Fokussierungsqualität erhöht. Ferner kann dies zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung innerhalb der einzelnen Teilbereiche führen, da unterschiedliche Frequenzen unterschiedliche Leistungsmuster erzeugen.Note that the above method generates an optimal focusing vector a max (ƒ) per frequency. One can therefore apply all excitation vectors at the corresponding frequencies f n , n = 1, ..., N ƒ one after the other. Since each frequency has a different potential for focusing, it is possible that using different frequencies will increase the average focus quality. Furthermore, this can lead to an improvement in the uniformity of the heating within the individual sub-areas, since different frequencies generate different power patterns.

2) Optimierung der Gleichmäßigkeit:2) Optimizing the evenness:

Eine andere, sehr oft gestellte Anforderung an die elektromagnetische Erwärmung ist, dass das Erwärmungsgut möglichst gleichmäßig erwärmt wird. In diesem Zusammenhang kann die Anregung der Kanäle so optimiert werden, dass die elektromagnetische Leistung, die im Erwärmungsgut verbraucht wird, so gleichmäßig wie möglich verteilt ist. Ein Maß der Ungleichmäßigkeit ist die relative Standardabweichung der Leistungsdichtewerte der Teilbereiche des Erwärmungsguts (p1/V1,p2/V2, ...,pL/VL), d.h. deren Standardabweichung normiert durch den entsprechenden Mittelwert (sprich durchschnittliche Leistungsdichte): RSD = 1 L l = 1 L ( p l v l p ¯ ) 2 p ¯

Figure DE102019210264B4_0020
wobei p ¯ = l = 1 L p l / l = 1 L V l
Figure DE102019210264B4_0021
die durchschnittliche Leistungsdichte darstellt. Die Bezeichnung „RSD“ steht für „Relative Standard Deviation“, d.h. relative Standardabweichung. Je niedriger der RSD-Wert ist, desto höher die Gleichmäßigkeit der Erwärmung.Another, very often asked requirement for electromagnetic heating is that the material to be heated is heated as evenly as possible. In this context, the excitation of the channels can be optimized so that the electromagnetic power that is consumed in the material to be heated is distributed as evenly as possible. A measure of the unevenness is the relative standard deviation of the power density values of the sub-areas of the material to be heated (p 1 / V 1 , p 2 / V 2 , ..., p L / V L ), i.e. their standard deviation normalized by the corresponding mean value (i.e. average power density ): RSD = 1 L. l = 1 L. ( p l v l - p ¯ ) 2 p ¯
Figure DE102019210264B4_0020
whereby p ¯ = l = 1 L. p l / l = 1 L. V l
Figure DE102019210264B4_0021
represents the average power density. The term “RSD” stands for “Relative Standard Deviation”, ie relative standard deviation. The lower the RSD value, the higher the uniformity of heating.

Ein effektives Optimierungsverfahren, um diesen Wert zu minimieren, wird im Folgenden beschrieben. Diesem Verfahren nach gibt es eine doppelte periodische Wiederholungsschleife an Anregungsvektoren. Die innere Schleife wendet N Anregungsvektoren bei derselben Frequenz fn zeitlich nacheinander an, während die äußere Schleife derartige N-Vektorensätze bei Nf unterschiedlichen Frequenzen zeitlich nacheinander anwendet (ein sogenanntes doppeltes Zeitschlitzverfahren, siehe auch 5).An effective optimization method to minimize this value is described below. According to this method there is a double periodic loop of excitation vectors. The inner loop applies N excitation vectors at the same frequency f n one after the other, while the outer loop applies such N vector sets at N f different frequencies one after the other (a so-called double time slot method, see also 5 ).

Das Prinzip des Verfahrens beruht darauf, während des Verweilens bei einer Frequenz fn mehrere Anregungssätze bzw. -vektoren a 1 n , a 2 n , a 3 n ,

Figure DE102019210264B4_0022
hintereinander zu verwenden, um ein sogenanntes „Modestirring“, also ein Modenmischen, durchzuführen. Die Anregung mit mehreren Parametern hat den Vorteil, dass für jeden Anregungsparametersatz ein anderes Leistungsmuster im Erwärmungsgut hervorgerufen wird. Durch die zeitliche Überlagerung aller so erzeugten Muster kann die Gleichmäßigkeit der Erwärmung verbessert werden.The principle of the method is based on several sets or vectors of excitation while staying at a frequency f n a 1 n , a 2 n , a 3 n , ...
Figure DE102019210264B4_0022
to be used one after the other in order to carry out a so-called “mode stirrring”, ie a mode mixing. The excitation with several parameters has the advantage that a different performance pattern is produced in the material to be heated for each excitation parameter set. The uniformity of the heating can be improved by the temporal superposition of all patterns generated in this way.

Man nehme an, dass die Signalquelle bei einer Frequenz f = fn für eine Zeitdauer von tn Sekunden verweilt. Man unterteile diese Zeitdauer in NT Zeitintervalle, die eine jeweilige Zeitdauer von τn1, τn2, τη3, ..., τnN T Sekunden haben (siehe 5). Es gilt natürlich l = 1 N T τ n l = t n .

Figure DE102019210264B4_0023
Während des l -ten Intervalls werden die Kanäle durch den komplexen Anregungsvektor al angeregt. Die dadurch erzeugte Leistungsdichte im k -ten Teilbereich ist p k l = a l H Q k a l / V k .
Figure DE102019210264B4_0024
Im Folgenden werden wir Qk/Vk mit Q̈k kennzeichnen. Die zeitliche Überlagerung der unterschiedlichen Leistungen hat als Endeffekt, dass die äquivalente Leistungsdichte am Ende von tn Sekunden wie folgt aussieht: p k = 1 t n l = 1 N T τ n l a l H Q ¯ k a l
Figure DE102019210264B4_0025
Assume that the signal source dwells at a frequency f = f n for a period of t n seconds. This time period is subdivided into N T time intervals, each of which has a time duration of τ n1 , τ n2 , τ η3 , ..., τ nN T Seconds (see 5 ). It is of course true l = 1 N T τ n l = t n .
Figure DE102019210264B4_0023
During the l th interval, the channels are excited by the complex excitation vector a l. The power density generated in this way is in the k -th sub-area p k l = a l H Q k a l / V k .
Figure DE102019210264B4_0024
In the following we will denote Q k / V k with Q̈ k . The final effect of the temporal superposition of the different powers is that the equivalent power density at the end of t n seconds looks like this: p k = 1 t n l = 1 N T τ n l a l H Q ¯ k a l
Figure DE102019210264B4_0025

Um die Beschreibung des Verfahrens zu vereinfachen, kann man den Vorfaktor τnl/tn für jedes einzelne Leistungsmuster in die Amplituden der Anregungsvektoren durch Multiplikation mit dem Faktor τ n l / t n

Figure DE102019210264B4_0026
inkorporieren. Wenn man also al durch a l τ n l / t n
Figure DE102019210264B4_0027
ersetzt, wird obige Formel wie folgt vereinfacht: p k = l = 1 N T a l H Q ¯ k a l
Figure DE102019210264B4_0028
In order to simplify the description of the method, the prefactor τ nl / t n for each individual power pattern can be converted into the amplitudes of the excitation vectors by multiplying by the factor τ n l / t n
Figure DE102019210264B4_0026
incorporate. So if you go through a l a l τ n l / t n
Figure DE102019210264B4_0027
replaced, the above formula is simplified as follows: p k = l = 1 N T a l H Q ¯ k a l
Figure DE102019210264B4_0028

Wenn die komplexe Amplitude des j -ten Kanals während des l -ten Zeitintervalls αlj ist, dann nimmt obige Formel folgende Form an: p k = i = 1 N j = 1 N ( l = 1 N T a l j a l i ) q ¯ i j k = i = 1 N j = 1 N c i j q ¯ i j k

Figure DE102019210264B4_0029
wobei c i j = l = 1 N T a l j a l i .
Figure DE102019210264B4_0030
Wenn man mit A = [aij] die Matrix der Anregungen darstellt, dessen i -te Zeile den Anregungsvektor während des i -ten zeitlichen Intervalls ist, dann ist C = AHA, wo C = [cij]. Aus diesem Verhältnis zwischen C und A schließt man, dass die Elemente der Matrix C nicht beliebig sein können, sondern eine hermitesche und positiv semi-definite Matrix bilden müssen. Ferner sieht man aus (8), dass die eigentlichen Parameter, von denen das Leistungsmuster pk abhängt, die Elemente von C und nicht von A sind. Unabhängig von der Anzahl NT der Zeitschlitze wird C eine N x N hermitesche Matrix sein. Deswegen ist es möglich, ohne Verlust der Allgemeinheit die Anzahl der Zeitschlitze während des Verweilens bei einer Frequenz gleich der Anzahl der Kanäle zu wählen, d.h. NT = N. Mehr Freiheitsgrade für A würden die Anzahl der Freiheitsgrade für C nicht erhöhen.If the complex amplitude of the j th channel during the l th time interval is α lj , then the above formula takes the form: p k = i = 1 N j = 1 N ( l = 1 N T a l j a l i ) q ¯ i j k = i = 1 N j = 1 N c i j q ¯ i j k
Figure DE102019210264B4_0029
whereby c i j = l = 1 N T a l j a l i .
Figure DE102019210264B4_0030
If the matrix of the excitations is represented with A = [a ij] , the i-th row of which is the excitation vector during the i-th time interval, then C = A H A, where C = [c ij] . From this relationship between C and A one concludes that the elements of the matrix C cannot be arbitrary, but must form a Hermitian and positive semi-definite matrix. It can also be seen from (8) that the actual parameters on which the performance pattern p k depends are the elements of C and not of A. Regardless of the number N T of time slots, C will be an N x N Hermitian matrix. Therefore it is possible without Loss of generality to choose the number of timeslots while staying at a frequency equal to the number of channels, ie N T = N. More degrees of freedom for A would not increase the number of degrees of freedom for C.

Das Verfahren zielt im Folgenden auf die geschickte Wahl der Matrix C, um möglichst wenig abweichende Werte pk zu erzielen. Das Maß der Gleichmäßigkeit, das verwendet wird, ist die normierte Standardabweichung der Werte pk, das vorhin als RSD bezeichnet wurde, d.h. σ ^ p = 1 L k = 1 L ( p k p ¯ ) 2 p ¯

Figure DE102019210264B4_0031
wobei p ¯ = 1 L k = 1 L p k
Figure DE102019210264B4_0032
der durchschnittliche Wert aller Teilleistungsdichten pk ist.In the following, the method aims at the skillful selection of the matrix C in order to achieve as few deviating values p k as possible. The measure of uniformity that is used is the normalized standard deviation of the values p k , previously referred to as RSD, ie σ ^ p = 1 L. k = 1 L. ( p k - p ¯ ) 2 p ¯
Figure DE102019210264B4_0031
whereby p ¯ = 1 L. k = 1 L. p k
Figure DE102019210264B4_0032
is the average value of all partial power densities p k .

Um σp zu minimieren, muss die Matrix C passend gewählt werden. Letztere gehört zum Raum der hermiteschen Matrizen (d.h. CH = C); dieser Raum ist N2dimensional. D.h., dass es N2 reelle Freiheitsgrade γm und Basis-„Vektoren“ (Basis-Matrizen) Cm gibt, sodass C = m = 1 N 2 γ m C m

Figure DE102019210264B4_0033
wo Cm positiv-definite hermitesche Matrizen. Eine mögliche Basis des oben genannten Vektorraumes kann mithilfe folgender Matrizen aufgebaut werden: E k [ e i j k ] ,  wo  e i j k = { 1, wenn  i = j = k 0, sonst
Figure DE102019210264B4_0034
F k l = [ ƒ i j k ] ,  wo  ƒ i j k l = { 1, wenn  i = k , j = l ,   o d e r   i = l , j = k 0, sonst
Figure DE102019210264B4_0035
G k l = [ g i j k l ] ,  wo  g i j k l = { 1 ,   wenn  i = k , j = l 1 wenn  i = l , j = k 0,       sonst
Figure DE102019210264B4_0036
In order to minimize σ p , the matrix C must be chosen appropriately. The latter belongs to the space of the Hermitian matrices (ie C H = C); this space is N 2 dimensional. That means that there are N 2 real degrees of freedom γ m and basis “vectors” (basis matrices) C m , so that C. = m = 1 N 2 γ m C. m
Figure DE102019210264B4_0033
where C m positive-definite Hermitian matrices. A possible basis of the above-mentioned vector space can be constructed with the help of the following matrices: E. k [ e i j k ] , Where e i j k = { 1, if i = j = k 0, otherwise
Figure DE102019210264B4_0034
F. k l = [ ƒ i j k ] , Where ƒ i j k l = { 1, if i = k , j = l , O d e r i = l , j = k 0, otherwise
Figure DE102019210264B4_0035
G k l = [ G i j k l ] , Where G i j k l = { - 1 , if i = k , j = l - - 1 if i = l , j = k 0, otherwise
Figure DE102019210264B4_0036

Eine Basis mit N2 Elementen, die eine Basis des Raumes, zu dem C gehört, formt, besteht aus folgenden Matrizen: ·   { E k } , k = 1,2, , N ·   { F k l + E k + E l } , k = 1,2, , N ,   l = k + 1,2, , N ·   { G k l + E k + E l } , k = 1,2, , N ,   l = k + 1,2, , N

Figure DE102019210264B4_0037
A basis with N 2 elements, which forms a basis of the space to which C belongs, consists of the following matrices: · { E. k } , k = 1.2, ... , N · { F. k l + E. k + E. l } , k = 1.2, ... , N , l = k + 1.2, ... , N · { G k l + E. k + E. l } , k = 1.2, ... , N , l = k + 1.2, ... , N
Figure DE102019210264B4_0037

Wenn man obige Matrizen von m = 1 bis m = N2 durchgehend nummeriert, erhält man die Basis {Cm}, m = 1,2, ...,N2.If you number the above matrices continuously from m = 1 to m = N 2 , you get the basis {C m }, m = 1,2, ..., N 2 .

Bei der Zerlegung der Matrix C in der obigen Basis ( C = m = 1 N 2 γ m C m )

Figure DE102019210264B4_0038
muss man darauf achten, dass die Koeffizienten γm nicht beliebig sein können, sondern solche Werte haben müssen, dass C ≥ 0, d.h. C muss positiv semi-definit sein (sie muss ausschließlich nichtnegative Eigenwerte besitzen). Das geht aus der Definition von C = AHA hervor.When decomposing the matrix C in the above basis ( C. = m = 1 N 2 γ m C. m )
Figure DE102019210264B4_0038
one must take care that the coefficients γ m cannot be arbitrary, but must have such values that C ≥ 0, ie C must be positive semi-definite (it must only have non-negative eigenvalues). This is evident from the definition of C = A H A.

Der obigen Zerlegung nach, können die einzelnen Elemente von C wie folgt geschrieben werden: c i j = m = 1 N 2 γ m c i j m ,  wo  c i j m

Figure DE102019210264B4_0039
die Elemente der Basis-Matrix Cm. Daher nimmt Gleichung (8) folgende Form an: p k = m = 1 N 2 γ m i , j c i j   m q ¯ i j k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210264B4_0040
wobei p k 1 , p k 2 ,   ...   ,   p k m ,   ...   ,   p k N 2
Figure DE102019210264B4_0041
elementare Basismuster darstellen, die wie folgt definiert sind: p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q ¯ i j k
Figure DE102019210264B4_0042
According to the above decomposition, the individual elements of C can be written as follows: c i j = m = 1 N 2 γ m c i j m , Where c i j m
Figure DE102019210264B4_0039
the elements of the basic matrix C m . Hence equation (8) takes the form: p k = m = 1 N 2 γ m i , j c i j m q ¯ i j k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210264B4_0040
whereby p k 1 , p k 2 , ... , p k m , ... , p k N 2
Figure DE102019210264B4_0041
represent elementary basic patterns, which are defined as follows: p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q ¯ i j k
Figure DE102019210264B4_0042

Zerlegung (11) von Leistungsmuster pk hat als direkte Folge, dass die maximale Anzahl von Freiheitsgraden, die man durch dieses Verfahren zur Verfügung hat, um das Leistungsmuster zu formen, N2 ist, unabhängig davon, wie fein man den zeitlichen Zyklus unterteilt, d.h. egal wie groß NT ist.Decomposition (11) of performance pattern p k has the direct consequence that the maximum number of degrees of freedom that one has available through this method to shape the performance pattern is N 2 , regardless of how finely one subdivides the time cycle, ie no matter how big N T is.

Das Optimierungsziel, d.h. die Minimierung der Ungleichmäßigkeit, die durch σ̂p ausgedrückt wird, hängt nun von der Wahl der Koeffizienten γ12, ..., γm' ..., γN2 ab, die man in einen reellen Vektor γ = [γ1 γ2 ... γN 2]T zusammenfassen kann. Die analytische Abhängigkeit der Optimierungsfunktion σ̂p von γ kann anhand der Zerlegung p k = m = 1 N 2   γ m p k m

Figure DE102019210264B4_0043
berechnet werden. Damit der Ausdruck vereinfacht wird, werden vorher die Elementarmuster p k m
Figure DE102019210264B4_0044
so normiert, dass ihre Summe 1 Watt/m3 ist, und neue Koeffizienten definiert: p k = m = 1 N 2 γ m p k m = m = 1 N 2 γ ^ m p ^ k m
Figure DE102019210264B4_0045
wobei p ^ k m = p k m / k = 1 L p k m   u n d   γ ^ m k = 1 L p k m .
Figure DE102019210264B4_0046
Anhand dieser Definitionen ist das Maß der Ungleichmäßigkeit durch folgende Formel gegeben: σ ^ p ( γ ^ ) = L γ ^ T P t γ ^ ( m γ ^ m ) 2 1
Figure DE102019210264B4_0047

wobei P t = [ π m n t ]  eine  N 2 × N 2
Figure DE102019210264B4_0048
symmetrische reelle Matrix mit Elementen π m n t = k = 1 L p ^ k m p ^ k n ,
Figure DE102019210264B4_0049
Wenn man die Summe der unbekannten Koeffizienten auf 1 normiert, d.h. Σm γ̂m = 1, dann ist die Minimierung der Ungleichmäßigkeit laut Formel (12) äquivalent zur Minimierung der quadratischen Form f (γ̂) = γ̂TPtγ̂. Daher läuft Verfahren B auf folgendes Optimierungsproblem hinaus:

  • • Finde einen reellen N2 -dimensionalen Vektor γ, der folgenden Bedingungen genügt:
    • [i] m = 1 N 2   γ ^ m = 1.
      Figure DE102019210264B4_0050
    • [ii] Die Matrix C = m = 1 N 2   γ m C m
      Figure DE102019210264B4_0051
      ist positiv semi-definit.
    • [iii] Er minimiert die Funktion f (γ̂) = γ̂TPtγ̂.
The optimization goal, ie the minimization of the unevenness, which is expressed by σ̂ p , now depends on the choice of the coefficients γ 1 , γ 2 , ..., γ m ' ..., γ N 2, which are converted into a real one Vector γ = [γ 1 γ 2 ... γ N 2 ] T can summarize. The analytical dependence of the optimization function σ̂ p on γ can be determined using the decomposition p k = m = 1 N 2 γ m p k m
Figure DE102019210264B4_0043
be calculated. In order to simplify the expression, the elementary patterns are made beforehand p k m
Figure DE102019210264B4_0044
normalized so that their sum 1 Watt / m 3 , and new coefficients are defined: p k = m = 1 N 2 γ m p k m = m = 1 N 2 γ ^ m p ^ k m
Figure DE102019210264B4_0045
whereby p ^ k m = p k m / k = 1 L. p k m u n d γ ^ m k = 1 L. p k m .
Figure DE102019210264B4_0046
Using these definitions, the degree of unevenness is given by the following formula: σ ^ p ( γ ^ ) = L. γ ^ T P. t γ ^ ( m γ ^ m ) 2 - 1
Figure DE102019210264B4_0047

whereby P. t = [ π m n t ] one N 2 × N 2
Figure DE102019210264B4_0048
symmetric real matrix with elements π m n t = k = 1 L. p ^ k m p ^ k n ,
Figure DE102019210264B4_0049
If the sum of the unknown coefficients is normalized to 1, ie Σ m γ̂ m = 1, then minimizing the non-uniformity according to formula (12) is equivalent to minimizing the quadratic form f (γ̂) = γ̂ T P t γ̂. Method B therefore results in the following optimization problem:
  • • Find a real N 2 -dimensional vector γ that satisfies the following conditions:
    • [i] m = 1 N 2 γ ^ m = 1.
      Figure DE102019210264B4_0050
    • [ii] The matrix C. = m = 1 N 2 γ m C. m
      Figure DE102019210264B4_0051
      is positive semi-definite.
    • [iii] It minimizes the function f (γ̂) = γ̂ T P t γ̂.

Oben genanntes Optimierungsproblem fällt in die Kategorie der semi-definiten Programmierung (SDP) und kann u.a. anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden, wie dies aus Fachbüchern (z.B. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) bekannt ist.The above-mentioned optimization problem falls into the category of semi-definite programming (SDP) and can be numerically solved using known mathematical methods for convex optimization, as found in specialist books (e.g. Boyd, Stephen, and Lieven Vandenberghe. Convex optimization. Cambridge University Press, 2004) is known.

Durch die numerische Lösung des obigen Optimierungsproblems berechnet man die optimalen Koeffizienten γk der Zerlegung von Matrix C, die die Ungleichmäßigkeit minimiert. Aus der C-Matrix, die durch Formel (10) berechnet wird, kann man die Matrix der optimalen Kanalanregungen A durch das Lösen der Matrixgleichung C = AHA finden. Diese Gleichung hat unendlich viele Lösungen, die allerdings zur selben Leistungsverteilung im Erwärmungsgut führen, weil letztere ausschließlich von der Matrix C abhängt. Die einfachste dieser Lösungen erhält man, wenn man die C-Matrix diagonalisiert. Laut dem spektralen Theorem für hermitesche Matrizen lässt sich diese Matrix wie folgt zerlegen: C = VDVH, wobei V eine unitäre Matrix mit den Eigenvektoren von C als Spalten und D eine Diagonalmatrix ist, die die Eigenwerte von C enthält. Diese Zerlegung lässt sich anhand üblicher numerischer Verfahren bestimmen. Demnach sieht eine Lösung der Gleichung C = AHA folgendermaßen aus: A = VD 1 / 2 V H

Figure DE102019210264B4_0052
The numerical solution of the above optimization problem calculates the optimal coefficients γ k of the decomposition of matrix C, which minimizes the unevenness. From the C matrix, which is calculated by formula (10), one can find the matrix of the optimal channel excitations A by solving the Find matrix equation C = AHA. This equation has an infinite number of solutions, which, however, lead to the same power distribution in the material to be heated, because the latter depends exclusively on the matrix C. The simplest of these solutions is obtained by diagonalizing the C-matrix. According to the spectral theorem for Hermitian matrices, this matrix can be decomposed as follows: C = VDV H , where V is a unitary matrix with the eigenvectors of C as columns and D is a diagonal matrix that contains the eigenvalues of C. This decomposition can be determined using standard numerical methods. So a solution to the equation C = AHA looks like this: A. = VD 1 / 2 V H
Figure DE102019210264B4_0052

Somit ist das Optimierungsproblem gelöst; d.h. für jeden Zeitabschnitt τnl, l = 1,2, ..., NT, wird die Anregung des j-ten Kanals vom komplexen Eintrag alj der A-Matrix gegeben. Durch additive Überlagerung dieser NT Muster wird das erwünschte, äquivalente Leistungsmuster pk erzeugt, das maximale Gleichmäßigkeit hat. Dabei muss man nochmals betonen, dass die minimal ausreichende Anzahl an unterschiedlichen Anregungsvektoren bzw. Zeitintervallen, um die maximale Gleichmäßigkeit zu erreichen, NT = N ist, da aus Formel (13) hervorgeht, dass A quadratisch ist. Dies bedeutet, dass genauso viele Anregungsvektoren wie Kanäle benötigt werden, um durch obiges Verfahren das Maximum an Gleichmäßigkeit zu erreichen.The optimization problem is thus solved; that is, for each time segment τ nl , l = 1, 2, ..., N T , the excitation of the jth channel is given by the complex entry a lj of the A matrix. By additive superimposition of these N T patterns, the desired, equivalent power pattern p k is generated, which has maximum uniformity. It must be emphasized again that the minimally sufficient number of different excitation vectors or time intervals to achieve maximum uniformity is N T = N, since formula (13) shows that A is quadratic. This means that as many excitation vectors as channels are required in order to achieve maximum uniformity using the above method.

Schließlich kann das Verfahren zur Optimierung der Gleichmäßigkeit wie folgt zusammenfassen:

  • • Input: Ein Satz von L Erwärmungsmatrizen Q1, Q2, ..., QL, bei einer bestimmten Frequenz fn.
  • • Output: Ein Satz von N Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN, die zeitlich nacheinander für τn1, τn2, ..., τnN Sekunden als Anregungsparameter des Verstärkers während des Verweilens bei Frequenz fn angewandt werden sollen (vgl. 2).
  • • Schritte:
    1. 1. Berechne die Basismatrizen C m = [ c i j m ] .
      Figure DE102019210264B4_0053
    2. 2. Mithilfe der normierten Q-Matrizen Q k / V k = [ q ¯ i j k ]
      Figure DE102019210264B4_0054
      berechne die N2 Basismuster durch p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q ¯ i j k ,   m = 1,2,   ...   ,   N 2
      Figure DE102019210264B4_0055
    3. 3. Normiere die Basismuster auf Summe von 1 Watt: p ^ k m = p k m / k = 1 L p k m .
      Figure DE102019210264B4_0056
    4. 4. Berechne die Matrix P t = [ π m n t ] ,  wo  π m n t = k = 1 L p k m / k = 1 L p ^ k m p ^ k n .
      Figure DE102019210264B4_0057
    5. 5. Minimiere (bspw. durch konvexe Optimierung) die Funktion f (γ̂) = γ̂TPtγ̂ unter folgenden Bedingungen:
      • m = 1 N 2 γ ^ m = 1
        Figure DE102019210264B4_0058
        ■ Die Matrix C = m = 1 N 2   γ m C m .
        Figure DE102019210264B4_0059
        ist positiv semi-definit.
    6. 6. Berechne nichtnormierte Koeffizienten durch γ m = γ ^ m / k = 1 L p k m .
      Figure DE102019210264B4_0060
    7. 7. Berechne C-Matrix durch C = m = 1 N 2   γ m C m .
      Figure DE102019210264B4_0061
    8. 8. Führe die Eigenwertzerlegung von C durch: C = VDVH.
    9. 9. Berechne die Anregungsmatrix durch A = VD1/2VH. Die optimalen Anregungsvektoren a1, a2, ..., aN sind die entsprechenden Zeilen von A, d.h. [a1j], [a2j], ..., [aNj].
Finally, the method for optimizing uniformity can be summarized as follows:
  • • Input: A set of L heating matrices Q 1 , Q 2 , ..., Q L , at a certain frequency f n .
  • • Output: A set of N excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N , which are used one after the other for τ n1 , τ n2 , ..., τ nN seconds as excitation parameters of the amplifier while it is at frequency f n should be (cf. 2 ).
  • • Steps:
    1. 1. Compute the basic matrices C. m = [ c i j m ] .
      Figure DE102019210264B4_0053
    2. 2. Using the normalized Q-matrices Q k / V k = [ q ¯ i j k ]
      Figure DE102019210264B4_0054
      compute the N 2 basic pattern p k m = i = 1 N j = 1 N c i j m q ¯ i j k , m = 1.2, ... , N 2
      Figure DE102019210264B4_0055
    3. 3. Normalize the basic pattern to a sum of 1 watt: p ^ k m = p k m / k = 1 L. p k m .
      Figure DE102019210264B4_0056
    4. 4. Compute the matrix P. t = [ π m n t ] , Where π m n t = k = 1 L. p k m / k = 1 L. p ^ k m p ^ k n .
      Figure DE102019210264B4_0057
    5. 5. Minimize (e.g. by convex optimization) the function f (γ̂) = γ̂ T P t γ̂ under the following conditions:
      • m = 1 N 2 γ ^ m = 1
        Figure DE102019210264B4_0058
        ■ The matrix C. = m = 1 N 2 γ m C. m .
        Figure DE102019210264B4_0059
        is positive semi-definite.
    6. 6. Compute non-normalized coefficients by γ m = γ ^ m / k = 1 L. p k m .
      Figure DE102019210264B4_0060
    7. 7. Compute C-matrix C. = m = 1 N 2 γ m C. m .
      Figure DE102019210264B4_0061
    8. 8. Perform the eigenvalue decomposition of C: C = VDV H.
    9. 9. Calculate the excitation matrix by A = VD 1/2 V H. The optimal excitation vectors a 1 , a 2 , ..., a N are the corresponding rows of A, ie [a 1j] , [a 2j] , ..., [a Nj] .

Das oben beschriebene Optimierungsverfahren stellt nur eine beispielhafte Ausgestaltung dar und kann auch durch ein äquivalentes Verfahren ersetzt werden, beispielsweise durch ein Verfahren wie es in der DE 10 2016 202 234 B3 (Absätze [0052] bis [0055]) beschrieben ist. In letztgenanntem Fall würde dann nur ein Anregungsvektor (statt N) pro Frequenz bestimmt und angewandt.The optimization method described above is only an exemplary embodiment and can also be replaced by an equivalent method, for example by a method as shown in FIG DE 10 2016 202 234 B3 (Paragraphs [0052] to [0055]). In the latter case, only one excitation vector (instead of N) per frequency would then be determined and applied.

In vorangegangenem Verfahren wurde die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bei einer einzelnen Frequenz optimiert. Wird dieses Verfahren bei mehreren Frequenzen angewendet, erhält man eine Reihe von optimierten Leistungsverteilungen pk(fn) in Abhängigkeit von der Frequenz. Man kann diese Frequenzen mit den entsprechenden Anregungsparametern nacheinander anregen, um ein durchschnittliches Leistungsmuster zu bekommen: p ¯ k = 1 N ƒ n = 1 N ƒ p k ( ƒ n )

Figure DE102019210264B4_0062
In the previous procedure, the heating uniformity was optimized at a single frequency. If this method is used at several frequencies, one obtains a series of optimized power distributions p k (f n ) as a function of the frequency. You can excite these frequencies one after the other with the corresponding excitation parameters in order to get an average performance pattern: p ¯ k = 1 N ƒ n = 1 N ƒ p k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0062

Man kann jedoch diese Überlagerung der entsprechenden monofrequenten Muster auch unterschiedlich stark gewichten, entweder indem man die Anregungen bei den einzelnen Frequenzen entsprechend skaliert, oder indem man die Verweildauer bei jeder Frequenz entsprechend verlängert bzw. verkürzt. Der Endeffekt ist gleich, nämlich, dass das äquivalente Leistungsmuster, das schließlich daraus resultiert, eine gewichtete Überlagerung der monofrequenten Muster ist: p ¯ k = n = 1 N ƒ w n p k ( ƒ n )

Figure DE102019210264B4_0063
wobei wn positive Zahlen sind. Im Falle der Gleichgewichtung w1 = w2 = ... = wN f = 1/Nf, erhält man den üblich definierten Durchschnitt aller Leistungsmuster, d.h. p̃k = p̅k.However, this superimposition of the corresponding monofrequency patterns can also be weighted differently, either by scaling the excitations at the individual frequencies accordingly, or by lengthening or shortening the dwell time at each frequency accordingly. The end effect is the same, namely that the equivalent power pattern that ultimately results is a weighted superposition of the monofrequency patterns: p ¯ k = n = 1 N ƒ w n p k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0063
where w n are positive numbers. In the case of equal weighting w 1 = w 2 = ... = w N f = 1 / N f , one obtains the commonly defined average of all performance patterns, ie p̃ k = p̅ k .

Das Maß der Ungleichmäßigkeit des resultierenden Musters ist, wie bei Verfahren B, die normierte Standardabweichung der Leistungsverteilung unter den Teilgebieten Gk (siehe Formel (9)). Man kann dieses Maß erneut als analytische Funktion der Gewichte wn ausdrücken. Zur Vereinfachung der Formel ist es sinnvoll, die Leistungsdichten bei jeder einzelnen Frequenz so zu normieren, dass deren Summe 1 Watt/m3 beträgt. Dementsprechend müssen auch die variablen Gewichte skaliert werden: p ˜ k = n = 1 N ƒ w ^ n p ^ k ( ƒ n ) ,   p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 L p k ( ƒ n ) ,   w ^ n = w n k = 1 L p k ( ƒ n )

Figure DE102019210264B4_0064
The degree of non-uniformity of the resulting pattern is, as in method B, the normalized standard deviation of the power distribution among the sub-areas G k (see formula (9)). One can express this measure again as an analytical function of the weights w n. To simplify the formula, it makes sense to normalize the power densities at each individual frequency so that their sum 1 Watts / m 3 . The variable weights must also be scaled accordingly: p ˜ k = n = 1 N ƒ w ^ n p ^ k ( ƒ n ) , p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 L. p k ( ƒ n ) , w ^ n = w n k = 1 L. p k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0064

Die normierte Standardabweichung des endgültigen Leistungsmusters p̃k ist demnach σ ^ p ( w ^ ) = L w ^ T P t w ^ ( m w ^ m ) 2 1

Figure DE102019210264B4_0065
wobei w ^ = [ w ^ 1     w ^ N ƒ ] T
Figure DE102019210264B4_0066
der Vektor der Gewichte und P ƒ = [ π m n ƒ ]
Figure DE102019210264B4_0067
eine Nf × Nf symmetrische Matrix mit Elementen π m n ƒ = k = 1 L p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0068
ist. Da eine Skalierung der Gewichte ŵn um den gleichen Faktor keinen Unterschied in der Gleichmäßigkeit verursacht, kann man annehmen, dass die Summe der Gewichte auf 1 normiert ist, d.h. Σnn = 1. Dementsprechend nimmt Formel (14) die Form σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P ƒ w ^ 1
Figure DE102019210264B4_0069
an. Um die Ungleichmäßigkeit σp(Ŵ) zu minimieren, reicht es also, die quadratische Form f(w)̂ = ŵTPfŵ zu minimieren, wobei man beachten muss, dass die Summe der Gewichte auf 1 normiert ist und dass alle Gewichte nichtnegativ sind (es ist physikalisch unmöglich durch inkohärente Überlagerung von Leistungsmustern eine negative Gewichtung hervorzurufen, da es wegen der Inkohärenz keine destruktive Interferenz geben kann). Daraus folgt, dass folgendes Optimierungsproblem gelöst werden muss:

  • • Finde einen reellen Nf -dimensionalen Vektor ŵ der folgenden Bedingungen genügt:
    • [i] n = 1 N ƒ w ^ n = 1
      Figure DE102019210264B4_0070
    • [ii] ŵn ≥ 0, n = 1,2, ..., Nf.
    • [iii] Er minimiert die Funktion f(ŵ) = ŵTPfŵ.
The normalized standard deviation of the final performance pattern is therefore p̃ k σ ^ p ( w ^ ) = L. w ^ T P. t w ^ ( m w ^ m ) 2 - 1
Figure DE102019210264B4_0065
whereby w ^ = [ w ^ 1 w ^ N ƒ ] T
Figure DE102019210264B4_0066
the vector of weights and P. ƒ = [ π m n ƒ ]
Figure DE102019210264B4_0067
an N f × N f symmetric matrix with elements π m n ƒ = k = 1 L. p ^ k ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0068
is. Since scaling the weights ŵ n by the same factor does not cause a difference in uniformity, one can assume that the sum of the weights is normalized to 1, ie Σ n Ŵ n = 1. Formula (14) takes the form accordingly σ ^ p ( w ^ ) = N ƒ w ^ T P. ƒ w ^ - 1
Figure DE102019210264B4_0069
on. In order to minimize the unevenness σ p (Ŵ), it is sufficient to minimize the quadratic form f (w) ̂ = ŵ T P f ŵ, whereby one must note that the sum of the weights is normalized to 1 and that all weights are not negative (it is physically impossible to produce a negative weighting through incoherent superimposition of performance patterns, since there can be no destructive interference due to the incoherence). It follows that the following optimization problem has to be solved:
  • • Find a real N f -dimensional vector ŵ that satisfies the following conditions:
    • [i] n = 1 N ƒ w ^ n = 1
      Figure DE102019210264B4_0070
    • [ii] ŵ n ≥ 0, n = 1,2, ..., N f .
    • [iii] It minimizes the function f (ŵ) = ŵ T P f ŵ.

Obiges Optimierungsproblem ist konvex und kann unter anderem anhand bekannter mathematischer Verfahren für konvexe Optimierung numerisch gelöst werden. Nach der Bestimmung der normierten Gewichte ŵn kann man die nichtnormierten Gewichte durch folgende Formel bestimmen w n = w ^ n k = 1 L p k ( ƒ n )

Figure DE102019210264B4_0071
The above optimization problem is convex and can be numerically solved using known mathematical methods for convex optimization, among other things. After determining the normalized weights ŵ n , the non-normalized weights can be determined using the following formula w n = w ^ n k = 1 L. p k ( ƒ n )
Figure DE102019210264B4_0071

Diese können wiederum auf Gesamtsumme 1 normiert werden, d.h. w'n = wn/∑nwn und die endgültige Gewichtung kann entweder durch Skalierung der Verweildauer der Signalquelle in der jeweiligen Frequenz, oder durch Skalierung des entsprechenden Leistungspegels der Verstärkerkanäle umgesetzt werden.These can turn to grand total 1 be normalized, ie w ' n = w n / ∑ n w n and the final weighting can be implemented either by scaling the dwell time of the signal source in the respective frequency, or by scaling the corresponding power level of the amplifier channels.

Schließlich kann man letzteres Verfahren wie folgt zusammenfassen:

  • • Input: Ein Satz von Leistungsmustern {pk{fn), k = 1,2, ...,L} gemessen oder berechnet bei einem vorbestimmten Stichprobensatz von Frequenzen {fn,n = 1,2, ...,Nf}.
  • • Output: Ein Satz von Gewichten {wn, n = 1,2, ..., Nf}, die entweder als Zeit- oder Amplitudenmodulation des Verweilens des Verstärkers bei der jeweiligen Frequenz fn angewandt werden können, um die Gleichmäßigkeit des am Ende resultierenden Musters zu optimieren.
  • • Schritte:
    1. 1. Normiere Leistungsmuster mithilfe der Formel p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 L p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210264B4_0072
    2. 2. Berechne Matrix P ƒ = [ π m n ƒ ]  durch  π m n ƒ = k = 1 L ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
      Figure DE102019210264B4_0073
    3. 3. Minimiere Funktion f(ŵ) = ŴTPfŴ unter folgenden Bedingungen: ·   n = 1 N ƒ w ^ n = 1 ·   w ^ n 0,   n = 1,2,   ...   ,   N ƒ
      Figure DE102019210264B4_0074
      Die Minimierung kann u.a. mit Verfahren der konvexen Optimierung durchgeführt werden.
    4. 4. Berechne die nichtskalierten Gewichte durch w n = w ^ n / k = 1 N ƒ   p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210264B4_0075
      (Optional) Normiere die Gewichte auf 1 durch w n ' = w n / n = 1 N ƒ w n .
      Figure DE102019210264B4_0076
Finally, the latter process can be summarized as follows:
  • • Input: A set of performance patterns {p k {f n ), k = 1,2, ..., L} measured or calculated at a predetermined sample set of frequencies {f n, n = 1,2, ..., N f }.
  • • Output: A set of weights {w n , n = 1,2, ..., N f }, which can be applied either as time or amplitude modulation of the dwell of the amplifier at the respective frequency f n in order to ensure the evenness of the optimize the resulting pattern at the end.
  • • Steps:
    1. 1. Normalize performance patterns using the formula p ^ k ( ƒ n ) = p k ( ƒ n ) k = 1 L. p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210264B4_0072
    2. 2. Compute matrix P. ƒ = [ π m n ƒ ] through π m n ƒ = k = 1 L. ( ƒ m ) p ^ k ( ƒ n )
      Figure DE102019210264B4_0073
    3. 3. Minimize function f (ŵ) = Ŵ T P f Ŵ under the following conditions: · n = 1 N ƒ w ^ n = 1 · w ^ n 0, n = 1.2, ... , N ƒ
      Figure DE102019210264B4_0074
      The minimization can be carried out using methods of convex optimization, among other things.
    4. 4. Calculate the unscaled weights w n = w ^ n / k = 1 N ƒ p k ( ƒ n ) .
      Figure DE102019210264B4_0075
      (Optional) Normalize the weights to 1 w n ' = w n / n = 1 N ƒ w n .
      Figure DE102019210264B4_0076

3) Beliebige Verteilung der Leistungswerte:3) Any distribution of the performance values:

Zwischen den beiden oben erwähnten Extremfällen (Fokussierung oder gleichmäßige Verteilung) gibt es den intermediären Fall, bei dem der Nutzer eine bestimmte Verteilung der EM-Leistung unter den Teilbereichen des Erwärmungsguts anstrebt, die weder absolut auf einen Teilbereich fokussiert ist, noch ganz gleichmäßig ist. In einigen Anwendungen könnte es bspw. erwünscht sein, dass die Leistung, die in jedem Teilbereich konsumiert wird, einen bestimmten Wert innerhalb bestimmter Toleranzen hat: | p l p l 0 | < l

Figure DE102019210264B4_0077
wobei p l 0
Figure DE102019210264B4_0078
der erwünschte Wert und ∈l die entsprechende erlaubte Toleranz sind. Ein Algorithmus, der dieses Ziel erreichen kann, ist beispielsweise in der DE 10 2016 202 234 B3 in den Absätzen [0052]-[0055] beschrieben. Dieser Algorithmus fällt in die Kategorie der sogenannten Algorithmen der alternierenden Projektionen.Between the two extreme cases mentioned above (focusing or even distribution) there is the intermediate case in which the user strives for a certain distribution of the EM power among the sub-areas of the material to be heated, which is neither absolutely focused on a sub-area, nor is it completely uniform. In some applications it might be desirable, for example, that the power that is consumed in each sub-area has a certain value within certain tolerances: | p l - p l 0 | < l
Figure DE102019210264B4_0077
whereby p l 0
Figure DE102019210264B4_0078
is the desired value and ∈ l is the corresponding allowable tolerance. One algorithm that can achieve this goal is, for example, in the DE 10 2016 202 234 B3 described in paragraphs [0052] - [0055]. This algorithm falls into the category of the so-called algorithms of alternating projections.

Das Grundprinzip hinter diesem Algorithmus ist, dass ein Kompromiss zwischen „realisierbaren“ und „erwünschten“ Leistungsmustern gefunden wird. Als „realisierbar“ bezeichnet man alle Leistungsmuster, die durch einen beliebigen Anregungsvektor a im Erwärmungsgut hervorgerufen werden können, also alle Muster der Form pl = aHQla, l = 1,2, ..., L. Als „erwünscht“ bezeichnet man alle Muster, die vom erwünschten Leistungsmuster weniger als vordefinierte Toleranzgrenzen abweichen, also alle Muster pl die Bedingung (15) erfüllen. Im Idealfall gibt es Muster die sowohl realisierbar als auch erwünscht sind. Falls nicht, wird nach einem realisierbaren Muster gesucht, das von einem beliebigen erwünschten Muster am wenigsten abweicht.The basic principle behind this algorithm is that a compromise is found between “realizable” and “desired” performance patterns. All performance patterns that can be caused by any excitation vector a in the material to be heated are called “realizable”, i.e. all patterns of the form p l = a H Q l a, l = 1,2, ..., L. As “desirable “One denotes all the patterns that are desired by Performance patterns deviate less than predefined tolerance limits, so all patterns p l meet condition (15). Ideally, there are patterns that are both feasible and desirable. If not, a feasible pattern is sought which deviates the least from any desired pattern.

Im Rahmen dieses Algorithmus definiert man für jeden Teilbereich Gl einen N-dimensionalen komplexen Leistungsvektor F l = Q l 1 / 2 a ,

Figure DE102019210264B4_0079
wobei a der N-dimensionale komplexe Vektor der Kanalanregungen und Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0080
die Quadratwurzel der Q-Matrix von Gl darstellen. Die quadrierte euklidische Norm ||Fl2 = aHQla dieses Vektors ist gleich der verbrauchten Leistung pl in diesem Teilbereich, wenn die Kanäle des Leistungsverstärkers 4 mit Phasen und Amplituden, die im Vektor a enthalten sind, angeregt werden.In the context of this algorithm, an N-dimensional complex power vector is defined for each sub-area G l F. l = Q l 1 / 2 a ,
Figure DE102019210264B4_0079
where a is the N-dimensional complex vector of the channel excitations and Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0080
represent the square root of the Q matrix of G l . The squared Euclidean norm || F l2 = a H Q l a of this vector is equal to the consumed power p l in this sub-range if the channels of the power amplifier 4th are excited with phases and amplitudes contained in vector a.

Anhand obiger Definition kann man jedem Leistungsvektorsatz {F1, F2, ..., FL} ein entsprechendes Leistungsmuster {p1,p2, ..., pL} zuordnen, wobei pl = ||Fl2 (jeder Leistungswert des Musters ist die quadrierte Norm des entsprechenden Leistungsvektors). Basierend darauf kann man die Definition der „erwünschten“ und „realisierbaren“ Leistungsmuster auf Leistungsvektorensätze übertragen. Ein Leistungsvektorsatz {F1, F2, ..., FL} ist realisierbar bzw. erwünscht, wenn das entsprechende Leistungsmuster auch realisierbar bzw. erwünscht ist. Demnach definiert man zwei Mengen:

  • - Menge A enthält alle „realisierbaren“ Leistungsvektorensätze, d.h. alle Leistungsvektorensätze {F1, F2,..., FL}, für die ein beliebiger Anregungsvektor existiert a, sodass F l = Q l 1 / 2 a .
    Figure DE102019210264B4_0081
  • - Menge B enthält alle „erwünschten“ Leistungsvektorensätze, d.h. alle Leistungsvektorensäzte {F̃1, F2,..., F̃L}, für die Bedingung (15) erfüllt ist ( | F ˜ l 2 p l 0 | < ε l ,   l = 1,   2,   ...,   L )
    Figure DE102019210264B4_0082
Using the above definition, one can assign a corresponding power pattern {p 1 , p 2 , ..., p L } to each power vector set {F 1 , F 2 , ..., F L }, where p l = || F l ∥ 2 (each power value of the sample is the squared norm of the corresponding power vector). Based on this, the definition of the “desired” and “realizable” performance patterns can be transferred to performance vector sets. A performance vector set {F 1 , F 2 , ..., F L } can be implemented or desired if the corresponding performance pattern is also realizable or desired. Accordingly, one defines two sets:
  • - Set A contains all “realizable” power vector sets, ie all power vector sets {F 1 , F 2 , ..., F L } for which an arbitrary excitation vector exists a, so that F. l = Q l 1 / 2 a .
    Figure DE102019210264B4_0081
  • - Set B contains all “desired” service vector sets, ie all service vector sets {F̃ 1 , F 2 , ..., F̃ L }, for which condition (15) is fulfilled ( | F. ˜ l 2 - p l 0 | < ε l , l = 1, 2, ..., L. )
    Figure DE102019210264B4_0082

Statt nach Leistungsmuster zu suchen, die sowohl erwünscht als auch realisierbar sind, kann man nach entsprechenden Leistungsvektoren suchen, was aus mathematischer Sicht einfacher ist. Ziel des Verfahrens ist also ein Element in der Schnittmenge A ∩ B zu finden, d.h. einen Leistungsvektorsatz, der sowohl erwünscht als auch realisierbar ist. Falls die Schnittmenge leer ist (A ∩ B = Ø), sucht das Verfahren nach einem realisierbaren Satz in A, der so wenig wie möglich von der erwünschten Menge B entfernt ist.Instead of looking for performance patterns that are both desirable and feasible, one can look for corresponding performance vectors, which is easier from a mathematical point of view. The aim of the procedure is to find an element in the intersection A ∩ B, i.e. a power vector set that is both desirable and realizable. If the intersection is empty (A ∩ B = Ø), the procedure searches for a feasible set in A that is as little as possible from the desired set B.

Anhand obiger Beschreibung wurde die Suche nach einem Leistungsmuster, das einer beliebigen Leistungsverteilung entspricht, in eine Suche nach einer Schnittmenge umformuliert. Ein bekanntes mathematisches Verfahren, das ein Element in der Schnittmenge zweier Mengen A und B finden kann, ist das iterative Verfahren der alternierenden Projektionen. Demnach beginnt man mit einem beliebigen Punkt x1 ∈ A und projiziert ihn auf Menge B. Dadurch erhält man einen Punkt x̃1 ∈ B. Diesen projiziert man wieder zurück auf Menge A und erhält einen Punkt x̃2 ∈ A. Dieser wird erneut auf B projiziert um einen Punkt x̃2 zu bekommen, usw. Das Verfahren wird solange wiederholt bis eins der folgenden Abbruchkriterien erfüllt werden:

  • - Ein Punkt in der Schnittmenge A n B wurde gefunden.
  • - Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Elementen der Folge x1, x2, ..., xn, ... wird kleiner als eine vordefinierte Schwelle ∈, d.h. ∥xn - xn+1∥ < ∈.
  • - Eine maximale Anzahl an Iterationen Nmax wurde überschritten, d.h. n > Nmax
On the basis of the above description, the search for a performance pattern that corresponds to an arbitrary performance distribution has been reformulated into a search for an intersection. A well-known mathematical method that can find an element in the intersection of two sets A and B is the iterative method of alternating projections. Accordingly, one begins with an arbitrary point x 1 ∈ A and projects it onto set B. This results in a point x̃ 1 ∈ B. This is projected back onto set A and gets a point x̃ 2 ∈ A. This becomes again on B projected to get a point x̃ 2 , etc. The process is repeated until one of the following termination criteria is met:
  • - A point in the intersection A n B was found.
  • - The distance between successive elements of the sequence x 1 , x 2 , ..., x n , ... becomes smaller than a predefined threshold ∈, ie ∥x n - x n + 1 ∥ <∈.
  • - A maximum number of iterations Nmax was exceeded, ie n> N max

Wie im konkreten Fall der Mengen A und B der erwünschten bzw. realisierbaren Leistungsvektoren obiges Verfahren umgesetzt werden kann, wird demnächst beschrieben.How the above method can be implemented in the specific case of the quantities A and B of the desired or realizable power vectors will be described shortly.

Man fängt mit einem willkürlichen Startvektor a0 an (z.B. a0 = [1 1 ... 1]T). Die daraus resultierende Leistung in Teilbereich Gl wird durch die Formel F l 2 = a 0 H Q l a 0

Figure DE102019210264B4_0083
berechnet. Falls Bedingung (15) nicht erfüllt wird, d.h. falls F l > p l 0 + ε l      o d e r   F l < p l 0 ε l
Figure DE102019210264B4_0084
dann wird der Vektor Fl entsprechend folgender Formel skaliert: F l ' = F l F l p l 0 + ε l        F l ' = F l F l p l 0 ε l
Figure DE102019210264B4_0085
One starts with an arbitrary start vector a 0 (eg a 0 = [1 1 ... 1] T ). The resulting power in sub-area G l is given by the formula F. l 2 = a 0 H Q l a 0
Figure DE102019210264B4_0083
calculated. If condition (15) is not met, ie if F. l > p l 0 + ε l O d e r F. l < p l 0 - ε l
Figure DE102019210264B4_0084
then the vector F l is scaled according to the following formula: F. l ' = F. l F. l p l 0 + ε l F. l ' = F. l F. l p l 0 - ε l
Figure DE102019210264B4_0085

In Teilbereichen, in denen die Randbedingungen (15) vom ursprünglichen Vektor Fl erfüllt werden, wird der Vektor gleichgelassen, d.h. F l ' = F l .

Figure DE102019210264B4_0086
In partial areas in which the boundary conditions (15) are met by the original vector F l , the vector is left the same, ie F. l ' = F. l .
Figure DE102019210264B4_0086

Durch die vorangegangene Prozedur wird ein neuer Vektor F l '

Figure DE102019210264B4_0087
erzeugt, der die Randbedingungen (15) des Problems erfüllt. Als Nächstes wird nach einem neuen Anregungsvektor a1 gesucht, der einen Leistungsvektor erzeugen kann, der den Vektor F l '
Figure DE102019210264B4_0088
am besten approximieren kann. Das heißt, dass man den Vektor a1 sucht, der die Fehlernorm l = 1 L Q l 1 2 a 1 F l ' 2
Figure DE102019210264B4_0089
minimiert. Dieses Problem kann beispielsweise durch die Methode der kleinsten Quadrate gelöst werden. Der so gewonnene Anregungsvektor a1 ist näher dem optimalen Anregungsvektor als der Startvektor a0. Die gleiche Prozedur wird mit a1 als Startvektor wiederholt und ein neuer Vektor a2 erzeugt. Durch iterative Wiederholung der oben beschriebenen Schritte wird eine Folge von Anregungsvektoren a1, a2, a3, ..., an, ... erzeugt. Das Verfahren wird abgebrochen, wenn ein Konvergenz- oder Abbruchkriterium erreicht wird, oder wenn eine maximale Anzahl von Iterationen erreicht wird. Ein Abbruchkriterium könnte bspw. die vollständige Erfüllung von Kriterien (15) und ein Konvergenzkriterium könnte die Konvergenz obiger Folge sein (d.h. wenn ∥an - an-1∥ < δ, wobei δ ein vorbestimmter Grenzwert ist).The previous procedure creates a new vector F. l '
Figure DE102019210264B4_0087
generated that fulfills the boundary conditions (15) of the problem. Next, a search is made for a new excitation vector a 1 that can generate a power vector that contains the vector F. l '
Figure DE102019210264B4_0088
can best approximate. That means that one looks for the vector a 1 , which the error norm l = 1 L. Q l 1 2 a 1 - F. l ' 2
Figure DE102019210264B4_0089
minimized. For example, this problem can be solved by the least squares method. The excitation vector a 1 obtained in this way is closer to the optimal excitation vector than the start vector a 0 . The same procedure is repeated with a 1 as the start vector and a new vector a 2 is generated. By iteratively repeating the steps described above, a sequence of excitation vectors a 1 , a 2 , a 3 , ..., an, ... is generated. The process is terminated if a convergence or termination criterion is reached, or if a maximum number of iterations is reached. A termination criterion could, for example, be the complete fulfillment of criteria (15) and a convergence criterion could be the convergence of the above sequence (ie if ∥a n - a n-1 ∥ <δ, where δ is a predetermined limit value).

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können mit den obigen Algorithmen Erwärmungsmatrizen aller Teilbereiche des Erwärmungsguts berechnet bzw. abgeschätzt werden. Die Kenntnis dieser Matrizen ermöglicht dem Benutzer bzw. System, ein sehr breites Spektrum an Optimierungsproblemen bezüglich der Leistungsverteilung zu lösen. So kann anhand dieser Matrizen nicht nur die Leistung fokussiert werden, sondern auch gleichmäßig verteilt werden, oder, im allgemeinen Fall, beliebig verteilt werden. Einige Algorithmen, die dafür eingesetzt werden können, wurden beispielhaft in den vorangegangenen Einheiten beschrieben.In the proposed method, the above algorithms can be used to calculate or estimate heating matrices for all subregions of the material to be heated. The knowledge of these matrices enables the user or system to solve a very broad spectrum of optimization problems with regard to the power distribution. With the help of these matrices, not only can the power be focused, but also distributed evenly, or, in the general case, distributed arbitrarily. Some algorithms that can be used for this have been described in the previous units as examples.

Phase 3 (Erwärmung der Last):Phase 3 (heating of the load):

Nachdem in Phase 2 durch den entsprechenden Optimierungsprozess die Anregungsvektoren bestimmt wurden, die zur erwünschten Leistungsverteilung innerhalb des Erwärmungsguts führen, werden sie dem Verstärker 4 über Datenstrom 8 übertragen und die Phase der tatsächlichen Erwärmung des Erwärmungsguts 3 beginnt. Während dieser Phase werden die entsprechenden Kanäle des Verstärkers 4 durch die entsprechenden Parametersätze angeregt. Die Dauer und Gesamtleistung der Anregung kann entweder vom Benutzer durch Datenstrom 7 angegeben werden, oder automatisch vom System (Steuer- und Auswerteeinheit 9) bestimmt und, falls nötig, dynamisch angepasst werden. Für diese Bestimmung und Anpassung können sowohl Angaben des Benutzers (Datenstrom 7, bspw. Rezept-, Lastmenge- oder Materialangaben) als auch Rückmeldungen aus dem Verstärker (reflektierte Leistungen über Datenstrom 6) und (optional) aus Sensoren innerhalb der EMAZ (z.B. Temperatur, Feuchte usw. über Datenstrom 10) verwendet werden.After the excitation vectors that lead to the desired power distribution within the material to be heated have been determined in phase 2 through the corresponding optimization process, they are sent to the amplifier 4th via data stream 8th transferred and the phase of the actual heating of the material to be heated 3 begins. During this phase, the corresponding channels of the amplifier 4th stimulated by the corresponding parameter sets. The duration and total power of the excitation can either be specified by the user through data stream 7th can be specified, or automatically by the system (control and evaluation unit 9 ) and, if necessary, dynamically adjusted. Both user information (data stream 7th , e.g. recipe, load quantity or material information) as well as feedback from the amplifier (reflected power via data stream 6th ) and (optional) from sensors within the EMAZ (e.g. temperature, humidity, etc. via data stream 10 ) be used.

Es ist möglich, dass für einige spezialisierte Erwärmungsprozesse die Optimierungsziele zeitlich angepasst bzw. verändert werden müssen. Beispielsweise könnte es vorkommen, dass ein Erwärmungsprozess am Anfang gleichmäßig verlaufen soll und erst ab einer bestimmten Temperatur mit der Fokussierung anfangen soll. Dementsprechend müsste Phase 2 wiederholt werden, um die Anregungsparameter den veränderten Erwärmungszielen anzupassen.It is possible that for some specialized heating processes the optimization goals have to be adjusted or changed in terms of time. For example, it could happen that a heating process should run uniformly at the beginning and should only start focusing after a certain temperature. Accordingly, phase 2 would have to be repeated in order to adapt the excitation parameters to the changed heating targets.

Zweite AusführungSecond execution

Das Anwendungsszenario der zweiten beispielhaften Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens betrifft Erwärmungsgut, das nicht zwangsläufig vom Benutzer in Teilbereiche aufgeteilt werden muss oder kann, sondern, das aus Materialien besteht, deren dielektrischen Eigenschaften sich vorzugsweise relativ stark mit der Temperatur verändern. Ein wichtiges und häufig vorkommendes Beispiel solcher Szenarien ist das Auftauen von tiefgefrorenen Objekten, wie Lebensmittel, Gerichte, Blutproben, Transplantationsorgane usw. Solche Objekte enthalten einen relativ hohen Wasseranteil, und die dielektrischen Eigenschaften von Wasser verändern sich stark mit der Temperatur, besonders am Übergangspunkt vom festen zum flüssigen Aggregatszustand.The application scenario of the second exemplary embodiment of the proposed method relates to material to be heated that does not necessarily have to or cannot be divided into sub-areas by the user, but rather that consists of materials whose dielectric properties preferably change relatively strongly with temperature. An important and common example of such scenarios is the thawing of frozen objects such as food, dishes, blood samples, transplant organs, etc. Such objects contain a relatively high proportion of water, and the dielectric properties of water vary greatly with temperature, especially at the transition point from solid to liquid state of aggregation.

Wie bereits erwähnt, besteht die Herausforderung in derartigen Szenarien darin, solche Objekte möglichst gleichmäßig zu erwärmen bzw. aufzutauen. Da die Leistungsverteilung, die durch Anregung der EMAZ 1 mit einem beliebigen Anregungsparametersatz a des Verstärkers 4 im Erwärmungs- bzw. Auftaugut verursacht wird, meistens ungleichmäßig ist, entsteht dadurch mit der Zeit auch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung. Es bilden sich dadurch sogenannte „Hotspots“, also Bereiche des Erwärmungsguts, in denen überdurchschnittlich hohe Temperaturen im Vergleich zum restlichen Erwärmungsgut herrschen. Viele Materialien, wie Wasser, haben die Eigenschaft, dass ihre dielektrischen Verluste mit steigender Temperatur wachsen. Die in Wärme umgewandelte elektromagnetische Leistung p(r) hängt direkt von der äquivalenten Leitfähigkeit σ(r) ab, die aus den dielektrischen Verlusten ableitbar ist: p ( r ) = 1 2 σ ( r ) | E ( r ) | 2

Figure DE102019210264B4_0090
wobei E(r) die elektrische Feldstärke am Punkt r des Erwärmungsguts ist. Wenn also σ(r) an einem Punkt r0, oder innerhalb eines kleinen Volumens r ∈ Vh sehr stark ansteigt, wächst die Leistungsdichte dort auch proportional damit. Dies führt wiederum zu weiterem Ansteigen der örtlichen Temperatur T(r) und des Verlustfaktors σ(r). Daraus lässt sich ableiten, dass ohne geeignete Gegenmaßnahmen die Temperatur eines Hotspots sich selbst hochschaukelt und viel schneller als die Temperatur seiner Umgebung steigen wird. Dieses Phänomen wird „thermal runaway“ Effekt genannt und hat sehr negative Auswirkungen auf die Qualität der aufgewärmten bzw. aufgetauten Objekte und auf den Prozess der Erwärmung bzw. des Auftauens überhaupt.As already mentioned, the challenge in such scenarios is to heat or thaw such objects as evenly as possible. Since the power distribution, which was initiated by the EMAZ 1 with any set of excitation parameters a of the amplifier 4th is caused in the food to be heated or thawed, which is mostly uneven, this also results in an uneven temperature distribution over time. As a result, so-called “hotspots” are formed, i.e. areas of the material to be heated in which temperatures are above average compared to the rest of the material to be heated. Many materials, such as water, have the property that their dielectric losses increase with increasing temperature. The electromagnetic power p (r) converted into heat depends directly on the equivalent conductivity σ (r), which can be derived from the dielectric losses: p ( r ) = 1 2 σ ( r ) | E. ( r ) | 2
Figure DE102019210264B4_0090
where E (r) is the electric field strength at point r of the material to be heated. So if σ (r) increases very strongly at a point r 0 , or within a small volume r ∈ V h , the power density there also increases proportionally. This in turn leads to a further increase in the local temperature T (r) and the loss factor σ (r). It can be deduced from this that, without suitable countermeasures, the temperature of a hotspot will rock itself up and will rise much faster than the temperature of its surroundings. This phenomenon is called the "thermal runaway" effect and has very negative effects on the quality of the heated or thawed objects and on the process of heating or thawing in general.

Der Zweck der zweiten Ausführung des Verfahrens besteht darin, diesem Effekt entgegenzuwirken und, noch allgemeiner, Materialien mit temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften gleichmäßig zu erwärmen.The purpose of the second embodiment of the method is to counteract this effect and, more generally, to uniformly heat materials with temperature-dependent dielectric properties.

Bei der zweiten Ausführung werden hierzu die S-Parameter von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen verglichen, um daraus die Erwärmungsmatrizen der Bereiche zu ermitteln, die während des Zeitintervalls zwischen den beiden Messungen besonders stark erwärmt wurden (Hotspots). Mithilfe dieser Matrizen werden dann neue Anregungsparameter bestimmt, die die weitere Erwärmung besagter Hotspots verhindern oder zumindest mindern.In the second embodiment, the S-parameters of successive measurements are compared in order to determine the heating matrices of the areas that were heated particularly strongly during the time interval between the two measurements (hotspots). With the help of these matrices, new excitation parameters are then determined, which prevent or at least reduce the further heating of said hotspots.

Um dies zu verdeutlichen, nehme man an, dass an Zeitpunkten tn und tn+1 > tn die S-Parameter S(f) der EMAZ innerhalb des Betriebsfrequenzspektrums f1 < f < f2 gemessen wurden. Die entsprechenden Messungen sind als Sn und Sn+1 bezeichnet. Während des Zeitintervalls [tn, tn+1] wird Anregungsvektor an angewandt und eine entsprechende Leistungsverteilung pn(r) im Erwärmungsgut erzeugt. Im linken Teil der 6 sieht man die Leistungsverteilung innerhalb eines beispielhaften Erwärmungsguts 3 zum Zeitpunkt t = tn und im rechten Teil der 6 zum Zeitpunkt t = tn+1. Man erkennt, dass am Ende des betroffenen Zeitintervalls neue Bereiche entstanden sind, in denen die Leistungsdichte besonders groß ist, nämlich die Hotspots, die in 6 mit dem Bezugszeichen 3a gekennzeichnet sind.To make this clear, assume that the S parameters S (f) of the EMAZ within the operating frequency spectrum f 1 <f <f 2 were measured at times t n and t n + 1 > t n. The corresponding measurements are designated as S n and S n + 1 . During the time interval [t n , t n + 1 ], the excitation vector an is applied and a corresponding power distribution p n (r) is generated in the material to be heated. In the left part of the 6th you can see the power distribution within an exemplary material to be heated 3 at time t = t n and in the right part of the 6th at time t = t n + 1 . It can be seen that at the end of the affected time interval, new areas have been created in which the power density is particularly high, namely the hotspots that are in 6th are identified by the reference numeral 3a.

Man nehme zusätzlich an, dass die Verluste des Erwärmungsguts mit der Temperatur steigen. Dann ist der Gesamtverbrauch der EM-Leistung während des Zeitintervalls [tn, tn+1] gewachsen und die gesamtreflektierte Leistung entsprechend gesunken. Die Veränderung der reflektierten Leistung wird durch folgende Matrix gegeben Δ ( S H S ) = S n + 1 H S n + 1 S n H S n .

Figure DE102019210264B4_0091
In addition, assume that the losses of the material to be heated increase with the temperature. Then the total consumption of the EM power has increased during the time interval [t n , t n + 1] and the total reflected power has decreased accordingly. The change in the reflected power is given by the following matrix Δ ( S. H S. ) = S. n + 1 H S. n + 1 - S. n H S. n .
Figure DE102019210264B4_0091

Nach dem Energieerhaltungssatz müssen die in der Last konsumierte Leistung und die parasitären Verluste um das Negative obigen Betrags gestiegen sein. Wenn man annimmt, dass die zusätzliche Leistung nur in den Regionen des Erwärmungsguts verbraucht wurde, wo die Temperatur wesentlich gestiegen ist (siehe Bereiche 3a in 6), dann ist die kumulative Erwärmungsmatrix dieser Regionen Q h = S n H S n S n + 1 H S n + 1 = Δ ( S H S )

Figure DE102019210264B4_0092
According to the law of conservation of energy, the power consumed in the load and the parasitic losses must have increased by the negative amount above. If one assumes that the additional power was only consumed in the regions of the material to be heated where the temperature has increased significantly (see areas 3a in 6th ) then is the cumulative warming matrix of these regions Q H = S. n H S. n - S. n + 1 H S. n + 1 = - Δ ( S. H S. )
Figure DE102019210264B4_0092

Um die weitere Erwärmung dieser Bereiche zu vermeiden, muss man die eingetragene Leistung aHQha minimieren. Der passende Anregungsvektor wird durch den Eigenvektor vmin des Problems Q h v = λ v ( S n H S n S n + 1 H S n + 1 ) v = λ v

Figure DE102019210264B4_0093
gegeben, der dem kleinsten Eigenwert λmin entspricht. Um die weitere Erwärmung der bereits entstandenen Hotspots zu vermeiden, muss man also im nächsten Zeitintervall [tn+1, tn+2] die Kanäle des Verstärkers mit Anregungsvektor an+1 = vmin anregen.In order to avoid further heating of these areas, one must minimize the entered power a H Q h a. The suitable excitation vector is given by the eigenvector v min of the problem Q H v = λ v ( S. n H S. n - S. n + 1 H S. n + 1 ) v = λ v
Figure DE102019210264B4_0093
which corresponds to the smallest eigenvalue λ min. In order to avoid further heating of the hotspots that have already arisen, one must excite the channels of the amplifier with excitation vector a n + 1 = v min in the next time interval [t n + 1 , t n + 2].

Eine andere Optimierungsoption ist, die relative Leistung, die in den Hotspots verbraucht wird, im Verhältnis zum restlichen Erwärmungsgut zu minimieren. Dafür muss man folgenden Quotienten minimieren: a H Q h a a H ( I S H S Q h ) a

Figure DE102019210264B4_0094
Another optimization option is to minimize the relative power consumed in the hotspots in relation to the rest of the heating material. For this you have to minimize the following quotient: a H Q H a a H ( I. - S. H S. - Q H ) a
Figure DE102019210264B4_0094

Der Zähler ist die Leistung, die in den Hotspots verbraucht wird, und der Nenner ist die Leistung die im restlichen Erwärmungsgut verbraucht wird (einfallende Leistung minus reflektierte minus unerwünschte Leistung). Der entsprechende optimierte Vektor ist der Eigenvektor vmin folgenden verallgemeinerten Eigenwertproblems Q h v = λ ( I S H S Q h ) v

Figure DE102019210264B4_0095
der dem kleinsten Eigenwert λmin entspricht.The numerator is the power that is consumed in the hotspots, and the denominator is the power that is consumed in the rest of the heating material (incident power minus reflected minus undesired power). The corresponding optimized vector is the eigenvector v min following generalized eigenvalue problem Q H v = λ ( I. - S. H S. - Q H ) v
Figure DE102019210264B4_0095
which corresponds to the smallest eigenvalue λ min.

Obiger Algorithmus basiert auf der Annahme, dass der Anstieg des Leistungsverbrauchs während des Zeitintervalls [tn, tn+1] nur in den Hotspots verbraucht wird. Dies ist nur approximationsweise richtig, denn im Allgemeinen wird die Temperatur, und daher die verbrauchte Leistung, im gesamten Erwärmungs- bzw. Auftaugut steigen. Daher wird die Matrix -Δ(SHS) in der Realität eine Mischung aus der Q-Matrix der Hotspots und des übrigen Erwärmungsguts sein. Der stärkste Anstieg des Leistungsverbrauchs wird jedoch dort stattfinden, wo die Temperatur am stärksten gestiegen ist.The above algorithm is based on the assumption that the increase in power consumption during the time interval [t n , t n + 1] is only consumed in the hotspots. This is only correct as an approximation, because in general the temperature, and therefore the power consumed, will increase throughout the entire product being heated or thawed. Therefore the matrix -Δ (S H S) will in reality be a mixture of the Q matrix of the hotspots and the rest of the material to be heated. However, the greatest increase in power consumption will take place where the temperature has risen the most.

Um diese qualitativen Aussagen zu quantifizieren, kann man die Q-Matrix des gesamten Erwärmungsguts für t = tn in zwei Teile zerlegen, einen Teil Qh für die Bereiche Vh, in denen sich in der Zukunft (t = tn+1) die Hotspots bilden werden, und einen Teil Qc für den Rest der Last Vc: [ Q ] i j = [ Q h ] i j + [ Q c ] i j = 1 2 V c σ ( r ) E i ( r ) E j ( r ) d V + 1 2 V h σ ( r ) E i ( r ) E j d V .

Figure DE102019210264B4_0096
In order to quantify these qualitative statements, the Q matrix of the entire material to be heated for t = t n can be divided into two parts, one part Q h for the areas V h in which in the future (t = t n + 1 ) the hotspots will form, and part Q c for the rest of the load V c : [ Q ] i j = [ Q H ] i j + [ Q c ] i j = 1 2 V c σ ( r ) E. i ( r ) E. j ( r ) d V + 1 2 V H σ ( r ) E. i ( r ) E. j d V .
Figure DE102019210264B4_0096

Mithilfe des Zwischenwertsatzes kann man die obigen Integrale wie folgt umschreiben: [ Q ] i j = 1 2 ( Re { E i ( r 1 ) E j ( r 1 ) } + Im { E i ( r 2 ) E j ( r 2 ) } ) V c σ ¯ c                      + 1 2 ( Re { E i ( r 3 ) E j ( r 3 ) } + I m { E i ( r 4 ) E j ( r 4 ) } ) V h σ ¯ h ,

Figure DE102019210264B4_0097
wobei r1, r2 ∈ Vc und r3, r4 ∈ Vh. Die Durchschnittswerte σ̅c, σ̅h der Verluste sind wie folgt definiert: σ ¯ = 1 V V σ ( r ) d V .
Figure DE102019210264B4_0098
With the help of the intermediate value theorem, the above integrals can be rewritten as follows: [ Q ] i j = 1 2 ( re { E. i ( r 1 ) E. j ( r 1 ) } + in the { E. i ( r 2 ) E. j ( r 2 ) } ) V c σ ¯ c + 1 2 ( re { E. i ( r 3 ) E. j ( r 3 ) } + I. m { E. i ( r 4th ) E. j ( r 4th ) } ) V H σ ¯ H ,
Figure DE102019210264B4_0097
where r 1 , r 2 ∈ V c and r 3 , r 4 ∈ V h . The average values σ̅ c , σ̅ h of the losses are defined as follows: σ ¯ = 1 V V σ ( r ) d V .
Figure DE102019210264B4_0098

Zum Zeitpunkt t = tn+1 sind die Durchschnittswerte der Verluste σ̅c, σ̅h gewachsen. Per Definition sind die Verluste im Hotspot-Bereich Vh viel stärker gewachsen als im restlichen Bereich Vc. Wenn die neuen Werte σ ¯ c ' , σ ¯ h '

Figure DE102019210264B4_0099
sind, dann ist Δσ̅h = σ̅'h - σ̅h >> σ̅'c - σ̅c, = Δσ̅c. Wenn man zusätzlich annimmt, dass sich die Feldwerte nicht wesentlich verändert haben, ist die Veränderung in der Q-Matrix [ Δ Q ] i j = [ Q ' ] i j [ Q ] i j                       1 2 ( Re { E i ( r 1 ) E j ( r 1 ) } + Im { E i ( r 2 ) E j ( r 2 ) } ) V c Δ σ ¯ c                       + 1 2 ( Re { E i ( r 3 ) E j ( r 3 ) } + Im { E i ( r 4 ) E j ( r 4 ) } ) V h Δ σ ¯ h                      = Δ σ ¯ c σ ¯ c [ Q c ] i j + Δ σ ¯ h σ ¯ h [ Q h ] i j .
Figure DE102019210264B4_0100
At the time t = t n + 1 , the average values of the losses σ̅ c , σ̅ h have increased. By definition, the losses in the hotspot area V h have grown much more rapidly than in the remaining area V c . When the new values σ ¯ c ' , σ ¯ H '
Figure DE102019210264B4_0099
are, then Δσ̅h = σ̅ ' h - σ̅ h >>σ̅' c - σ̅ c , = Δσ̅ c . If one also assumes that the field values have not changed significantly, the change is in the Q matrix [ Δ Q ] i j = [ Q ' ] i j - [ Q ] i j 1 2 ( re { E. i ( r 1 ) E. j ( r 1 ) } + in the { E. i ( r 2 ) E. j ( r 2 ) } ) V c Δ σ ¯ c + 1 2 ( re { E. i ( r 3 ) E. j ( r 3 ) } + in the { E. i ( r 4th ) E. j ( r 4th ) } ) V H Δ σ ¯ H = Δ σ ¯ c σ ¯ c [ Q c ] i j + Δ σ ¯ H σ ¯ H [ Q H ] i j .
Figure DE102019210264B4_0100

Da die Veränderung der Q-Matrix (konsumierte Leistung) das Negative der Veränderung der Reflektion ist, d.h. ΔQ = -Δ(SHS), lässt sich obige Gleichung wie folgt zusammenfassen: Δ ( S H S ) Δ σ ¯ c σ ¯ c Q c + Δ σ ¯ h σ ¯ h Q h .

Figure DE102019210264B4_0101
Since the change in the Q matrix (consumed power) is the negative of the change in reflection, i.e. ΔQ = -Δ (S H S), the above equation can be summarized as follows: - Δ ( S. H S. ) Δ σ ¯ c σ ¯ c Q c + Δ σ ¯ H σ ¯ H Q H .
Figure DE102019210264B4_0101

Obige Gleichung zeigt, dass - wenn die elektromagnetischen Felder relativ ungestört von der Temperaturänderung bleiben - die negative Veränderung der Matrix SHS eine lineare Kombination (Mischung) aus den Q-Matrizen des „kühlen“ und des übergeheizten Bereichs approximiert. Man würde gerne das Verhältnis der Leistung im „heißen“ Bereich zur Leistung im „kühlen“ Bereich minimieren, d.h. den Quotienten x = p h p c = a H Q h a a H Q c a

Figure DE102019210264B4_0102
minimieren. Aus dem oben beschriebenen Vorgang pc aHQca hat man jedoch nur Zugriff auf folgende Mischung beider Werte: a H Δ ( S H S ) a Δ σ ¯ c σ ¯ c a H Q c a + Δ σ ¯ h σ ¯ h a H Q h a = κ p c + λ p h ,
Figure DE102019210264B4_0103
wobei κ Δ σ ¯ c σ ¯ c , λ Δ σ ¯ h σ ¯ h .
Figure DE102019210264B4_0104
Wenn wir das Verhältnis obiger Mischung zu Gesamtleistung minimieren, haben wir folgende Minimierungsfunktion: κ p c + λ p h p c + p h = κ + λ x 1 + x g ( x )
Figure DE102019210264B4_0105
The above equation shows that - if the electromagnetic fields remain relatively undisturbed by the temperature change - the negative change in the matrix S H S approximates a linear combination (mixture) of the Q matrices of the “cool” and the overheated area. One would like to minimize the ratio of the power in the “hot” area to the power in the “cool” area, ie the quotient x = p H p c = a H Q H a a H Q c a
Figure DE102019210264B4_0102
minimize. However, from the process p c a H Q c a described above, one only has access to the following mixture of both values: - a H Δ ( S. H S. ) a Δ σ ¯ c σ ¯ c a H Q c a + Δ σ ¯ H σ ¯ H a H Q H a = κ p c + λ p H ,
Figure DE102019210264B4_0103
whereby κ Δ σ ¯ c σ ¯ c , λ Δ σ ¯ H σ ¯ H .
Figure DE102019210264B4_0104
If we minimize the ratio of the above mixture to the total output, we have the following minimization function: κ p c + λ p H p c + p H = κ + λ x 1 + x G ( x )
Figure DE102019210264B4_0105

Die erste Ableitung von g ist g ' ( x ) = λ κ ( 1 + x ) 2 .

Figure DE102019210264B4_0106
D.h. wenn λ > κ Δ σ ¯ h σ ¯ h > Δ σ ¯ c σ ¯ c ,
Figure DE102019210264B4_0107
dann ist g(x) monoton steigend. Dies ist tatsächlich der Fall für unsere Anwendung, denn per Definition ist die relative Erhöhung der Verluste im heißen Bereich größer als im kalten Bereich. Deswegen können wir statt der direkt erwünschten Größe x = ph/pc die abgeleitete und messbare Größe g(x) minimieren. Wegen der Monotonie von g erreichen beide Größen ihr Minimum für denselben Anregungsvektor a.The first derivative of g is G ' ( x ) = λ - κ ( 1 + x ) 2 .
Figure DE102019210264B4_0106
Ie if λ > κ Δ σ ¯ H σ ¯ H > Δ σ ¯ c σ ¯ c ,
Figure DE102019210264B4_0107
then g (x) is monotonically increasing. This is actually the case for our application, because by definition the relative increase in losses is greater in the hot area than in the cold area. Therefore, instead of the directly desired quantity x = p h / p c , we can minimize the derived and measurable quantity g (x). Because of the monotony of g, both quantities reach their minimum for the same excitation vector a.

Obige Präsentation der physikalisch-mathematischen Prinzipien der Methode hat gezeigt, dass der Algorithmus auch dann wirkungsvoll ist, wenn die Verluste nicht nur in den Hotspots steigen, sondern allgemein im ganzen Erwärmungsgut (was physikalisch realistischer anzunehmen ist). Die einzige Annahme bzw. Vereinfachung ist, dass sich die elektromagnetischen Felder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen der S-Parameter nicht wesentlich verändern. Um diese Annahme aufrechtzuerhalten, ist es ratsam die S-Parameter oft genug zu messen, d.h. bevor große Änderungen der Verlust- und Feldverteilung im Erwärmungsgut stattgefunden haben.The above presentation of the physical-mathematical principles of the method has shown that the algorithm is also effective when the losses increase not only in the hotspots, but also generally in the entire heating material (which is to be assumed physically more realistically). The only assumption or simplification is that the electromagnetic fields do not change significantly between two successive measurements of the S-parameters. In order to maintain this assumption, it is advisable to measure the S-parameters often enough, i.e. before large changes in the loss and field distribution in the material to be heated have taken place.

Zusammenfassend kann man die zweite Ausführung des Verfahrens wie folgt in Schritte gliedern:

  1. 1. Am Anfang (tn = 0) wähle einen beliebigen Anregungsvektor a aus (bspw. a = [11...1]T, d.h. alle Amplituden gleich und null Phasendifferenz).
  2. 2. Für t = tn miss die S-Matrix der EMAZ Sn(f).
  3. 3. Wende Anregungsvektor a an.
  4. 4. Nach dem Ablauf eines vordefinierten Zeitintervalls Δt, d.h. für t = tn+1 = tn + Δt, miss erneut die S-Matrix Sn+1(f).
  5. 5. Berechne die Veränderung in der Matrix Δ ( S H S ) = S n + 1 H S n + 1 S n H S n .
    Figure DE102019210264B4_0108
    • • (Optional) Falls die absolute oder relative Veränderung zu groß ist, d.h. falls ||Δ(SHS)|| oder Δ ( S H S ) / S n H S n
      Figure DE102019210264B4_0109
      eine vordefinierte Grenze überschreitet, verringere den Zeitraum Δt zwischen zwei S-Parametermessungen.
  6. 6. Finde den Vektor a, der den a H Δ ( S H S ) a a H ( I S n + 1 H S n + 1 ) a
    Figure DE102019210264B4_0110
    minimiert.
    • • Dieser Vektor ist der Eigenvektor der Gleichung - Δ ( S H S ) a   =   λ ( I - S n + 1 H S n + 1 ) a ,
      Figure DE102019210264B4_0111
      der dem kleinsten Eigenwert λ entspricht.
  7. 7. Falls der Erwärmungs- bzw. Auftauprozess noch nicht zu Ende ist, gehe zu Schritt 3. Sonst beende den Prozess.
In summary, the second execution of the method can be divided into steps as follows:
  1. 1. At the beginning (t n = 0) select any excitation vector a (for example a = [11 ... 1] T , ie all amplitudes equal and zero phase difference).
  2. 2. For t = t n measure the S-matrix of the EMAZ S n (f).
  3. 3. Apply excitation vector a.
  4. 4. After a predefined time interval Δt has elapsed, ie for t = t n + 1 = t n + Δt, measure the S matrix S n + 1 (f) again.
  5. 5. Calculate the change in the matrix Δ ( S. H S. ) = S. n + 1 H S. n + 1 - S. n H S. n .
    Figure DE102019210264B4_0108
    • • (Optional) If the absolute or relative change is too large, ie if || Δ (S H S) || or Δ ( S. H S. ) / S. n H S. n
      Figure DE102019210264B4_0109
      exceeds a predefined limit, reduce the time period Δt between two S-parameter measurements.
  6. 6. Find the vector a that corresponds to the - a H Δ ( S. H S. ) a a H ( I. - S. n + 1 H S. n + 1 ) a
    Figure DE102019210264B4_0110
    minimized.
    • • This vector is the eigenvector of the equation - Δ ( S. H S. ) a = λ ( I. - S. n + 1 H S. n + 1 ) a ,
      Figure DE102019210264B4_0111
      which corresponds to the smallest eigenvalue λ.
  7. 7. If the warming or thawing process has not ended, go to step 3 . Otherwise end the process.

Das Beendung obigen Prozesses kann anhand unterschiedlicher Kriterien entschieden werden. Bspw. kann die Temperatur des Erwärmungsguts an einem oder mehreren Punkten durch Temperatursensoren überwacht werden (s. Datenstrom 10) und der Prozess abgebrochen werden, sobald die Temperatur einen bestimmten Grenzwert erreicht hat. Eine andere Option besteht darin, eine bestimmte Zeit oder Energieaufnahme vor dem Anfang des Prozesses zu definieren. Wenn diese Zeit vergangen ist bzw. wenn diese Energiemenge vom Erwärmungsgut aufgenommen wurde (letzteres kann durch die S-Parametermessungen leicht bestimmt werden), kann der Erwärmungsprozess beendet werden.The termination of the above process can be decided based on different criteria. For example, the temperature of the material to be heated can be monitored at one or more points by temperature sensors (see data stream 10 ) and the process will be canceled as soon as the temperature has reached a certain limit value. Another option is to define a specific time or energy consumption before starting the process. When this time has passed or when this amount of energy has been absorbed by the material to be heated (the latter can easily be determined by means of the S-parameter measurements), the heating process can be ended.

Ein Abbruchkriterium für Auftauprozesse, oder allgemein Prozesse, während derer ein Phasenwechsel des Erwärmungsguts stattfindet, kann durch Überwachung der Veränderung der S-Parameter bzw. der Leistungsaufnahmekapazität mit der Zeit erhalten werden. So wächst bspw. die Leistungsaufnahmekapazität eines Gefriergutes nach dem Auftauen nicht so stark wie während des Auftauens. Demnach könnte man die zeitliche Kurve der Leistungsaufnahmekapazität mit der Zeit überwachen und den Prozess dann abbrechen, wenn diese aufhört zu steigen, oder wenn die erste Ableitung der selbigen Kurve stark sinkt. Diese quantitativen Veränderungen würden auf einen qualitativen Phasenübergang hinweisen.A termination criterion for thawing processes, or in general processes during which a phase change of the material to be heated takes place, can be obtained by monitoring the change in the S-parameters or the power consumption capacity over time. For example, the power consumption capacity of frozen food does not grow as much after defrosting as it does during defrosting. Accordingly, one could monitor the time curve of the power consumption capacity over time and then stop the process if it stops increasing or if the first derivative of the same curve drops sharply. These quantitative changes would indicate a qualitative phase transition.

Ähnliche Vorgehensweisen sind bereits bekannt. So wurde vorgeschlagen, die Absorptionsrate (d.h. das Verhältnis absorbierter zu eingespeister Leistung) für möglichst viele Anregungsvektoren a und Frequenzen f zu überwachen. Demnach könnten einige Frequenzen und Anregungsvektoren a besser geeignet sein, den Phasenübergangsprozess zu detektieren. Es wurde auch vorgeschlagen, den Mittelwert der Absorptionsrate über alle angewandten Vektoren und Frequenzen als Indikator zu nehmen.Similar approaches are already known. It was proposed to monitor the absorption rate (i.e. the ratio of absorbed to fed-in power) for as many excitation vectors a and frequencies f as possible. Accordingly, some frequencies and excitation vectors a could be better suited to detect the phase transition process. It has also been suggested to take the mean value of the absorption rate over all applied vectors and frequencies as an indicator.

Im Folgenden werden zwei neue Methoden beschrieben, diesen Phasenübergang zu detektieren. Die erste Methode besteht darin, für jede Frequenz das Maximum der Absorptionsrate über die S-Parameter zu berechnen. Dieser Wert ist 1 σ m i n 2

Figure DE102019210264B4_0112
wobei σmin der kleinste Singulärwert von S ist. Dieser Wert ist repräsentativer als der Absorptionswert bei einem beliebigen Anregungsvektor. Wenn sich nämlich die Absorption bei einem konstanten Anregungsvektor reduziert, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass die Absorptionskapazität der Last gesunken ist. Es könnte sein, dass sich das Feld, das durch diesen Vektor angeregt wird, wegen der Veränderung der Lasttemperatur verändert hat und ineffizienter geworden ist. Es könnte jedoch andere realisierbare Felder geben, die effizienter sind.Two new methods of detecting this phase transition are described below. The first method is to use the S-parameters to calculate the maximum absorption rate for each frequency. This value is 1 - σ m i n 2
Figure DE102019210264B4_0112
where σ min is the smallest singular value of S. This value is more representative than the absorption value for any excitation vector. If the absorption is reduced for a constant excitation vector, this does not necessarily mean that the absorption capacity of the load has decreased. It could be that the field excited by this vector has changed due to the change in load temperature and has become more inefficient. However, there could be other viable fields that are more efficient.

Der Durchschnittswert der Absorptionsrate ist ebenfalls ein guter Indikator für den Zustand der Last. Die bisher zur Ermittlung dieses Durchschnittswertes genutzte Verfahrensweise ist jedoch ungenau, sehr aufwändig, und ineffizient, da die reflektierte Leistung bei möglichst vielen Anregungsparametern gemessen werden muss. Ein alternativer Weg, diesen Durchschnitt im Rahmen der zweiten Methode bei einer Frequenz zu berechnen, wird im Folgenden präsentiert.The average value of the absorption rate is also a good indicator of the state of the load. The procedure previously used to determine this average value is, however, imprecise, very complex and inefficient, since the reflected power has to be measured with as many excitation parameters as possible. An alternative way of calculating this average in the second method at a frequency is presented below.

Die Absorptionsrate für einen beliebigen, normierten Anregungsvektor a (||a|| = 1) ist η ( a ) = a H ( I S H S ) a = a H Q a ,

Figure DE102019210264B4_0113
wobei Q die Erwärmungsmatrix des gesamten Erwärmungsguts darstellt. Wenn man die durchschnittliche Absorptionsrate η(a) über alle möglichen Anregungsvektoren a berechnen möchte, muss man über alle normierten Vektoren integrieren, d.h. auf der Oberfläche der Kugel ||a||2 = 1. Um über reelle Variablen zu integrieren, kann man aHQa wie folgt umschreiben: a H Q a = [ x T y T ] [ A - B B A ] [ x y ] r T Q ˜ r ,
Figure DE102019210264B4_0114
wobei x = Re ( a ) , y = Im ( a ) , A = Re ( Q ) , B = Im ( Q ) , r = [ x y ] , Q ˜ = [ A - B B A ]
Figure DE102019210264B4_0115
. Somit wurde eine Funktion von N komplexen Variablen η(a) in eine Funktion von 2N-reellen Variablen η(r) umgewandelt. Daher ist der Durchschnitt der Absorptionsrate in den neuen Variablen gleich η ¯ = 1 S 2 N 1 r T Q ˜ r   d S ,
Figure DE102019210264B4_0116
wobei S2N-1 der Flächeninhalt der Einheitskugel in 2N Dimensionen ist. Laut Divergenzsatz und der Symmetrie Q̃T = Q̃ kann obiges Integral wie folgt berechnet werden: ( Q ˜ r ) T . r ^   d S = V 2 N ( Q ˜ r ) d V = V 2 N tr ( Q ˜ ) d V = tr ( Q ˜ ) V 2 N ,
Figure DE102019210264B4_0117
wobei tr ( Q ˜ ) = 2 tr ( Q ) = 2 i = 1 N   q i i
Figure DE102019210264B4_0118
die Spur der Matrix Q und V2N das Volumen einer 2N-dimensionalen Einheitskugel darstellen. Für N-Dimensionale Kugeln gilt V N S N 1 = 1 N .
Figure DE102019210264B4_0119
Daher ist η ¯ = 2 V 2 N S 2 N 1 tr ( Q ) = 2 1 2 N eig ( I S H S ) = 1 N ( N eig ( S H S ) ) .
Figure DE102019210264B4_0120
The absorption rate for any normalized excitation vector a (|| a || = 1) is η ( a ) = a H ( I. - S. H S. ) a = a H Q a ,
Figure DE102019210264B4_0113
where Q represents the heating matrix of the entire material to be heated. If one wants to calculate the average absorption rate η (a) over all possible excitation vectors a, one has to integrate over all normalized vectors, ie on the surface of the sphere || a || 2 = 1. To integrate over real variables, a H Qa can be rewritten as follows: a H Q a = [ x T y T ] [ A. - B. B. A. ] [ x y ] r T Q ˜ r ,
Figure DE102019210264B4_0114
whereby x = re ( a ) , y = in the ( a ) , A. = re ( Q ) , B. = in the ( Q ) , r = [ x y ] , Q ˜ = [ A. - B. B. A. ]
Figure DE102019210264B4_0115
. Thus, a function of N complex variables η (a) was converted into a function of 2N real variables η (r). Therefore the average of the absorption rate is the same in the new variables η ¯ = 1 S. 2 N - 1 r T Q ˜ r d S. ,
Figure DE102019210264B4_0116
where S 2N-1 is the area of the unit sphere in 2N dimensions. According to the divergence theorem and the symmetry Q̃ T = Q̃ the above integral can be calculated as follows: ( Q ˜ r ) T . r ^ d S. = V 2 N ( Q ˜ r ) d V = V 2 N tr ( Q ˜ ) d V = tr ( Q ˜ ) V 2 N ,
Figure DE102019210264B4_0117
whereby tr ( Q ˜ ) = 2 tr ( Q ) = 2 i = 1 N q i i
Figure DE102019210264B4_0118
the trace of the matrix Q and V 2N represent the volume of a 2N-dimensional unit sphere. The following applies to N-dimensional spheres V N S. N - 1 = 1 N .
Figure DE102019210264B4_0119
thats why η ¯ = 2 V 2 N S. 2 N - 1 tr ( Q ) = 2 1 2 N own ( I. - S. H S. ) = 1 N ( N - own ( S. H S. ) ) .
Figure DE102019210264B4_0120

Da die Eigenwerte von SHS gleich die quadrierten Singulärwerte von S sind, hat man schließlich: η ¯ = 1 1 N n = 1 N σ n 2 = 1 σ 2 ¯ ,

Figure DE102019210264B4_0121
wobei σ12, ..., σN die Singulärwerte von S sind. D.h. die durchschnittliche Absorptionsrate über alle möglichen Anregungsvektoren bei einer Frequenz ist eins minus den Mittelwert der quadrierten Singulärwerte der Streumatrix bei derselben Frequenz.Since the eigenvalues of SHS are equal to the squared singular values of S, one finally has: η ¯ = 1 - 1 N n = 1 N σ n 2 = 1 - σ 2 ¯ ,
Figure DE102019210264B4_0121
where σ 1 , σ 2 , ..., σ N are the singular values of S. That is to say, the average absorption rate over all possible excitation vectors at a frequency is one minus the mean value of the squared singular values of the scatter matrix at the same frequency.

Anhand der obigen Berechnung könnte man einen Auftauprozess oder ähnlichen Erwärmungsprozess, währenddessen ein Phasenübergang der Last bzw. des Erwärmungsguts stattfindet, anhand des folgenden Algorithmus überwachen und eventuell abbrechen (s. Schritt 7 der zweiten Ausführung des Verfahrens):

  1. a. Führe die SVD-Zerlegung der in Schritt 4 gemessenen Streumatrix Sn+1(f) durch.
  2. b. Aus den obigen Singulärwerten berechne die Absorptionsrate bei jeder Frequenz durch Formell η ¯ ( ƒ ) = 1 1 N n = 1 N σ n 2 ( ƒ ) .
    Figure DE102019210264B4_0122
  3. c. Berechne den Mittelwert, den Maximalwert oder den Minimalwert der Absorptionsrate über die Frequenz: η ¯ ¯ = 1 ƒ m a x ƒ m i n ƒ m i n ƒ m a x η ¯ ( ƒ ) d f  
    Figure DE102019210264B4_0123
    oder η ¯ ¯ = max ƒ   η ¯ ( ƒ )  oder  η ¯ ¯ = min ƒ η ¯ ( ƒ ) .
    Figure DE102019210264B4_0124
  4. d. Zeichne die dadurch entstandene Kurve der zeitlichen Entwicklung dieses Werts als η ¯ ¯ ( t )
    Figure DE102019210264B4_0125
    oder als Zeitreihe η ¯ ¯ n
    Figure DE102019210264B4_0126
    auf.
  5. e. Berechne die zeitliche Ableitung der obigen Kurve d η ¯ ¯ / d t
    Figure DE102019210264B4_0127
    oder die Differenz η ¯ ¯ n + 1 η ¯ ¯ n .
    Figure DE102019210264B4_0128
    Falls dieser Wert von positiv auf negativ umschlägt, oder sehr stark sinkt, brich den Erwärmungsprozess ab.
On the basis of the above calculation, a thawing process or similar heating process, during which a phase transition of the load or the material to be heated takes place, could be monitored using the following algorithm and possibly canceled (see step 7th the second execution of the procedure):
  1. a. Perform the SVD decomposition in step 4th measured scattering matrix S n + 1 (f).
  2. b. From the singular values above, calculate the absorption rate at each frequency by Formula η ¯ ( ƒ ) = 1 - 1 N n = 1 N σ n 2 ( ƒ ) .
    Figure DE102019210264B4_0122
  3. c. Calculate the mean value, the maximum value or the minimum value of the absorption rate over the frequency: η ¯ ¯ = 1 ƒ m a x - ƒ m i n ƒ m i n ƒ m a x η ¯ ( ƒ ) d f
    Figure DE102019210264B4_0123
    or η ¯ ¯ = Max ƒ η ¯ ( ƒ ) or η ¯ ¯ = min ƒ η ¯ ( ƒ ) .
    Figure DE102019210264B4_0124
  4. d. Draw the resulting curve of the development of this value over time as η ¯ ¯ ( t )
    Figure DE102019210264B4_0125
    or as a time series η ¯ ¯ n
    Figure DE102019210264B4_0126
    on.
  5. e. Calculate the time derivative of the curve above d η ¯ ¯ / d t
    Figure DE102019210264B4_0127
    or the difference η ¯ ¯ n + 1 - η ¯ ¯ n .
    Figure DE102019210264B4_0128
    If this value changes from positive to negative, or drops very sharply, stop the heating process.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Bestrahlungszone (EMAZ)Irradiation Zone (EMAZ)
22
AntennenAntennas
33
Erwärmungsgut bzw. Objekt(e)Material to be heated or object (s)
44th
Leistungsverstärker mit HF-QuellePower amplifier with RF source
55
Messeinrichtung für StreuparameterMeasuring device for scattering parameters
66th
RückmeldungsdatenstromFeedback data stream
77th
EingangsdatenstromInput data stream
88th
BefehlsdatenstromCommand stream
99
Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
1010
RückmeldungsdatenstromFeedback data stream

Claims (19)

Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer vorgebbaren Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem - eine Objektgruppe aus mehreren Objekten in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird, - wobei vor der Erwärmung der Objektgruppe wenigstens eine differentielle Streuparametermessung durchgeführt wird, bei der aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung bei unterschiedlicher Anzahl der Objekte der Objektgruppe in der Bestrahlungszone an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird, - aus der differentiellen Streuparametermessung Erwärmungsmatrizen für die Objekte der Objektgruppe abgeschätzt werden, - aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer vorgegebenen Wärmeverteilung in der Objektgruppe führen, und - die HF-Sendekanäle anschießend zur Erwärmung der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with a predeterminable heat distribution by means of high-frequency radiation, in which - an object group consisting of several objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an RF transmission unit with at least two separate RF transmission channels, - with at least one differential measurement of scattering parameters being carried out before the object group is heated, in which high-frequency radiation backscattered from the irradiation zone is detected with a different number of objects in the object group in the irradiation zone at irradiation locations of the RF transmission channels, - Warming matrices for the objects of the object group are estimated from the differential measurement of scattering parameters, - Operating parameters for the RF transmission channels are determined from the heating matrices, which lead to a predetermined heat distribution in the object group, and - The RF transmission channels are then operated to heat the object group with the operating parameters determined from the heating matrices. Verfahren zur Erwärmung dielektrischer Objekte mit einer gleichmäßigen Wärmeverteilung mittels Hochfrequenzstrahlung, bei dem - ein Objekt oder eine Objektgruppe in eine Bestrahlungszone eingebracht und über eine HF-Sendeeinheit mit wenigstens zwei getrennten HF-Sendekanälen mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlt wird, - wobei eine oder mehrere differentielle Streuparametermessungen durchgeführt werden, bei denen aus der Bestrahlungszone rückgestreute Hochfrequenzstrahlung vor Beginn und zu einer Zeit während des Erwärmungszeitraums und/oder zu unterschiedlichen Zeiten während des Erwärmungszeitraums an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle erfasst wird, - aus jeder differentiellen Streuparametermessung Erwärmungsmatrizen für relativ zu anderen Bereichen des Objekts oder der Objektgruppe stärker erwärmte Bereiche abgeschätzt werden, - aus den Erwärmungsmatrizen Betriebsparameter für die HF-Sendekanäle bestimmt werden, die zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung in dem Objekt oder der Objektgruppe führen, und - die HF-Sendekanäle anschließend zur weiteren Erwärmung des Objektes oder der Objektgruppe mit den aus den Erwärmungsmatrizen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method for heating dielectric objects with a uniform heat distribution by means of high-frequency radiation, in which - an object or a group of objects is introduced into an irradiation zone and irradiated with coherent high-frequency radiation via an HF transmission unit with at least two separate HF transmission channels, - with one or more differential parameter measurements are carried out in which backscattered high-frequency radiation from the irradiation zone is detected before the beginning and at a time during the heating period and / or at different times during the heating period at irradiation locations of the RF transmission channels, - from each differential measurement of scattering parameters, heating matrices for relative to other areas of the object or the object group more strongly heated areas are estimated, - operating parameters for the RF transmission channels are determined from the heating matrices, which ode to a uniform heat distribution in the object r of the object group, and - the RF transmission channels are then operated for further heating of the object or the group of objects with the operating parameters determined from the heating matrices. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der differentiellen Streuparametermessung Streuparameter bei Einbringen aller Objekte der Objektgruppe in die Bestrahlungszone und bei Einbringen unterschiedlicher Teilmengen der Objekte der Objektgruppe in die Bestrahlungszone erfasst werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that, to carry out the differential measurement of scattering parameters, scattering parameters are recorded when all objects of the object group are brought into the irradiation zone and when different subsets of the objects of the object group are brought into the irradiation zone. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der unterschiedlichen Teilmengen bei einer Gesamtanzahl von L Objekten der Objektgruppe L - 1 Objekte umfasst und Streuparametermessungen an L oder an L-1 unterschiedlichen Teilmengen durchgeführt werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that each of the different subsets in a total number of L objects of the object group comprises L-1 objects and scatter parameter measurements are carried out on L or on L-1 different subsets. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Streuparametermessung eine Streumatrix S erzeugt wird und die Erwärmungsmatrix jedes Objektes aus einer Änderung des Streumatrixprodukts Δ(SHS) zwischen der Streumatrix bei Einbringen aller Objekte der Objektgruppe in die Bestrahlungszone und der Streumatrix bei Einbringen einer Teilmenge ohne das jeweilige Objekt in die Bestrahlungszone abgeschätzt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that a scatter matrix S is generated for each scattering parameter measurement and the heating matrix of each object from a change in the scatter matrix product Δ (S H S) between the scatter matrix when all objects of the object group are introduced into the irradiation zone and the scatter matrix when a subset is introduced without the respective object is estimated in the irradiation zone. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine differentielle Streuparametermessung bei unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzstrahlung durchgeführt wird, um für jede dieser Frequenzen Erwärmungsmatrizen und Betriebsparameter zu erhalten, wobei die HF-Sendekanäle zur Erwärmung der Objektgruppe zeitlich nacheinander mit den aus den Erwärmungsmatrizen für die unterschiedlichen Frequenzen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method according to one of the Claims 1 and 3 until 5 , characterized in that the at least one differential measurement of scattering parameters is carried out at different frequencies of the high-frequency radiation in order to obtain heating matrices and operating parameters for each of these frequencies, the RF transmission channels for heating the object group in chronological order with those determined from the heating matrices for the different frequencies Operating parameters are operated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Betriebsparameter für eine Fokussierung in einen Teilbereich Gl des Erwärmungsguts als vorgegebene Wärmeverteilung ein Eigenvektor der Gleichung Q l a = λ ( k l Q k ) a
Figure DE102019210264B4_0129
als Anregungsvektor ermittelt wird, der dem größten Eigenwert Ä entspricht, wobei Ql der Erwärmungsmatrix des Teilbereiches Cl, Qk Erwärmungsmatrizen der verbleibenden Teilbereiche Gk und a Anregungsvektoren entsprechen.
Method according to one of the Claims 1 and 3 until 6th , characterized in that an eigenvector of the equation is used as the predetermined heat distribution to determine the operating parameters for focusing in a partial area G l of the material to be heated Q l a = λ ( k l Q k ) a
Figure DE102019210264B4_0129
is determined as the excitation vector which corresponds to the greatest eigenvalue λ, where Q l corresponds to the heating matrix of the sub-area C l, Q k heating matrices of the remaining sub-areas G k and a correspond to excitation vectors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Betriebsparameter für eine gleichmäßige Erwärmung des Erwärmungsguts als vorgegebene Wärmeverteilung die relative Standardabweichung von Leistungsdichtewerten der Teilbereiche des Erwärmungsguts RSD = 1 L l = 1 L ( p l V l p ¯ ) 2 p ¯
Figure DE102019210264B4_0130
mit Hilfe einer doppelten periodischen Wiederholungsschleife an Anregungsvektoren minimiert wird, in der in einer inneren Schleife NT Anregungsvektoren bei derselben Frequenz fn zeitlich nacheinander angewendet werden, während eine äußere Schleife derartige NT Anregungsvektoren bei Nf unterschiedlichen Frequenzen zeitlich nacheinander anwendet, wobei NT ≥ N und N die Anzahl der HF-Sendekanäle, pl die Leistung, die im Teilbereich Gl verbraucht wird, Vl das Volumen des Teilbereichs, p ¯ = l = 1 L p l / l = 1 L V l
Figure DE102019210264B4_0131
die durchschnittliche Leistungsdichte und L die Anzahl der Teilbereiche darstellen.
Method according to one of the Claims 1 and 3 until 6th , characterized in that to determine the operating parameters for uniform heating of the material to be heated, the relative standard deviation of the power density values of the sub-areas of the material to be heated is the predetermined heat distribution RSD = 1 L. l = 1 L. ( p l V l - p ¯ ) 2 p ¯
Figure DE102019210264B4_0130
is minimized with the help of a double periodic repetition loop of excitation vectors, in which in an inner loop N T excitation vectors at the same frequency f n are applied successively in time, while an outer loop applies such N T excitation vectors at N f different frequencies one after the other, where N T ≥ N and N the number of RF transmission channels, p l the power that is consumed in the sub-area G l , V l the volume of the sub-area, p ¯ = l = 1 L. p l / l = 1 L. V l
Figure DE102019210264B4_0131
represent the average power density and L the number of sub-areas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Anregungsvektoren für die Erzeugung einer vorgegebenen Wärmeverteilung { p 1 0 , p 2 0 , , p L 0 }
Figure DE102019210264B4_0132
des Erwärmungsguts, wobei p l 0
Figure DE102019210264B4_0133
die erwünschte Leistung im Teilbereich Gl darstellt, - folgende zwei Mengen definiert werden: (a) eine Menge A von komplexen L -dimensionalen Vektorensätzen F1, F2, ..., FL, die durch einen beliebigen Vektor a durch Formel F l = Q l 1 / 2 a
Figure DE102019210264B4_0134
generiert werden, wobei a den N-dimensionalen komplexen Vektor der Kanalanregungen und Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0135
die Quadratwurzel der Erwärmungsmatrix von Gl darstellen, (b) eine Menge B von komplexen L -dimensionalen Vektorensätzen F1, F2, ..., F̃L, deren Normen ||F̃l||2 = pl von den vorgegebenen Leistungen p l 0
Figure DE102019210264B4_0136
innerhalb vorgegebener Toleranzen ∈l abweichen: p l p l 0 | < l l = 1,2, , L ,
Figure DE102019210264B4_0137
- eine Schnittmenge zwischen Menge A und Menge B gefunden wird, und - im Falle, dass die Schnittmenge von A und B leer ist, ein Vektorsatz Fl, l = 1,2, ...,L in Menge A gefunden wird, der so wenig wie möglich von der Menge B entfernt ist.
Method according to one of the Claims 1 and 3 until 6th , characterized in that for the determination of excitation vectors for the generation of a predetermined heat distribution { p 1 0 , p 2 0 , ... , p L. 0 }
Figure DE102019210264B4_0132
of the material to be heated, where p l 0
Figure DE102019210264B4_0133
represents the desired performance in sub-area G l , - the following two quantities are defined: (a) a set A of complex L -dimensional vector sets F 1 , F 2 , ..., F L , represented by an arbitrary vector a by formula F. l = Q l 1 / 2 a
Figure DE102019210264B4_0134
are generated, where a is the N-dimensional complex vector of the channel excitations and Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0135
represent the square root of the warming matrix of G l , (b) a set B of complex L -dimensional vector sets F 1 , F 2 , ..., F̃ L , whose norms || F̃ l || 2 = p l of the given performance p l 0
Figure DE102019210264B4_0136
deviate within specified tolerances ∈ l: p l - p l 0 | < l , l = 1.2, ... , L. ,
Figure DE102019210264B4_0137
- an intersection between set A and set B is found, and - in the case that the intersection of A and B is empty, a vector set F l , l = 1,2, ..., L is found in set A, which is as little removed from set B as possible.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Vektorsatzes F1, F2,..., FL in Menge A ein iteratives Verfahren verwendet wird, das ein Element der Menge A auf Menge B, im Anschluss daran wieder auf Menge A, anschließend erneut auf Menge B usw. projiziert, bis ein Konvergenz- oder Abbruchkriterium oder eine vorgebbare maximale Anzahl von Iterationen erreicht wird.Procedure according to Claim 9 , characterized in that an iterative method is used to determine a vector set F 1 , F 2 , ..., F L in set A, which converts an element of set A to set B, then back to set A, then again projected onto set B etc. until a convergence or termination criterion or a predeterminable maximum number of iterations is reached. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Anregungsvektoren für die Erzeugung einer vorgegebenen Wärmeverteilung des Erwärmungsguts, bei der in jedem Teilbereich Gl eine Leistung konsumiert wird, die einen bestimmten Wert innerhalb bestimmter Toleranzen hat: p l p l 0 | < l
Figure DE102019210264B4_0138
l wobei p l 0
Figure DE102019210264B4_0139
der erwünschte Wert und ∈l die entsprechende erlaubte Toleranz sind, - für jeden Teilbereich Gl ein N-dimensionaler komplexer Leistungsvektor F l = Q l 1 / 2 a
Figure DE102019210264B4_0140
definiert wird, wobei a der N-dimensionale komplexe Vektor der Kanalanregungen und Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0141
die Quadratwurzel der Erwärmungsmatrix von Gl darstellen, - in einem iterativen Verfahren beginnend mit einem beliebigen Startvektor a 0
Figure DE102019210264B4_0142
jeweils die daraus resultierende Leistung in Teilbereich Gl durch die Formel F l 2 > a 0 H Q l a 0
Figure DE102019210264B4_0143
berechnet und mit dem Wert p l 0
Figure DE102019210264B4_0144
der zu erreichenden Leistung verglichen wird, und falls F l > p l 0 + l  oder  F l < p l 0 l
Figure DE102019210264B4_0145
der Vektor Fl entsprechend folgender Formel skaliert F l ' = F l F l p l 0 + l   b z w   F l ' = F l F l < p l 0 l
Figure DE102019210264B4_0146
und anschließend ein neuer Anregungsvektor a1 ermittelt wird, der die Fehlernorm l = 1 L Q l 1 2 a 1 F l ' 2
Figure DE102019210264B4_0147
minimiert, mit diesem neuen Anregungsvektor wieder die daraus resultierende Leistung berechnet und mit dem Wert p° der zu erreichenden Leistung verglichen wird, und - das Verfahren in dieser Weise solange fortgesetzt wird, bis ein Konvergenz- oder Abbruchkriterium oder eine vorgebbare maximale Anzahl von Iterationen erreicht wird.
Method according to one of the Claims 1 and 3 until 6th , characterized in that for the determination of excitation vectors for the generation of a predetermined heat distribution of the material to be heated, in which a power is consumed in each sub-area G l which has a certain value within certain tolerances: p l - p l 0 | < l
Figure DE102019210264B4_0138
l where p l 0
Figure DE102019210264B4_0139
the desired value and ∈ l the corresponding permitted tolerance, - an N-dimensional complex power vector for each sub-area G l F. l = Q l 1 / 2 a
Figure DE102019210264B4_0140
is defined, where a is the N-dimensional complex vector of the channel excitations and Q l 1 / 2
Figure DE102019210264B4_0141
represent the square root of the warming matrix of G l , - in an iterative process starting with an arbitrary starting vector a 0
Figure DE102019210264B4_0142
in each case the resulting power in sub-area G l using the formula F. l 2 > a 0 H Q l a 0
Figure DE102019210264B4_0143
calculated and with the value p l 0
Figure DE102019210264B4_0144
the performance to be achieved is compared, and if so F. l > p l 0 + l or F. l < p l 0 - l
Figure DE102019210264B4_0145
the vector F l is scaled according to the following formula F. l ' = F. l F. l p l 0 + l b z w F. l ' = F. l F. l < p l 0 - l
Figure DE102019210264B4_0146
and then a new excitation vector a 1 is determined, which is the error norm l = 1 L. Q l 1 2 a 1 - F. l ' 2
Figure DE102019210264B4_0147
minimized, the resulting power is calculated again with this new excitation vector and compared with the value p ° of the power to be achieved, and - the method is continued in this way until a convergence or termination criterion or a predeterminable maximum number of iterations is reached will.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die differentiellen Streuparametermessungen in regelmäßigen Zeitabständen während des Erwärmungszeitraums durchgeführt und die Betriebsparameter bestimmt und angewendet werden.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the differential scatter parameter measurements are carried out at regular time intervals during the heating period and the operating parameters are determined and applied. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Abstand der Messungen der Streuparameter für die differentiellen Streuparametermessungen und/oder Zeitabstände zwischen den differentiellen Streuparametermessungen in Abhängigkeit von einer Größe einer Veränderung der Streuparameter bei den differentiellen Streuparametermessungen angepasst werden. Procedure according to Claim 2 , characterized in that a time interval between the measurements of the scattering parameters for the differential scattering parameter measurements and / or time intervals between the differential scattering parameter measurements are adapted as a function of a magnitude of a change in the scattering parameters in the differential scattering parameter measurements. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die differentiellen Streuparametermessungen bei unterschiedlichen Frequenzen der Hochfrequenzstrahlung durchgeführt werden, um für jede dieser Frequenzen Erwärmungsmatrizen für die stärker erwärmten Bereiche und Betriebsparameter zu erhalten, wobei die HF-Sendekanäle zur Erwärmung des Objekts oder der Objektgruppe zeitlich nacheinander mit den aus den Erwärmungsmatrizen für die unterschiedlichen Frequenzen bestimmten Betriebsparametern betrieben werden.Method according to one of the Claims 2 , 12th or 13th , characterized in that the differential scatter parameter measurements are carried out at different frequencies of the high-frequency radiation in order to obtain heating matrices for the more heated areas and operating parameters for each of these frequencies, the HF transmission channels for heating the object or the group of objects in chronological order with those from the Heating matrices for the different frequencies are operated with certain operating parameters. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenwechsel im Objekt oder der Objektgruppe, insbesondere beim Auftauen gefrorener Produkte, detektiert wird, indem für eine oder mehrere der Frequenzen ein Maximum der Absorptionsrate über den gemessenen Streuparametern bestimmt und als Zeitpunkt des Phasenwechsels herangezogen wird.Procedure according to Claim 14 , characterized in that a phase change in the object or the object group, in particular when thawing frozen products, is detected by determining a maximum of the absorption rate for one or more of the frequencies using the measured scattering parameters and using it as the time of the phase change. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenwechsel im Objekt oder der Objektgruppe, insbesondere beim Auftauen gefrorener Produkte, detektiert wird, indem für eine oder mehrere der Frequenzen eine durchschnittliche Absorptionsrate η ¯ = 1 σ 2
Figure DE102019210264B4_0148
bei der jeweiligen Frequenz bestimmt und als Zeitpunkt des Phasenwechsels ein Maximum oder eine starke Änderung der ggf. über die Frequenzen gemittelten durchschnittlichen Absorptionsrate herangezogen wird, wobei σ 2 ¯
Figure DE102019210264B4_0149
dem Mittelwert der quadrierten Singulärwerte einer Streumatrix entspricht, die bei jeder Streuparametermessung erzeugt wird.
Procedure according to Claim 14 , characterized in that a phase change in the object or the group of objects, in particular when thawing frozen products, is detected by an average absorption rate for one or more of the frequencies η ¯ = 1 - σ 2
Figure DE102019210264B4_0148
is determined at the respective frequency and a maximum or a strong change in the average absorption rate, possibly averaged over the frequencies, is used as the point in time of the phase change, with σ 2 ¯
Figure DE102019210264B4_0149
corresponds to the mean value of the squared singular values of a scatter matrix that is generated for each scatter parameter measurement.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung bei Detektion eines Phasenwechsels beendet wird.Procedure according to Claim 15 or 16 , characterized in that the heating is ended when a phase change is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Betriebsparameter aus den Erwärmungsmatrizen über ein Optimierungsverfahren erfolgt.Method according to one of the Claims 1 until 17th , characterized in that the operating parameters are determined from the heating matrices using an optimization process. Vorrichtung zur Erwärmung dielektrischer Objekte mittels Hochfrequenzstrahlung, mit - einer HF-Sendeeinheit mit wenigstens zwei HF-Sendekanälen, über die in eine Bestrahlungszone eingebrachte Objekte mit kohärenter Hochfrequenzstrahlung bestrahlbar sind, - einer Messeinrichtung, mit der komplexe Streuparameter der Bestrahlungszone mit eingebrachten Objekten an Einstrahlungsorten der HF-Sendekanäle gemessen werden können, und - einer Steuer- und Auswerteeinrichtung für die Ansteuerung der HF-Sendeeinheit und Messeinrichtung und für die Auswertung der von der Messeinrichtung gemessenen Streuparameter, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist.Device for heating dielectric objects by means of high-frequency radiation, with - an HF transmission unit with at least two HF transmission channels, via which objects introduced into an irradiation zone can be irradiated with coherent high-frequency radiation, HF transmission channels can be measured, and - a control and evaluation device for controlling the HF transmission unit and measuring device and for evaluating the scattering parameters measured by the measuring device, which are used to carry out the method according to one or more of the Claims 1 until 18th is trained.
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