一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线

摘要

本发明涉及一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，属于微波能应用技术领域，该漏波天线包括传输能量的主传输线，位于传输线外壁上形成漏波辐射的缝隙，以及匹配调谐结构；主传输线沿传输方向被划分为N(N 2)个等长的区域，每个区域内通过控制的缝隙尺寸和位置，实现不同的漏波衰减常数，保证每个区域的漏波辐射功率相同；每个区域内均安装匹配调谐结构，使主传输线所划分的任一区域输入端口都实现良好的匹配。本发明有效解决了隧道状或圆柱状微波加热设备中，由于其轴向尺寸较大导致的加热不均匀问题，提高了能量转化效率。

权利要求

1.一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，包括传输能量的主传输线，位于传输线外壁上形成漏波辐射的缝隙，以及匹配调谐结构，其特征在于：所述主传输线沿能量传输方向划分为N个长度相等的区域，其中N≥2，任一个区域n内，其中1≤n≤N，通过控制所述漏波辐射缝隙的尺寸和位置，使该区域的功率衰减量αn满足其中 是区域n的输入功率， 为区域n的输出功率，Pin为总的输入功率，也是n＝1区域的输入功率，Pd是每个区域的漏波辐射功率，每个所述主传输线区域的漏波辐射功率都Pd是相同的；

所述匹配调谐结构安装于所述主传输线划分的每一个区域内；

漏波天线的主传输线为圆波导结构，圆波导的轴线与微波能应用器的轴线重合；漏波天线的一端与微波能应用器端面的内表面紧密连接，漏波天线的另一端与微波能应用器端面的内表面紧密连接；

漏波辐射缝隙由多个位于主传输线外壁上的细长型开孔组成，漏波辐射缝隙完全穿透主传输线的外壁。

2.如权利要求1所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，所述主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口与吸收负载连接。

3.如权利要求2所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率Pin是第一个区域的输入功率，其中PL＜Pin，PL是负载吸收的功率；根据Pd得到每个区域的功率衰减量满足

4.如权利要求1所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，所述主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口被短路。

5.如权利要求4所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率Pin是第一个区域的输入功率；根据Pd得到n(1≤n≤N-1)区域的功率衰减量满足

6.如权利要求1或2或4所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，所述漏波天线位于被加热物质的外面或埋放在被加热物质的内。

7.如权利要求1或2或4所述的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特征在于，有2根或2根以上所述漏波天线位于被加热物质的外面或埋放在被加热物质的内。

说明书

一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线

技术领域

[0001] 本发明属于微波能应用技术领域，特别地，涉及一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线的设计。

背景技术

[0002] 微波能加热应用中，加热的均匀性(也即场分布的均匀性)不仅影响微波能的利用效率，还会对工艺过程的成败起决定作用。微波场分布由微波能应用器和微波辐射天线共同决定。

[0003] 在许多应用场合中，微波能应用器往往是隧道式或圆柱状，其特点是长轴方向的尺寸远大于横截面尺寸，如图1所示。其中微波能应用器11的横截面尺寸在数个波长的量级，而长度方向有数十个波长。微波能由输入端111馈入，被加热物质12填充在应用器11中，从输入端111到末端112。为将微波能有效地馈送到末端112，通常引入漏波天线13，从应用器11的输入端111探入到末端112。微波能量沿漏波天线向前传输的同时，通过漏波缝隙向应用器11中辐射出部分能量，该部分辐射能量被物质12吸收，转化为物质12的内能，起到加热的作用。

[0004] 传统的漏波天线主要用于通信或雷达系统，有成熟的天线设计综合方法，其设计目标是形成特定的远场辐射方向图。而用于微波加热系统时，漏波天线与被加热物质之间距离一般达不到远场条件，设计目标是微波能更有效地转化为热能，因此不能用传统漏波天线的设计理论和方法。由于缺少合理的设计方法，目前常用的微波加热系统中，多采用尺寸不变的缝隙，沿能量传输方向均匀分布，或者绝大部分均匀分布、局部根据实验结果定性地修正。这种漏波天线的漏波衰减常数是固定值，即在天线上任一位置取相同长度为的区域，该区域的衰减量是不随位置变化的。

[0005] 恒定衰减常数会导致能量传输方向上不同位置辐射功率不均匀。以图2为例说明。假设具有恒定漏波衰减常数的漏波天线输入端21处输入功率为Pin，最末端22处输出功率为PL。实际应用中 在不影响结论的前提下，为表述方便取 则由输入端21到输出端22总的功率衰减为10dB。将天线划分为等长的N个区域，由于其漏波衰减常数为固定值，所以各区域天线的衰减量相同，均为10/NdB。取其中的第n(1≤n≤N)区，其输入端面23的入射功率 输出端面24的输出功率 减少的功率被漏波缝隙
辐射到外部，所以漏波辐射功率

[0006]

[0007] 当N固定时，可以看出漏波辐射功率随n的增加呈指数下降趋势。图3是N取10时Pdn/Pin随n变化。可以看出，靠近微波输入端的第1区漏波辐射功率超过总输入功率的20％，而最末端的第10区辐射功率不到总输入功率的3％。这就会造成靠近源端的场强高，加热功率大，温升快，而远离源的末端场强弱，加热速度慢，在能量传输方向形成明显的不均匀。

[0008] 目前实际工程应用中，大多根据实测的不均匀状况，定性地调整漏波缝隙的分布，不能达到最佳功率分布，也就无法实现最好的加热效率。

发明内容

[0009] 本发明的目的是为克服微波加热设备中已有漏波天线漏波辐射功率的不均匀性，提出了一种具有非均匀衰减常数的漏波天线，其特点是以辐射功率均匀分布为目标，得到非均匀的衰减常数，依据衰减常数的分布设计天线结构尺寸，有效改善其能量传输方向上辐射功率的均匀性，具体方案如下：

[0010] 一种用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，包括传输能量的主传输线，位于传输线外壁上形成漏波辐射的缝隙，以及匹配调谐结构，所述主传输线沿能量传输方向划分为N个长度相等的区域，其中N≥2，任一个区域n内，其中1≤n≤N，通过控制所述漏波辐射缝隙的尺寸和位置，使该区域的功率衰减量αn满足

[0011]

[0012] 其中 是区域n的输入功率， 为区域n的输出功率，Pin为总的输入功率，也是n＝1区域的输入功率，Pd是每个区域的漏波辐射功率，每个所述主传输线区域的漏波辐射功率都Pd是相同的；

[0013] 所述匹配调谐结构具有多个分别安装于所述主传输线划分的每一个区域内，使主传输线所划分的任一区域输入端口都实现良好的匹配。

[0014] 优选方案，所述主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口与吸收负载连接。

[0015] 优选方案，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率 Pin是第一个区域的输入功率，PL＜Pin是负载吸收的功率；根据Pd得到每个区域的功率衰减量满足

[0016]

[0017] 优选方案，所述主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口被短路。

[0018] 优选方案，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率 Pin是第一个区域的输入功率；根据Pd得到n(1≤n≤N-1)区域的功率衰减量满足

[0019]

[0020] 优选方案，所述漏波天线位于被加热物质的外面或埋放在被加热物质的内。

[0021] 优选方案，有2根或2根以上所述漏波天线位于被加热物质的外面或埋放在被加热物质的内。

[0022] 由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

[0023] 本发明用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，是以辐射功率均匀分布为目标，得到非均匀的衰减常数，依据衰减常数的分布设计得到天线结构尺寸，有效改善了其能量传输方向上辐射功率的均匀性。

附图说明

[0024] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

[0025] 图1为典型的隧道式微波加热系统；

[0026] 图2为均匀漏波衰减常数天线示意图；

[0027] 图3为将均匀漏波衰减常数天线划分为等长的10段时，每段区域的辐射功率占总输入功率的比例；

[0028] 图4为本发明实施例的非均匀衰减常数设计示意图；

[0029] 图5为本发明实施例的非均匀衰减量分布；

[0030] 图6为本发明实施例的微波加热系统剖视图；

[0031] 图7(a)和图7(b)为本发明实施例的漏波天线区域6的结构示意图；

具体实施方式

[0032] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0033] 本发明的用于微波加热设备的具有非均匀衰减常数的漏波天线，包括传输能量的主传输线，位于传输线外壁上形成漏波辐射的缝隙，以及匹配调谐结构，主传输线沿能量传输方向划分为N(N≥2)个长度相等的区域，其中，任一个区域n(1≤n≤N)内，通过控制所述漏波辐射缝隙的尺寸和位置，使该区域的功率衰减量αn满足

[0034]

[0035] 其中 是区域n的输入功率， 为区域n的输出功率，Pin为总的输入功率，也是n＝1区域的输入功率，Pd是每个区域的漏波辐射功率，每个所述主传输线区域的漏波辐射功率都Pd是相同的；匹配调谐结构分别安装于所述主传输线划分的每一个区域内。

[0036] 主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口与吸收负载连接，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率 Pin是第一个区域的输入功率，PL＜Pin是负载吸收的功率；根据Pd得到每个区域的功率衰减量满足

[0037]

[0038] 所述主传输线划分的第一个区域的输入端口与微波功率源连接，最后一个区域的输出端口被短路，所述主传输线划分的任一个区域n(1≤n≤N)内，所述漏波辐射缝隙产生的辐射功率 Pin是第一个区域的输入功率；根据Pd得到n(1≤n≤N-1)区域的功率衰减量满足

[0039]

[0040] 如图4所示，沿能量传输方向划分为等长的10个区域，输入功率Pin由第1区的输入端口馈入，最终第10区的输出端口42输出功率为PL。PL的选取可根据具体工程要求确定，不影响本发明的基本技术特征。本实施例中PL的取值为 则得到每一段的漏波辐射功率[0041]

[0042] 将上式代入(1)式中可以计算得到10个区域各自的辐射衰减量如图5所示，具体数值如下表。

[0043]区域n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
衰减量αn 0.91 0.90 0.89 0.88 0.86 0.84 0.80 0.76 0.68 0.53

[0044] 依据10个区域的辐射衰减量，结合微波加热系统的具体结构设计每个区域的漏波缝隙。

[0045] 本实施例的微波加热系统如图6所示，包括圆柱状微波能应用器61、具有非均匀衰减常数的漏波天线62和天线罩63；微波能应用器61的一个端面611开有圆孔，作为微波能输入口，另一个端面612也开有相同的圆孔，作为微波能量输出端；漏波天线62的主传输线为圆波导结构，圆波导的轴线与微波能应用器61的轴线重合；漏波天线62的一端与微波能应用器端面611的内表面紧密连接，漏波天线62的另一端与微波能应用器端面612的内表面紧密连接；天线罩63是圆柱状套筒，包裹在漏波天线62的外面，防止被加热物质通过天线上的缝隙进入天线内部；天线罩63的外表面与微波能应用器61的内表面之间的空间64用来盛放被加热物质。

[0046] 本实施例中，微波能应用器61的横截面直径约为3个波长，而轴线方向长度约为12个波长。

[0047] 漏波天线62的实施首先要选择划分区域的数量N。N越大，则每个区域的输入到输出端之间的功率变化就越小，其辐射场分布沿传输方向的均匀性就越好。另一方面，划分的区域数N越大，衰减量的种类就越多，设计工作量也随之增大；同时每个区域的物理长度随着N的增大而减小，过小的长度会增加结构实现的难度和加工工作量。因此N的选择要根据天线的长度，在均匀性与实现难度、成本之间做权衡。本实施例的漏波天线62长约12个波长，可以划分为等长的10个区域，每个区域长约1.2倍波长。漏波天线62的各个区域采用相似的结构，独立加工，可以分别测试。

[0048] 图7是区域6的结构示意图。区域6的漏波天线包括主传输线71，漏波辐射缝隙72，匹配调谐段731和732以及连接法兰盘741和742。主传输线71为圆波导形式；漏波辐射缝隙72由多个位于主传输线71外壁上的细长型开孔组成，漏波辐射缝隙72完全穿透主传输线71的外壁。在缝隙分布区域的两端各有长度为LT、直径为D2的圆波导731和732，实现匹配调谐功能。匹配调谐段731和732的两端分别与直径是D1的圆波导连接。本实施例中，为实现匹配D1>D2。同时为简化结构，缝隙72分布区的主传输线直径也取为D2。

[0049] 本实施例中漏波辐射缝隙72的开孔是沿着主传输线71外壁的圆周方向，孔的轮廓为细长矩形，矩形的长边方向垂直于主传输线71的轴线方向；漏波辐射缝隙72的轮廓也可以是其他细长形状，如细长椭圆形，它的长轴方向还可以与主传输线72的轴线方向呈一定的角度，上述情况均不影响本发明的实施。

[0050] 本实施例中区域6的衰减量为0.84，通过调节漏波辐射缝隙72的高度g，长度θ，以及开孔的数目可以达到所要求的衰减量。其中缝隙长度θ至少应接近矩形波导最低的截止模式要求，在此之上增加θ则衰减量增加；缝隙高度g增大也可以增大衰减量；θ和g的尺寸选择还要考虑结构加工的可实现性；如果可实现的θ和g尺寸仍无法满足衰减量的要求，则可以增加开孔的数目以增大衰减量。本实施例中，针对915MHz的微波频率，区域6缝隙高度是12mm，缝隙长度对应的张角是30°，缝隙之间间隔24mm共6列，每一列在圆周方向均匀分布8个。

[0051] 漏波辐射会改变主传输线71的阻抗，从而引起失配反射。通过调整匹配调谐段731和732的长度LT和直径D2，可以有效改善失配程度，使主通路驻波比达到实用要求。

[0052] 本实施例中，区域6的漏波天线两端通过法兰盘741和742分别与区域5和区域7的漏波天线连接。

[0053] 本实施例其它区域的漏波辐射天线结构与区域6相近，不同之处在于为满足对应衰减量的要求，选择不同的缝隙的尺寸、数目以及匹配调谐段的长度和直径，不再逐一说明。

[0054] 如图6所示的本实施中，微波能应用器61的输出端口612可以连接匹配负载，也可以连接短路器，对输出端口612的处理视为对本发明技术方案的变型，仍属于本发明的技术构思范围。

[0055] 需要说明的是，由于设计、加工以及测量误差的存在，工程实现的漏波天线的衰减量会与(1)式计算结果有一定偏差，在工程中可以接受范围内，均属于本发明技术方案范围。

[0056] 此外，本实施例中微波能应用器的形状、尺寸，以及天线罩的材料、结构和尺寸均不属于本发明的核心技术特征，技术人员可根据具体工程技术要求选择的上述参数，同样视为本发明所公开的内容。