專利名稱：微波加熱設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波加熱領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明涉及一種包括供給結(jié)構(gòu)的微波加熱 設(shè)備，所述供給結(jié)構(gòu)能夠使所述設(shè)備的工作基本上與待加熱負(fù)載無關(guān)。
背景技術(shù)：
微波加熱技術(shù)涉及將微波能量供給到腔內(nèi)。當(dāng)通過微波加熱設(shè)備加熱例如食品 形式的負(fù)載時(shí)，必須考慮許多方面。這些方面中的大多數(shù)方面對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是 眾所周知的，例如包括期望在食品中吸收最大量的可用微波功率的同時(shí)獲得食品的均勻加 熱，以實(shí)現(xiàn)令人滿意的效率程度。具體地講，微波加熱設(shè)備的工作優(yōu)選地與待加熱負(fù)載的性 質(zhì)無關(guān)或至少幾乎不敏感。
在歐洲專利EP0478053中，公開了一種采用微波爐腔形式的微波加熱設(shè)備，其中， 通過爐腔側(cè)壁中的上下供給口向微波爐腔提供微波。通過Q值比加有負(fù)載的腔的Q值更高 的諧振波導(dǎo)管設(shè)備來實(shí)現(xiàn)供給。波導(dǎo)管的尺寸被設(shè)置成使得在波導(dǎo)管設(shè)備中建立諧振條 件。諧振條件在相應(yīng)的供給口給出微波的鎖相，其中，鎖相優(yōu)選地與期望的腔模式同步。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于需要兩個(gè)供給口來提供穩(wěn)定的場(chǎng)型和場(chǎng)匹配(field matching)，并且在微波供給的靈活性方面存在限制。因此，需要提供將克服這些缺點(diǎn)的替代方案和/或新型設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以上技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的更有效的替代方案。更具體地說，本發(fā)明的目的在于提供一種與待加熱負(fù)載的性質(zhì)具有減小的相關(guān)性 的微波加熱設(shè)備，和/或減少對(duì)微波供給的靈活性的限制。本發(fā)明的這些和其它目的通過具有由獨(dú)立權(quán)利要求所限定的特征的微波加熱設(shè) 備來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例由從屬權(quán)利要求來表征。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種微波加熱設(shè)備。所述微波加熱設(shè)備包括布 置成用于接收待加熱負(fù)載的腔以及用于將微波供給到所述腔中的供給結(jié)構(gòu)。所述供給結(jié)構(gòu) 包括傳輸線，用于傳輸由微波源產(chǎn)生的微波能量；以及諧振器，布置在所述傳輸線和所述 腔之間的接合處，用于操作為所述腔的供給口。構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù) 和所述諧振器的尺寸選擇成使得對(duì)于由所述源產(chǎn)生的微波而在所述諧振器中建立諧振條 件，并在所述傳輸線、所述諧振器和所述腔之間建立阻抗匹配。本發(fā)明利用如下理解諧振器可以布置在所述傳輸線和所述腔之間的接合處，以 操作為供給口，從而在所述腔中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的場(chǎng)型。有利的是，還提供了適當(dāng)?shù)那曳€(wěn)定的匹 配。構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)和所述諧振器的尺寸選擇成使得對(duì)于由所 述源產(chǎn)生的微波而在所述諧振器中建立諧振條件，并在所述傳輸線、所述諧振器和所述腔 之間建立阻抗匹配。這樣，在所述傳輸線和所述腔之間的接合處提供了具有高Q值、尤其是 Q值比加有負(fù)載的腔的Q值更高的諧振器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于其提供一種與布置在腔中的負(fù)載(或負(fù)載的性質(zhì))基本上無關(guān)或至少對(duì)其幾乎不敏感的微波加熱設(shè)備。具體地說，該 微波加熱設(shè)備對(duì)負(fù)載變化幾乎不敏感。此外，與例如沒有任何諧振器(即，連接到腔的充氣波導(dǎo)管)的通過尺寸規(guī)則的孔 進(jìn)行供給的腔相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提供一種更加穩(wěn)定的加熱設(shè)備。所述加熱設(shè)備可以 以穩(wěn)定的頻率工作，而與布置在腔中的負(fù)載基本上無關(guān)(或至少更少地相關(guān))。此外，由于其傳輸性能，諧振器的使用有助于所述傳輸線和所述腔之間的阻抗匹 配。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于其提供一種具有供給孔(或供給口)的尺寸比常規(guī)供給孔的 尺寸更小的微波加熱設(shè)備，由此在所述腔中形成“更清潔”模式、即優(yōu)選地單模式的供給。例 如，本發(fā)明能夠?qū)⒐┙o孔從最小61mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸(正常尺寸為大約80-90mm)減小到大約 6-20mmo此外，為了確保在腔中單模式的供給，因?yàn)橹C振器的設(shè)計(jì)決定其傳輸性能，所以可 以根據(jù)諧振器的設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)腔，以支持與微波供給到腔中的頻率對(duì)應(yīng)的模式。根據(jù)實(shí)施例，構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)大于構(gòu)成所述傳輸線的內(nèi) 部的材料的介電常數(shù)，并且所述諧振器的橫截面尺寸選擇成使得其小于所述傳輸線的橫截 面尺寸。如將在下面更加詳細(xì)地說明的，諧振器的尺寸，即供給口的尺寸，隨著構(gòu)成所述諧 振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)的平方根(V^)按比例縮小。例如，構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的介電材料可以是陶瓷，例如氧化鋁(Al2O3)、二氧化 鈦(TiO2)、以及不同的鈦酸鹽，例如，鈦酸鎂(MgTiO3)和鈦酸鈣(CaTiO3)。有利的是，介電 常數(shù)ε包括在3-150的范圍內(nèi)，并優(yōu)選高于10?？蛇x擇地，所述諧振器可以用金屬涂覆，如果介電材料的所述常數(shù)相對(duì)低，比如量 級(jí)是10，則這對(duì)于避免或至少減少諧振器的微波泄露來說是尤其有利的。然而，如果介電常 數(shù)相對(duì)高，比如量級(jí)為80-90(例如，TiO2)，那么，因?yàn)槟芰啃孤逗芸煜?，所以不需要金屬涂層。根?jù)另一實(shí)施例，微波源是包括半導(dǎo)體元件的固態(tài)微波發(fā)生器。固態(tài)微波發(fā)生器 的優(yōu)點(diǎn)包括可以控制產(chǎn)生的微波的頻率、可以控制發(fā)生器的輸出功率和固有的窄帶頻譜。應(yīng)當(dāng)明白，所述傳輸線可以是標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線，例如波導(dǎo)管、同軸電纜或帶狀線。有利的是，所述諧振器是與所述傳輸線具有相同類型橫截面形狀的細(xì)長(zhǎng)介電材料 段。例如，所述諧振器和所述傳輸線可以具有圓柱形或矩形截面。然而，所述諧振器通常具 有較小的尺寸。根據(jù)實(shí)施例，所述微波加熱設(shè)備還可以包括至少一個(gè)額外的供給結(jié)構(gòu)和微波源， 例如上面限定的任何供給結(jié)構(gòu)和微波源，用于通過額外的諧振器將微波供給到腔中。除了 所述微波加熱設(shè)備對(duì)負(fù)載的性質(zhì)幾乎不敏感的事實(shí)以外，該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)特別在于與現(xiàn) 有技術(shù)的微波加熱設(shè)備相比，其提供從兩個(gè)孔(或供給口)供給的腔，使得串?dāng)_減小。具體地說，微波源分別以不同的頻率工作。換言之，在微波加熱設(shè)備包括兩個(gè)供給 結(jié)構(gòu)的情況下，微波加熱設(shè)備的腔分別通過兩個(gè)供給口以兩種不同的頻率激勵(lì)。使微波源 以不同的頻率工作對(duì)于減小串?dāng)_來說是特別有利的。例如，在腔包括例如兩個(gè)供給結(jié)構(gòu)的 情況下，第一供給結(jié)構(gòu)包括構(gòu)造成用于以明確定義的第一頻率Fl傳輸微波的第一諧振器， 而第二供給結(jié)構(gòu)包括構(gòu)造成用于以明確定義的第二頻率F2傳輸微波的第二諧振器。這樣，第二諧振器略微構(gòu)造成用于阻擋或至少極力地限制從第一供給口供給到腔中的微波通過 第二諧振器自身傳輸。這明顯減小了兩個(gè)供給口之間的串?dāng)_。另外，還基本上防止了不期 望的頻率、諧波和次諧波的傳輸，BP,電磁兼容性(EMC)。雖然以上示例描述了包括兩個(gè)供給結(jié)構(gòu)或諧振器的腔，但應(yīng)當(dāng)理解，相同的原理 適用于包括兩個(gè)以上供給結(jié)構(gòu)的腔，并可以獲得與串?dāng)_的減小相關(guān)的相同優(yōu)點(diǎn)。在包括兩個(gè)供給口的微波加熱設(shè)備的情況下，供給口優(yōu)選正交地布置在腔的壁處。如果從所述兩個(gè)供給口傳輸?shù)奈⒉ň哂邢嗤念l率，則該實(shí)施例是尤其優(yōu)選的。通常， 對(duì)于一個(gè)以上的供給結(jié)構(gòu)來說，可以使供給口在腔的壁處的位置最佳化，以實(shí)現(xiàn)均勻的加 熱方式。當(dāng)研究下面詳細(xì)的公開內(nèi)容、附圖和所附權(quán)利要求時(shí)，本發(fā)明的其它目的、特征和 優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，可以將本發(fā)明的不同特征相組合，以產(chǎn)生與下面 描述的這些實(shí)施例不同的實(shí)施例。


通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的示例性和非限制性詳細(xì)描述，本發(fā)明的 以上以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將易于理解，在附圖中圖1示意性地示出包括經(jīng)由諧振器連接的兩個(gè)充氣波導(dǎo)管的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，以示出 本發(fā)明的構(gòu)思；圖2示出參照?qǐng)D1描述的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的反射特性；圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的微波加熱設(shè)備；圖4示出參照?qǐng)D3描述的加熱設(shè)備的反射特性；圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的微波加熱設(shè)備；圖6示出參照?qǐng)D5描述的具有兩個(gè)供給口的加熱設(shè)備的反射特性；圖7示出參照?qǐng)D5描述的加熱設(shè)備的兩個(gè)供給口的串?dāng)_特性；圖8示意性地示出包括具有充氣波導(dǎo)管且不具有諧振器的標(biāo)準(zhǔn)供給結(jié)構(gòu)的微波 加熱設(shè)備；圖9示出參照?qǐng)D8描述的加熱設(shè)備的反射特性；圖10示出參照?qǐng)D8描述的加熱設(shè)備的兩個(gè)供給口的串?dāng)_特性；圖11示出在圖6和圖9中示出的反射特性的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻帶 (2. 4-2. 5GHz)比較；圖12示出在圖7和圖10中示出的串?dāng)_特性的ISM頻帶(2. 4-2. 5GHz)比較；所有附圖都是示意性的，沒有必要按比例畫出，并且通常僅示出為了闡述本發(fā)明 所必需的部件，其中，其它部件可以被省略或僅是所建議的。
具體實(shí)施例方式作為對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思的介紹，圖1示出包括經(jīng)由諧振器(或諧振波導(dǎo)管)相互連 接的兩個(gè)充氣波導(dǎo)管的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。圖1示出包括第一充氣傳輸線或波導(dǎo)管10、諧振器或諧振波導(dǎo)管20和第二充氣 傳輸線或波導(dǎo)管30的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1。在第一充氣波導(dǎo)管10的第一端或面101處將微波40供給到結(jié)構(gòu)1中。微波經(jīng)布置在第一傳輸線10和第二傳輸線30之間的接合處的諧振波導(dǎo) 管20沿著第一傳輸線10和第二傳輸線30傳播。微波在第二傳輸線30的端302處離開波 導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1，所述端302是與傳輸線30的相鄰于諧振波導(dǎo)管20的端相反的端。使用在圖1中示出的坐標(biāo)系0^，7，2)，微波的傳播方向沿著1軸，1軸也是在下面 用于定義波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1的元件的長(zhǎng)度的軸線。波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的元件的寬度相對(duì)于y軸來定義， 而高度相對(duì)于ζ軸來定義。在參照?qǐng)D1描述的結(jié)構(gòu)1中，兩個(gè)充氣波導(dǎo)管10和30沿傳播方向具有相等(或 至少幾乎相等)的橫截面(y，z)。諧振器20使沿著第一傳輸線10傳輸?shù)奈⒉詈系降诙?傳輸線30。舉個(gè)示例，假設(shè)諧振波導(dǎo)管20是填充有氧化鋁Al2O3的波導(dǎo)管，假設(shè)氧化鋁Al2O3 的介電常數(shù)等于9。進(jìn)一步假設(shè)諧振波導(dǎo)管或填充有陶瓷的波導(dǎo)管20涂覆有金屬以避免微 波泄露或至少使微波泄露最小化。注意，如果介電常數(shù)顯著較高，則不需要假設(shè)存在金屬涂 層，因?yàn)槟芰啃孤秾⒑芸煜?。選擇波導(dǎo)管20的尺寸以提供諧振條件，即，以形成諧振器20。為了使兩條充氣傳 輸線之間的接合處的反射最小化，阻抗需要匹配(即，足夠接近)。針對(duì)波導(dǎo)管中傳播模式 的特性阻抗Ztl的等式表示為 °等式 1其中，η是自由空間的阻抗(等于120 π)，fc是波導(dǎo)管中傳播模式的截止頻率，f 是工作頻率，如果模式傳播，則f大于f。(f > fc)。根據(jù)等式1，優(yōu)選的是，在所有三個(gè)波導(dǎo)管中實(shí)現(xiàn)相同的或至少幾乎相同的截止頻 率，由此提供具有非常小的反射的接合處。為了獲得相同的截止頻率，與充氣波導(dǎo)管的寬度 相比，諧振波導(dǎo)管的寬度需要根據(jù)其介電常數(shù)的平方根V 成比例調(diào)節(jié)。在本示例中，假設(shè) 充氣波導(dǎo)管的寬度為80mm，則當(dāng)Α1203( ε = 9)用作為諧振器內(nèi)部的介電材料時(shí)，諧振波導(dǎo)
管(或諧振體)的寬度大約等于26. 67mm(即，J)。在本示例中，如果結(jié)構(gòu)1的兩端均是打開的，則諧振波導(dǎo)管的長(zhǎng)度不能被直接選 擇為整數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)以在諧振波導(dǎo)管20中實(shí)現(xiàn)諧振(在特定頻率下)。而是，例如，在TEltl2 模式的情況下，長(zhǎng)度需要大于一個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于在由金屬完全圍封的諧振器中具有諧振來說， 這是必需的條件。對(duì)于TEltl2模式，在這種情況下，諧振器的長(zhǎng)度選擇為38. 5mm，并將其高度 任意選擇為10mm，由此產(chǎn)生接近于ISM頻帶2. 4-2. 5GHz的中心的諧振。圖2示出參照?qǐng)D1描述的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1中的反射特性。圖2示出對(duì)于TEltl2模式， 在2456MHz時(shí)獲得良好的匹配，其中，反射因數(shù)大約等于0.0284(即，2.84% )。圖2還示 出對(duì)于波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1，傳播截止在大約1870MHz處；并且填充有陶瓷的諧振器20將僅允許 非常接近于其諧振頻率的頻率傳輸(考慮到端表面泄露)。在圖2中可以看出，Q因數(shù)對(duì)于 不同的諧振來說是不同的，具體而言，如果諧振頻率增大，則Q因數(shù)減小。根據(jù)應(yīng)用和對(duì)窄 傳輸帶寬的需要，可以通過使用不同長(zhǎng)度的諧振波導(dǎo)管來選擇不同的諧振。與波長(zhǎng)相比較 短的諧振波導(dǎo)管提供較高的Q值(TE皿模式)，如果需要較窄的傳輸帶寬，則這是優(yōu)選的。
上面示例通過使用包括兩個(gè)充氣傳輸線和諧振波導(dǎo)管的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)1示出本發(fā) 明的構(gòu)思。在本發(fā)明的微波加熱設(shè)備中，第二傳輸線對(duì)應(yīng)于腔，而第一傳輸線和諧振波導(dǎo)管 對(duì)應(yīng)于用于將微波供給到腔中的供給結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D3，示出的是具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的特征和功能的微波加熱設(shè)備300，例 如微波爐。微波爐300包括由圍封表面限定的腔350。腔350的其中一個(gè)側(cè)壁可以裝有用于 能夠?qū)⒇?fù)載例如食品引入到腔350中的門(未示出)。微波爐300包括用于通過單個(gè)供給孔320a將微波供給到腔350中的供給結(jié)構(gòu) 325。供給結(jié)構(gòu)包括用于傳輸由微波源310產(chǎn)生的微波能量的傳輸線330。供給結(jié)構(gòu)還包括 布置在傳輸線330和腔350之間的接合處的諧振器320，用于操作為腔的單個(gè)供給口 320a。雖然參照?qǐng)D3所描述的微波爐300具有矩形圍封表面，但應(yīng)當(dāng)明白，微波爐的腔不 限于這樣的形狀，并且例如可以具有圓形橫截面或具有可以在一般的正交曲線-線性坐標(biāo) 系中描述的任何幾何形狀。通常，腔350由金屬制成。傳輸線330例如可以是同軸電纜。微波爐300還包括微波源310，微波源310通過傳輸線或波導(dǎo)管330以及諧振器 320連接到腔350的供給口 320a。雖然諧振器320被視為用于構(gòu)成腔的供給口，但應(yīng)當(dāng)理解，諧振器體320的與腔的 壁相鄰的面或端320a對(duì)應(yīng)于供給口。下面，當(dāng)涉及到供給口時(shí)，將可互換地提及諧振器320 的面320a或諧振器320。根據(jù)實(shí)施例，諧振器是由細(xì)長(zhǎng)介電材料段，其沿傳播方向(χ軸)延伸，并且優(yōu)選地 與傳輸線330具有相同類型(例如矩形、圓形等)的橫截面形狀。根據(jù)例如參照?qǐng)D1描述的設(shè)計(jì)規(guī)則，構(gòu)成諧振器320的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)和 諧振器320的尺寸選擇成使得對(duì)于由源310產(chǎn)生的微波而在諧振器320中建立諧振條件， 并且在傳輸線330、諧振器320和腔350之間建立阻抗匹配。具體而言，參照?qǐng)D3，諧振器320的介電常數(shù)大于構(gòu)成傳輸線330的內(nèi)部的材料的 介電常數(shù)，并且諧振器的橫截面尺寸選擇為使得其小于傳輸線的橫截面尺寸。具體地說，諧 振器的尺寸(例如寬度)隨V^按比例縮小。此外，微波爐可以包括與供給口 320相關(guān)聯(lián)并布置在傳輸線330中的開關(guān)(未示 出)，用于停止來自供給口 320的供給。根據(jù)實(shí)施例，有利的是，將諧振器設(shè)計(jì)為全波諧振，即，對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)的諧振，由此沿 長(zhǎng)度尺寸(即，沿χ方向)給出模式指數(shù)2。根據(jù)實(shí)施例，微波源310是包括例如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)成分的基于固 態(tài)的微波發(fā)生器。其它半導(dǎo)體成分也可適于構(gòu)成微波源310。除了可以控制所產(chǎn)生的微波 的頻率以外，基于固態(tài)的微波發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)包括可以控制發(fā)生器的輸出功率電平和固有窄 帶特性。從基于固態(tài)的發(fā)生器發(fā)出的微波的頻率通常構(gòu)成窄頻率范圍，例如2. 4至2. 5GHz。 然而，本發(fā)明不限于該頻率范圍，并且基于固態(tài)的微波源310可適于發(fā)出以915MHz為中心 的頻率范圍，例如875-955MHZ，或發(fā)出任何其它合適的頻率范圍(或帶寬)。例如，本發(fā)明 適用于頻帶中心頻率為915MHz、2450MHz、5800MHz和22. 125GHz的標(biāo)準(zhǔn)源?？商鎿Q地，微波 源310可以是頻率可控的磁控管，例如在文件GB2425415中公開的磁控管。通常，腔中的可用模式場(chǎng)的數(shù)量和/或類型由腔的設(shè)計(jì)確定。腔的設(shè)計(jì)包括腔的物理尺寸和供給口在腔中的位置。在提供有坐標(biāo)系(x，y，z)的圖3、圖5和圖8中，腔的尺 寸通常分別由用于高度的標(biāo)號(hào)h、用于深度的標(biāo)號(hào)d和用于寬度的標(biāo)號(hào)w表示，例如在圖3 中所示。參見參照?qǐng)D1描述的設(shè)計(jì)規(guī)則，為了設(shè)計(jì)微波加熱設(shè)備300的腔350，優(yōu)選地考慮 當(dāng)用腔350代替圖1的第二充氣波導(dǎo)管時(shí)產(chǎn)生的阻抗失配，即，從諧振器320看到的阻抗 差。為此，略微地調(diào)節(jié)諧振器320的長(zhǎng)度，并調(diào)整腔的尺寸。在調(diào)整程序期間，在腔中優(yōu)選 地存在模擬將要布置在腔中的典型負(fù)載的負(fù)載。另外，所述調(diào)整可以通過局部阻抗調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，例如，通過引入相鄰于諧振器的布置在傳輸線中或布置在腔中的調(diào)整元件(例如電容性柱)來實(shí)現(xiàn)。在本示例中，將腔設(shè)計(jì)成具有232mm的寬度、232mm的深度和Illmm的高度。原則 上，可以將供給口 320布置在腔的任何壁上。然而，對(duì)于預(yù)定的模式，供給口通常具有最佳 的位置。在本示例中，供給口 320a位于腔的側(cè)壁的上部，在圖3中示出的腔300的右手側(cè) (χ = w)。供給口 320a置于半深度(y = d/2)和幾乎全高度(ζ = h)處。參照?qǐng)D4，描述了針對(duì)三種不同的介電負(fù)載在具有以上設(shè)計(jì)的腔中所執(zhí)行的模擬 試驗(yàn)的結(jié)果，所述三種不同介電負(fù)載即具有典型介電常數(shù)ε = 4-j2的一塊冷凍肉末(用 41表示的曲線)、具有典型介電常數(shù)ε =52_j20的一塊解凍肉末(用42表示的曲線)和 具有典型介電常數(shù)ε =36_jl5的一些液態(tài)薄烤餅面糊(用43表示的曲線)。圖4示出針 對(duì)所述三種不同負(fù)載的從腔反射的信號(hào)與通過數(shù)值研究獲得的頻率的(函數(shù))關(guān)系曲線圖 (曲線41-43)。圖4示出諧振頻率，其大約為2454MHz，與負(fù)載的介電常數(shù)的相關(guān)性非常 小，即，幾乎與負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。因此，本發(fā)明的微波加熱設(shè)備300的優(yōu)點(diǎn)特別在于其工作 頻率非常穩(wěn)定。另外，注意，反射系數(shù)相對(duì)而言不受影響(對(duì)于ε =4_j2，為0.311 ；對(duì)于 ε = 52_j20，為0. 0090 ；對(duì)于ε = 36_jl5，為0. 0203)。使用具有尺寸規(guī)則的孔的常規(guī)微 波爐進(jìn)行的類似試驗(yàn)在匹配頻率和反射系數(shù)方面均會(huì)顯示出明顯較大的變化。為了進(jìn)行局部阻抗調(diào)節(jié)，微波加熱設(shè)備300還可以包括相鄰于諧振器320布置在 傳輸線330中或布置在腔350中的調(diào)整元件(未示出)。參照?qǐng)D5，示出的是具有根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的特征和功能的微波加熱設(shè)備 500，例如微波爐。微波加熱設(shè)備500與參照?qǐng)D3描述的微波加熱設(shè)備300類似，但是還包括至少一 個(gè)額外的供給結(jié)構(gòu)525’和微波源510’，例如上面參照?qǐng)D3描述的供給結(jié)構(gòu)325和微波源 310。額外的供給結(jié)構(gòu)525’包括用于傳輸由額外的微波源510’產(chǎn)生的微波輻射的(額外 的或第二)傳輸線530’。供給結(jié)構(gòu)還包括布置在(額外的)傳輸線530’和腔550之間的 接合處的(額外的或第二)諧振器520’，用于操作為腔的額外供給口。在這種配置中，可以使用第一供給口或者諧振器520將第一頻率的微波供給到腔 550中，同時(shí)可以使用第二供給口或者諧振器520’將第二頻率的微波供給到腔550中。應(yīng)當(dāng)明白的是，額外的供給結(jié)構(gòu)525’和額外的微波源510’可以與上面參照?qǐng)D3 描述的供給結(jié)構(gòu)325和微波源310的類似方式來表征，和/或可以包括與供給結(jié)構(gòu)325和 微波源310相同的額外特征。換言之，在所附權(quán)利要求2-9中描述的供給結(jié)構(gòu)325和微波 源310的變型也可以應(yīng)用于額外的供給結(jié)構(gòu)525’和額外的微波源510’。參見參照?qǐng)D1描述的設(shè)計(jì)規(guī)則，為了設(shè)計(jì)以兩種不同頻率工作的微波加熱設(shè)備的雙供給腔，優(yōu)選地考慮當(dāng)用腔代替圖1的第二充氣波導(dǎo)管時(shí)產(chǎn)生的阻抗失配，即，從諧振器 看到的阻抗差。為此，調(diào)節(jié)諧振器的長(zhǎng)度，并調(diào)整腔的尺寸。在調(diào)整程序期間，在腔中優(yōu)選 地存在模擬將要布置在腔中的典型負(fù)載的負(fù)載。另外，所述調(diào)整可以通過局部阻抗調(diào)節(jié)來 實(shí)現(xiàn)，例如，通過引入相鄰于諧振器的調(diào)整元件例如電容性柱來實(shí)現(xiàn)。在本示例中，將腔設(shè)計(jì)成具有26 Imm的寬度、340mm的深度和170mm的高度。第二供給口 520’布置在腔的頂壁的中心處(χ = w/2 ；y = d/2 ；ζ = h)。諧振介電體520和520’ 由Al2O3 ( ε = 9)制成，并具有基本上相等的寬度26. 67mm和高度10mm。然而，諧振器的長(zhǎng) 度不同，其中第一諧振器520的長(zhǎng)度為40. 5mm，而第二諧振器520’的長(zhǎng)度為38. 0mm。微波加熱設(shè)備500的優(yōu)點(diǎn)在于其包括雙供給腔550，其中，與常規(guī)的雙供給腔相 比，減小了兩個(gè)供給口之間的串?dāng)_?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D6-12說明與使用尺寸規(guī)則的充氣波導(dǎo)管 相比使用陶瓷波導(dǎo)管所獲得的串?dāng)_的減小。圖6和圖7示出在具有以上設(shè)計(jì)和尺寸的腔中采用介電常數(shù)ε = 4_j2的負(fù)載 (一塊冷凍肉末)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)的結(jié)果。將腔550視為具有寬度為261mm、深度為340mm 且高度為170mm的矩形幾何形狀的空的充氣腔。腔在ISM頻帶內(nèi)的2422MHz和2490MHz時(shí) 出現(xiàn)諧振。圖6示出從腔550反射的信號(hào)與通過對(duì)參照?qǐng)D5描述的供給結(jié)構(gòu)和腔的數(shù)值研究 所獲得的頻率的關(guān)系曲線圖。圖6示出在Sll表示的曲線具有值0.237的2422MHz處，并 且在S22表示的曲線具有值0. 327的2490MHz處，獲得相當(dāng)好的匹配。Sll表示的曲線對(duì)應(yīng) 于源自第一發(fā)生器510 (與第一供給結(jié)構(gòu)525相關(guān)聯(lián))并返回到第一供給口 520 (或在第一 諧振器中)的功率，而S22表示的曲線對(duì)應(yīng)于源自第二發(fā)生器510’ (與第二供給結(jié)構(gòu)525’ 相關(guān)聯(lián))并返回到第二供給口 520’(或在第二諧振器中)的功率。圖7示出參照?qǐng)D5描述的腔550的串?dāng)_。該曲線示出與當(dāng)?shù)诙l(fā)生器510’開啟 且第一發(fā)生器510關(guān)閉時(shí)在第一供給口 520處檢測(cè)到的功率對(duì)應(yīng)的曲線S12以及與當(dāng)?shù)谝?發(fā)生器510開啟且第二發(fā)生器510’關(guān)閉時(shí)在第二供給口 520’處(或在第二諧振器中)檢 測(cè)到的功率對(duì)應(yīng)的曲線S21。圖7示出:S12在2422MHz處具有值0. 141 ；S21在2490MHz處 具有值0. 054(在圖7中，雖然兩條曲線是接近的且看起來是重疊的，但S21和S12的值是 不同的)。上面給出的曲線511、312、521和522的定義在下面將是相同的。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微波加熱設(shè)備800進(jìn)行 模擬，其中，除了兩個(gè)諧振器520和520’被去掉外，微波加熱設(shè)備800與參照?qǐng)D5描述的微 波加熱設(shè)備500相同，如圖8所示。取而代之的是，供給口是標(biāo)準(zhǔn)供給口，其中，兩個(gè)充氣波 導(dǎo)管830和830’分別在腔壁和腔頂發(fā)射。由于去掉了諧振器，故進(jìn)行供給結(jié)構(gòu)(腔850與傳輸線830和830’之間的接合 處)中的阻抗調(diào)節(jié)，以獲得與參照?qǐng)D5描述的微波加熱設(shè)備500所獲得的匹配類似的阻抗 匹配。腔850與參照?qǐng)D5描述的腔550具有相同的尺寸，即，寬度為261mm，深度為340mm， 高度為170mm。布置在腔中的負(fù)載是介電常數(shù)ε = 4_j2的一塊冷凍肉末。供給口具有與 波導(dǎo)管橫截面相同的橫截面尺寸，即，80X20mm。在圖9和圖10中示出了該模擬的結(jié)果。圖9示出從腔反射的信號(hào)與通過數(shù)值研究獲得的頻率的關(guān)系曲線圖。圖9示出 在Sll表示的曲線具有值0. 291的2422MHz處，并且在S22表示的曲線具有值0. 321的2490MHz處，獲得相當(dāng)好的匹配。圖10示出串?dāng)_，其中曲線S12在2422MHz處具有值0. 326并且曲線S21在2490MHz 處具有值0. 205。 因此，即使與例如參照?qǐng)D8描述的使用尺寸規(guī)則的充氣供給口的標(biāo)準(zhǔn)微波加熱設(shè) 備800具有類似的阻抗匹配，參照?qǐng)D5描述的微波加熱設(shè)備500也能夠顯著減小雙供給腔 的兩個(gè)供給口之間的串?dāng)_。圖11示出圖6和圖9中Sll和S22表示的曲線的ISM(工業(yè)的、科學(xué)的和醫(yī)療的) 頻帶(2. 4-2. 5GHz)比較，其中，實(shí)線表示僅包括充氣波導(dǎo)管(且沒有諧振器)的微波加熱 設(shè)備800的頻率響應(yīng)，虛線表示包括具有諧振器的供給結(jié)構(gòu)的微波加熱設(shè)備500的頻率響 應(yīng)。圖11示出對(duì)于包括具有諧振器的供給結(jié)構(gòu)的微波加熱設(shè)備500來說，在2422MHz和 2490MHz處獲得略微更好的匹配。而包括兩個(gè)充氣波導(dǎo)管且沒有諧振器的微波加熱設(shè)備 800產(chǎn)生寬帶匹配。圖12示出在圖7和圖10中顯示的曲線的串?dāng)_水平的ISM頻帶(2. 4_2. 5GHz)比 較，其中，實(shí)線表示僅包括充氣波導(dǎo)管(且沒有諧振器)的微波加熱設(shè)備800的串?dāng)_水平， 虛線表示包括具有諧振器的供給結(jié)構(gòu)的微波加熱設(shè)備500的串?dāng)_水平。圖12示出對(duì)于包 括具有諧振器的供給結(jié)構(gòu)的微波加熱設(shè)備500來說，獲得更小的串?dāng)_。除了串?dāng)_減小以外，微波設(shè)備的腔的在不同頻率下的雙供給的優(yōu)點(diǎn)在于，其能夠 對(duì)微波加熱設(shè)備做出諸多可能的調(diào)節(jié)，特別是能夠使腔中的加熱方式最優(yōu)化。例如，依舊在 具有兩個(gè)供給口的腔的情況下，這兩個(gè)諧振器可以被構(gòu)造成用于激活在腔中產(chǎn)生互補(bǔ)加熱 方式的模式，從而在腔中提供均勻的加熱。如果第一諧振器構(gòu)造成用于以第一頻率傳輸微 波，從而在腔中的特定位置產(chǎn)生具有熱區(qū)和冷區(qū)的第一加熱方式(或第一模式)，則第二諧 振器可以被構(gòu)造成用于以第二頻率傳輸微波，使得在第一加熱方式中熱區(qū)和冷區(qū)的存在由 通過第二諧振器(或第二供給口)獲得的第二加熱方式(或第二模式)來彌補(bǔ)。換言之， 由于供給口(諧振器)的適當(dāng)配置，第二模式場(chǎng)的加熱方式可以消除或至少減小在第一模 式場(chǎng)中熱區(qū)和冷區(qū)的存在的影響，即，在腔中熱區(qū)和冷區(qū)的存在的影響。需要指出，在本發(fā)明中，當(dāng)每個(gè)供給結(jié)構(gòu)均連接到微波能量源時(shí)，可以以不同的頻 率同時(shí)供給微波。然而，根據(jù)應(yīng)用，例如針對(duì)特定類型的負(fù)載或特定的烹飪程序(或功能)， 還可以操作微波源使得向腔內(nèi)進(jìn)行的微波供給在兩個(gè)供給口之間切換。將微波供給到腔中 的這種靈活性允許在加熱過程中考慮例如對(duì)負(fù)載變化(幾何形狀、重量或狀態(tài)的變化)的 受控調(diào)節(jié)。為了實(shí)施這種類型的調(diào)節(jié)，微波加熱設(shè)備500還可以包括連接到微波加熱設(shè)備的 微波源510和510’的控制單元580，其用于控制這些源，例如，控制它們的相應(yīng)輸出功率。 控制單元580可以通過布置在腔中且連接到控制單元580的傳感器(未示出)來獲取與腔 中的負(fù)載和條件有關(guān)的信息?？刂茊卧?80還可以被構(gòu)造成用于在工作周期期間控制源的 工作頻率并在該周期期間控制源的相應(yīng)工作時(shí)間。雖然已經(jīng)描述了特定的實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在所附的權(quán)利要求 書中限定的范圍內(nèi)，可以想到各種修改和替換。例如，雖然在本申請(qǐng)中已經(jīng)描述了具有矩形橫截面的腔，但是還應(yīng)當(dāng)設(shè)想到在具 有在任何正交曲線-線性坐標(biāo)系中可描述的幾何形狀的腔中實(shí)施本發(fā)明，例如在具有圓形橫截面的腔中實(shí)施本發(fā)明。 此外，雖然描述了僅包括兩個(gè)供給結(jié)構(gòu)的腔以說明串?dāng)_的減小，但可以設(shè)想到包括兩個(gè)以上的供給口的腔。
權(quán)利要求
一種微波加熱設(shè)備(300)，包括布置成用于接收待加熱負(fù)載的腔(350)；以及用于將微波供給到所述腔中的供給結(jié)構(gòu)(325)，所述供給結(jié)構(gòu)包括傳輸線(330)，用于傳輸由微波源(310)產(chǎn)生的微波能量；以及諧振器(320)，所述諧振器布置在所述傳輸線和所述腔之間的接合處，用于操作為所述腔的供給口(320a)，其中，構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)和所述諧振器的尺寸選擇成使得對(duì)于由所述源產(chǎn)生的微波而在所述諧振器中建立諧振條件，并在所述傳輸線、所述諧振器和所述腔之間建立阻抗匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的 介電常數(shù)大于構(gòu)成所述傳輸線的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)，并且其中，所述諧振器的橫截面 尺寸選擇為使得其小于所述傳輸線的橫截面尺寸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述介電材料為陶瓷。
4.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述介電 常數(shù)包括在3-150的范圍內(nèi)，優(yōu)選大于10。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述諧振 器用金屬涂覆。
6.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，還包括 調(diào)整元件，所述調(diào)整元件相鄰于所述諧振器布置在所述傳輸線中或布置在所述腔中，用于 局部阻抗調(diào)節(jié)。
7.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述微波 源是固態(tài)微波發(fā)生器。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述傳輸 線是波導(dǎo)管、同軸電纜或帶狀線中的其中一種。
9.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述諧振 器是與所述傳輸線具有相同類型橫截面形狀的細(xì)長(zhǎng)介電材料段。
10.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備(500)，還包括至少一 個(gè)額外的供給結(jié)構(gòu)(525’)，所述至少一個(gè)額外的供給結(jié)構(gòu)(525’ )包括額外的傳輸線(530’)，用于傳輸由額外的微波源(510’ )產(chǎn)生的微波輻射；以及布置在所述額外的傳輸線(530’ )和所述腔(550)之間的接合處的額外的諧振器 (520’)，用于操作為所述腔的額外的供給口，其中，構(gòu)成所述額外的諧振器的內(nèi)部的材料的 介電常數(shù)和所述額外的諧振器的尺寸選擇成使得對(duì)于由所述額外的源產(chǎn)生的微波而在所 述額外的諧振器中建立諧振條件，并在所述額外的傳輸線、所述額外的諧振器和所述腔之 間建立阻抗匹配。
11.如權(quán)利要求10所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，所述微波源(510、510’)分別以不同的頻率工作。
12.如權(quán)利要求10或11所述的微波加熱設(shè)備，其特征在于，包括正交地布置在所述腔 的壁處的兩個(gè)供給口。
13.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的微波加熱設(shè)備，所述微波加熱設(shè)備是 微波爐，其中，所述腔適于接收待加熱食品。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波加熱設(shè)備。提供一種通過微波來加熱負(fù)載的微波加熱設(shè)備。微波加熱設(shè)備(300)包括腔(350)，布置成用于接收待加熱負(fù)載；以及供給結(jié)構(gòu)(325)，用于將微波供給到所述腔中。所述供給結(jié)構(gòu)包括傳輸線(330)，用于傳輸由微波源(310)產(chǎn)生的微波能量；以及諧振器(320)，布置在所述傳輸線和所述腔之間的接合處，用于操作為所述腔的供給口(320a)。構(gòu)成所述諧振器的內(nèi)部的材料的介電常數(shù)和所述諧振器的尺寸選擇成使得對(duì)于由所述源產(chǎn)生的微波而在所述諧振器中建立諧振條件，并在所述傳輸線、所述諧振器和所述腔之間建立阻抗匹配。另外，本發(fā)明提供包括多個(gè)供給口(525、525’)的減小了串?dāng)_的微波加熱設(shè)備(500)。
文檔編號(hào)H05B6/70GK101841948SQ20101013946
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者C·哈坎, H·弗雷德里克, N·奧爾, N·尤爾夫 申請(qǐng)人:惠而浦有限公司