阅读说明：本技术 一种微波加热结构、方法及系统 (Microwave heating structure, method and system ) 是由 张益� 黄卡玛 陈星� 王策 陈倩 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本申请实施例涉及微波加热领域,具体而言,涉及一种微波加热结构、方法及系统,旨在解决现有的加热系统对工件加热时适用性较低的问题,微波加热结构包括：矩形基底,矩形基底由上至下包括第一金属层、介质基板和第二金属层,在矩形基底至少两条的邻边上,沿边缘的长度方向均匀间隔设置有多个金属化过孔,多个金属化过孔用于连接第一金属层和第二金属层；激发部,激发部与矩形基底连接；容置腔,容置腔贯穿第一金属层、介质基板和第二金属层,用于容纳被加热物体,在相同功率下微波能在矩形基底内产生更高场强,使被加热物体快速升温,实现了相同功率下加热速度较快,相同加热速度下所需功率更低的效果,有效提高了整个系统的适用性。(The embodiment of the application relates to the field of microwave heating, in particular to a microwave heating structure, a method and a system, which aim to solve the problem that the existing heating system is low in applicability when heating a workpiece, and the microwave heating structure comprises: the rectangular substrate comprises a first metal layer, a dielectric substrate and a second metal layer from top to bottom, wherein a plurality of metalized through holes are uniformly arranged on at least two adjacent edges of the rectangular substrate at intervals along the length direction of the edge and are used for connecting the first metal layer and the second metal layer; the excitation part is connected with the rectangular substrate; the containing cavity penetrates through the first metal layer, the medium substrate and the second metal layer and is used for containing the heated object, the microwave energy generates higher field intensity in the rectangular substrate under the same power, the heated object is heated rapidly, the effects that the heating speed is higher under the same power and the required power is lower under the same heating speed are achieved, and the applicability of the whole system is effectively improved.)

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，在对工件或物体进行加热时，为了将其加热至预设温度，往往需要采用加热设备进行加热，然而在现有技术中，由于加热设备加热速度较慢，而提高加热设备的加热速度，往往依靠提高加热设备的功率来实现，从而导致功率较大，甚至加热设备的功率无法满足要求，适用性较低。

有鉴于此，本申请实施例提出一种微波加热结构，微波加热结构包括：

矩形基底1，矩形基底1由上至下包括第一金属层3、介质基板2和第二金属层4，在矩形基底1至少两条的邻边上，沿边缘的长度方向均匀间隔设置有多个金属化过孔5，多个金属化过孔5用于连接第一金属层3和第二金属层4；激发部6，激发部6与矩形基底1连接，用于将外部微波输入矩形基底1内，其中，所输入的微波被阻挡在多个金属化过孔5所围合的区域中；容置腔7，容置腔7贯穿第一金属层3、介质基板2和第二金属层4，用于容纳被加热物体。

参照图1，在本实施例中，矩形基底1包括正方形的介质基板2、第一金属层3和第二金属层4，介质基板2、第一金属层3和第二金属层4面积相同，第一金属层3和第二金属层4分别固定在介质基板2两侧。

其中，介质基板2为透波材料，在一些具体实施例中，介质基板2可以为微波基板材料、聚四氟乙烯材料等材料，从而降低微波在介质基板2内的损耗。第一金属层3与第二金属层4的材质可以为铜，具体第一金属层3和第二金属层4可以为16μm厚度的铜箔，或者在铜箔表面镀金或镀银。

矩形基底1沿自身四条边的边缘，均匀间隔开设有多个金属化过孔5，连接第一金属层3和第二金属层4，其中，相邻两个金属化过孔5之间的第一间隔为s，金属化过孔5的直径为d，第一间隔与直径的比值即s/d<2；两条相对边缘的过孔之间的第二间隔为w，直径与第二间隔之间的比值即d/w<0.1。

其中，当需要同时对多个被加热物体进行加热时，可以将多个矩形基底拼接，将长度相等的两边拼接，相邻两边可以共用同一排金属化过孔，从而实现多个被加热物体同时加热的效果，并且使整个拼装结构更容易加工。

激发部6设置在第一金属层3的板面上，用于与外部微波输入设备连接从而将微波输入矩形基底1内，由于上述的金属化过孔5以及第一金属层3和第二金属层4，微波被限制在金属化过孔5围城的区域内。

在一些具体实施例中，通过将激发部6与微波分离场装置连接，从而实现根据被加热物体的材质选择电场加热或磁场加热，例如，在应用于有机化学合成、生物质裂解等方面时，通过激发部6与微波电场装置连接，从而通过微波电场进行处理；当应用于特种合金的粉末合成、不同金属材料的连接、铁氧体的烧结等方面时，通过激发部6与微波磁场装置连接，从而通过微波磁场进行处理，有效提高了整个装置的适用性。

容置腔7开设在金属化过孔5围成的区域内，工作时，将被加热物体运送至容置腔7内位于第一金属板与第二金属板之间的位置，然后输入微波，从而通过矩形基底1内的微波对被加热物体进行加热。

当向矩形基底1内输入微波时，微波被限制在金属化过孔5所围合的区域中，当被加热物体进入容置腔7内时，由于微波的特性，在相同功率下微波能在矩形基底1内产生更高场强，使被加热物体快速升温，从而实现对被加热物体的快速加热的效果，并且微波的能量直接被被加热物体吸收，整个加热过程损耗较少，有效提高了能量的利用率，因此在相同加热速度的情况下所需的功率更少，从而实现了相同功率下加热速度较快，相同加热速度下所需功率更低的效果，有效提高了整个系统的适用性。

在一些实施例中，参照图2，激发部6包括：同轴连接器61，用于将外部微波输入矩形基底1内，同轴连接器61的外导体612与第一金属层3连接，同轴连接器61的内导体611与第二金属层4连接。

同轴连接器61包括外导体612和内导体611，外导体612与内导体611之间填充有透波材料，第一金属层3上开设有连接孔，连接孔的直径与同轴连接器61的外导体612直径相等，外导体612与第一金属层3连接，使同轴连接器61的外导体612内与介质基板2之间不存在第一金属层3。连接孔的区域内开设有贯穿介质基板2的内连接孔，同轴连接器61的内导体611穿过内连接孔后与第二金属层4连接。当外部微波的输入设备通过同轴连接器61连接时，通过同轴连接器61顺利将微波导入。

在一些实施例中，同轴连接器61设置在矩形基底1的对角线上，同轴连接器61与基板组成的微波加热结构的阻抗为预设阻抗。

在微波传输过程中，当两部分之间阻抗不匹配时，会产生反射波等影响微波传输，因此在微波传输过程中对整个微波传输路径的阻抗具有要求，只有当整个微波输入路径的阻抗与微波加热结构的端口连接处的两侧阻抗为同一预设阻抗时，微波信号在其中传输的反射和损失量最小，传输效率最高，根据微波传输材料的不同阻抗可以设定为不同值，例如当介质基板2为聚四氟乙烯时，阻抗可以为50Ω。通过将同轴连接器61设置在矩形基底1的对角线上，并通过调整位置等方式将整个微波传输线路的阻抗调整为预设阻抗，从而有效提高整个结构的微波传输效率。

其中，根据介质基板2的材料不同，微波输入装置或同轴连接器61的型号，预设阻抗可以进行调整，以达到最佳的微波传输效果。

在一些实施例中，参照图3，第一金属层3与第二金属层4上位于容置腔7开口处，设置有分别与第一金属层3与第二金属层4连接的微波截止结构71，用于降低从容置腔7的开口泄露的微波。

其中，微波截止结构71可以为金属材质的截止管，当被加热物体放置在容置腔7内被加热时，由于容置腔7两端开口，容易导致部分微波从两侧开口泄露，对外部环境会实验人员产生影响，同时会导致微波加热效率降低，因此，在加热腔的两侧开口处，固定设置微波截止结构71泄露的微波进行截止反射，其中，微波截止结构71的截面形状与开口形状相适配，或略小于容置腔7，微波截止结构71的长度与截面面积成正比。

在一些实施例中，参照图1、图4和图5，容置腔7沿垂直于矩形基底1板面的方向开设，容置腔7的截面为矩形或圆形，容置腔7位于矩形基底1板面的中心或靠近一侧边缘的位置。

其中，容置腔7的开设方向与矩形基底1的厚度方向平行，以提高微波加热效率，以及方便被加热物体的传输。根据被加热物体的形状不同，容置腔7的形状可以预先开设为不同形状，例如当矩形基底1用于对板材进行加热时，容置腔7的截面可以开设为矩形，其中容置腔7的长度方向与任一矩形基底1的边缘平行，并开设在靠近任一矩形基底1的边缘一侧，或开设在矩形基底1的中间位置，从而实现处理板状/层状材料，进而应用于新型高性能微波焊接、复合材料的微波制备、高分子材料的连接与修复等方面，有效提高了装置的适用性。

当被加热物体为条状或管状物体时，容置腔7的截面可以开设为圆形，其中容置腔7的长度方向与任一矩形基底1的边缘平行，并开设在矩形基底1的中间位置，或靠近矩形基底1任意边缘的位置。

在一些实施例中，参照图6和图7，矩形基底1沿板面两条的相邻边缘上或三条边缘上，沿边缘的长度方向均匀间隔设置有多个金属化过孔5；激发部6包括同轴连接器61和微波输入线62，同轴连接器61的内导体611通过微波输入线62与第一金属层3连接，同轴连接器61的外导体612与第二金属层4连接。

例如当金属化过孔5开设在矩形基底1的三条边缘上时，由于微波的对称特征，在传输微波时未开设金属化过孔5的一侧边缘的电磁线为理想磁壁，因此微波场模式不会发生改变，从而减少金属过孔量以及矩形基底1的体积，同理，金属化过孔5还可以开设在矩形基底1相邻的两条边缘，进一步减少金属过孔量以及矩形基底1的体积。其中，第一金属层3的面积可以根据金属化过孔5的开设情况进行改变，第二金属层4面积适中与介质基板2的面积相同。

在一些实施例中，微波输入线62与第一金属层3的连接点，位于第一金属层3未设置金属化过孔5的边缘上，同轴连接器61与微波输入线62组成的激发部6的阻抗为预设阻抗。

当金属化过孔5开设情况如上述情况时，即矩形基底1存在未开设金属化过孔5的边缘时，同轴连接器61可以设置在矩形基底1的侧壁上，通过将外导体612与第二金属层4连接，内导体611通过微波输入线62与第一金属层3未开设金属化过孔5的边缘连接，从而将外部微波输入至矩形基底1内。

通过调整同轴连接器61与微波输入线62组成的激发部6的阻抗，从而实现整个结构的阻抗匹配，例如通过调整微波传输线的宽度等，根据微波传输材料的不同阻抗可以设定为不同值，例如当介质基板2为聚四氟乙烯时，阻抗可以为50Ω。根据介质基板2的材料不同，微波输入装置或同轴连接器61的型号，以及微波输入线62的型号，预设阻抗可以进行调整，以达到最佳的微波传输效果。

在一些具体实施例中，当多个上述结构同时使用时，可以将两个矩形基底1开设有金属化过孔5的一侧边缘拼接，并且相邻边缘使用同一列金属化过孔5，并且使用同一同轴连接器61通过不同的微波输入线62连接不同的矩形基底1，从而实现多个被加热物体同时加热的效果，并且使整个拼装结构更容易加工。

本申请实施例还提出一种微波加热方法，基于微波加热结构，参照图8，加热方法包括：

S1，实时获取所述微波加热结构的当前谐振频率；

在一些实施例中，通过将双向耦合检波结构连接在激发部处，将微波传输路径上的部分微波传输至双向耦合检波结构中，从而对整个加热架构的输入状态、输出状态和反射状态进行检测，从而实时获取微波加热结构的当前谐振频率。

还可以通过探针伸入容置腔内或从微波加热结构的其他位置插入，以及采用小型环天线在金属化过孔5合围的区域内靠近边缘位置内耦合微波场，通过连接二极管检波电路，实现实时获取所述微波加热结构的当前谐振频率的效果。

S2，基于当前谐振频率，调整向微波加热结构内输入微波的输入频率。

在加热过程中，被加热物体的介电常数随着温度的升高而变化，且在加热过程中通常伴随着物相变化或化学反应等，导致微波加热结构的谐振频率随着加热过程而变化，为了实现高场强从而提高加热速度，输入的微波往往只有较窄的带宽，谐振频率的变化导致谐振频率超出带宽范围时，将导致加热速率和效率的急剧下降。

因此，当对被加热物体加热时，实时获取所述微波加热结构的当前谐振频率，然后通过调整向微波加热结构内输入微波的输入频率，使输入微波的输入频率与谐振频率相同，从而整个结构的加热效率始终处于较高的状态，有效提高了对被加热物体的加热效果。

同时，通过快速响应的频率追踪算法，在毫秒级时间段内判断出微波加热结构的谐振频率，并据此谐振频率调整微波的输入频率，从而实现快速调整输入频率，提高加热过程中的响应速度，进一步提高了对被加热物体的加热效果。

S3，按照输入频率向微波加热结构内输入微波，从而对被加热物体进行加热，直至被加热物体被加热至目标温度。

S4，重复以上步骤，直至所述被加热物体被加热至目标温度。

通过调整输入微波的输入频率，使其与谐振频率相同，从而使整个结构的加热效率始终处于较高的状态，有效提高了对被加热物体的加热速率，并且提高了对能量的利用率，用远低于传统方式的功率将物料加热至所需温度并保持在该温度，实现在同等功率下有效提高加热速度的效果；

微波可以降低部分化学反应的活化能，且微波电场和磁场有不同的降低效果，因此，通过微波加热结构进行微波加热时，通过该此种“降低化学反应的活化能”进一步降低在对反应物进行加热时所需要的能量，从而实现降低微波的能耗以及节能减排的效果。

在其他实施例中，可以根据被加热物体的实际情况选择微波分离电场加热或微波分离磁场加热，例如，在应用于有机化学合成、生物质裂解等方面时，通过激发部与微波电场装置连接，从而通过微波电场进行处理；当应用于特种合金的粉末合成、不同金属材料的连接、铁氧体的烧结等方面时，通过激发部与微波磁场装置连接，从而通过微波磁场进行处理，有效提高了整个装置的适用性。

在一些实施例中，加热方法还包括：

S101，按照预设时间间隔获取被加热物体的当前温度；

通过温度检测装置，例如温度传感器等，每加热预设时间间隔，检测一次被加热物体的温度，从而及时获得被加热物体的当前温度。

其中预设时间间隔可以根据被加热物体的特性，如介电常数等确定，使被加热物体能被准确加热至目标温度。

S102，根据当前温度以及目标温度，确定微波加热功率；

根据被加热物体的当前温度，从而实时调整对被加热物体的加热速度，避免被加热物体的温度过高或不能及时达到目标温度，提高了整个方法的适用性。

S103，按照微波加热功率向微波加热结构内输入微波。

通过根据当前温度以及目标温度确定的微波加热功率，对被加热物体进行加热，从而实现准确控制加热温度的效果，同时提高了对能量的利用率。

在一种具体实施例中，通过微波加热结构对被加热物体进行加热时，将被加入物体运送至容置腔内，首先测量微波加热结构的谐振频率，根据谐振频率设置输入的微波频率，使输入的微波频率与谐振频率一致，同时检测被加热物体的当前温度，根据预先设定的加热目标温度以及当前温度，确定微波的加热功率，然后按照确定的微波频率和加热功率输入微波，开始进行加热；在加热到预设时间间隔后，检测被加热物体的的当前温度是否达到目标温度，若未达到，则重新获取微波加热结构的谐振频率，并使输入的微波频率与谐振频率一致，然后根据新获得的当前温度以及目标温度，重新确定微波的加热功率，按照新的微波频率和加热功率继续加热，重复上述操作直至被加热物体加热至目标温度，通过调整输入微波的输入频率，使其与谐振频率相同，从而使整个结构的加热效率始终处于较高的状态，有效提高了对被加热物体的加热速率，并且提高了对能量的利用率，实现在同等功率下有效提高加热速度的效果。

本申请实施例还提出一种微波加热系统，包括微波加热结构，微波输入装置包括：

检测模块，用于实时获取所述微波加热结构的当前谐振频率；

在一些实施例中，检测模块包括双向耦合检波结构，通过将双向耦合检波结构连接在激发部处，将微波传输路径上的部分微波传输至双向耦合检波结构中，从而对整个加热架构的输入状态、输出状态和反射状态进行检测，从而获取微波加热结构的当前谐振频率。

检测模块还可以包括探针，通过探针深入容置腔内，采用小型环天线在容置腔内耦合微波场，通过连接二极管检波电路，实现实时检测微波加热结构的当前谐振频率的效果。

第一调整模块，用于调整向微波加热结构内输入微波的输入频率，以使输入频率与当前谐振频率一致。

输出装置，用于按照输入频率向微波加热结构内输入微波，从而对被加热物体进行加热，直至被加热物体被加热至目标温度。

在一些实施例中，微波加热系统还包括：

温度获取模块。用于按照预设时间间隔获取被加热物体的当前温度；

第二调整模块；根据当前温度以及目标温度，确定微波加热功率；

输出装置还用于按照微波加热功率向微波加热结构内输入微波。

在一些实施例中，微波加热系统还包括：

运送装置，用于运送被加热物体，其中运送模块可以为传送带，传送带穿过容置腔，运送装置穿过被加热物体部分的材料根据被加热物体确定，例如可以为透波材料，使微波完全被被加热物体吸收，还可以为吸波材料，通过吸收电磁波进而为运送装置上无法吸收电磁波的被加热物体进行加热。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。