一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置
阅读说明：本技术 一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置 (Waveguide horn excitation metal fold surface wave uniform heating device ) 是由 谢拥军 肖鲁寅 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置,该装置包括波导喇叭天线和设置在波导喇叭天线喇叭口末端的金属褶皱结构,金属褶皱结构的上方设有载物台。该装置通过设置金属褶皱的开放结构,使得炉腔内的能量分布更加均匀,食物能够均匀受热,缩短加热时间,提高了加热效率。(The invention provides a waveguide horn excitation metal corrugated surface wave uniform heating device which comprises a waveguide horn antenna and a metal corrugated structure arranged at the tail end of a horn mouth of the waveguide horn antenna, wherein an object stage is arranged above the metal corrugated structure. The device is through the open architecture that sets up the metal fold for the energy distribution in the furnace chamber is more even, and food can thermally equivalent, shortens the heat time, has improved heating efficiency.)
技术领域
本发明涉及微波加热技术领域，特别涉及一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，人们的生活品质的进一步提升。微波炉现在几乎成为每个家庭厨房的必不可少电器。微波炉加热原理为通过磁控管把电能转变成高频微波传到微波炉腔内，由于食物是由分子组成，其间会存在大量的带电粒子且极性不同。在微观学中分子的运动在高频场作用下极其剧烈，因此高频场会促使这些粒子在食物中来回不停地震荡。正负电荷粒子在极快的震荡中会发生碰撞，摩擦生热，在宏观上呈现热反应，最终使得食物被加热。21世纪以来，平板微波炉由于其高空间利用率，更有利于热传递和热对流，易于清洗等优势，逐步取代了转盘微波炉。但是平板微波炉最大的劣势就是其加热均匀性很差。
通常根据微波炉腔体尺寸，采用模式分析理论计算微波炉腔内存在的模式数量，模式数分布的越多，场分布的越均匀。基于这个理论，提升加热均匀性的方法是在炉腔内激发更多的电磁场模式，从而使得腔内的能量分布变得均匀，进而实现均匀受热。
目前解决微波炉腔内场分布不均匀的问题，实现均匀加热的技术有两种。第一种技术是改变平板微波炉的腔体结构，例如在微波炉腔体内壁加装金属凸起和凹槽。第二种技术是在微波炉内安装电磁搅拌器，增加微波炉腔内模式分布的数量，补充原来微波能量较薄弱的地方，使得微波能量在微波炉腔内空间中分布的更均匀。
平板微波炉的腔体内部结构的改变是根据微波炉内驻波分布进行调整，能够改善驻波分布的均匀性。但是当微波炉内加热不同食物的时候，其微波炉内场分布会发生变化，微波炉腔内存在的反射和折射会发生变化，在炉腔体内壁加装的金属凸起和凹槽对反射和折射的削弱效应明显减少，腔体内无法获得均匀的电磁场分布。同时，在微波炉腔内进行结构改造会对微波炉的空间利用率造成影响，同时增加成本。
通过电磁搅拌器的旋转是另一种提高微波炉加热均匀性的方法。但搅拌器的匹配较差，搅拌器的旋转会引起微波反射，在空载情况下会将更多的微波能量反射回磁控管，使得磁控管的阳极片温度升高，导致其寿命降低，甚至会烧坏磁控管。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置，该加热装置能够提高微波炉的加热均匀性，同时提高微波炉的加热效率。
上述技术效果是通过以下技术方案实现的：
一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置，该装置包括波导喇叭天线和设置在波导喇叭天线喇叭口末端的金属褶皱结构，所述金属褶皱结构的上方设有载物台。
进一步的，所述金属褶皱结构为若干个与载物台垂直的金属片。
进一步的，该均匀加热装置还包括设置在波导喇叭天线喇叭口末端、沿波导喇叭天线底面延伸的金属接地板。
进一步的，所述金属片设置在金属接地板上表面，金属片垂直于波导喇叭天线喇叭口的延伸方向，且各金属片互相平行的排列在波导喇叭天线喇叭口的延伸方向。
进一步的，各金属片的高度相等，且金属片的高度低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，金属片之间等间距设置；金属片之间间距为d1，金属片高度为h1，金属片厚度为l1，则d1+2×h1+l1＝λ/2，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
进一步的，所述金属片分为两组，每组包括多个金属片，其中一组金属片设置在金属接地板的上表面，另外一组金属片设置在载物台的下表面，金属片均垂直于波导喇叭天线喇叭口的延伸方向，上、下两组金属片之间交错设置，且各金属片互相平行的排列在波导喇叭天线喇叭口的延伸方向。
进一步的，各金属片的高度相等，且金属片的高度低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，金属片之间等间距设置；金属片之间间距为d2，金属片高度为h2，则d2+4×h2＝λ，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
进一步的，所述金属片分为四组，每组包括多个金属片，在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的两侧方向上分别设置一组金属片，在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的中间方向上设置两组金属片，每组金属片均垂直于波导喇叭天线喇叭口的延伸方向，且每组的多个金属片互相平行的排列在波导喇叭天线喇叭口的延伸方向。进一步的，在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的两侧方向上的两组金属片的高度低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的中间方向上的两组金属片的高度略低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，金属片的厚度相等，每组金属片之间的间距相等，各组的多个金属片之间的间距也相等；在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的中间方向上的两组金属片的高度为h3，在金属接地板上表面位于波导喇叭天线喇叭口的两侧方向上的两组金属片的高度为h4，每组金属片之间的间距为d3，各组的多个金属片之间的间距为d4，则d4+2×h3+l3＝λ/2，λ/4＜d4+2×h4+l4＜λ/2，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
进一步的，该装置还包括设置于金属褶皱上方、能够增强馈源定向性的金属导引板，该金属导引板位于波导喇叭天线喇叭口上沿与载物台之间，并与载物台拼接，金属导引板和载物台的设置方向即为波导喇叭天线喇叭口上沿的延伸方向；所述金属导引板沿波导喇叭天线喇叭口延伸方向的长度为d5，则d4+l3＜d5＜2×(d4+l3)。
本发明采用金属褶皱慢波结构，减缓磁控管产生的微波沿轴向的传播速度，使其产生表面波，利用表面波的均匀性对食物进行加热。本发明的金属褶皱表面波均匀加热结构包括发射源，金属地以及不同尺寸的金属褶皱。具体实施的技术方案为先选择合适的馈源并确定馈源的位置，根据微波炉的工作频率确定金属褶皱结构的基础尺寸，使得微波在金属褶皱上形成表面波。根据微波炉腔内能量分布，对每一个褶皱结构的位置，大小尺寸进行优化设计，使其在微波炉腔内能量分布比较均匀。对金属褶皱结构在微波炉腔内进行横向排布，保证在微波炉腔内纵向截面也能够产生均匀表面波。最后，在金属褶皱结构上放置耐高温的介质作为载物台，以减少电磁波在微波炉腔内多次复杂的反射和折射。同时，金属褶皱结构上方铺设的金属导引板，能够增强馈源的定向性，保证微波能量能够完全馈入微波炉腔内。
本发明所采用的波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置和传统微波炉均匀加热技术相比具有以下优势：
(1)本发明采用波导喇叭进行激励，可以产生高频率，高功率且多种模式的电磁波。
(2)本发明的金属褶皱结构比较简单，成本较低，能够承受较大的输入功率，反射较小，对微波炉的损耗较小，微波炉的空间利用率高。
(3)本发明的波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置能够降低微波沿轴向的传播速度，产生均匀的表面波，使得炉腔内的能量分布更加均匀，食物能够均匀受热，缩短了加热时间，提高了微波炉的加热效率。
(4)本发明的波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置适用于多种微波加热设备。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式金属褶皱表面波均匀加热装置结构示意图。
图2是图1所示金属褶皱表面波均匀加热装置侧面结构示意图。
图3是图1所示金属褶皱表面波均匀加热装置侧视尺寸示意图。
图4是本发明第二种实施方式交错金属褶皱表面波均匀加热装置结构示意图。
图5是图4所示交错金属褶皱表面波均匀加热装置侧面结构示意图。
图6是图4所示交错金属褶皱表面波均匀加热装置侧视尺寸示意图。
图7是本发明第三种实施方式高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置结构示意图。
图8是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置侧面结构示意图。
图9是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置主视尺寸示意图。
图10是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置侧视尺寸示意图。
图11是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置的回波损耗示意图。
图12是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置的XOZ面场强分布图。
图13是图7所示高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置的YOZ面场强分布图。
图中：1-波导喇叭天线，2-金属接地板，3-下金属褶皱，4-上金属褶皱，5-高金属褶皱，6-低金属褶皱，7-载物台，8-金属导引板。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明进行进一步的描述。
如图1-3所示，本发明的一种波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置，包括波导喇叭天线1和金属褶皱结构，金属褶皱结构设置在波导喇叭天线1喇叭口末端，金属褶皱结构的上方设有载物台7。
本发明的金属褶皱结构为慢波结构。慢波结构是传输表面波的一种结构，开放结构可以用来引导电磁波传播，使其传播速度小于自由空间的波速并能够沿结构的轴向按规律传播，即为表面波。在本发明中，开放结构采用金属褶皱结构，大功率的电磁波由波导喇叭天线产生。载物台的材质为陶瓷等耐热型材料。
金属褶皱结构为若干个金属片，金属片垂直于载物台设置。金属片采用铜、铝等导电性能良好的金属制备。
本发明的均匀加热装置还包括设置在波导喇叭天线喇叭口末端、沿波导喇叭天线底面延伸的金属接地板2。
参见图1-3，金属片设置在金属接地板2上表面，金属片垂直于波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向，且各金属片互相平行的排列在波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向。
本发明的金属褶皱结构，其表面为感性表面，能够传递TM波。电磁波在金属褶皱结构内上下形成驻波，使每条金属褶皱起到平行双导体短截线作用。假设材料是无损的，那么金属褶皱结构对进入的波表现为纯电抗：
式中Zd为金属褶皱结构中金属媒质的本征阻抗，εr为媒质的相对介电常数，λ0为自由空间当中的波长，h为金属褶皱的高度，这里假设金属褶皱结构中每一单元都无限薄，单元之间的间距忽略不计。
金属褶皱结构从经过的电磁波中储存能量，当d＜λ0/4时，沿着金属褶皱顶部位置的表面呈感性表面；当d＝λ0/4，z＝∞，沿着金属褶皱顶部位置的表面呈开路；当d＝λ0/2，z＝0，该表面呈短路。
在图1-3的波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置中，波导喇叭天线用于产生较强功率的电磁波，金属褶皱结构中，金属片的高度相等，且金属片的高度略低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，金属片之间等间距设置，即金属片为等间距、等高的周期性结构，金属片之间间距为d1，金属片高度为h1，金属片厚度为l1，周期性结构参数满足以下关系式：d1+2×h1+l1＝λ/2，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
此外，据电磁波实际的传播情况对金属褶皱结构金属片的间距d1、高度h1、厚度l1进行调整，可以不使用周期性结构，例如可以增加最后一个单元的高度以增加表面波的加热效果。
图4-6为本发明的第二种实施方式。在金属褶皱结构中，将金属片分为两组，每组包括多个金属片，其中一组金属片设置在金属接地板的上表面，即下金属褶皱3；另外一组金属片设置在载物台的下表面，即上金属褶皱4；金属片均垂直于波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向，下金属褶皱3、上金属褶皱4之间交错设置，且各金属片互相平行的排列在波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向。此时，波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置为交错金属褶皱表面波均匀加热装置。金属片的高度相等，且金属片的高度低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，金属片之间等间距设置，即金属褶皱结构由等间距、等高的上下金属褶皱周期性结构构成，金属片之间间距为d2，金属片高度为h2，金属片厚度尽可能薄，则d2+4×h2＝λ，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
与图1-3所示的第一种实施方式相比，第二种实施方式的上下金属褶皱结构，其对电磁波的导引效果更好，更易于减慢电磁波横向的传播速度，产生较为均匀的表面波。与上金属褶皱结构连接的是载物台，其是耐热媒质；与下金属褶皱结构连接的是金属接地板。
图7-10为本发明的第三种实施方式，在波导喇叭结构中，保证喇叭天线性能保持不变的情况下缩小其整体尺寸。在金属褶皱结构中，将金属片分为4组，每组包括多个金属片，在金属接地板2上表面位于波导喇叭天线1喇叭口的两侧方向上分别设置一组金属片，即低金属褶皱6；在金属接地板2上表面位于波导喇叭天线喇叭口的中间方向上设置两组金属片，即高金属褶皱5；每组金属片均垂直于波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向，且每组的多个金属片互相平行的排列在波导喇叭天线1喇叭口的延伸方向。金属片的厚度应尽可能薄。在这种实施方式中，本发明的均匀加热装置为高低金属褶皱阵表面波均匀加热阵列装置。中间的两组金属褶皱结构(高金属褶皱5)高度较高，其高度略低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，设其高度为h3，厚度为l3；外侧的两组金属褶皱结构(低金属褶皱6)高度较低，其远低于波导喇叭天线喇叭口末端的高度，减少电磁波在横向传播过程中的泄露，设其高度为h4，厚度为l4；设每组金属片之间的间距为d3，各组的多个金属片之间的间距为d4，则d4+2×h3+l3＝λ/2，λ/4＜d4+2×h4+l4＜λ/2，其中λ为在金属褶皱结构中传播的电磁波的波长。
在本实施例中，均匀加热装置还包括设置于金属褶皱上方、能够增强馈源定向性的金属导引板8，该金属导引板8位于波导喇叭天线喇叭口上沿与载物台7之间，并与载物台7拼接，金属导引板8和载物台7的设置方向即为波导喇叭天线喇叭口上沿的延伸方向。金属导引板的材料为导电性强的金属，其厚度与载物台厚度保持一致，保证微波能量能够完全馈入微波炉腔内，增强微波能量的利用率。金属导引板8沿波导喇叭天线喇叭口延伸方向的长度为d5，则d4+l3＜d5＜2×(d4+l3)。
应该指出的是，在第一种和第二种实施例的均匀加热装置中也可增加金属导引板的结构，以增强微波能量利用率。
图11-13为本发明的第三种实施方式的仿真结果图，第三种实施方式在空载的情况下其回波损耗在中心频率附近约为-10dB，在微波炉的工作频率范围内该实施例的回波损耗均小于-7.5dB。在微波炉腔内放置被加热的食物后，其回波损耗的值会相应减小。
如图12-13所示，在空载情况下对图7的均匀加热装置进行仿真，得到不同频率下表面波纵向和横向电场分布以及载物台上场强分布。由表面波纵向和横向电场分布可知，XOZ面和YOZ面的电磁波场强比较均匀，在直流功率为1W的条件下，微波炉腔内最大场强有100V/m，能够在微波炉腔内产生较强的均匀的表面波。本发明的装置能够实现均匀加热。
与第一种实施方式类似，为了在整个微波炉腔内部保证均匀且强度较大的表面波，第三种实施方式可以不保证周期性结构，但需要满足上述关系。与第一种和第二种实施方式相比，第三种实施方式的结构既能够在电磁波横向传播的方向上产生均匀的表面波，保证横向截面电磁能量的均匀性，也能够在平行于喇叭天线口径面上产生均匀的表面波，保证其纵向截面电磁能量的均匀性，使得电磁波能量覆盖到微波炉腔内的每一个角落，提高微波炉的加热均匀性。
本发明的波导喇叭激励金属褶皱表面波均匀加热装置也可以应用到其它的开放或者是封闭的微波加热设备以及其他工业上需要高功率均匀加热的设备中。
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