變頻微波加熱裝置的製作方法

2023-12-04 06:33:36 2

專利名稱：變頻微波加熱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波輻射，尤其涉及具有選擇性地改變微波源的頻率和功率的能力的微波爐。
背景技術：
在微波輻射領域中，眾所周知，微波爐一般是由固定的工作頻率構成的。已經知道，各種材料與微波的相互作用(interaction)是與頻率相關的。這些相互作用可以包括固化(curing)橡膠和燒結(sintering)陶瓷。因此，希望有可以在寬的頻率範圍上工作的微波爐。
大多數微波源的帶寬非常窄，這是因為它們使用諧振腔。為家用製作的微波爐設置有磁控管，它工作在2.45GHz上，這是加熱水有效的頻率。由於2.45GHz的微波與水的耦合能力，這些微波爐用於烹調食品、乾燥以及其它目的，其中受到作用的主要材料是水。然而，眾所周知，在該範圍內的頻率並不適於所有的場合，例如加熱等離子體、燒結諸如矽等的材料以及準備諸如金剛石膜片等膜片。
通過波模擺動(mode stirring)方法使頻率掃過較寬範圍重要的含義是用微波功率對醫療器械或者被汙染的廢物進行消毒。這樣使用決定了能消除腔內的可能不能接收到足夠功率的「死區」，以徹底進行消毒。電子頻率掃描能以較高的速率進行，因而在整個爐腔內產生了更一致的時間上均勻的功率密度。所要求的頻率掃描可以通過使用各種微波電子設備來實現。例如，螺旋式行波管(TWT)與諸如電壓可調磁控管(2.45±0.05GHz)相比可以使掃描覆蓋較寬的帶寬(例如2至8GHz)。如下文將揭示的，其它設備具有其它的特性帶寬。
又，已知一般家庭使用的頻率固定的微波爐具有冷點和熱點。這種現象是由波長對微波腔大小的比率引起的。把較低頻率的微波引入較小的腔內，會產生駐波，因此微波功率不是均勻地充滿腔內的所有空間，未受影響的區域沒有加熱。在極端的情況下，爐腔實際上成為「單波模」腔。
已經在波模擺動下進行了償試，或者隨機地使微波「束」偏轉，以消除駐波波模，從而使微波輻射充滿腔體。一種償試是在腔的波束進口處增加旋轉的風扇葉片。
克服駐波不利影響的另一種方法是在單波模腔內故意產生駐波，可以把工件放置在具有最高功率(熱點)的位置上。因此，僅僅腔內駐波最集中的部份可以使用。
雖然還不知道其正確的原因，但已經顯示，在高頻上燒結各種材料會得到改善。然而，現有技術難以進行一系列相同的僅改變頻率的擺動實驗。這大部分是由於各微波源連接到不同的爐腔內所造成的。眾所周知，爐腔的幾何形狀是在這種實驗中必須考慮的參量。
在一些著作中，已經報導了引入陀螺振子振蕩器以產生頻率固定的28GHz微波的爐。陀螺振子爐能比那些設置有2.45GHz磁控管的微波爐更有效地燒結某些材料。陀螺振子爐在燒結陶瓷等材料方面有特殊的應用。然而，28GHz並不是燒結所有材料都有效的頻率。要求確定把最有效的頻率加到帶有所選結構的腔的爐中的指定材料上。
在加熱處理時最有效的處理頻率可以隨指定的材料而變化。當材料改變狀態時，也可能要求改變頻率。因此，可以要求它在加熱過程中具有改變頻率的能力，允許測試器開始以一頻率加熱樣品，然後隨著溫度的升高，改變頻率，以維持良好的耦合。也可以要求在加熱合成材料時，改變材料來有效地對不同頻率起作用。
也已生產了其它的設備來改變所選材料的加熱工藝的參數。已有技術中典型的技術是下列美國專利中所揭示的設備專利號 發明人公告日期3,611,135D.L.Margerum 1971.10.54,144,468G.Mourier 1979.3.134,196,332A.Mackay B，等1980.4.14,340,796M.Yamaguchi等 1982.7.204,415,789T.Nobue等 1983.11.154,504,718H.Okatsuka等 1985.3.124,593,167O.K.Nilssen 1986.6.34,777,336J.Asmussen1988.10.114,825,028P.H.Smith 1989.4.254,843,202P.H.Smith等 1989.6.274,866,344R.I.Ross等1989.9.124,939,331B.Berggren等 1990.7.3發表在1979年14(1)期的微波功率期刊上的、Mackay B.等著的、名稱為「微波爐的頻率靈敏(agile)源」文章中進一步討論MacKay在』332中所揭示的主題。然而，除了上述共同待批申請No.07/792,103之外，並沒有揭示具有寬頻範圍的微波爐。
使用寬頻範圍的一個障礙是難以實現高效地把微波耦合到多波模敷貼腔，尤其是在這種耦合裝置包括介電窗時。
因此，本發明的一個目的在於提供一種微波加熱裝置，它能在寬頻範圍上工作。
本發明的另一個目的在於提供一種可以在寬頻範圍上工作的微波加熱裝置，其中該微波源可以與具有其它頻率範圍的微波源互換。
本發明的再一個目的在於提供這樣一種微波加熱裝置，其中，可以把兩個或更多個微波源以並行方式設置到系統中。
本發明的又一個目的在於提供一種包括多個平行設置的微波源的微波加熱裝置，其中，微波源可以選擇和替換使用。
本發明的又一目的在於提供一種具有多個微波源的微波加熱裝置，每個微波源由同一個信號發生器和電源控制。
本發明的又一個目的在於提供一種微波加熱裝置，頻率調缺點可以用作波模擺動(mode stirring)的形式，以在多波模腔和設置在其內的負載內產生更均勻的功率分布。發明內容本發明還將實現其它的目的和優點，它被設計成調製引入到用於測試或者其它所選應用的爐腔內的微波頻率。一些可用的處理包括熱處理、消毒、燒結、等離子體處理、礦物處理、聚合、蝕刻以及製備膜。
本發明提供一種微波信號發生器，用於產生低功率微波信號，輸入到微波放大器中。較佳實施例中的信號發生器可以掃過一指定範圍的頻率，以脈衝方式工作，調製微波信號的頻率，並產生各種複雜的波形。較佳實施例的微波信號發生器可以利用內部的脈衝發生器工作在脈衝模式，或者可以從外部得到脈衝。設置有一內部調製器以進行寬帶調製。內部調製器可以工作在調幅(AM)模式或者調頻(FM)模式。
電壓控制器用於調製微波壓控振蕩器的振幅。微波壓控振蕩器可以用來替代微波信號發生器，以改善產生的微波的頻率和幅度。
可以提供第一放大器，以放大微波信號發生器或者微波壓控振蕩器輸出的信號的幅度。較佳實施例的第一放大器是壓控的，因此，其增益是可以調節的，操作者可以選擇輸出的幅度。
提供第二放大器，處理第一放大器輸出的信號，或者當不用第一放大器時處理從微波信號發生器或者微波壓控振蕩器輸出的信號。第二放大器向爐腔輸出高功率微波信號，並使工件受到微波輻射。在較佳實施例中，第二放大器可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、環形TWT、環棒TWT、速調管、行波速調管或者陀螺振子之一。這些器件包括設計成擴散放大器在正常工作期間集聚的熱的內部冷卻設備。
在本發明的另一個實施例中，振蕩器和第一和第二放大器可以用頻率靈敏的同軸磁控管來代替，其頻率可以手動、機械或者電調諧。
提供一電源，用於第二放大器的工作。在較佳實施例中，電源是由精確穩壓的螺旋式電源與無穩壓控制器的高壓電源組成的直流電源。
提供一定向耦合器，用於檢測信號的方向以及根據檢測到的方向進一步控制該信號。把從微波源接收到的信號送至微波腔。從微波腔的方向上接收到的信號送至反射功率負載上。因此定向耦合器提供一種手段，利用這一手段，把反射功率轉離微波源，以保護微波源免受未被工件吸收的功率。較佳實施例的定向耦合器是水冷卻的，以擴散微波源來的功率傳輸和微波腔來的功率反射集聚到的熱。
提供第一功率表，用於測量供給微波腔的功率。第一功率表用於與位置設置成測量從微波腔反射來的功率的第二功率表連接，以監視微波腔的效率並確保在反射功率負載上消耗該反射功率而不是由第二放大器來消耗。
反射功率負載還可以用於通過從爐腔中移去所有工件，由此，把第二放大器的所有信號送至反射功率負載來測試系統的機能。可以把反射功率負載接收到的功率與第二放大器輸出的功率比較，以確定系統的損耗。
第二功率表檢測反射功率的幅度。該幅度可以用於確定引入到微波腔內的微波的即時頻率的效率。由於所選工件較高的吸收率，所以較低的反射功率表示更有效的工作頻率。
可以提供漸縮的過渡(tapered transition)以提高效率，用該漸縮過渡可以把寬帶微波能量耦合到微波腔內。把它作為傳輸線與微波腔之間的阻抗轉換器，這種過渡提高了耦合到腔內的功率百分比。另外，對於必須把微波能量耦合到有活性氣體的腔內的應用來說，該漸縮過渡提供了一種減少在窗口和活性氣體之間的界面之間微波能量的功率密度的方法，從而防止在輸入窗口形成等離子放電。
附圖概述根據下面對本發明的詳細描述以及附圖，本發明的上述特點將變得更易理解。


圖1是本發明的變頻微波爐系統的較佳實施例的示意圖；圖2是本發明的變頻微波爐系統的另一較佳實施例的示意圖；圖3是行波管的透視圖，部分作了剖視，它組成本發明的變頻微波爐系統；圖4是組成本發明的變頻微波爐系統的行波管的示意圖；圖5是行波管的端視圖，作了剖視，它組成本發明的變頻微波爐系統；圖6是本發明的變頻微波加熱裝置的另一較佳實施例的示意圖；圖7是本發明的漸縮波導敷貼器的視圖，示出了其入口；圖8是圖7的漸縮波導敷貼器的端視圖，示出了其出口；圖9是漸縮波導沿圖7的9-9線的底面部視圖；圖10是漸縮波導敷貼器的另一個實施例端視圖，它進一步包括介電窗，並示出了其出口；圖11是漸縮波導沿圖10的11-11線的底面剖視圖；圖12是是漸縮波導的另一個實施例的端視圖，示出了其出口，其中內壁限定為臺階式縮小；圖13是漸縮波導沿圖12的13-13線的底面剖視圖；圖14是漸縮波導敷貼器的另一個實施例的端視圖，示出了其出口，其中內壁限定為臺階式縮小，並且包括了介電窗；圖15是漸縮波導管沿圖14的15-15線的底面剖視圖，；圖16示出了用於觀察根據本發明所用的微波腔內的活動的觀察口的正視圖；圖17是圖16的觀察口沿17-17線的端面剖視圖；圖17A是圖17的觀察口的部分放大圖，以更清楚地示出密封本發明所用的微波腔的門的密封機構；圖18示出了本發明的變頻微波加熱裝置的另一個較佳實施例的示意圖；圖19是本發明所用的一個矩形微波腔的波模密度對頻率的曲線圖；圖20A-D用圖形示出了根據本發明的幾個特點所用的微波腔的理論模型和第一微波源內的功率分布；圖21A-F用圖形示出了根據本發明的幾個特點所用的微波腔的理論模型和第二微波源內的功率分布。
本發明的實施方式具有本發明各種特點的變頻微波加熱裝置在圖中一般以10來圖示。微波加熱裝置10設計成調製引入到微波腔內以測試或者進行其它所選應用的微波的頻率。這種調製對於測試過程以確定對特定材料處理最有效的頻率是有用的。頻率調製與在較小的爐腔內產生更均勻的功率分布的波模擺動一樣也是有用的。
頻率調製測試不僅在確定所選材料有效的燒結頻率時是有用的，而且在確定所選材料的各種狀態的最有效燒結頻率也是有用的。以相同的方式，頻率調製在處理狀態變化的材料方面也是有用的，其中材料的每種狀態都更有效地聯接到從其它狀態的頻率改變的頻率上。而且，在處理合成材料時頻率調製也是有用的，其中每種成分聯接到與其它成分不同的頻率上。
圖1示意性地示出了本發明的變頻微波加熱裝置的較佳實施例，其中所選的工件36正待處理。可進行的處理包括加熱處理、消毒、燒結、等離子處理、礦石加工、聚合、蝕刻以及製備膜等，但不限於這些。應當理解，本揭示中所用的術語「工件」涉及所選的材料或者材料的組合。術語「工件」可以進一步包括如此所選的材料或者材料的組合，其中至少一種材料要經過至少一種狀態的變化，因此，在一給定時間材料不至一種狀態。
提供一微波壓控振蕩器14，用於產生低功率微波信號，輸入到微波爐32內。複雜波形發生器1 2向壓控振蕩器14提供控制電壓，使壓控振蕩器掃描指定的頻率範圍，它工作在脈衝模式，調製微波信號的頻率，並產生各種複雜波形。
較佳實施例的複雜波形發生器12可以用內部脈衝工作在脈衝模式，或者可以從外部得到脈衝。設置內部調製器以進行寬帶調製。內部調製器可以以AM模式或者FM模式工作。
微波壓控振蕩器14產生頻率由波形發生器12加到壓控振蕩器14上的電壓確定的微波信號。與所選材料可以有效地與特定頻率耦合以及要求高電壓一樣，可以要求調製微波頻率，儘管第二種材料可以更有效地以不同頻率和在低或高電壓下進行耦合。因此，微波壓控振蕩器14可以與複雜波形發生器12一起使用，以修正產生的微波的頻率。
將可看到，頻率與功率級可能的組合是無數的。而且，有了這種頻率與幅度調製能力，將可看到，可以通過使微波的頻率和幅度交替來實現對工件36的處理，以達到最大的處理效率。調製可以以這樣的速率進行，以使工件36不能檢測到，但仍能對各材料和材料狀態產生最大的處理效率。
可以提供第一放大器，放大微波壓控振蕩器14輸出的信號的功率。本較佳實施例的第一放大器18是壓控的，因此其增益是可調的，所以輸出幅度可由操作者選擇。在變頻微波加熱裝置10工作期間，操作者可以同時調節第一放大器18，所以可以相應調節微波的幅度。第一放大器18的控制電壓還可以由複雜波形發生器12提供，可以以所要求的方式調製信號輸出的幅度。
提供第二放大器20，對第一放大器18的輸出信號進行處理，或者當不用第一放大器18時，對微波壓控振蕩器14的輸出信號進行處理。第二放大器20輸出微波信號，輸入到多波模爐腔34內，使工件36受到微波信號的照射。在較佳實施例中，第二放大器20可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、環形TWT、環棒TWT、速調管、行波速調管或者陀螺振子之一。
TWT20是一種線性射束器件，它放大並輸出具有所選頻率和波形的信號。TWT20在TWT20的結構所限定的範圍或帶寬內具有放大所選頻率或波形的能力。尤其是，TWT的物理幾何形狀限止了頻率範圍，所以當達到高限時，將遇到抵消信號，出現第二波。
為了達到高於或者低於引入特定結構中的TWT20所能提供的頻率，改變TWT20的內部幾何形狀，尤其是螺旋40的間距。在後面提到的TWT20中，可以定義一新的頻率範圍。因此將看到，TST20結構的改變是可能的，所以可以達到較寬的頻率範圍。至此，本發明的TWT20被設計成可選擇地從變頻微波加熱裝置10中移去，並與其它的這種TWT20互換。因此，單微波壓控振蕩器14、微波爐32和微波爐腔34可以與各種TWT20一起使用，所以，可以僅把微波頻率作為主要變量進行一系列相同的測試。一個TWT20可以限定4GHz至8GHz的頻率範圍，而另一個TWT20』限定了8GHz至16GHz的頻率範圍。再一個TWT20」可以限定第三頻率範圍。把TWT20與TWT20』互換限定了從4GHz至16GHz的總範圍。一種限定4GHz至8GHz的範圍的TWT20為Microwave Laboratories(微波試驗室)公司製造的Model T-1096G/H Band Helix TWT。在表1中列出的Model T-1096的技術規格。
如上所述，行波管20是一種線性射束器件，其特點在於行移電場連續地縱向沿著電子束的路逕取得能量。如圖3和圖4所示，典型的TWT20是由電子槍組件44連接到單線螺旋絲40的第一端46上構成的。槍組件44產生聚焦的電子束，直接穿過螺旋絲40的中央。與螺旋絲40形成整體的漸縮的碳衰減器50用作定向耦合器，防止從通路上返回到管的輸入處的反射。射頻輸入和輸出繞組52、54分別設置在螺旋絲40的陰極和收集端。
表1 T-1096G/H Band Helix TWT的技術規格射頻特性 最小值 最大值 典型值 單位功率輸出63.065.063.5 dbm頻率範圍4.0 8.0Ghz諧波含量- -3.0-6.0 dbc標稱功率時的增益25.037.030.0 db電參數螺旋絲電壓 -8.0-9.0-8.4 kV陽極電壓(WRTC) 0.0 +9.0- kV收集極電壓(WRTC)+6.2+6.8+6.5 kV絲線電壓(WRTC) 12.413.212.8V螺線管電壓 35.057.048.0VVac-Ion電壓 +3.5+5.0+3.5 kV螺旋絲電流 - 25.015.0 mA陽極電流- 5.0 - mA收集極電流 0.9 1.8 1.2 A絲線電流1.2 2.0 1.4 A螺線管電流 21.026.025.0AVac-Ion電流 - 0.01- mA最佳功率10.79.2kW被正向充電的收集極56位於螺旋絲40的第二端48。收集極56提供TWT20工作的能量。電子束聚焦和封閉磁體58圍在TWT20的整體組件外。
在螺旋絲40的軸上行進的電子與沿著螺旋絲40傳播的射頻波相互作用，能量從電子束轉移到射頻波上。這種相互作用連續地進行並不斷積累，在射頻信號沿螺旋絲40傳播時增加了其振幅。
本較佳實施例的第二放大器20包括內部冷卻裝置38，它被設計成擴散第二放大器20在正常工作時集聚的熱。尤其，在用螺旋式TWT的情況下，TWT20的螺旋絲和螺旋絲支架42由選出的材料製成，以達到其功能。本較佳實施例的螺旋式TWT20設置有用扁銅線製成的螺旋絲40。多個保持器42圍繞著螺旋式TWT42的縱軸平行設置，在TWT42上繞有銅線，保持器42用來保持銅線限定的螺旋絲40，並還擴散在螺旋式TWT20工作期間傳輸給銅線的熱。在本較佳實施例中，保持器42 少用一個平面43限定了橫截面，平面43基本上與銅線接觸。
而且，本實施例的保持器42由氧化鈹製成。儘管已知氧化鈹為電絕緣體，但它還是極佳的導熱體。銅線限定平面橫截面並基本上與保持器42的平面43接觸高效和徹底地擴散了傳輸到銅線上熱，因此，為螺旋式TWT20的內部提供了冷卻裝置38，延長了螺旋式TWT20的壽命。
設置了電源22，用於第二放大器20的工作。雖然在圖中沒有單獨畫出，但較佳的電源22為由精確穩壓的陰極電源和無穩壓的收集極高壓電源組成的直流電源。陰極電源的輸出穩壓通過使用四極管的電子管穩壓電路來實現的。一種這樣的電子管為Eimac 4PR400A電子管。對收集極電源和陰極原電源的穩壓是用機電式穩壓器。本較佳實施例的收集極電源設置有兩個開關板，用於選擇輸出範圍。用於向第二放大器提供電力的典型的電源22為通用Voltronics型BRE-15-140-ML高壓電源。在表2中列出了這種通用Voltronics電源的技術指標。
表二通用voltronics Model BRE-15-140-ML電源的電技術指標螺旋絲電源輸出電壓 500V-15KVDC輸出電流 140mADC極性 負極輸出波紋 .01％rms 15KVDC，140mADC穩壓，負載.01％(從空載到滿載)，最大輸出穩壓，線路+0.1％，190-230VAC線路電壓，最大輸出收集極電壓輸出電壓和電流I型(平聯) 0-5KV，4000mAII型(串聯) 0-10KV，2000mA極性 正極性輸出，負極連接到螺旋絲電源波紋 3％rms，1 0KVDC，2000mA穩壓，負載+2％(從空載到滿載)，最大輸出穩壓，線路+2％，190-230VAC線路電壓，最大輸出保安電路(跨接在收集極電源上)響應時間 5微秒系統輸入電壓 190-230VAC，相與相，3相，60Hz，30KVA電力連接 5端連接板(3相中央接地)輸出連接器10-32個柱，用於收集極、陰極和螺旋絲控制連接器90端Elco連接器如圖2所示，變頻微波加熱裝置10可以不用微波壓控振蕩器14和第一放大器18工作。在該實施例中，單獨用微波信號發生器12來產生所選的信號，並不經調製而直接輸出。一種這類微波信號發生器12為Wiltron製造的Model 6724信號發生器。在本實施例中，在第二放大器20的電源22內進行幅度調製。
參見圖1和圖2，提供一定向耦合器24，用於檢測信號的方向，並進一步根據檢測到的方向對信號進行定向。定向耦合器24設置在第二放大器20的收集端的附近。把從第二放大器20接收到的信號送到微波腔32內。把從微波腔32方向接收到的信號送到反射功率負載28。因此，定向耦合器24提供了一個手段，即，把反射信號-即，工件36沒有吸收的返回源20的功率-轉離第二放大器20，以保護第二放大器20不受工件36未吸收的功率的影響。本實佳實施例的反射功率負載28是水冷卻的，以擴散通過反射微波腔32的功率集聚的熱。
提供第一功率表30，用於測量傳遞給微波腔32的功率。第一功率表30用於連同設置的第二功率表26一起測量微波爐32的反射功率，以監視微波爐的效率，並確保反射功率在反射功率負載28上被消耗，而不是第二放大器20。
第二放大器20輸出的信號被引入到微波腔34內，由所選的工件36吸收。一般，工件36不能完全吸收引入的信號，因此引入的信號被反射返回第二放大器20，而沒有其它的路徑。
反射信號到達定向耦合器24，被轉向第二功率表26，最後到反射功率負載28上。如上所述，在反射功率負載28上消耗反射功率，以保護第二放大器20的壽命。也可以從爐腔34移去所有的工件，把反射功率負載28用於測試系統的機能，由此把整個負載從第二放大器20連到反射功率負載28上。可以把反射功率負載28接收的功率與第二放大器20發出的功率比較，以確定系統的損耗。
第二功率表26檢測反射功率的大小。該值可以用於確定引入到微波腔34的微波的即時頻率的效率。低反射功率表示高效率工作頻率，這是由於所選工件36有較高的吸收率。
本技術領域的熟練人員從上述的描述中可以認識到已經指出了變頻微波加熱裝置10對已有技術提供的優點。具體地說，本發明的微波加熱裝置10提供了一種調節引入到腔34內以進行燒結或者其它要求的加工等微波的頻率的手段。可以看出，本發明的微波加熱裝置10在測試所選材料相對於微波頻率的處理特性時是有用的。這種測試能對帶有微波源的微波爐32進行設計，以產生確定頻率的微波。
還可以看出，本發明的微波加熱裝置10也可以用作微波可以隨不同材料或者材料狀態變化的生產工具。可以在微波加熱裝置工作期間進行頻率調製，以適應各種材料和材料狀態。而且，本發明的頻率調製能力可用作波模擺動的方法，以在較小的微波腔34內產生更均勻的功率分布。
在開發過程中進行的各種測試已經顯示了本發明的變頻微波加熱裝置10的效率。下面描述兩個測試過的實施例。然而，本發明人並不是把本發明限於這些實施例。
在第一個測試過的實施例中，構成適於燒結、熱處理和其它高溫處理的2.5KW的微波爐32。壓控振蕩器14(型號VC0 100-0243，由Delphi公司製造)由0至15V控制信號提供從4至8Ghz連續變化的低功率微波信號。具有可變增益選擇的固態預放大器18(型號NHI 4080MW-2，由National Hybrid公司製造)提供可變地放大壓控振蕩器14的信號。
高功率微波放大器20包括向波管(型號T-1096，由微波實驗室公司製造)(見表1)和高壓直流電源(型號BRE-15-140-ML，由Universal Voltroncis製造)(見表2)。高功率微波放大器把該信號以約為+37db的增益放大。得到的微波功率在4至8GHz的頻率範圍和0至2.5KW的功率範圍上是可連續選擇的。在這些參數範圍內可以單獨地把頻率和幅度調製成任意的波形。
設置一雙定向耦合器24(型號R202-5N，由微波工程公司製造)，通過該雙定向耦合器施加微波功率。把微波功率輸入到直徑約為12英寸長約為9英寸的多波模34內，在腔34內激勵出多種隨機的微波波模。用兩個功率表(型號HP436A，由Hewlett Packard公司製造)連續地測量正向和反射功率級。
已經證明對碳化矽和碳化硼陶瓷體都能進行有效的微波加熱。在各情況下，能調節頻率，以使腔34內的實際負載的反射功率最小，使陶瓷快速地加熱。這裡不需要調整腔34的大小或者激勵出特定的波模，以最大效率地進行加熱。
在第二個測試過的實施例中，用傳統微波爐的多波模腔34和空氣冷卻的帶寬為2至8GHz的行波管構成至少適用於等離子體處理、消毒和食品加工研究等的300W的微波爐。
對包括水、爆米花和摻入Co、Cr或者V氧化物的鋁陶瓷等各種樣品進行試驗證明如果調節微波頻率使反射功率最小能高效地進行加熱。所示的結果是，當頻率連續地掃過工作帶寬時，反射功率極低，並且樣品的加熱效率與其在腔34內的位置無關。
對變頻微波加熱裝置10進行這種測試包括對環氧樹脂(即，由Union Carbide製造的ERL-2258樹脂，以及由Dupont製造的M-苯二胺硬化劑)樣品進行固化。根據製造商的說明混合樣品，倒到直徑4英寸的玻璃盤中。以固定的6GHz的頻率加熱一樣品，而根據本發明用使頻率從4.5至7.5MHz每秒5000次掃描來加熱另一樣品。固定頻率的樣品得到不均勻的加熱和極大的熱量逃走。掃描頻率的樣品被均勻地固化，沒有局部過加熱的現象，因而證明頻率掃描的價值在於在微波腔34內產生更均勻的功率分布。
圖6所示的是變頻微波加熱裝置10』的另一個實施例。在該實施例中，功率和溫度顯示和控制器60接收功率監視器62和溫度傳感器64的輸出。功率監視器62接收定向耦合器24』的輸入，把它用作與前述實施例中的反射到功率表26，30相同的基本作用。功率和溫度顯示和控制器60還用於控制微波振蕩器14』、預放器器功率控制18』和TWT電源22』。設置有一冷卻系統66，用於在其工作期間至少冷卻TWT20。
可以提供一漸縮的波導耦合器68，以提高效率，用該漸縮波導耦合器68把寬帶微波能量耦合到微波腔內。把它用作定向耦合器24』的傳輸線與微波腔32』之間的阻抗轉換器，這種過渡增加了耦合到微波腔32』內的功率百分比。另外，對於必須把微波能量耦合到有活性氣體的微波腔32』內的應用來說，該漸縮波導68提供了一種減少在窗口和活性氣體之間的界面之間微波能量的功率密度的方法，從而防止在輸入窗口形成等離子放電。
圖7-9所示的是漸縮波導敷貼器68A。圖7是示出了入口72的端視圖。圖8是示出了出口74的端視圖。圖9是波導敷貼器68A的橫截面圖，在其中更詳細地示出了漸縮的內壁70。從這些圖中可以看出，波導敷貼器68A的一個實施例限定了內壁70，它在從入口72到出口74形成光滑的錐形，出口74大於入口72。在沿其長度的任一給定的橫截面上，波導敷貼器68A的內壁70一般為矩形的開口，突起部分76從其任一部分延伸。突起部分76還限定了矩形橫截面。如這些圖中所示，這些突起部分限定了與波導68A的內壁70的錐形成比例的光滑的錐形。波導敷貼器68A的本體限定了一端板78，用於把波導敷貼器68A固定到微波加熱裝置10上。
實際上，已經發現，用圖7-9所示的波導敷貼器68A實現了在整個有用的微波腔範圍內測得約為2∶1的自由空間電壓駐波比。
變頻微波加熱裝置10已構築成用微波實驗室公司製造的，4-8GHz的、型號為T-1096的TWT源進行測試，並加入了圖7-9所示的漸縮波導敷貼器68A。還使用了筒形多波模微波腔34。R.A.Rudder等人在「通過水-乙醇溶液的微波激勵的等離子體進行金剛石CVD」(1993年，Amer.Cer.Soc.春季會議，Cincinnati)討論了測試的結果，將該文援引在此，以作參考。在這些測試中，已經證明，包括本發明的波導敷貼器68A的微波加熱裝置10產生可以移動並通過調節頻率可以控制的高密度的局部等離子體。密集的等離子體保持在正向功率小至100W的程度。在4-8GHz的帶寬上的所有頻率的反射功率最小。
上述的微波源12包括一螺旋式TWT放大器。然而應當理解，根據本發明的其它方面，也可以使用許多其它的微波源12。下面的表3給出了一些適用的其它微波源12的一般特性。
表三一些適用的微波源的特性

在上述實施例中的螺旋式TWT是由液體冷卻的，因此需要額外的功率和支持設備。對於在實驗室規模的實驗，氣冷卻變頻微波加熱裝置10是用微波實驗室公司的氣冷卻螺旋式TWT(例如，T-1067型)和本發明的漸縮波導敷貼器68A製成。使用13×13×10英寸的矩形微波腔34，在該腔中，在從2.5至7.5MHz頻率範圍上微波功率都能有效地耦合。應認識到該範圍幾乎覆蓋了兩個倍頻。用熱敏紙測試證明，頻率掃描在整個腔34內產生均勻的功率密度是高效率的。
對本實施例的微波腔34進行與上述固化環氧樹脂(由Union Carbide製造的ERL-2258樹脂，以及由Dupont製造的M-苯二胺硬化劑)進行的相似的測試。在這些測試中，把頻率範圍和掃描速率都減小，以確定合適的波模擺動所必須的最小範圍。同時，把樣品體積增加到直徑6英寸的圓盤。從這些結果中可以明顯地得出，即使20％的帶寬在一些樣品中也足以進行均勻的微波加熱，尤其對於那些有高導熱性，有助於使較小的空間變化平均的樣品。
如上所述，本發明的微波加熱裝置10裝備有多於一個以上的微波源12。對於這一範圍，還對下述的微波加熱裝置10進一步作了改進，增加了第二TWT(微波實驗室公司的T-1068型)和第二漸縮微波敷貼器68A，使爐32的帶寬約為2.5至17.5Ghz，或者近三倍頻程。應當理解，並不應把上述例子解釋為把本發明的微波加熱裝置10限制為兩個微波源12。相反，應當理解，根據本發明，任意多個微波源12和波導敷貼器68可以與一個微波腔34組合。
圖10和11示出了波導敷貼器68B的另一個實施例，其中設置有個窗80，用於這樣一種環境，即，微波腔34內的壓力與周圍的壓力不同，和/或在微波加熱處理時用的是不是空氣的氣體。該實施例的入口72類似於前一實施例，因此，圖7表示圖10和11中所示的實施例的入口72。窗80本質上為介電體，能經受住正負壓差。波導敷貼器68B的本實施例的內壁70終止於出口74的筒形非漸縮端82。突起部分76終止於內壁70斜率變化處。端板78形成凹槽84，以容納介電窗80。形成中心定位開口88的固定到端板78上，並至少固定在介電窗80的外緣上，以保證窗口80相對于波導68B的位置。在窗80和波導68B之間以及窗80與固定板85之間設置有密封件90，以防止液體從微波腔34通過波導敷貼器68B流到外面。
如圖7-9所示的實施例一樣，用圖10-11的波導敷貼器38B可以實現在微波腔34整個有用的頻率範圍上測得約為2∶1的自由空間VSWR。
本技術領域的熟練人員應當理解，許多傳統的技術可以用於把漸縮波導過渡58連接到爐腔34內和把介電窗80封閉到波導68內。還應理解，可能出現這種情形，即必須用適當的氣流、液體冷卻劑流等類似的流體對介電窗80或者波導68進行冷卻。
本技術領域的熟練人員還應當理解，漸縮脊用於提供脊狀寬帶波導(例如WRD350型)最佳的匹配，如果在微波源12與漸縮波導過渡68之間用非脊狀波導，則不需要。
圖12和13圖示了本發明的波導敷貼器68C的另一個實施例，並再用圖7表示入口72。如圖所示，本實施例中，突起部分76與圖8和9的光滑錐形相反，形成臺階形錐形。因此，形成一系列矩形突起部分76A，每個連續的突起部分的長度向出口74方向增加，相對突起76A之間的長度隨著相對突起76A的每個連續對增加。與前述實施例的光滑錐形相反，本實施例的突起76A在有限量的離散位置上改變了大小。包含在本實施例內的自由空間VSWR是有利的。
對圖12和13所示的實施例的進一步改進是圖14和15所示的實施例。該實施例進一步包括介電窗80，以與圖10和11的實施例相似的形式固定。
應當理解，在操作微波設備時，尤其是以高功率操作時，必須對設備進行適當的封閉或者屏蔽，以防止不希望有的微波輻射洩漏。還應理解，隨著有用頻率範圍的增加，屏蔽變得更加困難。例如，工作在2.45Ghz固定頻率上的普通微波爐通過使用對高頻無效的共振式機械阻流器就可以使洩漏最小。因為本發明的微波加熱裝置10工作在大於5％帶寬的頻率範圍上，所以傳統微波爐上使用的微波密封技術證明不適於滿足人員的安全和對通信幹擾的要求。
圖16圖示了改進的觀察口92的正視圖，觀察口92用於用眼睛觀察微波腔34內的樣品的狀況。觀察口92包括「蜂窩」狀金屬過濾器94，六邊形單元的直徑小於其深度。例如，一種適當的比例約為直徑0.061英寸比厚1.0英寸。這種結構在高至20GHz的頻率上至少提供了250dB的衰減。該過濾器94設置在相對的諸如熔凝石英等的透明玻璃之間，形成觀察口92的微波封口。
由於腔門98上的微波封口對於人員和通信保護是必要的，所以如圖17所示在本發明中設置了四層微波封口100，在圖17A中作了更清楚的圖示。一雙環形封口102、104伸入腔34內，環102連接到門98上，環104連接到腔34內的微波爐32上。環102、104之間的空間用於斷開波導，尤其是在低於4GHz的頻率上。已經確定合適的空間為0.06英寸。由腔34內的微波爐32承受的環形封口103支持可壓縮條106，例如鍍金的銅片，在圖示的實施例中，它在10GHz的頻率上提供了70dB的衰減。由門98承受的環形封口102在門關閉時壓縮條106。環繞支撐在腔34上的門開口112周圍的是諸如蒙耐合金網狀物的可壓縮條108，它用作可輕微壓縮的門緩衝器。本實施例的蒙耐合金網狀物108提供了在10GHz頻率上附加的80dB的衰減。最且，環繞在腔34上的可壓縮條108的是可壓縮條110，它形成基本上為「e」形的橫截面。較佳實施例的壓縮條110是填充碳的矽樹脂彈性條，用於在10GHz的頻率提供附加的75dB的衰減。觀察口92和門98關閉時的這種屏蔽的最後結果是從變頻微波加熱裝置上沒有檢測到在2.4和17.5GHz的頻率上有微波洩漏。即使是大至安全水平的微波洩漏也沒有檢測到。本技術領域的熟練人員應認識到，上述微波密封結構根據待封閉的和/或等屏蔽的頻率範圍和功率級可以很好地利用所述技術的各種組合。
圖18中所示的是本發明的變頻微波加熱裝置10的另一個實施例。在該實施例中，用諸如頻率靈敏的同軸磁控管114的高功率振蕩器來代替前述實施例的微波振蕩器14、預放大器功率控制18和TWT20。本較佳實施例的磁控管114的可用帶寬至少為其中心頻率的5％。磁控管114或是手動頻率控制，或者最好是通過閉環、電壓基反饋控制系統進行頻率控制。在這種反饋控制系統中，用低電平(0至10V)信號激勵磁控管114內的伺服機構，使它精確地把磁控管的同軸腔內的插板(plunger plate)復位來從一個頻率到另一個頻率地「調諧」磁控管114。
為了更好地確定所需帶寬的限制因數，構成12×12×10英寸的矩形微波腔34是理想的模式，它用於確定能在腔34內在4至6GHz頻率範圍上得到支持的諧振波模數。這些計算結果清楚地證明，即使在這樣小的腔34內，也甚至在4至6GHz頻率範圍上可能有大量的(超過600)、密集的波模(常常是在一個頻率上3至4個)。這些結果已在圖19中以波模密度對頻率的形式作了圖示。根據這些結果，明顯地，在一些情況下，小至當前頻率的5％的帶寬也可以提供足夠多的波模，以在微波腔34內提供較均勻的能量分布。
用這種理想的模式，根據沿微波腔的水平中平面上的各點位置的函數計算功率密度。檢查的第一種情況假設中心頻率為5GHz。如圖中所示，隨著帶寬百分比的降低，功率分布逐漸地變得不均勻，其中帶寬被定義成高低頻率差除以中心頻率，或者(f高-f低)/f中心帶寬約大於10％的功率密度是相當均勻的，而5％的帶寬的功率密度的均勻性稍差。第二種情況假設中心頻率為15GHz，對應於範圍從40％下降至1.3％的帶寬畫出功率密度。在這種情況下，對於低至2.5％的帶寬，與前一種情況相比，功率密度相當均勻。即使帶寬進一步減小到僅1.3％，對於許多微波加熱應用來說，功率密度也足夠均勻了。
圖20A-D圖示了用上述理想模式和中心頻率為5GHz作的功率圖。如上述內容中所用的一樣，功率圖是三維圖形，它示出了橫跨微波腔34的各點上的功率。功率以z坐標圖示，x和y坐標為微波腔34的底面。各圖的帶寬為5％、10％、20％和40％。應注意，隨著帶寬的增加，微波腔34各處的功率分布更均勻。
相似地，圖21A-F圖示了用上述理想和中心頻率為15GHz作的功率圖。各帶寬為1.3％、2.5％、5％、10％、20％和40％。再者，對於1.3％的帶寬，點與點之間的功率分布顯著地變化。然而，對於有用的40％的帶寬，功率分布基本上的平滑的。
已經用熱敏紙在微波腔34內測試了理想的結果，證明了精度，測試時是根據理想化的模式選擇微波源12的。熱點或者具有高功率分布的位置使熱敏紙變成棕色，而冷點仍使熱敏紙維持白色。這些測試的結果證實了上面討論的理想測試的情況。
雖然已經圖示和描述了幾個較佳實施例，並且已經具體地描述了經構築和測度的幾個實施例，但應當理解，這些描述並不是對揭示內容的限制，而是覆蓋了落入所附權利要求書或者它們的等效物中所限定的發明的精神和範圍內的所有修飾和變換的方法。
權利要求
1.一種變頻微波加熱裝置，用於處理所選材料，所述變頻微波加熱裝置包括微波爐，它限定有一多波模腔，用於處理所述所選的材料，其特徵在於，所述變頻微波加熱裝置包含微波信號發生器，用於產生一個具有所選波形、頻率和幅度的信號；第一信號放大器，用於放大所述信號發生器產生的所述信號，所述第一信號放大器在所選頻率範圍內產生微波，並限定一中心頻率，所述微波的功率與所選幅度相關，所述第一信號放大器包含有用帶寬至少為所述中心頻率5％的微波電子器件；電源，用於向所述第一信號放大器提供電力；和傳輸器，用於把所述第一信號放大器產生的所述微波傳送到所述微波爐內。
2.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述微波電子器件從下面的組中選擇行波管、行波速調管、速調管、相交場放大器、同軸磁控管和陀螺振子。
3.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述電源為可調的，可以有選擇地對所述信號發生器產生的所述信號的所述幅度進行調製。
4.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含信號幅度控制器，用於有選擇地調製所述信號發生器產生的所述信號的所述幅度。
5.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含第二放大器，用於在所述第一放大器之前有選擇地放大所述信號發生器產生的所述信號。
6.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含信號定向器，把所述第一放大器產生的所述微波和所述微波爐反射的微波進行定向；和反射微波消耗器，用於消耗從所述微波爐反射的所述微波，從所述微波爐反射的所述微波具有所其相關的功率和幅度。
7.如權利要求6所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述信號定向器設置有冷卻裝置，用於擴散所述信號定向器工作集聚的熱量。
8.如權利要求6所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含系統監視器，用於監視與傳送給所述微波爐的所述微波相關的所述功率的所述大小以及與從所述微波爐反射的所述微波相關的所述功率的所述大小，所述系統監視器用於監視所述變頻微波加熱裝置的效率。
9.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含預放大器，使用所述信號發生器的所選驅動級傳送給所述微波腔的微波功率達到所要求的程度。
10.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述傳輸器包含波導敷貼器，它包括由從入口到出口光滑漸縮的內壁限定的波導，以在所述第一信號放大器的有用頻帶上提供至少3∶1的自由空間電壓駐波比。
11.如權利要求10所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述波導敷貼器進一步包括介電窗，用於在所述多波模腔遭受到不同於周圍環境壓力的壓力時保護所述變頻微波加熱裝置。
12.如權利要求11所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含冷卻裝置，用於冷卻所述介電窗。
13.如權利要求11所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含筒形過渡，以匹配所述波導與所述介電窗之間的阻抗斷點。
14.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述傳輸器包含波導敷貼器，它包括由從入口到出口臺階式漸縮的內壁限定的波導，以在所述第一信號放大器的有用頻帶上提供至少3∶1的自由空間電壓駐波比。
15.如權利要求14所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述波導敷貼器進一步包括介電窗，用於在所述多波模腔遭受到不同於周圍環境壓力的壓力時保護所述變頻微波加熱裝置。
16.如權利要求15所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含冷卻裝置，用於冷卻所述介電窗。
17.如權利要求15所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含筒形過渡，以匹配所述波導與所述介電窗之間的阻抗斷點。
18.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含相對設置的門和封口，用於防止所述微波信號洩漏，所述表面形成了一個開口，所述選出的材料通過該開口放入或者從所述多波模腔內取出，所述封口至少由從下述構成的組中選出的一個組構成支撐在所述微波腔靠近並從所述開口向外延伸的第一環，由所述門支撐並且大小適以容納在所述第一環內的第二環，和被支撐在所述第一環和所述第二環之間的可壓縮密封件，以當所述環由所述第一環容納時形成封口；至少一個受所述門支撐並設置在其上的墊片，以在所述門處於關閉位置時使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍嚙合；以及至少一個封口，由可壓縮的吸收微波的聚合材料製造，並由所述門支撐，位於所述門上，以當所述門處於關閉位置時使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍齧使。
19.如權利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述多波模腔進一步包括觀察口，用於在處理期間觀察所述所選的材料，所述觀察口裝有微波屏蔽，以防止所述微波信號洩漏。
20.一種變頻微波加熱裝置，用於處理所選材料，所述變頻微波加熱裝置包括微波爐，它限定有一多波模腔，用於處理所述所選的材料，其特徵在於，所述變頻微波加熱裝置包含微波信號發生器，用於產生一個具有所選波形、頻率和幅度的信號，所述微波信號發生器是頻率靈敏的同軸磁控管；電源，用於向所述微波信號發生器提供電力；傳輸器，用於把所述微波信號發生器產生的所述微波傳送到所述微波爐內。
21.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述同軸磁控管的有用帶寬至少為其中心頻率的5％。
22.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述電源為可調的，可以有選擇地對所述信號發生器產生的所述信號的所述幅度進行調製。
23.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含信號頻率控制器，用於控制所述同軸磁控管振蕩的頻率。
24.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述傳輸器包含波導敷貼器，它包括由從入口到出口光滑漸縮的內壁限定的波導，以在所述第一信號放大器的有用頻帶上提供至少3∶1的自由空間電壓駐波比。
25.如權利要求24所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述波導敷貼器進一步包括介電窗，用於在所述多波模腔遭受到不同於周圍環境壓力的壓力時保護所述變頻微波加熱裝置。
26.如權利要求25所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含冷卻裝置，用於冷卻所述介電窗。
27.如權利要求25所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含筒形過渡，以匹配所述波導與所述介電窗之間的阻抗斷點。
28.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述傳輸器包含波導敷貼器，它包括由從入口到出口臺階式漸縮的內壁限定的波導，以在所述第一信號放大器的有用頻帶上提供至少3∶1的自由空間電壓駐波比。
29.如權利要求28所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述波導敷貼器進一步包括介電窗，用於在所述多波模腔遭受到不同於周圍環境壓力的壓力時保護所述變頻微波加熱裝置。
30.如權利要求29所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含冷卻裝置，用於冷卻所述介電窗。
31.如權利要求29所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含筒形過渡，以匹配所述波導與所述介電窗之間的阻抗斷點。
32.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，進一步包含相對設置的門和封口，用於防止所述微波信號洩漏，所述表面形成了一個開口，所述選出的材料通過該開口放入或者從所述多波模腔內取出，所述封口至少由從下述構成的組中選出的一個組構成支撐在所述微波腔靠近並從所述開口向外延伸的第一環，由所述門支撐並且大小適以容納在所述第一環內的第二環，和被支撐在所述第一環和所述第二環之間的可壓縮密封件，以當所述環由所述第一環容納時形成封口；至少一個受所述門支撐並設置在其上的墊片，以在所述門處於關閉位置時使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍嚙合；以及至少一個封口，由可壓縮的吸收微波的聚合材料製造，並由所述門支撐，位於所述門上，以當所述門處於關閉位置時使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍齧使。
33.如權利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特徵在於，所述多波模腔進一步包括觀察口，用於在處理期間觀察所述所選的材料，所述觀察口裝有微波屏蔽，以防止所述微波信號洩漏。
全文摘要
一種用於測試或者其它所選應用的變頻微波加熱裝置(10』)，設計成可以調製引入到多波模微波腔(32』)內的微波的頻率。該變頻加熱裝置(10』)行波管(TWT)20。功率監視器(62)接收檢測入射到和反射出微波腔(32』)的信號的方向和幅度的定向耦合器(24』)的輸入。功率和溫度顯示/控制器(60)還用作控制微波振蕩器(14』)、預放大器功率控制(18』)和TWT電源(22』)。設置冷卻系統(66)用於冷卻TWT(20)。漸縮波導耦合器(68)用作阻抗變換器。
文檔編號H05B6/74GK1167562SQ95193062
公開日1997年12月10日 申請日期1995年3月30日 優先權日1994年3月31日
發明者唐·W·拜布爾, 羅伯特·J·勞夫, 阿維德·C·詹森, 拉裡·T·西格彭 申請人:馬丁·馬零塔能源系統有限公司