一种固态微波功率源及微波加热装置论文和设计-李娣

全文摘要

本实用新型公开了一种固态微波功率源及微波加热装置，通过控制固态微波功率源输出微波信号的工作频率、相位和功率，从而可控制微波加热装置腔体内的微波能量分布均匀，提高微波加热系统的均匀性。其中的固态微波功率源包括微波信号发生电路、控制电路与调整电路；控制电路与微波信号发生电路连接，将第一调整信号输出给调整电路；与调整电路连接，将第二调整信号输出给调整电路；微波信号发生电路与调整电路连接，其中，微波信号发生电路产生频率与第一调整信号对应的微波信号，并将微波信号传输至调整电路，调整电路输出根据第二调整信号调整功率和相位之后的微波信号，调整功率和相位后的微波信号的微波能量在微波加热装置的腔体内均匀分布。

主设计要求

1.一种固态微波功率源，设置于微波加热装置，其特征在于，包括微波信号发生电路、控制电路与调整电路；所述控制电路与所述微波信号发生电路连接，将第一调整信号输出给调整电路；与所述调整电路连接，将第二调整信号输出给调整电路；所述微波信号发生电路与所述调整电路连接，其中，所述微波信号发生电路产生频率与所述第一调整信号对应的微波信号，并将所述微波信号传输至所述调整电路，所述调整电路输出根据所述第二调整信号调整功率和相位之后的微波信号，调整功率和相位后的微波信号的微波能量在所述微波加热装置的腔体内均匀分布。

设计方案

1.一种固态微波功率源，设置于微波加热装置，其特征在于，包括微波信号发生电路、控制电路与调整电路；

所述控制电路与所述微波信号发生电路连接，将第一调整信号输出给调整电路；与所述调整电路连接，将第二调整信号输出给调整电路；

所述微波信号发生电路与所述调整电路连接，其中，所述微波信号发生电路产生频率与所述第一调整信号对应的微波信号，并将所述微波信号传输至所述调整电路，所述调整电路输出根据所述第二调整信号调整功率和相位之后的微波信号，调整功率和相位后的微波信号的微波能量在所述微波加热装置的腔体内均匀分布。

2.如权利要求1所述的固态微波功率源，其特征在于，所述调整电路包括相互连接的增益调整电路和相位调整电路；

其中，所述增益调整电路的输入端与所述微波信号发生电路连接，所述增益调整电路输出根据所述第二调整信号调整功率之后的微波信号，并将所述微波信号传输给所述相位调整电路；

所述相位调整电路的输入端与所述增益调整电路连接，所述相位调整电路输出根据所述第二调整信号调整相位之后的微波信号。

3.如权利要求2所述的固态微波功率源，其特征在于，还包括与所述相位调整电路连接的功率放大电路，所述功率放大电路输出放大之后的微波信号；

其中，所述功率放大电路包括：

功率分配电路，包括一个输入端和至少两个输出端，所述输入端与所述功率放大电路连接；其中，所述功率分配电路将输入的所述微波信号分配到所述至少两个输出端，其中，所述至少两个输出端输出的微波信号的幅度和相位均相同；

功率放大子电路，与所述功率分配电路连接；其中，所述功率放大子电路输出放大后的所述功率分配电路输出的微波信号；

功率合成电路，与所述功率放大子电路连接；其中，所述功率合成电路输出合成之后的所述功率分配电路输出的微波信号。

4.如权利要求3所述的固态微波功率源，其特征在于，还包括：

输出功率检测电路，其输入端与所述功率合成电路连接，输出端与所述控制电路连接；其中，所述输出功率检测电路检测所述功率合成电路输出的微波信号的功率，并将所检测的电压信号输出给所述控制电路，以供所述控制电路根据接收的电压信号产生所述第二调整信号。

5.如权利要求1-4任一所述的固态微波功率源，其特征在于，还包括：

环行器，其输入端与输出功率检测电路的输出端连接，输出端与同轴射频连接器的输入端连接；其中，所述环行器将接收的微波信号传输至所述同轴射频连接器；

所述同轴射频连接器，与所述环行器输出端连接；其中，所述同轴射频连接器将微带线传输的微波信号传输给转换组件；

所述转换组件，其输入端与所述同轴射频连接器连接，输出端与波导连接；其中，所述转换组件将输入的微波信号转化并输出给所述波导；

所述波导，其输出口与微波加热装置的腔体固定连接；其中，所述波导将获得的微波信号传输至所述腔体内，以加热腔体内的物体；

反射功率检测电路，其输入端与所述环行器的反射端连接，输出端与所述控制电路连接；其中，所述反射功率检测电路检测所述固态微波功率源输出端口的反射功率电压信号，并将所述电压信号传输给所述控制电路。

6.如权利要求3或4所述的固态微波功率源，其特征在于，所述功率合成电路的至少两段微带线与阻抗变换线分别与同轴射频连接器的输入端连接。

7.如权利要求6所述的固态微波功率源，其特征在于，还包括：

散热结构，与所述固态微波功率源贴合，用于对所述固态微波功率源进行散热。

8.如权利要求7所述的固态微波功率源，其特征在于，所述散热结构包括：

散热板体，所述散热板体的侧面分别设有冷却液进口和冷却液出口；

散热管路，内置于所述散热板体，所述散热管路的一端与所述冷却液进口连接，另一端与所述冷却液出口连接；

盖板，与所述散热板体对位设置，用于密封所述散热板体。

9.如权利要求8所述的固态微波功率源，其特征在于，所述散热管路在所述散热板体内以蛇形状分布。

10.一种微波加热装置，其特征在于，所述微波加热装置包括至少两个如权利要求1-9任一所述的固态微波功率源。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及工业微波技术领域，特别涉及一种固态微波功率源及微波加热装置。

背景技术

微波炉广泛应用在微波加热、干燥等领域。在工业微波加热、干燥应用中的传统微波炉大多采用磁控管作为微波源，其工作频率主要采用915MHz±15MHz，微波炉整机功率位于10kW～100kW范围内。

但是磁控管工作时需要高压器件，采用磁控管的微波炉其输出的功率依赖于高压条件下的阳极电压，输出功率的控制精度较差，且工作频率固定不可调。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种固态微波功率源及微波加热装置，用于提高输出功率的控制精度，改善微波加热装置的加热均匀性。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种固态微波功率源，设置于微波加热装置，该固态微波功率源包括微波信号发生电路、控制电路与调整电路；

所述控制电路与所述微波信号发生电路连接，将第一调整信号输出给调整电路；与所述调整电路连接，将第二调整信号输出给调整电路；

一种可能的实施方式中，所述调整电路包括相互连接的增益调整电路和相位调整电路；

所述相位调整电路的输入端与所述增益调整电路连接，所述相位调整电路输出根据所述第二调整信号调整相位之后的微波信号。

一种可能的实施方式中，还包括与所述相位调整电路连接的功率放大电路，所述功率放大电路输出放大之后的微波信号；

其中，所述功率放大电路包括：

功率放大子电路，与所述功率分配电路连接；其中，所述功率放大子电路输出放大后的所述功率分配电路输出的微波信号；

功率合成电路，与所述功率放大子电路连接；其中，所述功率合成电路输出合成之后的所述功率分配电路输出的微波信号。

一种可能的实施方式中，还包括：

输出功率检测电路，其输入端与所述功率合成电路连接，输出端与所述控制电路连接；其中，所述输出功率检测电路检测所述功率合成电路输出的微波信号的功率，并将所检测的电压信号输出给所述控制电路，以供所述控制电路根据接收的电压信号产生所述第二调整电路。

一种可能的实施方式中，还包括：

所述同轴射频连接器，与所述环行器输出端连接；其中，所述同轴射频连接器将微带线上传输的微波信号传输给转换组件；

所述转换组件，其输入端与所述同轴射频连接器连接，输出端与波导连接；其中，所述转换组件将输入的微波信号转化并输出给所述波导；

所述波导，其输出口与微波加热装置的腔体固定连接；其中，所述波导将获得的微波信号传输至所述腔体内，以加热腔体内的物体；

一种可能的实施方式中，所述功率合成电路的至少两段微带线与阻抗变换线分别与同轴射频连接器的输入端连接。

一种可能的实施方式中：

散热结构，与所述固态微波功率源贴合，用于对所述固态微波功率源进行散热。

一种可能的实施方式中，所述散热结构包括：

散热板体，所述散热板体的侧面分别设有冷却液进口和冷却液出口；

散热管路，内置于所述散热板体，所述散热管路的一端与所述冷却液进口连接，另一端与所述冷却液出口连接；

盖板，与所述散热板体对位设置，用于密封所述散热板体。

一种可能的实施方式中，所述散热管路在所述散热板体内以蛇形状分布。

第二方面，提供了一种微波加热装置，所述微波加热装置包括至少两个如第一方面任一所述的固态微波功率源。

本实用新型实施例中，控制电路可以控制微波信号发生电路产生不同频率的微波信号，通过调整电路可以调整微波功率源输出信号的功率和相位。相对于现有技术以磁控管部件作为微波功率源输出的功率依赖于高压条件下的阳极电压，输出功率的控制精度较差，且工作频率固定不可调，而本实用新型实施例中的固态微波功率源可以提供不同频率的微波信号并且可改变微波信号功率和相位，从而精确控制微波能量在微波炉腔体内的分布，提高微波加热的均匀性。可完美替代磁控管，使得工业微波炉加热均匀性更好，可靠性更高，维护成本更低。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的固态微波功率源的一种系统框图；

图2为本实用新型实施例提供的固态微波功率源的一种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的固态微波功率源的一种结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的功率放大电路的一种结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的同轴射频连接器与波导转换组件的连接示意图；

图6为本实用新型实施例提供的同轴射频连接器与波导转换组件的连接示意图；

图7为本实用新型实施例提供的散热结构的一种结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的微波加热装置的控制方法的流程示意图；

图9为本实用新型实施例提供的微波加热装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型实施例提供一种固态微波功率源，其中微波信号发生电路能够产生所需要的微波信号，通过控制电路可控制固态微波功率源输出微波信号的工作频率相位和功率大小，从而精确控制微波能量在微波炉腔体内的分布，提高微波加热的均匀性。

下面结合说明书附图介绍本实用新型实施例提供的固态微波功率源。

请参见图1、图2和图3，本实用新型实施例提供了一种固态微波功率源，该固态微波功率源可以设置在微波加热装置，具体地，该固态微波功率源包括微波信号发生电路10、与微波信号发生电路10连接的调整电路100，以及与调整电路100连接的控制电路400，其中，微波信号发生电路10可以产生所需要的微波信号，并将产生的微波信号传输给调整电路100；控制电路400与微波信号发生电路10连接，输出调整微波信号发生电路10要产生的微波信号的工作频率、功率和相位。可能的实施方式中，控制电路400生成第一调整信号和第二调整信号，控制电路400可以将第一调整信号输出给调整电路100，调整电路100根据第一调整信号调整微波信号发生电路10产生微波信号，使得微波信号发生电路10产生频率与第一调整信号对应的微波信号。控制电路400还可以生成第二调整信号，并将第二调整信号传输给与控制电路400连接的调整电路100，从而调整电路100根据第二调整信号调整微波信号发生电路10产生的微波信号的功率和相位，并输出根据第二调整信号调整功率和相位之后的微波信号，以使得调整功率和相位后的微波信号的微波能量在所述微波加热装置的腔体内均匀分布。该固态微波功率源还包括与调整电路100连接的功率放大电路200，以及与功率放大电路200连接的功率输出接口300，其中，功率放大电路200用于放大所接收到微波信号，功率输出接口300与微波加热装置的腔体连接，用于将微波信号传输给腔体。

具体地，微波信号发生电路10可由频率综合器或压控振荡器和锁相环构成的集成芯片。例如，可能的实施方式中，微波信号发生电路10可以是例如型号为BLP25RFE001的集成芯片，其可以输出不同频率的微波信号。该微波信号发生电路10所产生的微波信号的工作频率位于[900MHz，930MHz]。

请继续参见图2，调整电路100可以包括依次连接的增益调整电路20、相位调整电路30。其中，增益调整电路20与微波信号发生电路10连接，增益调整电路20调整微波信号的输出功率。可能的实施方式中，增益调整电路20可由数字衰减器或模拟衰减器构成，用来调节链路增益，其调节范围在-40dB～-5dB。相位调整电路30接收来自增益调整电路20输出的微波信号，并调整输入的微波信号的相位，可以在0～360°范围内调整相位。功率放大电路200可以包括第一级功率放大电路40和第二级功率放大电路50，放大相位调整电路30输出的微波信号。其中，第一级功率放大电路40放大从相位调整电路30输出的微波信号，并将放大后的微波信号传输至第二级功率放大电路50。第二级功率放大电路50可以由一个中功率微波晶体放大管及阻抗匹配电路组成，对第一级功率放大电路40输出的微波信号进行功率放大。

功率放大电路200还可以包括功率分配电路60，功率分配电路60包括一个输入端和至少两个输出端，输入端与第二级功率放大电路50连接，用于将输入的微波信号分配到至少两个输出端。即功率分配电路60对第二级功率放大电路50输出微波信号进行N等分，N为大于等于2的自然数。在本实用新型实施例中，至少两个输出端输出的微波信号的幅度和相位均相同。功率分配电路60将微波信号N等分之后，可以将N等分之后的微波信号输出给功率放大子电路，例如第三级功率放大电路70。

第三级功率放大电路70将放大的微波信号输出给功率合成电路80，功率合成电路80可以合成第三级功率放大电路70输出的微波信号。可能的实施方式中，该第三级功率放大电路70可以由N个完全相同的微波晶体放大管和阻抗匹配电路组成，用于放大输入的N等分微波信号。其中，微波晶体放大管可以为LDMOS晶体管或GaN基HEMT等。功率合成电路80是由微带线式阻抗变换电路组成，实现N路微波晶体放大管输出功率的合成。可能的实施方式中，功率分配电路60、多个功率放大电路和功率合成电路80可以封装在一起组成功率放大模块，如图4所示。图4以多个功率放大电路为3个功率放大器为例。

功率合成电路80将输出的微波信号输出功率检测电路90，该输出功率检测电路90的输入端与功率合成电路80连接，输出端与控制电路400连接，用于检测功率合成电路80输出的微波信号的功率，并将所检测的电压信号输出给控制电路400，以供控制电路400根据接收的电压信号对调整电路100进行调整。可能的实施方式中，输出功率检测电路90由35dB微带线定向耦合器和微波功率检波管电路组成，检测输入的微波信号的功率，产生一定幅度的正向功率电压信号送至控制电路400，使得控制电路400可以根据该电压信号生成用于调整功率和相位的第二调整信号。

本实用新型实施例中的固态微波功率源还包括环行器113和反射功率检测电路130，其中，环行器113的输入端与功率合成电路80的输出端连接，用于保护第三级功率放大电路70中微波晶体管，并提供反射功率信号给反射功率检测电路130。反射功率检测电路130的输入端与环行器113的反射端连接，输出端与控制电路400连接，反射功率检测电路130检测固态微波功率源输出端口的反射功率电信号，并将检测的电压信号发送给控制电路400。可能的实施方式中，反射功率检测电路130由35dB微带线定向耦合器和微波功率检波管电路组成，用于检测环行器113产生一定幅度的反射功率电压信号送至控制电路400处理。

同时，环行器113的输出端与同轴射频连接器111的输入端连接，用于将接收的微波信号耦合至同轴射频连接器111。请参见图2、图3和图5以及图6，同轴射频连接器111用于通过微带线、天线150将接收的微波信号传输给与同轴射频连接器111连接的转换组件112。转换组件112的输出端与波导160连接，用于将输入的微波信号转化并输出给波导160，波导160的输出口与微波加热装置的腔体固定连接，波导160将获得的微波信号传输至腔体内，以加热腔体内的物体。可能的实施方式中，波导160为矩形波导，同轴射频连接器111与矩形波导转换组件112实现1.5kW微波功率从微带线传输到矩形波导160传输的过渡转换。矩形波导160的输出口直接与微波炉腔固定连接。用于将获得的微波信号传输至微波炉腔内。

可能的实施方式中，反射功率检测电路130还可以与大功率负载140连接，大功率负载140用来吸收微波加热装置的腔馈口反射回来的微波信号。以热量形式释放。

可能的实施方式中，功率合成电路80的至少两段微带线与阻抗变换线分别与同轴射频连接器111的输入端连接。例如，功率合成电路80由N段50欧姆微带线和1段特定阻抗的阻抗变换线与7\/16型射频连接器连接组成，以实现1.5千瓦连续微波功率输出。功率合成电路80可以采用微带线平面结构，这样尺寸小，便于系统集成设计。考虑到功率合成电路80采用微带线平面结构实现1.5千瓦连续微波功率输出，那么功率合成电路80微带线上集聚的热量和场强较高。因此，功率合成电路80的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)要选用导热系数高，损耗因子小的高频板材，如Rogers公司RT 6035HTC或TC350等。

本实用新型实施例提供的固态微波功率源，可以输出千瓦级的微波功率，可以适用于工业微波加热领域，可以克服目前采用磁控管作为微波源，输出功率的控制精度较低的缺陷。本实用新型实施例通过微波信号发生电路10、相位调整电路30和增益调整电路20，可控制固态微波功率源的工作频率、相位和微波功率大小，从而提高输出功率的控制精度，使得微波加热装置的腔体内微波能量分布均匀。

由于本实用新型实施例提供的固态微波功率源，可以输出千瓦级的微波功率，在实际使用中，固态微波功率源的发热量较大。鉴于此，本实用新型实施例提供的固态微波功率源还包括散热结构，该散热结构与固态微波功率源贴合，用于对固态微波功率源进行散热。

具体地，请参见图7，散热结构可以包括散热板体41、散热管路42和盖板，其中，散热板体41的侧面分别设有冷却液进口302和冷却液出口301，散热管路42内置于散热板体41，散热管路42的一端与冷却液进口302连接，另一端与冷却液出口301连接，盖板与散热板体41对位设置，用于密封散热板体41。散热管路42内的冷却液可以是水，也可以是油等。

可能的实施方式中，散热管道在散热板体41内呈蛇形状分布，蛇形弯道分布于散热板体41内，在热源比较集中的局部。蛇形弯道可设计更密一些，以增加微波功率模块的散热面积。散热板体41通过机械铣加工而成，散热板体41和盖板体四周通过磨插焊融为一体而密封。冷却液进口302安装宝塔直通接头用来外接冷却液管道和冷凝设备。

另外，请结合图1和图2、图6，本实用新型实施例提供的固态微波功率源还设置有电源接口201、与外部控制设备连接的通信接口202，天线150等必备的组件，可能的通信方式包括SPI，I^{2<\/sup>C，RS-485等，本实用新型实施例不限于此。}

基于上述提供的固态微波功率源，本实用新型实施例还提供了一种微波加热装置，该微波加热装置可以包括至少两个上述的固态微波功率源，以提高工业微波加热的加热均匀性。对应地，请参见图8，本实用新型实施例还提供了一种微波加热装置的控制方法，该控制方法的流程描述如下：

S801、在多个固态微波功率源对被加热物体进行加热过程中，获取被加热物体表面的多个位点的温度分布信息和湿度分布信息；

S802、确定温度分布信息指示的温度低于第一预设阈值和\/或若湿度分布信息指示的湿度高于第二预设阈值；

S803、根据温度分布信息和湿度分布信息对多个固态微波功率源的工作频率和相位进行调整，直到温度分布信息指示的温度等于或大于第一预设阈值和\/或若湿度分布信息指示的湿度等于或小于第二预设阈值。

具体地，请参见图9，本实用新型实施例在控制微波加热装置时，具体执行如下步骤：

S901、判断微波炉加热装置的腔体是否空载。

如果确定微波炉加热装置的腔体在非空载的情况下，则可以通过红外温度传感器获取被加热物体表面温度分布情况，通过湿度传感器获取被加热物体的湿度分布情况。

S902、判断温度分布信息指示的温度是否低于第一预设阈值和\/或判断湿度分布信息指示的湿度是否高于第二预设阈值。

控制电路确定了温度分布信息之后，可以将温度分布信息指示的温度与预设的被加热物体表面温度进行比较，同样地，控制电路确定了湿度分布信息之后，可以将湿度分布信息指示的湿度与预设的被加热物体表面湿度进行比较，以确定温度是否低于第一预设阈值，湿度是否高于第二预设阈值。其中，第一预设阈值和第二预设阈值可以根据经验事先设置。

S903、若确定温度低于第一预设阈值，湿度低于第二预设阈值，则根据预设的初始工作频率和相位控制多个固态微波功率源输出微波信号。

如果被加热物体表面温度低于第一预设阈值，湿度低于第二预设阈值，则可以认为被加热物体需要进行加热，此时控制电路可以启动加热模式，也就是控制多个固态微波功率源按照预设的初始工作频率和初始相位输出微波信号开始加热被加热物体。

S904、按照预设的时间间隔分别调整固态微波功率源的工作频率和相位。

由于本实用新型实施例提供的微波加热装置包括多个固态微波功率源，每个固态微波功率源的加热程度和部位可能有所不同，这就会导致每个固态微波功率源馈入微波加热装置的腔体内的电磁场强分布不均匀，被加热物体局部场强集中而造成的局部温度过高。

因此，本实用新型实施例在控制多个固态微波功率源开始工作之后，可以根据温度分布信息和湿度分布信息对多个固态微波功率源的工作频率和\/或相位进行调整，例如按照预设的时间间隔分别调整多个固态微波功率源的工作频率和\/或相位，按照预设的频率步进和相位步进调整多个固态微波功率源的工作频率和\/或相位。类按照第一预设时间间隔以及预设频率步进对多个固态微波功率源的工作频率进行调整，按照第二预设时间间隔以及预设相位步进对多个固态微波功率源的工作频率进行调整；其中，第二预设时间间隔与第一预设时间间隔相同或不同。其中，第一预设时间间隔和第二预设时间隔均可以是5秒-10秒，预设的频率步进可以是1MHz，预设的相位步进可以是10°。如果初始工作频率为915MHz，那么多个固态微波功率源的工作频率就会在900MHz～930MHz之间变化，相位就会在0°～360°之间变化。

S905、判断温度是否大于或等于第一预设阈值和\/或判断湿度是否小于或等于第二预设阈值。

本实用新型实施例控制多个固态微波功率源为被加热物体进行加热，直到温度分布信息指示的温度等于或大于第一预设阈值和\/或若湿度分布信息指示的湿度等于或小于第二预设阈值，则控制多个固态微波功率源停止输出微波信号。

本实用新型实施例在控制多个固态微波功率源时，根据被加热物体的温度和湿度调整多个固态微波功率源的工作频率和相位，使得固态微波功率源馈入微波加热装置腔体内的电磁场强分布更均匀，避免了加热装置腔内局部场强集中而造成被加热物体局部温度过高。

综上，本实用新型实施例提供一种固态微波功率源，其中微波信号发生电路能够生成不同频率的微波信号，通过调整电路可以调整微波信号发生电路输出的微波信号的工作频率和相位，从而可以控制输出功率，以提高输出功率的控制精度。

本实用新型实施例在控制多个固态微波功率源时，根据被加热物体的温度和湿度调整多个固态微波功率源的工作频率和相位，使得每个固态微波功率源馈入微波加热装置的腔体内的电磁场强分布更均匀，避免了被加热物体局部场强集中而造成的局部温度过高。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

设计图

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