專利名稱：變頻微波加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
在微波輻射領(lǐng)域中，眾所周知，微波爐一般是由固定的工作頻率構(gòu)成的。已經(jīng)知道，各種材料與微波的相互作用(interaction)是與頻率相關(guān)的。這些相互作用可以包括固化(curing)橡膠和燒結(jié)(sintering)陶瓷。因此，希望有可以在寬的頻率范圍上工作的微波爐。
大多數(shù)微波源的帶寬非常窄，這是因?yàn)樗鼈兪褂弥C振腔。為家用制作的微波爐設(shè)置有磁控管，它工作在2.45GHz上，這是加熱水有效的頻率。由于2.45GHz的微波與水的耦合能力，這些微波爐用于烹調(diào)食品、干燥以及其它目的，其中受到作用的主要材料是水。然而，眾所周知，在該范圍內(nèi)的頻率并不適于所有的場(chǎng)合，例如加熱等離子體、燒結(jié)諸如硅等的材料以及準(zhǔn)備諸如金剛石膜片等膜片。
通過(guò)波模擺動(dòng)(mode stirring)方法使頻率掃過(guò)較寬范圍重要的含義是用微波功率對(duì)醫(yī)療器械或者被污染的廢物進(jìn)行消毒。這樣使用決定了能消除腔內(nèi)的可能不能接收到足夠功率的“死區(qū)”，以徹底進(jìn)行消毒。電子頻率掃描能以較高的速率進(jìn)行，因而在整個(gè)爐腔內(nèi)產(chǎn)生了更一致的時(shí)間上均勻的功率密度。所要求的頻率掃描可以通過(guò)使用各種微波電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，螺旋式行波管(TWT)與諸如電壓可調(diào)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(shè)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(diǎn)和熱點(diǎn)。這種現(xiàn)象是由波長(zhǎng)對(duì)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(nèi)，會(huì)產(chǎn)生駐波，因此微波功率不是均勻地充滿腔內(nèi)的所有空間，未受影響的區(qū)域沒(méi)有加熱。在極端的情況下，爐腔實(shí)際上成為“單波?！鼻弧?br> 已經(jīng)在波模擺動(dòng)下進(jìn)行了償試，或者隨機(jī)地使微波“束”偏轉(zhuǎn)，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(jìn)口處增加旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片。
克服駐波不利影響的另一種方法是在單波模腔內(nèi)故意產(chǎn)生駐波，可以把工件放置在具有最高功率(熱點(diǎn))的位置上。因此，僅僅腔內(nèi)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(jīng)顯示，在高頻上燒結(jié)各種材料會(huì)得到改善。然而，現(xiàn)有技術(shù)難以進(jìn)行一系列相同的僅改變頻率的擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)。這大部分是由于各微波源連接到不同的爐腔內(nèi)所造成的。眾所周知，爐腔的幾何形狀是在這種實(shí)驗(yàn)中必須考慮的參量。
在一些著作中，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了引入陀螺振子振蕩器以產(chǎn)生頻率固定的28GHz微波的爐。陀螺振子爐能比那些設(shè)置有2.45GHz磁控管的微波爐更有效地?zé)Y(jié)某些材料。陀螺振子爐在燒結(jié)陶瓷等材料方面有特殊的應(yīng)用。然而，28GHz并不是燒結(jié)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(jié)構(gòu)的腔的爐中的指定材料上。
在加熱處理時(shí)最有效的處理頻率可以隨指定的材料而變化。當(dāng)材料改變狀態(tài)時(shí)，也可能要求改變頻率。因此，可以要求它在加熱過(guò)程中具有改變頻率的能力，允許測(cè)試器開始以一頻率加熱樣品，然后隨著溫度的升高，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(shí)，改變材料來(lái)有效地對(duì)不同頻率起作用。
也已生產(chǎn)了其它的設(shè)備來(lái)改變所選材料的加熱工藝的參數(shù)。已有技術(shù)中典型的技術(shù)是下列美國(guó)專利中所揭示的設(shè)備專利號(hào) 發(fā)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(fā)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(jìn)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(qǐng)No.07/792,103之外，并沒(méi)有揭示具有寬頻范圍的微波爐。
使用寬頻范圍的一個(gè)障礙是難以實(shí)現(xiàn)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(shí)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種微波加熱裝置，它能在寬頻范圍上工作。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可以在寬頻范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范圍的微波源互換。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供這樣一種微波加熱裝置，其中，可以把兩個(gè)或更多個(gè)微波源以并行方式設(shè)置到系統(tǒng)中。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種包括多個(gè)平行設(shè)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(fā)明的又一目的在于提供一種具有多個(gè)微波源的微波加熱裝置，每個(gè)微波源由同一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和電源控制。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種微波加熱裝置，頻率調(diào)缺點(diǎn)可以用作波模擺動(dòng)(mode stirring)的形式，以在多波模腔和設(shè)置在其內(nèi)的負(fù)載內(nèi)產(chǎn)生更均勻的功率分布。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明還將實(shí)現(xiàn)其它的目的和優(yōu)點(diǎn)，它被設(shè)計(jì)成調(diào)制引入到用于測(cè)試或者其它所選應(yīng)用的爐腔內(nèi)的微波頻率。一些可用的處理包括熱處理、消毒、燒結(jié)、等離子體處理、礦物處理、聚合、蝕刻以及制備膜。
本發(fā)明提供一種微波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生低功率微波信號(hào)，輸入到微波放大器中。較佳實(shí)施例中的信號(hào)發(fā)生器可以掃過(guò)一指定范圍的頻率，以脈沖方式工作，調(diào)制微波信號(hào)的頻率，并產(chǎn)生各種復(fù)雜的波形。較佳實(shí)施例的微波信號(hào)發(fā)生器可以利用內(nèi)部的脈沖發(fā)生器工作在脈沖模式，或者可以從外部得到脈沖。設(shè)置有一內(nèi)部調(diào)制器以進(jìn)行寬帶調(diào)制。內(nèi)部調(diào)制器可以工作在調(diào)幅(AM)模式或者調(diào)頻(FM)模式。
電壓控制器用于調(diào)制微波壓控振蕩器的振幅。微波壓控振蕩器可以用來(lái)替代微波信號(hào)發(fā)生器，以改善產(chǎn)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(hào)發(fā)生器或者微波壓控振蕩器輸出的信號(hào)的幅度。較佳實(shí)施例的第一放大器是壓控的，因此，其增益是可以調(diào)節(jié)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(hào)，或者當(dāng)不用第一放大器時(shí)處理從微波信號(hào)發(fā)生器或者微波壓控振蕩器輸出的信號(hào)。第二放大器向爐腔輸出高功率微波信號(hào)，并使工件受到微波輻射。在較佳實(shí)施例中，第二放大器可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、環(huán)形TWT、環(huán)棒TWT、速調(diào)管、行波速調(diào)管或者陀螺振子之一。這些器件包括設(shè)計(jì)成擴(kuò)散放大器在正常工作期間集聚的熱的內(nèi)部冷卻設(shè)備。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)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(lái)代替，其頻率可以手動(dòng)、機(jī)械或者電調(diào)諧。
提供一電源，用于第二放大器的工作。在較佳實(shí)施例中，電源是由精確穩(wěn)壓的螺旋式電源與無(wú)穩(wěn)壓控制器的高壓電源組成的直流電源。
提供一定向耦合器，用于檢測(cè)信號(hào)的方向以及根據(jù)檢測(cè)到的方向進(jìn)一步控制該信號(hào)。把從微波源接收到的信號(hào)送至微波腔。從微波腔的方向上接收到的信號(hào)送至反射功率負(fù)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(zhuǎn)離微波源，以保護(hù)微波源免受未被工件吸收的功率。較佳實(shí)施例的定向耦合器是水冷卻的，以擴(kuò)散微波源來(lái)的功率傳輸和微波腔來(lái)的功率反射集聚到的熱。
提供第一功率表，用于測(cè)量供給微波腔的功率。第一功率表用于與位置設(shè)置成測(cè)量從微波腔反射來(lái)的功率的第二功率表連接，以監(jiān)視微波腔的效率并確保在反射功率負(fù)載上消耗該反射功率而不是由第二放大器來(lái)消耗。
反射功率負(fù)載還可以用于通過(guò)從爐腔中移去所有工件，由此，把第二放大器的所有信號(hào)送至反射功率負(fù)載來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)能?？梢园逊瓷涔β守?fù)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(tǒng)的損耗。
第二功率表檢測(cè)反射功率的幅度。該幅度可以用于確定引入到微波腔內(nèi)的微波的即時(shí)頻率的效率。由于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(guò)渡(tapered transition)以提高效率，用該漸縮過(guò)渡可以把寬帶微波能量耦合到微波腔內(nèi)。把它作為傳輸線與微波腔之間的阻抗轉(zhuǎn)換器，這種過(guò)渡提高了耦合到腔內(nèi)的功率百分比。另外，對(duì)于必須把微波能量耦合到有活性氣體的腔內(nèi)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該漸縮過(guò)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(jù)下面對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述以及附圖，本發(fā)明的上述特點(diǎn)將變得更易理解。


圖1是本發(fā)明的變頻微波爐系統(tǒng)的較佳實(shí)施例的示意圖；圖2是本發(fā)明的變頻微波爐系統(tǒng)的另一較佳實(shí)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(fā)明的變頻微波爐系統(tǒng)；圖4是組成本發(fā)明的變頻微波爐系統(tǒng)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(fā)明的變頻微波爐系統(tǒng)；圖6是本發(fā)明的變頻微波加熱裝置的另一較佳實(shí)施例的示意圖；圖7是本發(fā)明的漸縮波導(dǎo)敷貼器的視圖，示出了其入口；圖8是圖7的漸縮波導(dǎo)敷貼器的端視圖，示出了其出口；圖9是漸縮波導(dǎo)沿圖7的9-9線的底面部視圖；圖10是漸縮波導(dǎo)敷貼器的另一個(gè)實(shí)施例端視圖，它進(jìn)一步包括介電窗，并示出了其出口；圖11是漸縮波導(dǎo)沿圖10的11-11線的底面剖視圖；圖12是是漸縮波導(dǎo)的另一個(gè)實(shí)施例的端視圖，示出了其出口，其中內(nèi)壁限定為臺(tái)階式縮小；圖13是漸縮波導(dǎo)沿圖12的13-13線的底面剖視圖；圖14是漸縮波導(dǎo)敷貼器的另一個(gè)實(shí)施例的端視圖，示出了其出口，其中內(nèi)壁限定為臺(tái)階式縮小，并且包括了介電窗；圖15是漸縮波導(dǎo)管沿圖14的15-15線的底面剖視圖，；圖16示出了用于觀察根據(jù)本發(fā)明所用的微波腔內(nèi)的活動(dòng)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(fā)明所用的微波腔的門的密封機(jī)構(gòu)；圖18示出了本發(fā)明的變頻微波加熱裝置的另一個(gè)較佳實(shí)施例的示意圖；圖19是本發(fā)明所用的一個(gè)矩形微波腔的波模密度對(duì)頻率的曲線圖；圖20A-D用圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)特點(diǎn)所用的微波腔的理論模型和第一微波源內(nèi)的功率分布；圖21A-F用圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)特點(diǎn)所用的微波腔的理論模型和第二微波源內(nèi)的功率分布。
本發(fā)明的實(shí)施方式具有本發(fā)明各種特點(diǎn)的變頻微波加熱裝置在圖中一般以10來(lái)圖示。微波加熱裝置10設(shè)計(jì)成調(diào)制引入到微波腔內(nèi)以測(cè)試或者進(jìn)行其它所選應(yīng)用的微波的頻率。這種調(diào)制對(duì)于測(cè)試過(guò)程以確定對(duì)特定材料處理最有效的頻率是有用的。頻率調(diào)制與在較小的爐腔內(nèi)產(chǎn)生更均勻的功率分布的波模擺動(dòng)一樣也是有用的。
頻率調(diào)制測(cè)試不僅在確定所選材料有效的燒結(jié)頻率時(shí)是有用的，而且在確定所選材料的各種狀態(tài)的最有效燒結(jié)頻率也是有用的。以相同的方式，頻率調(diào)制在處理狀態(tài)變化的材料方面也是有用的，其中材料的每種狀態(tài)都更有效地聯(lián)接到從其它狀態(tài)的頻率改變的頻率上。而且，在處理合成材料時(shí)頻率調(diào)制也是有用的，其中每種成分聯(lián)接到與其它成分不同的頻率上。
圖1示意性地示出了本發(fā)明的變頻微波加熱裝置的較佳實(shí)施例，其中所選的工件36正待處理?？蛇M(jìn)行的處理包括加熱處理、消毒、燒結(jié)、等離子處理、礦石加工、聚合、蝕刻以及制備膜等，但不限于這些。應(yīng)當(dāng)理解，本揭示中所用的術(shù)語(yǔ)“工件”涉及所選的材料或者材料的組合。術(shù)語(yǔ)“工件”可以進(jìn)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(jīng)過(guò)至少一種狀態(tài)的變化，因此，在一給定時(shí)間材料不至一種狀態(tài)。
提供一微波壓控振蕩器14，用于產(chǎn)生低功率微波信號(hào)，輸入到微波爐32內(nèi)。復(fù)雜波形發(fā)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范圍，它工作在脈沖模式，調(diào)制微波信號(hào)的頻率，并產(chǎn)生各種復(fù)雜波形。
較佳實(shí)施例的復(fù)雜波形發(fā)生器12可以用內(nèi)部脈沖工作在脈沖模式，或者可以從外部得到脈沖。設(shè)置內(nèi)部調(diào)制器以進(jìn)行寬帶調(diào)制。內(nèi)部調(diào)制器可以以AM模式或者FM模式工作。
微波壓控振蕩器14產(chǎn)生頻率由波形發(fā)生器12加到壓控振蕩器14上的電壓確定的微波信號(hào)。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(diào)制微波頻率，盡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(jìn)行耦合。因此，微波壓控振蕩器14可以與復(fù)雜波形發(fā)生器12一起使用，以修正產(chǎn)生的微波的頻率。
將可看到，頻率與功率級(jí)可能的組合是無(wú)數(shù)的。而且，有了這種頻率與幅度調(diào)制能力，將可看到，可以通過(guò)使微波的頻率和幅度交替來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件36的處理，以達(dá)到最大的處理效率。調(diào)制可以以這樣的速率進(jìn)行，以使工件36不能檢測(cè)到，但仍能對(duì)各材料和材料狀態(tài)產(chǎn)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(hào)的功率。本較佳實(shí)施例的第一放大器18是壓控的，因此其增益是可調(diào)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(shí)調(diào)節(jié)第一放大器18，所以可以相應(yīng)調(diào)節(jié)微波的幅度。第一放大器18的控制電壓還可以由復(fù)雜波形發(fā)生器12提供，可以以所要求的方式調(diào)制信號(hào)輸出的幅度。
提供第二放大器20，對(duì)第一放大器18的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，或者當(dāng)不用第一放大器18時(shí)，對(duì)微波壓控振蕩器14的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。第二放大器20輸出微波信號(hào)，輸入到多波模爐腔34內(nèi)，使工件36受到微波信號(hào)的照射。在較佳實(shí)施例中，第二放大器20可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、環(huán)形TWT、環(huán)棒TWT、速調(diào)管、行波速調(diào)管或者陀螺振子之一。
TWT20是一種線性射束器件，它放大并輸出具有所選頻率和波形的信號(hào)。TWT20在TWT20的結(jié)構(gòu)所限定的范圍或帶寬內(nèi)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范圍，所以當(dāng)達(dá)到高限時(shí)，將遇到抵消信號(hào)，出現(xiàn)第二波。
為了達(dá)到高于或者低于引入特定結(jié)構(gòu)中的TWT20所能提供的頻率，改變TWT20的內(nèi)部幾何形狀，尤其是螺旋40的間距。在后面提到的TWT20中，可以定義一新的頻率范圍。因此將看到，TST20結(jié)構(gòu)的改變是可能的，所以可以達(dá)到較寬的頻率范圍。至此，本發(fā)明的TWT20被設(shè)計(jì)成可選擇地從變頻微波加熱裝置10中移去，并與其它的這種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(jìn)行一系列相同的測(cè)試。一個(gè)TWT20可以限定4GHz至8GHz的頻率范圍，而另一個(gè)TWT20’限定了8GHz至16GHz的頻率范圍。再一個(gè)TWT20”可以限定第三頻率范圍。把TWT20與TWT20’互換限定了從4GHz至16GHz的總范圍。一種限定4GHz至8GHz的范圍的TWT20為Microwave Laboratories(微波試驗(yàn)室)公司制造的Model T-1096G/H Band Helix TWT。在表1中列出的Model T-1096的技術(shù)規(guī)格。
如上所述，行波管20是一種線性射束器件，其特點(diǎn)在于行移電場(chǎng)連續(xù)地縱向沿著電子束的路徑取得能量。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(gòu)成的。槍組件44產(chǎn)生聚焦的電子束，直接穿過(guò)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(shè)置在螺旋絲40的陰極和收集端。
表1 T-1096G/H Band Helix TWT的技術(shù)規(guī)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頻率范圍4.0 8.0Ghz諧波含量- -3.0-6.0 dbc標(biāo)稱功率時(shí)的增益25.037.030.0 db電參數(shù)螺旋絲電壓 -8.0-9.0-8.4 kV陽(yáng)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(yáng)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位于螺旋絲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(jìn)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(zhuǎn)移到射頻波上。這種相互作用連續(xù)地進(jìn)行并不斷積累，在射頻信號(hào)沿螺旋絲40傳播時(shí)增加了其振幅。
本較佳實(shí)施例的第二放大器20包括內(nèi)部冷卻裝置38，它被設(shè)計(jì)成擴(kuò)散第二放大器20在正常工作時(shí)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由選出的材料制成，以達(dá)到其功能。本較佳實(shí)施例的螺旋式TWT20設(shè)置有用扁銅線制成的螺旋絲40。多個(gè)保持器42圍繞著螺旋式TWT42的縱軸平行設(shè)置，在TWT42上繞有銅線，保持器42用來(lái)保持銅線限定的螺旋絲40，并還擴(kuò)散在螺旋式TWT20工作期間傳輸給銅線的熱。在本較佳實(shí)施例中，保持器42 少用一個(gè)平面43限定了橫截面，平面43基本上與銅線接觸。
而且，本實(shí)施例的保持器42由氧化鈹制成。盡管已知氧化鈹為電絕緣體，但它還是極佳的導(dǎo)熱體。銅線限定平面橫截面并基本上與保持器42的平面43接觸高效和徹底地?cái)U(kuò)散了傳輸?shù)姐~線上熱，因此，為螺旋式TWT20的內(nèi)部提供了冷卻裝置38，延長(zhǎng)了螺旋式TWT20的壽命。
設(shè)置了電源22，用于第二放大器20的工作。雖然在圖中沒(méi)有單獨(dú)畫出，但較佳的電源22為由精確穩(wěn)壓的陰極電源和無(wú)穩(wěn)壓的收集極高壓電源組成的直流電源。陰極電源的輸出穩(wěn)壓通過(guò)使用四極管的電子管穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種這樣的電子管為Eimac 4PR400A電子管。對(duì)收集極電源和陰極原電源的穩(wěn)壓是用機(jī)電式穩(wěn)壓器。本較佳實(shí)施例的收集極電源設(shè)置有兩個(gè)開關(guān)板，用于選擇輸出范圍。用于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(shù)指標(biāo)。
表二通用voltronics Model BRE-15-140-ML電源的電技術(shù)指標(biāo)螺旋絲電源輸出電壓 500V-15KVDC輸出電流 140mADC極性 負(fù)極輸出波紋 .01％rms 15KVDC，140mADC穩(wěn)壓，負(fù)載.01％(從空載到滿載)，最大輸出穩(wěn)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(lián)) 0-5KV，4000mAII型(串聯(lián)) 0-10KV，2000mA極性 正極性輸出，負(fù)極連接到螺旋絲電源波紋 3％rms，1 0KVDC，2000mA穩(wěn)壓，負(fù)載+2％(從空載到滿載)，最大輸出穩(wěn)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(yīng)時(shí)間 5微秒系統(tǒng)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(gè)柱，用于收集極、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(shí)施例中，單獨(dú)用微波信號(hào)發(fā)生器12來(lái)產(chǎn)生所選的信號(hào)，并不經(jīng)調(diào)制而直接輸出。一種這類微波信號(hào)發(fā)生器12為Wiltron制造的Model 6724信號(hào)發(fā)生器。在本實(shí)施例中，在第二放大器20的電源22內(nèi)進(jìn)行幅度調(diào)制。
參見圖1和圖2，提供一定向耦合器24，用于檢測(cè)信號(hào)的方向，并進(jìn)一步根據(jù)檢測(cè)到的方向?qū)π盘?hào)進(jìn)行定向。定向耦合器24設(shè)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(hào)送到微波腔32內(nèi)。把從微波腔32方向接收到的信號(hào)送到反射功率負(fù)載28。因此，定向耦合器24提供了一個(gè)手段，即，把反射信號(hào)-即，工件36沒(méi)有吸收的返回源20的功率-轉(zhuǎn)離第二放大器20，以保護(hù)第二放大器20不受工件36未吸收的功率的影響。本實(shí)佳實(shí)施例的反射功率負(fù)載28是水冷卻的，以擴(kuò)散通過(guò)反射微波腔32的功率集聚的熱。
提供第一功率表30，用于測(cè)量傳遞給微波腔32的功率。第一功率表30用于連同設(shè)置的第二功率表26一起測(cè)量微波爐32的反射功率，以監(jiān)視微波爐的效率，并確保反射功率在反射功率負(fù)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(hào)被引入到微波腔34內(nèi)，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(hào)，因此引入的信號(hào)被反射返回第二放大器20，而沒(méi)有其它的路徑。
反射信號(hào)到達(dá)定向耦合器24，被轉(zhuǎn)向第二功率表26，最后到反射功率負(fù)載28上。如上所述，在反射功率負(fù)載28上消耗反射功率，以保護(hù)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(fù)載28用于測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)能，由此把整個(gè)負(fù)載從第二放大器20連到反射功率負(fù)載28上。可以把反射功率負(fù)載28接收的功率與第二放大器20發(fā)出的功率比較，以確定系統(tǒng)的損耗。
第二功率表26檢測(cè)反射功率的大小。該值可以用于確定引入到微波腔34的微波的即時(shí)頻率的效率。低反射功率表示高效率工作頻率，這是由于所選工件36有較高的吸收率。
本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員從上述的描述中可以認(rèn)識(shí)到已經(jīng)指出了變頻微波加熱裝置10對(duì)已有技術(shù)提供的優(yōu)點(diǎn)。具體地說(shuō)，本發(fā)明的微波加熱裝置10提供了一種調(diào)節(jié)引入到腔34內(nèi)以進(jìn)行燒結(jié)或者其它要求的加工等微波的頻率的手段?？梢钥闯?，本發(fā)明的微波加熱裝置10在測(cè)試所選材料相對(duì)于微波頻率的處理特性時(shí)是有用的。這種測(cè)試能對(duì)帶有微波源的微波爐32進(jìn)行設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生確定頻率的微波。
還可以看出，本發(fā)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(tài)變化的生產(chǎn)工具。可以在微波加熱裝置工作期間進(jìn)行頻率調(diào)制，以適應(yīng)各種材料和材料狀態(tài)。而且，本發(fā)明的頻率調(diào)制能力可用作波模擺動(dòng)的方法，以在較小的微波腔34內(nèi)產(chǎn)生更均勻的功率分布。
在開發(fā)過(guò)程中進(jìn)行的各種測(cè)試已經(jīng)顯示了本發(fā)明的變頻微波加熱裝置10的效率。下面描述兩個(gè)測(cè)試過(guò)的實(shí)施例。然而，本發(fā)明人并不是把本發(fā)明限于這些實(shí)施例。
在第一個(gè)測(cè)試過(guò)的實(shí)施例中，構(gòu)成適于燒結(jié)、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(hào)VC0 100-0243，由Delphi公司制造)由0至15V控制信號(hào)提供從4至8Ghz連續(xù)變化的低功率微波信號(hào)。具有可變?cè)鲆孢x擇的固態(tài)預(yù)放大器18(型號(hào)NHI 4080MW-2，由National Hybrid公司制造)提供可變地放大壓控振蕩器14的信號(hào)。
高功率微波放大器20包括向波管(型號(hào)T-1096，由微波實(shí)驗(yàn)室公司制造)(見表1)和高壓直流電源(型號(hào)BRE-15-140-ML，由Universal Voltroncis制造)(見表2)。高功率微波放大器把該信號(hào)以約為+37db的增益放大。得到的微波功率在4至8GHz的頻率范圍和0至2.5KW的功率范圍上是可連續(xù)選擇的。在這些參數(shù)范圍內(nèi)可以單獨(dú)地把頻率和幅度調(diào)制成任意的波形。
設(shè)置一雙定向耦合器24(型號(hào)R202-5N，由微波工程公司制造)，通過(guò)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(zhǎng)約為9英寸的多波模34內(nèi)，在腔34內(nèi)激勵(lì)出多種隨機(jī)的微波波模。用兩個(gè)功率表(型號(hào)HP436A，由Hewlett Packard公司制造)連續(xù)地測(cè)量正向和反射功率級(jí)。
已經(jīng)證明對(duì)碳化硅和碳化硼陶瓷體都能進(jìn)行有效的微波加熱。在各情況下，能調(diào)節(jié)頻率，以使腔34內(nèi)的實(shí)際負(fù)載的反射功率最小，使陶瓷快速地加熱。這里不需要調(diào)整腔34的大小或者激勵(lì)出特定的波模，以最大效率地進(jìn)行加熱。
在第二個(gè)測(cè)試過(guò)的實(shí)施例中，用傳統(tǒng)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(gòu)成至少適用于等離子體處理、消毒和食品加工研究等的300W的微波爐。
對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)證明如果調(diào)節(jié)微波頻率使反射功率最小能高效地進(jìn)行加熱。所示的結(jié)果是，當(dāng)頻率連續(xù)地掃過(guò)工作帶寬時(shí)，反射功率極低，并且樣品的加熱效率與其在腔34內(nèi)的位置無(wú)關(guān)。
對(duì)變頻微波加熱裝置10進(jìn)行這種測(cè)試包括對(duì)環(huán)氧樹脂(即，由Union Carbide制造的ERL-2258樹脂，以及由Dupont制造的M-苯二胺硬化劑)樣品進(jìn)行固化。根據(jù)制造商的說(shuō)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(jù)本發(fā)明用使頻率從4.5至7.5MHz每秒5000次掃描來(lái)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(méi)有局部過(guò)加熱的現(xiàn)象，因而證明頻率掃描的價(jià)值在于在微波腔34內(nèi)產(chǎn)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(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，功率和溫度顯示和控制器60接收功率監(jiān)視器62和溫度傳感器64的輸出。功率監(jiān)視器62接收定向耦合器24’的輸入，把它用作與前述實(shí)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還用于控制微波振蕩器14’、預(yù)放器器功率控制18’和TWT電源22’。設(shè)置有一冷卻系統(tǒng)66，用于在其工作期間至少冷卻TWT20。
可以提供一漸縮的波導(dǎo)耦合器68，以提高效率，用該漸縮波導(dǎo)耦合器68把寬帶微波能量耦合到微波腔內(nèi)。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(zhuǎn)換器，這種過(guò)渡增加了耦合到微波腔32’內(nèi)的功率百分比。另外，對(duì)于必須把微波能量耦合到有活性氣體的微波腔32’內(nèi)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該漸縮波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)敷貼器68A的橫截面圖，在其中更詳細(xì)地示出了漸縮的內(nèi)壁70。從這些圖中可以看出，波導(dǎo)敷貼器68A的一個(gè)實(shí)施例限定了內(nèi)壁70，它在從入口72到出口74形成光滑的錐形，出口74大于入口72。在沿其長(zhǎng)度的任一給定的橫截面上，波導(dǎo)敷貼器68A的內(nèi)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(dǎo)68A的內(nèi)壁70的錐形成比例的光滑的錐形。波導(dǎo)敷貼器68A的本體限定了一端板78，用于把波導(dǎo)敷貼器68A固定到微波加熱裝置10上。
實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用圖7-9所示的波導(dǎo)敷貼器68A實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)有用的微波腔范圍內(nèi)測(cè)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(gòu)筑成用微波實(shí)驗(yàn)室公司制造的，4-8GHz的、型號(hào)為T-1096的TWT源進(jìn)行測(cè)試，并加入了圖7-9所示的漸縮波導(dǎo)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(guò)水-乙醇溶液的微波激勵(lì)的等離子體進(jìn)行金剛石CVD”(1993年，Amer.Cer.Soc.春季會(huì)議，Cincinnati)討論了測(cè)試的結(jié)果，將該文援引在此，以作參考。在這些測(cè)試中，已經(jīng)證明，包括本發(fā)明的波導(dǎo)敷貼器68A的微波加熱裝置10產(chǎn)生可以移動(dòng)并通過(guò)調(diào)節(jié)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(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)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(shí)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(shè)備。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，氣冷卻變頻微波加熱裝置10是用微波實(shí)驗(yàn)室公司的氣冷卻螺旋式TWT(例如，T-1067型)和本發(fā)明的漸縮波導(dǎo)敷貼器68A制成。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頻率范圍上微波功率都能有效地耦合。應(yīng)認(rèn)識(shí)到該范圍幾乎覆蓋了兩個(gè)倍頻。用熱敏紙測(cè)試證明，頻率掃描在整個(gè)腔34內(nèi)產(chǎn)生均勻的功率密度是高效率的。
對(duì)本實(shí)施例的微波腔34進(jìn)行與上述固化環(huán)氧樹脂(由Union Carbide制造的ERL-2258樹脂，以及由Dupont制造的M-苯二胺硬化劑)進(jìn)行的相似的測(cè)試。在這些測(cè)試中，把頻率范圍和掃描速率都減小，以確定合適的波模擺動(dòng)所必須的最小范圍。同時(shí)，把樣品體積增加到直徑6英寸的圓盤。從這些結(jié)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(jìn)行均勻的微波加熱，尤其對(duì)于那些有高導(dǎo)熱性，有助于使較小的空間變化平均的樣品。
如上所述，本發(fā)明的微波加熱裝置10裝備有多于一個(gè)以上的微波源12。對(duì)于這一范圍，還對(duì)下述的微波加熱裝置10進(jìn)一步作了改進(jìn)，增加了第二TWT(微波實(shí)驗(yàn)室公司的T-1068型)和第二漸縮微波敷貼器68A，使?fàn)t32的帶寬約為2.5至17.5Ghz，或者近三倍頻程。應(yīng)當(dāng)理解，并不應(yīng)把上述例子解釋為把本發(fā)明的微波加熱裝置10限制為兩個(gè)微波源12。相反，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明，任意多個(gè)微波源12和波導(dǎo)敷貼器68可以與一個(gè)微波腔34組合。
圖10和11示出了波導(dǎo)敷貼器68B的另一個(gè)實(shí)施例，其中設(shè)置有個(gè)窗80，用于這樣一種環(huán)境，即，微波腔34內(nèi)的壓力與周圍的壓力不同，和/或在微波加熱處理時(shí)用的是不是空氣的氣體。該實(shí)施例的入口72類似于前一實(shí)施例，因此，圖7表示圖10和11中所示的實(shí)施例的入口72。窗80本質(zhì)上為介電體，能經(jīng)受住正負(fù)壓差。波導(dǎo)敷貼器68B的本實(shí)施例的內(nèi)壁70終止于出口74的筒形非漸縮端82。突起部分76終止于內(nèi)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，并至少固定在介電窗80的外緣上，以保證窗口80相對(duì)于波導(dǎo)68B的位置。在窗80和波導(dǎo)68B之間以及窗80與固定板85之間設(shè)置有密封件90，以防止液體從微波腔34通過(guò)波導(dǎo)敷貼器68B流到外面。
如圖7-9所示的實(shí)施例一樣，用圖10-11的波導(dǎo)敷貼器38B可以實(shí)現(xiàn)在微波腔34整個(gè)有用的頻率范圍上測(cè)得約為2∶1的自由空間VSWR。
本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)當(dāng)理解，許多傳統(tǒng)的技術(shù)可以用于把漸縮波導(dǎo)過(guò)渡58連接到爐腔34內(nèi)和把介電窗80封閉到波導(dǎo)68內(nèi)。還應(yīng)理解，可能出現(xiàn)這種情形，即必須用適當(dāng)?shù)臍饬?、液體冷卻劑流等類似的流體對(duì)介電窗80或者波導(dǎo)68進(jìn)行冷卻。
本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員還應(yīng)當(dāng)理解，漸縮脊用于提供脊?fàn)顚拵Р▽?dǎo)(例如WRD350型)最佳的匹配，如果在微波源12與漸縮波導(dǎo)過(guò)渡68之間用非脊?fàn)畈▽?dǎo)，則不需要。
圖12和13圖示了本發(fā)明的波導(dǎo)敷貼器68C的另一個(gè)實(shí)施例，并再用圖7表示入口72。如圖所示，本實(shí)施例中，突起部分76與圖8和9的光滑錐形相反，形成臺(tái)階形錐形。因此，形成一系列矩形突起部分76A，每個(gè)連續(xù)的突起部分的長(zhǎng)度向出口74方向增加，相對(duì)突起76A之間的長(zhǎng)度隨著相對(duì)突起76A的每個(gè)連續(xù)對(duì)增加。與前述實(shí)施例的光滑錐形相反，本實(shí)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(shí)施例內(nèi)的自由空間VSWR是有利的。
對(duì)圖12和13所示的實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)是圖14和15所示的實(shí)施例。該實(shí)施例進(jìn)一步包括介電窗80，以與圖10和11的實(shí)施例相似的形式固定。
應(yīng)當(dāng)理解，在操作微波設(shè)備時(shí)，尤其是以高功率操作時(shí)，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆忾]或者屏蔽，以防止不希望有的微波輻射泄漏。還應(yīng)理解，隨著有用頻率范圍的增加，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(guò)使用對(duì)高頻無(wú)效的共振式機(jī)械阻流器就可以使泄漏最小。因?yàn)楸景l(fā)明的微波加熱裝置10工作在大于5％帶寬的頻率范圍上，所以傳統(tǒng)微波爐上使用的微波密封技術(shù)證明不適于滿足人員的安全和對(duì)通信干擾的要求。
圖16圖示了改進(jìn)的觀察口92的正視圖，觀察口92用于用眼睛觀察微波腔34內(nèi)的樣品的狀況。觀察口92包括“蜂窩”狀金屬過(guò)濾器94，六邊形單元的直徑小于其深度。例如，一種適當(dāng)?shù)谋壤s為直徑0.061英寸比厚1.0英寸。這種結(jié)構(gòu)在高至20GHz的頻率上至少提供了250dB的衰減。該過(guò)濾器94設(shè)置在相對(duì)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。
由于腔門98上的微波封口對(duì)于人員和通信保護(hù)是必要的，所以如圖17所示在本發(fā)明中設(shè)置了四層微波封口100，在圖17A中作了更清楚的圖示。一雙環(huán)形封口102、104伸入腔34內(nèi)，環(huán)102連接到門98上，環(huán)104連接到腔34內(nèi)的微波爐32上。環(huán)102、104之間的空間用于斷開波導(dǎo)，尤其是在低于4GHz的頻率上。已經(jīng)確定合適的空間為0.06英寸。由腔34內(nèi)的微波爐32承受的環(huán)形封口103支持可壓縮條106，例如鍍金的銅片，在圖示的實(shí)施例中，它在10GHz的頻率上提供了70dB的衰減。由門98承受的環(huán)形封口102在門關(guān)閉時(shí)壓縮條106。環(huán)繞支撐在腔34上的門開口112周圍的是諸如蒙耐合金網(wǎng)狀物的可壓縮條108，它用作可輕微壓縮的門緩沖器。本實(shí)施例的蒙耐合金網(wǎng)狀物108提供了在10GHz頻率上附加的80dB的衰減。最且，環(huán)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(shí)施例的壓縮條110是填充碳的硅樹脂彈性條，用于在10GHz的頻率提供附加的75dB的衰減。觀察口92和門98關(guān)閉時(shí)的這種屏蔽的最后結(jié)果是從變頻微波加熱裝置上沒(méi)有檢測(cè)到在2.4和17.5GHz的頻率上有微波泄漏。即使是大至安全水平的微波泄漏也沒(méi)有檢測(cè)到。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，上述微波密封結(jié)構(gòu)根據(jù)待封閉的和/或等屏蔽的頻率范圍和功率級(jí)可以很好地利用所述技術(shù)的各種組合。
圖18中所示的是本發(fā)明的變頻微波加熱裝置10的另一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)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(lái)代替前述實(shí)施例的微波振蕩器14、預(yù)放大器功率控制18和TWT20。本較佳實(shí)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(dòng)頻率控制，或者最好是通過(guò)閉環(huán)、電壓基反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行頻率控制。在這種反饋控制系統(tǒng)中，用低電平(0至10V)信號(hào)激勵(lì)磁控管114內(nèi)的伺服機(jī)構(gòu)，使它精確地把磁控管的同軸腔內(nèi)的插板(plunger plate)復(fù)位來(lái)從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率地“調(diào)諧”磁控管114。
為了更好地確定所需帶寬的限制因數(shù)，構(gòu)成12×12×10英寸的矩形微波腔34是理想的模式，它用于確定能在腔34內(nèi)在4至6GHz頻率范圍上得到支持的諧振波模數(shù)。這些計(jì)算結(jié)果清楚地證明，即使在這樣小的腔34內(nèi)，也甚至在4至6GHz頻率范圍上可能有大量的(超過(guò)600)、密集的波模(常常是在一個(gè)頻率上3至4個(gè))。這些結(jié)果已在圖19中以波模密度對(duì)頻率的形式作了圖示。根據(jù)這些結(jié)果，明顯地，在一些情況下，小至當(dāng)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(nèi)提供較均勻的能量分布。
用這種理想的模式，根據(jù)沿微波腔的水平中平面上的各點(diǎn)位置的函數(shù)計(jì)算功率密度。檢查的第一種情況假設(shè)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中心帶寬約大于10％的功率密度是相當(dāng)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(shè)中心頻率為15GHz，對(duì)應(yīng)于范圍從40％下降至1.3％的帶寬畫出功率密度。在這種情況下，對(duì)于低至2.5％的帶寬，與前一種情況相比，功率密度相當(dāng)均勻。即使帶寬進(jìn)一步減小到僅1.3％，對(duì)于許多微波加熱應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(nèi)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(diǎn)上的功率。功率以z坐標(biāo)圖示，x和y坐標(biāo)為微波腔34的底面。各圖的帶寬為5％、10％、20％和40％。應(yīng)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(duì)于1.3％的帶寬，點(diǎn)與點(diǎn)之間的功率分布顯著地變化。然而，對(duì)于有用的40％的帶寬，功率分布基本上的平滑的。
已經(jīng)用熱敏紙?jiān)谖⒉ㄇ?4內(nèi)測(cè)試了理想的結(jié)果，證明了精度，測(cè)試時(shí)是根據(jù)理想化的模式選擇微波源12的。熱點(diǎn)或者具有高功率分布的位置使熱敏紙變成棕色，而冷點(diǎn)仍使熱敏紙維持白色。這些測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了上面討論的理想測(cè)試的情況。
雖然已經(jīng)圖示和描述了幾個(gè)較佳實(shí)施例，并且已經(jīng)具體地描述了經(jīng)構(gòu)筑和測(cè)度的幾個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，這些描述并不是對(duì)揭示內(nèi)容的限制，而是覆蓋了落入所附權(quán)利要求書或者它們的等效物中所限定的發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修飾和變換的方法。
權(quán)利要求
1.一種變頻微波加熱裝置，用于處理所選材料，所述變頻微波加熱裝置包括微波爐，它限定有一多波模腔，用于處理所述所選的材料，其特征在于，所述變頻微波加熱裝置包含微波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生一個(gè)具有所選波形、頻率和幅度的信號(hào)；第一信號(hào)放大器，用于放大所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述信號(hào)，所述第一信號(hào)放大器在所選頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生微波，并限定一中心頻率，所述微波的功率與所選幅度相關(guān)，所述第一信號(hào)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，用于向所述第一信號(hào)放大器提供電力；和傳輸器，用于把所述第一信號(hào)放大器產(chǎn)生的所述微波傳送到所述微波爐內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述微波電子器件從下面的組中選擇行波管、行波速調(diào)管、速調(diào)管、相交場(chǎng)放大器、同軸磁控管和陀螺振子。
3.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述電源為可調(diào)的，可以有選擇地對(duì)所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述信號(hào)的所述幅度進(jìn)行調(diào)制。
4.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含信號(hào)幅度控制器，用于有選擇地調(diào)制所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述信號(hào)的所述幅度。
5.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含第二放大器，用于在所述第一放大器之前有選擇地放大所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含信號(hào)定向器，把所述第一放大器產(chǎn)生的所述微波和所述微波爐反射的微波進(jìn)行定向；和反射微波消耗器，用于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(guān)的功率和幅度。
7.如權(quán)利要求6所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述信號(hào)定向器設(shè)置有冷卻裝置，用于擴(kuò)散所述信號(hào)定向器工作集聚的熱量。
8.如權(quán)利要求6所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含系統(tǒng)監(jiān)視器，用于監(jiān)視與傳送給所述微波爐的所述微波相關(guān)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(guān)的所述功率的所述大小，所述系統(tǒng)監(jiān)視器用于監(jiān)視所述變頻微波加熱裝置的效率。
9.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含預(yù)放大器，使用所述信號(hào)發(fā)生器的所選驅(qū)動(dòng)級(jí)傳送給所述微波腔的微波功率達(dá)到所要求的程度。
10.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述傳輸器包含波導(dǎo)敷貼器，它包括由從入口到出口光滑漸縮的內(nèi)壁限定的波導(dǎo)，以在所述第一信號(hào)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(quán)利要求10所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)敷貼器進(jìn)一步包括介電窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周圍環(huán)境壓力的壓力時(shí)保護(hù)所述變頻微波加熱裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含冷卻裝置，用于冷卻所述介電窗。
13.如權(quán)利要求11所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含筒形過(guò)渡，以匹配所述波導(dǎo)與所述介電窗之間的阻抗斷點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述傳輸器包含波導(dǎo)敷貼器，它包括由從入口到出口臺(tái)階式漸縮的內(nèi)壁限定的波導(dǎo)，以在所述第一信號(hào)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(quán)利要求14所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)敷貼器進(jìn)一步包括介電窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周圍環(huán)境壓力的壓力時(shí)保護(hù)所述變頻微波加熱裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含冷卻裝置，用于冷卻所述介電窗。
17.如權(quán)利要求15所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含筒形過(guò)渡，以匹配所述波導(dǎo)與所述介電窗之間的阻抗斷點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含相對(duì)設(shè)置的門和封口，用于防止所述微波信號(hào)泄漏，所述表面形成了一個(gè)開口，所述選出的材料通過(guò)該開口放入或者從所述多波模腔內(nèi)取出，所述封口至少由從下述構(gòu)成的組中選出的一個(gè)組構(gòu)成支撐在所述微波腔靠近并從所述開口向外延伸的第一環(huán)，由所述門支撐并且大小適以容納在所述第一環(huán)內(nèi)的第二環(huán)，和被支撐在所述第一環(huán)和所述第二環(huán)之間的可壓縮密封件，以當(dāng)所述環(huán)由所述第一環(huán)容納時(shí)形成封口；至少一個(gè)受所述門支撐并設(shè)置在其上的墊片，以在所述門處于關(guān)閉位置時(shí)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(gè)封口，由可壓縮的吸收微波的聚合材料制造，并由所述門支撐，位于所述門上，以當(dāng)所述門處于關(guān)閉位置時(shí)使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍嚙使。
19.如權(quán)利要求1所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述多波模腔進(jìn)一步包括觀察口，用于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(hào)泄漏。
20.一種變頻微波加熱裝置，用于處理所選材料，所述變頻微波加熱裝置包括微波爐，它限定有一多波模腔，用于處理所述所選的材料，其特征在于，所述變頻微波加熱裝置包含微波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生一個(gè)具有所選波形、頻率和幅度的信號(hào)，所述微波信號(hào)發(fā)生器是頻率靈敏的同軸磁控管；電源，用于向所述微波信號(hào)發(fā)生器提供電力；傳輸器，用于把所述微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述微波傳送到所述微波爐內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，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(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述電源為可調(diào)的，可以有選擇地對(duì)所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的所述信號(hào)的所述幅度進(jìn)行調(diào)制。
23.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含信號(hào)頻率控制器，用于控制所述同軸磁控管振蕩的頻率。
24.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述傳輸器包含波導(dǎo)敷貼器，它包括由從入口到出口光滑漸縮的內(nèi)壁限定的波導(dǎo)，以在所述第一信號(hào)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(quán)利要求24所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)敷貼器進(jìn)一步包括介電窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周圍環(huán)境壓力的壓力時(shí)保護(hù)所述變頻微波加熱裝置。
26.如權(quán)利要求25所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含冷卻裝置，用于冷卻所述介電窗。
27.如權(quán)利要求25所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含筒形過(guò)渡，以匹配所述波導(dǎo)與所述介電窗之間的阻抗斷點(diǎn)。
28.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述傳輸器包含波導(dǎo)敷貼器，它包括由從入口到出口臺(tái)階式漸縮的內(nèi)壁限定的波導(dǎo)，以在所述第一信號(hào)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(quán)利要求28所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述波導(dǎo)敷貼器進(jìn)一步包括介電窗，用于在所述多波模腔遭受到不同于周圍環(huán)境壓力的壓力時(shí)保護(hù)所述變頻微波加熱裝置。
30.如權(quán)利要求29所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含冷卻裝置，用于冷卻所述介電窗。
31.如權(quán)利要求29所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含筒形過(guò)渡，以匹配所述波導(dǎo)與所述介電窗之間的阻抗斷點(diǎn)。
32.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，進(jìn)一步包含相對(duì)設(shè)置的門和封口，用于防止所述微波信號(hào)泄漏，所述表面形成了一個(gè)開口，所述選出的材料通過(guò)該開口放入或者從所述多波模腔內(nèi)取出，所述封口至少由從下述構(gòu)成的組中選出的一個(gè)組構(gòu)成支撐在所述微波腔靠近并從所述開口向外延伸的第一環(huán)，由所述門支撐并且大小適以容納在所述第一環(huán)內(nèi)的第二環(huán)，和被支撐在所述第一環(huán)和所述第二環(huán)之間的可壓縮密封件，以當(dāng)所述環(huán)由所述第一環(huán)容納時(shí)形成封口；至少一個(gè)受所述門支撐并設(shè)置在其上的墊片，以在所述門處于關(guān)閉位置時(shí)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(gè)封口，由可壓縮的吸收微波的聚合材料制造，并由所述門支撐，位于所述門上，以當(dāng)所述門處于關(guān)閉位置時(shí)使所述多波模腔的所述表面與所述開口周圍嚙使。
33.如權(quán)利要求20所述的變頻微波加熱裝置，其特征在于，所述多波模腔進(jìn)一步包括觀察口，用于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(hào)泄漏。
全文摘要
一種用于測(cè)試或者其它所選應(yīng)用的變頻微波加熱裝置(10’)，設(shè)計(jì)成可以調(diào)制引入到多波模微波腔(32’)內(nèi)的微波的頻率。該變頻加熱裝置(10’)行波管(TWT)20。功率監(jiān)視器(62)接收檢測(cè)入射到和反射出微波腔(32’)的信號(hào)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(yù)放大器功率控制(18’)和TWT電源(22’)。設(shè)置冷卻系統(tǒng)(66)用于冷卻TWT(20)。漸縮波導(dǎo)耦合器(68)用作阻抗變換器。
文檔編號(hào)H05B6/74GK1167562SQ95193062
公開日1997年12月10日 申請(qǐng)日期1995年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月31日
發(fā)明者唐·W·拜布爾, 羅伯特·J·勞夫, 阿維德·C·約翰遜, 拉里·T·西格彭 申請(qǐng)人:馬丁·馬零塔能源系統(tǒng)有限公司