專利名稱：一種直耦杯狀微波饋能天線及其陣列微波加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于微波能應用技術領域，涉及工業微波加熱技術，特別適用于需要大面積均勻 加熱應用場合，如用于瀝青混凝土公路建設與養路中的加熱或路面除冰用加熱。
背景技術：
在工業微波加熱技術應用中，微波加熱裝置分為諧振型(單模腔或多模腔)，傳輸型(基 模或高模)，輻射型(封閉式或開放式)，慢波型(表面波)等許多結構，以適應不同形狀、
體積及特殊要求的加熱對象。通常，被加熱的物料都安置在微波加熱裝置中，可以在腔型微 波加熱裝置中斷續加熱生產，也可在多模隧道型微波加熱裝置連續加熱生產，這些被加熱物 料一般是塊狀、顆粒狀、條狀、片狀或絲狀等結構，而且是可搬動的。對于像公路、機場跑 道、結冰路面等被加熱對象則具有特殊性， 一是面積大，二是無法移動或搬動，在這種情況 下，采用微波加熱方法時，就必須使用特殊的微波加熱裝置。對這種特殊的微波應用器，有 幾點基本要求，這就是1、被加熱對象的質量保證；2、加熱的均勻性；3、加熱效率即微波 功率的利用率；4、加熱溫度的可控性；5、加熱時的安全性。
由于路面或跑道的面積較大，且無法移動或搬動，因此，只能采用由多個微波天線組成 的天線陣列，置于路面上一定距離處，陣列中每個天線同時向路面輻射微波功率，路面在微 波功率輻照下，由于材料本身的介質損耗，從而吸收微波功率使得物料溫度升高，達到加熱 升溫或除冰的目的。
現有的適用于路面加熱的微波加熱裝置都是基于魚錐喇叭狀微波饋能天線陣列的，但大 都存在效率低、加熱不均勻等缺點；且現有的微波加熱裝置采用的是工業用大功率連續波磁 控管，再用功率分配網絡給每個單元天線饋能，這種方式使得現有的微波加熱裝置成本高昂。
發明內容
本發明提供一種直耦杯狀微波饋能天線及其陣列微波加'熱裝置，具有加熱均勻性好，加 熱效率高等特點。
一種直耦杯狀微波饋能天線，如圖1所示，包括微波磁控管l、輸出同軸線段4和杯狀 天線。所述輸出同軸線段4安裝于微波磁控管1的安裝法蘭盤3上，并與微波磁控管1的輸 出天線頭2保持相同的中心軸。所述杯狀天線由杯狀天線筒體5、杯狀天線頂蓋6構成，所 述杯狀天線頂蓋6上偏心地開有一與輸出同軸線段4外孔徑形同的孔；所述杯狀天線頂蓋6
3與所述杯狀天線筒體5相焊接。所述杯狀天線通過杯狀天線頂蓋6上的偏心孔與輸出同軸線 段4相焊接。
上述技術方案中，所述微波磁控管1采用微波爐用連續波磁控管。
一種直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，如圖2所示，包括直耦杯狀微波饋能天 線陣列，所述直耦杯狀微波饋能天線陣列由若干個直耦杯狀微波饋能天線按品字形緊密錯位 排列而成。所述直耦杯狀微波饋能天線結構如圖1所示。
所述直耦杯狀微波饋能天線陣列可整體安裝在金屬板11上，以保證所有直耦杯狀微波饋 能天線的微波輻射口在陣列中處于同 一水平面。
本發明所述的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置在具體應用時，為了防止加熱過 程中負載升溫時產生的水汽或其它廢氣等污染物對直耦杯狀微波饋能天線(內壁及磁控管) 可能造成的危害，可用云母或聚四氟乙烯等耐高溫介質板12將直耦杯狀微波饋能天線微波輻 射口密封，或在陣列天線下端輻照面上整體將所有直耦杯狀微波饋能天線遮住(如圖3所示)。
本發明所屬的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置在具體應用時，為了防止微波功 率向四周泄漏造成對環境及人員干擾與傷害，可在金屬板11下放的直耦杯狀微波饋能天線陣 列四周設置一防護板13 (如圖3所示)。
本發明的特點及效果
本發明提供的直耦杯狀微波饋能天線，其磁控管輸出微波功率直接耦合在杯狀天線內激 發起橫磁波(TM模)的傳輸模式，其基模的磁場在與軸線相垂直的截面上，而電場則與軸 線平行，在天線端口及離端口不太遠的距離內，微波場強沿角向分布是均勻對稱的。由于每 個單元天線的輸入駐波比很低，因此，大大提高了磁控管的輸出功率和耦合效率。
本發明提供的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置由于采用了本發明所述的直耦杯 狀微波饋能天線構成的天線陣列，大大提高了磁控管的輸出功率和耦合效率以及加熱均勻性； 同時，由于天線陣列中每個單元天線均由獨立的微波源饋能，而廉價高效的微波爐用磁控管 就是每個天線上的微波源，爐用磁控管的輸出功率大、效率高、結構緊湊、安裝方便，成本 低廉(每瓦輸出不足0.1元)，特別當磁控管出現意外損壞時，單個微波源即將引起停機狀態， 而多管饋能時，即使出現個別磁控管意外損壞情況，也不必停機，仍可繼續使用，而且更換 成本也不高。此外，由于緊密錯位排列這種陣列形狀，對大面積輻照加熱的均勻性也有一定 的改善。
圖1為本發明的直耦杯狀微波饋能天線結構示意圖。
圖2為本發明的直耦杯狀微波饋能天線陣列結構示意圖。
圖3為本發明的直耦杯狀微波饋能天線陣列加熱裝置結構示意圖。
圖4為本發明的直耦杯狀微波饋能天線具體實施方式
中，直耦杯狀微波饋能天線微波輻 射口處的仿真電場分布示意圖。
圖5為本發明的直耦杯狀微波饋能天線具體實施方式
中，直耦杯狀微波饋能天線離微波 輻射口 50mm處的仿真電場分布示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖1圖2及圖3的實施案例對本發明作進一歩的說明。 本實施案例是根據微波源的工作頻率是2.45GHz設計的，直耦杯狀微波饋能天線選用不 銹鋼材料制造，雖然不銹鋼的微波損耗大于銅和鋁，但其在大氣、水汽、塵埃、煙霧及揮發 物等惡劣環境中的化學穩定性好，機械強度高，易于加工與安裝，而且杯狀圓筒整個表面積 不大，對微波的吸收可以忽略不計。杯狀天線圓筒5的半徑a為60至62mm、高度h為120 至123mm;輸出同軸線段4內半徑c為17.5mm;同軸線內導體即磁控管輸出天線頭2的直 徑d為17mm，杯狀天線筒體5與輸出天線頭2的偏心度e為30mm，輸出天線頭2的插入深 度f為20至27mm，輸出同軸線段4長度為8mm。
品字形緊密錯位排列的陣列天線中，每單元天線行中心距為130至135mm，列中心距為 115至125 mm。
為了便于安裝，陣列天線中每個單元天線均裝在整塊面積略大于天線陣列面積的金屬板 11上(例如鋼板或鋁板)。
本發明未涉及在加熱過程中，微波功率在微波應用器四周泄漏會造成對環境及人員干擾 與傷害的防護墻13的具體設計，這項防泄漏技術及裝置將在另一專利中申報與說明。
本案例中的杯狀直耦微波饋能天線在上述尺寸時，經電磁仿真模擬計算得到輸入端的 Su=—37dB (中心頻率f。時)，即輸入駐波比SWR51.04，實測為SWR=1.09,與理論計算相 符。理想耦合效率可達99%以上。在天線口 7及離端口 50mm處的仿真電場分布如圖4及圖 5所示。
本實施案例的工作原理如下
當本案例的微波應用器中所有天線單元上的磁控管加上高壓丌始工作時，盡管每只磁控管的工作頻率f。會存在差別，但這種差別在輸入駐波比小于1.5時，差別不會大于5MHz，因 此，每只磁控管的輸出功率和耦合效率不會產生大的變化與影響，由于杯狀圓筒的隔離作用， 天線陣列中相鄰天線間的相互耦合并不存在，至多是微波輻射至負載平面上，由于負載與空 氣界面阻抗不匹配，造成部分反射波可能會產生互耦現象，導致耦合效率的降低，這一現象 對于任何陣列天線式微波加熱器都是存在的，工程上很難徹底解決。
由于天線陣端面離被加熱的負載之間的距離通常在50至200mm范圍之內，因此，對每 個杯狀天線單元來說，屬于天線近區工作范圍，尚未形成波束，不具有很強的方向性，所以 按品字形錯位排列后，可以最大限度地縮小各相鄰天線單元間的距離，形成非常緊湊的一種 大面積陣列，這就保證了被加熱負載面上微波場強分布的均勻性，以達到加熱過程中，負載 內溫升的均勻性和一致性。
本發明的直耦杯狀單元天線及品字形緊密錯位排列的陣列天線微波加熱器可適用于其它 任何頻段，因此，凡依據本發明所述的結構相同、頻段不同的各種尺寸的陣列天線微波加熱 器均屬于本發明所要求的保護范圍。
權利要求
1、一種直耦杯狀微波饋能天線，包括微波磁控管(1)、輸出同軸線段(4)和杯狀天線；所述輸出同軸線段(4)安裝于微波磁控管(1)的安裝法蘭盤(3)上，并與微波磁控管(1)的輸出天線頭(2)保持相同的中心軸；所述杯狀天線由杯狀天線筒體(5)、杯狀天線頂蓋(6)構成，所述杯狀天線頂蓋(6)上偏心地開有一與輸出同軸線段(4)外孔徑形同的孔；所述杯狀天線頂蓋(6)與所述杯狀天線筒體(5)相焊接；所述杯狀天線通過杯狀天線頂蓋(6)上的偏心孔與輸出同軸線段(4)相焊接。
2、 根據權利要求1所述的直耦杯狀微波饋能天線，其特征在于，所述微波磁控管(1) 為微波爐用連續波磁控管。
3、 根據權利要求l所述的直耦杯狀微波饋能天線，其特征在于，所述輸出同軸線段(4) 和杯狀天線采用不銹鋼材料制造。
4、 根據權利要求1所述的直耦杯狀微波饋能天線，其特征在于，杯狀天線圓筒(5)的 半徑a為60至62mm、高度h為120至123mm;輸出同軸線段(4)內半徑c為17.5mm;磁 控管輸出天線頭(2)的直徑d為17mm，杯狀天線筒體(5)與輸出天線頭(2)的偏心度e 為30mm，輸出天線頭(2)的插入深度f為20至27mm，輸出同軸線段(4)長度為8mm。
5、 根據權利要求1所述的一種直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，包括直耦杯狀 微波饋能天線陣列，所述直耦杯狀微波饋能天線陣列由若干個直耦杯狀微波饋能天線按品字 形緊密錯位排列而成。
6、 根據權利要求5所述的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，其特征在于，所述 直耦杯狀微波饋能天線陣列整體安裝在金屬板(11)上。
7、 根據權利要求5所述的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，其特征在于，采用 耐高溫介質板(12)將直耦杯狀微波饋能天線微波輻射口密封，或在陣列天線下端輻照面上 整體將所有直耦杯狀微波饋能天線遮住。
8、 根據權利要求7所述的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，其特征在于，所述 耐高溫介質板(12)為云母板或聚四氟乙烯板。
9、 根據權利要求6所述的直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，其特征在于，在金 屬板(11)下方的直耦杯狀微波饋能天線陣列四周設置一防護板(13)。
全文摘要
一種直耦杯狀微波饋能天線及其陣列微波加熱裝置，屬于微波能應用技術領域，涉及工業微波加熱技術。直耦杯狀微波饋能天線包括微波磁控管(1)、輸出同軸線段(4)和杯狀天線；所述杯狀天線與輸出同軸線段(4)偏心相連。直耦杯狀微波饋能天線陣列微波加熱裝置，包括直耦杯狀微波饋能天線陣列，所述直耦杯狀微波饋能天線陣列由若干個直耦杯狀微波饋能天線緊密錯位排列而成。本發明的直耦杯狀微波饋能天線的輸入駐波比低，耦合效率高，杯狀天線開口端微波場分布均勻，緊密錯位排列的天線陣列產生的微波輻射圖形有利于大面積均勻高效的加熱應用，且本發明成本低廉、維護方便。本發明可適用于瀝青混凝土公路建設與養路中的加熱或路面除冰用加熱。
文檔編號H05B6/64GK101442847SQ200810147908
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月17日 優先權日2008年12月17日
發明者張兆鏜, 李承躍, 黎曉云 申請人:電子科技大學;美的集團有限公司