本實(shí)用新型屬于微波能應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別地，涉及一種用于微波加熱設(shè)備的具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
：微波能加熱應(yīng)用中，加熱的均勻性(也即場分布的均勻性)不僅影響微波能的利用效率，還會(huì)對(duì)工藝過程的成敗起決定作用。微波場分布由微波能應(yīng)用器和微波輻射天線共同決定。在許多應(yīng)用場合中，微波能應(yīng)用器往往是隧道式或圓柱狀，其特點(diǎn)是長軸方向的尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸，如圖1所示。其中微波能應(yīng)用器11的橫截面尺寸在數(shù)個(gè)波長的量級(jí)，而長度方向有數(shù)十個(gè)波長。微波能由輸入端111饋入，被加熱物質(zhì)12填充在應(yīng)用器11中，從輸入端111到末端112。為將微波能有效地饋送到末端112，通常引入漏波天線13，從應(yīng)用器11的輸入端111探入到末端112。微波能量沿漏波天線向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)，通過漏波縫隙向應(yīng)用器11中輻射出部分能量，該部分輻射能量被物質(zhì)12吸收，轉(zhuǎn)化為物質(zhì)12的內(nèi)能，起到加熱的作用。傳統(tǒng)的漏波天線主要用于通信或雷達(dá)系統(tǒng)，有成熟的天線設(shè)計(jì)綜合方法，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是形成特定的遠(yuǎn)場輻射方向圖。而用于微波加熱系統(tǒng)時(shí)，漏波天線與被加熱物質(zhì)之間距離一般達(dá)不到遠(yuǎn)場條件，設(shè)計(jì)目標(biāo)是微波能更有效地轉(zhuǎn)化為熱能，因此不能用傳統(tǒng)漏波天線的設(shè)計(jì)理論和方法。由于缺少合理的設(shè)計(jì)方法，目前常用的微波加熱系統(tǒng)中，多采用尺寸不變的縫隙，沿能量傳輸方向均勻分布，或者絕大部分均勻分布、局部根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性地修正。這種漏波天線的漏波衰減常數(shù)是固定值，即在天線上任一位置取相同長度為的區(qū)域，該區(qū)域的衰減量是不隨位置變化的。恒定衰減常數(shù)會(huì)導(dǎo)致能量傳輸方向上不同位置輻射功率不均勻。以圖2為例說明。假設(shè)具有恒定漏波衰減常數(shù)的漏波天線輸入端21處輸入功率為Pin，最末端22處輸出功率為PL。實(shí)際應(yīng)用中在不影響結(jié)論的前提下，為表述方便取則由輸入端21到輸出端22總的功率衰減為10dB。將天線劃分為等長的N個(gè)區(qū)域，由于其漏波衰減常數(shù)為固定值，所以各區(qū)域天線的衰減量相同，均為10/NdB。取其中的第n(1≤n≤N)區(qū)，其輸入端面23的入射功率輸出端面24的輸出功率減少的功率被漏波縫隙輻射到外部，所以漏波輻射功率當(dāng)N固定時(shí)，可以看出漏波輻射功率隨n的增加呈指數(shù)下降趨勢。圖3是N取10時(shí)Pdn/Pin隨n變化。可以看出，靠近微波輸入端的第1區(qū)漏波輻射功率超過總輸入功率的20％，而最末端的第10區(qū)輻射功率不到總輸入功率的3％。這就會(huì)造成靠近源端的場強(qiáng)高，加熱功率大，溫升快，而遠(yuǎn)離源的末端場強(qiáng)弱，加熱速度慢，在能量傳輸方向形成明顯的不均勻。目前實(shí)際工程應(yīng)用中，大多根據(jù)實(shí)測的不均勻狀況，定性地調(diào)整漏波縫隙的分布，不能達(dá)到最佳功率分布，也就無法實(shí)現(xiàn)最好的加熱效率。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的目的是為克服微波加熱設(shè)備中已有漏波天線漏波輻射功率的不均勻性，提出了一種具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線，其特點(diǎn)是以輻射功率均勻分布為目標(biāo)，得到非均勻的衰減常數(shù)，依據(jù)衰減常數(shù)的分布設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)尺寸，有效改善其能量傳輸方向上輻射功率的均勻性，具體方案如下：一種用于微波加熱設(shè)備的具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線，包括傳輸能量的主傳輸線，位于傳輸線外壁上形成漏波輻射的縫隙，以及匹配調(diào)諧結(jié)構(gòu)，所述主傳輸線沿能量傳輸方向劃分為N個(gè)長度相等的區(qū)域，其中N≥2，任一個(gè)區(qū)域n內(nèi)，其中1≤n≤N，所述匹配調(diào)諧結(jié)構(gòu)安裝于所述主傳輸線劃分的每一個(gè)區(qū)域內(nèi)。優(yōu)選方案，所述主傳輸線劃分的第一個(gè)區(qū)域的輸入端口與微波功率源連接，最后一個(gè)區(qū)域的輸出端口與吸收負(fù)載連接。優(yōu)選方案，所述主傳輸線劃分的第一個(gè)區(qū)域的輸入端口與微波功率源連接，最后一個(gè)區(qū)域的輸出端口被短路。優(yōu)選方案，所述漏波天線放以下面方式中的任一種方式置于微波加熱設(shè)備內(nèi)：位于被加熱物質(zhì)外面或埋放在被加熱物質(zhì)內(nèi)。優(yōu)選方案，有2根或2根以上所述漏波天線以下面方式中的任一種方式置于微波加熱設(shè)備內(nèi)：位于被加熱物質(zhì)外面或埋放在被加熱物質(zhì)內(nèi)。由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型用于微波加熱設(shè)備的具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線，是以輻射功率均勻分布為目標(biāo)，得到非均勻的衰減常數(shù)，依據(jù)衰減常數(shù)的分布設(shè)計(jì)得到天線結(jié)構(gòu)尺寸，有效改善了其能量傳輸方向上輻射功率的均勻性。附圖說明下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：圖1為典型的隧道式微波加熱系統(tǒng)；圖2為均勻漏波衰減常數(shù)天線示意圖；圖3為將均勻漏波衰減常數(shù)天線劃分為等長的10段時(shí)，每段區(qū)域的輻射功率占總輸入功率的比例；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的非均勻衰減常數(shù)設(shè)計(jì)示意圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的非均勻衰減量分布；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的微波加熱系統(tǒng)剖視圖；圖7(a)和圖7(b)為本實(shí)用新型實(shí)施例的漏波天線區(qū)域6的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型的用于微波加熱設(shè)備的具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線，包括傳輸能量的主傳輸線，位于傳輸線外壁上形成漏波輻射的縫隙，以及匹配調(diào)諧結(jié)構(gòu)，主傳輸線沿能量傳輸方向劃分為N(N≥2)個(gè)長度相等的區(qū)域，其中，任一個(gè)區(qū)域n(1≤n≤N)內(nèi)，通過控制所述漏波輻射縫隙的尺寸和位置，使該區(qū)域的功率衰減量αn滿足其中是區(qū)域n的輸入功率，為區(qū)域n的輸出功率，Pin為總的輸入功率，也是n＝1區(qū)域的輸入功率，Pd是每個(gè)區(qū)域的漏波輻射功率，每個(gè)所述主傳輸線區(qū)域的漏波輻射功率都Pd是相同的；匹配調(diào)諧結(jié)構(gòu)分別安裝于所述主傳輸線劃分的每一個(gè)區(qū)域內(nèi)。主傳輸線劃分的第一個(gè)區(qū)域的輸入端口與微波功率源連接，最后一個(gè)區(qū)域的輸出端口與吸收負(fù)載連接，所述主傳輸線劃分的任一個(gè)區(qū)域n(1≤n≤N)內(nèi)，所述漏波輻射縫隙產(chǎn)生的輻射功率Pin是第一個(gè)區(qū)域的輸入功率，PL＜Pin是負(fù)載吸收的功率；根據(jù)Pd得到每個(gè)區(qū)域的功率衰減量滿足所述主傳輸線劃分的第一個(gè)區(qū)域的輸入端口與微波功率源連接，最后一個(gè)區(qū)域的輸出端口被短路，所述主傳輸線劃分的任一個(gè)區(qū)域n(1≤n≤N)內(nèi)，所述漏波輻射縫隙產(chǎn)生的輻射功率Pin是第一個(gè)區(qū)域的輸入功率；根據(jù)Pd得到n(1≤n≤N-1)區(qū)域的功率衰減量滿足如圖4所示，沿能量傳輸方向劃分為等長的10個(gè)區(qū)域，輸入功率Pin由第1區(qū)的輸入端口饋入，最終第10區(qū)的輸出端口42輸出功率為PL。PL的選取可根據(jù)具體工程要求確定，不影響本實(shí)用新型的基本技術(shù)特征。本實(shí)施例中PL的取值為則得到每一段的漏波輻射功率將上式代入(1)式中可以計(jì)算得到10個(gè)區(qū)域各自的輻射衰減量如圖5所示，具體數(shù)值如下表。區(qū)域n12345678910衰減量αn0.910.900.890.880.860.840.800.760.680.53依據(jù)10個(gè)區(qū)域的輻射衰減量，結(jié)合微波加熱系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每個(gè)區(qū)域的漏波縫隙。本實(shí)施例的微波加熱系統(tǒng)如圖6所示，包括圓柱狀微波能應(yīng)用器61、具有非均勻衰減常數(shù)的漏波天線62和天線罩63；微波能應(yīng)用器61的一個(gè)端面611開有圓孔，作為微波能輸入口，另一個(gè)端面612也開有相同的圓孔，作為微波能量輸出端；漏波天線62的主傳輸線為圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，圓波導(dǎo)的軸線與微波能應(yīng)用器61的軸線重合；漏波天線62的一端與微波能應(yīng)用器端面611的內(nèi)表面緊密連接，漏波天線62的另一端與微波能應(yīng)用器端面612的內(nèi)表面緊密連接；天線罩63是圓柱狀套筒，包裹在漏波天線62的外面，防止被加熱物質(zhì)通過天線上的縫隙進(jìn)入天線內(nèi)部；天線罩63的外表面與微波能應(yīng)用器61的內(nèi)表面之間的空間64用來盛放被加熱物質(zhì)。本實(shí)施例中，微波能應(yīng)用器61的橫截面直徑約為3個(gè)波長，而軸線方向長度約為12個(gè)波長。漏波天線62的實(shí)施首先要選擇劃分區(qū)域的數(shù)量N。N越大，則每個(gè)區(qū)域的輸入到輸出端之間的功率變化就越小，其輻射場分布沿傳輸方向的均勻性就越好。另一方面，劃分的區(qū)域數(shù)N越大，衰減量的種類就越多，設(shè)計(jì)工作量也隨之增大；同時(shí)每個(gè)區(qū)域的物理長度隨著N的增大而減小，過小的長度會(huì)增加結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難度和加工工作量。因此N的選擇要根據(jù)天線的長度，在均勻性與實(shí)現(xiàn)難度、成本之間做權(quán)衡。本實(shí)施例的漏波天線62長約12個(gè)波長，可以劃分為等長的10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長約1.2倍波長。漏波天線62的各個(gè)區(qū)域采用相似的結(jié)構(gòu)，獨(dú)立加工，可以分別測試。圖7(a)和圖7(b)是區(qū)域6的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域6的漏波天線包括主傳輸線71，漏波輻射縫隙72，匹配調(diào)諧段731和732以及連接法蘭盤741和742。主傳輸線71為圓波導(dǎo)形式；漏波輻射縫隙72由多個(gè)位于主傳輸線71外壁上的細(xì)長型開孔組成，漏波輻射縫隙72完全穿透主傳輸線71的外壁。在縫隙分布區(qū)域的兩端各有長度為LT、直徑為D2的圓波導(dǎo)731和732，實(shí)現(xiàn)匹配調(diào)諧功能。匹配調(diào)諧段731和732的兩端分別與直徑是D1的圓波導(dǎo)連接。本實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)匹配D1>D2。同時(shí)為簡化結(jié)構(gòu)，縫隙72分布區(qū)的主傳輸線直徑也取為D2。本實(shí)施例中漏波輻射縫隙72的開孔是沿著主傳輸線71外壁的圓周方向，孔的輪廓為細(xì)長矩形，矩形的長邊方向垂直于主傳輸線71的軸線方向；漏波輻射縫隙72的輪廓也可以是其他細(xì)長形狀，如細(xì)長橢圓形，它的長軸方向還可以與主傳輸線72的軸線方向呈一定的角度，上述情況均不影響本實(shí)用新型的實(shí)施。本實(shí)施例中區(qū)域6的衰減量為0.84，通過調(diào)節(jié)漏波輻射縫隙72的高度g，長度θ，以及開孔的數(shù)目可以達(dá)到所要求的衰減量。其中縫隙長度θ至少應(yīng)接近矩形波導(dǎo)最低的截止模式要求，在此之上增加θ則衰減量增加；縫隙高度g增大也可以增大衰減量；θ和g的尺寸選擇還要考慮結(jié)構(gòu)加工的可實(shí)現(xiàn)性；如果可實(shí)現(xiàn)的θ和g尺寸仍無法滿足衰減量的要求，則可以增加開孔的數(shù)目以增大衰減量。本實(shí)施例中，針對(duì)915MHz的微波頻率，區(qū)域6縫隙高度是12mm，縫隙長度對(duì)應(yīng)的張角是30°，縫隙之間間隔24mm共6列，每一列在圓周方向均勻分布8個(gè)。漏波輻射會(huì)改變主傳輸線71的阻抗，從而引起失配反射。通過調(diào)整匹配調(diào)諧段731和732的長度LT和直徑D2，可以有效改善失配程度，使主通路駐波比達(dá)到實(shí)用要求。本實(shí)施例中，區(qū)域6的漏波天線兩端通過法蘭盤741和742分別與區(qū)域5和區(qū)域7的漏波天線連接。本實(shí)施例其它區(qū)域的漏波輻射天線結(jié)構(gòu)與區(qū)域6相近，不同之處在于為滿足對(duì)應(yīng)衰減量的要求，選擇不同的縫隙的尺寸、數(shù)目以及匹配調(diào)諧段的長度和直徑，不再逐一說明。如圖6所示的本實(shí)施中，微波能應(yīng)用器61的輸出端口612可以連接匹配負(fù)載，也可以連接短路器，對(duì)輸出端口612的處理視為對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的變型，仍屬于本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍。需要說明的是，由于設(shè)計(jì)、加工以及測量誤差的存在，工程實(shí)現(xiàn)的漏波天線的衰減量會(huì)與(1)式計(jì)算結(jié)果有一定偏差，在工程中可以接受范圍內(nèi)，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍。此外，本實(shí)施例中微波能應(yīng)用器的形狀、尺寸，以及天線罩的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸均不屬于本實(shí)用新型的核心技術(shù)特征，技術(shù)人員可根據(jù)具體工程技術(shù)要求選擇的上述參數(shù)，同樣視為本實(shí)用新型所公開的內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3