CN101586819B - 一种具有金属亚波长结构的微波炉 - Google Patents

Abstract

一种具有金属亚波长结构的微波炉，属于微波加热技术领域，涉及金属亚波长结构电磁学。该微波炉包括微波炉腔、磁控管、波导、微波输出窗口；还包括一个具有金属亚波长结构的介质板，所述具有金属亚波长结构的介质板通过支架固定于微波输出窗口前方的微波炉腔的腔壁上。从磁控管产生的微波能量透过微波输出窗口后先经过介质板上的金属亚波长结构，再辐射到微波炉腔内。通过金属亚波长结构能够使金属表面电子和微波能量耦合，从而有效提高微波能量分布的均匀性。本发明不仅可以有效提高微波炉腔内微波场分布的均匀性，在保障安全性的基础上有效提高微波炉炉腔的空间利用率，还能够有效提高微波炉的能量传输效率和适当降低微波炉的成本。

Description

一种具有金属亚波长结构的微波炉

技术领域

本发明属于微波加热技术领域，涉及金属亚波长结构电磁学，特别涉及一种微波炉。

背景技术

微波炉是利用微波频段电磁能量来加热腔体中食物和饮料的家用器具。微波炉加热食物的原理是通过磁控管把电能转变为微波能后传送给炉腔，在炉腔内建立起一定分布的微波场，当食物处于微波场中时，食物会吸收微波能量而使食物内外同时被加热。微波炉主要由磁控管、波导、微波能量输出窗口、微波炉腔、炉门和配套电路等组成，微波炉基本结构见图1。由磁控管产生的微波能量，总是要经过波导，透过微波炉腔体上的微波输出窗口，进入微波腔体，进而加热食物。根据微波炉设计的不同，微波炉的微波输出窗口可以位于微波炉上面板，微波炉侧面板，或者微波炉底板下方等。

在食物的加热过程中一般总是希望能够受热均匀，对于微波炉而言，要实现这一点，其中关键的就是要求微波能在炉腔内能够均匀分布，这是家用微波炉炉腔设计中一个主要设计指标。实际工厂中对于微波炉炉腔的设计时大多利用矢量网络分析仪和由磁控管厂家定制的馈入天线一起使用才能够通过试验测得微波炉炉腔内的驻波系数大小和雷基图等参数指标。根据微波炉炉腔的大体几何尺寸，采用模式分析理论计算炉腔中存在的模式数的多少，判断炉腔中场分布是否均匀。如果模式数越多，那么场分布就越均匀。同时运用红外热像仪可以迅速直观的测试出微波炉腔内的场分布。通常认为，微波加热装置中微波场的分布不是十分均匀的，这种微波场分布的不均匀性限制了微波炉的推广应用。因为微波场分布的不均匀性一方面会导致被加热物质受热的不均匀，从而导致加热效果的下降；另一方面，微波场分布的严重不均匀时，会使得微波能量集中于某些局部区域，从而可能导致局部区域由于温度过高而带来的安全隐患。由于微波炉炉腔内的结构分布比较复杂，要使微波在微波炉腔内均匀分布，给实际的设计计算带来很大的困难。

常见的解决微波炉腔场均匀分布的方法有：

1、采用加装转盘机构的微波炉设计。

在微波炉腔的底部加装转盘机构，食物和饮料等微波负载放置在转盘上。微波加热时，旋转的转盘带动转盘上的负载搅动微波场分布，使微波场相对微波负载分布均匀。这种方法能使转盘上的微波负载较均匀的吸收到微波能量。但微波炉的腔体一般设计为六面体，在矩形的腔底增加圆形转盘，浪费了微波炉腔体内一部分放置负载的空间。转盘需要马达带动才能进行旋转，设计微波炉电路时必须考虑这些，马达也消耗了一部分电能。

2、采用无转盘机构的微波炉设计。

从磁控管产生的微波能量，若仅仅经由波导输出，经过微波炉腔体上的微波输出窗口进入微波炉腔体，微波炉腔内的场分布显然是不均匀的。采用无转盘微波炉设计时，通常需要在微波输出窗口前加上金属搅拌片。微波能量会先经过旋转的金属搅拌片，再通过微波输出窗口进入微波炉腔。因为金属搅拌片也需要有马达带动旋转，这样会消耗额外的电能；同时，金属搅拌片会反射一部分输入的微波能量，使微波炉的效率下降。微波炉的效率也是衡量微波炉性能的一个重要指标。仅仅追求微波炉腔体内能量的均匀分布却导致了微波炉的效率下降，也是微波炉设计中必须要避免的一个问题。况且，采用这种无转盘加有搅拌片的方法，仍然很难设计出适合的结构，做到微波炉腔腔内微波场的均匀分布。

3.修饰微波炉腔体。

微波在金属制的微波炉腔内会不断反射。在炉腔壁上设计一系列的金属凸起，通过金属凸起反射微波，使炉腔内的微波分布均匀。从波导输出的微波能量分布不均，通过微波输出窗口进入微波炉腔内的微波能量集中在小范围内，是造成微波炉腔内场分布不均的根本原因。在微波炉腔体上修饰金属凸起可以在一定程度上改善微波炉腔内内的场分布，但微波炉腔的设计较复杂，参数很多，进行这类设计时，往往能难达到使微波炉腔内微波场均匀分布的效果。而且，在炉腔壁上设计一系列的金属凸起，如果设计不当，可能引起大火现象，从而带来更加严重的安全事故。

H.A.Bethe的经典电磁波理论认为，无限薄的理想金属薄膜上的亚波长(结构尺度远小于入射光波长)小洞的光学强度正比于小洞半径与入射波长比值的四次方，随着波长的增加而急剧衰减。对于半径比波长小很多的亚波长小洞阵列，透射强度将会变得非常弱，远远小于1。然而，1998年Ebbesen等人在实验上发现了刻蚀在银膜上的亚波长小洞在可见光波段出现的异常透射现象。该实验结果与经典理论结果冲突。近年来人们将这类异常增强透射等光学现象归因于入射光和金属表面自由电子集体振荡之间的耦合。Pendry等人提出，亚波长结构可以由于周期结构提供的动量补偿入射光和表面等离激元(SPP)耦合过程中的动量差，光能可以通过耦合转变为表面等离激元所对应的能量(见图2表面波原理)。

发明内容

本发明基于“亚波长结构可以由于周期结构提供的动量补偿入射光和表面等离激元(SPP)耦合过程中的动量差，光能可以通过耦合转变为表面等离激元所对应的能量”的思想，提供一种具有金属亚波长结构的微波炉。本发明提供的具有金属亚波长结构的微波炉可以有效提高微波炉腔内微波场分布的均匀性，在保障安全性的基础上有效提高微波炉炉腔的空间利用率，还能够有效提高微波炉的能量传输效率和适当降低微波炉的成本。

本发明技术方案如下：

一种具有金属亚波长结构的微波炉，如图3所示，包括微波炉腔1、磁控管2、波导3、微波输出窗口4；还包括一个具有金属亚波长结构的介质板5，所述具有金属亚波长结构的介质板5通过支架6固定于微波输出窗口4前方的微波炉腔1的腔壁上。所述金属亚波长结构为位于介质板5表面且呈周期性分布的二维金属片。单元金属片7的形状是正方形、圆形、方环或圆环；相邻单元金属片之间的距离，即周期性尺寸D的尺寸范围是： $\frac{\mathrm{\λ}}{20}\≤D\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2},$ 其中λ为微波炉的微波波长；金属亚波长结构的占空比，即单元金属片外边界所包围的面积与周期性尺寸面积D²的比值的取值范围是0.5至0.9之间；单元金属片的厚度h大于单元金属片所用金属材料的微波趋肤深度。所述介质板5材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5，具体材料可以是满足复介电常数要求的微晶玻璃、印制电路基板或陶瓷。

为了进一步提高本发明提供的具有金属亚波长结构的微波炉炉腔内微波分布的均匀性，也可在微波输出窗口4和具有金属亚波长结构的介质板5之间增加金属搅拌片。

当磁控管发出的微波能量通过微波输出窗口，微波能量会先经过介质板上的金属亚波长结构，再辐射到微波炉腔内。对于一定尺寸的微波炉腔体，引入亚波长金属结构就等价于引入更多的模式，模式数越多，场分布就越均匀。采用这种概念，仅仅添加了具有亚波长金属结构的介质板，采用现有微波炉腔体设计就能影响微波炉腔内的微波场分布。采用亚波长结构的微波炉设计，不再需要在微波炉腔底添加转盘旋转，就使微波炉腔内的负载均匀吸收到微波。对于无转盘的微波炉，也可以去除微波输入窗口前的搅拌片，或者改变搅拌片的结构，减少金属搅拌片的微波能量损耗。平面介质板上的二维亚波长金属结构的结构参数均可调，也为微波炉的设计提供了一种简便有效的新途径，将有助于提高微波炉炉腔的设计能力。

本发明提供的具有金属亚波长结构的微波炉，金属亚波长结构能够使金属表面电子和微波能量耦合，从而改变微波能量的分布。从磁控管产生的微波能量，透过微波输出窗口进入微波炉腔体，微波能量会先经过介质板上的金属结构，再辐射到微波炉腔内。通过调控介质板上的亚波长金属周期结构的结构参数，可以有效的改变微波炉腔体内的微波场分布。

需要说明的是：

1.金属亚波长的结构参数(包括金属尺寸、周期等)均远小于微波的波长，金属的结构参数与微波波长的比值d/λ介于1/2～1/20之间。为了节约成本，希望单元金属片的厚度h越小越好，但至少应该大于或最好不小于单元金属片所用金属材料的微波趋肤深度的十倍。金属亚波长结构的占空比，即单元金属片外边界所包围的面积与周期性尺寸面积D²的比值的取值范围是0.5至0.9之间。

2.介质板上的亚波长金属周期结构可以通过粘贴、丝网印刷、蒸发镀膜或溅射镀膜等方法制备于介质板的表面。

3.介质板材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5，这样微波可以低损耗的透过介质板上的亚波长周期金属结构，基本不影响负载的微波使用和吸收。

4.在微波炉中放入具有亚波长周期金属结构的介质板后，能有效的影响微波能量的分布。从磁控管产生的微波能量，透过微波炉腔体上的微波输出窗口进入微波炉腔。微波能量先经过介质板上的亚波长金属结构，再向微波炉腔体内辐射。微波炉腔内的微波的空间分布变均匀。

5.该介质板上金属亚波长结构的结构参数，包括金属片大小，周期，占空比，金属厚度等，在一定范围内均可调。改变参数可以得到微波炉腔内不同的三维空间的微波场分布。

6.在现有的微波炉腔体的微波能量输出窗口前，添加具有亚波长金属结构的介质板就可以起到改善微波炉腔内微波场分布的效果，不必再采用转盘设计，带动负载旋转而搅动微波炉腔的微波场。也可以结合亚波长金属结构和微波炉腔体进行设计，改变无转盘微波炉的微波输出窗口前的搅拌片设计，达到微波炉腔内微波能量均匀性和微波效率的统一。

综上所述，本发明提供的具有金属亚波长结构的微波炉可以有效提高微波炉腔内微波场分布的均匀性，在保障安全性的基础上有效提高微波炉炉腔的空间利用率，还能够有效提高微波炉的能量传输效率和适当降低微波炉的成本。

附图说明

图1微波炉基本结构示意图。其中，1是微波炉腔，2是磁控管，3是波导，4是微波输出窗口。

图2是由于金属表面的电子和亚波长金属结构发生耦合而在金属表面形成的表面波的示意图。经典电磁波理论中，不能透过亚波长结构的电磁波可以因为这种方式实现异常增强透射。

图3本发明具有金属亚波长结构的微波炉的结构示意图。其中，1是微波炉腔，2是磁控管，3是波导，4是微波输出窗口，5是具有金属亚波长结构的介质板，6是支架。

图4是一种具有金属亚波长结构的介质板结构示意图。5是具有金属亚波长结构的介质板，7是金属亚波长结构的单元金属片。

图5现有某款无转盘微波炉的底部微晶板上的温度分布测试结果。红外热成像仪的结果表明，微波炉腔内的温度分布、微波场分布不均匀。

图6在微晶玻璃底板上引入如图4所示的金属亚波长结构后，温度分布、微波场分布变得相对均匀。

图7多杯试验示意图。在微波炉底板上，如图所示的位置放置5个杯子，每个杯子均盛100g水。用相当于50kWs的输出能量工作一段时间。多杯试验可以判断微波炉腔内的微波场分布均匀性。

具体实施方式

根据亚波长结构设计的微波炉，设计和制作时采用下面的步骤：

步骤1：

仿真金属亚波长结构，确定介质板上的周期结构和结构尺寸。仿真时需要考虑用金属亚波长结构的尺寸、金属以及介质板的损耗等材料特性。调整仿真参数，使微波能低损耗的透过介质板上的金属亚波长结构，不影响负载的微波使用和吸收，同时得到比较均匀的微波场分布。

步骤2：

根据步骤1的仿真结果，采用优化的结构参数在介质板上制作金属亚波长结构。可采用粘合、丝网印刷、蒸发镀膜或溅射镀膜等方法制作金属亚波长结构。

步骤3：

将制好的具有亚波长金属结构的介质板放置在微波炉腔体内，固定在微波能量输出窗口前。对于不同的微波能量输出窗口(位于上面板，侧面板或底板等)，要求从磁控管发出的微波能量，经过波导传播到微波输出窗口处，经由输出窗口进入微波炉腔，先经过介质板上的亚波长金属结构，再辐射到微波炉腔体内。

步骤4：

进行微波炉分析实验。根据矢量网络分析仪的结果，红外热像仪的结果，以及家用微波炉性能试验方法中华人民共和国国家标准(GB/T18800-2008/IEC 60806：2006)中规定的微波功率确定、多杯实验等方法，证明在微波炉腔内制备有亚波长金属结构的介质板，确实具有不影响微波炉效率，以及改变微波炉腔内微波场分布的作用。

反复重复步骤1、2、3和4，优化金属亚波长结构的结构参数，使微波炉的效率和微波炉腔内的微波场分布的均匀性达到较好的统一。

应用举例

某款无转盘，2450MHz频率的家用微波炉。图5显示了这款微波炉的微晶玻璃底板上的温度分布不均匀、微波场分布不均匀的情况。如图5所示的微晶玻璃底板上的局部高温，可能会导致微晶玻璃板炸盘等危险情况。我们对该款微波炉进行了具有金属亚波长结构的设计和改造，并做了微波炉分析实验。

1.计算机仿真，矢网结果确定参数

根据仿真结果确定的结构参数，在微晶玻璃板上制备了图4所示的亚波长二维正方结构的铝箔片阵列。仿真和矢网的结果均证明，该结构对微波的损耗小于3dB，且微波能量能经过介质板上的铝箔阵列后，大部分微波能量向微波炉腔中辐射，而不是反射回去。

2.安装具有亚波长金属结构的介质板

采用的无转盘微波炉，微波能量输出窗口位于微波炉底部。将分布有铝箔片阵列的微晶玻璃板放置在微波能量输出窗口上方。微波能量经由微波输出窗口进入微波炉腔后，先经过微晶玻璃板上的铝箔片阵列，再辐射到微波炉腔体内。

3.微波炉分析实验

图5和图6是在同样的微波功率下、同样时间后得到的空载时微波炉腔内的温度分布。如图6所示的，在微晶玻璃底板上制有二维金属周期结构后，图5中原有的局部高温区域发生了移动，且图6中微晶玻璃板上大部分区域的温度分布比较均匀。

在微波炉腔内加负载(1000ml水)后，在微波炉腔内加入介质板上的亚波长金属结构后，微波炉的总效率仍高于60％，与微晶玻璃盘的情况基本一致。

对微晶玻璃盘和加有铝箔结构的微晶盘进行微波炉的多杯实验。水杯的放置位置见图7。

根据家用微波炉性能试验方法中华人民共和国国家标准(GB/T18800-2008/IEC60806：2006)，微波炉腔内的均匀性被定义为：

其中T_max和T_min分别代表试验结束后五杯水的最高温度和最低温度，T是五杯水的平均温度。计算出的均匀性越高，证明微波炉腔内的微波分布的均匀性越好。

实验结果证明，在微晶玻璃板上制有亚波长金属周期结构后，微波炉腔内的场分布均匀性可由原本的40％左右调整到70％以上，微波场分布变均匀。

Claims (3)

1.一种具有金属亚波长结构的微波炉，包括微波炉腔(1)、磁控管(2)、波导(3)、微波输出窗口(4)；其特征在于，还包括一个具有金属亚波长结构的介质板(5)，所述具有金属亚波长结构的介质板(5)通过支架(6)固定于微波输出窗口(4)前方的微波炉腔(1)的腔壁上；

所述金属亚波长结构为位于介质板(5)表面且呈周期性分布的二维金属片；单元金属片(7)的形状是正方形、圆形、方环或圆环；相邻单元金属片之间的距离，即周期性尺寸D的尺寸范围是： $\frac{\mathrm{\λ}}{20}\≤D\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2},$ 其中λ为微波炉的微波波长；金属亚波长结构的占空比，即单元金属片外边界所包围的面积与周期性尺寸面积D²的比值的取值范围是0.5至0.9之间；单元金属片的厚度h大于单元金属片所用金属材料的微波趋肤深度；所述介质板(5)材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5。

2.根据权利要求1所述的具有金属亚波长结构的微波炉，其特征在于，所述介质板(5)的具体材料是满足复介电常数要求的微晶玻璃、印制电路基板或陶瓷。

3.根据权利要求1所述的具有金属亚波长结构的微波炉，其特征在于，所述微波输出窗口(4)和所述具有金属亚波长结构的介质板(5)之间具有金属搅拌片。

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