CN111372343A

CN111372343A - 分布式微波相位控制方法

Info

Publication number: CN111372343A
Application number: CN201811598549.XA
Authority: CN
Inventors: 黄家靖; 蔡岳霖; 陈叡宏
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-07-03

Abstract

本发明公开一种分布式微波相位控制方法，包括：令多个相控功率模块通过各输入端口将微波输入至腔室中，进而使腔室中的微波呈现第一电场分布；以及令各相控功率模块调整各输入端口输入至腔室的微波的相位，使得腔室中的微波因相位的变化产生与第一电场分布呈现互补的第二电场分布。

Description

分布式微波相位控制方法

技术领域

本发明涉及微波控制技术，尤其是涉及一种分布式微波相位控制方法。

背景技术

传统微波加热技术是利用磁控管产生微波来对被加热物进行加热，然而此种加热方式的微波的电场强弱分布容易不均匀，使被加热物位于弱电场区的部分会因吸收强度较弱的电场而产生无显著加热的低受热区，而被加热物位于强电场区的部分会因吸收强度较强的电场而产生显著加热的高受热区，因此造成被加热物经过微波加热后形成加热不均匀的状况。

此外，为提高该被加热物于该低受热区的温度，一般可通过机械式转盘或微波搅拌器来改变该电场强弱分布，但其效果仍然有限。

因此，如何有效进行区域性加热或者整体性的均匀加热，实为目前业界所亟待解决的课题之一。

发明内容

本发明提供一种分布式微波相位控制方法，可有效进行区域性加热或者整体性的均匀加热。

本发明的分布式微波相位控制方法包括：提供内部具有一腔室的壳体，且于壳体上形成有多个连通腔室的输入端口；令多个相控功率模块通过各输入端口将微波输入至腔室中，以使腔室中的微波呈现第一电场分布；以及令各相控功率模块调整各输入端口输入至腔室的微波的相位，使得腔室中的微波因相位的变化产生与第一电场分布呈现互补的第二电场分布。

由上述可得知，本发明利用在壳体上形成分布式的输入端口阵列，再通过相控功率模块提供不同相位的微波给输入端口输入至腔室，可主动(有源)式的控制腔室内的微波于不同阶段的电场强弱分布的转换，并使得腔室内的微波于不同阶段的电场彼此呈现互补式电场分布，使腔室内的被加热物从不同阶段的互补式的电场分布中得到更加均匀的受热，进而改善传统加热器加热不均匀的现象。

附图说明

图1为应用本发明的分布式微波相位控制方法的***示意图；

图2为本发明的分布式微波相位控制方法的示意流程图；

图3为本发明的输入端口于矩形的壳体上的第一实施例的透视图；

图4为本发明图3的腔室的电场分布图；

图5为本发明图4的腔室大小为2λ*2λ*1λ时的输入端口port1与输入端口port2之间的电场曲线图；

图6为本发明的相位匹配波的示意图；

图7为本发明图4的相位匹配波于循环中的电场分布图；

图8为本发明图3所示的腔室中放置一圆心薄片的被加热物的示意图；

图9为本发明图8的被加热物的温度分布图；

图10为本发明的输入端口于矩形的壳体上的第二实施例的透视图；

图11为本发明图10的被加热物的温度分布图；

图12为本发明的输入端口于矩形的壳体上的第三实施例的透视图；

图13为本发明图12的腔室的剖视电场分布图；以及

图14为本发明的圆柱形的壳体的示意图。

符号说明

1 壳体

2 相控功率模块

3 串行外设接口

4 微处理器

5 腔室

6 被加热物

7 载台

8 电场分布

51 第一电场曲线

52 第二电场曲线

61 驻波

62 相位匹配波

A 节点

B 波峰

C 波谷

Port 输入端口

S1～S4 步骤。

具体实施方式

以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需知，本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「第一」、「第二」及「第三」等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，其为应用本发明的分布式微波相位控制方法的***示意图，该***包括：壳体1，内部具有一腔室5；多个输入端口(port)，其位于壳体1上且连通该腔室；多个相控功率模块2，其连接各该输入端口，以提供微波至各该输入端口，使各该输入端口将该微波输入至腔室5中；串行外设接口3，其与各该相控功率模块2连接；以及微处理器4，其与串行外设接口3连接，并通过串行外设接口3控制各个相控功率模块2所输出的微波的功率及相位。

请参阅图2，其为本发明的分布式微波相位控制方法的示意流程图，包括：在步骤S1中，提供内部具有一腔室5的壳体1；在步骤S2中，在壳体1上形成多个连通该腔室5的输入端口；在步骤S3中，令多个相控功率模块2提供微波至各该输入端口，以由该输入端口将该微波输入至该腔室5中，进而使该腔室5中的微波呈现第一电场分布；以及在步骤S4中，令各该相控功率模块2调整各该输入端口输入至该腔室的微波的相位，使得该腔室中的微波因相位的变化产生与该第一电场分布呈现互补的第二电场分布。

在一实施例中，壳体1为矩形、圆柱形或多边形，但不以此为限。

请参阅图3，其为在矩形的壳体1上设有多个输入端口(port)的第一摆设实施例的透视图，其中，在壳体1设有上下左右彼此对称的环形阵列的输入端口port1至port4。

在一实施例中，壳体1的腔室5的设计尺寸为：腔室5的Z轴长度为整数倍λ(微波波长)，而腔室5的X及Y轴的长度为整数倍λ或该整数倍λ再加上0.5λ，但不以此为限。

请参阅图4，其为本发明于图3的壳体1执行分布式微波相位控制方法中的步骤S3与步骤S4的电场分布图，其中，1[1,0]是指port1[峰值功率大小为1瓦,微波的相位为0度]，其他依此类推，另该壳体1的腔室5的尺寸依照该腔室5大小的设计的规则可分四种，第一种为1.5λ*1.5λ*1λ的倍数，第二种为2λ*2λ*1λ的倍数，第三种为2.5λ*2.5λ*1λ的倍数，第四种为3λ*3λ*1λ的倍数。

由图4可知电场分布图依不同灰度色区分不同的电场强度，其中，灰度色由浅至深代表电场强度由低至高，而第一电场分布与第二电场分布互补是指第二电场分布图与第一电场分布图叠在一起时，第一电场分布图中(例如中间区域)的弱电场区重叠于第二电场分布图中(例如中间区域)的强电场区，或是第二电场分布图中(例如中间区域)的弱电场区重叠于第一电场分布图中(例如中间区域)的强电场区。

所述步骤S3令各相控功率模块2提供同相位的微波至各输入端口port1至port4，使各输入端口port1至port4将同相位的微波输入至腔室5中，进而使腔室5中的微波呈现第一电场分布，其中，第一电场分布呈驻波形式。

在一实施例中，所述步骤S4令各相控功率模块2将相对称的输入端口所输入至腔室的微波调整成互为相反相位(如相对称的port1及port3输入互为0或180度的相反相位的微波)，使得腔室中的微波因相位的变化产生与第一电场分布呈现互补的第二电场分布，其中，第二电场分布为驻波形式。

在一实施例中，所述步骤S4令各相控功率模块2将相邻的输入端口所输入至腔室的微波调整成互为相反相位(如相邻的port1及port2输入互为0或180度的相反相位的微波)，使得腔室中的微波因相位的变化产生与第一电场分布呈现互补的第二电场分布，其中，第二电场分布为驻波形式。

在一实施例中，所述步骤S4令各相控功率模块2将沿壳体1的各方位角度的方向上的各输入端口(如port1至port4)的微波，依序调整为具有一相位差，使得腔室中的微波因相位的变化产生相位匹配波形式的第二电场分布。

请参考图5，其为图4的腔室5大小为2λ*2λ*1λ时的输入端口port1与输入端口port2之间的电场曲线图。

第一电场曲线51代表输入端口port1至port4的微波的相位为同相位时，位于输入端口port1与输入端口port2之间的驻波形式的电场曲线，第二电场曲线52代表输入端口port1至port4的相邻输入端口为相反相位时，位于输入端口port1与输入端口port2之间的驻波形式的电场曲线，其中，电场曲线的节点A代表弱电场区，位于强电场区中的波峰B或波谷C为强电场区中的较高电场值，相对的，强电场区越接近节点A的电场值越小。

由图5可知第一电场曲线51的节点A的位置在第二电场曲线52时是位于强电场区，而第二电场曲线52的节点A的位置在第一电场曲线51时是位于强电场区，换言之，电场曲线的互补的定义即为第一电场曲线51与第二电场曲线52彼此重叠时，第一电场曲线51的节点A的位置位于第二电场曲线52的强电场区，或是第二电场曲线52的节点A的位置位于第一电场曲线51的强电场区。需理解的是，由于驻波为原地震荡，故驻波的节点位置不会随时间改变，其次，由于输入端口port为微波馈入处，因此，驻波形式的第一电场曲线51与第二电场曲线52位于输入端口port1及输入端口port2边界为最高电场值的波峰B或波谷C。此外，由图5可见，第一电场曲线51及第二电场曲线52在输入端口port1及输入端口port2之间的中间区域呈现大致上互补的分布。

请参考图6，其为本发明的相位匹配波的示意图，图6中的壳体1为图3的壳体1的平面图，假设输入端口port1所提供的微波的相位为0度、输入端口port2所提供的微波的相位为90度、输入端口port3所提供的微波的相位为180度、输入端口port4所提供的微波的相位为270度，细箭头所示的驻波61形式的微波会由相位低的输入端口往相位高的输入端口传输，且输入端口port1至port4以环形阵列设置在壳体1上，因此，如细箭头所标示的驻波61形式的微波会从输入端口port1至输入端口port4产生循环，形成粗箭头所示的相位匹配波62，由于相位匹配波62会在循环的路径进行移动，因此，相位匹配波62的节点位置会随时间改变。

请参阅图7，其为本发明图4的相位匹配波于图3的腔室5中循环的第二电场分布图，图7中的相位匹配波的四个实施例为每隔45度呈现相位匹配波在腔室5中的循环，其中，相位匹配波在第一实施例时，相位匹配波位于输入端口port1至port4的相位分别为0、90、180及270度，相位匹配波在第二实施例时，相位匹配波位于输入端口port1至port4的相位分别为45、135、225及315度，相位匹配波在第三实施例时，相位匹配波位于输入端口port1至port4的相位分别为90、180、270及0度，相位匹配波在第四实施例时，相位匹配波位于输入端口port1至port4的相位分别为135、225、315及45度。

从图7可知相位匹配波在腔室5中循环的四个实施例的第二电场分布图与图4的第一电场分布图产生的能量大致上呈现互补。

在一实施例中，相位匹配波若欲在腔室5内有更均匀的分布，也就是说其电场分布具有最佳几何对称的特性，其输入端口的微波的相位差的设计方式为：沿腔室方位角度方向一圈有N个输入端口，若相邻输入端口之间相位差相同，则相位差约为(360/N)度或其倍数，若相位差不同，则输入端口两两相位差相加的角度和约为360度或其倍数。

以在图3的腔室5中设计更均匀分布的相位匹配波为例，由于图3的沿腔室5方位角度方向一圈有4个输入端口，每个输入端口之间的相位差的较佳设计为360度/4＝90度，4个输入端口的微波的相位分别为0、90、180及270度，由此可知，形成图4的该相位匹配波的输入端口port1至port4之间的相位差即为较佳的设计。

在一实施例中，相位匹配波不限于由图3所示的上下左右彼此对称的环形阵列的输入端口port1至port4所提供，也可由非对称的环形阵列的输入端口所提供，例如于图3所示的壳体1上形成沿腔室5绕一圈有6个非对称的环形阵列的输入端口，其每个输入端口之间的相位差的较佳设计为360度/6＝60度，6个输入端口的微波的相位分别为0、60、120、180、240及300度。

请参阅图8，其于图3所示的腔室5中放置一圆形薄片的被加热物6。

请同时配合参阅图9，其为本发明于图8的被加热物6进行三种加热方式的温度分布图，其中，圆形粗线代表被加热物6，且该温度分布图依不同灰度色区分不同的温度，其中，该灰度色由浅至深代表温度由低至高。

第一种加热方式：进行步骤S3，令各相控功率模块2将各输入端口port1至port4输入至腔室5中的微波调整为同相位且功率100W，并持续300秒输入至腔室5对被加热物6进行加热。由图9中可知被加热物6被第一种加热方式持续300秒加热后的温度分布高低相差74.4度。

第二种加热方式：进行步骤S4，令各相控功率模块2将各输入端口port1至port4输入至腔室5中的微波调整为相位匹配波且功率100W，并持续300秒输入至腔室5对被加热物6进行加热。由图9中可知被加热物6被第二种加热方式持续300秒加热后的温度分布高低相差47.4度。

第三种加热方式：进行第一种加热方式持续150秒及第二种加热方式持续150秒，由图9中可知采用第一种加热方式及第二种加热方式的配合应用对被加热物6加热后的温度分布高低相差只34.4度，由此可知，步骤S3及步骤S4的配合应用可改善单独进行步骤S3或步骤S4后的被加热物6的温度分布差异甚大的问题，换言之，在固定的加热时间内采用步骤S3及步骤S4的配合应用可大大降低被加热物6的温差。

请参阅图10，其为在矩形的壳体1上设有多个输入端口的第二实施例的透视图，其中，在矩形壳体1的六个面上形成彼此对称的三维阵列的输入端口port1至port6，且于腔室5中放置一球形的被加热物6。

请同时配合参阅图11，其为本发明于图10的被加热物6进行三组方式加热的温度分布图，其中，圆形粗线代表被加热物6，且该温度分布图依不同灰度色区分不同的温度，其中，灰度色由浅至深代表温度由低至高。

第一组加热方式：进行步骤S3，其中，令各相控功率模块2对各输入端口port1至port6输入至腔室5中的微波调整为同相位且功率100W，并持续300秒输入至腔室5对被加热物6进行加热。由图11中可知被加热物6被第一组加热方式持续加热300秒后的温度分布高低相差46.4度。

第二组加热方式：进行步骤S4，其中，先将输入端口中的至少一组对称的输入端口port5及port6接至匹配端(在一实施例中，匹配端可为阻抗，但不以此为限)，以令至少一组对称的输入端口port5及port6不提供微波输入至腔室5，接着令各相控功率模块2将相邻的输入端口port1至port4输入至腔室的微波调整为彼此互为相反相位且功率100W，并持续300秒输入至腔室5对被加热物6进行加热。由图11中可知被加热物6被第二组加热方式持续加热300秒后的温度分布高低相差25.3度。

第三组加热方式：进行第一组加热方式持续100秒及第二组加热方式持续200秒，由图11可知采用第一组加热方式及第二组加热方式的配合应用对被加热物6加热后的温度分布高低相差仅17.2度，由此可知，步骤S3及步骤S4的配合应用可改善单独进行步骤S3或步骤S4后的被加热物6的温度分布差异甚大的问题，换言之，在固定的加热时间内采用步骤S3及步骤S4的配合应用可大大降低被加热物6的温差。

请参阅图12，其为在矩形的壳体1上设有多个输入端口(port)的第三实施例的透视图，其中，在壳体1上形成左右彼此对称的线阵列的输入端口port1至port2，且于腔室5的中心底部附有一载台7及于载台7上的被加热物6。

请同时配合参阅图13，其为本发明的图12的输入端口port1至port2在调整微波的相位后，腔室的剖视电场分布图，图13所示的电场分布图依不同灰度色区分不同的电场强度，该灰度色由浅至深代表电场强度由低至高，而虚线圆圈代表位于被加热物6表面的强电场区，由图13可知位于被加热物6表面的强电场区的位置会随着输入端口port1至port2的微波的相位的调整而产生位移，因此，通过微波相位于不同阶段的调整，可使得腔室5内的微波于不同阶段的电场产生彼此呈现互补式电场分布，以使被加热物6从该不同阶段的互补式电场分布中得到更加均匀的受热，换言之，本发明的分布式微波相位控制方法也可于步骤S3中改变各输入端口的微波的相位，只要步骤S4的腔室5的电场分布图与步骤S3的腔室5的电场分布图呈现互补形式即为本发明的精神所在，再者，本发明的分布式微波相位控制方法所适用的多个输入端口于壳体1上的摆设方式也不限于上述几种，例如多个输入端口于壳体1上的摆设方式也可为非对称式的三维阵列或环形阵列，但不以此为限。

请参阅图14，其为本发明应用于圆柱形的壳体1的示意图，其中，圆柱形的壳体1上可分层设置多个输入端口的阵列，△Φ1至△Φ4表示为单层的各输入端口所提供的微波的相位，△θ1与△θ2代表各层之间的微波的相位差，而由输入端口提供的微波所产生的电场分布8中，S所指的圈代表强电场区而W所指的圈代表弱电场区，通过本发明的分布式微波相位控制方法即可对该强电场区与该弱电场区的分布进行切换，进而使该电场分布中的被加热物能够更加均匀受热。

由上述可得知，本发明利用在壳体上形成分布式的输入端口阵列，再通过相控功率模块提供不同相位的微波由输入端口输入腔室，可主动式的控制腔室内的微波于不同阶段的电场强弱分布的转换，并使得腔室内的微波于不同阶段的电场彼此呈现互补式电场分布，以使腔室内的被加热物从不同阶段的互补式电场分布中得到更加均匀的受热，进而改善传统加热器加热不均匀的现象。

上述实施例仅用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟习此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种分布式微波相位控制方法，其特征在于，包括：

提供内部具有腔室的壳体，且于该壳体上形成有多个连通该腔室的输入端口；

令多个相控功率模块通过该输入端口将微波输入至该腔室中，以使该腔室中的微波呈现第一电场分布；以及

令各该相控功率模块调整各该输入端口输入至该腔室的微波的相位，使得该腔室中的微波因相位的变化产生与该第一电场分布呈现互补的第二电场分布；

其中，与该第一电场分布呈现互补的第二电场分布是指该第二电场分布图与该第一电场分布图相叠时，该第一电场分布图的中间区域中的弱电场区重叠于该第二电场分布图的中间区域中的强电场区，或该第二电场分布图的中间区域中的弱电场区重叠于该第一电场分布图的中间区域中的强电场区。

2.根据权利要求1所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该壳体上形成有对称式阵列的多个输入端口。

3.根据权利要求2所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，各该相控功率模块提供同相位的微波至各该输入端口，使各该输入端口将该同相位的微波输入至该腔室中，进而使该腔室中的微波呈现该第一电场分布。

4.根据权利要求3所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，各该相控功率模块将相对称的该输入端口输入至该腔室的微波调整成互为相反相位，使得该腔室中的微波因相位的变化产生与该第一电场分布呈现互补的第二电场分布，其中，该第一电场分布及该第二电场分布呈驻波形式，且该驻波的节点位置不随时间改变。

5.根据权利要求3所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，各该相控功率模块将相邻的该输入端口输入至该腔室的微波调整成互为相反相位，使得该腔室中的微波因相位的变化产生与该第一电场分布呈现互补的第二电场分布，其中，该第一电场分布及该第二电场分布呈驻波形式，且该驻波的节点位置不随时间改变。

6.根据权利要求5所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，在产生该第一电场分布后，将该输入端口中的至少一组对称的输入端口接至匹配端，以令该至少一组对称的输入端口不提供微波输入至该腔室，接着令各该相控功率模块将相邻的该输入端口输入至该腔室的微波调整为彼此互为相反相位。

7.根据权利要求3所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，各该相控功率模块将沿该壳体的各方位角度的方向上的各该输入端口的微波，依序调整为具有相位差，使得该腔室中的微波因相位的变化产生该第二电场分布。

8.根据权利要求7所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该相位差的设计方式为沿该壳体的各方位角度的方向上有N个该输入端口，则该相位差为(360/N)度或其倍数。

9.根据权利要求7所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该第一电场分布为驻波形式，而该第二电场分布为相位匹配波形式，其中，该驻波的节点位置不随时间改变，而该相位匹配波的节点位置随时间改变。

10.根据权利要求1所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该壳体及腔室为矩形、圆柱形或多边形。

11.根据权利要求2所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该对称式阵列为线阵列、三维阵列或环形阵列。

12.根据权利要求1所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该壳体上形成有非对称式阵列的多个输入端口。

13.根据权利要求12所述的分布式微波相位控制方法，其特征在于，该非对称式阵列为三维阵列或环形阵列。