DE102015104523A1 - Method for controlling a microwave cooking appliance and microwave cooking appliance - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellen-Gargeräts (2) mit den folgenden Schritten: einer erste Antenne (16; 101) und mindestens einer zweiten Antenne (15) wird Mikrowellenstrahlung zugeführt, die von einem Halbleiterverstärker (10, 11) stammt und von den Antennen (16, 15) in einen Garraum (3) des Gargeräts (2) eingestrahlt wird. Ein rücklaufendes Signal, das vom Garraum (2) in die Antenne (16, 15) eingekoppelt wurde, wird erfasst. Die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung der beiden Antennen (16, 15) relativ zueinander wird so gesteuert, dass die Leistung des rücklaufenden Signals minimiert ist. Die Erfindung betrifft auch ein Gargerät mit einem Mikrowellengenerator (25), mindestens einem Halbleiterverstärker (10, 11), mindestens zwei Antennen (16, 15), die Mikrowellenstrahlung in den Garraum (3) einkoppeln können, mindestens einem Phasenschieber (20), der mindestens einer der Antennen (16, 15) zugeordnet ist, und einer Steuerung (30), die mit dem Phasenschieber (20) gekoppelt ist, um die Phasenlage des an eine der Antennen (16, 15) gelieferten Signals relativ zur Phasenlage des an eine andere Antenne (16, 15) gelieferten Signals zu variieren.The invention relates to a method for controlling a microwave cooking appliance (2) with the following steps: a first antenna (16, 101) and at least one second antenna (15) are supplied with microwave radiation originating from a semiconductor amplifier (10, 11) and from the antennas (16, 15) in a cooking chamber (3) of the cooking appliance (2) is irradiated. A returning signal which has been coupled from the cooking chamber (2) into the antenna (16, 15) is detected. The phase angle of the microwave radiation of the two antennas (16, 15) relative to each other is controlled so that the power of the returning signal is minimized. The invention also relates to a cooking appliance with a microwave generator (25), at least one semiconductor amplifier (10, 11), at least two antennas (16, 15), which can couple microwave radiation into the cooking chamber (3), at least one phase shifter (20) at least one of the antennas (16, 15) is associated, and a controller (30) which is coupled to the phase shifter (20) to the phase angle of the signal supplied to one of the antennas (16, 15) relative to the phase position of the at other antenna (16, 15) supplied signal to vary.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellen-Gargeräts sowie ein Mikrowellen-Gargerät. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere Mikrowellen-Gargeräte für den professionellen Einsatz, wie sie in Kantinen, Restaurants und der Großgastronomie verwendet werden.The invention relates to a method for controlling a microwave cooking appliance and a microwave cooking appliance. The invention particularly relates to microwave cooking appliances for professional use, as used in canteens, restaurants and large catering.

Es ist seit Langem bekannt, dass Nahrungsmittel mit Mikrowellenstrahlung gegart werden können. Meist wird die Mikrowellenstrahlung mittels eines Magnetrons erzeugt. It has long been known that food can be cooked with microwave radiation. Most of the microwave radiation is generated by means of a magnetron.

Es ist mittlerweile auch bekannt, dass Mikrowellenstrahlung zum Garen von Nahrungsmitteln dadurch erzeugt werden kann, dass ein von einem Mikrowellengenerator bereitgestelltes Hochfrequenzsignal von einem Halbleiterverstärker verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Halbleiterverstärkers kann über eine oder mehrere Antennen in einen Garraum des Gargeräts eingekoppelt werden. It is now also known that microwave radiation for cooking food can be produced by amplifying a high frequency signal provided by a microwave generator from a semiconductor amplifier. The output signal of the semiconductor amplifier can be coupled via one or more antennas in a cooking chamber of the cooking appliance.

Ein Beispiel für ein solches Gargerät, bei dem die Halbleitertechnologie verwendet wird, findet sich in der US 8,338,763 B2 . Hierin ist beschrieben, dass die Feldverteilung im Garraum gemessen und für die Steuerung der Feldverteilung genutzt wird, um ein möglichst gleichmäßiges Garergebnis zu erzielen. Die Signale, die für die Feldüberwachung genutzt werden, sind bestimmten Moden im Garraum zugwiesen. An example of such a cooking appliance using semiconductor technology can be found in US Pat US 8,338,763 B2 , It is described here that the field distribution in the cooking chamber is measured and used for controlling the field distribution in order to achieve the most uniform possible cooking result. The signals used for field monitoring are assigned to certain modes in the cooking chamber.

Dieser Ansatz ist aufgrund der Größe des Garraums in einem professionellen Gargerät, beispielsweise einem Combi-Dämpfer, kaum einsetzbar. Kleinste Änderungen der Garraumgeometrie z.B. durch Zubehör, führen zu unvorhersehbaren Änderungen der Feldverteilung im Garraum und erschweren daher die Nutzung der Messsignale erheblich.This approach is due to the size of the cooking chamber in a professional cooking appliance, such as a combi-damper, hardly usable. Smallest changes in the cooking space geometry, e.g. with accessories, lead to unpredictable changes in the field distribution in the oven and therefore complicate the use of the measurement signals considerably.

In der US 2013/0334215 A1 ist beschrieben, dass in einem Mikrowellengerät mit einer Mehrzahl von Antennen im Garraum über die Anpassung der Impedanz der Leitungen zu den Antennen der Wirkungsgrad und damit die in das Gargut gekoppelte Leistung maximiert werden kann. In the US 2013/0334215 A1 is described that in a microwave oven with a plurality of antennas in the cooking chamber on the adaptation of the impedance of the lines to the antennas, the efficiency and thus the power coupled to the food can be maximized.

Allerdings beschränkt sich die Anpassung an Reflektionen aus dem Garraum auf eine Anpassung der Leitungsimpedanz oder eines Anpassungsnetzwerks, das aus schaltbaren Spulen und/oder Kondensatoren besteht. However, the adaptation to reflections from the cooking chamber is limited to an adaptation of the line impedance or a matching network, which consists of switchable coils and / or capacitors.

In der WO 2011/058538 ist das Garen mittels Mikrowellen beschrieben. Diskutiert werden mehrere Anwendungsfälle, in den sogenannte „Modulation Space Entities“ (MSE) als Mess- und Steuerwerte für die Steuerung des Garprozesses mit Mikrowellen genutzt werden. Zu einer „MSE“ zählen Frequenz, Amplitude und Phase. In the WO 2011/058538 Cooking is described by means of microwaves. Several applications are discussed in which so-called "Modulation Space Entities" (MSE) are used as measurement and control values for controlling the cooking process with microwaves. An "MSE" includes frequency, amplitude and phase.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Garen mit Mikrowellen sowie ein Mikrowellen-Gargerät zu schaffen, mit denen der Wirkungsgrad eines Mikrowellen-Garprozesses optimiert werden kann.The object of the invention is to provide a method for cooking with microwaves and a microwave cooking appliance, with which the efficiency of a microwave cooking process can be optimized.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellengargeräts mit den folgenden Schritten vorgesehen: Einer ersten und mindestens einer zweiten Antenne wird Mikrowellenstrahlung zugeführt, die von einem Halbleiterverstärker stammt und von den Antennen in einen Garraum des Gargeräts eingestrahlt wird. Dann wird ein rücklaufendes Signal, das vom Garraum in die Antenne eingekoppelt wurde, erfasst. Anschließend wird die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung der beiden Antennen relativ zueinander so gesteuert, dass die Leistung des rücklaufenden Signals minimiert ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß auch ein Gargerät mit einem Mikrowellengenerator vorgesehen, mindestens einem Halbleiterverstärker und vorzugsweise mindestens zwei Halbleiterverstärkern, mindestens zwei Antennen, die Mikrowellenstrahlung in den Garraum einkoppeln können, mindestens einem Phasenschieber, der mindestens einer der Antennen zugeordnet ist, und einer Steuerung, die mit dem Phasenschieber gekoppelt ist, um die Phasenlage des an eine der Antennen gelieferten Signals relativ zur Phasenlage des an eine andere Antenne gelieferten Signals zu variieren. To achieve this object, a method for controlling a Mikrowellengargeräts is provided according to the invention with the following steps: A first and at least one second antenna microwave radiation is supplied, which originates from a semiconductor amplifier and is radiated by the antennas in a cooking chamber of the cooking appliance. Then a return signal, which was coupled from the oven into the antenna, detected. Subsequently, the phase position of the microwave radiation of the two antennas is controlled relative to each other so that the power of the returning signal is minimized. To achieve this object, the invention also provides a cooking appliance with a microwave generator, at least one semiconductor amplifier and preferably at least two semiconductor amplifiers, at least two antennas that can couple microwave radiation into the oven, at least one phase shifter associated with at least one of the antennas, and a controller coupled to the phase shifter for varying the phase angle of the signal provided to one of the antennas relative to the phase angle of the signal provided to another antenna.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Leistung des rücklaufenden Signals als Indikator für den Wirkungsgrad des Mikrowellen-Garprozesses zu verwenden. Die Leistung des rücklaufenden Signals kann dabei mit geringem Aufwand durch Ändern der Phasenlage der (mindestens) zwei Hochfrequenz-Signale geändert werden, die von den beiden Antennen in den Garraum eingekoppelt werden. Hierfür können vergleichsweise einfach aufgebaute elektronische Komponenten und leicht zugängliche Messwerte genutzt werden, sodass die erfindungsgemäße Lösung zuverlässig und kostengünstig ist und die mehreren Antennen in Echtzeit steuern und optimieren kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit Signalen gearbeitet werden kann, die für alle Antennen dieselbe Frequenz haben. Somit ist es möglich, einen einzigen Mikrowellengenerator zu verwenden, dessen Signal dann mehreren Halbleiterverstärkern zugeführt wird, denen jeweils eine Antenne zugeordnet ist. Insgesamt kann somit mit geringem Aufwand die in den Garraum bzw. das sich dort befindende Gargut eingekoppelte Gesamtleistung maximiert werden. Weiterhin kann die in das Gargut eingekoppelte Leistung dynamisch an das jeweils zu garende Gargut angepasst werden.The invention is based on the idea to use the power of the returning signal as an indicator of the efficiency of the microwave cooking process. The power of the returning signal can be changed with little effort by changing the phase of the (at least) two high-frequency signals that are coupled from the two antennas in the oven. For this purpose, comparatively simply constructed electronic components and easily accessible measured values can be used, so that the inventive solution is reliable and cost-effective and can control and optimize the multiple antennas in real time. Another advantage is that you can work with signals that have the same frequency for all antennas. Thus, it is possible to use a single microwave generator whose signal is then fed to a plurality of semiconductor amplifiers, each associated with an antenna. Overall, the total power coupled into the cooking chamber or the cooking product located there can thus be maximized with little effort. Furthermore, the power coupled into the food can be dynamically adapted to the food to be cooked in each case.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer ersten Antenne zugeführt wird, als konstant angenommen wird und die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer zweiten Antenne zugeführt wird, relativ zur Phasenlage der der ersten Antenne zugeführten Mikrowellenstrahlung variiert wird. Hierdurch verringert sich der Steuerungs- und Regelungsaufwand. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the phase position of the microwave radiation which is supplied to a first antenna is assumed to be constant and the phase position of the microwave radiation which is supplied to a second antenna is varied relative to the phase position of the microwave radiation supplied to the first antenna , This reduces the control and regulation effort.

Um die Leistung des rückwärtslaufenden Signals einer Antenne zu erfassen, ist vorzugsweise ein Richtkoppler zwischen dem Halbleiterverstärker und der Antenne vorgesehen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Richtkoppler an einen Detektor angeschlossen ist, der wiederum an die Steuerung angeschlossen ist. Dies ermöglicht es, die Leistung des rücklaufenden Signals mit geringem Aufwand zu bestimmen.In order to detect the power of the backward-running signal of an antenna, a directional coupler is preferably provided between the semiconductor amplifier and the antenna. Furthermore, it can be provided that the directional coupler is connected to a detector, which in turn is connected to the controller. This makes it possible to determine the power of the returning signal with little effort.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Antennen vorgesehen, die auf unterschiedlichen, räumlich definierten Niveaus in den Garraum einstrahlen. Bei den definierten räumlichen Niveaus handelt es sich insbesondere um solche Niveaus, die durch die Einschubebenen beispielsweise eines Einhängegestells vorgegeben sind. Somit kann jeder Einschubebene eine Antenne (oder auch ein Paar von Antennen) spezifisch zugeordnet werden, sodass die Mikrowellenstrahlung, die von der Antenne (oder den Antennen) eines betrachteten Niveaus eingestrahlt wird, hauptsächlich auf das Gargut oder die Gargüter fällt, das bzw. die sich in der entsprechenden Einschubebene befindet bzw. befinden. Hierdurch können gezielt bestimmte Gargüter stärker als andere gegart werden. According to a preferred embodiment of the invention, a plurality of antennas are provided, which radiate at different, spatially defined levels in the cooking chamber. The defined spatial levels are, in particular, those levels which are predetermined by the insertion levels of, for example, a suspension rack. Thus, each shelf level can be specifically assigned an antenna (or even a pair of antennas) so that the microwave radiation radiated from the antenna (or antennas) of a considered level mainly falls on the food or items to be cooked is located in the corresponding shelf level or are. As a result, specific food items can be cooked more vigorously than others.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Amplitude und Phasenlage eines vorwärtslaufenden Signals einer Antenne, die einem nicht zu erwärmenden Gargut im Garraum zugeordnet ist, so angepasst werden, dass die rückwärtslaufenden Signale dieser Antenne minimal sind. Dies ermöglicht es, die unbeabsichtigte Kopplung zwischen einer Antenne, die zum gezielten Erwärmen eines bestimmten Garguts verwendet wird, und einem nicht zu erwärmenden Gargut zu minimieren. According to one embodiment of the invention can be provided that the amplitude and phase of a forward-running signal of an antenna, which is assigned to a not to be heated food in the oven, are adjusted so that the backward-running signals of this antenna are minimal. This makes it possible to minimize the unintentional coupling between an antenna, which is used for targeted heating of a particular food, and a food not to be heated.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung mindestens einen PID-Regler enthält. Mit diesem kann mit geringem Aufwand sehr zuverlässig die Phasenlage der Hochfrequenz-Signale in der gewünschten Weise geregelt werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the controller contains at least one PID controller. With this can be controlled with little effort very reliable, the phase position of the high-frequency signals in the desired manner.

Die Erfindung wird nach folgend anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen: The invention will be described below with reference to two embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. In these show:

1 schematisch in einer Schnittansicht ein Gargerät gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 schematically in a sectional view of a cooking appliance according to a first embodiment of the invention;

2 einen Ausschnitt aus dem Gargerät gemäß 1; und 2 a section of the cooking appliance according to 1 ; and

3 schematisch ein Gargerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 3 schematically a cooking appliance according to a second embodiment of the invention.

In 1 ist schematisch ein Gargerät 2 gezeigt, das für den professionellen Einsatz vorgesehen ist, beispielsweise in Kantinen, Restaurants und der Großgastronomie. In 1 is schematically a cooking appliance 2 which is intended for professional use, for example in canteens, restaurants and large catering.

Es kann sich dabei um einen sogenannten Kombidämpfer handeln, der einen Garraum 3 aufweist, der von einer Tür 4 verschlossen werden kann. Im Garraum 3 können zu garende Nahrungsmittel in einer Garraumatmosphäre gegart werden. Die wesentlichen Parameter der Garraumatmosphäre sind ihre Temperatur, ihre Feuchte und ihre Umwälzgeschwindigkeit. Diese Parameter können beeinflusst werden mittels einer Heizung, die Heißluft bereitstellt, einem Dampfgenerator, der Dampf erzeugt, und einem Lüfter, der die Garraumatmosphäre umwälzt. It can be a so-called combi steamer, which has a cooking chamber 3 that is from a door 4 can be closed. In the oven 3 can be cooked to be cooked food in a cooking chamber atmosphere. The essential parameters of the cooking chamber atmosphere are their temperature, their humidity and their circulation speed. These parameters can be influenced by means of a heater that provides hot air, a steam generator that generates steam, and a fan that circulates the cooking chamber atmosphere.

Es ist aber nicht zwingend erforderlich, dass das Gargerät 2 ein Garen mit einer bestimmten Garraumatmosphäre erlaubt. Relevant im Rahmen der Erfindung ist, dass das Gargerät 2 ein Garen mittels Mikrowellenstrahlung ermöglicht. However, it is not mandatory that the cooking appliance 2 a cooking with a specific cooking space atmosphere allowed. Relevant in the context of the invention is that the cooking appliance 2 allows cooking by means of microwave radiation.

Hierzu ist eine schematisch dargestellte Mikrowellen-Garbaugruppe 5 vorgesehen, die einen Mikrowellengenerator, eine Steuerung und weitere Bauteile enthält und mittels zweier Antennen 15, 16 Mikrowellenstrahlung in den Garraum 3 einstrahlen kann. For this purpose, a schematically illustrated microwave Garbaugruppe 5 provided, which includes a microwave generator, a controller and other components and by means of two antennas 15 . 16 Microwave radiation in the oven 3 can radiate.

Die Antenne 16 werden mit hoher Mikrowellenleistung, zum Beispiel mit 300 Watt, aus einen Halbleiterverstärker 10 gespeist (siehe 2), der Teil der Mikrowellen-Garbaugruppe 5 ist. Der Halbleiterverstärker 10 empfängt ein Eingangssignal von einem Mikrowellengenerator 25, der ein Signal z.B. bei 2,45 GHz erzeugt. The antenna 16 become high-power microwave, for example, 300 watts, from a semiconductor amplifier 10 fed (see 2 ), the part of the microwave cooking assembly 5 is. The semiconductor amplifier 10 receives an input signal from a microwave generator 25 which generates a signal eg at 2.45 GHz.

Es ist ein zweiter Halbleiterverstärker 11 vorgesehen, der ebenfalls vom Mikrowellengenerator 25 gespeist wird und der die Antenne 15 speist. Im Unterschied zum ersten Halbleiterverstärker ist zwischen dem Mikrowellengenerator 25 und dem Halbleiterverstärker 11 ein Phasenschieber 20 angeordnet, mit dem die Phasenlage beeinflusst werden kann. It is a second semiconductor amplifier 11 provided also by the microwave generator 25 is fed and the antenna 15 fed. In contrast to the first semiconductor amplifier is between the microwave generator 25 and the semiconductor amplifier 11 a phase shifter 20 arranged, with which the phase angle can be influenced.

Die Halbleiterverstärker 10, 11 haben den höchsten Wirkungsgrad im stark nicht-linearen Betrieb (z.B. Klasse E). In diesem Betriebszustand und aufgrund der thermischen Last am Halbleiterverstärker 10, 11 kann die Phase des Signals der Halbleiterverstärker 10, 11 gegenüber die Phase des Signals vom Mikrowellengenerator 25 unkontrolliert variieren, wenn diese nicht über ein Regelkreis kontrolliert und im Falles des Halbleiterverstärkers 11 mittels des Phasenschiebers 20 gesteuert wird. Grundsätzlich gilt, dass die Phase am Ausgang des Halbleiterverstärkers 10 frequenz-, temperatur- und leistungsabhängig ist. The semiconductor amplifier 10 . 11 have the highest efficiency in strongly non-linear operation (eg class E). In this operating condition and due to the thermal load on the semiconductor amplifier 10 . 11 can the phase of the signal of the semiconductor amplifier 10 . 11 opposite the phase of the signal from the microwave generator 25 vary uncontrollably, if this is not controlled by a loop and in the case of the semiconductor amplifier 11 by means of the phase shifter 20 is controlled. Basically, the phase at the output of the semiconductor amplifier 10 is frequency, temperature and power dependent.

Bei der Übertragung des Mikrowellensignals von der ersten Antenne 16 auf die zweite Antenne 15 über den Garraum wird Energie an das Gargut 50 im Garraum 3 abgegeben. Diese übertragene Energie dient zum Garen. Die Leistung aus dem Garraum, die über die erste Antenne 16 zurück zum Verstärkerausgang gekoppelt wird, kann mit einer Messeinrichtung, zum Beispiel mit einem Richtkoppler 45 und einem Detektor 36, gemessen werden. In the transmission of the microwave signal from the first antenna 16 on the second antenna 15 Energy is added to the food through the oven 50 in the oven 3 issued. This transferred energy is used for cooking. The power from the cooking chamber, over the first antenna 16 coupled back to the amplifier output can, with a measuring device, for example with a directional coupler 45 and a detector 36 to be measured.

Ein Mikrowellensignal, das vom Halbleiterverstärker 10 zur Antenne 16 übertragen wird, wird teilweise reflektiert und teilweise in den Garraum übertragen. Der übertragene Anteil des Signals wird als „vorwärts laufendes“ Signal bezeichnet. Zusätzlich zum reflektierten Signal kommt ein Anteil des aus der zweiten Antenne 15 gesendeten Signals bei der ersten Antenne 16 an. Die Summe dieser zwei Signale wird als „rückwärts laufendes“ Signal bezeichnet. A microwave signal coming from the semiconductor amplifier 10 to the antenna 16 is transmitted, is partially reflected and partially transmitted to the oven. The transmitted portion of the signal is referred to as a "forward" signal. In addition to the reflected signal, a portion of the second antenna comes from 15 transmitted signal at the first antenna 16 at. The sum of these two signals is referred to as a "backward" signal.

Das rückwärts laufende Signal wird am Detektor 36 gemessen. Damit möglichst viel Energie an das Gargut 50 übertragen wird, wird die Phasendifferenz durch den Phasenschieber 20 so optimiert, dass das gemessene Signal am Detektor 36 minimal ist. Bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Garverfahrens wird diese Leistung minimiert. Diese Leistung wird minimiert, indem eine Steuerung 30 das Signal vom Detektor 36 auswertet und den Phasenversatz des Phasenschiebers 20 anpasst, damit das Phasenverhältnis zwischen den Signalen an den Antennen 15, 16 zu maximaler Einkopplung der Mikrowellenenergie ins Gargut 50 führt. The reverse signal is at the detector 36 measured. So as much energy to the food 50 is transmitted, the phase difference by the phase shifter 20 optimized so that the measured signal at the detector 36 is minimal. In one embodiment of a cooking method according to the invention, this performance is minimized. This power is minimized by a controller 30 the signal from the detector 36 evaluates and the phase offset of the phase shifter 20 adapts, so that the phase relationship between the signals at the antennas 15 . 16 to maximum coupling of the microwave energy into the food 50 leads.

Im laufenden Betrieb ändert sich die Phase der Signale nur langsam (Größenordnung von wenigen Sekunden), so dass der Phasenschieber 20 mit üblichen Regelverfahren und Reglern (z.B. PID-Regler) und ohne großen Aufwand geeignet korrigiert werden kann. During operation, the phase of the signals changes only slowly (order of a few seconds), so that the phase shifter 20 can be suitably corrected with conventional control methods and controllers (eg PID controller) and without much effort.

Nachfolgend wird dies für den in 2 gezeigten Aufbau mathematisch erläutert. Hierfür werden periodische Signale in der komplexen Ebene definiert: cos(ωt – φ) = Re{ej(ωt-φ)} wird als e–jφ abgekürzt.Below this will be for the in 2 mathematically explained structure shown. For this purpose, periodic signals are defined in the complex plane: cos (ωt - φ) = Re { ej (ωt-φ) } is abbreviated as e -jφ .

Das vorwärts laufende Signal vom ersten Halbleiterverstärker 10, das an der ersten Antenne 16 ankommt, wird als V0 bezeichnet. Der Einfachheit halber kann angenommen werden, dass sich das vorwärts laufende Signal an der zweiten Antenne 15 nur durch den Phasenversatz ϕ vom Phasenschieber 20 und einen unbekannten Phasenversatz θ, der von mehreren Faktoren wie z.B. The forward current signal from the first semiconductor amplifier 10 at the first antenna 16 arrives is referred to as V 0 . For the sake of simplicity, it can be assumed that the forward signal on the second antenna 15 only by the phase offset φ from the phase shifter 20 and an unknown phase offset θ, which depends on several factors such as

Betriebspunkt des Verstärkers, Frequenz oder Temperatur beeinflusst wird, vom vorwärtslaufende Signal an der ersten Antenne unterscheidet. Operating point of the amplifier, frequency or temperature is affected, different from the forward-running signal at the first antenna.

Das vorwärts laufende Signal an der zweiten Antenne 15 ist daher: V0e–j(φ+θ) The forward signal on the second antenna 15 is therefore: V 0 e -j (φ + θ)

Die Streuparameter (engl. „S-Parameter“) beschreiben das Verhältnis des vom Garraum reflektierten Signals an der ersten Antenne (S11) und des übertragenen Signals von der zweiten auf die erste Antenne (S12). The scattering parameters ("S parameters") describe the ratio of the signal reflected by the cooking chamber to the first antenna (S 11 ) and the transmitted signal from the second to the first antenna (S 12 ).

Das rückwärtslaufende Signal der ersten Antenne 16, das über den Richtkoppler 45 am Detektor 36 gemessen wird, kann über die Streuparameter wie folgt ausgedrückt werden: S = V0(S11 + S21ej(φ+θ)) The backward running signal of the first antenna 16 that via the directional coupler 45 at the detector 36 can be expressed via the scattering parameters as follows: S = V 0 (S 11 + S 21 e j (φ + θ) )

Wichtig ist dabei, dass die Streuparameter Eigenschaften des Garraums sind und von dessen geometrischen Aufbau sowie vom Gargut und von den Antennen und deren Anbindung an die Verstärker abhängt. It is important that the scattering parameters are properties of the cooking chamber and depends on its geometric structure as well as the food to be cooked and the antennas and their connection to the amplifier.

Der Detektor 36 misst die Leistung des Signals s. Der Einfachheit halber wird der Betrag V0 für die weitere Rechnung nicht mitgetragen. Die gemessene Leistung am Detektor ist proportional: s∙s* = |s|2 ∝ |S11|2 + |S21|2 + 2Re{S11S12}cos(φ + θ) The detector 36 measures the power of the signal s. For the sake of simplicity, the amount V 0 is not borne for the further bill. The measured power at the detector is proportional: s ∙ s * = | s | 2 α | S 11 | 2 + | S 21 | 2 + 2Re {S 11 S 12 } cos (φ + θ)

Hierbei bedeutet * die Konjugate der komplexen Zahl. Where * is the conjugate of the complex number.

Diese Leistung ist der Anteil der verfügbaren Leistung aus den Halbleiterverstärkern, der nicht an die Last (insbesondere das Gargut 50 im Garraum 3) übertragen wird. Diese Verlustleistung kann durch Änderung der Phase ϕ mit dem Phasenschieber 20 minimiert werden, damit der letzte Term möglichst klein wird. Das heißt: cos(φ + θ)= –1 This power is the proportion of the available power from the semiconductor amplifiers, which is not due to the load (especially the food 50 in the oven 3 ) is transmitted. This power loss can be achieved by changing the phase φ with the phase shifter 20 be minimized so that the last term is as small as possible. This means: cos (φ + θ) = -1

Somit kann durch Änderung der Phasendifferenz die an das Gargut 50 gelieferte Leistung maximiert werden. Thus, by changing the phase difference to the food 50 delivered services are maximized.

Das Prinzip lässt sich auf eine beliebige Anzahl von Signalen und Antennen übertragen, solange die relative Phase der jeweiligen Signale von der Steuereinheit durch Steuerung von Phasenschieber geändert werden kann. Es können also abweichend von der Darstellung in den 1 und 2 auch mehr als zwei Antennen verwendet werden. The principle can be applied to any number of signals and antennas as long as the relative phase of the respective signals can be changed by the control unit by controlling phase shifters. It can deviate from the representation in the 1 and 2 Also more than two antennas can be used.

Wenn mehr als 2 Antennen verwendet werden, ergibt sich eine mehrdimensionale Optimierungsaufgabe, um die rückwärtslaufende Leistung an den Antennen mittels Steuerung der Phase gezielt zu minimieren. Dies wird anhand des in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels erläutert. If more than 2 antennas are used, a multi-dimensional optimization task results in order to deliberately minimize the backward-running power at the antennas by controlling the phase. This is based on the in 3 illustrated second embodiment.

In 3 ist schematisch ein Garraum 3 gezeigt, in dem ein Garzubehör 135 (beispielsweise ein Einhängegestell mit mehreren Gargutträgern) angeordnet ist, wobei sich auf den Gargutträgern unterschiedliche Gargüter 130, 131 befinden. In 3 is a schematic cooking space 3 shown in which a Garzrabehör 135 (For example, a Einhängegestell with multiple food supports) is arranged, with different Gargüter on the Gargutträgern 130 . 131 are located.

Weiterhin sind mehrere Antennen 101, 102, 103, 104, ... vorgesehen, die auf unterschiedlichen Niveaus im Garraum 3 angeordnet sind. Jeder Antenne ist ein Halbleiterverstärker zugeordnet (145, 146, 147, 148, ...). Zwischen einem Mikrowellengenerator 120 und allen Halbleiterverstärkern (mit Ausnahme eines Halbleiterverstärkers, hier dem Halbleiterverstärker 145) ist jeweils ein Phasenschieber 125, 126, 127, ... angeordnet. Furthermore, there are several antennas 101 . 102 . 103 . 104 , ..., which are at different levels in the oven 3 are arranged. Each antenna is assigned a semiconductor amplifier ( 145 . 146 . 147 . 148 , ...). Between a microwave generator 120 and all semiconductor amplifiers (with the exception of a semiconductor amplifier, here the semiconductor amplifier 145 ) is a phase shifter 125 . 126 . 127 , ... arranged.

Zwischen jedem Halbleiterverstärker 145, 146, 147, 148, ... und der von ihm gespeisten Antenne 101, 102, 103, 104, ... ist jeweils ein Detektor 115, 116, 117, 118, ... angeordnet. Between each semiconductor amplifier 145 . 146 . 147 . 148 , ... and the antenna fed by him 101 . 102 . 103 . 104 , ... is a detector 115 . 116 . 117 . 118 , ... arranged.

Das vorwärts laufende Signal an Antenne Nummer „m“ wird mit V + / m bezeichnet, und das rückwärtslaufende Signal wird mit V – / m bezeichnet. Die Phasenschieber 125, 126, 127, ... werden von der (hier nicht gezeigten) Steuereinheit kontrolliert, um die relative Phase der jeweils vorwärts laufenden Signale an den Antennen 102, 103, 104, ... zu ändern. Die rückwärts laufenden Signale an allen Antennen werden von den Detektoren 115, 116, 117, 118, ... gemessen und in der Steuereinheit ausgewertet. The forward signal to antenna number "m" is with V + / m designated, and the backward-running signal is with V - / m designated. The phase shifters 125 . 126 . 127 , ... are controlled by the control unit (not shown) to determine the relative phase of the respective forward signals on the antennas 102 . 103 . 104 , ... to change. The reverse signals on all antennas are from the detectors 115 . 116 . 117 . 118 , ... measured and evaluated in the control unit.

Der unbekannte Phasenversatz der jeweiligen Signale, der im ersten Beispiel als θ bezeichnet wurde, kann der Einfachheit halber in diesem Beispiel in den Streuparameter übernommen werden. Zum Beispiel wird für die Signalübertragung von Antenne m auf Antenne n eine Änderung der Übertragungsstreuparameter S21 mit folgender Anpassung ausgedrückt:

Figure DE102015104523A1_0002
The unknown phase offset of the respective signals, which was designated as θ in the first example, can be included in the scatter parameter for the sake of simplicity in this example. For example, for the signal transmission from antenna m to antenna n, a change in the transmission scattering parameter S 21 is expressed with the following adaptation:
Figure DE102015104523A1_0002

Das rückwärtslaufende Signal, das an der ersten Antenne 101 vom Detektor 115 gemessen wird, wird als Summe der Beiträge aus allen gesendeten Signale ausgedrückt als:

Figure DE102015104523A1_0003
The backward running signal, which is at the first antenna 101 from the detector 115 is measured as the sum of the contributions from all the signals sent as:
Figure DE102015104523A1_0003

Da das vorwärtslaufende Signal an der ersten Antenne als Bezug für alle Phasenversätze genommen wird, wird ϕ1 = 0° gesetzt. Die Anzahl der Antennen ist N. Die Detektor 115, 116, 117, 118, ... messen die Leistung der Signale. Ähnlich wie im vorherigen Beispiel kann die gemessene Leistung der rückwärtslaufenden Signale als

Figure DE102015104523A1_0004
ausgedrückt werden. Since the forward-going signal at the first antenna is taken as a reference for all phase offsets, φ 1 = 0 ° is set. The number of antennas is N. The detector 115 . 116 . 117 . 118 , ... measure the power of the signals. Similar to the previous example, the measured power of the backward running signals can be called
Figure DE102015104523A1_0004
be expressed.

Eine Optimierung des Wirkungsgrades zielt darauf, diese Verlustleistung zu minimieren. Unter der Annahme, dass die gesendete Leistung an allen Antennen gleich ist, wird durch die Minimierung dieser Summe mittels der Phasenschieber der Wirkungsgrad für den Garprozess maximiert.An optimization of the efficiency aims to minimize this power loss. Assuming that the transmitted power is the same across all antennas, minimizing this sum by means of the phase shifters maximizes cooking efficiency.

Mit dem Verfahren und dem Gargerät lässt sich aber nicht nur der Wirkungsgrad des Garprozesses insgesamt maximieren. Es ist auch möglich, eine teilweise selektive Erwärmung zu realisieren, indem die rückwärtslaufende Leistung gezielt an den Antennen minimiert wird, die in direkter Nähe des zu erwärmenden Garguts befinden. Dieser Ansatz eignet sich besonders für einen größeren Garraum 3, der eine hohe Anzahl an Moden im Garraum 3 ermöglicht. The process and the cooking appliance not only maximize the efficiency of the cooking process as a whole. It is also possible to realize a partially selective heating by minimizing the reverse running power to the antennas located in the immediate vicinity of the food to be heated. This approach is particularly suitable for a larger cooking space 3 that has a high number of fashions in the cooking space 3 allows.

In diesem Fall bezieht sich die „Größe“ des Garraums auf die Wellenlänge der Mikrowellenenergie. Zum Beispiel ist die Wellenlänge bei 2,45 GHz 12,2 cm. Ein großer Garraum wäre dann 3 × 3 × 3 Wellenlängen und hätte, bei dieser Frequenz, ein Volumen von 50 Litern. Ein quadratischer Garraum dieser Größe würde über 200 Moden ermöglichen.In this case, the "size" of the cooking chamber refers to the wavelength of the microwave energy. For example, at 2.45 GHz, the wavelength is 12.2 cm. A large cooking chamber would then be 3 × 3 × 3 wavelengths and would, at this frequency, have a volume of 50 liters. A square cooking space of this size would allow over 200 modes.

Anhand von 3 wird nun die räumlich gezielte Erwärmung erläutert. Die gezielte Erwärmung oder gezielte Übertragung von Mikrowellen an das Gargut 130 wird mit einem Mikrowellengenerator 120 und mehreren Verstärkern 145, 146, 147, 148, ... anhand der Messungen in den Detektoren 115, 116, 117, 118, ... und Steuerung der Phase mit den Phasenschiebern 125, 126, 127, ... realisiert. Based on 3 now the spatially targeted heating is explained. The targeted heating or targeted transmission of microwaves to the food 130 comes with a microwave generator 120 and several amplifiers 145 . 146 . 147 . 148 , ... on the basis of the measurements in the detectors 115 . 116 . 117 . 118 , ... and controlling the phase with the phase shifters 125 . 126 . 127 , ... realized.

Es soll hier gezielt ein Gargut 130 erwärmt werden. Ein Gargut 131 soll nicht (oder jedenfalls deutlich weniger) erwärmt werden. It should be targeted a food 130 to be heated. A food 131 should not be heated (or at least much less).

Das Gargut 130 ist relativ zu den Antennen 102 und 103 so angeordnet, dass ein wesentlicher Anteil (30–40 %) der Energie aus den Antennen direkt an das Gargut im Garraum 3 trifft, ohne dass es zu Reflektionen und Streuungen kommt. The food 130 is relative to the antennas 102 and 103 arranged so that a substantial proportion (30-40%) of the energy from the antennas directly to the food in the cooking chamber 3 meets without any reflections and scatters.

Im Falle einer Schlitzantenne, Hornantenne oder offenen Hohlleiter ist die Abstrahlung vorwiegend normal zur Wand des Garraums 3 und zur Öffnung der Antenne. Damit kann die Orientierung der Antennen im Verhältnis zum Gargut spezifiziert werden, um eine direkte Sicht zwischen Antennen und Gargut zu etablieren. In the case of a slot antenna, horn antenna or open waveguide, the radiation is predominantly normal to the wall of the cooking chamber 3 and for opening the antenna. Thus, the orientation of the antennas can be specified in relation to the food to be established to establish a direct view between antennas and food.

Die Signale aus anderen Antennen 101 und 104 (oder von den weiteren, hier unterhalb liegenden Antennen), die ganz oder teilweise vom gezielt zu erwärmenden Gargut 130 durch das Einhängegestell oder anderes Garzubehör 135 abgeschirmt sind, können dazu genutzt werden, um die gestreute Mikrowellenenergie von den Antennen 102, 103, die auf das hier nicht zu erwärmendes Gargut 131 einfallen, zu minimieren. The signals from other antennas 101 and 104 (or from the other antennas below), all or part of the specifically to be heated food 130 through the rack or other accessories 135 shielded, can be used to the scattered microwave energy from the antennas 102 . 103 , on the food not to be heated here 131 to think of minimizing.

Die Antennen 102 und 103 mit bester Sicht zum gezielt zu erwärmenden Gargut 130 werden mit einer hohen Leistung angesteuert. Die Leistung der beiden Antennen 102, 103 bezogen auf das vorwärtslaufende Signal wird gleichgesetzt, damit der Garprozess im gezielt zu erwärmenden Gargut 130 möglichst schnell verläuft. The antennas 102 and 103 with the best view of the food to be heated 130 are controlled with a high power. The power of the two antennas 102 . 103 based on the forward-running signal is equated, so that the cooking process in the targeted food to be heated 130 runs as fast as possible.

Genaue Angaben zur Leistung und Garzeit sind vom Gargut und vom Garprozess abhängig. Eine typische Mikrowellenleistung für gezielte Erwärmung liegt zwischen 100 Watt und 300 Watt bei einer Frequenz von 2,45 GHz. Detailed information on performance and cooking time depends on the food to be cooked and the cooking process. A typical microwave power for targeted heating is between 100 watts and 300 watts at a frequency of 2.45 GHz.

Die Phasendifferenz zwischen den Signalen von den Antennen 102, 103 wird dann angepasst, bis das rückwärtslaufende Signal der jeweiligen Antennen, das mit den Detektoren 116, 117 gemessen wird, minimiert wird. The phase difference between the signals from the antennas 102 . 103 is then adjusted until the backward running signal of the respective antennas, with the detectors 116 . 117 is measured is minimized.

Ein Anteil der Energie aus den Antennen 102, 103 wird auch auf das nicht zu erwärmende Gargut 131 treffen. Die Antennen 101, 104, die dem nicht zu erwärmenden Gargut 131 am nächsten sind, nehmen diese Bestrahlung aus dem vom Gargut 131 reflektierten Signal auf und erlauben dessen Erfassung mit den Detektoren 115, 118. A share of the energy from the antennas 102 . 103 is also on the not to be heated food 131 to meet. The antennas 101 . 104 which are the food not to be heated 131 are closest, take this irradiation from the food 131 reflected signal and allow its detection with the detectors 115 . 118 ,

Die Amplitude und Phase der vorwärtslaufende Signale an den beiden Antennen 101, 104, die dem nicht zu erwärmenden Gargut am nächsten sind, können angesteuert werden, um die rückwärtslaufende Signale an diesen Antennen 101 und 104 zu minimieren. Aufgrund des allgemein bekannten Reziprozitätsprinzip negieren damit die Signale aus den Antennen 101 und 104 die unbeabsichtigte Kopplung zwischen den dem gezielt zu erwärmenden Gargut 130 zugeordneten Antennen 102, 103 und dem nicht zu erwärmenden Gargut 131. The amplitude and phase of the forward signals on the two antennas 101 . 104 , which are closest to the food not to be heated, can be controlled to reverse the signals on these antennas 101 and 104 to minimize. Due to the well-known principle of reciprocity negate the signals from the antennas 101 and 104 the unintentional coupling between the food to be heated specifically 130 associated antennas 102 . 103 and the food not to be heated 131 ,

Auf ähnlicher Art und Weise kann auch die Bestrahlung von anderem, sich im Garraum 3 befindenden Gargut durch die Antennen 102, 103 reduziert werden. Somit wird eine bevorzugte Erwärmung des Garguts 130 gegenüber anderem Gargut 131 im gleichen Garraum realisiert.In a similar way, the irradiation of other, in the cooking chamber 3 located food through the antennas 102 . 103 be reduced. Thus, a preferred heating of the food 130 opposite to other food 131 realized in the same cooking space.

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Claims (8)

Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellen-Gargeräts (2) mit den folgenden Schritten: – einer erste Antenne (16; 101) und mindestens einer zweiten Antenne (15; 102, 103, 104, ...) wird Mikrowellenstrahlung zugeführt, die von einem Halbleiterverstärker (10, 11; 145, 146, 147, 148, ...) stammt und von den Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) in einen Garraum (3) des Gargeräts (2) eingestrahlt wird; – ein rücklaufendes Signal, das vom Garraum (2) in die Antenne (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) eingekoppelt wurde, wird erfasst; – die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung der beiden Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) relativ zueinander wird so gesteuert, dass die Leistung des rücklaufenden Signals minimiert ist. Method for controlling a microwave cooking appliance ( 2 ) comprising the following steps: - a first antenna ( 16 ; 101 ) and at least one second antenna ( 15 ; 102 . 103 . 104 , ...) microwave radiation is supplied by a semiconductor amplifier ( 10 . 11 ; 145 . 146 . 147 . 148 , ...) and from the antennas ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) in a cooking chamber ( 3 ) of the cooking appliance ( 2 ) is irradiated; - a return signal coming from the oven ( 2 ) into the antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) is coupled, is detected; The phase angle of the microwave radiation of the two antennas ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) relative to each other is controlled so that the power of the returning signal is minimized. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer ersten Antenne (16; 101) zugeführt wird, als konstant angenommen wird und die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer zweiten Antenne (15; 102, 103, 104, ...) zugeführt wird, relativ zur Phasenlage der der ersten Antenne (16; 101) zugeführten Mikrowellenstrahlung variiert wird. A method according to claim 1, characterized in that the phase position of the microwave radiation that a first antenna ( 16 ; 101 ) is assumed to be constant and the phase position of the microwave radiation that a second antenna ( 15 ; 102 . 103 . 104 , ...), relative to the phase angle of the first antenna ( 16 ; 101 ) is supplied varied microwave radiation. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Amplitude und Phasenlage eines vorwärtslaufenden Signals einer Antenne (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...), die einem nicht zu erwärmenden Gargut im Garraum zugeordnet ist, so angepasst werden, dass die rückwärtslaufenden Signale dieser Antenne (16, 15; 101, 102, 103, 104 ...) minimal sind. The method of claim 1 or claim 2, characterized in that amplitude and phase position of a forward-running signal to an antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...), which is associated with a cooking product to be heated in the cooking chamber, be adapted so that the reverse-running signals of this antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 ...) are minimal. Gargerät mit einem Mikrowellengenerator (25; 120), mindestens einem Halbleiterverstärker (10, 11; 145, 146, 147, 148, ...), mindestens zwei Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...), die Mikrowellenstrahlung in den Garraum (3) einkoppeln können, mindestens einem Phasenschieber (20; 125, 126, 127, ...), der mindestens einer der Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) zugeordnet ist, und einer Steuerung (30), die mit dem Phasenschieber (20; 125, 126, 127, ...) gekoppelt ist, um die Phasenlage des an eine der Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) gelieferten Signals relativ zur Phasenlage des an eine andere Antenne (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) gelieferten Signals zu variieren. Cooking device with a microwave generator ( 25 ; 120 ), at least one semiconductor amplifier ( 10 . 11 ; 145 . 146 . 147 . 148 , ...), at least two antennas ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...), the microwave radiation into the cooking chamber ( 3 ), at least one phase shifter ( 20 ; 125 . 126 . 127 , ...), the at least one of the antennas ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...), and a controller ( 30 ) with the phase shifter ( 20 ; 125 . 126 . 127 , ...) is coupled to the phase angle of the antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) relative to the phase angle of the signal supplied to another antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) to vary. Gargerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Richtkoppler (45) zwischen dem Halbleiterverstärker (10, 11; 145, 146, 147, 148, ...) und der Antenne (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) vorgesehen ist. Cooking appliance according to claim 4, characterized in that a directional coupler ( 45 ) between the semiconductor amplifier ( 10 . 11 ; 145 . 146 . 147 . 148 , ...) and the antenna ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) is provided. Gargerät nach Anspruch 5, dass der Richtkoppler (45) an einen Detektor (36; 115, 116, 117, 118, ...) angeschlossen ist, der wiederum an die Steuerung (30) angeschlossen ist. Cooking appliance according to claim 5, that the directional coupler ( 45 ) to a detector ( 36 ; 115 . 116 . 117 . 118 , ...), which in turn is connected to the controller ( 30 ) connected. Gargerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dass mehrere Antennen (16, 15; 101, 102, 103, 104, ...) vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen, definierten räumlichen Niveaus in den Garraum (3) einstrahlen. Cooking appliance according to one of claims 4 to 6, that a plurality of antennas ( 16 . 15 ; 101 . 102 . 103 . 104 , ...) are provided at different, defined spatial levels in the cooking chamber ( 3 ). Gargerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dass die Steuerung (30) mindestens einen PID-Regler enthält. Cooking appliance according to one of claims 4 to 7, that the controller ( 30 ) contains at least one PID controller.
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