一种微带天线、微波定向加热系统及其加热方法

1.本技术涉及微波加热技术领域，特别是涉及一种微带天线、微波定向加热系统及其加热方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，微波能作为一种新型高效的清洁能源，在食品加工、化工、医药等等领域有着广泛的应用。与传统的加热方法相比，微波加热具有高效节能、选择加热、清洁无污染等特点。微波加热技术是以物料吸收微波能是物料中极性分子与微波电磁场相互作用的结果，在外加交变电磁场作用下，物料内极性分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向，众多的极性分子因频繁相互间摩擦损耗，使电磁能转化为热能等为原理来加热物料的相关技术。
3.在现有的微波定向加热技术中，由于传统的微带天线在设计完成后结构固定，辐射方向确定，使得仅能实现单一区域的加热，无法改变加热区域。


技术实现要素：

4.本技术提供一种微带天线、微波定向加热系统及其加热方法，以解决传统的微带天线仅能实现单一区域的加热，无法改变加热区域的问题。
5.为了解决上述问题，本技术采用了以下的技术方案：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种微带天线，所述微带天线包括天线本体、相变材料块和边缘负载；所述天线本体和所述边缘负载分别设置于所述相变材料块的两侧；所述相变材料块连接有温控模块，所述温控模块用于控制所述相变材料块的温度；
7.其中，所述相变材料块的温度未被加热至相变温度时，所述相变材料块表现绝缘性能，所述天线本体和所述边缘负载之间处于开路状态，以使所述微带天线输出的微波信号的相位值为第一相位值；
8.所述相变材料块的温度被加热至所述相变温度时，所述相变材料块表现金属性能，所述天线本体和所述边缘负载之间处于导通状态，以使所述微带天线输出的微波信号的相位值为第二相位值；
9.其中，所述第一相位值不同于所述第二相位值。
10.在本技术一实施例中，所述微带天线还包括介质基板和接地板；
11.所述天线本体、相变材料块和边缘负载均设置在所述介质基板的一侧，所述接地板设置在所述介质基板的另一侧。
12.在本技术一实施例中，所述相变材料块和所述边缘负载均设置有多个，多个所述相变材料块与多个所述边缘负载一一对应连接。
13.在本技术一实施例中，多个所述相变材料块和多个所述边缘负载在所述天线本体上呈阵列排布。
14.在本技术一实施例中，所述相变材料块由二氧化钒制成。
15.第二方面，基于相同发明构思，本技术实施例提供了一种微波定向加热系统，所述系统包括加热腔，所述加热腔内设置有第一加热区域和第二加热区域，以及设置于所述加热腔上方的控制器、微波源和如本技术第一方面所述的微带天线，所述控制器的一端与所述微带天线中的温控模块连接，所述控制器的另一端通过所述微波源与所述微带天线连接；其中，
16.所述控制器用于控制所述微波源向所述微带天线馈入微波信号；所述控制器还用于控制所述温控模块加热所述微带天线中的相变材料块；
17.所述微带天线用于在所述相变材料块的温度未被加热至相变温度时，加热所述第一待加热区域；所述微带天线还用于在所述相变材料块的温度被加热至所述相变温度时，加热所述第二待加热区域。
18.第三方面，基于相同发明构思，本技术实施例提供了一种微波定向加热方法，所述方法应用于微波定向加热系统，所述微波定向加热系统包括加热腔，所述加热腔内设置有第一加热区域和第二加热区域，以及设置于所述加热腔上方的控制器、微波源和如本技术第一方面所述的微带天线，所述控制器的一端与所述微带天线的温控模块连接，所述控制器的另一端通过所述微波源与所述微带天线连接，所述方法包括：
19.通过所述控制器控制所述微波源向所述微带天线馈入微波信号；
20.响应于对所述第一加热区域的加热请求，通过所述温控模块控制所述相变材料块的温度保持在相变温度之下，以使所述相变材料块呈现出第一状态，以控制所述微带天线输出的微波信号的相位值为对所述第一加热区域进行加热的第一相位值；
21.响应于对所述第二加热区域的加热请求，通过所述温控模块控制所述相变材料块的温度保持在相变温度之上，以使所述相变材料块呈现出第二状态，以控制所述微带天线输出的微波信号的相位值为对所述第二加热区域进行加热的第二相位值。
22.与现有技术相比，本技术包括以下优点：
23.本技术实施例提供了一种微带天线，通过在天线本体和边缘负载之间设置相变材料块，并通过温控模块控制相变材料的温度，能够让微带天线在不同温度下输出不同相位的微波信号；同时提出一种微波定向加热系统及其加热方法，通过控制器控制微波源向微带天线馈入微波信号，并通过温控模块控制相变材料块的温度，使得相变材料块的温度超过相变温度后，微带天线输出的微波信号的相位能够随之变化，进而改变微波定向加热区域。本技术实施例在无需改变微带天线或微波源的前提下，仅需控制相变材料块的温度即可实现微波定向加热区域的改变，方便快捷，能够满足更多的运用场景。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本技术实施例中的一种微带天线的结构示意图。
26.图2是本技术实施例中相变材料块未被加热至相变温度时的电流方向示意图。
27.图3是本技术实施例中相变材料块被加热至相变温度时的电流方向示意图。
28.图4是本技术实施例中的微带天线在不同温度下的天线方向图。
29.图5是本技术实施例中的一种微波定向加热系统的结构示意图。
30.图6是本技术实施例中的一种微波定向加热方法的步骤流程示意图。
31.附图标记：100-微带天线；101-天线本体；102-相变材料块；103-边缘负载；104-介质基板；105-温控模块；201-控制器；202-微波源。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.参照图1，示出了本技术的一种微带天线的结构示意图，该微带天线100包括天线本体101、相变材料块102和边缘负载103；天线本体101和边缘负载103分别设置于相变材料块102的两侧；相变材料块102连接有温控模块105，温控模块105用于控制相变材料块102的温度。
34.本实施方式需要说明的是，相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。相变材料相变的同时，电学性质会发生改变。
35.在本实施方式中，通过在微带天线100中加入相变材料块102，通过温控模块105控制相变材料块102的温度，能够使相变材料块102呈现出两种不同的电学性质。作为其中的一种优选方案，相变材料块102可以选择由二氧化钒制成，二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，形态可在绝缘体和金属之间转换，其相变温度为68℃，即在室温下表现为绝缘体，在68℃以上则表现为金属导体。需要说明的是，二氧化钒电学性能表现在二氧化钒的电阻率随着温度的变化发生明显的变化，电阻率在相变前后发生2到5个数量级的变化。对于纯的二氧化钒来说，在这个临界转变温度前后电阻随着温度的变化发生急剧地骤变。从低温的半导体(绝缘体)不导电的状态，变为高温的金属导电的状态。
36.参照图2，示出了相变材料块102未被加热至相变温度时的电流方向示意图，在相变材料块102的温度未被加热至相变温度时，相变材料块102表现绝缘性能，天线本体101和边缘负载103之间处于开路状态，此时，微带天线100中的边缘电流仅流过天线本体101，以实现微波信号的传输，将此时微带天线100输出的微波信号的相位值记为第一相位值。
37.参照图3，示出了相变材料块102被加热至相变温度时的电流方向示意图。在相变材料块102的温度被加热至相变温度时，相变材料块102表现金属性能，天线本体101和边缘负载103之间处于导通状态，此时，微带天线100中的边缘电流将经过相变材料块102的一侧流入边缘负载103，再途经边缘负载103的边缘从相变材料块102的另一侧流回天线本体
101，以实现微波信号的传输，将此时微带天线100输出的微波信号的相位值记为第二相位值。
38.本实施方式需要说明的是，微波信号在空间中是以波的形式传递，相位则是描述信号波形变化的度量，通常以度(角度)作为单位，当信号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360
°
。在本实施方式中，相位值则表示微带天线100输出的微波信号到达加热区域时在波形中的位置，而微带天线100的方向性使得位于天线不同方向的区域收到的微波能量不一样，微带天线100上微波传输相位的改变，引起天线方向图的改变，进而导致加热区域的改变。
39.在本实施方式中，随着温度变化，相变材料块102从低温的半导体(绝缘体)不导电的状态，变为高温的金属导电的状态，使得微带天线100的边缘阻抗发生变化的同时微带天线100的边缘电流方向也发生变化，给微波的传输方向带来相位的滞后，进而使得微带天线100输出的微波信号的相位值从第一相位值变为第二相位值。
40.本实施方式需要进一步说明的是，相位值的改变实际上是改变了微带天线100的辐射方向，其中，天线的辐射方向可以用天线方向图表示，在天线方向图中，由于主瓣是天线方向图上的最大辐射波束，因此，主瓣的方向往往决定了加热区域的空间位置。
41.在一个例子中，参照图4，示出了微带天线100在不同温度下的天线方向图，在微波源202馈入微带天线100的微波信号的频率为2.45ghz时，微带天线100输出的微波信号的相位值随着温度的改变而改变，微带天线100的方向图中主瓣方向由低温时的45
°
转变到了高温时的120
°
，进而改变了微带天线100的加热区域。如此，通过调整相应幅度的相位值，可以实现对特定区域的定向加热。
42.在一个可行的实施方式中，继续参照图1，微带天线100还包括介质基板104和接地板(图中未示出)。
43.在本实施方式中，天线本体101、相变材料块102和边缘负载103均设置在介质基板104的一侧，接地板设置在介质基板104的另一侧。优选地，接地板和天线本体101均采用金属材质制成，并选用介电常数足够高的介质基板104，如此，微波信号在接地板和天线本体101之间反射的过程中，可以通过介质基板104向前传输而几乎不往外辐射能量。
44.在一个可行的实施方式中，相变材料块102和边缘负载103均可以设置有多个，多个相变材料块102与多个边缘负载103一一对应连接；多个相变材料块102和多个边缘负载103在天线本体101上呈阵列排布。
45.在本实施方式中，为实现较大范围的相位偏移，可以在天线本体101上以阵列的方式均匀排布多个相变材料块102，并且每个相变材料块102连接一个边缘负载103。在一个例子中，相变材料块102由二氧化钒制成，在频率2.45ghz，低温(即二氧化钒的温度未被加热至相变温度)时，二氧化钒表现为绝缘体，天线本体101和边缘负载103之间相当于开路，微带天线100输出的相位值为45
°
；高温(即二氧化钒的温度被加热至相变温度)时，二氧化钒表现为金属性能，相变材料块102相当于导体，天线本体101和边缘负载103之间处于导通状态，微带天线100输出的相位值为60
°
，即单个相变材料块102和边缘负载103可以实现较小的相位偏移。由于相位的偏移量和设置的相变材料块102的数量基本上呈倍数关系，因此，在频率2.45ghz，可以通过在天线本体101上阵列排布5组相变材料块102和边缘负载103，使低温时输出的相位值是45
°
，而高温时输出相位值是120
°
，进而可以实现约75
°
的相位偏移。
46.在本实施方式中，通过设置多组相变材料块102和边缘负载103，可以实现较大范围的相位偏移，并可以根据实际需求，通过温控模块105加热对应数量的相变材料块102，以导通所需数量的边缘负载103，进而达到所需的相位偏移量，以满足不同的运用场景。
47.基于同一发明构思，参照图5，示出了本技术一种微波定向加热系统，微波定向加热系统包括加热腔(图中未示出)，加热腔内设置有第一加热区域和第二加热区域，以及设置于加热腔上方的控制器201、微波源202和本技术第一方面提出的微带天线100，控制器201的一端与微带天线100中的温控模块105连接，控制器201的另一端通过微波源202与微带天线100连接，其中，微波源202具体与微带天线100中的天线本体101连接，以使天线本体101传输来自微波源202的微波信号。
48.在本实施方式中，控制器201用于控制微波源202向微带天线100馈入微波信号；控制器201还用于控制温控模块105加热微带天线100中的相变材料块102。
49.在本实施方式中，微带天线100用于在相变材料块102的温度未被加热至相变温度时，加热第一待加热区域；微带天线100还用于在相变材料块102的温度被加热至相变温度时，加热第二待加热区域。
50.在本实施方式中，为防止微波信号泄露，加热腔可以是由金属材质围合而成的密闭空间，加热腔可以根据待加热物体的加热需求设置为正方体或者长方体等形状，本实施方式不对加热腔的形状做具体限制。
51.在本实施方式中，通过控制器201控制微波源202向微带天线100馈入微波信号。以二氧化钒作为相变材料为例，在温度低于68
°
时，微带天线100输出的相位值为第一相位值φ1，此时定向加热的区域是第一待加热区域；经过控制器201201将微带天线100中的相变材料加热到超过相变温度，微带天线100输出的相位值为第二相位值φ2，此时定向加热的区域从第一待加热区域变成了第二待加热区域。
52.在一个例子中，相变材料块102采用二氧化钒制成，第一待加热区域和第二待加热区域分别设置在加热腔的底部的左右两个区域，并在第一待加热区域和第二待加热区域各自放置一杯水，在相变材料块102的温度低于68
°
时，微带天线100输出的相位值为第一相位值φ1，定向加热区域为左边区域(即第一待加热区域)，此时，左边区域电场强度明显大于右边区域电场强度，测得左边水杯中水的平均温度为52
°
，右边水的平均温度是28
°
；在相变材料块102的温度高于68
°
时，微带天线100输出的相位值为第一相位值φ2，定向加热区域为右边区域(即第二待加热区域)，右边区域电场强度明显大于左边区域电场强度，测得左边水杯中水的平均温度为25
°
，右边水杯中水的平均温度是49
°
。
53.在另外一个例子中，在化工材料合成领域，不同的加热区域可能存在不同的加热需求，如第一待加热区域的温度需求为500℃，而第二待加热区域的温度需求为200℃，此时，通过控制器201控制温控模块105将相变材料块102的温度加热至相变温度，不仅可以实现微波定向加热区域的改变，同时通过控制微波源202的馈入功率和加热时间即可实现加热温度的调整。
54.本技术实施例提供的一种微波定向加热系统，不仅可满足各种微波加热场景，而且结构简单，生产成本低，适合推广使用。
55.基于同一发明构思，参照图6，示出了本技术一种微波定向加热方法，该方法应用于微波定向加热系统，微波定向加热系统包括加热腔，加热腔内设置有第一加热区域和第
二加热区域，以及设置于加热腔上方的控制器201、微波源202和本技术第一方面提出的微带天线100，控制器201的一端与微带天线100中的温控模块105连接，控制器201的另一端通过微波源202与微带天线100连接；该方法可以包括以下步骤：
56.s601：通过控制器201控制微波源202向微带天线100馈入微波信号。
57.s602：响应于对第一加热区域的加热请求，通过温控模块105控制相变材料块102的温度保持在相变温度之下，以使相变材料块102呈现出第一状态，以控制微带天线100输出的微波信号的相位值为对第一加热区域进行加热的第一相位值。
58.s603：响应于对第二加热区域的加热请求，通过温控模块105控制相变材料块102的温度保持在相变温度之上，以使相变材料块102呈现出第二状态，以控制微带天线100输出的微波信号的相位值为对第二加热区域进行加热的第二相位值。
59.本实施方式需要说明的是，第一状态指绝缘状态，即在绝缘状态下，天线本体101和边缘负载103之间处于开路状态，此时，微带天线100中的边缘电流仅流过天线本体101，以控制微带天线100输出的微波信号的相位值为对第一加热区域进行加热的第一相位值；第二状态至导体状态，即在导体状态下，天线本体101和边缘负载103之间处于导通状态，此时，微带天线100中的边缘电流将经过相变材料块102的一侧流入边缘负载103，再途经边缘负载103的边缘从相变材料块102的另一侧流回天线本体101，以控制微带天线100输出的微波信号的相位值为对第二加热区域进行加热的第二相位值。
60.在本实施方式中，为实现较大的相位偏移量并满足更多的运用场景，微带天线100中设置有多组相变材料块102和边缘负载103，使得需要改变定向加热区域的情况下，即将加热区域从第一待加热区域转变为第二待加热区域，可以根据实际所需的相位的偏移量，确定微带天线100中所需要加热的相变材料块102的数量。在确定微带天线100中所需要加热的相变材料块102之后，通过控制器201控制控温模块将相应数量的相变材料块102的温度加热至相变温度，使微带天线100输出的相位改变所需的相位值，进而改变微波定向加热区域。
61.在本实施方式中，通过在微带天线100中加入边缘负载103和随温度变化的相变材料块102，在无需改变微带天线100或微波源202的前提下，仅需控制相变材料块102的温度即可实现微波定向加热区域的改变，方便快捷，同时满足更多的运用场景，有效解决传统的微带天线仅能实现单一区域的加热，无法改变加热区域的问题。
62.本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
63.本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中
指定的功能的装置。
64.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
65.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
66.尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
67.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
68.以上对本发明所提供的一种微带天线、微波定向加热系统及其加热方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。