自动调整工作频率的微波功率源和方法
【专利摘要】公开了一种微波炉的微波功率源和工作频率调整方法。微波功率源包括：锁相频率发生器，产生多个工作频率；驻波检测电路，针对每一个工作频率，检测微波炉腔体的驻波并提供驻波信息；以及微控制器，根据驻波信息选择所述多个工作频率之一，并控制锁相频率发生器产生所选的工作频率，使得微波炉工作在所选的工作频率上。利用本发明实施例，能够根据微波炉腔体的驻波比变化自动调整微波炉的工作频率。
【专利说明】自动调整工作频率的微波功率源和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于家用电器领域，具体涉及一种自动调整工作频率的微波功率源和方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术以及微波炉技术的发展，作为微波炉核心部件的微波功率源，已经有条件开始采用半导体器件来取代磁控管。半导体微波炉具有低压安全，寿命长以及节省高压变压器所需铜材钢材等优点。
[0003]根据微波功率传输的理论，负载与源的阻抗匹配的对微波功率传输有着决定性的影响，阻抗匹配可以用VSWR(电压驻波比)来量化，在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。电压驻波比，指的就是电压波腹值与电压波节值之比。从能量传输的角度考虑，理想的VSWR为1:1，驻波比越大，反射功率越高，传输效率越低。
[0004]对于微波炉来说，微波功率从微波功率源馈入微波炉腔体，所以在工作的频率，微波炉腔体呈现给微波功率源的驻波比就很重要了。而在微波炉放入食物后，不同材质、不同体积的食物，以及放置食物的不同位置都会影响微波炉腔体呈现给微波功率源的驻波比，因此驻波比最好的频率点不是固定的。但目前不论是磁控管微波炉还是半导体微波炉，其工作频率都是固定的，在2.45GHz左右，这个频点的驻波比会随食物材质、体积的变化而变化，所以微波炉有可能工作在驻波比不是最好的状态，导致加热效率降低，浪费能源。如果发生不慎放入金属物、腔体损坏等极端情况发生，导致该频点驻波比很差，还有可能因为反射过大,造成微波功率源的损坏。
[0005]需要一种能够根据微波炉腔体的驻波比变化，来调整微波炉的工作频率的方法，以解决固定频率微波炉加热效率低，甚至损坏微波功率源的问题。
【发明内容】
[0006]根据本发明实施例，提供了一种微波炉的微波功率源，包括:锁相频率发生器，产生多个工作频率；驻波检测电路，针对每一个工作频率，检测微波炉腔体的驻波并提供驻波信息；以及微控制器，根据驻波信息选择所述多个工作频率之一，并控制锁相频率发生器产生所选的工作频率，使得微波炉工作在所选的工作频率上。
[0007]根据本发明另一实施例，提供了一种调整微波炉的工作频率的方法，包括:在微波炉开机时，产生多个工作频率，并针对每一个工作频率检测微波炉腔体的驻波，以获取相应的驻波信息；以及根据驻波信息选择所述多个工作频率之一，并控制微波炉工作在所选的工作频率上。
[0008]根据本发明另一实施例，提供了一种调整微波炉的额定工作功率的方法，包括:
[0009]在生产过程中，通过使微波炉的第二增益控制电路的增益最大，并调节第一增益控制电路，使微波炉的输出功率达到额定功率，并固定第一增益控制电路的增益值；以及
[0010]在使用过程中，通过调节微波炉的第二增益控制电路，调整微波炉的额定工作功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]通过结合附图进行的下述示例性实施例的描述，以上和其它方面将变得显而易见且更容易理解，在附图中:
[0012]图1为根据本发明实施例的微波功率源的示意框图；
[0013]图2为锁相频率发生器的示意框图；
[0014]图3为驻波检测电路的示意框图；
[0015]图4示出了根据本发明另一实施例的驻波检测电路的耦合器采用微带线耦合器的微波功率源的示意框图；
[0016]图5示出了根据本发明另一实施例的驻波检测电路的耦合器采用腔体耦合器的微波功率源的示意框图；
[0017]图6为微波放大器的示意框图；
[0018]图7为驱动放大器的示意框图；以及
[0019]图8为根据本发明示例实施例的自动调整微波炉工作频率的方法的流程图。【具体实施方式】
[0020]以下参照附图来详细描述示例性实施例，以使本领域普通技术人员更容易地实现。示例性实施例可以以不同形式来实现，并不应限于本文提出的示例性实施例。为了清楚起见省略对公知部件的描述，并且相似的附图标号表示相似的元件。
[0021]图1示出了根据本发明实施例的微波功率源的示意框图。微波功率源可以包括锁相频率发生器1、驻波检测电路3和微控制器5，驻波检测电路3反馈微波炉腔体的驻波信息给微控制器5，微控制器5根据反馈的驻波信息调整微波炉的工作频率。微控制器5例如可以是MCU微控制器。具体而言，在微波炉开机时，锁相频率发生器I产生多个工作频率，驻波检测电路3针对每一个工作频率，检测微波炉腔体的驻波并提供驻波信息，微控制器5根据驻波信息，控制锁相频率发生器I产生所选的工作频率，使得微波炉工作在所选的工作频率上。在一个实施例中，微控制器5根据驻波信息计算每一个工作频率对应的驻波比值，选择与所有驻波比值中最小的驻波比值对应的工作频率。这样，在微波炉进入加热阶段之前，微波功率源可以自动调整微波炉的工作频率。例如在微波炉开机时，微波功率源通过检测微波炉腔体的驻波，找到驻波比值最小的频率并调整微波炉的工作频率至该频率，使微波加热效率最大化，解决了固定频率微波炉加热效率低的问题。
[0022]在一个实施例中，锁相频率发生器I以步进方式产生预定范围上的多个工作频率，比如可以设置为IOMHz步进，频率范围为2.35-2.55GHz。
[0023]在一个实施例中，选择工作频率之前，微控制器5还将最小驻波比值与预设的安全驻波比值相比较，如果最小驻波比值高于安全驻波比值，则进行控制以发出指示高驻波比值的警报，如果最小驻波比值不高于安全驻波比值，则选择与最小驻波比值对应的工作频率。例如，安全驻波比值可以为VSWR = 10: 1，如果最小驻波比值高于10: 1，则发出高驻波比警报，报警信号可以是电信号、光信号，也可以是声音信号。如果驻波比最小值不高于10: 1，则以驻波比最小值对应的频率作为工作频率。这样在微波功率源输出大功率之前，能够确认腔体驻波比处于正常范围，既防止因为驻波比过大而损坏核心部件-微波功率源,又使加热效率最最大。
[0024]在一个实施例中，微控制器5在整个频率范围上，针对每个工作频率，计算对应的驻波比值，并以频率-驻波比对照表的形式记录下每个频率及其对应的驻波比值。例如，这个对照表可以记录在微控制器5内部或外部的存储器中。
[0025]图2是图1中锁相频率发生器I的示意框图。锁相频率发生器I包括锁相频率源6和微波衰减器7。锁相频率源6在微控制器5的控制下，产生微波炉的工作频率，并输出相应的微波信号。如上所述，工作频率可以在预定的频率范围内，并且以步进方式改变。锁相频率源6输出的微波信号进入微波衰减器7受到衰减并输出。微波衰减器7具有两种工作状态，分别是低衰减状态和高衰减状态。例如，低衰减状态的衰减值可以是OdB，高衰减状态的衰减值是10dB。微波衰减器7处于何种工作状态由微控制器5控制。微波衰减器7可以是数控衰减器，可以是电调衰减器，也可以是通过双刀双掷开关选择不同的衰减路径来实现的。
[0026]根据一个实施例，在工作频率调整期间，例如微波炉开机时，微控制器5控制微波衰减器7处于高衰减状态，这样微波炉的固态功率放大器在驻波检测电路检测腔体驻波时可以工作在低功率状态下，不会因为微波炉腔体驻波比值过大而损坏固态功率放大器。
[0027]图3为图1中驻波检测电路3的示意框图。驻波检测电路3包括定向耦合器13和微波检波电路14。定向耦合器13对馈入微波炉腔体的微波正向耦合功率和反射耦合功率进行取样，并将取样提供给微波检波电路14，微波检波电路14将定向耦合器13取样的正向耦合功率和反射耦合功率分别转 换为直流电压并提供给微控制器5，作为驻波信息。
[0028]在一个实施例中，定 向耦合器13以预定的比例(比例可以是千分之一)取样正向输出功率和反射功率，得到正向耦合取样功率值Pf和反射耦合取样功率值Pr。微波检波电路14将Pf和Pr转换为直流电压。定向耦合器13由一个高隔离度双定向耦合器实现，也可以由两个分别耦合正向微波输出功率和耦合反射微波功率的单定向耦合器实现。定向耦合器13可以是微带线耦合器，也可以是腔体定向耦合器。在调整过程中，针对锁相频率发生器I产生的每个频率，微控制器5根据微波检波电路14检波得到的电压值，通过检波二极管或者微波检波芯片，可以得到Pf和Pr功率值，进而根据公式(I)得到反射系数:
[0029]=撰(1 )
[0030]然后根据公式⑵得到驻波比VSWR:
[0031]
1HrIu)
[0032]微控制器5记录每个频率及其对应的驻波比值。
[0033]在一个实施例中，微波检波电路可以是由肖特基检波二极管检波实现，也可以是由微波检波芯片(比如AD8313，AD8362等)实现。检测到的Pf和Pr直流检波电压可以经过模拟至数字(ADC)转换，转换为数字量。模拟至数字转换可以采用分立的专用ADC芯片来进行，也可以作为集成在微控制器5中的功能。例如，微控制器5可以采用带模拟至数字转换器的AVR单片机ATMEGA8来实现。
[0034]图4示出了根据本发明另一实施例的驻波检测电路3的定向耦合器13采用微带线耦合器的微波功率源的示意框图，图4的微波功率源除了包括图1所示的部件(以相同的附图标记指示)之外，还包括微波放大器2和同轴波导转换器4。微波放大器2位于锁相频率发生器I和驻波检测电路3之间，放大来自锁相频率发生器I的低功率微波信号的功率，以用于微波炉腔体内的加热。同轴波导转换器4用于将采用微带线耦合器的驻波检测电路3的同轴输出接口转换为微波炉的波导输入接口。
[0035]图5示出了根据本发明另一实施例的驻波检测电路3的定向耦合器13采用腔体耦合器的微波功率源的示意框图，如果驻波检测电路3的定向耦合器13采用波导腔体耦合器，则同轴波导转换器4就要放在驻波检测电路3之前，如图5所示。
[0036]微波放大器2作用主要是放大锁相频率发生器I产生的低功率微波信号到足够的微波功率，比如600瓦，用于加热。图6为图4所示微波放大器2的示意框图。微波放大器2包括依次连接的驱动放大器8和固态功率放大器9。驱动放大器8连接至锁相频率发生器1，固态放大器9连接至驻波检测电路的定向耦合器13并经由定向耦合器13连接至同轴波导转换器4 (图4)，或者固态放大器9连接至同轴波导转换器4并经由同轴波导转换器4连接至驻波检测电路的定向耦合器13(图5)。
[0037]图7为驱动放大器8的示意框图。驱动放大器8包括增益控制电路A 10、增益控制电路B 11和微波小功率放大器12。增益控制电路A 10用于调整微波炉的额定输出功率，增益控制电路B 11用于调整微波炉的实际工作频率，微波小功率放大器12用于放大微波信号的功率。具体而言，增益控制电路AlO的作用是在微波炉出厂前，调整其额定输出功率；增益控制电路B 11是提供给消费者使用的，用以调整微波炉实际工作功率。在工厂生产过程中，由于器件、电路、工艺的一致性问题，对于不同的产品，如果不加以调整，链路的增益不会一样，输出功率也一定会有差异，有的可能输出功率过大，而有的可能输出功率不够额定功率。为了使每台微波炉都能达到额定输出功率，而且不会输出过大的功率。在出厂前，工人必须要进行微波炉额定功率调节。首先使增益控制电路B 11的增益最大，通过调节增益控制电路A 10，使生产线上的微波炉输出达到额定功率，最后固定增益控制电路A 10的增益值。消费者在家庭使用过程中通过用户界面，只能调整增益控制电路B 11，通过它来调节微波炉的使用额定工作功率。驱动放大器8的增益控制电路A 10和B 11可以是可变微波衰减器，也可以是可变增益微波放大器，总之是可以调节增益或者放大器增益的电路。增益控制电路A 10，增益控制电路B 11与微波小功率放大器12的相对位置不固定，微波小功率放大器12的位置可以在增益控制电路A 10与增益控制电路B 11之间，也可以在两个增益控制电路之前或之后。
[0038]固态功率放大器9采用微带线阻抗匹配，由于微波炉工作功率太大，50欧姆微带线不能承受较大功率微波信号，所以对于图4所示的驻波检测电路3的定向耦合器13采用微带线耦合器的微波功率源，驻波检测电路3至同轴波导转换器4的微带线不是50欧姆，而是低于50欧姆，这样输出微带线比较宽，能承受大功率。对于图5所示的驻波检测电路3的定向耦合器13采用腔体耦合器的微波功率源，微波放大器2至同轴波导转换器4的微带线不是50欧姆，而是低于50欧姆，这样输出微带线比较宽，能承受大功率。在一个示例实施例中，可以采用35欧姆微带线。对于介电常数3.5的板材，35欧微带线宽度为2.9mm,功率容量远大于50欧姆的1.7mm。
[0039]以上参照示例实施例描述了微波功率源及其部件。图8为根据本发明示例实施例的自动调整微波炉工作频率的方法的流程图8。如上所述，在微波炉放入食物后，不同材质、不同体积的食物、以及放置食物的不同位置都会影响微波炉腔体呈现给微波功率源的驻波t匕，因此需要在开机时进行驻波检测和频率调整。如图8所述，在步骤S702，在微波炉开机时，产生多个工作频率，并针对每一个工作频率，检测微波炉腔体的驻波，以获取相应的驻波信息。具体而言，微控制器5控制锁相频率发生器I输出一个振荡频率，经过微波放大器2放大后，输出至微波炉腔体。驻波检测电路3检测微波炉腔体内的驻波，以获得正向输出功率耦合值Pf和反射功率耦合值Pr的检波直流电压，作为驻波信息。
[0040]在步骤S704，根据驻波信息，选择多个工作频率之一，并控制微波炉工作在所选的工作频率上。具体而言，微控制器5从驻波检测电路3得到正向输出功率耦合值Pf和反射功率耦合值Pr的检波直流电压。微控制器5根据这两个电压值，计算得到对应当前频率的驻波比值，并记录当前频率及其对应的驻波比值。接下来，微控制器5控制锁相频率发生器I以步进方式改变输出频率，并针对改变后的每个频率重复上述检测和计算过程，从而记录下每个频率对应的驻波比值，直到完成整个频率范围的测试，得到频率-驻波比值对照表。微控制器5根据频率-驻波比值对照表，选择与所有驻波比值中最小的驻波比值对应的工作频率，并控制锁相频率发生器I输出该工作频率，作为微波炉的实际工作频率。
[0041]在另一实施例中，微控制器5还可以将最小驻波比值与预设的安全驻波比值相比较，如果最小驻波比值高于安全驻波比值，则发出指示高驻波比值的警报，如果最小驻波比值不高于安全驻波比值，则选择与最小驻波比值对应的工作频率。
[0042]此外，根据一个示例实施例，在微波炉刚开机时，微控制器5还可以控制锁相频率发生器I的微波衰减器7，使之处于高衰减状态，这样末级功放在检测腔体驻波时，工作在低功率状态下，不会因为微波炉腔体驻波比值过大而损坏末级功放。
[0043]尽管已经参考典型实施例描述了本发明，本发明不局限于上述典型实施例。可以在本发明的范围内、按照本领域普通技术人员可以设想的各种方式修改本发明的结构和细节。
【权利要求】
1.一种微波炉的微波功率源，包括: 锁相频率发生器，产生多个工作频率； 驻波检测电路，针对每一个工作频率，检测微波炉腔体的驻波并提供驻波信息；以及 微控制器，根据驻波信息选择所述多个工作频率之一，并控制锁相频率发生器产生所选的工作频率，使得微波炉工作在所选的工作频率上。
2.根据权利要求1所述的微波功率源，其中，在微波炉开机时，驻波检测电路检测驻波，微控制器进行选择和控制，以调整微波炉的工作频率。
3.根据权利要求1所述的微波功率源，其中，微控制器根据驻波信息计算每一个工作频率对应的驻波比值，选择与所有驻波比值中最小的驻波比值对应的工作频率。
4.根据权利要求1所述的微波功率源，其中，锁相频率发生器以步进方式产生预定范围上的所述多个工作频率； 微控制器计算每个工作频率对应的驻波比值，并以频率-驻波比值对照表的形式记录下每个工作频率及其对应的驻波比值。
5.根据权利要求3所述的微波功率源，其中，微控制器还将最小驻波比值与预设的安全驻波比值相比较，如果最小驻波比值高于安全驻波比值，则进行控制以发出指示高驻波比值的警报，如果最小驻波比值不高于安全驻波比值，则选择与最小驻波比值对应的工作频率。
6.根据权利要求1所述的微波功率源，其中，锁相频率发生器包括: 锁相频率源，在微控制`器的控制下产生所述多个工作频率，并输出所述多个工作频率上的微波信号；以及微波衰减器，在微控制器的控制下工作在低衰减状态或高衰减状态，对锁相频率源产生的微波信号进行衰减。
7.根据权利要求2所述的微波功率源，其中，在调整微波炉的工作频率期间，微控制器控制微波衰减器工作在高衰减状态。
8.根据权利要求1所述的微波功率源，其中，驻波检测电路包括: 定向耦合器，对馈入微波炉腔体的微波正向耦合功率和反射耦合功率进行取样；以及微波检波电路，将定向耦合器取样的正向耦合功率和反射耦合功率分别转换为直流电压，并提供给微控制器，作为驻波信息。
9.根据权利要求8所述的微波功率源，还包括:微波放大器，位于锁相频率发生器和驻波检测电路之间，放大来自锁相频率发生器的微波信号的功率，以用于加热。
10.根据权利要求9所述的微波功率源，还包括:同轴波导转换器，位于驻波检测电路之前或之后，用于将微波信号从同轴接口转换至波导接口。
11.根据权利要求10所述的微波功率源，其中，微波放大器包括依次连接的驱动放大器和固态功率放大器， 驱动放大器连接至锁相频率发生器，以及 在驻波检测电路的定向耦合器采用微带线耦合器的情况下，固态放大器连接至定向耦合器并经由定向耦合器连接至同轴波导转换器，而在驻波检测电路的定向耦合器采用腔体耦合器的情况下，固态放大器连接至同轴波导转换器，并经由同轴波导转换器连接至驻波检测电路。
12.根据权利要求11所述的微波功率源，其中，驱动放大器包括第一增益控制电路、第二增益控制电路和微波小功率放大器，第一增益控制电路用于调整微波炉的额定输出功率，第二增益控制电路用于调整微波炉的实际工作频率，微波小功率放大器用于放大微波信号的功率。
13.根据权利要求12所述的微波功率源，其中，在生产过程中，通过使第二增益控制电路的增益最大，并调节第一增益控制电路，使微波炉的输出功率达到额定功率，并固定第一增益控制电路的增益值。
14.根据权利要求12所述的微波功率源，其中，在使用过程中，用户能够通过调节第二增益控制电路，来调整微波炉的额定工作功率。
15.根据权利要求12所述的微波功率源，其中，固态功率放大器通过微带线连接至同轴接头，并通过同轴接头连接至同轴波导转换器，在与同轴接头连接处的微带线，其阻抗低于50欧姆。
16.—种调整微波炉的工作频率的方法，包括: 在微波炉开机时，产生多个工作频率，并针对每一个工作频率检测微波炉腔体的驻波，以获取相应的驻波信息；以及 根据驻波信息选择所述多个工作频率之一，并控制微波炉工作在所选的工作频率上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述选择包括:根据驻波信息计算每一个工作频率对应的驻波比值，选择与所有驻波比值中最小的驻波比值对应的工作频率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述选择还包括:将最小驻波比值与预设的安全驻波比值相比较，如果最 小驻波比值高于安全驻波比值，则发出指示高驻波比值的警报，如果最小驻波比值不高于安全驻波比值，则选择与最小驻波比值对应的工作频率。
19.一种调整微波炉的额定工作功率的方法，包括: 在生产过程中，通过使微波炉的第二增益控制电路的增益最大，并调节第一增益控制电路，使微波炉的输出功率达到额定功率，并固定第一增益控制电路的增益值；以及 在使用过程中，通过调节微波炉的第二增益控制电路，调整微波炉的额定工作功率。
【文档编号】H05B6/68GK103533690SQ201210232055
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月5日 优先权日:2012年7月5日
【发明者】成钢, 邱晓勇, 卓英浩 申请人:Nxp股份有限公司