BRPI1000784A2 - dispositivo de aquecimento de micro-ondas - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO DE AQUECIMENTO DE MICRO-ONDAS. A invenção refere-se a um dispositivo de aquecimento de micro- ondas para aquecer uma carga por meio de micro-ondas. O dispositivo de aquecimento de micro-ondas (300) compreende uma cavidade (350) dispos- ta para receber uma carga a ser aquecida e uma estrutura de alimentação (325) para alimentar as micro-ondas dentro da cavidade. A estrutura de ali- mentação compreende uma linha de transmissão (330) para transmitir a e- nergia de micro-ondas gerada por uma fonte de micro-ondas (310) e um res- sonador (320) disposto na junção entre a linha de transmissão e a cavidade para operar como um orifício de alimentação (320a) da cavidade. A constan- te dielétrica do material que constitui o interior do ressonador e as dimen- sões do ressonador são selecionadas de modo que uma condição de resso- nância seja estabelecida dentro do ressonador para as micro-ondas geradas pela fonte e um casamento de impedância é estabelecido entre a linha de transmissão, o ressonador e a cavidade. Além disso, a presente invenção provê um dispositivo de aquecimento de micro-ondas (500) que compreende uma pluralidade de orifícios de alimentação (525, 525') com interferência reduzida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO DE AQUECIMENTO DE MICRO-ONDAS".

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se ao campo de aquecimento de mi-cro-ondas. A presente invenção refere-se a um dispositivo de aquecimentode micro-ondas que compreende uma estrutura de alimentação que permiteo dispositivo operar em substância independentemente da carga a ser aquecida.

ANTECEDENTES

A técnica de aquecimento de micro-ondas envolve a alimentaçãode energia de micro-ondas para dentro de uma cavidade. Quando aquecendouma carga na forma de, por exemplo, um alimento por meio de um dispositivode aquecimento de micro-ondas, existe um número de aspectos os quais preci-sam ser considerados. A maioria destes aspectos é bem-conhecida daquelesversados na técnica e inclui, por exemplo, o desejo de obter um aquecimentouniforme do alimento ao mesmo tempo em que uma quantidade máxima depotência de micro-ondas disponível é absorvida no alimento para atingir umgrau satisfatório de eficiência. Especificamente, a operação do dispositivo deaquecimento de micro-ondas é de preferência independente da, ou pelo me-nos muito pouco sensível à, natureza da carga a ser aquecida.

Na patente Européia EP0478053, um dispositivo de aquecimen-to de micro-ondas na forma de uma cavidade de forno de micro-ondas sendosuprida com micro-ondas através de uma abertura de alimentação superior einferior em uma parede lateral da cavidade de forno está descrito. O supri-mento é feito através de um dispositivo de guia de onda ressonante que temum valor Q o qual é mais alto do que o/s valor/es Q da cavidade carregada.O guia de onda está dimensionado de tal modo que uma condição de resso-nância é estabelecida dentro do dispositivo de guia de onda. A condição deressonância fornece um bloqueio de fase das micro-ondas nas respectivasaberturas de alimentação, onde o bloqueio de fase. de preferência está emsincronismo com o/s modo/s de cavidade desejado/s.

As desvantagens de tal técnica são a necessidade de dois orifíciosde alimentação para prover tanto um padrão de campo estável e casamento,quanto as limitações em termos de flexibilidade com relação à alimentaçãodas micro-ondas.

Assim, existe uma necessidade de prover alternativas e/ou no-vos dispositivos que superariam estas desvantagens.

SUMÁRIO

Um objeto da presente invenção é prover uma alternativa maiseficiente para a técnica acima e a técnica anterior.

Mais especificamente, é um objeto da presente invenção proverum dispositivo de aquecimento de micro-ondas com uma dependência redu-zida da natureza da carga a ser aquecida e/ou aliviar as limitações em ter-mos de flexibilidade com referência à alimentação das micro-ondas.

Estes e outros objetos da presente invenção são conseguidospor meio de um dispositivo de aquecimento de micro-ondas que tem as ca-racterísticas definidas na reivindicação independente. As modalidades prefe-ríveis da invenção estão caracterizadas pelas reivindicações dependentes.

Com isto, de acordo com um primeiro aspecto da presente in-venção, um dispositivo de aquecimento de micro-ondas está provido. O dis-positivo de aquecimento de micro-ondas compreende uma cavidade dispos-ta para receber uma carga a ser aquecida e uma estrutura de alimentaçãopara alimentar as micro-ondas para dentro da cavidade. A estrutura de ali-mentação compreende uma linha de transmissão para transmitir a energiade micro-ondas gerada por uma fonte de micro-ondas e um ressonador dis-posto na junção entre a linha de transmissão e a cavidade para operar comoum orifício de alimentação da cavidade. A constante dielétrica do materialque constitui o interior do ressonador e as dimensões do ressonador sãoselecionadas de modo que uma condição de ressonância seja estabelecidadentro do ressonador para as micro-ondas geradas pela fonte e um casa-mento de impedância é estabelecido entre a linha de transmissão, o resso-nador_e a cavidade

A presente invenção faz uso de uma compreensão que um res-sonador pode estar disposto na junção entre a linha de transmissão e a ca-vidade para operar como um orifício de alimentação de modo a conseguirum padrão de campo estável dentro da cavidade. Vantajosamente, um ca-samento adequado e estável está também provido. A constante dielétrica domaterial que constitui o interior do ressonador e as dimensões do ressonadorsão selecionadas de modo que uma condição de ressonância seja estabele-cida dentro do ressonador para as micro-ondas geradas pela fonte e um ca-samento de impedância é estabelecido entre a linha de transmissão, o res-sonador e a cavidade. Deste modo, o ressonador que tem um alto valor Q1especificamente mais alto do que o/s valor/es Q de uma cavidade carregada,está provido na junção entre a linha de transmissão e a cavidade.

A presente invenção é vantajosa pelo fato de que está provê umdispositivo de aquecimento de micro-ondas o qual é em substância indepen-dente da, ou pelo menos muito pouco sensível à, carga (ou a natureza dacarga) disposta dentro da cavidade. Especificamente, o dispositivo de aque-cimento de micro-ondas é muito pouco sensível à variação de carga.

Ainda, se comparada com, por exemplo, uma cavidade alimen-tada através de uma abertura regularmente dimensionada sem nenhum res-sonador (isto é, um guia de onda cheio de ar conectado na cavidade), a pre-sente invenção é vantajosa pelo fato de que um dispositivo de aquecimentomais estável está provido. O dispositivo de aquecimento pode ser operado auma freqüência estável em substância independentemente da (ou pelo me-nos, menos dependente da) carga disposta dentro da cavidade.

Ainda, graças às suas propriedades de transmissão, a utilizaçãode um ressonador facilita o casamento de impedância entre a linha detransmissão e a cavidade.

A presente invenção é adicionalmente vantajosa pelo fato deque esta provê um dispositivo de aquecimento de micro-ondas que tem umaabertura de alimentação (ou orifício de alimentação) de dimensões menoresque as aberturas de alimentação convencionais, por meio disto resultandoem uma alimentação de um modo "mais limpo", isto é, de preferência ummodo único, dentro da cavidade. Por exemplo, a presente invenção permitea redução da abertura de alimentação do tamanho-padrão de um mínimo de61 mm (o tamanho normal sendo de aproximadamente 80-90 mm) para a-proximadamente 6-20 mm.

Ainda, para assegurar a alimentação de um modo único dentroda cavidade, como o projeto do ressonador determina as suas propriedadesde transmissão, a cavidade pode ser projetada de acordo com o projeto doressonador para suportar um modo que corresponde à freqüência na qual asmicro-ondas são alimentadas para dentro da cavidade.

De acordo com uma modalidade, o material que constitui o inte-rior do ressonador tem uma constante dielétrica maior do que aquela do ma-terial que constitui o interior da linha de transmissão e a dimensão de seçãotransversal do ressonador é selecionada de modo que esta seja menor doque aquela da linha de transmissão. Como será a seguir ilustrado em maisdetalhes, o tamanho do ressonador, isto é, o tamanho do orifício de alimen-tação, é diminuído com a raiz quadrada da constante dielétrica (Ve) do mate-rial que constitui o interior do ressonador.

Por exemplo, o material dielétrico que constitui o interior do res-sonador pode ser uma cerâmica, tal como, por exemplo, o dióxido de alumí-nio (AI203), o dióxido de titânio (Ti02) e diferentes titanatos, por exemplo, otitanato de magnésio (MgTi03) e o titanato de cálcio (CaTi03). Vantajosa-mente, a constante dielétrica ε está compreendida na faixa de 3-150 e é depreferência mais alta do que 10.

Opcionalmente, o ressonador pode ser revestido com um metal,o que é especificamente vantajoso se a constante do material dielétrico forrelativamente baixa, por exemplo, na ordem de 10, para evitar, ou pelo me-nos reduzir, a fuga de micro-ondas do ressonador. No entanto, se a constan-te dielétrica for relativamente alta, por exemplo, na ordem de 80-90 (tal co-mo, por exemplo, o Ti02), um revestimento metálico não é necessário já quea fuga de energia é fortemente evanescente.

De acordo com ainda outra modalidade, a fonte de micro-ondasé um gerador de micro-ondas de estado sólido que compreende elementossemicondutores. As vantagens de um gerador de micro-ondas de estadosólido compreendem a possibilidade de controlar a freqüência das micro-ondas geradas, controlar a potência de saída do gerador e um espectro debanda estreita inerente.

Será apreciado que a linha de transmissão pode ser uma padrãotal como, por exemplo, um guia de onda, um cabo coaxial ou uma linha defita.

Vantajosamente, o ressonador é uma peça alongada de materialdielétrico que tem o mesmo tipo de forma de seção transversal que aquelada linha de transmissão. Por exemplo, o ressonador e a linha de transmissãopodem ter uma seção transversal cilíndrica ou retangular. No entanto, o res-sonador tipicamente tem dimensões menores.

De acordo com uma modalidade, o dispositivo de aquecimentode micro-ondas pode ainda compreender pelo menos uma estrutura de ali-mentação e uma fonte de micro-ondas adicionais, tais como qualquer umadas estruturas de alimentação e fontes de micro-ondas acima definidas, paraalimentar as micro-ondas dentro da cavidade através de um ressonador adi-cional. Além do fato que o dispositivo de aquecimento de micro-ondas é mui-to pouco sensível à natureza da carga, esta modalidade é especificamentevantajosa pelo fato de que esta provê uma cavidade alimentada de duas a-berturas (ou orifícios de alimentação) com uma interferência reduzida com-parado com os dispositivos de aquecimento de micro-ondas da técnica anterior.

Especificamente, as fontes de micro-ondas são respectivamenteoperadas a diferentes freqüências. Em outras palavras, no caso de um dis-positivo de aquecimento de micro-ondas que compreende duas estruturasde alimentação, a cavidade do dispositivo de aquecimento de micro-ondas éexcitada com duas freqüências diferentes através de dois orifícios de alimen-tação, respectivamente. Operar as fontes de micro-ondas a diferentes fre-qüências é especificamente vantajoso para reduzir a interferência. Por e-xemplo, no caso de uma cavidade que compreende, por exemplo, duas es-truturas de alimentação, uma primeira estrutura de alimentação compreendeum primeiro ressonador configurado para transmitir as micro-ondas a umaprimeira freqüência F1 bem-definida enquanto que a segunda estrutura dealimentação compreende um segundo ressonador configurado para transmi-tir as micro-ondas a uma segunda freqüência F2 bem-definida. Deste modo,o segundo ressonador está um tanto configurado para bloquear, ou pelomenos fortemente limitar, a transmissão através de si próprio das micro-ondas alimentadas para dentro da cavidade do primeiro orifício de alimenta-ção. Isto reduz significativamente a interferência entre os dois orifícios dealimentação. Além disso, também em substância impedirá a transmissão defreqüências indesejadas, harmônicos e sub-harmônicos, isto é, compatibili-dade eletromagnética (EMC).

Apesar do exemplo acima ser descrito com uma cavidade quecompreende duas estruturas de alimentação ou ressonadores, será compre-endido que o mesmo principio aplica-se para, e a mesma vantagem comrelação à redução de interferência pode ser obtida com, uma cavidade quecompreende mais de duas estruturas de alimentação.

No caso de um dispositivo de aquecimento de micro-ondas quecompreende dois orifícios de alimentação, os orifícios de alimentação estãode preferência ortogonalmente dispostos nas paredes da cavidade. Estamodalidade é preferida especificamente se as micro-ondas transmitidas dosdois orifícios de alimentação tiverem a mesma freqüência. Em geral, paramais do que uma estrutura de alimentação, a localização dos orifícios dealimentação nas paredes da cavidade pode ser otimizada para conseguir umpadrão de aquecimento uniforme.

Objetivos adicionais da, características da, e vantagens com, apresente invenção ficarão aparentes quando estudando a descrição detalha-da seguinte, os desenhos e as reivindicações anexas. Aqueles versados natécnica perceberão que diferentes características da presente invenção po-dem ser combinadas para criar outras modalidades do que aquelas a seguirdescritas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O acima, assim como objetos características e vantagens adi-cionais da presente invenção, serão melhor compreendidos através da des-crição detalhada ilustrativa e não-limitante seguinte de modalidades preferi-das da presente invenção, com referência aos desenhos anexos, nos quais:a figura 1 mostra esquematicamente uma estrutura de guia deonda que compreende dois guias de onda cheios de ar conectados atravésde um ressonador para ilustrar o conceito da presente invenção;

a figura 2 mostra a característica de reflexão para a estrutura deguia de onda descrita com referência à figura 1;

a figura 3 mostra esquematicamente um dispositivo de aqueci-mento de micro-ondas de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a figura 4 mostra as características de reflexão para o dispositivode aquecimento descrito com referência à figura 3;

a figura 5 mostra esquematicamente um dispositivo de aqueci-mento de micro-ondas de acordo com outra modalidade da presente invenção;

a figura 6 mostra as características de reflexão para o dispositivode aquecimento com dois orifícios de alimentação descrito com referência àfigura 5;

a figura 7 mostra as características de interferência para os doisorifícios de alimentação do dispositivo de aquecimento descrito com referên-cia à figura 5;

a figura 8 mostra esquematicamente um dispositivo de aqueci-mento de micro-ondas que compreende uma estrutura de alimentação-padrão com guias de onda cheios de ar e sem ressonadores;

a figura 9 mostra as características de reflexão para o dispositivode aquecimento descrito com referência à figura 8;

a figura 10 mostras as características de interferência para osdois orifícios de alimentação do dispositivo de aquecimento descrito comreferência à figura 8;

a figura 11 mostra uma comparação de banda de ISM (industrialcientífica e médica) (2,4-2,5 GHz) das características de reflexão mostradasnas figuras 6 e 9;

a figura 12 mostra uma comparação de banda de ISM (2,4-2,5GHz) das características de interferência mostradas nas figuras 7 e 10.

Todas as figuras são esquemáticas, não necessariamente emescala, e geralmente somente mostram partes as quais são necessárias demodo a elucidar a invenção, em que outras partes podem ser omitidas oumeramente sugeridas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Como uma introdução ao conceito da presente invenção, a figu-ra 1 mostra uma estrutura de guia de onda que compreende dois guias deonda cheios de ar conectados um no outro através de um ressonador (ouguia de onda ressonante).

A figura 1 mostra uma estrutura de guia de onda 1 que compre-ende um primeiro guia de onda ou linha de transmissão cheio de ar 10, umressonador ou guia de onda ressonante 20 e um segundo guia de onda oulinha de transmissão cheio de ar 30. As micro-ondas 40 são alimentadaspara dentro da estrutura 1 em uma primeira extremidade ou face 101 do pri-meiro guia de onda cheio de ar 10. As micro-ondas propagam ao longo da pri-meira linha de transmissão 10 e da segunda linha de transmissão 30 através doguia de onda ressonante 20 o qual está disposto na junção entre a primeira e asegunda linhas de transmissão 10 e 30. As micro-ondas saem da estruturade guia de onda 1 na extremidade 302 da segunda linha de transmissão 30,cuja extremidade 302 é a extremidade oposta à extremidade da linha detransmissão 30 que está adjacente à guia de onda ressonante 20.

Utilizando o sistema de coordenadas (x, y, z) representado nafigura 1, a direção de propagação das micro-ondas ao longo do eixo geomé-tricô χ, o qual é também o eixo geométrico utilizado para definir os compri-mentos dos elementos da estrutura de guia de onda 1 a seguir. As largurasdos elementos da estrutura de guia de onda estão definidas com relação aoeixo geométrico y e as alturas estão definidas com relação ao eixo geométrico z.

Na estrutura 1 descrita com referência à figura 1, as duas guiasde onda cheias de ar 10 e 30 têm uma seção transversal igual (ou pelo me-nos quase igual) (y, z) na direção de propagação. O ressonador 20 acoplaas micro-ondas transmitidas ao longo da primeira linha de transmissão 10 nasegunda linha de transmissão 30.

Como um exemplo, o guia de onda ressonante 20 é assumidoser um guia de onda cheio de Óxido de Alumínio, AI203, cuja constante die-létrica ε é assumida ser igual a 9. O guia de onda ressonante ou guia de on-da cheia de cerâmica 20 é adicionalmente assumido ser revestido com ummetal de modo a evitar, ou pelo menos minimizar, a fuga de micro-ondas. Énotado que se a constante dielétrica fosse significativamente mais alta, nãoseria necessário assumir a presença de um revestimento metálico já que afuga de energia seria fortemente evanescente.

As dimensões do guia de onda 20 são escolhidas para prover ascondições de ressonância, isto é, formar um ressonador 20. Para minimizara reflexão na junção entre as duas linhas de transmissão cheias de ar, asimpedâncias precisam ser casadas (isto é, suficientemente próximas). A e-quação para a impedância característica ZO para um modo de propagaçãoem um guia de onda é expressa como:

<formula>formula see original document page 10</formula>

onde η é a impedância para o espaço livre (igual a 120 π), fc é a freqüênciade corte para o modo de propagação no guia de onda, f é a freqüência deoperação e f é maior do que fc (f > fc) se o modo propagar.

Em vista da equação 1, é preferido executar as mesmas, ou pelomenos quase as mesmas, freqüências de corte em todos os três guias deonda, por meio disto provendo uma junção com uma reflexão muito baixa.Para obter as mesmas freqüências de corte, a largura do guia de onda res-sonante precisa ser escalada com a raiz quadrada de sua constante dielétri-ca Ve em comparação com a largura do guia de onda cheio de ar. No pre-sente exemplo, assumindo um guia de onda cheio de ar que tem uma largu-ra de 80 mm, a largura do guia de onda ressonante (ou corpo ressonante) éigual a aproximadamente 26, 67 mm (isto é, 80/V9) quando o AI203 (ε = 9) éutilizado como o material dielétrico dentro do ressonador.

No presente exemplo, onde ambas as extremidades da estrutura1 são abertas, o comprimento do guia de onda ressonante não pode ser di-retamente selecionado ser um número inteiro de meio comprimento de ondapara executar a ressonância (a uma freqüência específica) no guia de ondaressonante 20. Ao contrário, por exemplo, no caso do modo de TE102, ocomprimento precisa ser maior do que um comprimento de onda. Esta é acondição necessária para ter a ressonância dentro um ressonador comple-tamente fechada por metal. O comprimento do ressonador é, neste caso domodo de TE102, selecionado para ser de 38,5 mm e a altura é arbitraria-mente selecionada ser de 10 mm, por meio disto resultando em uma resso-nância próxima do centro da banda de ISM de 2,4-2,5 GHz.

A figura 2 mostra a característica de reflexão na estrutura deguia de onda 1 com referência à figura 1. A figura 2 ilustra que um bom ca-samento é obtido para o modo de TE102 a 2456 MHz1 onde o fator de refle-xão é aproximadamente igual a 0,0284 (isto é, 2,84%). A figura 2 ilustratambém que o corte de propagação está em aproximadamente 1870 MHzpara a estrutura de guia de onda 1 e que o ressonador cheio de cerâmica 20permitirá somente uma transmissão para as freqüências as quais estão mui-to próximas de suas freqüências de ressonância (levando em conta a fugade superfície de extremidade). Como pode ser visto na figura 2, o fator Q édiferente para as diferentes ressonâncias e, especificamente, diminui se afreqüência de ressonância diminuir. Dependendo da aplicação e da deman-da para uma largura de banda de transmissão estreita, é possível selecionardiferentes ressonâncias pela utilização de diferentes comprimentos para osguias de onda ressonantes. Um guia de onda ressonante mais curto compa-rado com o comprimento de onda provê um valor Q mais alto (modo deTE102), o que é preferido se uma largura de banda de transmissão maisestreita for necessária.

O exemplo acima ilustra o conceito da presente invenção utili-zando uma estrutura de guia de onda 1 que compreende duas linhas detransmissão cheias de ar e um guia de onda ressonante. No dispositivo deaquecimento de micro-ondas da presente invenção, a segunda linha detransmissão compreende a uma cavidade, e a primeira linha de transmissãoe o guia de onda ressonante correspondem à estrutura de alimentação paraalimentar as micro-ondas para dentro da cavidade.

Com referência à figura 3, está mostrado um dispositivo de a-quecimento de micro-ondas 300, por exemplo um forno de micro-ondas, quetem características e funções de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

O forno de micro-ondas 300 compreende uma cavidade 350 de-finida por uma superfície de fechamento. Uma das paredes laterais da cavi-dade 350 pode estar equipada com uma porta (não-mostrada) para permitira introdução de uma carga, por exemplo, um item de alimento, na cavidade 350.

O forno de micro-ondas 300 compreende uma estrutura de ali-mentação 325 para alimentar as micro-ondas para dentro da cavidade 350através de uma única abertura de alimentação 320a. A estrutura de alimen-tação compreende uma linha de transmissão 330 para transmitir a energiade micro-ondas gerada por uma fonte de micro-ondas 310. A estrutura dealimentação ainda compreende um ressonador 320 disposto na junção entrea linha de transmissão 330 e a cavidade 350 para operar como um únicoorifício de alimentação 320a da cavidade.

Apesar do forno de micro-ondas 300 descrito com referência àfigura 3 ter uma superfície de fechamento retangular, será apreciado que acavidade do forno de micro-ondas não está limitada a tal forma e pode, porexemplo, ter uma seção transversal circular, ou qualquer geometria descre-vível em um sistema de coordenadas ortogonal curvo - linear geral. Em ge-ral, a cavidade 350 é feita de metal. A linha de transmissão 330 pode ser,por exemplo, um cabo coaxial.

O forno de micro-ondas 300 ainda compreende uma fonte demicro-ondas 310 conectada no orifício de alimentação 320a da cavidade 350por meio da linha de transmissão ou guia de onda 330 e do ressonador 320.

Apesar do ressonador 320 ser considerado constituir o orifício dealimentação da cavidade, é compreendido que a face ou extremidade 320ado corpo de ressonador 320 adjacente à parede da cavidade corresponde aoorifício de alimentação. A seguir, quando referindo ao orifício de alimenta-ção, referência será feita a ou a face 320a do ressonador 320 ou ao resso-nador 320, intercambiavelmente.

De acordo com uma modalidade, o ressonador é uma peça a-Iongada de material dielétrico, que se estende ao longo da direção de pro-pagação (eixo geométrico x), e de preferência tendo o mesmo tipo de seçãotransversal que a linha de transmissão 330 (por exemplo, retangular, circu-lar, etc.).

A constante dielétrica do material que constitui o interior do res-sonador 320 e as dimensões do ressonador 320 são selecionadas de modoque uma condição de ressonância seja estabelecida dentro do ressonador320 para as micro-ondas geradas pela fonte 310 e um casamento de impe-dância é estabelecido entre a linha de transmissão 330, o ressonador 320 ea cavidade 350 de acordo com, por exemplo, aas regras de projeto descritascom referência à figura 1.

Especificamente, referindo à figura 3, o ressonador 320 tem umaconstante dielétrica maior do que aquela do material que constitui o interiorda linha de transmissão 330 e a seção transversal do ressonador é selecio-nada de modo que esta seja menor do que aquela da linha de transmissão.Especificamente, o tamanho (por exemplo, a largura) do ressonador é esca-lada para baixo com Ve.

Ainda o forno de micro-ondas pode compreender uma chave(não-mostrada) associada ao orifício de alimentação 320 e disposta na linhade transmissão 330 para parar a alimentação do orifício de alimentação 320.

De acordo com uma modalidade, o ressonador está vantajosa-mente projetado para ser ressonante de onda inteira, isto é, ressonante paraum comprimento de onda, por meio disto fornecendo um índice de modo de2 na direção de comprimento (isto é, ao longo da direção x).

De acordo com uma modalidade, a fonte de micro-ondas 310 éum gerador de micro-ondas baseado em estado sólido que compreende, porexemplo, componentes de carbureto de silício (SiC) ou nitreto de gálio (GaN)Outros componentes de semicondutor podem também ser adaptados paraconstituir a fonte de micro-ondas 310. Além da possibilidade de controlar afreqüência das micro-ondas geradas, as vantagens de um gerador de micro-ondas baseado em estado sólido compreendem a possibilidade de controlaro nível de potência de saída do gerador e uma característica de banda es-treita inerente. As freqüências das micro-ondas que são emitidas do geradorbaseado em estado sólido usualmente constituem uma faixa estreita de fre-qüências tais como 2,4 a 2,5 GHz. No entanto, a presente invenção não estálimitada a tal faixa de freqüências e a fonte de micro-ondas baseada em es-tado sólido 310 poderia ser adaptada para emitir uma faixa centrada em 915MHz, por exemplo, 875-955 MHz, ou qualquer outra faixa de freqüência a-dequada (ou largura de banda). A presente invenção é, por exemplo, aplicá-vel a fontes-padrão que têm freqüências de banda média de 915 MHz, 2450MHz1 5800 MHz e 22,125 GHZ. Alternativamente, a fonte de micro-ondas310 pode ser um magnetron controlável por freqüência tal como aquele des-crito no documento GB2425415.

Em geral, o número e/ou o tipo de campos de modo disponíveisem uma cavidade são determinados pelo projeto da cavidade. O projeto dacavidade compreende as dimensões físicas da cavidade e a localização doorifício de alimentação da cavidade. As dimensões da cavidade são geral-mente denotadas pelos sinais de referência h, d e w para a altura, profundi-dade e largura, respectivamente, nas figuras 3, 5 e 8 providas com o sistemade coordenadas (x, y, z), tal como mostrado na figura 3.

Referindo-se ás regras de projeto descritas com referência à fi-gura 1, para projetar a cavidade 350 do dispositivo de aquecimento de micro-ondas 300, o descasamento de impedância criado quando o segundo guia deonda cheio de ar da figura 1 é substituído pela cavidade 350, isto é, a diferençade impedância vista do ressonador 320, é de preferência levada em conta.Para este propósito, o comprimento do ressonador 320 é ligeiramente ajus-tado e as dimensões da cavidade são sintonizadas. Durante o procedimentode sintonização, uma carga que simula uma carga típica a ser disposta den-tro da cavidade está de preferência presente dentro da cavidade.

Além disso, a sintonização pode ser executada através de ajus-tes de impedância locais, por exemplo, pela introdução de um elemento desintonização (tal como um poste capacitivo) disposto na linha de transmissãoou na cavidade, adjacente ao ressonador.

No presente exemplo, a cavidade está projetada para ter umalargura de 232 mm, uma profundidade de 232 mm e uma altura de 111 mm.No entanto, existe geralmente uma localização otimizada do orifício de ali-mentação para um modo predefinido. No presente exemplo, o orifício de ali-mentação 320a está localizado na parte superior de uma parede lateral dacavidade, no lado direito da cavidade 300 mostrada na figura 3 (x = w). Oorifício de alimentação 320a está colocado a meia profundidade (y = d/2) equase na altura total (z = h).

Com referência à figura 4, os resultados de testes de simulaçãoexecutados em uma cavidade que tem o projeto acima para três diferentescargas dielétricas, a saber um pedaço de carne moída congelada que temuma constante dielétrica típica ε = 4-j2 (curva denotada 41), um pedaço decarne moída descongelada que tem uma constante dielétrica típica ε = 52-j20 (curva denotada 42) e alguma massa de panqueca líquida que tem umaconstante dielétrica típica ε = 36-j15 (curva denotada 43) estão descritos. Afigura 4 mostra um gráfico dos sinais refletidos da cavidade como uma fun-ção da freqüência obtida por investigação numérica para as três diferentescargas (curvas 41-43). A figura 4 mostra que a freqüência de ressonância, aqual é de aproximadamente 2454 MHz, é muito pouco dependente da cons-tante dielétrica da carga, isto é, quase independente da natureza da carga.Assim, o dispositivo de aquecimento de micro-ondas 300 da presente inven-ção é especificamente vantajoso pelo fato de que a sua freqüência de ope-ração é muito estável. Além disso, é notado que os fatores de reflexão com-parativamente não são afetados (0,311 para ε = 4-j2, 0,0090 para ε = 52-j20e 0,0203 para ε = 36-j15). Um teste similar executado com fornos de micro-ondas convencionais que tem aberturas regularmente dimensionadas mos-traria uma variação significativamente maior tanto na freqüência de casa-mento quanto nos fatores de reflexão.

Para um ajuste de impedância local, o dispositivo de aquecimen-to de micro-ondas 300 pode ainda compreender um elemento de sintoniza-ção (não-mostrado) disposto na linha de transmissão 330 ou na cavidade350, adjacente ao ressonador 320.

Com referência à figura 5, está mostrado um dispositivo de a-quecimento de micro-ondas 500, por exemplo um forno de micro-ondas, quetem características e funções de acordo com outra modalidade da presenteinvenção.

O dispositivo de aquecimento de micro-ondas 500 é similar aodispositivo de aquecimento de micro-ondas 300 descrito com referência àfigura 3 mas ainda compreende pelo menos uma estrutura de alimentação525' e uma fonte de micro-ondas 510' adicionais, tal como a estrutura dealimentação 325 e a fonte de micro-ondas 310 descritas acima com referên-cia à figura 3. A estrutura de alimentação adicional 525' compreende uma(adicional ou segunda) linha de transmissão 530' para transmitir a radiaçãode micro-ondas gerada pela fonte de micro-ondas adicional 510'. A estruturade alimentação ainda compreende um (adicional ou segundo) ressonador520' disposto na junção entre a linha de transmissão (adicional) 530" e a ca-vidade 550 para operar como um orifício de alimentação adicional da cavidade.

Em tal configuração, as micro-ondas a uma primeira freqüênciapodem ser alimentadas na cavidade 550 utilizando o primeiro orifício de ali-mentação ou ressonador 520 enquanto que as micro-ondas a uma segundafreqüência podem ser alimentadas na cavidade 550 utilizando o segundoorifício de alimentação ou ressonador 520'.

Será apreciado que a estrutura de alimentação adicional 525' e afonte de micro-ondas adicional 510' podem estar caracterizadas em um mo-do similar às, e/ou podem compreender as mesmas características adicio-nais como as,estrutura de alimentação 325 e fonte de micro-ondas 310 des-critas acima com referência à figura 3. Em outras palavras, as variantes daestrutura de alimentação 325 e da fonte de micro-ondas 310 descritas nasreivindicações 2-9 anexas podem também aplicar para a estrutura de ali-mentação adicional 525' e a fonte de micro-ondas adicional 510'.Referindo às regras de projeto descritas com referência à figura1, para projetar uma cavidade duplamente alimentada de um dispositivo deaquecimento de micro-ondas que opera a duas freqüências diferentes, odescasamento de impedância criado quando o segundo guia de onda cheiode ar da figura 1 é substituído pela cavidade, isto é, a diferença em impe-dância vista dos ressonadores, é de preferência levado em conta. Para estepropósito, o comprimento do ressonador é ajustado e as dimensões da cavi-dade são sintonizadas. Durante o procedimento de sintonização, uma cargaque simula uma carga típica a ser disposta dentro da cavidade está de prefe-rência presente dentro da cavidade. Além disso, a sintonização pode serexecutada através de ajustes de impedância locais, por exemplo, pela intro-dução de um elemento de sintonização tal como, por exemplo, um poste ca-pacitivo adjacente aos ressonadores.

No presente exemplo, a cavidade está projetada para ter umalargura de 261 mm, uma profundidade de 340 mm e uma altura de 170 mm.O segundo orifício de alimentação 520' está disposto no centro da parede deteto da cavidade (x = w/2; y = d/2; ζ = h). Os corpos dielétricos ressonantes520 e 520' são feitos de AI203 (ε=9) e têm uma largura e uma altura subs-tancialmente iguais, 26,67 mm e 10 mm, respectivamente. No entanto, ocomprimento do ressonador difere, em que o primeiro ressonador 520 temum comprimento de 40,5 mm enquanto que o segundo ressonador 520' temum comprimento de 38,0 mm.

O dispositivo de aquecimento de micro-ondas 500 é vantajosopelo fato de que este compreende uma cavidade duplamente alimentada550 na qual uma interferência entre os dois orifícios de alimentação é redu-zida se comparado com uma cavidade duplamente alimentada convencional.A diminuição da interferência obtida com a utilização de ressonadores decerâmica se comparado com a utilização de guias de onda cheios de ar, detamanho regular, será agora ilustrada com referência às figuras 6 a 12.

As figuras 6 e 7 mostram os resultados de testes de simulaçãoexecutados dentro de uma cavidade que tem o projeto e dimensões acimacom uma carga que tem uma constante dielétrica ε = 4-j2 (pedaço de carnemoída congelada). A cavidade 550 é considerada ser uma cavidade vaziacheia de ar com uma geometria retangular que tem uma largura 261 mm,uma profundidade de 340 mm e uma altura de 170 mm. A cavidade repre-senta ressonâncias a 2422 MHz e 2490 MHz dentro da banda ISM.

A figura 6 ilustra um gráfico do sinal refletido da cavidade 550como uma função da freqüência obtida por investigação numérica da estru-tura de alimentação e uma cavidade descrita com referência à figura 5. Afigura 6 mostra que um casamento bastante bom é obtido a 2422 MHz ondea curva denotada S11 tem um valor de 0,237 e a 2490 MHz onde a curvadenotada S22 tem um valor de 0,327. A curva denotada S11 corresponde àpotência que vai do primeiro gerador 510 (associado ao primeira estrutura dealimentação 525) e retorna para o primeiro orifício de alimentação 520 (ouno primeiro ressonador) enquanto que a curva denotada S22 corresponde àpotência que vai do segundo gerador 510' (associado ao segunda estruturade alimentação 525') e retorna para o segundo orifício de alimentação 520'(ou no segundo ressonador).

A figura 7 ilustra a interferência para a cavidade 550 descritacom referência à figura 5. O gráfico mostra a curva S12 que corresponde àpotência detectada no primeiro orifício de alimentação 520 quando o segun-do gerador 510' está LIGADO e o primeiro gerador 510 está DESLIGADO ea curva S21 que corresponde à potência detectada no segundo orifício dealimentação 520' (ou no segundo ressonador) quando o primeiro gerador510 está LIGADO e o segundo gerador 510' está DESLIGADO. A figura 7mostra que S12 tem um valor 0,141 a 2422 MHz e S21 tem um valor de0,054 a 2490 MHz (na figura 7, apesar das duas curvas serem próximas eparecerem estar sobrepostas, os valores de S21 e S12 são diferentes).

A definição das curvas S11, S12, S21 e S22 acima fornecidasserão as mesmas a seguir.

Para ilustrar adicionalmente as vantagens da presente invençãoem relação aos dispositivos da técnica anterior, uma simulação foi executa-da para um dispositivo de aquecimento de micro-ondas 800 idêntico ao dis-positivo de aquecimento de micro-ondas 500 descrito com referência à figura5 exceto que os dois ressonadores 520 e 520' foram removidos, como mos-trado na figura 8. Ao contrário, os orifícios de alimentação eram orifícios dealimentação-padrão onde os dois guias de onda cheios de ar 830 e 830' e-manam na parede e no teto da cavidade, respectivamente.

Como os ressonadores foram removidos, um ajuste da impe-dância na estrutura de alimentação (a junção entre as linhas de transmissão830 e 830' e a cavidade 850) foi executado para obter um casamento de im-pedância similar ao casamento obtido para o dispositivo de aquecimento demicro-ondas 500 descrito com referência à figura 5. A cavidade 850 tinha asmesmas dimensões que a cavidade 550 descrita com referência à figura 5, asaber uma largura de 261 mm, uma profundidade de 340 mm e uma alturade 170 mm. A carga disposta dentro da cavidade era um pedaço de carnemoída congelada com uma constante dielétrica ε = 4-j2. Os orifícios de ali-mentação tinham o mesmo tamanho de seção transversal que a seçãotransversal de guia de onda, isto é, 80 χ 20 mm. Os resultados da simulaçãoestão apresentados nas figuras 9 e 10.

A figura 9 mostra um gráfico dos sinais refletidos da cavidadecomo uma função da freqüência obtida por investigação numérica. A figura9 mostra que um casamento bastante bom é obtido a 2422 MHz onde a cur-va denotada S11 tinha um valor de 0,291 e a 2490 MHz onde a curva deno-tada S22 tinha um valor de 0,321.

A figura 10 ilustra a interferência onde a curva S12 tinha um va-lor de 0,326 a 2422 MHz e S21 tinha um valor de 0,205 a 2490 MHz.

Assim, mesmo com um casamento de impedância similar comoo dispositivo de aquecimento de micro-ondas padrão 800 que utiliza os orifí-cios de alimentação cheios de ar, regularmente dimensionados tais comodescrito com referência à figura 8, o dispositivo de aquecimento de micro-ondas 500 descrito com referência à figura 5 permite uma redução significa-tiva da interferência entre os dois orifícios de alimentação de uma cavidadeduplamente alimentada.

A figura 11 mostra uma comparação de banda ISM (industrialcientífica e médica) (2,4-2,5 GHz) das curvas denotadas S11 e S22 nas figu-ras 6 e 9 onde as linhas cheias representam a resposta de freqüência para odispositivo de aquecimento de micro-ondas 800 que compreende somenteguias de onda cheios de ar (e nenhum ressonador) e as linhas tracejadasrepresentam a resposta de freqüência para o dispositivo de aquecimento demicro-ondas 500 que compreende estruturas de alimentação com ressona-dores. A figura 11 ilustra que um casamento ligeiramente melhor é obtido a2422 MHz e 2490 MHz para o dispositivo de aquecimento de micro-ondas500 que compreende as estruturas de alimentação com ressonadores. Aocontrário, o dispositivo de aquecimento de micro-ondas 800 que compreendedois guias de onda cheios de ar sem ressonadores resultam em um casa-mento de banda larga.

A figura 12 mostra uma comparação de banda ISM (2,4-2,5GHz) do nível de interferência das curvas apresentadas nas figuras 7 e 10onde a linha cheia representa o nível de interferência para o dispositivo deaquecimento de micro-ondas 800 que compreende somente os guias de on-da cheios de ar (e nenhum ressonador) e a linha tracejada representa o nívelde interferência para o dispositivo de aquecimento de micro-ondas 500 quecompreende as estruturas de alimentação com ressonadores. A figura 12ilustra que uma menor interferência é obtida para o dispositivo de aqueci-mento de micro-ondas 500 que compreende as estruturas de alimentaçãocom ressonadores.

Além da redução de interferência, a dupla alimentação a diferen-tes freqüências da cavidade do dispositivo de micro-ondas é vantajosa pelofato de que esta permite um número de possíveis regulações do dispositivode aquecimento de micro-ondas e, especificamente, a otimização do padrãode aquecimento dentro da cavidade. Por exemplo, ainda no caso de umacavidade com dois orifícios de alimentação, os dois ressonadores podemestar configurados para excitar os modos que resultam em padrões de a-quecimento complementares dentro da cavidade, por meio disto provendoum aquecimento uniforme dentro da cavidade. Se o primeiro ressonador es-tiver configurado para transmitir as micro-ondas a uma primeira freqüênciaque resulta em um primeiro padrão der aquecimento (ou primeiro modo) compontos quentes e frios em localizações específicas dentro da cavidade, osegundo ressonador pode estar configurado para transmitir as micro-ondas auma segunda freqüência de modo que a presença de pontos quentes e friosno primeiro padrão de aquecimento é compensada pelo segundo padrão deaquecimento (ou segundo modo) obtido pelo segundo ressonador (ou se-gundo orifício de alimentação). Em outras palavras, o efeito da presença depontos quentes e frios em um primeiro campo de modo, isto é, a presençade pontos quentes e frios dentro da cavidade, pode ser eliminado, ou pelomenos reduzido, pelo padrão de aquecimento do segundo campo de modograças a uma configuração adequada dos orifícios de alimentação (ressona-dores).

É notado que, na presente invenção, como cada uma das estru-turas de alimentação está conectada uma fonte de energia de micro-ondas,uma alimentação simultânea de micro-ondas a diferentes freqüências é pos-sível. No entanto, dependendo da aplicação, por exemplo, para um tipo es-pecífico de carga ou um programa (ou função) de cozimento específico, étambém possível operar as fontes de micro-ondas de modo que a alimenta-ção das micro-ondas para dentro da cavidade comute entre os dois orifíciosde alimentação. Tal flexibilidade na alimentação de micro-ondas dentro dacavidade permite uma regulação controlada por conta de, por exemplo, umamudança na carga (mudança em geometria, peso ou estado) durante o a -quecimento.

De modo a implementar tal tipo de regulação, o dispositivo deaquecimento de micro-ondas 500 pode ainda compreender uma unidade decontrole 580 conectada nas fontes de micro-ondas 510 e 510' do dispositivode aquecimento de micro-ondas para controlar estas fontes, tal como, porexemplo, as suas respectivas potências de saída. A unidade de controle 580pode obter as informações sobre a carga e as condições dentro da cavidade,por meio de sensores (não-mostrados) dispostos dentro da cavidade e co-nectados na unidade de controle 580. A unidade de controle 580 pode aindaestar configurada para controlar, durante um ciclo de operação, a freqüênciade operação das fontes e seu respectivo tempo de operação durante o ciclo.Apesar de modalidades específicas terem sido descritas, a pes-soa versada compreenderá que várias modificações e alterações são con-cebíveis dentro do escopo como definido nas reivindicações anexas.

Por exemplo, apesar de uma cavidade que tem uma seçãotransversal retangular ter sido descrita no pedido, é também previsto imple-mentar a presente invenção em uma cavidade que tem uma geometria des-crevível em qualquer sistema de coordenadas ortogonais curvas - lineares,por exemplo uma cavidade que tem uma seção transversal circular.

Ainda, apesar de uma cavidade que compreende somente duasestruturas de alimentação ter sido descrita para ilustrar a redução de interfe-rência, uma cavidade que compreende mais do que dois orifícios de alimen-tação pode ser prevista.

Claims (13)

1. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas (300), que com-preende:uma cavidade (350) disposta para receber uma carga a ser aque-cida; euma estrutura de alimentação (325) para alimentar as micro-ondas dentro da dita cavidade, a dita estrutura de alimentação compreen-dendo:uma linha de transmissão (330) para transmitir a energia de mi-cro-ondas gerada por uma fonte de micro-ondas (310); eum ressonador (320) disposto na junção entre a dita linha detransmissão e a dita cavidade para operar como um orifício de alimentação(320a) da dita cavidade, em que a constante dielétrica do material que cons-titui o interior do dito ressonador e as dimensões do dito ressonador são se-lecionadas de modo que uma condição de ressonância seja estabelecidadentro do ressonador para as micro-ondas geradas pela dita fonte e um ca-samento de impedância é estabelecido entre a dita linha de transmissão, odito ressonador e a dita cavidade.

2. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo com areivindicação 1, em que o material que constitui o interior do dito ressonadortem uma constante dielétrica maior do que aquela do material que constitui ointerior da dita linha de transmissão e em que a dimensão de seção trans-versal do dito ressonador é selecionada de modo que esta seja menor doque aquela da dita linha de transmissão.

3. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo com areivindicação 1 ou 2, em que o dito material dielétrico é uma cerâmica.

4. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, em que a dita constante dielétri-ca está compreendida na faixa de 3-150, de preferência mais alta do que 10.

5. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, em que o dito ressonadorestá revestido com um metal.

6. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, ainda compreendendo umelemento de sintonização disposto na dita linha de transmissão ou dentro dacavidade, adjacente ao dito ressonador, para um ajuste de impedância local.

7. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, em que a fonte de micro-ondas é um gerador de micro-ondas de estado sólido.

8. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, em que a linha de transmis-são é uma de um guia de onda, um cabo coaxial ou uma linha de fita.

9. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, em que o dito ressonador éuma peça alongada de material dielétrico que tem o mesmo tipo de forma deseção transversal que a dita linha de transmissão.

10. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas (500) de acordocom qualquer uma das reivindicações precedentes, ainda compreendendopelo menos uma estrutura de alimentação adicional (525'), que compreende:uma linha de transmissão adicional (530') para transmitir a radia-ção de micro-ondas gerada por uma fonte de micro-ondas adicional (510'); eum ressonador adicional (520) disposto na junção entre a dita linhade transmissão adicional (530') e a dita cavidade (550) para operar como umorifício de alimentação adicional da dita cavidade, em que a constante dielé-trica do material que constitui o interior do dito ressonador adicional e as di-mensões do dito ressonador adicional são selecionadas de modo que umacondição de ressonância seja estabelecida dentro do ressonador adicionalpara as micro-ondas geradas pela dita fonte adicional e um casamento deimpedância é estabelecido entre a dita linha de transmissão adicional, o ditoressonador adicional e a dita cavidade.

11. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo com areivindicação 10, em que as fontes de micro-ondas (510, 510') são respecti-vamente operadas a diferentes freqüências.

12. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo com areivindicação 10 ou 11, que compreende dois orifícios de alimentação orto-gonalmente dispostos nas paredes da dita cavidade.

13. Dispositivo de aquecimento de micro-ondas de acordo comqualquer uma das reivindicações precedentes, sendo um forno de micro-ondas, em que a cavidade está adaptada para receber um item de alimentoa ser aquecido.