CN102698683A

CN102698683A - 一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔

Info

Publication number: CN102698683A
Application number: CN2012102090874A
Authority: CN
Inventors: 樊勇; 程钰间; 王磊; 夏支仙
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102698683B

Abstract

一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，属于微波能应用技术领域。包括顶部开放的半封闭圆柱金属腔体的外导体（1）、内导体（2）、馈电同轴（3）、托盘（4）；内导体（2）穿过底孔（11）进入外导体（1）的内部；馈电同轴（3）通过侧孔（12）进入外导体（1）的内部；托盘（4）固定于内导体（2）顶端。本发明利用四分之一波长同轴谐振腔原理制作，能实现较宽范围内频率可重构，其频率调整方式连续、无盲区；具有结构简单的特点，适用于宽频带微波反应的研究和应用需求，对准确认知频率对微波反应的效果并指导相关工艺具有应用价值。

Description

一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔

技术背景

本发明属于微波能应用技术领域，涉及频率可调的谐振式微波反应腔。

背景技术

目前，大功率微波已经广泛应用于加热、医疗、干燥、镀膜、环保、辅助萃取等场合，获得较佳效果。为了认知微波能应用和微波化学反应的基本原理，研究人员需要利用微波反应装置，深入研究不同条件下少量样品的反应机理，最终指导工业大规模应用。

随着研究和应用的逐渐深入，人们发现微波频率对反应效果非常重要。例如，某一样品对微波的吸收是与微波频率相关的，即某一频率下，能更好的吸收微波能量，提高反应效率。因此，希望开展不同微波频率下，微波反应的相关研究，从而准确认知不同物质微波反应的最佳频率，这就对微波反应装置提出了新的要求，即工作频率可重构。

目前，小规模的微波反应装置已有多种，其通常由三个主要部分构成：微波源、微波传输系统、微波反应腔。频率可重构的微波反应装置对这三部分的要求分别是：微波源可输出宽频带的大功率微波，微波传输系统可支持宽频带微波的传输，微波反应腔可在宽频带范围内使用。（参见：金钦汉,戴树珊,黄卡玛著《微波化学》，第四章第4节，科学出版社，1999年。）

（1）现有微波反应装置中普遍采用电真空器件来提供输出功率，但因其工作带宽较窄，无法满足频率可重构的要求。因此，需要采用信号发生器结合高增益固态放大器的方法，在很宽工作频带内产生较大的微波输出功率，当前市场已有现成产品可供采购。

（2）当微波传输系统传输功率低于500W时，可采用同轴传输线进行传输，相较功率容量更高的波导结构，同轴传输线可使用的频带范围极宽。同时，微波反应装置中所需的辅助器件，如耦合器、环形器等，也可采用同轴传输线来实现带宽工作。

（3）为了在有限输入功率下，达到相关反应条件，现有的微波反应腔通常采用谐振方式实现，而谐振也意味着仅能工作于某一特定频率。另一方面，鉴于宽带微波源仅能产生低于1000W的输出功率，利用谐振腔的电场放大效应是完成频率可重构微波反应实验的关键。综上，现有的谐振式反应腔只能在一个频率正常工作，无法满足频率可重构的要求，只能通过多个不同尺寸的反应腔来覆盖若干离散的工作频率，成本高昂，使用不便。因此，需要开发出新型微波反应腔，具备不同频率下产生谐振的能力。

发明内容

本发明提供一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，可利用同一个反应腔结构来覆盖宽频带微波反应的研究和应用需求，准确认知频率对微波反应的效果并指导相关工艺。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，如图1所示，包括外导体1、内导体2、馈电同轴3、托盘4。外导体1为一顶部开放的半封闭圆柱金属腔体，其底部正中心有一底孔11；轴旋转对称的内导体2穿过底孔11进入外导体1的内部，内导体2下半部分具有调频螺纹21，与底孔11壁上螺纹配合，使外导体1和内导体2保持电接触，同时可调整内导体2进入外导体1内部的长度。外导体1侧壁靠近底部处有侧孔12，高度为可调范围中心频率对应波长的五十分之一，轴旋转对称的馈电同轴3通过侧孔12进入外导体1的内部。馈电同轴3由馈电同轴内导体31、馈电同轴外导体32、以及两者之间的填充介质33构成。馈电同轴内导体31的前端长于馈电同轴外导体32可调范围中心频率对应波长的八分之一；馈电同轴内导体31的末端有一同轴嵌口311、馈电同轴外导体32末端部分具有接头螺纹321，这两个结构使得馈电同轴3便于和外接输入端口相连。馈电同轴外导体32前端部分具有馈电螺纹322，与侧孔12壁上螺纹配合，使得外导体1和馈电同轴外导体32保持电接触，同时可调整馈电同轴3进入外导体1中的长度。托盘4固定于内导体2顶端，内部放置反应样品。

所述托盘4的外形宜做成锥角呈130度的圆锥体形状，这样能充分利用反应腔内电场集中区域。

进一步的，对上述内导体2和托盘4可做如下五种相应变化：（1）托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部契合固定（如图2所示）。（2）托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部契合固定的同时，托盘4的底端向下伸出三根固定小圆柱411，三根固定小圆柱411与内导体2的顶部的三个内凹圆柱小孔23契合固定（如图3、4所示）。（3）托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部契合固定的同时，托盘4的底端向下伸出一固定圆柱412，固定圆柱412与内导体2顶端的内凹圆柱孔24契合固定（如图5所示）。（4）托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部通过螺纹契合固定（如图1、7、8所示）。（5）托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部契合固定的同时，托盘4的底端向下伸出一固定圆柱412，固定圆柱412与内导体2顶端的内凹圆柱孔2通过螺纹契合固定。

上述结构为了确保在频率高端工作时不产生微波泄漏，其外导体的内径尺寸受圆柱波导主模截止频率的限制尺寸不大，这也局限了上述结构单次处理样品的容量。进一步的，对上述结构的外导体做如下两种相应变化：（1）外导体1的顶端具有直径较小的微波抑制环13，其内半径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应工作波长的1/3.41，微波抑制环13距离最低频率对应的内导体2顶部约为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。（2）引入圆柱形的独立微波抑制环5，底部具有与外导体1相同的直径，且外侧壁有独立抑制环螺纹51，与外导体1顶端的外导体顶端螺纹14契合固定，其内半径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应的工作波长的1/3.41，独立微波抑制环5距离最低频率对应的内导体2顶部约为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。

实现微波反应一般需要对样品施加大功率微波信号，然而输出功率1kW以上的电真空类微波源频带通常很窄，可宽带工作的固态微波源输出功率相对较低。因此，频率可调微波反应装置采用宽带微波源，通过谐振腔的电场放大效应来达到反应需要的微波能量。本发明利用四分之一波长同轴谐振腔原理，当反应腔内导体高度为工作波长的四分之一时，产生谐振。此时，其内部电场呈驻波分布，内导体顶端附近电场最大，汇聚了绝大部分微波能量，可在较小输入功率条件下满足微波反应所需条件。当微波源工作频率变化时，通过调节谐振腔内导体高度变化达到谐振。在本发明中，谐振腔内导体下半部分调频螺纹的长度由所需覆盖频率范围确定，最低频率对应波长的四分之一为内导体进入外导体的最大长度，最高频率对应波长的四分之一为内导体进入外导体的最小长度。内导体下半部分调频螺纹与外导体底部中心孔螺纹配合，可通过该底孔上下移动调节高度，实现频率的变化。螺纹为圆顶，避免尖端放电。

本发明反应腔的内导体半径、外导体半径设计要综合考虑下述问题：（1）反应腔需工作于TEM模式并抑制高次模式，这就要求最高工作频率所对应的最短工作波长满足λ_min>π(a+b)，其中a、b分别为内导体的半径和外导体的内半径；（2）对于四分之一波长的同轴谐振腔，当b/a=3.6时导体损耗最小，品质因数最高，高品质因数的反应腔在输入功率相同情况下能产生更大的电场，更好地实现微波反应，降低能耗；（3）为了防止反应腔微波能量泄露，需将外导体延长形成一段截止圆波导，要求此圆波导的工作模式TE₁₁截止，从而抑制微波泄漏，这就要求最高工作频率对应的最短工作波长满足λ_min>3.41b；（4）根据单次所需处理的样品容量，设计相应的a、b；（5）如果所需处理样品容量较大，b过大导致条件（3）无法满足，需要在外导体顶端增加微波抑制环，以满足该条件。

本发明采用同轴探针馈电，馈电同轴内导体较外导体长约可调范围中心频率对应波长的八分之一，该长度在调频过程中保持不变；馈电同轴的高度直接影响馈电效率，其距谐振腔外导体底部约可调范围中心频率对应波长的五十分之一；馈电同轴外导体的馈电螺纹与外导体侧孔螺纹配合，可改变馈电同轴整体进入谐振腔的长度，从而优化不同频率下的反射系数。大功率微波源输出的微波功率通过同轴电缆输入谐振腔，馈电同轴内导体末端的同轴嵌口、外导体末端部分的接头螺纹一并构成相应配套结构，便于和外接输入端口相连。根据外接输入端口型号的不同，可调节馈电同轴内、外导体尺寸和结构。

本发明的托盘用来放置反应样品。微波反应腔的托盘应该尽量小的吸收或不吸收微波，故选用低损耗材料。石英对微波几乎不吸收，对微波的损耗也非常小，所以选用石英作为该微波反应中托盘的材料。考虑四分之一波长同轴谐振腔中电场的分布特性，设计的托盘的形状可以为圆锥形，也可以为圆碗、圆盘等类似形状，以提高微波反应效率和微波能量利用率。

本发明具有以下优点：

1、相较频率固定的谐振式微波反应腔，本发明的反应腔能实现较宽范围内频率可重构工作，其频率调整方式连续，无盲区，无需多个不同工作频率的反应腔。

2、本发明的反应腔结构简单，利用同一馈电结构即可在很宽频带范围内工作。

2、在频率重构过程中，本发明的反应腔每次能在唯一频率下实现谐振，故此可准确判断微波反应的最优频率。

3、在频率重构过程中，本发明谐振腔的电场分布保持不变，而且始终集中在内导体末端托盘的区域内。

4、本发明的反应腔上部开放，利用了圆波导的截止特点抑制了微波泄漏，开放的结构使样品添加、处理、观察更为方便；也可通过上方加玻璃罩以实现封闭环境。

附图说明

图1是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔结构示意图。

图2是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔中内导体2与托盘结构示意图之一。

图3是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔中内导体2与托盘结构示意图之二。

图4是是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔中内导体2与托盘结构示意图之二（俯视图）。

图5是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔中内导体2与托盘结构示意图之三。

图6是是本发明提供的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔中内导体2与托盘结构示意图之四。

图7是本发明提供的外导体顶端具有微波抑制环13的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔结构示意图。

图8本发明提供的外导体顶端具有独立微波抑制环5的顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔结构示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，包括外导体1、内导体2、馈电同轴3、托盘4。外导体1为一顶部开放的半封闭圆柱金属腔体，其底部正中心有一底孔11；轴旋转对称的内导体2穿过底孔11进入外导体1的内部，内导体2下半部分具有调频螺纹21，与底孔11壁上螺纹配合，使外导体1和内导体2保持电接触，同时可调整内导体2进入外导体1内部的长度。外导体1侧壁靠近底部处有侧孔12，高度为可调范围中心频率对应波长的五十分之一，轴旋转对称的馈电同轴3通过侧孔12进入外导体1的内部。馈电同轴3由馈电同轴内导体31、馈电同轴外导体32、以及两者之间的填充介质33构成。馈电同轴内导体31的前端长于馈电同轴外导体32可调范围中心频率对应波长的八分之一；馈电同轴内导体31的末端有一同轴嵌口311、馈电同轴外导体32末端部分具有接头螺纹321，这两个结构使得馈电同轴3便于和外接输入端口相连。馈电同轴外导体32前端部分具有馈电螺纹322，与侧孔12壁上螺纹配合，使得外导体1和馈电同轴外导体32保持电接触，同时可调整馈电同轴3进入外导体1中的长度。托盘4固定于内导体2顶端，内部放置反应样品；托盘4外形成锥角为130度的圆锥体；托盘4的底端具有一内凹圆柱41，内凹圆柱41与内导体2顶部通过螺纹契合固定。

以实施例1为基础进行设计，完成500MHz~1000MHz的频率覆盖。在保证谐振腔品质因素较高的同时，通过合理设计内、外导体尺寸一次性抑制反应腔的高次模和圆波导的主模，保证反应腔工作于TEM模式，并防止微波泄漏。外导体1的外部、内导体2底部、馈电同轴3外侧覆盖绝热层，外导体1的顶部可以覆盖玻璃与外界封闭。

具体尺寸为：反应腔内导体2半径10mm，内导体2伸入谐振腔长度H；外导体1的内半径85mm，外导体1高度200mm，外导体1的厚度5mm，材料铜；馈电同轴3的特征阻抗为50欧姆，馈电同轴内导体31半径1.52mm，馈电同轴外导体32的内半径5.75mm，馈电同轴外导体32的厚度1mm，材料铜，填充介质33的材料为为聚四氟乙烯，馈电同轴内导体31比馈电同轴外导体32长46mm，馈电同轴高度7.1mm，馈电同轴外导体32伸入谐振腔长度为L。

空载状态下设计结果为：

H（mm）	L（mm）	谐振频率f₀(MHz)	谐振处S₁₁（dB）
				50	1.0	937.4	-11.0539
60	3.0	863.4	-17.5228
				70	9.0	794.5	-16.1488
80	11.0	729.7	-21.5040
				90	18.0	664.9	-19.6357
100	25.0	607.9	-22.7172
				110	28.4	561.3	-15.3767
120	28.5	520.0	-10.8680

说明本实施例通过调节内导体2进入外导体1的长度H和馈电同轴3进入外导体1的长度L可以实现500MHz~1000MHz宽频带范围内反应腔谐振频率的连续变化。

不同谐振频率的电场分布大致相同，主要集中在以内导体2顶端为中心的球形区域内，随球半径增大，场逐渐降低。在500W功率输入条件下，谐振腔内导体顶端中心附近电场有效值可达1.2×10⁶V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为15mm球形区域内，电场有效值均大于8.3×10⁵V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为25mm球形区域内，电场有效值均大于4.6×10⁵V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为50mm球形区域内，电场有效值均大于2.2×10⁵V/m。

将介电常数为3.6、损耗角正切0.01的样品放置在圆锥形的托盘4区域内，研究有载情况。同理，调节内导体2进入外导体1的长度H和馈电同轴3进入外导体1的长度L可以实现500MHz~1000MHz宽频带范围内反应腔谐振频率的连续变化。此时，电场分布更为集中，略为减小。

实施例2：如图1和图2所示，在实施例1的基础上，上述圆锥形托盘4的底端具有一内凹圆柱41，其与内导体2顶部直接契合（吻合）固定。

实施例3：如图1、图3和图4所示，在实施例1的基础上，上述圆锥形托盘4的底端具有一内凹圆柱41，其顶部向下伸出三根固定小圆柱411，与内导体2的顶端的三个内凹圆柱小孔23契合固定；内凹圆柱小孔23的底部呈锥形。

实施例4：如图1、图5所示，在实施例1的基础上，上述圆锥形托盘4的底端具有一内凹圆柱41，其顶部向下伸出一固定圆柱412，与内导体2顶端的一内凹圆柱孔24契合固定。

实施例5：如图1、图6所示，在实施例1的基础上，上述圆锥形托盘4的底端具有一内凹圆柱41，其顶部向下伸出一固定圆柱412，固定圆柱412外部具有圆顶螺纹与内导体2顶端一内凹圆柱孔24内部的螺纹契合固定。

实施例6：如图7所示，在实施例1的基础上，上述外导体1的顶端具有直径较小的微波抑制环13，其内半径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应的工作波长3.41分之一，微波抑制环13距离最低频率对应的内导体2顶部约为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。

以实施例6为基础进行设计，完成500MHz~1000MHz的频率覆盖。实施例1的结构为了确保在频率高端工作时不产生微波泄漏，其外导体1的内径尺寸受圆波导主模截止频率的限制不可太大，限制了上述结构的单次样品处理容量。此时，放宽外导体1的内半径限制，可增大处理能力，同时通过在其顶端增加微波抑制环13，其尺寸满足最高频率的对应圆波导截止要求，防止微波泄漏。外导体1的外部、内导体2底部、馈电同轴3外侧可以覆盖绝热层，微波抑制环13的顶部可以覆盖玻璃与外界封闭。

具体尺寸为：反应腔内导体2半径10mm，内导体2伸入谐振腔长度H；外导体1的内半径95mm，外导体1高度153mm，外导体1的厚度5mm，材料铜；微波抑制环13半径87.5mm，高度为50mm，其距离最低频率对应的内导体2顶部为33mm；馈电同轴3的特征阻抗为50欧姆，馈电同轴内导体31半径1.52mm，馈电同轴外导体32的内半径5.75mm，馈电同轴外导体32的厚度1mm，材料铜，填充介质33的材料为为聚四氟乙烯，馈电同轴内导体31比馈电同轴外导体32长45mm，馈电同轴高度7.2mm，馈电同轴外导体32伸入谐振腔长度为L。

空载状态下设计结果为：

H（mm）	L（mm）	谐振频率f₀（MHz）	谐振处S₁₁（dB）
				45	3.0	999.0	-16.9047
50	4.0	943.0	-21.8904
				60	6.0	867.8	-39.0898
70	8.8	783.5	-33.1562
				80	14.0	707.4	-24.8524
90	18.0	639.6	-16.0435
				100	24.0	591.8	-15.1218
110	32.0	551.7	-14.4922
				120	39.0	518.6	-29.7453

不同谐振频率的电场分布大致相同，主要集中在以内导体2顶端为中心的球形区域内，随球半径增大，场逐渐降低。在500W功率输入条件下，谐振腔内导体顶端中心附近电场有效值可达1.0×10⁶V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为15mm球形区域内，电场有效值均大于7.6×10⁵V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为25mm球形区域内，电场有效值均大于3.8×10⁵V/m；以内导体顶端中心为球心，半径为50mm球形区域内，电场有效值均大于1.9×10⁵V/m。

实施例7：如图8所示，在实施例1的基础上，引入圆柱形的独立微波抑制环5，底部具有与上述外导体1相同的直径，且外侧壁有独立抑制环螺纹51，与外导体1顶端的外导体顶端螺纹14契合固定；独立微波抑制环5的内半径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应的工作波长3.41分之一，独立微波抑制环5距离最低频率对应的内导体2顶部约为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。

Claims

1.一种顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，包括外导体（1）、内导体（2）、馈电同轴（3）、托盘（4）；外导体（1）为一顶部开放的半封闭圆柱金属腔体，其底部正中心有一底孔（11）；轴旋转对称的内导体（2）穿过底孔（11）进入外导体（1）的内部，内导体（2）下半部分具有调频螺纹（21），与底孔（11）壁上螺纹配合，使外导体（1）和内导体（2）保持电接触，同时可调整内导体（2）进入外导体（1）内部的长度；外导体（1）侧壁靠近底部处有侧孔（12），高度为可调范围中心频率对应波长的五十分之一，轴旋转对称的馈电同轴（3）通过侧孔（12）进入外导体（1）的内部；馈电同轴（3）由馈电同轴内导体（31）、馈电同轴外导体（32）、以及两者之间的填充介质（33）构成；馈电同轴内导体（31）的前端长于馈电同轴外导体（32）可调范围中心频率对应波长的八分之一；馈电同轴内导体（31）的末端有一同轴嵌口（311）、馈电同轴外导体（32）末端部分具有接头螺纹（321），这两个结构使得馈电同轴（3）便于和外接输入端口相连；馈电同轴外导体（32）前端部分具有馈电螺纹（322），与侧孔（12）壁上螺纹配合，使得外导体（1）和馈电同轴外导体（32）保持电接触，同时可调整馈电同轴（3）进入外导体（1）中的长度；托盘（4）固定于内导体（2）顶端，内部放置反应样品。

2.根据权利要求1所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，所述托盘（4）的外形为锥角呈130度的圆锥体形状。

3.根据权利要求2所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（4）的底端具有一内凹圆柱（41），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部契合固定。

4.根据权利要求2所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（4）的底端具有一内凹圆柱（41），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部契合固定的同时，托盘（4）的底端向下伸出三根固定小圆柱（411），三根固定小圆柱（411）与内导体（2）的顶部的三个内凹圆柱小孔（23）契合固定。

5.根据权利要求2所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（4）的底端具有一内凹圆柱（41），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部契合固定的同时，托盘（4）的底端向下伸出一固定圆柱（412），固定圆柱（412）与内导体（2）顶端的内凹圆柱孔（24）契合固定。

6.根据权利要求2所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（4）的底端具有一内凹圆柱（41），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部通过螺纹契合固定。

7.根据权利要求2所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（4）的底端具有一内凹圆柱（41），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部契合固定的同时，托盘（4）的底端向下伸出一固定圆柱（412），固定圆柱（412）与内导体（2）顶端的内凹圆柱孔（2）通过螺纹契合固定。

8.根据权利要求1至7中任一所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，外导体（1）的顶端具有直径较小的微波抑制环（13），微波抑制环（13）的内径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应工作波长的1/3.41；微波抑制环（13）距离最低频率对应的内导体（2）顶部为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。

9.根据权利要求1至7中任一所述顶部开放的频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，外导体（1）的顶端连接有独立微波抑制环（5），独立微波抑制环（5）底部与外导体（1）具有相同的直径；独立微波抑制环（5）外侧壁有独立抑制环螺纹（51），独立抑制环螺纹（51）与外导体（1）顶端的外导体顶端螺纹（14）契合固定；独立抑制环螺纹（51）内半径小于最高频率对应的圆波导截止条件，即小于最高工作频率对应的工作波长的1/3.41，独立微波抑制环（5）距离最低频率对应的内导体（2）顶部为可调范围中心频率对应波长的十二分之一。