CN102744026A

CN102744026A - 一种封闭式频率可调谐振式微波反应腔

Info

Publication number: CN102744026A
Application number: CN2012102091010A
Authority: CN
Inventors: 樊勇; 程钰间; 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: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102744026B

Abstract

一种封闭式频率可调谐振式微波反应腔，属于微波能应用技术领域。包括外导体（1）、内导体（2）、封闭盖（3）和馈电同轴（4）；外导体（1）为一圆柱金属腔体，内导体（2）穿过底孔（11）与外导体（1）保持电接触；封闭盖（3）与外导体（1）之间通过螺纹保持电接触；馈电同轴（4）穿过馈电孔（32）使得封闭盖（3）和馈电同轴外导体（42）保持电接触。本发明利用TM₀₁₀圆柱谐振腔原理制作，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；本发明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

一种封闭式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，特别涉及频率可重构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

本发明提供一种封闭式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：

一种封闭式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、封闭盖3、馈电同轴4。外导体1为一圆柱金属腔体，其底部正中心具有一带内螺纹底孔11。内导体2为带外螺纹的圆柱体，内导体2通过自身外螺纹21与外导体1底孔11的内螺纹配合使外导体1和内导体2保持电接触以及便于调整内导体2进入外导体1中的长度。封闭盖3通过自身外螺纹与外导体1顶部的内螺纹12配合使外导体1和封闭盖3保持电接触。封闭盖3上连接有手柄31，便于旋动封闭盖3。馈电同轴4由馈电同轴内导体41、馈电同轴外导体42、以及两者之间的填充介质43构成；馈电同轴内导体41的末端有一同轴嵌口411、馈电同轴外导体42末端部分具有接头螺纹421，同轴嵌口411和接头螺纹421便于馈电同轴4与外接输入端口相连；馈电同轴内导体41的前端为馈电圆盘412或馈电半球413。封闭盖3中心具有一带内螺纹的馈电孔32，馈电同轴4通过馈电同轴外导体42前端的外螺纹422与封闭盖3中心馈电孔32的内螺纹配合使得封闭盖3和馈电同轴外导体42保持电接触以及便于调整馈电同轴4进入外导体1中的长度。

上述反应腔技术方案中，内导体2顶部面积较大可直接在其上放置反应样品；也可在内导体顶端固定一个圆桶状托盘5以放置反应样品。圆桶状托盘5固定于内导体2顶部的方式有一下几种：1）托盘5的底端具有三个固定圆柱51，三个固定圆柱51与内导体2顶部相应的三个内凹圆柱22相互契合（如图3、4所示）；2）托盘5的底端具有一内凹圆柱52，内凹圆柱52与内导体2顶部契合固定（如图5所示）；3）。托盘5的底端具有一内凹圆柱52，内凹圆柱41与内导体2顶部通过螺纹契合固定（如图6所示）。

实现微波反应一般需要对样品施加大功率微波信号，输出功率1kW以上的电真空类微波源工作频带通常很窄，而可宽带工作的固态微波源输出功率相对较低。因此，频率可重构微波反应装置需采用宽带微波源，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TM₀₁₀圆柱谐振腔原理，当反应腔的长度小于半径的2.03倍时，TM₀₁₀取代TE₁₁₁模成为谐振主模。此时，其内部电场呈驻波分布，腔体中心轴线附近电场最大，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功率条件。

在本发明中，谐振腔的封闭盖和谐振腔内导体需同时调节来改变谐振频率，使得在各谐振频率处内导体距封闭盖具有相同的高度，即各频率处可放置的反应样品量一致；封闭盖旋入最多时对应最高频率，距腔体底部约为此时谐振频率波长的十分之一，封闭盖旋入最少时对应最低频率，距腔体底部约为此时谐振频率波长的五分之一，外导体内壁上的封闭螺纹长度应大于这一要求；内导体的调频螺纹长度由所需覆盖的频率范围确定，内导体进入外导体的最大长度为最低频率对应波长的七分之一，在最高频率处内导体不伸入；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内导体进入外导体中的高度，配合封闭盖的相应移动，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、外导体内半径设计要综合考虑下述问题：（1）反应腔需工作于TM₀₁₀模式并抑制其他模式，这就要求最低工作频率所对应的最长腔长应小于外导体的内半径的2.03倍，即L₀<2.03a₀，其中L₀、a₀分别为谐振腔的最长腔长和外导体的内半径；（2）对于TM₀₁₀模圆柱谐振腔，不存在品质因数的极大值，品质因数随2a₀/L₀的增加单调减小，高品质因数可以使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，因此应权衡腔体尺寸与品质因数；（3）a₀约为最高工作频率所对应波长的2.613分之一，内导体实际是调谐棒，可取值较大，一般不超过0.9a₀。

本发明采用同轴探针馈电以覆盖较大的频率范围。为了进一步扩展工作频率范围，可采用多个结构类似的馈电同轴接头，其内导体较外导体的长度不同，在覆盖不同频带时需更换使用；馈电同轴外导体的馈电螺纹与封闭盖馈电孔螺纹配合，可改变馈电同轴整体进入谐振腔的长度，从而实现频带内不同频率点的匹配。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。

本发明可采用或不采用托盘。若采用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。考虑到本谐振腔中电场的分布特性，设计的托盘形状应为圆盘、圆桶等类似形状，以提高微波反应效率和微波利用率。

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、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，始终集中在腔体中心轴线圆柱形区域内，并且在此区域内分布较均匀，能够为反应样品提供均匀的微波辐照。

4、本发明的反应腔全封闭，避免了微波泄漏可能引起的对操作人员身体健康的影响，以及微波泄漏造成的环境污染等。

附图说明

图1是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔结构示意图。

图2是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔中馈电同轴4结构示意图。

图3是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔中托盘和内导体结构示意图之一。

图4是是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔中托盘和内导体结构示意图之一（俯视图）。

图5是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔中托盘和内导体结构示意图之二。

图6是本发明提供的封闭式频率可调谐振式微波反应腔中托盘和内导体结构示意图之三。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种谐振式微波反应腔，包括外导体1、内导体2、封闭盖3、馈电同轴4。其特征在于，外导体1为一圆柱金属腔体，其底部正中心有一圆柱底孔11，内壁有螺纹；圆柱内导体2穿过底孔11进入外导体1的内部，内导体2上半部分具有圆顶的调频螺纹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中的长度；外导体1接近顶部内壁处有圆顶的封闭螺纹12，与轴对称的封闭盖3外侧边缘螺纹配合，使外导体1和封闭盖3保持电接触，同时可控制封闭盖3与外导体1的相对位置，改变腔体的总高度；封闭盖3上有手柄31，便于旋动封闭盖3；封闭盖3中心处有一馈电孔32，轴旋转对称的馈电同轴4通过馈电孔32进入外导体1的内部；馈电同轴4由馈电同轴内导体41、馈电同轴外导体42、以及两者之间的填充介质43构成；馈电同轴内导体41的末端有一同轴嵌口411、馈电同轴外导体42末端部分具有接头螺纹421，这两个结构便于和外接输入端口相连；馈电同轴内导体41进入外导体1一端的末端具有一馈电末端圆盘412；馈电同轴外导体42末端外侧具有馈电螺纹422，与馈电孔32壁上螺纹配合，使得封闭盖3和馈电同轴外导体42保持电接触，同时可调整馈电同轴4进入外导体1中的长度。

以实施例1为基础进行设计，完成500MHz~1000MHz的频率连续覆盖。在保证谐振腔品质因素较高的同时，通过合理设计内、外导体尺寸使得腔体工作于圆波导谐振腔的主模TM₀₁₀模式。外导体1外部、内导体2底部、馈电同轴4外侧可覆盖绝热层。

具体尺寸为：外导体1的内半径120mm，外导体1高度L₀；内导体2半径100mm，伸入外导体1的长度L₁；封闭盖3距内导体2顶部的距离L₀-L₁固定为30mm；外导体1的厚度5mm，材料铜；馈电同轴4的特征阻抗为50Ω，馈电同轴内导体41半径1.52mm，馈电同轴外导体42的内半径5.75mm，馈电同轴外导体42的厚度1mm，材料铜，填充介质43的材料为聚四氟乙烯，馈电同轴内导体41比馈电同轴外导体42长D，分别取1mm、3mm和5mm，对应标为A、B和C三个接头，这三个接头便可覆盖整个频带范围，馈电内导体伸入腔体一端末端接圆盘412，其半径4.5mm、厚度0.1mm；馈电同轴外导体42伸入外导体1的长度为L。

空载状态下设计结果为：

说明本实施例通过调节内导体2进入外导体1的长度L₁和馈电同轴4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，主要集中在以外导体中心轴线为中心，顶盖与内导体之间的圆柱形区域内，随圆柱半径增大，场强度逐渐降低。在500W功率输入条件下，取谐振频率为707MHz为例来说明腔内电场的分布，以外导体中心轴线为中心轴线，半径为40mm的圆柱区域内，电场有效值均大于4.82×10⁵V/m；以外导体中心轴线为中心轴线，半径为60mm的圆柱区域内，电场有效值均大于4.02×10⁵V/m；以外导体中心轴线为中心轴线，半径为100mm的圆柱区域内，电场有效值均大于3.21×10⁵V/m。其他谐振频率处电场分布类似，电场值略有不同。

将介电常数为3.6、损耗角正切0.01的样品放置在内导体2顶端半径为30mm、高为10mm的圆柱区域内，研究有载情况。同理，调节内导体2进入外导体1的长度L₁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，值略为减小。

实施例2：如图1、图2所示，在实施例1的基础上，上述馈电同轴内导体41进入外导体1的末端接一个半球形状的馈电末端半球413.

实施例3：如图1、图3和图4所示，在实施例1的基础上，引入一直径小于内导体2的圆桶状托盘5，其底端向下伸出三根固定小圆柱51，与内导体2顶端的三个内凹圆柱小孔22契合固定，内凹圆柱小孔22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，引入一直径与内导体2相当的圆桶状托盘5，其底端具有一内凹圆柱52，内凹圆柱52与内导体2顶部吻合固定。

实施例5：如图1、图6所示，在实施例1的基础上，引入一直径与内导体2相当的圆桶状托盘5，其底端具有一内凹圆柱52，内凹圆柱52内侧壁具有圆顶螺纹与内导体2顶端螺纹契合固定。

Claims

1.一种封闭式频率可调谐振式微波反应腔，包括外导体（1）、内导体（2）、封闭盖（3）和馈电同轴（4）；外导体（1）为一圆柱金属腔体，其底部正中心具有一带内螺纹底孔（11）；内导体（2）为带外螺纹的圆柱体，内导体（2）通过自身外螺纹（21）与外导体（1）底孔（11）的内螺纹配合使外导体（1）和内导体（2）保持电接触以及便于调整内导体（2）进入外导体（1）中的长度；封闭盖（3）通过自身外螺纹与外导体（1）顶部的内螺纹（12）配合使外导体（1）和封闭盖（3）保持电接触；封闭盖（3）上连接有手柄（31），便于旋动封闭盖（3）；馈电同轴（4）由馈电同轴内导体（41）、馈电同轴外导体（42）、以及两者之间的填充介质（43）构成；馈电同轴内导体（41）的末端有一同轴嵌口（411）、馈电同轴外导体（42）末端部分具有接头螺纹（421），同轴嵌口（411）和接头螺纹（421）便于馈电同轴（4）与外接输入端口相连；馈电同轴内导体（41）的前端为馈电圆盘（412）或馈电半球（413）；封闭盖（3）中心具有一带内螺纹的馈电孔（32），馈电同轴（4）通过馈电同轴外导体（42）前端的外螺纹（422）与封闭盖（3）中心馈电孔（32）的内螺纹配合使得封闭盖（3）和馈电同轴外导体（42）保持电接触以及便于调整馈电同轴（4）进入外导体（1）中的长度。

2.根据权利要求1所述的封闭式频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，所述封闭式频率可调谐振式微波反应腔还包括一个托盘（5）；所述托盘（5）固定于内导体（2）顶端。

3.根据权利要求2所述的封闭式频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，所述托盘（5）的底端具有三个固定圆柱（51），三个固定圆柱（51）与内导体（2）顶部相应的三个内凹圆柱（22）相互契合固定。

4.根据权利要求2所述的封闭式频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（5）的底端具有一内凹圆柱（52），内凹圆柱（52）与内导体（2）顶部契合固定。

5.根据权利要求2所述的封闭式频率可调谐振式微波反应腔，其特征在于，托盘（5）的底端具有一内凹圆柱（52），内凹圆柱（41）与内导体（2）顶部通过螺纹契合固定。