CN216122971U - 一种基于微波非线性器件的高效设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种基于微波非线性器件的高效设备的设计方案。微波等离子体在高强度光源、微波紫外线空气灭菌和工业废气治理、等离子体火炬和微波等离子体推进方面有重要应用。本实用新型采用耦合螺钉和矩形波导、圆波导、同轴线或者其它传输线实现了两个相互串接的谐振腔，其谐振频率分别对应该设备的运行频率和点火频率。微波源首先工作在点火频率点火成功，然后变化频率到运行频率高效地运行。本实用新型既能自动地被点燃，又可以高效率地运行，可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理、微波等离子体火炬、微波等离子体气相沉积、微波等离子体推进器等领域。

Description

一种基于微波非线性器件的高效设备

技术领域

本实用新型涉及一种基于微波非线性器件的高效设备。具体地说，是涉及一种利用阻抗匹配器和变频微波源实现气体等离子体放电器件自动点火并高效率工作的高效等离子体设备。

背景技术

在大功率微波作用下，气体将被电离，产生等离子体并且发光。利用微波激发等离子体实现的高强度气体放电灯具有高亮度、接近太阳光线的色谱、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于汽车大灯、广场照明和大棚蔬菜光源。利用微波点亮的无极紫外灯，具有高亮度、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于大气和饮用水杀菌，还可以用于工业废气和工业废水处理等领域。利用微波电离气体实现的微波等离子体火炬具有高温、无污染、可以迅速启停的特点，在机动车发动机点火、大型锅炉点火、金属切割、表面清洁，甚至外科手术方面都有广泛的用途。微波等离子体推进器利用微波电离气体产生等离子体，可望为的太空飞行提供一种新的动力。

但是，大部分微波等离子体器件的输入阻抗呈现出很强的非线性，属于强非线性器件。在小信号时，气体未被电离，对微波的吸收很弱。大部分投射到气体上的微波将会被反射。为了电离气体，需要很强的微波场强。比如，在一个大气压下，空气的击穿场强为每米三百万伏。在大功率微波作用下，气体被电离后形成的等离子体会很好地吸收微波。早起方案为了点燃等离子体器件，需要大功率微波。当器件被点燃后，由于负载出现显著变化引起严重阻抗失配，大部分微波能量被反射，被等离子体吸收的微波功率很小，器件的能量效率很低。微波等离子体器件的强非线性也会使小功率的微波等离子体器件难以实现。

Yong C.Hong等人于2011年报道了一种微波等离子体火炬【IEEE TRANSACTIONSON PLASMA SCIENCE,VOL.39,NO.10,OCTOBER 2011，pp.1958-1962】。其中采用移动钨丝手动方式点燃微波等离子体器件。这种方法，不利于设备的自动化运行。Christoph Schopp和Holger Heuermann于2013年提出了一种双态匹配方案【2013年，Proceedings of the 43rdEuropean Microwave Conference，pp.881-884】。该方案采用集总参数匹配电路，利用频率切换，很好地解决了气体放电灯的自动点火和高效率工作的问题。但是，这种方法具有以下几个缺点：1)该匹配电路的插损比较大，将严重降低该方案的能量效率。2)在常用的2450MHz的微波频段，集总参数电路的功率容量比较小。该方案在工业和环保领域的应用受到功率容量的限制。3)该方案的匹配电路结构复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、插损低、效率高的微波等离子体设备。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于微波非线性器件的高效设备，包括依次连通的一个微波源，一个调节电路，和至少一个非线性器件。所述调节电路与所述非线性器件构成非线性负载，所述非线性负载与所述微波源连接的端口为输入端。所述非线性负载具有两种状态，小信号状态和大信号状态。所述调节电路包括至少一个调节体和位于所述调节体前端的第一耦合结构和位于所述调节体后端的第二耦合结构。小信号时，所述第一耦合结构、所述第二耦合结构、所述第一耦合结构与所述第二耦合结构之间的调节体一起构成第一谐振腔，所述第一谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f1。小信号时，所述第二耦合结构、所述第二耦合结构与所述非线性器件之间的调节体、所述非线性器件一起构成第二谐振腔，所述第二谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f2。

本实用新型中，所谓“点火”，也就是所述非线性器件内的气体被击穿变成等离子体。

这里的小信号和大信号对不同非线性器件可以有不同的定义。比如，对于气体放电器件，其中的小信号表示气体不被击穿时的信号。非线性负载的两种状态分别对应着气体未被击穿和气体被击穿后的状态。一般情况下，小于1毫瓦的信号是信号，大信号的功率大于1瓦。

所述第一谐振腔和第二谐振腔的谐振频率随非线性器件的状态可能变化很大。这里的f2和f1分别特指小信号时第二谐振腔和第一谐振腔的一个谐振模式的谐振频率。

在微波源开启之后，所述微波源输出微波的中心频率至少从f2到某一频率f3变化一次。一般情况下，f3等于f1可能不是最好的选择，因为当非线性器件处于大信号状态时，第一谐振腔的所述谐振模式的谐振频率会一定程度地偏离该非线性器件在小信号时该谐振模式的谐振频率。因此，我们可以设定f3等于f1，但是在与f1相对误差小于百分之五的范围内变化寻找最佳的f3频率可能获得更好效果。

所述非线性器件的输入阻抗随微波源输出功率大小而显著变化。比如，在微波源输出功率为1毫瓦时，所述非线性器件处于小信号模式，其输入阻抗主要为电抗。在微波源输出功率为100瓦时，所述非线性器件处于大信号模式，其输入阻抗与所述微波源的输出端的特性阻抗接近。这里的非线性器件可以包括内部设置有放电气体的等离子体放电器件，比如气体放电灯灯泡、无极紫外灯、内部有气体流过的介质管等。

这里的微波源输出微波的中心频率需要至少从f2到f3变化一次。其中的“变化”有两种方式。如果所述微波源是固态源，这里的“变化”指“切换”。如果所述微波源是电真空振荡器，这里的“变化”指“漂移”。比如最典型的电真空振荡器磁控管启动后，其输出微波的频率会由于其谐振腔的温度身高而逐渐降低，直到最后稳定下来。

以微波等离子体非线性器件为例，本实用新型的工作原理简述如下。一般情况下，气体击穿前，非线性器件对微波吸收很弱，处于小信号状态。非线性器件的输入阻抗以电抗为主。进入非线性器件的微波几乎全部被反射回来。在非线性器件内的气体感受到的微波电场的幅值很小。气体无法被击穿。

本实用新型在非线性器件与微波源之间设置一个第二耦合结构，与非线性器件一起形成第二谐振腔。在气体击穿前，这个谐振腔的损耗很小，其Q值很高。为了有效击穿其中的气体，我们需要满足两个条件：第一，微波源的频率与这个谐振腔的频率相等，都为f2，或者尽量接近。第二，微波源与该谐振腔在谐振时的阻抗尽量匹配。对于第二个要求，我们需要适当设置第二耦合结构的耦合系数。由于该谐振腔的Q值很高，第二耦合结构的耦合系数将很低。

在气体被击穿后，非线性器件处于大信号状态。小信号时匹配的第二谐振腔不再匹配，大部分微波将被反射。设备的运行效率将很低。本实用新型在第二耦合结构前设置第一耦合结构，让第一耦合结构与第二耦合结构一起形成第一耦合腔并且让第一耦合腔的频率为f1，并且调节第一耦合结构的耦合系数，让微波源，第一耦合腔，以及处于大信号状态的非线性器件在频率f1处匹配。考虑到第二耦合结构为弱耦合状态，第一耦合结构也必须为弱耦合状态。

为了实现非线性器件有效地从小信号状态变化到大小号状态，然后高效运行，第一耦合结构与所述第二耦合结构均为弱耦合状态。在小信号状态，所述小信号状态第一谐振腔和第二谐振腔的Q值都应该比较高。具体情况下，第一谐振腔和第二谐振腔的Q值与小信号状态下所述非线性器件对微波的吸收性能有关，比如两个Q值均大于100，小于10000。

所述调节体和所述非线性器件可以为任意空间形状。较佳的设计，所述调节体为一节传输线，或者多于一节的相互连通的传输线。所述传输线可以为矩形波导。所述传输线还可以包括一根同轴线内导体，为同轴线。

为了实现一种等离子体喷枪，在所述同轴线内导体内部有空管，在所述传输线的外导体的远离微波源的尾端设置有金属头，所述金属头中心有出气孔，所述空管通过至少一根进气管从外界输入气体，所述气体从所述金属头中心的出气孔喷出。

较佳的实现方式，所述第一耦合结构和第二耦合结构均为耦合螺钉，所述耦合螺钉进入所述调节体内的深度可以从外界加以改变并通过螺帽固定，所述耦合螺钉进入所述调节体内的深度大于所述耦合螺钉在调节体内部最大行程的2/3。所述耦合螺钉在调节体内部最大行程定义为所述耦合螺钉在所述调节体内部可以达到的最大长度，条件是所述耦合螺钉的顶端和与之相对的调节体的内表面不能接触。

为了实现弱耦合，所述耦合螺钉需要进入所述调节体足够深。

另一种实现方式，所述第一耦合结构和第二耦合结构均为带有通孔的金属膜片，至少在横截面的一个方向上，所述通孔的尺寸小于所述金属膜尺寸的1/3。所述金属膜片指一定厚度和一定外形的金属板，其中有通孔。为了实现弱耦合，要求所述通孔的尺寸需要足够小。

另一种实现方式，第一耦合结构和第二耦合结构中，任意一个选择带有通孔的金属膜片或耦合螺钉，另一个选择带有通孔的金属膜片或耦合螺钉。

本实用新型的应用可以简单分为三类：

第一类应用，所述非线性器件内设置有至少一个气体放电灯。该实用新型可以提供一类高亮度、寿命长、发光效率高、色谱接近太阳光的优质光源。这时，非线性器件的外壳上开有若干小孔，既能有效阻止微波泄露，又能让可见光充分地发射出来。

第二类应用，所述非线性器件中有放电气体通过。该实用新型可以提供一类高效的等离子体火炬或微波等离子体推进器。

第三类应用，所述非线性器件内设置有至少一根无极紫外灯管。采用微波高效地点亮无极紫外灯管，让空气或者水，特别是废弃或废水，在非线性器件中在无极灯管外通过，其中的细菌、病毒和有害物质被紫外光有效地杀灭或降解。这时，非线性器件的外壳上开有至少两个孔，既能有效阻止微波泄露，又能让气体和液体进入和流出所述非线性器件。

为了方便，这里的电磁波源主要采用微波频段。本实用新型也可以采用频率比微波高的毫米波甚至太赫兹频率，以及频率比微波低的射频频率。同时，这里的非线性器件并不仅仅限于气体放电和等离子体。依赖于强非线性效应，运行前和运行中具有明显差异负载阻抗的其它设备，都可以利用本实用新型进行有效地启动并高效率地运行。

本实用新型具有的有益效果：

本实用新型公布了一种基于微波非线性器件的高效设备的设计方案。微波等离子体在高强度光源、微波紫外线空气灭菌和工业废气治理、等离子体火炬和微波等离子体推进方面有重要应用。本实用新型采用耦合螺钉和矩形波导、圆波导、同轴线或者其它传输线实现了两个相互串接的谐振腔，其谐振频率分别对应该设备的运行频率和点火频率。微波源首先工作在点火频率点火成功，然后变化频率到运行频率高效地运行。本实用新型既能自动地被点燃，又可以高效率地运行，可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理、微波等离子体火炬、微波等离子体气相沉积、微波等离子体推进器等领域。

附图说明

图1为本实用新型和实施实例1的侧面剖视示意图

图2为实施实例2的俯视示意图

图3为实施实例3的俯视示意图

图4为实施实例4的侧面剖视示意图

图5为实施实例5的侧面剖视示意图

图6为实施实例6的侧面剖视示意图

附图中标号对应名称：1-微波源，2-调节电路,21-调节体，21A-第一耦合结构，21B-第二耦合结构，23-同轴线内导体，24-空管，25-进气管，3-非线性器件，31-介质管，32-无极灯管，33-支撑介质板，34-金属头，35-出气孔。

具体实施方式

实施实例1

如图1和图2所示。

一种基于微波非线性器件的高效设备，包括依次连通的一个微波源1，一个调节电路2，和一个非线性器件3。所述调节电路2与所述非线性器件3构成非线性负载，所述非线性负载的与所述微波源1连接的端口为输入端。所述非线性负载具有两种状态，小信号状态和大信号状态。所述调节电路2包括至少一个调节体21和位于所述调节体21前端的第一耦合结构21A和位于所述调节体21后端的第二耦合结构21B。小信号时，所述第一耦合结构21A、所述第二耦合结构21B、所述第一耦合结构21A与所述第二耦合结构21B之间的调节体21一起构成第一谐振腔，所述第一谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f1。小信号时，所述第二耦合结构21B、所述第二耦合结构21B与所述非线性器件3之间的调节体21、所述非线性器件3一起构成第二谐振腔，所述第二谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f2。在基于微波非线性器件的高效设备从小信号状态变为大信号状态后，所述微波源1输出微波的中心频率至少从f2到f3变化一次。

在微波源1开启之后，所述微波源1输出微波的中心频率至少从f2到某一频率f3变化一次。F3与f1相对误差小于百分之五。

在所述小信号状态第一谐振腔和第二谐振腔的Q值均大于100，小于10000。

第一耦合结构21A与所述第二耦合结构21B均为弱耦合。

所述调节体21为一节传输线。

所述传输线为矩形波导。

所述第一耦合结构21A和第二耦合结构21B均为耦合螺钉，所述耦合螺钉进入所述调节体21内的深度可以从外界加以改变并通过螺帽固定，所述耦合螺钉进入所述调节体21内的深度大于所述耦合螺钉在调节体21内部最大行程的2/3。

实施实例2

如图2所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：

所述第一耦合结构21A和第二耦合结构21B均为金属膜片。在矩形波导的宽边方向上，所述通孔的尺寸小于所述金属膜尺寸的1/3。

实施实例3

如图3所示。

与实施实例2相比，所述非线性器件包括一个一分四的等幅等相功分器和与其四个输出端分别相连的一个非线性子器件。

实施实例4

如图4所示。

于是实施例1相比，不同之处仅在于：

所述非线性器件包括一节终端短路的矩形波导和一根介质管31。所述介质管31从所述矩形波导的宽边从下而上穿过所述矩形波导，其中有气体通过并可以被所述矩形波导内部的微波电离。电离后产生的等离子体向上喷出。该实施实例为一把等离子体火炬。

实施实例5

如图5所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：

所述调节电路2的传输线为包括有同轴线内导体23的一节同轴线。所述非线性器件为终端短路的一节圆波导，沿其轴线在其中设置有一根无极灯管32和位于所述无极灯管两端的两个支撑介质板33。

实施实例6

如图6所示。

与实施实例5相比，不同之处仅在于：

没有任何无极灯管32。

在所述同轴线内导体内部设置有空管24。作为非线性器件，在所述同轴线的外导体远离微波源1的尾端设置有金属头34，所述金属头中心有出气孔35，所述空管24通过一根进气管25从外界输入气体，所述气体从所述金属头34中心的出气孔35喷出。通过将固态源1频率设定到点火频率，开启固态源1并让其频率为f1，可以方便地在金属头34附近成功地击穿气体，产生等离子体。通过将固态源1频率切换到运行频率，可以让等离子体火焰的温度和长度达到最佳。一般地，所述进气管25材料以介质为佳。为了便于点火，所述金属头34于所述同轴线内导体23之间有间隙而且该间隙应该尽量小。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施实例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。为了便于调试本设备，一些常规的技术，比如在微波源和调节电路之间增设阻抗调配器，在所述第一谐振腔和第二谐振腔中设置调谐装置等，可能是有用的。依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施实例所作的任何偏离最佳设计的修改、等同替换、增加任何常规技术等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，包括依次连通的一个微波源(1)、一个调节电路(2)、至少一个非线性器件(3)；所述调节电路(2)与所述非线性器件(3)构成非线性负载，所述非线性负载与所述微波源(1)连接的端口为输入端；所述非线性负载具有两种状态，小信号状态和大信号状态；所述调节电路(2)包括至少一个调节体(21)和位于所述调节体(21)前端的第一耦合结构(21A)和位于所述调节体(21)后端的第二耦合结构(21B)；小信号时，所述第一耦合结构(21A)、所述第二耦合结构(21B)、所述第一耦合结构(21A)与所述第二耦合结构(21B)之间的调节体(21)一起构成第一谐振腔，所述第一谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f1；大信号时，所述第二耦合结构(21B)、所述第二耦合结构(21B)与所述非线性器件(3)之间的调节体(21)、所述非线性器件(3)一起构成第二谐振腔，所述第二谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f2。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，在微波源(1)开启之后，所述微波源(1)输出微波的中心频率至少从f2到某一频率f3变化一次。

3.根据权利要求2所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，其中f3等于f1，或者f3与f1的相对误差小于百分之五。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，在所述小信号状态第一谐振腔和第二谐振腔的Q值均大于或等于100，小于或等于10000。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，第一耦合结构(21A)与所述第二耦合结构(21B)均为弱耦合状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，所述调节体(21)为一节传输线，或者多于一节的相互连通的传输线。

7.根据权利要求6所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，所述传输线为矩形波导。

8.根据权利要求6所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，所述传输线还包括一根同轴线内导体(23)，传输线为同轴线。

9.根据权利要求8所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，在所述同轴线内导体(23)内部有空管(24)，在所述传输线的外导体的远离微波源(1)的尾端设置有金属头(34)，所述金属头(34)中心有出气孔(35)，所述空管(24)通过至少一根进气管(25)从外界输入气体，所述气体从所述金属头(34)中心的出气孔(35)喷出。

10.根据权利要求1至7任意一项所述的一种基于微波非线性器件的高效设备，其特征在于，所述第一耦合结构(21A)和第二耦合结构(21B)为耦合螺钉或带有通孔的金属膜片或其组合；为耦合螺钉时，所述耦合螺钉进入所述调节体(21)内的深度可以从外界加以改变并固定，所述耦合螺钉进入所述调节体(21)内的深度大于所述耦合螺钉在调节体(21)内部最大行程的2/3；为带有通孔的金属膜片时，至少在横截面的一个方向上，所述通孔的尺寸小于所述金属膜尺寸的1/3。

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