（物理电子学专业论文）矩形波导微波化学反应系统的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着微波化学的发展，出现了各种微波化学反应系统。本文对基于矩形波导的微波化 学反应系统进行了研究，这对认识矩形波导微波化学反应系统的性能、提高系统工作的可 靠性、稳定性和效率都有重要意义；同时，对等离子体的基本参量进行了研究和测量，给 出了一定条件下的等离子体的电子温度和等离子体密度，这是认识等离子体基本特性的重 要方面：最后针对真空系统压强的测量，分析了气体流动的一般规律，介绍了基本的测压 工具，并用线性分布理论来确定系统的压强。 第一章简要介绍了微波化学的发展现状及其优点，给出了微波化学反应系统的基本框 图，确立了论文的基本架构。 第二章首先介绍了矩形波导微波化学反应系统的组成单元，然后针对系统中的具体元 器件进行了以下几个方面的论述：环行器的作用、结构和工作原理及其主要技术指标；大 功率微波衰减器的参量定义以及系统中使用的衰减器的技术指标：匹配负载的构成和作 用；定向耦合器的构成、工作原理和主要技术指标。以上几个部分的介绍，进一步明确了 矩形波导微波化学反应系统的工作原理和衡量指标，有利于提高系统工作的稳定性和可靠 性。 第三章首先给出了矩形波导微波化学反应器的组成及其示意图。然后针对该反应器的 组成部分，具体分析了矩形波导的主模场结构分布，论述了基于矩形波导设计微波化学反 应器的可行性；对矩形波导谐振腔的场分布进行了分析：介绍了利用软件设计和优化矩形 波导微波化学反应器的方法。这对于认识该反应器的工作原理、提高反应器的工作稳定性 和提高系统效率都有重要意义。 第四章首先介绍了等离子体的基本概念和微波等离子体的特点，然后重点讨论了微波 等离子体的基本参量及其测量。在等离子体的电子温度和等离子体密度的测量方面，介绍 了郎缪尔探针法的基本原理，并通过此方法测量了一定条件下的甲烷微波等离子体的电子 温度和等离子体密度。在等离子体的相对介电常数测量方面，首先根据郎缪尔探针法测量 得到的等离子体密度并结合理论公式进行了推导计算；论文提出了一种新的测量等离子体 相对介电常数的方法，即采用实验测量结合计算机模拟的方法确定等离子体的等效相对介 电常数，介绍了此方法的具体操作步骤，明确了模拟计算的参数设置，最后给出了测量结 果；并对两种方法进行了比较和分析。本章的阐述对于迸一步认识等离子体的特性具有重 要意义。 东南大学硕士学位论文 第五章围绕系统中的真空系统压强的测量展开。介绍了真空度的表述和标定：分析了 气体流动的一般规律：给出了系统压强测量的常用设备；最后用线性分布理论来确定系统 的压强。 最后是结束语、参考文献和致谢词。 关键词：微波化学：矩形波导；谐振腔；微波化学反应器；等离子体；相对介电常数 压强。 东南大学硕士学位论文 a s t u d yo nt h em i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t i v es y s t e m b a s e do nr e c t a n g l ew a v e - g u i d e a b s t r a c t m u l t i f a r i o u ss y s t e m sf o rm i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t o rc o m ef o r t hw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o w a v ec h e m i s t r y t h em i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t i v e s y s t e mb a s e do nt h er e c t a n g l e w a v e g u i d ei ss t u d i e d ，w h i c hi si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h ep e r f o r m a n c e ，t oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , a n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m i na d d i t i o n ，t h ee l e c t r o n t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yo fp l a s m au n d e ro n ec o n d i t i o na r ec a l c u l a t e db yt h er e s e a r c ha n d m e a s u r eo nt h ee l e m e n t a r y p a r a m e t e ro fp l a s m a ，w h i c hi si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fp l a s m a f i n a l l y , i no r d e rt od e t e r m i n et h ep r e s s u r eo f t h ev a c b b n ls u b s y s t e m t h e c o m m o n l yr o l eo ft h eg a sf l o wi sa n a l y z e d ，t h eb a s a lt o o lt om e a s h r ep r e s s u r ei si n 仃o d u c e d a n d t h ep r e s s u r ei sd e t e r m i n e db yt h el i n e a rc h o r o l o g y t h ep a p e rb e g i n sw i t hab r i e fi n 仃o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n dv i r t u eo fm i c r o w a v e c h e m i s t r yi nc h a p t e r1 ，t h ef r a m eo fm i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t i v es y s t e mi sp r e s e n t e d t h e s t r u c t u r eo f t h ep a p e ri sp r e s e n t e d 一 c h a p t e r2d i s c u s e st h ec e l l so ft h em i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t i v es y s t e m ，a n dt h e na n a l y s e s t h em a t e r i a le l e m e n t ，w h i c hi n c l u d e st h e s es i d e s ：t h ea c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h er i n gr o a dw a r e t h et h e o r ya n dm a i np a r a m e t e ro fi t ；t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e ro ft h eh i 【g hp o w e rm i c r o w a v e v a r i a b l ea t t e n u a t o r ；t h es t r u c t u r ea n da c t i o no f 也em a t c hl o a d ：t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y p a r a m e t e ro ft h eb e a m e dc o u p l i n gw a r e a l lt h e s ed e l i m i t a t e t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y p a r a m e t e ro ft h em i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t i v es y s t e m ，a n da r eb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m c h a p t e r3i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df r a m eo ft h em i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t o rb a s e do l l t h er e c t a n g l ew a v e g u i d e 1 1 1 ef i e l do f t h em a i nm o d eo f r e c t a n g l ew a v e g u i d ea n dt h ef e a s i b i l i t y t od e s i g nm i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t o rb a s e do nt h er e c t a n g l ew a v e g u i d ea r ea n a l y z e d ；t h ef i e l d a n dp a r a m e t e ro f t h er e c t a n g l er e s o n a n c e c a v i t yi sa n a l y z e d ；a n dt h ew a yt od e s i g nt h er e a c t o rb y s o f t w a r ei sd i s c u s s e d a 1 lt h e s ea r eb e n e f i c i a lt oi m p r o v e 也es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e m i c r o w a v ec h e m i s t r yr e a c t o r c h a p t e r4i n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co fm i c r o w a v ep l a s m a ，a n dt h e n d i s c u s s e st h ep a r a m e t e ra n dm e a s u r e m e n to fp l a s m a t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yo f p l a s m au n d e ro n ec o n d i t i o na r ec a l c u l a t e db yl o n g m u i rp r o b e t h ee f f c c tr e l a t i v ed i e l e c t r i c c o n s t a n to fc h d p l a s m ap r o d u c e db ym i c r o w a v ew a sf i r s t l yc a l c u l a t e dw i t ht h ed c n s i t yo fp l a s m a m e a s u r e db yl o n g m u i rp r o b e ，a n dt h e nh 2 p l a s m ap r o d u c e db ym i c r o w a v ew a sc a l c u l a t e db ya n e wm e t h o d ，w h i c hw a sc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a lm e a s u r ea n dh f s s ( h i g hf r e q u e n c y s t r u c t u r es i m u l a t i o n ) s i m u l a t i o n f i n a l l y , t h et w om e a n sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d c h a p t e r5s p r e a d sa r o u n dt h ep r e s s u r em e a s u r e m e n to ft h ev a c u u ms u b s y s t e m t h e p a r a m e t e ra n dt h ed e t e r m i n eo fv a c u u n la r ei n t r o d u c e d t h ec o m l n o n l yr u l eo ft h eg a sf l o wi s a n a l y z e d t h eb a s a lt o o lt om e a s b r ep r e s s u r ei si n t r o d u c e d ，a n dt h ep r e s s u r ei sd e t e r m i n e db vt 1 1 e l i n e a rc h o r o l o g y k e yw o r d s ：m i c r o w a v ec h e m i s t r y ；r e c t a n g l ew a v e - g u i d e ；r e s o n a n c ec a v i t y ；m i c r o w a v e c h e m i s t r yr e a c t o r ；p l a s m a ；r e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n t ；p r e s s u r e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：名乳日期：划 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：i 阻导师签名牲日期： 一州 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着科学技术的迅猛发展，各门学科出现了空前的分化和空前的综合，在这分化和综 合的过程中，出现了许多新的交叉点，衍生出许多新兴的学科和科研方向。其中，微波理 论与技术和化学的结合无疑已成为一个十分活跃的研究领域，- - f 崭新的交叉学科微 波化学孕育形成了。微波化学是人们对微波场中的物质特性及其相互作用的深入研究的基 础上发展起来的。因此可以说，微波化学是根据电磁场理论、等离子体理论、物质结构等 理论和化学原理等多学科交叉的一个新领域。由于微波化学具有大大加快化学反应速度、 能诱导原来难以产生的化学反应使其发生、提高产品质量、节能、环保等许多突出优点， 因此目前正处于蓬勃发展时期，很可能成为本世纪最有发展前途的领域之一 1 】。 目前我们实验室正承担江苏省“十五”科技攻关项目，用天然气替代石油，生成重 要的化工原料乙烯。天然气的主要成分是甲烷( 9 0 以上) ，然而甲烷的分子稳定，实 现甲烷的转化是一个令人困扰的难题，也是当前研究的热点。现在甲烷转化的常见方法有 间接法( 蒸汽重整) 和直接法( 氧化偶联) 两种。间接法的缺点是工艺流程长，投资大， 水碳比高，耗能大。直接法的优点是流程短，方法简便，但副产物多，产物分离困难。另 外随着交叉学科的发展，又出现了一些新的转化方法，如激光裂解法，电弧法。但这两种 方法均有很大的缺点，激光器价格昂贵，耗电量高，电弧法同样存在消耗电能大的缺点。 此课题中我们采取的手段是在微波场作用下生成甲烷等离子体进而偶联生成乙烯。据此我 们可以看出，等离子体的生成方法及其生成装置是该课题需要研究的一项重要内容。从实 际应用的角度来说，希望该微波化学反应系统具备功率可灵活调节、高可靠性、高稳定性、 高效率等特点。 1 2 微波与物质的相互作用 微波作为一种电磁波，其与物质的相互作用和一般电磁波有共同之处，也可以发生 反射、吸收等。在这里我们主要讨论微波能被物质吸收的作用。这种吸收从作用机理上讲 可分为两类，一类是吸收微波能引起分子内部能级变化，主要是转动能级变化的情况，这 一类可用量子力学来描述；另一类是微波加热，这种热效应虽然还不能用量子力学来严格 描述，但可用经典理论从微观粒子运动来解释。当然，微波对化学体系的作用是否完全归 因于热效应，是否还有非热效应存在，现在还是一个有争论的问题，但考虑到大部分实验 东南大学硕士学位论文 事实可用热效应来解释，所以本文仅以热效应为基础来讨论微波加热作用。 微波加热意味着将微波的电磁能转变为热能。转变的过程与物质中分子等微观粒子的 运动有关。在电磁场的作用下，物质中微观粒子可产生四种类型的介电极化，即电子极化 ( 原子核周围电子的重新排布) 、原子极化( 分子内原子的重新排布) 、取向极化( 分子永久 偶极的重新取向) 和空间电荷极化( 自由电荷的重新排布) 。在这四种极化中，与微波频率 相比，前两种极化要快得多，所以不会产生微波加热，而后两种极化与之相当，可产生微 波加热，即可通过微观粒子的这种极化过程，将微波能转变为热能。 物质吸收微波能的程度可用介质损耗角正切t 驴来描述，t g & 等于介电常数s 与介电损耗 因子e ，之比。87 和8 ”之间并无严格的关系，但物质吸收微波能的能力随t g & 增大而增加。根据 对微波的吸收程度，可将物质材料分成导体、绝缘体和介质。导体主要为金属，如银、铜、 铝等，微波不能进入导体，只能在其表面反射；绝缘体是指可透过微波而对微波吸收很少 的材料，即t 驴很小，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等；介质可吸收微波，吸收程度可用t 鲈 来描述。 传统加热方法是利用外部热源通过热辐射由外到内逐渐传导加热，与之不同，微波加 热可同时加热样品内外。虽然微波可对样品内部直接加热，微波可直接进入样品内部，但 进入内部的深度并不是无限的，而是有限的，这种电磁波进入样品内部的能力常用半功率 穿透深度d 1 2 ( 功率减弱到表面处1 2 时所对应的距离) 来描述。d l 2 与微波波长 o 成正 比，与样品相对介电常数日的平方根及t 9 5 成反比。 微波等离子体( m w p ) 是将微波能耦合给气体而形成的等离子体。微波等离子体化学就 是研究在这种等离子体中有关的化学过程及其应用。m w p 属于气体放电，与通常的微波加 热有一定差别。为了获得m w p ，首先气体中要有带电粒子，以便进行空间电荷极化。常温 常压下，在液体和固体中，很容易有很多带电粒子存在，而在气体中，很难有很多自由带 电粒子。所以首先要加入某种荷电的“种子”( 通常为电子) ，才能形成m w p ；其次，使气 体放电需要很强的电场强度，所以获得等离子体的装置必须要特殊设计( 通常采用谐振腔) ， 以便能控制空间的电场强度并使微波能集中于- - d , 体积内。实验室获得的m w p 一般处于 非局部热力学平衡状态，有较高的电子温度，而气体温度相对较低。 1 3 矩形波导微波化学反应系统 微波是指频率从3 0 0 m h z 到3 0 0 g h z 之间的电磁波( 也有其他说法) 。低于3 0 0 m h z 的， 为无线电波，高于3 0 0 g t t z 的电磁波则属于亚毫米波和红外线等。微波波长为1 米至l 毫 - 2 第一章绪论 米。关于微波加热，各国有专用波段，主要考虑到便于微波器件和设备的标准化，以及避 免使用频率太多，造成对雷达和微波通信的干扰。因此，对微波加热使用的频率应有明确 的规定，国内目前微波加热所采用的常用频率为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 等。微波具有明显的 节能特性，高效率低成本，使得微波加热技术在工业加热和干燥业以及在家庭中得到了很 好的应用【2 1 。 在微波化学领域，微波技术和化学的各个分支相结合，推进了微波化学的发展。自1 9 8 6 年以来，微波加热应用于化学领域已获得重要进展，与传统加热方法相比，微波加热有许 多特点。首先，微波加热是内源性热源，是就地产热方式，与传统上热源均在反应物外， 热量依靠传导、对流或辐射逐步由表及里传入反应物内部根本不同。微波加热的第二个特 点是具有选择性，对各种非极性介质( 如多种高分子材料，各种气体) 微波很难对它们加热。 因而用这些材料制成的容器，对微波是“透明的”，基本不发热，只是容器内的反应物才 受微波作用而发热。另外微波加热还具有传统加热方法很难实现的快速升温，控温容易、 设备小巧，干净等特点。 基于微波化学研究的具体需要，国内外提出了多种微波化学反应系统，大体上分为两 类：一类是基于多模谐振腔的反应系统，例如用微波炉或稍加改装的微波炉，微波炉改造 后用于化学反应，由于微波炉内部电磁场分布不均匀，而且一般家用微波炉功率实际上并 不真正连续可调，在微波炉内测定反应温度也较困难等，这些都是当前微波化学应用急待 解决的问题；另一类是基于单模谐振腔的反应系统，如圆柱形谐振腔和矩形波导谐振腔【3 1 ， 后者用得较多。根据实际情况和具体需要，我们采用并设计出了基于矩形波导的微波化学 反应系统( 如图l 一1 所示) ，并通过对该系统及其元件的研究达到进一步改善和发挥系统 性能，客观认识等离子体及其参数的目的。 东南大学硕士学位论文 匹配 负载 匹配 负载 图卜i 矩形波导微波化学反应系统框图 1 4 本文的研究目的和主要内容 本课题的目的是对矩形波导微波化学反应系统进行研究，同时对基于此系统生成的等 离子体的基本参量进行了测量和研究。具体分析了微波功率源及其输出功率调节、微波传 输系统和微波化学反应器，重点研究了矩形波导微波化学反应系统的结构和元件、微波等 离子体的基本参量的测量、真空子系统压强的测量等三个方面的内容。论文中提出了一种 实验测量和计算机模拟计算相结合的新方法来确定微波等离子体的等效相对介电常数，给 出了一定压强范围内的氢气等离子体等效相对介电常数的计算结果，使我们对等离子体的 相关特性有了更加清晰的认识，进一步增强我们对等离子体的操控能力。 根据此矩形波导微波化学反应系统，本文共分为五章进行讨论，各部分所包括的主要 内容为： 第一章是绪论部分，介绍本课题的研究背景和目的，给出矩形波导微波化学反应系统 框图，明确本文的主要工作。 第二章是关于矩形波导微波化学反应系统结构及其基本组成元件的介绍。对微波功率 源及其调节控制系统( 大功率微波衰减器) 、微波传输系统的环行器、定向耦合器、匹配 负载及其附属系统的基本性能要求进行了阐述和分析。 第三章是关于矩形波导微波化学反应器的介绍。首先分析了矩形波导主模的场结构分 第一章绪论 布，阐述了基于矩形波导设计微波化学反应器的可行性；随后介绍了矩形波导谐振腔的谐 振条件及其场分布；最后针对实验中采用的t e l o 模矩形谐振腔，对其基本参量进行了分析， 同时介绍了利用软件设计和优化矩形波导微波化学反应器的方法。 第四章是关于微波等离子体的基本参量及其测量的研究。首先介绍了等离子体的基本 参量及其有关测量方法，给出了等离子体的电子温度和等离子体密度的测量方法和测量 值；然后，针对等离子体的介电常数的测量，提出了一种实验测量和计算机模拟计算相结 合的新方法，对等离子体的等效相对介电常数进行t n 量，同时研究了压强对等离子体介 电常数的影响，通过软件模拟和数值计算，给出了等离子体等效介电常数随压强的变化曲 线。 第五章是关于矩形波导微波化学反应系统的子系统一真空系统压强的研究。对真空状 态下的气体流动规律进行了分析，给出了动态系统一段体积内压强的测量方法，同时对不 同压强范围的压强测量工具进行了选择。 最后是参考文献和致谢词。 东南大学硕士学位论文 第二章矩形波导微波化学反应系统 2 1 矩形波导微波化学反应系统的组成 由图1 - 2 可见，该矩形波导微波化学反应系统主要包括如下几个部分 l 、微波功率源：根据实际的反应条件和反应物的需要，在选定的频率，为系统提供 稳定度较高，具有特定功率电平的微波功率输出。 2 、大功率微波衰减器：能够连续调节微波功率，其功率衰减大小可根据实际需要或 对应终端参数手动或自动调节。 3 、微波传输系统：将微波功率源提供的微波功率以最低损耗传输给终端反应腔系统， 并确保在反应腔系统中被处理负载特性在较大范围变化时，均能良好传输，不影 响微波源的稳定工作，即要有高效传输和良好隔离性能。 4 、微波反应器及其附属系统：它是根据被处理物特性、处理量及其具体要求而专门 设计的微波化学反应器。它确保微波功率能与反应物产生最有效的相互作用，以 达到我们所期望的实验结果。许多情况下，反应器还需附设真空、充气等附属设 施，以确保特定反应的需要；根据反应物的需要必须设定的如电流、气压等参数 的测量配置。 2 2 环形器 2 2 1 环行器的结构和工作原理 4 】 当负载不匹配时，将有大量的波反射回磁控管，在中高功率情况下，反射波将损坏磁 控管，为了保证磁控管的正常工作，延长使用寿命，必须接入环形器。现简要介绍示意图 2 1 中的环形器。 图2 - 1 环行器示意图 6 第二章矩形波导微波化学反应系统 环形器是一种多端口器件，它具有这样的特性，如图2 一i 所示。由端口l 入射的波只 耦合到端口2 ，由端口2 入射的波只耦合到3 。 环形器中的一种重要物质是铁氧体。铁磁物质在稳恒磁场和微波交变磁场同时作用 下，其磁化矢量就围绕稳恒磁场运动而产生旋磁现象：当稳恒磁场与微波的频率达到一定 关系时，产生共振现象。微波铁氧体器件就是利用这一原理制造的。根据电磁波在铁氧体 中的传输情况，可以把铁氧体的磁化分为纵向磁化和横向磁化；前者指恒定磁场方向和电 磁波传输方向平行：后者指恒定磁场方向和电磁波传播方向垂直。纵向磁化下，出现法拉 第旋转效应：横向磁化下出现互易双折射效应以及变极化效应。利用铁氧体在各种不同的 电磁波的传输情况下，制造各种不同的微波铁氧体器件，以满足不同的要求。例如利用法 拉第旋转效应，制成法拉第旋转式环形器。 2 2 2 波导y 型和t 型环行器 环行器是一种具有环行作用的微波器件。它可以用作双工器，隔离器，开关器及相移 器等。在大功率微波系统中，主要使用波导环行器。波导三端环行器分为y 型和t 型。y 型环行器的三个端口是成“y ”型1 2 0 度旋转对称布置；而t 型环行器其外形结构不对称， 象“t ”字型。实际上，t 型环行器也是y 型环行器，其结构上的不对称性，可通过采取某 些相应的匹配措施而得以补偿。 y 型环行器的结构如图2 1 所示。这种y 结环行器是利用场移效应原理做成的。y 型 环行器是一个y 型波导结及在结的中心点放置一个圆柱形或等腰三角柱体的铁氧体。外加 恒磁场h 。垂直于波导宽壁，其环行方向为1 2 3 。当电磁波从1 端输入时，2 端有能量 输出，其间能量损耗很小，即正向损耗很小；而3 端几乎无能量输出，即反向隔离很大。 同样2 端到3 端，3 端到1 端均为正向传输，正向损耗都很小，而2 端到1 端，3 端到2 端则为反向传输，反向隔离都很大。 2 2 3 环行器的主要参数 环形器的主要参数为正向损耗，反向损耗，电压驻波比。其定义分别如下： 正向损耗：环形器正向连接时的插入损耗； 反向损耗：环形器反向连接时的插入损耗； 电压驻波比：器件插入传输系统之后，测量主线中电场强度最大值e m a x 与最小值e m i n 的比值。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 匹配负载 为了减少波反射或波辐射，必须在终端接上匹配负载，以吸收通过反应器后的剩余波， 对于匹配负载，要求：1 、驻波比小：2 、频带宽；3 、无高频能量泄漏；对高功率匹配负 载还要求：4 、击穿功率较高：5 、平均功率容量大。 根据吸收功率的大小，一般可分为低功率负载、中功率负载和高功率负载。低功率负 载一般用于实验室，对其驻波比要求较高。对高功率负载，重要问题是热量的吸收和发散， 常借助于某些吸收电磁波的固体和液体( 如水) 来达到目的。 2 3 1 固体负载 固体负载采用波吸收材料，有涂覆型、结构型以及微波暗室中用的微波吸收材料。涂 覆型的吸收材料主要是两种材料的混合物，主要有铁氧体与树脂或橡胶的混合物( 或复合 物) ；碳粉末与树脂的混合物；碳纤维合成材料等。把铁氧体做成粉末掺入橡胶等柔性物 质中，以改变其机械性能，同时也改变其电气性能。这种吸收材料可吸收高频段( 高达2 3 g h z ) 的波，且匹配厚度较小，为5 m m - 1 3 r n m 。日本电气公司1 9 8 2 年开发了一种用于雷 达和微波通信的新型复合材料，是把铁氧体、金属短纤维和聚苯乙烯等的有机高分子树脂 合成的复合体。这种微波吸收材料频带很宽，吸收频率为8 7 1 2 7 g h z ，衰减可达 2 0 d b ( 9 9 ) 上，且其加工性和施工性好。碳纤维合成材料主要是碳化硅、氮化硅、氮化 硼以及碳素材料，其中主要有碳化硅吸收微波能量，而氮化硅增加材料的强度、硬度及耐 腐蚀性，氮化硼则增强了材料的耐热冲击性能；碳素材料可防止裂纹的产生。 结构型微波吸收材料，由多种成分复合而成，目前尚处于研制阶段，该材料的目标是 提供一个强度大、耐热、耐化学腐蚀，且高频波段吸收性能好的吸收体。微波暗室用的吸 收材料，要求吸收衰减高达3 0 d b ，在此不多介绍。在现实中常用的材料为碳粉末与树脂的 混合物，价格低廉，吸收效果好。 负载形状一般为劈形，这相当于阻抗变换器，以减少反射。 2 3 2 水负载 水负载是由中空的劈形玻璃管，里面通有流动水。波导中的电磁波由水吸收，在这个 过程中水也逐渐加热，用流动的水带走热量。测出水的流量及温升，再根据热功当量即可 决定波导传输到终端的功率。这种负载制作方便，价格低廉，资源丰富。但也存在一些缺 点，如进水管占用空间，且需要专用的水龙头等。 在本实验室中我们采用的仍然是水负载，这主要考虑到经济以及调整时的方便性。水 第二章矩形波导微波化学反应系统 负载的结构如图2 - 2 所示。 图2 2 水负载结构示意图 2 4 大功率微波衰减器 2 4 1 大功率微波衰减器的提出 微波炉用的磁控管工作频率为2 4 5 0 m h z ，价格便宜，市场上容易买到且能满足实验室 内一般微波化学的实验要求，但这种管子输出功率的连续调节比较粗糙，不附合微波催化 反应的要求。如果有一种能工作在几千瓦级功率电平上的连续可调的高功率微波可变衰减 器，与磁控管联合使用，那就可以得到输出功率连续可调的微波功率源。 衰减器是插入传输系统中的双口元件。衰减器的作用是使通过它的微波功率产生一定 量的衰减。衰减器有固定衰减器和可变衰减器两种类型，只要求提供固定衰减量时使用固 定衰减器，要求功率连续可调时使用可变衰减器。可变衰减器有多种类型，如可移动的介 质片衰减器，旋转式衰减器，截至式衰减器等，但这些常见的衰减器，其吸收功率有限， 不适合在大功率条件下工作，功率调节范围也有限，这就要求我们设计一种新型的大功率 微波衰减器。 在标准矩形波导的宽面中央开槽插入吸收式衰减片，两端采用渐变刀形状，使得衰减 片有较小的输入驻波比。衰减片可用石英玻璃吹制或聚四氟乙烯热压而成，其中通以流水， 使其增加对微波能量的吸收。升温后的水流出衰减片，以确保衰减片的温升控制在容许范 围之内。衰减片固定在一个可以上下移动的支架上，支架上的标尺指出衰减片在矩形波导 内的深度，从定标后的衰减曲线，可直接读出衰减值。按照此原理设计的衰减器能够做到 功率连续可调，且输出的功率稳定。 2 4 2 衰减器的衰减量【5 i 微波元器件对通过它的电磁波会产生衰减，导致电磁波产生衰减的微波元器件可看作 一个等效的网络，可以用网络分析的理论来分析衰减现象。 无反射传输系统中，信号源与负载均与传输线匹配，这时信号源的反射系数r i g 和负载 的反射系数r 。均为零。在一个匹配的网络系统中，插入衰减网络前在负载上得到的功率为 9 东南大学硕士学位论文 p o ，插入衰减网络后在同一负载上得到的功率p l o ，则以分贝表示的网络衰减值a 为： 瓜g 去 如此定义的衰减系统如图2 - 3 所示 r g = 0 r = o 专个 _ r g = o ( a ) 衰减网络插入前 ： ： t = o ( b ) 衰减网络插入后 、 图2 3 定义衰减的系统 在实际测量中，经常使用“插入损耗”来定义衰减量，如图2 4 所示 ( 2 1 ) r g 0r l 0 ( a ) 衰减网络插入前 r g 0r 0 ( b ) 衰减网络插入后 图2 - 4 定义插入损耗的系统 在一个由任意的信号源和负载组成的传输系统中，这时存在有反射，r 。0 ，r 。0 。 衰减网络插入前，负载上得到的功率是p l i ；衰减网络插入后，同一负载上得到的功率为 p l f 则以分贝表示的衰减网络插入损耗l l 为： l i = l o l g - 屯里 ( 2 2 ) 第二章矩形波导微波化学反应系统 可见，衰减就是传输系统在匹配良好、无反射时插入衰减网络引起的“插入损耗”。 在微波衰减测量中，正确的使用“衰减”和“插入损耗”这两个定义极为重要，若衰 减网络与传输线匹配时，必须注意；( 1 ) 当f 。= 1 1 ，= o 时，衰减与给定系统中的源和负 载阻抗无关，衰减值唯一地表征了衰减网络本身的属性。一个具有已知衰减值的网络，只 要满足f 。= f ，= o 这个基本条件，其衰减值就不会因系统的不同而有所变化：( 2 ) 同一 网络插入到具有不同的k 和r 。值的系统中，将得到不同的插入损耗值；( 3 ) 微波衰减测 量中所测的“衰减量9 9 p 广泛地采用“衰减”的定义，而较少使用“插入损耗”的定义， 以保证量值的唯一性；( 4 ) 一个网络的衰减值恒为正数，它体现的纯粹是“能量的减小”。 而网络的插入损耗则不然，在某些传输系统中插入网络后可使原来不匹配的源和负载调整 到共轭匹配。 2 4 3 微波传输系统中的衰减器 通常情况下，衰减器的模型可用一个等效的二端口网络来表示，如图2 5 所示。 l2 图2 5 二端口网络 衰减器的特性等效为网络的特性，可用一组s 参量表示。网络的两端由均匀、无耗且 无反射的理想传输线表示，两端传输线的特性阻抗z 0 1 和z 0 2 可以不同。这样，由源、衰减 器和负载三者组成的微波系统如图2 - 6 所示。 b g + p i - - 图2 - 6 由源一衰减器一负载组成的微波传输系统 源通过端面1 向负载方向传输的行波波幅为： 口l 2 丁= 拿i ：了= + 6 l r c ( 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 式中b c 为源向无反射匹配负载输出的行波波幅；f 。为源的反射系数：f 。是端面1 向负载 方向看过去的反射系数，即衰减器一负载组合的总反射系数；6 l 为端面1 的反射行波波幅。 源向衰减器一负载组合传输的净功率为【6 l ： 日= 舡i r l l 2 ) 丝z o , 黜 c z 4 ， 当f ，= o 时，可得到源传输给无反射匹配负载的净功率晶： b = 引m ：些 ( 2 - 5 ) 以上各式中f ，与衰减器的等效网络的s 参量和真正负载的反射系数f ，的关系是【4 】： r ：s ，+ 琪：l 兰坚兰盐二墅! 叠i 必 (2-6) 1” l 一& ，r ，1 一s 。r ， 而源通过二端口网络传输给反射系数为r 工实际负载的净功率为： 即得 ( 2 7 ) 在f 。= f 。= 0 的特殊情z 1 0 网络插入后由源传输给无反射负载的净功率最。 耻譬恻2 啮孕l 0 2 慨1 2 厶0 2 ( 2 8 ) 在实际测量中，通常使用由s 参量表示的衰减定义式，只要将式( 2 8 ) 代入式( 2 1 ) 删巨上i s 2 , 1 2 当网络两端传输线型式相同，且传输模式也相同时，有7 o l = 7 - 0 2 ，则有 拈川g 击 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 4 4 基于矩形波导的微波大功率衰减器【7 l 【8 l 矩形波导在微波领域得到广泛的研究和应用，并已制成了系列标准矩形波导产品。矩 形波导表面是平面，有利于在表面上装配其它附件，附件的形状也可以是规则的平面，易 于加工。又由于我们选用的微波功率源的工作频率为2 4 5 0 m h z ，所以选用了型号为b j 一2 2 1 2 高 第二章矩形波导微波化学反应系统 ( 1 0 9 2 m m 5 4 6 r a m ) 的标准矩形波导制作衰减器。对于矩形波导的主模t e l o 传输，在矩 形波导宽边中心线处( 工= a 1 2 ) ，顶面轴向电流j 。：有最大值，顶面横向电流j 。，为零，在 宽边中心线两边开一很窄的窄槽对波导中的场分布影响较小。这样可以把衰减器做成薄片 状，通过窄槽垂直放入波导中，因此这种衰减器也可以称之为衰减片。衰减片的材料选 用的是不吸收微波能量的聚四氟乙烯材料。这是由于聚四氟乙烯容易购得，价格适中，且 容易在普通车床上加工，在微波频段常常使用聚四氟乙烯辅助制作各种微波部件。 基于以上原理设计出的衰减器整个的剖面图如图2 7 所示，实物照片如图2 8 所示。 图2 7 衰减装置剖面图 东南大学硕士学位论文 图2 8 衰减装置实物照片 2 4 5 大功率微波衰减器的衰减特性和衰减量 该衰减器的衰减特性曲线的测量结果如图2 - 9 所示。 o1 02 0柏6 0 深入长度( m m ) 图2 - 9 刀形衰减器衰减特性 从衰减特性曲线看出，刀形衰减器的衰减曲线是近似线性的，深入长度小于1 5 r a m 时 曲线的斜率较小，衰减量增长较慢，在2 0 m m 3 0 m m 处增长最快，3 0 m m 以后的增长较快。 结合衰减片的结构来看，在深入小于1 5 r a m 时，进入波导的大部分是衰减片的边缘，即聚 四氟乙烯，而只有较少量的水填充在衰减器内，所以其衰减量增长很慢。在2 0 m m 以后衰 8 6 4 2 o 一口一删憾僻 第= 章矩形波导微波化学反应系统 减量增长较快，说明水在衰减中起的作用很关键。此衰减片的最大衰减量为8 2 3 d b 。从两 条曲线近似重合可以看出，从两个不同量级的定向耦合器( 定向耦合器1 的衰减系数为1 0 3 量级，定向耦合器2 的衰减系数为l o - 4 量级) 采样的微波信号，送到不同的量程功率计的 测量功率的方法对测量衰减的精度没有影响。所以当被测功率范围超出其中一个功率计量 程，用另一个单独测量是可行的，其测量结果是可信的。根据具体的微波功率需求，可以 在微波传输系统中接入一个或多个衰减器。 2 5 定向耦合器 4 1 在微波技术中，为了某种需求，要耦合一小部分能量，如要监测发射机的输出功率， 显然不能把功率全部送到功率计上，要完成这一任务就要采用定向耦合器。所谓定向耦合 器就是一种有方向性的耦合功率( 或分支功率) 的微波器件。 图2 1 0 给出了定向耦合器的示意图，它是四端口元件，由1 2 和3 4 两小段传输线 构成，1 2 为主线，3 4 为副线( 或称辅助线) ，主、副线之间通过耦合元( 如小孔、缝 隙等) 把主线的能量定向地耦合到副线的端口3 而端口4 无输出，从而实现单方向耦合。 端口3 称为耦合口，端口4 称为隔离口。 3 1 主波导 图2 1 0 定向耦合器示意图 定向耦合器的主要技术指标有以下几个方面： 1 、耦合度k c 耦合度又称过度衰减，其定义为主线中端口l 的输入功率p l 与副线中耦合口3 的输出 功率p 3 之比。通常用分贝数表示，即 k = 1 0 l g 旦 ( 2 1 1 ) 见 耦合度的大小取决于耦合机构，一般3 d b 耦合属于强耦合，2 0 3 0 d b 属于弱耦合，两者之 间为中等耦合。 东南大学硕士学位论文 2 、方向性系数k d 在理想的情况下，副线中耦合口输出时，隔离口应无输出。但实际上由于设计公式的 近似性或工艺制造上的原因，常有一些输出，难以达到理想隔离。因此方向性系数定义为 副线中耦台口p 3 与隔离口输出功率p 4 之比的分贝数，即 ：l o i g 旦 p ( 2 一1 2 ) 3 、隔离度k l 隔离度k l 的定义为主线的输入功率p l 与副线隔离口的输出功率p 4 之比的分贝数。k l 可由耦合度及方向性系数求出，即 如= 1 0 1 9 且= 憨+ 髟 ( 2 1 3 ) p 4 此外，还有其他些指标，如主、副线各端口的驻波比、工作带宽和主线的插入损耗 等指标。 2 6 本章小结 本章首先介绍了矩形波导微波化学反应系统的部分组成单元，然后针对系统中的具 体元器件分别进行了阐述。具体有以下几个部分：i 、环行器的结构和工作原理及其主要 技术指标；2 、大功率微波衰减器的参量定义以及系统中使用的衰减器的技术指标；3 、匹 配负载的构成和作用；4 、定向耦合器的构成、工作原理和主要技术指标。以上几个部分 的介绍，进一步明确了矩形波导微波化学反应系统的工作原理和衡量指标，有利