（物理电子学专业论文）微波化学装置中相关技术的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 微波化学是将微波技术应用到化学领域所形成的一门新兴学科。微波化学方 法与常规化学方法相比，具有可以加快反应速度，可以诱导某些化学反应，且具 有清洁卫生、无污染等优点。近年来微波界、化学界都对微波化学给予高度重视。 本论文研究了微波化学装置中采用的几种相关技术，目的是为了提供圆形槽波导 谐振腔型微波化学反应体系所必需的装置和实验中必需明确的技术特性参数。本 论文在深入课题项目实验研究的基础上，分别研究了高功率微波可变衰减器、介 电参数的测量方法、流速和压强调节装置、等离子体激发装置。 微波炉用的磁控管能满足实验室内一般微波化学的实验要求，但是这种管子 输出功率的调节比较粗糙，不符合微波催化反应的要求，需要有一种能工作在几 千瓦级功率电平上的连续可调的高功率微波可变衰减器，这样就可以得到输出功 率连续可调的微波功率源。本论文首先给出了衰减量的定义，分析了衰减器的工 作原理，并给出了高功率微波可变衰减器的具体设计制作过程，绘出了其特性测 量曲线。 为了促进甲烷转化为乙烯的化学反应，要用到各种各样的催化剂。为了探索 在一定条件下究竟哪一种催化剂能够更加有效地促进反应的进行，测量不同种类 催化剂的介电常数，进而算出损耗角是必要的。本论文分别给出了固态和等离子 体态物质介电常数的测量方法，并实际测量了几种固态粉末状催化剂的介电常数 和损耗角。 在微波催化甲烷转化乙烯的研究过程中发现，为了得出影响甲烷转化率和乙 烯收率的因素，需要一种装置能够调节气体的流速与压强，并且能够测量流速与 压强的值。这样一来就可以分别得出流速和压强两个因素对产物的影响关系曲线， 找出反应的最佳条件，提高甲烷转化率和乙烯收率。本论文讨论了真空状态下气 体的流动以及测量气体压强的简易装置的实现方法。 微波等离子体法实现甲烷转化为乙烯的过程中必须经历等离子态。本课题研 究了在一个大气压条件下，不同臂长和不同开1 ：3 宽度的u 形激励探针对激励由甲 烷和氢气组成的混合气体产生等离子体的直接影响作用。 本论文的工作促进了采用圆形槽波导谐振腔型微波化学反应体系，实现甲烷 制乙烯的研究。 关键词：微波化学；圆形槽波导： 高功率微波可变衰减器： 介电常数； 流速；压强；等离子体 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h er e l a t i v et e c h n o l o g i e si nm i c r o w a v e - c h e m l s t r ye q u i p m e n t a b s t r a c t m i c r o w a v ec h e m i s t r yi san e wk n o w l e d g et h a ta p p l i e sm i c r o w a v et e c h n o l o g yt o c h e m i s t r y i nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a lc h e m i c a lm e t h o d ，t h em i c r o w a v ec h e m i s t r yc a l l a c c e l e r a t et h ev e l o c i t yo ft h er e a c t i o n , a c t i v a t es o m ec h e m i c a lr e a c t i o n s i ti sa l s oc l e a n a n dw i t h o u tp o l l u t i o nt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，b o t hm i c r o w a v ea n dc h e m i s t r yf i e l d p a yh i g ha t t e n t i o nt ot h i sn e wt e c h n o l o g y b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rm a k e s r c s p e c t i v e l yr e s e a r c ho nt h eh i g hp o w e rm i c r o w a v ev a r i a b l ea t t e n u a t o r , t h em e a s u r e m e t h o d so f p e r m i a i v i t yo f d i f f e r e mm a t t e r s ，t h ea d j u s t m e n to f t h ev e l o c i t ya n di n t e n s i t y o f p r e s s u r eo f g a sa n de x c i t e ro f p l a s m a t h em a g n e t r o ni nt h em i c r o w a v eo v e nc a ns a r i s 句t h eo r d i n a r yr e q u i r e m e n t so f m i c r o w a v ec h e m i s t r ye x p e r i m e n t s b u tt h eo u t p u tp o w e ro ft h i st y p eo ft u b ec a n n o t a d j u s tc o n t i n u o u s l ya n dc a n n o ts a t i s 母m i c r o w a v ea c t i v a t i n gc h e m i c a lr e a c t i o n i t r e q u i r e sak i n do fh i 曲p o w e rm i c r o w a v ev a r i a b l ea t t e n u a t o rt h a tc a l lb ea d j u s t e d c o n t i n u o u s l ya tt h el e v e lo fs e v e r a lk i l o w a t t s t h u s w ec a ng e tak i i l do fp o w e rs o u r c e t h a tc a na d j u s ti t so u t p u tp o w e rc o n t i n u o u s l y 啦sp a p e rf i r s ta n a l y s e si t sw o r kp r i n c i p l e g i v e si t sd e s i g np r o c e d u r ea n dd r a w si t se x p e r i m e n t a lc u r v e i no r d e rt oa c c e l e r a t et h er e a c t i o no fc i - hi n t oc 2 h 4 ，i tn e e d st ou s ed i f f e r e n ts o n s o fc a t a l y s t i ti sn e c e s s a r yt om e a s u r ep e r m i 砸v i t yo fd i f f e r e n tm a t t e r sa n dc a l c u l a t ei t s 1 0 s st a n g e n ta n g l et os e e ka f t e rw h i c hc a t a l y s tc a na c c e l e r a t et h es p e e do fr e a c t i o n ，t i l i s p a p e rt a l k st h em e a s u r em e t h o d so fp e r m i t t i v i t yo fs o l i da n dp l a s m aa n dg i v e st h e r e s u l t so f s e v e r a l1 4 n d so f s o l i dp o w e rc a t a l y s t i nt h ep r o c e s so fm a k i n gr e s e a r c ho fc h a n g i n gc 1 4i n t oc 2 h 4c a t a l y z e db y m i c r o w a v e ，w ef i n dt h a ti tn e e dak i n do fe q u i p m e n tt h a tc a na d j u s tg a sv e l o c i t ya n d i n t e n s i t yo fp r e s s u r er e s p e c t i v e l yi no r d e rt of i n do u tt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e c o n v e r s i o na n dy i e l dr a t e t h e nw ec a l ld r a wt h ec u r v eo f t h eg a sv e l o c i t ya n di n t e n s i t y o fp r e s s u r er e s p e c t i v e l y b yt h i sm e a n s 。w ec a nf i n d0 n tt h eb e s tc o n d i t i o nt h a tc a n i n c r c a s et h ec o n v e r s i o na n dy i e l dr a t e sp a p e rt a l k st h ef l o wo fg a so nc o n d i t i o no f v a c u u ma n dt h em e t h o do f i m p l e m e n l a t i o no f s i m p l ee q u i p m e n t i tm u s te x p e r i e n c ep l a s m as t a t ew h e nc h 4i sc o n v e n e di n t oc 2 h 4 a ne x c i t e rw a s a d o p t e du n d e ro n ea t m o s p h e r i cp r e s s u r e 砸sp a p e rt a l k e dt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u s s i z e sa n ds h a p e so f e x c i t e ro nm i c r o w a v ed i s c h a r g e t h ew o r ko ft h i sp a p e ra c c e l e r a t e st h er e s e a r c ho fc h a n g i n gc h 4i n t oc 2 h 4i n c i r c u l a rg r o o v eg u i d em i c r o w a v ec h e m i s t r yr c a c t o l k e yw o r d s ：m i c r o w a v ec h e m i s t r y ；p l a s m a ；h i g hp o w e rm i c r o w a v ev a r i a b l e a t t e n u a t o r ；c i r c u l a rg r o o v eg u i d e ；p e r m i t t i v i t y 3 东南大学硕士学位论文 第一章前言 1 1课题背景和微波化学方法 一，研究背景1 1 i 乙烯和乙炔是重要的化工原料，其主要来源是石油，而由于长期对石油的过 度开采，地球上石油储量已日趋贫乏与此相反，作为三大支柱能源之一的天然 气却有着十分丰富的资源，而且探明储量还在不断增长，按现在的开采速度可供 2 0 0 年以上。我国的天然气资源非常丰富，约占世界天然气资源的1 0 ，发展天然 气化工前景十分光明。目前天然气作为化工原料，主要限于合成氨、甲醇等，用 量仅占天然气消耗的5 7 ，国际上对天然气转化的兴趣日益浓厚，一直在积极 探索甲烷转化为乙烯的理想途径。 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，能耗大。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。而在电磁波谱中频率处于3 0 0 删z 3 0 0 g h z 之 间的微波，有一个重要的特性就是微波对物体的加热是“体加热”。，即在物体的不 同深度加热”1 ，这样的加热方式大大地提高了加热速度。把微波这一重要特性应用 到化学中，开辟了微波化学这一新领域。1 。 二、微波化学” 微波化学是研究在化学中应用微波的- r 新兴的前沿交叉学科。在二战期间， 微波技术随着雷达技术的发展而发展起来的，六十年代用于需要温度突变的实验 七十年代首次用于化学反应。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，物质结构理论等理论和各种化学原理，利用现代微波技术来研究 微波场作用下的物质和化学行为的- i 3 学科。 东南大学硕士学位论文 微波场可以用来直接作用于该体系从而改变或促进各类化学反应是通常意义 上的微波化学，微波对凝聚态物质的化学作用主要属于这一类。微波场也可以先 用来诱导产生等离子体，由于微波的量子能与气体转动能级的能量差在一个数量 级上( 2 x 1 0 。2 2 j ) ，因而某些特定频率的微波可以被某些特定气体吸收；对于常用的 9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 的微波功率，在微波诱导下，气体先转变成等离子体( 等离子 体是物质的第四态，它是由带负电的粒子如电子、带正电的粒子如离子和中性粒 子如原子等组成。其总体保持电中性，通常说的等离子体是部分或者完全电离的 气体) ，进而在各种化学反应中加以利用，微波对气态物质的化学作用属于这种情 况。 微波化学的方法可分为连续波辐射法、高功率脉冲法和微波等离子体法”1 。 其中微波等离子体法与传统方法相比较，有明显的优势：1 、激励源是放在反应管 外面，并能做到使激励电场沿反应管的轴向分布，从而可以维持较长的等离子体， 是一种无极放电：2 、反应管的大小在一定范围内可以随意调整，材质使用一般的 石英玻璃即可，由于激励源与介质无接触，磨损较少，能量利用率高；3 、等离子 体稳定、安静、无噪声污染。而且与激光器相比微波源造价较低，因此微波等离 子体法是一个很有优势的发展方向。我们在承担江苏省“十五”科技攻关项目天 然气制乙烯的研究过程中，采用的就是微波等离子体法。 三、微波诱导催化反应 微波诱导催化反应的一般原理是：微波首先作用于催化剂或其载体使其迅速升 温而产生活性点位，当反应物与其接触时就可被诱导发生催化反应。g b o n d n 等 在研究微波催化甲烷制乙烯和乙炔的反应时发现，由于催化剂的不均匀性和受微 波照射时催化剂床层中各处的电场强度也不完全相同，因此电场最强处在微波照 射过程中会发生变化，所以热点位置也不固定，而是在催化剂床层中随机的发生。 甲烷偶联反应则就是在这些热点位置上发生的。由于微波加热具有速度快的特点， 这些热点温度往往要比催化剂床层的平均温度高出许多，这就是为什么相同产率 的情况下，微波诱导催化甲烷偶联反应的催化剂床层温度可以比传统法低4 0 0 k 的 原因。 东南大学硕士学位论文 1 2本文的主要内容 由于圆形槽波导6 1 具有功率容量高，频带宽，尺寸大，损耗小等优点，有利于等 离子体的产生，促进化学反应，并且可以提高电能的利用率。课题项耳研究组采 用了圆形槽波导谐振腔型微波化学反应器。但为了节约成本、方便研究，我们首 先在矩形波导谐振腔型反应器中进行了小样实验的研究，以初步探索微波等离子 体法实现甲烷转化为乙烯的反应条件。矩形波导谐振腔型反应体系的具体组成框 图如下图所示： 匹配 匹配 负载负载 翻1 - 1 矩形波导谐振腔型微波化学反应体系组成框图 整个反应体系由多个装莺组成，本课题在深入课题项目实验研究的基础上，分 别研究了高功率微波可变衰减器、介电参数的测量方法、流速和压强调节装置、 等离子体激发装置： l 、高功率微波可变衰减器 微波炉用的磁控管微波频率为2 4 5 0 m h ：，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，那就可以得到输出功率连续可调的微波功率源。 东南大学硕士学位论文 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。舞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 、介电常数测量方法的研究 ( 1 ) 固态催化剂的介电常数的测量 为了促进甲烷转化为乙烯的化学反应，要用到各种各样的催化剂。为了探索在 一定条件下究竞哪一种催化剂能够更加有效地促进反应的进行，测量不同种类催化 剂的介电常数，进而算出损耗角是必要的。微波介质参数( 指复介电常数) 的测量 方法，有传输线法、谐振腔法和准光法。根据实验室实际条件，本课题采用了与介 质样品位置无关的同轴线介质参数测量法，因为在同轴线测量系统中，准确确定样 品位置较为困难。介质参数是通过测得的散射参数求得的。测散射参数实际上就是 测量含有介质样品同轴线两个端口之间的网络参数； ( 2 ) 等离子体态反应气体的介电常数测量 直接法测量等离子体的介电常数较困难，本论文讨论了冷等离子体态物质介电 常数的理论计算和测量方法。 3 、流速和压强调节装置 在微波催化甲烷转化乙烯的研究过程中发现，为了得出影响甲烷转化率和乙烯 收率的因素，需要一种装置能够调节气体的流速与压强，并且能够测量流速与压 强的值。这样一来就可以分别得出流速和压强两个因素对产物的影响关系曲线， 找出反应的最佳条件，提高甲烷转化率和乙烯收率。 4 东南大学硕士学位论文 法。 本课题讨论了真空状态下气体的流动以及测量气体压强的简易装置的实现方 4 、等离子体激发装置 微波等离子体法实现甲烷转化为乙烯的过程中必须经历等离子态，微波激励 的等离子体的温度较高，太高的温度容易使由石英制成的反应管变形。在实验中 发现，激励的等离子体的温度分布是不均匀的，呈现出激发处温度较高。若激发 处位于反应管侧壁处，就容易使反应管变形。采用合理的激发装置可实现诱导等 离子体起振并聚集在反应管的中央，聚集的等离子体边缘的温度较低，对反应管 的影响较小。本课题研究了在一个大气压条件下，不同臂长和不同开口宽度的u 形激励探针对激励由甲烷和氢气组成的混合气体产生等离子体的直接影响作用。 东南大学硕士学位论文 第二章高功率微波可变衰减器 2 1衰减量的定义 6 1 一、衰减和插入损耗的定义 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k 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p o ，插入衰减网络后在同一负载上得到的功率p l 0 ，则以分贝表 示的网络衰减值a 为 肚s 老 协， 如此定义的衰减系统如图所示 ( a ) 衰减网络插入前 k 2 0 l 2 0 爿鼍 ( b ) 衰减网络插入后 图2 1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，如图所示： ( a ) 衰减网络插入前 r g 0f l 0 剖乓 ( b ) 衰减网络插入后 图2 2定义插入损耗的系统 6 东南大学硕士学位论文 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，i ，0 ， k 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 i 为： l 1 = 1 0 1 9 每 c z 彩 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r g = r ：- - - - 0 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r g = r ，- - o 这个基本条件，其衰减值就不会因系 统的不同而有所交化：( 2 ) 同一网络插入到具有不同的r 。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”，广泛地采用“衰减” 的定义，而较少使用“插入损耗”的定义，以保证量值传递的唯一性；( 4 ) 一个 网络的衰减值恒为j 下数，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。 二、二端口网络的散射参量 在微波网络分析中，最常采用的端面变量是网络每个端口的输入电场行波波 幅a 和输出电场行波波幅b 。如图所示，对一个二端口网络而言，不管网络内部的 情况如何，研究参考面1 和参考面2 上的a 和b 之间的关系，就可以从外部掌握 该网络的性质。 2 图2 3二端口网络 将a 和b 联系起来的网络参量，称之为散射参量，简称s 参量，它们之间的 关系为： b l = s l l a l + s 1 2 a 2 ( 2 - 3 ) b 2 = s 2 1 a l + $ 2 2 f 1 2 东南大学硕士学位论文 上式中各量均为复数，其物理意义是：由端口面l 输入一个波幅为a i 的入射 波，由端口面2 输入一个波幅为a 2 的入射波，则在端口面l 上有一波幅为b l 的出 射波，在端1 2 面2 上有一波幅为b 2 的出射波输出。b i 、b 2 和a l 、a 2 之阃的关系由 散射参数s l l 、s 1 2 、s 2 l 和s 2 2 相联系。若令a 2 = 0 ，可以得到： sil=垒(2-4) q s 2 l = 蔓 ( 2 5 ) 4 i 令a 1 = o ，可以得到： s 1 2 = 且 ( 2 6 ) 口2 s 2 2 = 垒 ( 2 7 ) 吒 实际上根据反射系数与传输系数的定义，s l l 和s 2 2 分别是当端口2 与端口l 匹配( 无反射) 时，输入端口1 与输出端口2 的反射系数；s 1 2 和s 2 i 则是在同样 匹配条件下端口t 至端口2 和端口2 至端口1 的传输系数。 当二端口网络可互易的时候，两端口传输线的特性阻抗z o i = 7 0 2 ，有： s 1 2 = s 2 1 ( 2 - 8 ) 当二端口网络是对称的时候，有： s 1 1 2 $ 2 2 当二端口网络是无耗的时候，有： = 刚= s 1 8 2 1 | - 叫= 1 一s 2 馈2 + 仍l = 魄l + 仍2 ( 2 h 1 ) 万 式中是对应s m ( p 或q 2 l ，2 ) 的相角，n 为整数。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 三、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 3 所示。 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 o l 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 4 所示。 东南大学硕士学位论文 p 1 由- 图2 4由源一衰减器一负载组成的微波传输系统 d i = _ 詈= _ = 6 g + b , p o ( 2 1 1 ) l 一岛岛 。 式中为源向无反射匹配负载输出的行波波幅；岛为源的反射系数；岛是端面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 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： 弓= 黔= 簪辫 协 当n2 0 时，可得到源传输给无反射匹配负载的净功率最： 只硎删：学 ( 2 - 1 3 ) 以上各式中岛与衰减器的等效网络的s 参量和真正负载的反射系数尻的关系 是： 嘲。+ 嵩= 丛学 池川 而源通过二端口网络传输给反射系数为见实际负载的净功率为： 最= 譬蕊( 1 - s ，p 堕。) o - s 协，s ， z m 1 ：见) 一墨：是，见忽1 2 。一 在见= 岛= 0 的特殊情况下得到网络插入后由源传输绐无反射负载的净功率 9 东南大学硕士学位论文 耻些w 蹄争i s 2 。l ： - 0 2l 0 2 在实际测量中，通常使用由s 参量表示的衰减定义式， 式( 2 1 ) ，即得； 捌魄陪上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， 肚川g 击 ( 2 1 6 ) 只要将式( 2 1 6 ) 代入 ( 2 1 7 ) 有z o l = z 0 2 ，则有： ( 2 1 8 ) 东南大学硕士学位论文 2 2 衰减器的工作原理和设计制作 一、矩形波导中的场分布 人们对于矩形波导的研究由来己久，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 , , 所以选用了型 号为b j - 2 2 ( 1 0 9 2 m 5 4 6 m m ) 的标准矩形波导制作衰减器。 在建立矩形波导如图2 所示的直角坐标系后，可以得到在传输主模t e l 0 波时， 波导中场分量公式如下”“”： e y = - _ ，玎9 2 a 风s i n 等 以碱万a h 。s m 三a x万 h z = h o c o s x e l = e = h ，= 0 其中 压只叩= 雁 z 图2 - 5 矩形波导 从上式可看出，电场e 在x = o ，x = 口处为零，在x = 口，2 处有最大值。设以成代 表表面电荷密度，则在矩形波导的顶面上岛= + e e y ，底面上风；一e e y ：在两侧面 因电场为零，所以只= 0 。表面线电流密度正与切向磁场日的关系为以= n x h ， 则可求得矩形波导的表面电流分布为。1 ： 顶面轴向电流j 缸= + 皿= + 舅0 s i n 至) ： 底面轴向电流t ：= 啦= 一乜幽三x 赋向蜕k = - h z = - c o c o s - - 2 艽 底面横向电流 瓦：啦= 啦c o s ! 工 左1 9 1 i 面横向电流 j 轴= 一只l ，：o = - 1 - 1 0 右侧面横向电流 j s y - - - + 皿i = 也 式中 = 成兰玩 东南大学硕士学位论文 二、衰减器的设计刚姗 从前式可看出，在矩形波导宽边中心线处( x = a 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。在设计衰减片之前，必须先确立一个原则，就是 制成后的衰减片放入波导中时要做到对波导中场分布的影响要尽可能的小。为此， 需将衰减片做成扇形，且把衰减片的周边做成尖角形，让入射波在通过衰减片时 有一“渐进”的过程，对微波的反射最小。 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。 为了能够在较大范围内调节入射到等离子体中的能量，这就要求衰减器要有 较大的衰减量。我们又在聚四氟乙烯片中闯将薄片掏出扇形槽，再用一平面条形 铝质金属矩形片将扇形槽顶面密封，这样就形成了扇形的腔体，将腔体中灌满水， 以利用水对微波功率的良好吸收特性，提高衰减量。条形铝质金属矩形片两端预 先装有接口，一端接进水管，一端接出水管，水在扇形槽中流动，及时将吸收的 能量带走，从而可以做到吸收更多的入射功率。这样制成后的衰减片，我们可称 之为水负载衰减片。另外，t e i o 模的电场e ，沿宽边的分布特性是中间强，两边弱， 衰减片放在波导中间，衰减量最大。这样，调节后入射到等离子体中的功率最小 值可以达到很小，调节范围增大。为了做到功率连续可调，衰减片必须能够上下 均匀移动。我们在波导窄槽两边沿纵向( z 向) 竖起两块立板。在立板两端，用固 定块将立板固定住。波导顶面的固定块和底面相应位置的固定块用连接杆紧固在 波导上。这样立板就紧固在了波导上。立板顶面放一“凸”形上盖板，凸台位于 上盖板正中。将凸台朝下放入立板中间，凸台中心有螺纹孔，螺杆在其中可螺旋 上升或下降，螺杆带动传动板，传动板带动衰减片。这样，旋转螺杆就可使衰减 片沿y 方向上下移动。当衰减片移动至波导底面时，衰减量最大；完全移出波导 时衰减量为零。为了防止水在衰减片中流动时，衰减片抖动，我们还在立板中间 丌有凹稽，让衰减片沿槽上下移动。 为了使水在衰减片内通畅地流动，使衰减器能达到一定的衰减值，由石英玻 1 2 东南大学硕士学位论文 璃吹制或聚四氟乙烯热压制成的衰减片必须有一定的厚度，这就要求矩形波导宽 面中央开的槽比较宽。中央开槽较宽的矩形波导会导致大量漏能逸出，对周围环 境造成辐射，严重的话还会对人体造成伤害，导致制成的衰减器无法使用。我们 利用槽波导的概念解决此问题 三、矩形槽波导的场模式哥1 1 】 矩形槽波导是一类新型的传输线，它具有低损耗、低色散、大尺寸、高功率 容量等特点。矩形槽波导可以理解成矩形波导宽面中间的部分金属去掉，在槽缝 的两边装上两块平行金属平板演变而来。 由m a x w e l l 方程组可以推导出如下的矢量波动方程 v ( a l v 旷1 一k ； b f = o ( 2 1 9 ) 式中岛= 国0 石i 是自由空间波数，当矿= 莉， a 】= ；，p 】= 应 当矿= 尉， a 卜五， b 】= 吾。手为相对介电常数，盂为相对磁导率，它们都是张量。 式( 2 1 9 ) 所对应的变分公式为： f ( 旷) 2 ( v 旷) 【“】( v 矿) 一矿b ( z 哪) 其中s 为波导横截面，+ 指共轭转置。 计算式( 2 - - 2 0 ) 的积分，得到如下的矩阵特征值方程 笳翁岔之煳h 爰珧1 ( 2 - - 2 1 )lp 硝+ 鸳疋j i h 】j ”ol 岛兄八n 在式( 2 2 1 ) 中，若给定一个角频率，可以求出相移常数b ；若令b = o ， 9 1 1 j 可求出波导各个模式的截止波数。 用有限元法分析矩形波导，将计算结果与已知结果进行比较。图2 6 给出了用 有限元法得到的矩形波导的几个模式的模式图与截止波长 。计算时横截面尺寸 取为7 2 c m x 3 4 c m 。在模式图中，场矢量( a k e 一 或 a k 一 ) 的箭头代表场方 向，长度与相应点的场强度成比例。矩形槽波导的模式图如下图所示。 东南大学硕士学位论文 热薹 释译- 7同f ( a ) 删：模的电场，( b ) z 硪模的电场，( c ) 璃：模的电场， ( d ) n ：模的磁场，( d ) 删：模的磁场。 图2 - 6矩形槽波导的模式图 四、衰减器的剖面图和实物图 我们现在设计的结构正是在矩形波导宽边中央开了宽的槽缝，在槽缝的两边 加上两块金属平行平板，这就构成了类似于矩形槽波导的结构。根据矩形槽波导 的电磁场分析结果指出主模电场沿平行平板方向呈衰减分布【。平行平板的高度 越高由波导经过平行平板辐射出去的电磁能量就越小；另外，辐射出去的能量还 与平行平板高度与槽宽之比有关，如果这个比值越大，则辐射出去的电磁能量也 越，j 、。再有，对于槽波导，如果平行平板高度大于波长，平行平板的端口若用金 属平板封闭对槽波导性能的影响不大【l3 1 。对于我们所讨论的课题，在金属平行平 板中自j 插入装有水的吸收片。从端口封闭金属板反射回来的能量大部分被吸收片 中的水吸收，对主波导中传播的主模影响较少1 4 1 5 j 。 立板两侧用薄铝板密封住，防止了微波泄漏。为了便于定量分析，我们还在 传动板上安装了立柱，立柱随传动板与衰减片一起移动，位移相同。在立柱上刻 有刻度，立柱就成了标尺，我们可以通过其上的读数，准确地记录数据，有助于 对数据的统计分析。 在封闭的金属平板上尚有进水，出水管以及标尺等圆孔。若不给以必要的处 1 4 东南大学硕士学位论文 理，还是有较多的漏能从这些孔中泄漏出来，若采用足够长度的小直径的金属圆 管安装在这些圆孔上作为截止波导【1 6 】，可满意地解决这类困难 整个装置的剖面图如图2 - 7 所示，实物照片如图2 8 所示。 图2 - 7衰减装置剖面图 翟2 8 衰减装置实物照片 高功率微波可变衰减器的加工图纸见附录。 东南大学硕士学位论文 2 3衰减特性的实验测量 一、衰减量的测量【1 7 】 1 、衰减特性的实验测量系统如图所示： 匹配 匹配 负载负载 图2 - 9 衰减特性的实验测量系统 微波源采用的是市场上可直接购得的家用微波炉的磁控管，频率为2 4 5 0 m h z ， 功率为8 0 0 w 。用磁控管激励矩形波导，作为微波源。磁控管的基本结构是若干个 同样的谐振腔围绕着圆柱形阴极排列成的圆柱形图样。用一块永久磁铁来产生垂 直于横截面的强磁场。 环形器的作用是让从微波源发出的微波沿着一个方向传播，环形器将反射回 来的能量直接导入第三臂，并由此波导中的水负载直接吸收。 定向耦合是将大的微波功率耦合一部分到中功率计进行测量。实验中，为了 确证采用的定向耦合器的衰减系数，我们采用了两个定向耦合器同时测量经衰减 器衰减之后的微波功率。定向耦合器l 的衰减系数为1 0 - 3 量级，定向耦合器2 的衰 减系数为1 0 。4 量级。 水负载的作用是将微波源发射过来的能量全部由其中的循环水吸收并带走。 1 6 东南大学硕士学位论文 2 、衰减量的测量结果 衰减器的衰减量的测量结果如下： 表1刀形衰减器衰减测量数据 深入长 p l p 2 p 1 衰减量p 2 衰减量 度( m m ) ( w )( 、) 最最 ( d b )( d b l 03 9 0 4 1 0 4 6 04 8 04 0 04 7 0o0 53 8 03 9 04 5 04 6 03 8 54 5 50 1 6 5 9 9 30 1 4 0 8 6 5 1 03 7 03 8 04 3 04 5 03 7 54 4 00 2 8 0 2 8 70 2 8 6 4 5 2 1 53 4 03 7 04 0 04 4 03 5 54 2 00 5 1 8 3 1 60 4 8 8 4 8 6 2 03 0 03 2 03 5 03 8 03 1 03 6 51 1 0 6 9 8 31 0 9 8 0 5 2 5 2 1 0 2 3 0 2 4 0 2 8 02 2 02 6 0 2 5 9 6 3 7 32 5 7 1 2 4 5 3 0 1 7 02 2 0 2 0 0 2 7 01 9 52 3 53 1 2 0 2 5 43 0 1 0 3 3 51 6 01 7 01 9 0 2 0 0 1 6 5 1 9 5 3 8 4 5 7 63 8 2 0 6 3 2 4 01 4 01 4 01 6 01 6 01 4 01 6 04 5 5 9 3 24 6 7 9 7 7 9 4 51 1 01 2 01 3 01 4 01 1 51 3 55 4 1 3 6 2 25 4 1 7 6 4 1 5 09 0 9 0 1 1 0i 0 09 01 0 56 4 7 8 1 7 56 5 0 9 0 8 6 5 56 0 6 0 8 06 06 07 08 2 3 9 0 8 78 2 6 9 9 9 8 p i 为定向耦合器1 上两次读数测得的耦合值，耳为两次读数的平均值，p 2 为 定向耦合器2 上两次读数测得的稻合值，瓦为两次读数的平均值。 对表1 的数据进行处理，绘出的衰减特性曲线如图所示。 01 0妁3 0 4 0 深入长度( m m ) 图2 1 0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 m 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 1 7 b 6 4 2 0 1日口一删弩饼 东南大学硕士学位论文 以后的增长较快。结合衰减片的结构来看，在深入小于1 5 i n m 时，进入波导的大 部分是衰减片的边缘，为聚四氟乙烯，而聚四氟乙烯材料吸收微波的能力有限， 所以其衰减量增长很慢。在2 0 t r i m 以后衰减量增长较快，说明水在衰减中起的作 t 用很关键。此衰减片的最大衰减量为8 2 3 d b ，其值晷芝嘉达至实验室的应用要求， 痿窭直达到设计要求。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。 二、衰减器驻波特性的测量 1 、驻波比的测量系统如图2 1 1 所示 图2 - 1 1 驻波比测量电路 测量线采用的是波导测量线。它由探针、调谐腔体、晶体检波器和指示设备 构成。探针通过波导的槽缝伸进波导内，与所在的电场发生耦合，在探针上产生 与该处电场强度成比例的感应电动势，并经过探针的调谐腔体送至晶体检波器， 由晶体检波器把这个感应电动势的能量转换为直流电流。 2 、驻波比测量结果 衰减器驻波比的测量数据如下： 东南大学硕士学位论文 表2刀形衰减器驻波比特性测量 深入长 l2。2乙 驻波比度( m m ) o8 07 97 06 97 9 56 9 51 0 6 9 5 2 6 58 08 07 07 08 07 01 0 6 9 0 4 5 1 07 87 97 07 07 8 57 01 0 5 8 9 7 5 1 57 8 57 97 17 07 8 7 57 0 ，51 0 5 6 8 9 2 2 07 77 77 27 37 77 2 51 0 3 0 5 6 7 2 57 67 77 47 57 6 57 4 51 0 1 3 3 3 4 3 08 48 56 56 58 4 56 51 1 4 0 1 7 5 3 5 8 9 8 86 26 28 8 56 21 1 9 4 7 4 7 4 08 18 16 86 98 16 8 51 0 8 7 4 2 4 58 08 06 96 88 06 8 5 1 0 8 0 6 8 6 5 08 98 86 36 28 8 56 2 51 1 8 9 9 5 8 5 5 9 0 9 06 06 09 06 0 1 2 2 4 7 4 5 根据表2 ，用软件绘出的特性曲线如图所示。 拈 芏 爆” _ _ j 深入长度( ) 图2 1 2 刀形衰减器驻波比曲线 由驻波比曲线可以看出，刀形衰减器的驻波比特性较好，均小于1 2 5 ，对应 的反射能量小于1 5 曲线有较小的波动，随着深入长度的增加，驻波比略有增加。 1 9 东南大学硕士学位论文 第三章不同物质形态介电常数的测量方法 一、介质参数的定义【1 7 】1 1 司 v v x 。e 日= ：- 一署堕- t + 盯置 c s 一- ， 为了简化分析，取电磁场随时间作简谐振动，这样时间因子即为p 一，又由于 否= 疗，西= 占雷，有： f 乳辱2 巾皇2 掣詹( 3 - - 2 ) 、v x 日= j o ) z e + e 式中为复磁导率，f 为介电常数，式( 3 2 ) 已经假定系统是线性系统，这种 分析适用于低功率小信号状况。 把( 3 - - 2 ) 写成： v 。雷：弦f s 一1 1 豆：j c o s 豆 ( 3 3 ) ， 式中s 定义为复介电常数，可写为： f，盯、 占2 i 卜7 石j ( 3 4 ) 口为材料的电导率，当口很大时，可以认为材料为金属，当盯很小时，可以认为 材料为介质材料。 本章内容讨论复介奄常数s 的测试原理和方法，为简化起见，假定= 胁。( 3 - - 4 ) 式可写成： s