專利名稱：一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔的制作方法
技術領域：
一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔
技術背景本實用新型屬于微波能應用技術領域，特別涉及頻率可重構的諧振式微波反應腔。
背景技術：
目前，大功率微波已經(jīng)廣泛應用于加熱、醫(yī)療、干燥、鍍膜、環(huán)保、輔助萃取等場合，獲得較佳效果。為了認知微波能應用和微波化學反應的基本原理，研究人員需要利用微波反應裝置，深入研究不同條件下少量樣品的反應機理，最終指導工業(yè)大規(guī)模應用。隨著研究和應用的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)微波頻率對反應效果非常重要。例如，某一樣品對微波的吸收是與微波頻率相關的，即某一頻率下，能更好的吸收微波能量，提高反應·效率。因此，希望開展不同微波頻率下，微波反應的相關研究，從而準確認知不同物質微波反應的最佳頻率，這就對微波反應裝置提出了新的要求，即工作頻率可重構。目前，小規(guī)模的微波反應裝置已有多種，其通常由三個主要部分構成微波源、微波傳輸系統(tǒng)、微波反應腔。頻率可重構的微波反應裝置對這三部分的要求分別是微波源可輸出寬頻帶的大功率微波，微波傳輸系統(tǒng)可支持寬頻帶微波的傳輸，微波反應腔可在寬頻帶范圍內使用。(參見金欽漢，戴樹珊，黃卡瑪著《微波化學》，第四章第4節(jié)，科學出版社，1999 年。)(I)現(xiàn)有微波反應裝置中普遍采用電真空器件來提供輸出功率，但因其工作帶寬較窄，無法滿足頻率可重構的要求。因此，需要采用信號發(fā)生器結合高增益固態(tài)放大器的方法，在很寬工作頻帶內產(chǎn)生較大的微波輸出功率，當前市場已有現(xiàn)成產(chǎn)品可供采購。(2)當微波傳輸系統(tǒng)傳輸功率低于500W時,可米用同軸傳輸線進行傳輸,相較功率容量更高的波導結構，同軸傳輸線可使用的頻帶范圍極寬。同時，微波反應裝置中所需的輔助器件，如耦合器、環(huán)形器等，也可采用同軸傳輸線來實現(xiàn)帶寬工作。(3)為了在有限輸入功率下，達到相關反應條件，現(xiàn)有的微波反應腔通常采用諧振方式實現(xiàn)，而諧振也意味著僅能工作于某一特定頻率。另一方面，鑒于寬帶微波源僅能產(chǎn)生低于1000W的輸出功率，利用諧振腔的電場放大效應是完成頻率可重構微波反應實驗的關鍵。綜上，現(xiàn)有的諧振式反應腔只能在一個頻率正常工作，無法滿足頻率可重構的要求，只能通過多個不同尺寸的反應腔來覆蓋若干離散的工作頻率，成本高昂，使用不便。因此，需要開發(fā)出新型微波反應腔，具備不同頻率下產(chǎn)生諧振的能力。
發(fā)明內容本實用新型提供一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，可利用同一個反應腔結構來覆蓋寬頻帶微波反應的研究和應用需求，準確認知頻率對微波反應的效果并指導相關工藝。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案是一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，如圖I所示,包括外導體I、內導體2、封閉蓋3、饋電同軸4。外導體I為一圓柱金屬腔體，其底部正中心具有一帶內螺紋底孔11。內導體2為帶外螺紋的圓柱體，內導體2通過自身外螺紋21與外導體I底孔11的內螺紋配合使外導體I和內導體2保持電接觸以及便于調整內導體2進入外導體I中的長度。封閉蓋3通過自身外螺紋與外導體I頂部的內螺紋12配合使外導體I和封閉蓋3保持電接觸。封閉蓋3上連接有手柄31，便于旋動封閉蓋3。饋電同軸4由饋電同軸內導體41、饋電同軸外導體42、以及兩者之間的填充介質43構成；饋電同軸內導體41的末端有一同軸嵌口 411、饋電同軸外導體42末端部分具有接頭螺紋421，同軸嵌口 411和接頭螺紋421便于饋電同軸4與外接輸入端口相連；饋電同軸內導體41的前端為饋電圓盤412或饋電半球413。封閉蓋3中心具有一帶內螺紋的饋電孔32，饋電同軸4通過饋電同軸外導體42前端的外螺紋422與封閉蓋3中心饋電孔32的內螺紋配合使得封閉蓋3和饋電同軸外導體42保持電接觸以及便于調整饋電同軸4進入外導體I中的長度。上述反應腔技術方案中，內導體2頂部面積較大可直接在其上放置反應樣品；也可在內導體頂端固定一個圓桶狀托盤5以放置反應樣品。圓桶狀托盤5固定于內導體2頂 部的方式有一下幾種1)托盤5的底端具有三個固定圓柱51，三個固定圓柱51與內導體2頂部相應的三個內凹圓柱22相互契合(如圖3、4所示)；2)托盤5的底端具有一內凹圓柱52，內凹圓柱52與內導體2頂部契合固定(如圖5所示)；3)。托盤5的底端具有一內凹圓柱52，內凹圓柱52與內導體2頂部通過螺紋契合固定(如圖6所示)。實現(xiàn)微波反應一般需要對樣品施加大功率微波信號，輸出功率IkW以上的電真空類微波源工作頻帶通常很窄，而可寬帶工作的固態(tài)微波源輸出功率相對較低。因此，頻率可重構微波反應裝置需采用寬帶微波源，通過諧振腔的電場放大效應來達到反應需要的微波能量。本實用新型利用TM_圓柱諧振腔原理，當反應腔的長度小于半徑的2. 03倍時，TM_取代TE111模成為諧振主模。此時，其內部電場呈駐波分布，腔體中心軸線附近電場最大，匯聚了絕大部分微波能量，可在較小輸入功率條件下滿足微波反應所需功率條件。在本實用新型中，諧振腔的封閉蓋和諧振腔內導體需同時調節(jié)來改變諧振頻率，使得在各諧振頻率處內導體距封閉蓋具有相同的高度，即各頻率處可放置的反應樣品量一致；封閉蓋旋入最多時對應最高頻率，距腔體底部約為此時諧振頻率波長的十分之一，封閉蓋旋入最少時對應最低頻率，距腔體底部約為此時諧振頻率波長的五分之一，外導體內壁上的封閉螺紋長度應大于這一要求；內導體的調頻螺紋長度由所需覆蓋的頻率范圍確定，內導體進入外導體的最大長度為最低頻率對應波長的七分之一，在最高頻率處內導體不伸入；內導體下半部分調頻螺紋與外導體底部中心孔螺紋配合，可通過該底孔上下移動調節(jié)內導體進入外導體中的高度，配合封閉蓋的相應移動，實現(xiàn)頻率的變化；螺紋為圓頂，避免尖端放電。本實用新型反應腔的內導體半徑、外導體內半徑設計要綜合考慮下述問題(I)反應腔需工作于TM_模式并抑制其他模式，這就要求最低工作頻率所對應的最長腔長應小于外導體的內半徑的2. 03倍，即L/2. 03 ，其中U、a0分別為諧振腔的最長腔長和外導體的內半徑；(2)對于TMoltl模圓柱諧振腔，不存在品質因數(shù)的極大值，品質因數(shù)隨2 /%的增加單調減小，高品質因數(shù)可以使反應腔在輸入功率相同情況下能產(chǎn)生更大的電場，更好地實現(xiàn)微波反應，降低能耗，因此應權衡腔體尺寸與品質因數(shù)；(3) %約為最高工作頻率所對應波長的2. 613分之一，內導體實際是調諧棒，可取值較大，一般不超過O. 9%。本實用新型采用同軸探針饋電以覆蓋較大的頻率范圍。為了進一步擴展工作頻率范圍，可采用多個結構類似的饋電同軸接頭，其內導體較外導體的長度不同，在覆蓋不同頻帶時需更換使用；饋電同軸外導體的饋電螺紋與封閉蓋饋電孔螺紋配合，可改變饋電同軸整體進入諧振腔的長度，從而實現(xiàn)頻帶內不同頻率點的匹配。大功率微波源輸出的微波功率通過同軸電纜輸入諧振腔，饋電同軸內導體末端的同軸嵌口、外導體末端部分的接頭螺紋一并構成相應配套結構，便于和外接輸入端口相連。根據(jù)外接輸入端口型號的不同，可調節(jié)饋電同軸內、外導體尺寸和結構。本實用新型可采用或不采用托盤。若采用托盤用來放置反應樣品，微波反應腔的托盤應該盡量小的吸收或不吸收微波，故選用低損耗材料。石英對微波幾乎不吸收，對微波的損耗也非常小，所以選用石英作為該微波反應中托盤的材料?？紤]到本諧振腔中電場的分布特性，設計的托盤形狀應為圓盤、圓桶等類似形狀，以提高微波反應效率和微波利用率。本實用新型具有以下優(yōu)點I、相較頻率固定的諧振式微波反應腔，本實用新型的反應腔能實現(xiàn)較寬范圍內頻率可重構工作，其頻率調整方式連續(xù)，無盲區(qū)，無需多個不同工作頻率的反應腔。2、在頻率重構過程中，本實用新型的反應腔每次能在唯一頻率下實現(xiàn)諧振，故此可準確判斷微波反應的最優(yōu)頻率。3、在頻率重構過程中，本實用新型諧振腔的電場分布保持不變，始終集中在腔體中心軸線圓柱形區(qū)域內，并且在此區(qū)域內分布較均勻，能夠為反應樣品提供均勻的微波輻照。4、本實用新型的反應腔全封閉，避免了微波泄漏可能引起的對操作人員身體健康的影響，以及微波泄漏造成的環(huán)境污染等。

圖I是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔結構示意圖。圖2是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔中饋電同軸4結構示意圖。圖3是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔中托盤和內導體結構示意圖之一。圖4是是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔中托盤和內導體結構示意圖之一(俯視圖)。圖5是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔中托盤和內導體結構示意圖之二。圖6是本實用新型提供的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔中托盤和內導體結構示意圖之三。
具體實施方式
實施例I :如圖I所示，一種諧振式微波反應腔，包括外導體I、內導體2、封閉蓋3、饋電同軸4。其特征在于，外導體I為一圓柱金屬腔體，其底部正中心有一圓柱底孔11，內壁有螺紋；圓柱內導體2穿過底孔11進入外導體I的內部，內導體2上半部分具有圓頂?shù)恼{頻螺紋21，與底孔11壁上螺紋配合，使外導體I和內導體2保持電接觸，同時可調整內導體2進入外導體I中的長度；外導體I接近頂部內壁處有圓頂?shù)姆忾]螺紋12，與軸對稱的封閉蓋3外側邊緣螺紋配合，使外導體I和封閉蓋3保持電接觸，同時可控制封閉蓋3與外導體I的相對位置，改變腔體的總高度；封閉蓋3上有手柄31，便于旋動封閉蓋3 ;封閉蓋3中心處有一饋電孔32，軸旋轉對稱的饋電同軸4通過饋電孔32進入外導體I的內部；饋電同軸4由饋電同軸內導體41、饋電同軸外導體42、以及兩者之間的填充介質43構成；饋電同軸內導體41的末端有一同軸嵌口 411、饋電同軸外導體42末端部分具有接頭螺紋421，這兩個結構便于和外接輸入端口相連；饋電同軸內導體41進入外導體I 一端的末端具有一饋電末端圓盤412 ;饋電同軸外導體42末端外側具有饋電螺紋422，與饋電孔32壁上螺紋配合，使得封閉蓋3和饋電同軸外導體42保持電接觸，同時可調整饋電同軸4進入外導體I中的長度。以實施例I為基礎進行設計，完成500MHz 1000MHz的頻率連續(xù)覆蓋。在保證諧振腔品質因素較高的同時，通過合理設計內、外導體尺寸使得腔體工作于圓波導諧振腔的 主模TMoltl模式。外導體I外部、內導體2底部、饋電同軸4外側可覆蓋絕熱層。具體尺寸為外導體I的內半徑120mm，外導體I高度Ltl ;內導體2半徑100mm，伸入外導體I的長度L1 ;封閉蓋3距內導體2頂部的距離Lci-L1固定為30mm ;外導體I的厚度5mm，材料銅；饋電同軸4的特征阻抗為50 Ω，饋電同軸內導體41半徑I. 52mm，饋電同軸外導體42的內半徑5. 75mm，饋電同軸外導體42的厚度1mm，材料銅，填充介質43的材料為聚四氟乙烯,饋電同軸內導體41比饋電同軸外導體42長D,分別取和5mm,對應標為A、B和C三個接頭，這三個接頭便可覆蓋整個頻帶范圍，饋電內導體伸入腔體一端末端接圓盤412，其半徑4. 5mm、厚度O. Imm ;饋電同軸外導體42伸入外導體I的長度為L?？蛰d狀態(tài)下設計結果為
ii(mm) Z(mm) D(mm)接頭 io(mm) 諧振處 Su(dB) ______,/o(MHz)__
0__0__I30__970.2__-24.0876
100.1__I40__915.1__-13.7629
A
2008 I50 861.3 -22.9328
301.3 I60 808.5 -18.7135
400 370 757 8 -13.3390
501.1 3 B 80__706.7__-19.5134
601.5__3___90__657.8__-18.2230
700__5100__613.9__-21.2532
800__5C IlO__571.4__-14.6499
90I I I 5 II 120 I 535.8 -10.2817[0034]說明本實施例通過調節(jié)內導體2進入外導體I的長度L1和饋電同軸4進入外導體I的長度L可以實現(xiàn)500MHz 1000MHz寬頻帶范圍內反應腔諧振頻率的連續(xù)變化。不同諧振頻率的電場分布大致相同，主要集中在以外導體中心軸線為中心，頂蓋與內導體之間的圓柱形區(qū)域內，隨圓柱半徑增大，場強度逐漸降低。在500W功率輸入條件下，取諧振頻率為707MHz為例來說明腔內電場的分布，以外導體中心軸線為中心軸線，半徑為40mm的圓柱區(qū)域內，電場有效值均大于4. 82X 105V/m ;以外導體中心軸線為中心軸線，半徑為60mm的圓柱區(qū)域內，電場有效值均大于4. 02X 105V/m ;以外導體中心軸線為中心軸線，半徑為IOOmm的圓柱區(qū)域內，電場有效值均大于3. 21X 105V/m。其他諧振頻率處電場分布類似，電場值略有不同。將介電常數(shù)為3. 6、損耗角正切O. 01的樣品放置在內導體2頂端半徑為30mm、高為IOmm的圓柱區(qū)域內，研究有載情況。同理，調節(jié)內導體2進入外導體I的長度L1和饋電同軸3進入外導體I的長度L可以實現(xiàn)500MHz 1000MHz寬頻帶范圍內反應腔諧振頻率·的連續(xù)變化。此時，電場分布更為集中，值略為減小。實施例2 :如圖I、圖2所示，在實施例I的基礎上，上述饋電同軸內導體41進入外導體I的末端接一個半球形狀的饋電末端半球413.實施例3 :如圖I、圖3和圖4所示，在實施例I的基礎上，引入一直徑小于內導體2的圓桶狀托盤5，其底端向下伸出三根固定小圓柱51，與內導體2頂端的三個內凹圓柱小孔22契合固定，內凹圓柱小孔22的底部呈錐形。實施例4 :如圖I、圖5所示，在實施例I的基礎上，引入一直徑與內導體2相當?shù)膱A桶狀托盤5，其底端具有一內凹圓柱52，內凹圓柱52與內導體2頂部吻合固定。實施例5 :如圖I、圖6所示，在實施例I的基礎上，引入一直徑與內導體2相當?shù)膱A桶狀托盤5，其底端具有一內凹圓柱52，內凹圓柱52內側壁具有圓頂螺紋與內導體2頂端螺紋契合固定。
權利要求1.一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，包括外導體(I)、內導體(2 )、封閉蓋(3 )和饋電同軸(4);其特征在于外導體(I)為一圓柱金屬腔體，其底部正中心具有一帶內螺紋底孔(11);內導體(2)為帶外螺紋的圓柱體，內導體(2)通過自身外螺紋(21)與外導體(I)底孔(11)的內螺紋配合使外導體(I)和內導體(2 )保持電接觸以及便于調整內導體(2 )進入外導體(I)中的長度；封閉蓋(3)通過自身外螺紋與外導體(I)頂部的內螺紋(12)配合使外導體(I)和封閉蓋(3)保持電接觸；封閉蓋(3)上連接有手柄(31)，便于旋動封閉蓋(3);饋電同軸(4)由饋電同軸內導體(41)、饋電同軸外導體(42)、以及兩者之間的填充介質(43)構成；饋電同軸內導體(41)的末端有一同軸嵌口(411)、饋電同軸外導體(42)末端部分具有接頭螺紋(421)，同軸嵌(411)和接頭螺紋(421)便于饋電同軸(4)與外接輸入端口相連；饋電同軸內導體(41)的前端為饋電圓盤(412)或饋電半球(413);封閉蓋(3)中心具有一帶內螺紋的饋電孔(32)，饋電同軸(4)通過饋電同軸外導體(42)前端的外螺紋(422)與封閉蓋(3)中心饋電孔(32)的內螺紋配合使得封閉蓋(3)和饋電同軸外導體(42)保持電接觸以及便于調整饋電同軸(4)進入外導體(I)中的長度。
2.根據(jù)權利要求I所述的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，其特征在于，所述封閉式頻率可調諧振式微波反應腔還包括一個托盤(5);所述托盤(5)固定于內導體(2)頂端。
3.根據(jù)權利要求2所述的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，其特征在于，所述托盤(5)的底端具有三個固定圓柱(51)，三個固定圓柱(51)與內導體(2)頂部相應的三個內凹圓柱(22)相互契合固定。
4.根據(jù)權利要求2所述的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，其特征在于，托盤(5)的底端具有一內凹圓柱(52)，內凹圓柱(52)與內導體(2)頂部契合固定。
5.根據(jù)權利要求2所述的封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，其特征在于，托盤(5)的底端具有一內凹圓柱(52)，內凹圓柱(52)與內導體(2)頂部通過螺紋契合固定。
專利摘要一種封閉式頻率可調諧振式微波反應腔，屬于微波能應用技術領域。包括外導體(1)、內導體(2)、封閉蓋(3)和饋電同軸(4)；外導體(1)為一圓柱金屬腔體，內導體(2)穿過底孔(11)與外導體(1)保持電接觸；封閉蓋(3)與外導體(1)之間通過螺紋保持電接觸；饋電同軸(4)穿過饋電孔(32)使得封閉蓋(3)和饋電同軸外導體(42)保持電接觸。本實用新型利用TM010圓柱諧振腔原理制作，實現(xiàn)較寬范圍內頻率可重構工作，其頻率調整方式連續(xù)、無盲區(qū)；本實用新型具有結構簡單的特點，適用于寬頻帶微波反應的研究和應用需求，對準確認知頻率對微波反應的效果并指導相關工藝具有應用價值。
文檔編號B01J19/12GK202725161SQ20122029792
公開日2013年2月13日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權日2012年6月25日
發(fā)明者樊勇, 程鈺間, 夏支仙 申請人:電子科技大學