矩形波导谐振腔微波化学反应器的研究_孙永志
微波技术第3章1矩形波导
可见前五个导模是 TE10、TE20、TE01、 TE11、TM11。
35
则TE10模 TE20模 TE01模 TE11和TM11模 TE21和TM21模 TE12和TM12模
• 当f0 = 10GHz时，λc=3cm
fcTE10=6.562GHz fcTE20=13.123GHz fcTE01=14.764GHz fcTE11=16.156GHz fcTE21=19.753GHz fcTE12=30.248GHz
传播。
编辑ppt
13
TE20模场结构
TE10 TE20
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14
(2)TE01模与TE0n模
其场分量为
Ex
j n
b H mn sin n b y e
jz
Hy
j n
b
ny
H mn sin b e
jz
Hz
ny H mn cos b e
jz
Ey Ez H x 0
TE01模只有Ex、Hy和Hz三个场分量，它们与x无关，故 沿a边场无变化；
波分布或TM11模场；如 图。
注：TE11与TM11是简并模，这种简并称为模式简并； 同理，TEmn与TMmn (m>0, n>0) 是简并模。
编辑ppt
19
3．管壁电流 Js nˆHtan
主模：TE10模工作下
波导底面 y = 0 ； nˆ yˆ
JSy 0 y ˆ [x ˆHx zˆHz] x ˆHz zˆHx
ZTM
Eu Hv
2
1
k
c
编辑ppt
31
（5）TE10模矩形波导的传输功 率
P Re 1 E H * ds 2S
4.3 矩形谐振腔
(4-31)
第四章 微波谐振器
矩形谐振腔 §4.3 矩形谐振腔
横向场量可以用纵向场量求出来
r 1 ∂ H t = 2 (∇t H z ) K c ∂z r 1 Et = 2 ( jωµ z × ∇t H z ) ˆ Kc v v ˆ Et = − Z TE z × H t
Ex = − jωµ ∂H z 2 K c ∂y
2
λr =2ຫໍສະໝຸດ v 2π = fr K2
m n p + + a b l
λr =
2π 2 = 2 2 2 K m n p + + a b l
(4-37)
第四章 微波谐振器
矩形谐振腔 §4.3 矩形谐振腔
两个传播方向相反的行波叠加时， 两个传播方向相反的行波叠加时，场的表达式为
mπ + E z = E0 sin a mπ − y e − jβ z + E0 sin a nπ x sin b y e jβ z
若z=0处放一短路板，则有边界条件 z=0处放一短路板， 处放一短路板
E x z =l = 0
pπ ( p = 0,1,2,3L) l
βl = pπ 或 β =
则腔体内TM 则腔体内TMmnp模的纵向电场为
矩形共振腔中的驻波现象研究
矩形共振腔中的驻波现象研究引子：科学研究从来都是在不断突破与探索中前进的。
这篇文章将要讨论的主题是矩形共振腔中的驻波现象研究。
引入：在物理学中，共振是指在一个物体或系统受到外部激励时，内部振动能量逐渐增大的现象。
而矩形共振腔是一个具有特定形状和尺寸的空间，可以在其中形成驻波。
那么，什么是驻波呢？驻波的形成：驻波是指两个或多个具有相同频率的波在空间中叠加形成的现象。
在矩形共振腔中，当空腔的边和波的波长有特定的整数关系时，反射波和入射波叠加形成驻波。
这种现象会导致波的幅度在空间中保持不变，形成静止的波纹，这就是驻波。
影响因素：研究矩形共振腔中的驻波现象，我们需要考虑的因素有很多。
首先是共振腔的尺寸和形状。
共振腔的尺寸决定了能够形成的驻波模式，而形状则会影响波的传播路径。
此外，共振腔的边界条件也是一个重要的因素。
边界条件有助于确定在共振腔中可能存在的波模式。
除此之外，还有入射波的频率和相位等因素。
实验方法：要研究矩形共振腔中的驻波现象，实验是必不可少的手段。
常见的实验方法是使用声波或电磁波。
对于声波实验，可以使用一个空腔和一个声源。
通过调整声源的频率，我们可以观察到不同频率下的驻波模式。
对于电磁波实验，我们可以使用一个微波源和一个微波腔，通过调整微波源的频率和腔的尺寸，也能够观察到驻波现象。
应用领域：研究矩形共振腔中的驻波现象不仅仅是为了满足科学好奇心，还有广泛的实际应用。
例如，在声学领域，共振腔被用于制造乐器、扩音器等。
在电磁学领域，共振腔可以用于微波炉、雷达等设备。
此外，共振腔还被广泛应用于光学领域，用于构建激光器、光纤通信等。
结论：矩形共振腔中的驻波现象是一个既有趣又实用的研究领域。
通过对共振腔尺寸、形状、边界条件等因素的研究，我们能够更好地理解驻波的形成机制。
这不仅可以为科学研究提供新的见解，还有助于应用技术的发展与创新。
结尾：科学研究从来都没有止境，对于矩形共振腔中的驻波现象研究也是如此。
通过不断地深入研究和实验探索，我们可以揭示更多有趣的事实，推动科学发展的步伐，为人类社会带来更多的科技进步和创新。
H_(011)谐振腔测盘形介质的问题研究
H_(011)谐振腔测盘形介质的问题研究
汪彤
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】1993()3
【摘要】本文用传输线理论和数值计算分析研究了在用H_(011)圆柱型腔测介质时由于杂模干扰而引起的异常现象。
提出了用该法测量介质时应注意的问题,及避免杂模干扰的方法。
【总页数】4页(P29-32)
【关键词】空腔谐振腔;测量;介质
【作者】汪彤
【作者单位】华东师范大学微波研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN815
【相关文献】
1.用于铯原子喷泉频率基准的TE011微波谐振腔 [J], 黄秉英;吴长华;干云清;赵晓惠
2.回音壁模式圆盘形微谐振腔的设计及特性研究 [J], 金虎;陆理科;王鹏
3.基于双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振腔研究 [J], 吴群;孟繁义;傅佳辉;李乐伟
4.H_(01n)模谐振腔测量介质复介电常数 [J], 周洪庆;刘敏;陈波;凌志达;杨南如
5.用H_(01)型圆柱谐振腔测量介质材料介电常数的原理及方法 [J], 邵余峰
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矩形波导转微波谐振腔同轴天线的仿真设计
•理论与设计•矩形波导转微波谐振腔同轴天线的仿真设计闫新胜12!赵连敏刘甫坤吴大俊贾华单家芳1!•中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031； 2.中国科学技术大学，安徽合肥230026)摘要：矩形波导转谐振腔同轴天线是微波等离子体镀膜系统的重要组件之一。
借助仿真模拟软件，以中心频率915MHz 仿真设计了两种矩形波导同轴天线转换器。
其一是垂直结构，同轴天线与矩形波相交；其二是相切弧结构，同轴天线内导体以相切的弧线向矩形波导过渡。
仿真分析了两种结构的适用范围&分析表明，加销钉的垂直结构在100MHz带宽范围内，反射系数小于一10dB,同轴内导体的直径需不大于波导宽度的1/10；优化后的相切弧结构在100MHz带宽范围内，反射系数小于一10dB同轴内导体直径需不小于波导宽度的1/4&关键词：波导转换；HFSS仿真模拟；反射系数中图分类号:TN812；TN814文献标志码:A文章编号:1002-8935(2019)03-0055-04doi：10.16540/11-2485/tn.2019.03.13Design and Simulation of Rectangular Waveguide toMicrowave Resonant Coaxial AntennasYAN Xin-sheng1'2,ZHAO Lian-min1,LIU Fu-kun1,WU Da-jun1,JIA Hua1,SHAN Jia-fang1(1.Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China；2.University of Science and Technology of China,Hefei230026,China)Abstract：The rectangular waveguide to resonant cavity coaxial antenna is an important component of themicrowaveplasmacoatingsystem.Twokindsofrectangularwaveguidetocoaxialantennaconverters withthecenterfrequencyof915MHzweredesignedandsimulated.Thefirstisaverticalstructure the coaxialantennaintersectsperpendicularly withtherectangular waveguide；whilethesecondisatangent arcstructure the inner conductor of the coaxial antenna transitions to the rectangular waveguide witha tangentarc.Theapplicationscopeofthetwostructureswassimulatedandanalyzed.Theanalysisshows thatthereflectioncoe f icientoftheverticalstructure withthepinislessthan—10dB within100MHz bandwidth whenthediameterofthecoaxialinnerconductorisnotgreaterthanonetenthofthewaveguide width,meanwhile the reflection coefficient of the optimized tangent arc structure is less than—10dB with-n100MHz bandwidth when the coaxial inner conductor diameteris notlessthan a quarter ofthe waveguidewidth.Keywords：Waveguideconversion HFSSsimulation Reflectioncoe f icient在微波系统中,矩形波导和同轴波导是常用的两种传输结构&矩形-同轴波器可现两者的，在微波测试、雷统中都有重要的应用&矩波同线矩-同波转换以及同轴内伸的发线构成&目前多种形式的微波等离子体镀膜设备就是利用这种波导转同轴天线的集成设计来耦合微波能量*1—4+&矩形波同线的设计要：矩波的微波能量有效地向同轴天线转换，传输损耗低,反射系数效率高［5］&1理论基础传统论模型以悬空式波导变换为研究对象,其结构是［6—7+:在矩形波导的宽边开孔，插入同波导的内&内线的作用，矩同轴变换，内导体作为接收天线，激励起同轴波2019-03导中的TEM模式；同轴向矩形变换，内导体作为发线，激励起矩形波的TE10模&结构如图1所示&图中，h是同轴内伸进入矩形波导的；l同内线矩波的距离；为同轴波导的内导体的半径&图1波导变换结构根据R E Collin「8+,由正弦电流近似理论得到线的阻抗实部为：R=役0sin2（"101#tan2（K。
《矩形谐振腔》课件
矩形谐振腔的设计
1
设计参数
2
包括谐振腔尺寸、波导位置、材料选择
等。
3
一般步骤
确定频率、计算谐振腔尺寸、优化设工具等。
矩形谐振腔的应用
微波和微纳电子学
矩形谐振腔在微波电路和微纳电子学中广泛应用， 用于滤波、频率选择和放大等。
量子计算
矩形谐振腔是量子计算中的关键元件，用于存储和 操作量子比特。
参考文献
相关研究论文
1. "矩形谐振腔的设计与制作"，XXX期刊，2020 年。
网络资源
2. "如何设计优秀的矩形谐振腔"，微电子论坛， https://www.***.com
谐振模式的定义
谐振模式是矩形谐振腔中特定频率下的电磁场分布形态，不同模式对应不同的场分布和电磁能量分布。
不同谐振模式的特点
TE10
最简单的模式，电场仅沿一个方向震荡。
TM11
电场和磁场都存在，和波导边界垂直。
TE01
场与波导边界垂直，纵向波动不变。
TE20
正方形波导才有的模式，电场沿两个方向震荡。
实验
1
测量共振频率
通过改变谐振腔的尺寸，测量不同谐振
测量Q值
2
模式的共振频率。
通过测量共振峰的宽度，计算谐振腔的 品质因数（Q值）。
结论
1 优点与不足
2 未来发展趋势
矩形谐振腔具有结构简单、易于制作的优点， 但波导的存在会引入损耗。
随着技术的不断进步，矩形谐振腔将在量子 计算和通信领域发挥越来越重要的作用。
《矩形谐振腔》PPT课件
矩形谐振腔是微波和微纳电子学中常见的元件。本课件将详细介绍矩形谐振 腔的定义、工作原理、谐振模式以及设计和应用。
矩形谐振腔
传输线—二维 kc
传输腔—三维 k
图 31-3 二维谐振和三维谐振
一、谐振频率0
进一步,如果讨论的是传输型谐振腔，即
l p
(p 1 ,2 ,3 , ) (31-4)
则有
0
2 m2n2p2 a b l
Байду номын сангаас
k
2 x
E
0
d 2E dy 2
k
2 y
E
0
d 2E 2E 0 dz 2
k
2 x
k
2 y
k
2 c
k c2 k 2 2
y -z
x
0
d 2E dx 2
k
2 x
E
0
d 2E dy 2
k
2 y
E
0
d 2E dz 2
k
2 z
E
0
k
2
k
2 x
k
2 y
k
2 z
一、谐振频率0
(31-1)
一、谐振频率0
理想腔
C
Go
L
耦合腔
Go L
C
非理想腔 G-介 质
C G
L Go
Q
G0
图 31-2 谐振腔研究的思路框图
一、谐振频率0
但是在求解中,它与传输线不同。在传输线中z是优 势方向:即。从概念上讲：x、y方向是驻波，而z方向
假定是行波。
传输线
谐振腔
y -z
矩形压缩谐振腔内基底对电场影响的仿真模拟
矩形压缩谐振腔内基底对电场影响的仿真模拟刘繁;李国伟;马志斌;汪建华【摘要】The plasma used for microwave plasma chemical vapor deposition diamond in a rectangular resonant cavity has poor stability and uniformity. The Ansoft software is used to simulate the electric field in the rectangular compression resonant cavity and optimize the device. In the simulation, it assumed that all the boundaries were defined as ideal electric conductor in addition to the microwave input port; microwave with plane wave form was got through the rectangular waveguide and coupled to the microwave resonant cavity; The result of electric field distribution in resonant cavity was achieved through the Maxwell' s equations solved by high frequency structure simulator which suited for the model. The electric field distribution in cavity was simulated in different parameters that the substrate radii were 11 mm, 13 mm, 15 mm, 17 mm and the depths of substrate inserted in the reaction cavity were1. 5 mm, 2 mm, 2. 5 mm, 3 mm, 4 mm, respectively. Numerical simulation results show that electric field strength in the compression resonant cavity is about 817 V /m which is almost double compared with that in standard waveguide cavity. The electric field strength inside the cavity is concentrated when the substrate radius is 13 mm and the depth of substrate inserted in the reaction cavity is 2 mm.%针对微波等离子体化学气相沉积金刚石过程中,矩形谐振腔中激发的等离子体稳定性和均匀性差的问题,提出通过用Ansoft软件对矩形压缩谐振腔进行模拟计算来优化设计谐振腔的方法.模拟中,假设除了微波输入端口以外,所有的边界都定义为理想电导体；微波能以平面波的形式,通过矩形波导被耦合到微波谐振腔内；再用高频结构仿真器联合求解满足模型条件的麦克斯韦方程组,得出谐振腔中的电场分布结果.分别模拟了基底深入谐振腔内高度为1.5、2、2.5、3、4 mm和基底半径为11、13、15、17 mm时,腔体内的电场分布.数值模拟结果表明,压缩谐振腔内的最大电场强度为817 V/m左右,较压缩之前的电场强度增高了近一倍,且基底深入谐振腔高度为2 mm,基底半径为13 mm左右时,装置内电场强度较集中.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】4页(P51-54)【关键词】谐振腔;高频结构仿真器;基底尺寸;电场模拟【作者】刘繁;李国伟;马志斌;汪建华【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】O411.30 引言微波等离子体化学气相沉积广泛用于功能薄膜、纳米材料的制备中［1－2］，微波等离子体谐振腔中电场对等离子体的激发与稳定运行有重要的影响［3－4］.谐振腔中，特别是基片附近的电场对沉积过程及材料结构的影响非常重要，有必要对微波谐振腔以及内部的电磁场分布进行研究，从而提高装置的稳定性.本实验采用Ansoft仿真软件［5］对谐振腔内的电场分布进行模拟计算，根据模拟结果对微波等离子体矩形单模谐振腔的结构进行优化设计.同时，归纳出不同基底尺寸情况下电场强度及分布的变化规律，以寻求基底高度及半径的最佳尺寸，从而设计稳定高效且能产生高均匀度微波等离子体的装置.1 谐振腔设计与模型建立本实验装置主要由微波源、波导、反应腔及附属系统和微波调谐系统组成.其中，微波反应器由矩形压缩谐振腔、石英管、短路活塞等部分组成.矩形波导内电磁场分布较规律，目前微波等离子体化学气相沉积矩形单模谐振腔大部分是直接采用的标准矩形波导结构.图1 微波矩形压缩谐振腔等离子体装置结构示意图Fig.1 Schematic view of a microwave plasma device with compression rectangular cavity在常压微波等离子体射流装置的研制过程中，为了更利于等离子体的激发，需要尽可能的增大耦合到谐振腔中的微波电场.可以从设计特殊结构的谐振腔这方面来进行考虑.对于谐振腔的结构，大多数装置都是采用结构单一的规则矩形波导，尽管这种类型的谐振腔有着加工简单、内部电磁场分布较简单的优点，但对谐振腔内的微波电场耦合却不能满足最大化的要求，因此，对谐振腔的结构进行优化设计能提高微波能量的利用率，更有利于微波等离子体的激发.通常采用的压缩谐振腔有阶梯型压缩谐振腔和渐变型压缩谐振腔两种结构，本实验中采用的是呈渐变型压缩这种方式.波导的封闭特性决定了电磁波无法向外部空间进行辐射，而对矩形波导窄边进行压缩可以实现能量集中.图1为实验室研制的矩形压缩谐振腔微波等离子体装置的结构示意图，在矩形谐振腔电场最强的区域，在宽边中心处插入一可上下调节的基底结构，微波等离子体在基底上部被激发.2 理论基础采用标准BJ26的矩形波导，波导管尺寸为86.4mm×43.2mm，波导内部传输模式为TE10模，使用的微波频率为2.45GHz.设计谐振腔部位为渐变型压缩结构，对矩形波导谐振腔的窄边进行压缩.谐振腔内部同样仅有TE10模式存在，为一单模矩形谐振腔.通过求解满足模型条件的麦克斯韦方程组，即可得出其中的电磁场分布［6］.3 仿真分析利用高频电磁场有限元软件高频结构仿真器（HFSS）模拟矩形压缩谐振腔的内部电磁场以及不同基底尺寸下基底附近的电场强度及分布.在模拟时，假设波导为理想导体，并且微波能以平面波的形式通过波导传送到反应腔内进行耦合.3.1 矩形压缩谐振腔内电场模拟图2为矩形压缩谐振腔内微波传输方向的驻波数，其中选取的剖面与矩形波导中波的传输方向平行并经过矩形波导宽边中线.模拟可得，在微波等离子体装置中，如图2所示，矩形压缩谐振腔内有一个半驻波分布，并且最大电场强度为817 V ／m左右，而在图中最左端的半驻波分布可以看到，结构无变化的矩形波导中的最大电场强度约为462V／m.其中在矩形压缩谐振腔处的电场强度要比未经压缩的矩形谐振腔内的电场强度高出一倍大小，等离子体的激发效率将会大大提高.但是在实际操作中会存在一些不可避免的能量损耗，因此实际需要的微波功率要大于计算值.图2 微波传输方向上分布的半驻波数Fig.2 The semi－standing wave on the microwave transmission direction3.2 基底尺寸的设计当谐振腔的结构固定时，基底尺寸以及基底在矩形谐振腔内的位置对是否能激发稳定均匀的等离子体起着至关重要的作用.用Ansoft软件对不同基底尺寸下矩形压缩谐振腔的内部电磁场分布进行计算模拟，在此基础上对基底尺寸与电磁场的强度及分布规律进行归纳，得到激发微波等离子体最佳条件下的基底尺寸.图3为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底高度变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，竖线，圆，星号的实线分别表示基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为1.5，2，2.5，3，4mm.由图可以得出，当基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为2mm 时，电场强度相对较高.根据计算模拟，明显可以得知，基底深入矩形压缩谐振腔过长或过短都不利于微波等离子体的激发.图3 基底深入谐振腔不同高度与电场强度分布的关系图Fig.3 Distribution of electric field strength with different height of substrate图4 不同基底半径与电场强度分布的关系图Fig.4 Distribution of electric field strength in different radii of substrate图4为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底半径变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，叉线，圆的实线分别表示谐振腔内的基底半径为11，13，15，17 mm.由图可以得出，当谐振腔内的基底半径为13 mm时，电场强度相对较高.3.3 谐振腔内电场模拟图5为微波频率为2.45GHz时，矩形压缩谐振腔内的电场分布图，通过颜色的对比可以得出谐振腔内不同位置的电场分布，由此可以看出，矩形压缩谐振腔处的电场强度相对最强.图5 矩形压缩谐振腔内的电场分布图Fig.5 The electric field distribution in thecompression rectangular cavity4 结语本文利用高频结构仿真器软件（HFSS）模拟了一个矩形压缩谐振腔的微波等离子体装置内的电场分布，并根据模拟结果讨论了矩形压缩谐振腔的结构和基底尺寸对电场的影响.结果表明：在选用矩形压缩谐振腔的情况下，基底尺寸的变化对谐振腔内的电磁场强度影响较大，且基底深入谐振腔2mm左右，基底半径为13mm 左右时，更有利于均匀等离子体的激发，这为微波等离子体炬的数字化设计打下了基础.参考文献：［1］Wu Z Y，Xu Y Y，Zhang X L，et al Microwave plasma treated carbon nanotubes and their electrochemical biosensing application［J］.Talanta 2007，72：1336－1341.［2］Koidl P，Klages C P.Optical application of polycrystalline diamond ［J］.Diamond and Related Materials.1992（1）：1065－1074.［3］Zuo S S，Yaran M K，Grotjohn T A.Investi－gation of diamond deposition uniformity and quality for free standing film and substrate applications ［J］.Diamond and Related Materials.2008，17：300－305. ［4］Tachibana T，Ando Y，Watanabe A.Diamond films grown by a 60－kW microwave plasma chemical vapor deposition system ［J］. Diamond and Related Materials.2001（10）：1569－1572.［5］谢拥军，王鹏.Ansoft HFSS基础及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.［6］廖承恩.微波技术基础［M］.北京：国防工业出版社，1984.。
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图 3可以看出 , 反应管以及内部的甲烷气体处在电场最强
的位置且场分布均匀 , 这有利于甲烷得到足够的能量产生
放电.
3.2 反应管位置 z1 =65mm , 短路活塞位置 L1 =219mm 的
收稿日期 :2005-07-08;修回日期 :2006-01-06 基金项目 :江苏省 “十五 ”科技攻关项目 (N o. BE2001034)
第 9 期
孙永志 :矩形波导谐振腔微波化学 反应器的研究
1 70 9
本文用有限元方法的 HFSS (H igh F requency S tructure S im u lator)软件研究矩形波导谐振腔微波化学反应器的优 化设计.
0. 79568 0. 79832 0. 99560 0. 74573
0. 87159
0. 81854
0. 79413 0. 79827 0. 99542 0. 71289
0. 87398
0. 81801
单缝耦合膜片和圆孔耦合膜片 S11参数较大. 当耦合膜 片的形状为矩形双缝耦合膜片并且 ai /a =0. 182, P =29. 20mm 时 , S11最小 , 此时使输入功率最大地进入微波化学反 应器.
第 2006
9期 年9
月
电 子 学 报 A CTA ELECTRON ICA S IN ICA
V o.l 34 N o. S ep. 2006
9
矩形波导谐振腔微波化学反应器的研究
孙永志 , 杨鸿生
(东南大学电子工程系 , 毫米波国家重点实验室 , 江苏南京 210096)
摘 要 : 改变矩形波导谐振腔微波化学反应器的结构尺寸如 :耦合膜片的形状 、尺寸 , 反应管的直径 、管壁 厚度 、材料和位置 ,利用 H FSS 软件计算不同结构尺寸反应器的 S参数 ,仿真的最优结果与实验结果一致 , 得到了 最优结构尺寸的反应器. 反应管和短路活塞位置会影响反应器内的电磁场分布 , 因而直接影响微波化学反应器的 工作. 在反应管位置 z0 为 106mm , 短路活塞位置 L0 为 146mm 的最优结构尺寸反应器中 , 反应管以及内部的甲烷 气体处在电场最强的位置且场分布均匀 , 这有利于甲烷得到足够的能量产生放电. 仿真结果和我们的实验结果符 合较好.
0. 87521 0. 80986
反应管
壁厚 t 石英
材料 玻璃
不同谐振腔 长度 Li 下反 应管的位置 Z i
t /a =0. 095
z0(i =0) =106mm L0 (i =0) =146mm z1(i =1) =65mm L1 (i =1) =219mm z2(i =2) =150mm L2(i =2) =292. 29mm
the optim al structu re d im ensions of them icrow ave chem istry reactorw ere given. The positions of the reaction tube and the p lunger affected the d istribu tion of electrom agnetic field in m icrow ave chem istry reactor, and hence it directly affected the w ork of the m icrow ave chem istry reactor. In the op tim al structu re reactor, where the positions of the reaction tube and the p lungerw ere 106mm and 146mm respectively, the m ethane in reaction tubew ere positioned at the strongest and uniform electric intensity, wh ich m ade it easier for the m ethane obtain enough m icrow ave pow er to discharge. The sim u lating resu lts
1 引言
微波化学有两个突出优点 :一是大大加快化学反应速 度 ,二是使原来较难产生的化学反应 , 可以产生反应. 因而 微波化学已渗透到有机化学 、无机化学和分析化学等化学 的各个领域. 一个典型的例子是用化学气相沉积方法生成 人造金刚石. 通常希望能生长出大面积的 、均匀的人造金 刚石且生长速率又较快 , 这就需要对化学气相沉积反应器 进行数值分析和设计研究. 另一个例子是甲烷在微波作用
固定谐振腔的其他参数 , 只研究反应管的材料对 S11参 数的影响. 实验中 , 反应管采用两种材料 :玻璃和石英. 石 英制成的反应管比玻璃反应管更好.
反应管位于波导宽面中心线的不同位置 Z i 时 , 对 S11 参数的影响很大. 采用双缝耦合膜片 , 固定化学反应管的 直径 、管壁厚度和材料 ,用 HFSS 优化了在不同短路活塞位 置 Li 时改变反应管位置 Zi 对 S11参数的影响. 由表 1可知 , 当反应管位于 z0 (i =0) =106mm 、短路活塞位置 L0 (i =0)
结构参数
耦合膜片
双缝膜片
单缝膜片 圆孔膜片
最优尺寸
a i /a =0. 182, P =29. 20mm a1 /a =0. 279
r /a =0. 176
S11 计算值 实验值
0. 80397 0. 79893
0. 88931 0. 88369 0. 87462 0. 87015
直径 D
D /a =0. 182
2 矩形波导谐振腔微波化学反应器
矩形波导谐振腔微波化学反应器如图 1 所示. 矩形波 导的一端为耦合膜片 , 另一端为短路活塞. 在矩形波导上 、 下宽面中心线距原点 zi 处有一个直径为 D 的孔 ,反应管垂 直于宽面并穿过上 、下宽面的孔 , 反应管内通入甲烷气体. 甲烷气体在微波能量的作用下 , 就会放电生成等离子体 , 得到 C2 烃产物.
谐振腔的电磁场分布在
y方向上 是均匀场 , 所
以只需计算h=1 2源自b (b为矩形波导高度 )平面
上的场分布.
3.1 z0 为 106mm , L0 为 146mm 最优结构尺
寸反应器高度
h
=
1 2
b
17 10
电 子 学 报
200 6 年
截面上的场结构分布.
图 3给出了 最优结构尺寸 反应器的场 结构分布. 从
Ab stract: H FSS(H igh F requency S tructure S im u lator)w as used to calculate the S param eter of the differen t structuralm icrow ave chem istry reactorm ade of rectangu larw avegu ide resonator, w hile changing the structure dim ension of the m icrow ave chem istry reactor su ch as shape and d im ensions of iris, diam eter of reaction tube and th ickness of reaction tube w all, m aterial and positions of reaction tube. The optim al sim u lating resu lts w ere consistent w ith experim en tal resu lts and
=146mm 时 S11 =0. 71289为最小值. 短路活塞位置处在 L1 和 L2 时 , 反应管的最佳位置分别位于 65mm 和 150mm , 此 时 S11较大.
综合上述 , 在尚未建立微波等离子体情况下 , 工作频 率为 2450MH z, 当耦合膜片为矩形的双缝耦合膜片 , 尺寸 ai /a =0. 182, P =29. 20mm , 石英制成的化学反应管的直径 和壁厚分别满足 D /a =0. 182;t D/ =0. 095, 且反应管位置 z0 为 106mm , 短路活塞的位置 L0 =146mm 时 , 矩形波导谐 振腔微波化学反应器的电磁谐振特性最好 , 因此我们得到 了最优结构尺寸的矩形波导谐振腔微波化学反应器.
采用双缝耦合膜片 , 固定反应管的壁厚 、材料和位置 , 只改变化学反应管的直径 , 用 H FSS优化了不同直径 d 的 反应管对微波化学反应器的 S11参数的影响. 反应管直径满 足 D /a =0. 182时 , S11的值最小.
在其他条件不变的情况 , 反应管的壁厚 t对 S11参数的 影响较平缓 ,且 t D/ =0. 095时 , S11的值最小.
SUN Yong-zhi, YANG H ong-sheng
(Departm en t of E lectron ic Eng ineering, Sou th ea st U niversi ty, N ationa l K ey Labora tory of M il lim eter Waves, N an jing, J iangsu 210096, Ch ina)
下生成 C2 烃 , 要想达到甲烷的高转化率和 C2 烃的高选择 性也要求对微波化学反应器进行最优化设计.