本文提出并設(shè)計(jì)了一種工作頻率為2.45GHz的雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)。該加熱系統(tǒng)是在矩形波導(dǎo)寬邊中央開(kāi)孔，用兩支銅棒將矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)奈⒉�耦合到雙圓柱腔內(nèi)并對(duì)圓柱腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)罐進(jìn)行加熱。仿真研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)短路活塞、耦合銅棒和調(diào)配螺釘，在主要工作頻帶內(nèi)輸入端反射系數(shù)小于-10dB，耦合進(jìn)兩個(gè)圓柱腔內(nèi)的功率相等，兩個(gè)圓柱腔內(nèi)場(chǎng)分布大致相同。此雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)具有效率高、加熱均勻等特點(diǎn)，在微波化學(xué)分析中具有較好的應(yīng)用前景。

　　自從1970年Harwell實(shí)驗(yàn)室使用微波爐裝置成功地處理了核廢料后，微波技術(shù)的應(yīng)用隨之?dāng)U展到了化學(xué)領(lǐng)域，并形成了一門極具研究熱點(diǎn)的交叉學(xué)科———微波化學(xué)。

　　近年來(lái)，隨著人們對(duì)微波化學(xué)學(xué)科研究的深入，微波技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用微波加熱化學(xué)反應(yīng)，可以顯著地提高化學(xué)反應(yīng)的速率且無(wú)污染。在傳統(tǒng)加熱條件下，需要幾個(gè)小時(shí)才能完成的化學(xué)反應(yīng)，受到微波輻射后，可在幾分鐘內(nèi)甚至幾秒鐘內(nèi)結(jié)束反應(yīng)。這引起了人們極大的興趣，同時(shí)也推動(dòng)了微波化學(xué)的發(fā)展。但是由于缺乏高效的微波諧振腔，微波化學(xué)的產(chǎn)業(yè)化受到限制。微波諧振腔的尺寸對(duì)腔內(nèi)電磁場(chǎng)的分布有很大的影響，之前的微波化學(xué)反應(yīng)裝置大都采用矩形諧振器，將裝有化學(xué)反應(yīng)物的反應(yīng)罐放入諧振腔內(nèi)進(jìn)行微波加熱。矩形腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布不均勻，不得不將反應(yīng)罐放置在轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行加熱，這導(dǎo)致了微波加熱效率不高。為了得到一個(gè)加熱均勻、效率高且可同時(shí)對(duì)多個(gè)反應(yīng)罐進(jìn)行加熱的微波化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，本文使用HFSS仿真軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙圓柱腔結(jié)構(gòu)的微波加熱系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)值仿真，得到了一個(gè)最佳的圓柱腔尺寸。

1、基本原理與系統(tǒng)模型

　　1.1、微波傳輸線理論

　　微波傳輸線終端短路時(shí)，終端的入射波將被全部反射，沿線各點(diǎn)電壓、電流的瞬時(shí)值只隨時(shí)間作正弦變化，而不以波的形式沿線傳播，故稱之為駐波。在距離終端為z=nλ/2(n=0，1，…)處(含終端)為電壓波節(jié)點(diǎn)，在距離終端為z=(2n+1)λ/2(n=0，

　　1，…)處為電壓波腹點(diǎn)。根據(jù)此理論，選擇距離波導(dǎo)短路面λg/4和λg5/4處開(kāi)孔連接兩個(gè)圓柱腔，并用兩根銅棒將微波從矩形波導(dǎo)寬邊的中央位置耦合到圓柱腔中。

　　1.2、銅棒耦合理論

　　將銅棒放置于矩形波導(dǎo)寬邊的中央位置時(shí)，銅棒表面會(huì)感應(yīng)出高頻電流，高頻電流傳播到銅棒頂端后會(huì)向外輻射電磁波。因此將銅棒放置于矩形波導(dǎo)寬邊中央通過(guò)耦合孔伸入圓柱腔內(nèi)。銅棒底部使用金屬罩對(duì)其進(jìn)行屏蔽，以避免能量泄漏。

　　1.3、雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)的模型

　　根據(jù)以上理論，利用HFSS軟件建立了雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)的模型，如圖1所示。

圖1　雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)使用BJ22型矩形波導(dǎo)，其尺寸為109.2mm*54.6mm*310mm。耦合孔上端先接一個(gè)填充了聚四氟乙烯的下半球，其半徑60mm，從該半球底部至頂面開(kāi)一個(gè)半徑為7.5mm 的孔，以便調(diào)節(jié)銅棒的高度。在半球上面接半徑為60mm，高度為140mm的圓柱腔。

結(jié)論

　　為了得到一個(gè)可對(duì)多個(gè)化學(xué)反應(yīng)罐同時(shí)均勻加熱的微波加熱系統(tǒng)，本文提出并設(shè)計(jì)了一種雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩根銅棒將終端短路的矩形波導(dǎo)中的微波耦合到兩個(gè)圓柱腔內(nèi)，對(duì)放入圓柱腔中的化學(xué)反應(yīng)罐實(shí)現(xiàn)加熱。使用HFSS軟件對(duì)雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)建模并仿真，得到了最佳結(jié)構(gòu)尺寸，并且比較了雙圓柱腔微波加熱系統(tǒng)空載和加載時(shí)yz 平面和xy 平面不同高度處的電場(chǎng)分布圖。通過(guò)仿真可知，調(diào)節(jié)銅棒的高度、短路活塞和調(diào)配螺釘，可使微波高效地耦合到圓柱腔內(nèi)，而且兩個(gè)圓柱腔內(nèi)的電場(chǎng)分布大致相同，可以對(duì)放置于圓柱腔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)罐實(shí)現(xiàn)較好的均勻加熱。該微波加熱系統(tǒng)在微波化學(xué)分析中具有良好的應(yīng)用前景。