面向微纳米材料制备的微波反应器的研究
发布时间：2021-03-25 07:51
随着社会工业化程度提高,水污染问题越发突出,应用纳米材料进行污水净化处理在水资源循环利用中发挥着重要作用,高性能微纳米材料的研究和生产成为新时代材料的发展方向。微波化学凭借其特殊的加热方式和特有的微波效应,被广泛应用于微纳米材料的合成,因此,对能够高效利用电磁能量的微波化学反应器的研究愈来愈受到关注。本文针对微波化学反应中电磁能量如何有效利用的问题,通过理论计算,仿真分析及实验测试等方法,设计了一款利用天线辐射加热且通过增设热管实现同步冷却功能的微波化学反应器。本课题主要研究内容如下:（1）研究微波反应器及天线相关理论,通过理论计算设计波导-同轴天线辐射结构,并利用仿真软件HFSS进行电磁计算,分析不同参数下的微波能量传输情况及场强分布。结果表明阶梯内导体和其在波导内的轴向错位补偿能够影响阻抗匹配,通过优化内导体结构及位置尺寸,可以实现宽频带内较小的回波损耗。通过仿真计算,设计可以在谐振腔中心实现集中辐射的弧形天线板结构,温度测试实验表明该天线式微波反应器的谐振腔内场强分布合理,加热均匀性提高。（2）针对微波辅助化学反应中,温度稳定后微波辐射急剧下降的问题,在天线式微波反应器的基础上增...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矩形波导结构
咛饺刖匦尾ǖ贾校?蕴秸爰だ?姆绞绞共ǖ疾???行模。而后同轴线的内导体延伸一部分沿电场方向插入矩形波导中，将微波耦合至同轴线为谐振腔内天线馈电，实现微波能量的传输。在天线式微波反应器设计中，各部分结构的阻抗匹配实际上仍是电路的相关设计，因此，天线的电路参数回波损耗S11和电压驻波比VSWR，是衡量各部分结构匹配程度的重要参考标准[75]。2.2.3同轴传输线理论及设计同轴线是使用广泛的微波传输结构，其结构包含金属构成的内外导体，中间为空气或较低介电常数εr的介质，内外半径长度分别为a，b，结构如图2-2所示[76]。图2-2同轴线结构同轴线波导与矩形波导的传输模式不同，主要为TEM模式，适用一般方程为[77]：2200ttEH(2-21)
第二章天线式微波反应器的电磁分析及优化设计15衰减系数：8.686(1)=2(120ln)srbRabba(2-33)式中Rs为导体表面电阻。设计同轴线时，一般的优化原则是固定外径尺寸b为常数，改变内径尺寸a。当同轴线内外径之比为常数e的开方时，传输功率最大，此时的特性阻抗约为30Ω，当内外径之比为3.59时，此时同轴线衰减最小，特性阻抗约为77Ω，为同时兼有二者特性，所设计的同轴线定为特性阻抗50Ω。考虑谐振腔整体尺寸及布置的合理性，选择同轴线外径尺寸b=10mm，根据公式2-31计算，得到内径a=3mm，内外导体之间不用空气填充，选择聚四氟乙烯材料填充以约束固定内导体及天线轴。2.2.4波导同轴转换理论及设计在将微波通过旋转天线馈入空腔之前，首先需要同轴内导体将微波从矩形波导中耦合至同轴线传输，波导-同轴转换原理如图2-3所示[78]。图2-3波导转换结构h表示内导体探入矩形波导内的耦合高度，l表示内导体中心线与矩形波导短路面的距离，探针天线的输入阻抗实部由正弦电流近似理论得[79]：0221001002sintan2hRlKabK(2-34)式中0=120为自由空间本征阻抗，00K2/，λ0为自由空间波长002f，102/g是TE10波的相位常数，相波长200=/1/2ga。可以看出，同轴线探针的阻抗实部只与内导体探入的耦合高度h和内导体到矩形波导短路面的距离l有关，公式中并没有同轴尺寸对电阻的影响，当工作频率为2.45GHz
本文编号：3099339
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矩形波导结构
咛饺刖匦尾ǖ贾校?蕴秸爰だ?姆绞绞共ǖ疾???行模。而后同轴线的内导体延伸一部分沿电场方向插入矩形波导中，将微波耦合至同轴线为谐振腔内天线馈电，实现微波能量的传输。在天线式微波反应器设计中，各部分结构的阻抗匹配实际上仍是电路的相关设计，因此，天线的电路参数回波损耗S11和电压驻波比VSWR，是衡量各部分结构匹配程度的重要参考标准[75]。2.2.3同轴传输线理论及设计同轴线是使用广泛的微波传输结构，其结构包含金属构成的内外导体，中间为空气或较低介电常数εr的介质，内外半径长度分别为a，b，结构如图2-2所示[76]。图2-2同轴线结构同轴线波导与矩形波导的传输模式不同，主要为TEM模式，适用一般方程为[77]：2200ttEH(2-21)
第二章天线式微波反应器的电磁分析及优化设计15衰减系数：8.686(1)=2(120ln)srbRabba(2-33)式中Rs为导体表面电阻。设计同轴线时，一般的优化原则是固定外径尺寸b为常数，改变内径尺寸a。当同轴线内外径之比为常数e的开方时，传输功率最大，此时的特性阻抗约为30Ω，当内外径之比为3.59时，此时同轴线衰减最小，特性阻抗约为77Ω，为同时兼有二者特性，所设计的同轴线定为特性阻抗50Ω。考虑谐振腔整体尺寸及布置的合理性，选择同轴线外径尺寸b=10mm，根据公式2-31计算，得到内径a=3mm，内外导体之间不用空气填充，选择聚四氟乙烯材料填充以约束固定内导体及天线轴。2.2.4波导同轴转换理论及设计在将微波通过旋转天线馈入空腔之前，首先需要同轴内导体将微波从矩形波导中耦合至同轴线传输，波导-同轴转换原理如图2-3所示[78]。图2-3波导转换结构h表示内导体探入矩形波导内的耦合高度，l表示内导体中心线与矩形波导短路面的距离，探针天线的输入阻抗实部由正弦电流近似理论得[79]：0221001002sintan2hRlKabK(2-34)式中0=120为自由空间本征阻抗，00K2/，λ0为自由空间波长002f，102/g是TE10波的相位常数，相波长200=/1/2ga。可以看出，同轴线探针的阻抗实部只与内导体探入的耦合高度h和内导体到矩形波导短路面的距离l有关，公式中并没有同轴尺寸对电阻的影响，当工作频率为2.45GHz
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