一种双圆柱腔微波加热系统的仿真研究
本文提出并设计了一种工作频率为2.45GHz的双圆柱腔微波加热系统。该加热系统是在矩形波导宽边中央开孔，用两支铜棒将矩形波导中传输的微波耦合到双圆柱腔内并对圆柱腔内的化学反应罐进行加热。仿真研究表明，通过调节短路活塞、耦合铜棒和调配螺钉，在主要工作频带内输入端反射系数小于-10dB，耦合进两个圆柱腔内的功率相等，两个圆柱腔内场分布大致相同。此双圆柱腔微波加热系统具有效率高、加热均匀等特点，在微波化学分析中具有较好的应用前景。
自从1970年Harwell实验室使用微波炉装置成功地处理了核废料后，微波技术的应用随之扩展到了化学领域，并形成了一门极具研究热点的交叉学科———微波化学。
近年来，随着人们对微波化学学科研究的深入，微波技术在化学领域得到了广泛的应用。使用微波加热化学反应，可以显著地提高化学反应的速率且无污染。在传统加热条件下，需要几个小时才能完成的化学反应，受到微波辐射后，可在几分钟内甚至几秒钟内结束反应。这引起了人们极大的兴趣，同时也推动了微波化学的发展。但是由于缺乏高效的微波谐振腔，微波化学的产业化受到限制。微波谐振腔的尺寸对腔内电磁场的分布有很大的影响，之前的微波化学反应装置大都采用矩形谐振器，将装有化学反应物的反应罐放入谐振腔内进行微波加热。矩形腔内的电磁场分布不均匀，不得不将反应罐放置在转盘上进行加热，这导致了微波加热效率不高。为了得到一个加热均匀、效率高且可同时对多个反应罐进行加热的微波化学反应系统，本文使用HFSS仿真软件，设计了一个双圆柱腔结构的微波加热系统，通过数值仿真，得到了一个最佳的圆柱腔尺寸。
1、基本原理与系统模型
1.1、微波传输线理论
微波传输线终端短路时，终端的入射波将被全部反射，沿线各点电压、电流的瞬时值只随时间作正弦变化，而不以波的形式沿线传播，故称之为驻波。在距离终端为z=nλ/2(n=0，1，…)处(含终端)为电压波节点，在距离终端为z=(2n+1)λ/2(n=0，
1，…)处为电压波腹点。根据此理论，选择距离波导短路面λg/4和λg5/4处开孔连接两个圆柱腔，并用两根铜棒将微波从矩形波导宽边的中央位置耦合到圆柱腔中。
1.2、铜棒耦合理论
将铜棒放置于矩形波导宽边的中央位置时，铜棒表面会感应出高频电流，高频电流传播到铜棒顶端后会向外辐射电磁波。因此将铜棒放置于矩形波导宽边中央通过耦合孔伸入圆柱腔内。铜棒底部使用金属罩对其进行屏蔽，以避免能量泄漏。
1.3、双圆柱腔微波加热系统的模型
根据以上理论，利用HFSS软件建立了双圆柱腔微波加热系统的模型，如图1所示。
图1 双圆柱腔微波加热系统
该系统使用BJ22型矩形波导，其尺寸为109.2mm*54.6mm*310mm。耦合孔上端先接一个填充了聚四氟乙烯的下半球，其半径60mm，从该半球底部至顶面开一个半径为7.5mm 的孔，以便调节铜棒的高度。在半球上面接半径为60mm，高度为140mm的圆柱腔。
结论
为了得到一个可对多个化学反应罐同时均匀加热的微波加热系统，本文提出并设计了一种双圆柱腔微波加热系统，该系统使用两根铜棒将终端短路的矩形波导中的微波耦合到两个圆柱腔内，对放入圆柱腔中的化学反应罐实现加热。使用HFSS软件对双圆柱腔微波加热系统建模并仿真，得到了最佳结构尺寸，并且比较了双圆柱腔微波加热系统空载和加载时yz 平面和xy 平面不同高度处的电场分布图。通过仿真可知，调节铜棒的高度、短路活塞和调配螺钉，可使微波高效地耦合到圆柱腔内，而且两个圆柱腔内的电场分布大致相同，可以对放置于圆柱腔内的化学反应罐实现较好的均匀加热。该微波加热系统在微波化学分析中具有良好的应用前景。
