小型低功率微波等离子炬以及柱形微波炉腔体仿真设计

摘要

微波能是一种高频电磁能，其在工农业生产、医疗卫生、航空航天、生活电器、科学研究等方面得到广泛的应用。近年来，一种利用微波能的微波点火器被大量研究应用于汽车发动机气缸中。该微波点火器取代传统火花塞，可以达到节约能源、减少废气排放等目的。结合微波点火器的国内外文献和研究成果并分析其优缺点，本文设计了一种小型低功率微波等离子炬装置，该装置能够进行频率调谐而且在低功率激励下能够产生微波等离子炬点火；利用微波能加热特点的微波炉是现今家庭厨房电器中不可缺少的设备。相比传统矩形微波炉，圆柱形腔体的空间利用率比较大。本文对圆柱形腔体微波炉模型进行了仿真设计研究，旨在设计一种均匀性较好和空间利用率较高的圆柱形微波炉。本文设计主要分为以下两个部分：
　　第一部分为小型低功率微波等离子炬装置设计、加工及实验。首先对典型的四分之一波长同轴谐振腔进行了模拟仿真，发现内导体直径固定在2mm时的尖端电场比较小，因此采用外导体锥形渐变结构来提高尖端电场。然后对谐振腔内外导体尺寸、耦合结构、开口大小、通气孔位置以及调谐结构等进行了优化设计。最终确定模型后进行了加工并测试了装置的谐振频率、S11参数和品质因数。实物装置的S11参数在2.4GHz—2.5GHz频段内都小于-12dB。而且随着谐振频率的升高，S11随之减小，在2.5GHz频点时达到最小值约-33dB，并且该频段内的腔体品质因数在380左右。最后搭建实验平台并在空气中进行了实验，最终产生了微波等离子炬点火。
　　第二部分为圆柱形腔体的微波炉模型仿真设计。首先介绍了模型的磁控管天线、传输波导、耦合窗、圆柱形腔体等基本模块。然后对腔体半径、高度、耦合窗位置、玻璃盘半径等参数进行了扫参优化。接着通过场计算器计算了1000mL水的电场均匀性，发现单杯水的电场均匀性较差。然后又设计了5杯100mL水来进一步仿真研究电场均匀性，发现随着频率、相位和水杯位置的变化，5杯水的电场均匀性也随之改变。总体来说，电场均匀性都能达到60％以上，其中旋转90o时5杯水的电场均匀性最好为72.5%。

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第一章 绪 论

1.1 微波等离子体的特点及其应用

1.2 小型微波等离子炬的国内外研究现状及意义

1.3 微波加热的特点和微波炉的国内外研究现状及意义

1.4 三维电磁仿真软件HFSS概述

1.5 本论文的内容安排及创新点

第二章 微波谐振腔基本特性

2.1 谐振腔的基本特性

2.2 λ/4同轴谐振腔基本结构及其电磁特性

2.3 圆柱形谐振腔

2.4 本章小结

第三章 小型低功率微波等离子炬装置设计

3.1 建立仿真模型

3.2 腔体结构设计

3.3 带汽缸模型仿真

3.4 装置加工及基本特性测试

3.4 本章小结

第四章 小型低功率微波等离子炬实验

4.1 实验平台

4.2 实验步骤与结果分析

4.3 本章小结

第五章 圆柱形微波炉腔体仿真设计

5.1 磁控管天线仿真模型

5.2 微波炉传输波导

5.3 微波炉耦合窗

5.4 微波炉炉腔

5.5 圆柱微波炉模型仿真设计

5.6 利用HFSS场计算器求解电场均匀性

5.7 均匀性分析

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻硕时期获得的研究成果