本文提出并設計了一種工作頻率為2.45GHz的雙圓柱腔微波加熱系統。該加熱系統是在矩形波導寬邊中央開孔，用兩支銅棒將矩形波導中傳輸的微波耦合到雙圓柱腔內并對圓柱腔內的化學反應罐進行加熱。仿真研究表明，通過調節短路活塞、耦合銅棒和調配螺釘，在主要工作頻帶內輸入端反射系數小于-10dB，耦合進兩個圓柱腔內的功率相等，兩個圓柱腔內場分布大致相同。此雙圓柱腔微波加熱系統具有效率高、加熱均勻等特點，在微波化學分析中具有較好的應用前景。

　　自從1970年Harwell實驗室使用微波爐裝置成功地處理了核廢料后，微波技術的應用隨之擴展到了化學領域，并形成了一門極具研究熱點的交叉學科———微波化學。

　　近年來，隨著人們對微波化學學科研究的深入，微波技術在化學領域得到了廣泛的應用。使用微波加熱化學反應，可以顯著地提高化學反應的速率且無污染。在傳統加熱條件下，需要幾個小時才能完成的化學反應，受到微波輻射后，可在幾分鐘內甚至幾秒鐘內結束反應。這引起了人們極大的興趣，同時也推動了微波化學的發展。但是由于缺乏高效的微波諧振腔，微波化學的產業化受到限制。微波諧振腔的尺寸對腔內電磁場的分布有很大的影響，之前的微波化學反應裝置大都采用矩形諧振器，將裝有化學反應物的反應罐放入諧振腔內進行微波加熱。矩形腔內的電磁場分布不均勻，不得不將反應罐放置在轉盤上進行加熱，這導致了微波加熱效率不高。為了得到一個加熱均勻、效率高且可同時對多個反應罐進行加熱的微波化學反應系統，本文使用HFSS仿真軟件，設計了一個雙圓柱腔結構的微波加熱系統，通過數值仿真，得到了一個最佳的圓柱腔尺寸。

1、基本原理與系統模型

　　1.1、微波傳輸線理論

　　微波傳輸線終端短路時，終端的入射波將被全部反射，沿線各點電壓、電流的瞬時值只隨時間作正弦變化，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)為電壓波節點，在距離終端為z=(2n+1)λ/2(n=0，

　　1，…)處為電壓波腹點。根據此理論，選擇距離波導短路面λg/4和λg5/4處開孔連接兩個圓柱腔，并用兩根銅棒將微波從矩形波導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寬邊的中央位置時，銅棒表面會感應出高頻電流，高頻電流傳播到銅棒頂端后會向外輻射電磁波。因此將銅棒放置于矩形波導寬邊中央通過耦合孔伸入圓柱腔內。銅棒底部使用金屬罩對其進行屏蔽，以避免能量泄漏。

　　1.3、雙圓柱腔微波加熱系統的模型

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

圖1　雙圓柱腔微波加熱系統

　　該系統使用BJ22型矩形波導，其尺寸為109.2mm*54.6mm*310mm。耦合孔上端先接一個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一個半徑為7.5mm 的孔，以便調節銅棒的高度。在半球上面接半徑為60mm，高度為140mm的圓柱腔。

結論

　　為了得到一個可對多個化學反應罐同時均勻加熱的微波加熱系統，本文提出并設計了一種雙圓柱腔微波加熱系統，該系統使用兩根銅棒將終端短路的矩形波導中的微波耦合到兩個圓柱腔內，對放入圓柱腔中的化學反應罐實現加熱。使用HFSS軟件對雙圓柱腔微波加熱系統建模并仿真，得到了最佳結構尺寸，并且比較了雙圓柱腔微波加熱系統空載和加載時yz 平面和xy 平面不同高度處的電場分布圖。通過仿真可知，調節銅棒的高度、短路活塞和調配螺釘，可使微波高效地耦合到圓柱腔內，而且兩個圓柱腔內的電場分布大致相同，可以對放置于圓柱腔內的化學反應罐實現較好的均勻加熱。該微波加熱系統在微波化學分析中具有良好的應用前景。