[实用新型]一种基于微波非线性器件的高效设备

说明书

本实用新型公布了一种基于微波非线性器件的高效设备的设计方案。微波等离子体在高强度光源、微波紫外线空气灭菌和工业废气治理、等离子体火炬和微波等离子体推进方面有重要应用。本实用新型采用耦合螺钉和矩形波导、圆波导、同轴线或者其它传输线实现了两个相互串接的谐振腔，其谐振频率分别对应该设备的运行频率和点火频率。微波源首先工作在点火频率点火成功，然后变化频率到运行频率高效地运行。本实用新型既能自动地被点燃，又可以高效率地运行，可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理、微波等离子体火炬、微波等离子体气相沉积、微波等离子体推进器等领域。

技术领域

本实用新型涉及一种基于微波非线性器件的高效设备。具体地说，是涉及一种利用阻抗匹配器和变频微波源实现气体等离子体放电器件自动点火并高效率工作的高效等离子体设备。

背景技术

在大功率微波作用下，气体将被电离，产生等离子体并且发光。利用微波激发等离子体实现的高强度气体放电灯具有高亮度、接近太阳光线的色谱、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于汽车大灯、广场照明和大棚蔬菜光源。利用微波点亮的无极紫外灯，具有高亮度、长寿命和高发光效率等优点，可以广泛用于大气和饮用水杀菌，还可以用于工业废气和工业废水处理等领域。利用微波电离气体实现的微波等离子体火炬具有高温、无污染、可以迅速启停的特点，在机动车发动机点火、大型锅炉点火、金属切割、表面清洁，甚至外科手术方面都有广泛的用途。微波等离子体推进器利用微波电离气体产生等离子体，可望为的太空飞行提供一种新的动力。

但是，大部分微波等离子体器件的输入阻抗呈现出很强的非线性，属于强非线性器件。在小信号时，气体未被电离，对微波的吸收很弱。大部分投射到气体上的微波将会被反射。为了电离气体，需要很强的微波场强。比如，在一个大气压下，空气的击穿场强为每米三百万伏。在大功率微波作用下，气体被电离后形成的等离子体会很好地吸收微波。早起方案为了点燃等离子体器件，需要大功率微波。当器件被点燃后，由于负载出现显著变化引起严重阻抗失配，大部分微波能量被反射，被等离子体吸收的微波功率很小，器件的能量效率很低。微波等离子体器件的强非线性也会使小功率的微波等离子体器件难以实现。

Yong C.Hong等人于2011年报道了一种微波等离子体火炬【IEEE TRANSACTIONSON PLASMA SCIENCE,VOL.39,NO.10,OCTOBER 2011，pp.1958-1962】。其中采用移动钨丝手动方式点燃微波等离子体器件。这种方法，不利于设备的自动化运行。Christoph Schopp和Holger Heuermann于2013年提出了一种双态匹配方案【2013年，Proceedings of the 43rdEuropean Microwave Conference，pp.881-884】。该方案采用集总参数匹配电路，利用频率切换，很好地解决了气体放电灯的自动点火和高效率工作的问题。但是，这种方法具有以下几个缺点：1)该匹配电路的插损比较大，将严重降低该方案的能量效率。2)在常用的2450MHz的微波频段，集总参数电路的功率容量比较小。该方案在工业和环保领域的应用受到功率容量的限制。3)该方案的匹配电路结构复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、插损低、效率高的微波等离子体设备。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于微波非线性器件的高效设备，包括依次连通的一个微波源，一个调节电路，和至少一个非线性器件。所述调节电路与所述非线性器件构成非线性负载，所述非线性负载与所述微波源连接的端口为输入端。所述非线性负载具有两种状态，小信号状态和大信号状态。所述调节电路包括至少一个调节体和位于所述调节体前端的第一耦合结构和位于所述调节体后端的第二耦合结构。小信号时，所述第一耦合结构、所述第二耦合结构、所述第一耦合结构与所述第二耦合结构之间的调节体一起构成第一谐振腔，所述第一谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f1。小信号时，所述第二耦合结构、所述第二耦合结构与所述非线性器件之间的调节体、所述非线性器件一起构成第二谐振腔，所述第二谐振腔的至少一个谐振模式的谐振频率为f2。