[实用新型]一种高效微波激励气体放电设备

说明书

本实用新型公布了一种高效微波激励气体放电设备的设计方案。本实用新型在设备中设置有可以切换状态的耦合结构。在点火时让耦合结构工作在弱耦合的第一状态，在非线性器件中形成谐振频率与微波源工作频率相同的强谐振并顺利点火，然后让耦合结构工作在几乎直通的第二状态，让所述微波源产生的微波几乎全部被非线性器件吸收，让设备高效率地工作。本实用新型可以被应用到各种气体和液体的消毒杀菌处理，高亮度长寿命的照明灯和微波等离子体火炬中。

技术领域

本实用新型涉及一种高效微波激励气体放电设备。具体地说，是涉及一种利用双态工作的耦合结构实现气体等离子体放电设备低功率自动点火并工作的高效气体放电设备。

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，可以广泛用于空气和饮用水杀菌，还可以用于工业废气和工业废水处理等领域。利用微波电离气体产生的等离子体火炬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。早期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，一定程度地解决了气体放电灯的自动点火并提高了气体放电灯的能量效率。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，严重降低了该方案的能量效率。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)对于加工误差和元器件的参数误差，该方案缺乏可调性，很难达到最佳工作状态。4)该方案需要微波源在点火和工作中进行频率切换，增加了微波源的制造成本。5)对于目前单位功率价格最低的高功率磁控管，由于其很宽的频谱和不稳定的工作频率，该匹配电路由于工作带宽不够进一步导致能量效率的降低。

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：

一种高效微波激励气体放电设备，包括依次连通的一个工作频率为f0的微波源和一个非线性器件；在所述微波源和所述非线性器件之间设置有至少一个耦合结构；所述非线性器件根据所述微波源输出微波信号的大小具有两种状态，小信号状态和大信号状态；所述耦合结构具有两个状态，所述耦合结构的第一状态对应着弱耦合状态，所述耦合结构的第二个状态对应着强耦合状态；在所述非线性器件从小信号状态变为大信号状态后，所述耦合结构在第一状态和第二状态之间切换。

所述耦合结构的第二个状态对应的强耦合状态，可以是所述微波源和所述非线性器件直接相连的状态，相当于是将耦合结构全部去除的状态。对于耦合螺钉，相当于将其从非线性器件中全部退出。