本文利用矩形波导微波化学反应系统，对微波等离子体作用下，甲烷及甲烷和氢气的混合气体产生等离子体进行研究，具体分析了气体压强、微波功率及气体比例对反应产物的影响，以及生成乙炔的能量产率和时空产率。利用基于有限元方法的HFSS软件设计了满足实验要求的高功率微波可变衰减器；提出了一种非接触式测量等离子体的相对介电常数的方法，即通过实验测量结合HFSS软件仿真技术来确定等离子体的等效相对介电常数；在实验中发现微波等离子体甲烷偶联时乙炔收率远高于传统热力学平衡收率理论值，由于在微波等离子体系统中存在着非膨胀功，而热力学平衡收率的推导前提是忽略了非膨胀功。　　 第一章在广泛调查基础上，论述了微波等离子体条件下，甲烷偶联反应的发展状况，阐述了前人研究的困难和不足，概述了本文的主要内容及在微波等离子体条件中甲烷偶联的研究方面所做的创新性工作。　　 第二章根据实验要求设计了一套基于矩形波导的微波化学反应系统。利用HFSS软件设计了高功率微波可变衰减器，制成的衰减器的衰减量和电压驻波比基本符合实验要求。　　 第三章提出了一种非接触式测量等离子体的相对介电常数的方法，即通过实验测量结合HFSS软件仿真技术来确定等离子体的等效相对介电常数。根据实验中微波矩形谐振腔内氢气等离子体生成前后谐振频率的变化，利用HFSS软件仿真能够计算出氢气等离子体的等效相对介电常数，并且用聚四氟乙烯验证了该方法的可信性。由仿真结果可知：氢气和氢气等离子体的相对介电常数有明显的不同，氢气等离子体的等效相对介电常数小于1。一定的压强范围内，氢气等离子体的等效相对介电常数随着等离子体压强的变化而变化。　　 第四章进行了单模谐振腔中微波等离子体下甲烷偶联的实验。通过优化设计矩形波导谐振腔微波化学反应器，大幅提高微波等离子体下甲烷转化率(最高为93.7％)、C2烃收率（最高为91％）和乙炔收率（最高为88.6％）。与文献相比，生成乙炔的能量产率和时空产率也都比较高。说明本实验在优化反应器结构后，甲烷转化为乙炔的综合效果较好。在常压时，微波等离子体下，讨论了n(CH4)/n(H2)对积碳的影响，结果表明当n(CH4)/n(H2)为1/4或比例更小时积碳较少。当n(CH4)/n(H2)为1/4时，甲烷偶联反应能够持续30分钟以上。　　 第五章对微波等离子体催化甲烷偶联制C2烃进行了理论探讨。利用发射光谱法对微波等离子体下甲烷偶联反应进行了诊断研究，在300nm～750nm波长范围内激发态物种有：CH，C2，H2，Hα。根据反应产物和激发态物种从化学反应热力学和动力学上对甲烷偶联反应机理进行了分析。微波等离子体甲烷偶联时乙炔收率远高于传统热力学平衡收率理论值，这是由于在微波等离子体系统中存在着非膨胀功，而在化学热力学中，判据ArGm≤0是不包含非膨胀功的。在微波等离子体下甲烷转化为乙炔主要是通过自由基反应进行的。