邊曉偉，張 帆，張譯之，周海燕，馬春生，紀(jì)清鑫

（1. 長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110041）

研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)一些企業(yè)科研單位、高校等均開展了微波加熱的相關(guān)研究。陳偉［1］對(duì)單個(gè)模型和磁控管陣列加熱效果進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明陣列中央磁控管模型的加熱均勻性要優(yōu)于單個(gè)磁控管模型；張翼［2］飛對(duì)磁控管陣列的不同間距等對(duì)加熱效果的影響進(jìn)行了研究等。這些所做的工作大部分是基于微波天線的結(jié)構(gòu)固定而做的研究，對(duì)于微波天線結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究相對(duì)較少。

基于此，本文基于微波傳輸?shù)幕纠碚?，借助微波工作室CST軟件，通過對(duì)比初建模型和優(yōu)化后模型仿真的S11值，對(duì)微波天線尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其微波場和溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算，查看加熱效果。

1 模型的建立

在CST微波工作室中建立天線的仿真模型，二折波導(dǎo)天線端口的尺寸為：110mm×135mm，距離混凝土路面距離為50mm。對(duì)基層不予考慮，將瀝青路面的瀝青混合料假定成瀝青混凝土，以立方體的對(duì)角點(diǎn)（-92.5，-99，-200）和（92.5，99，-50）建立混凝土模型，其尺寸為185mm×198mm×150mm，設(shè)置混凝土材料的相對(duì)介電常數(shù)ε=5.8，介質(zhì)損耗角正切值tanσ=0.034，相對(duì)磁導(dǎo)率μ=1。建立模型如圖1所示。

圖1 天線仿真模型

2 模型的優(yōu)化

根據(jù)圖1的模型進(jìn)行仿真，設(shè)定微波頻率為2.45GHz，加熱時(shí)間為300s。S11表示回波損耗，即有多少能量被反射回源端，S11值越小越好，一般建議S11應(yīng)小于0.1，即-20dB，S11值越小說明磁控管產(chǎn)生的能量越多的由天線輻射出去，微波的利用率就會(huì)越高。經(jīng)過仿真計(jì)算之后，查看S11值為-7.37dB（如圖2所示），雖說該值已經(jīng)較小，但是還沒有達(dá)到最佳值，需要對(duì)天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到較好的輻射效果。

圖2 優(yōu)化前S11值

設(shè)置好優(yōu)化參數(shù)為S11，經(jīng)過多次優(yōu)化計(jì)算后，仿真得到S11值為-31.16dB（如圖3所示），小于-20dB。

圖3 優(yōu)化后S11值

3 仿真求解

本次仿真為非穩(wěn)態(tài)的過程，受到客觀因素的限制，所以在建模仿真過程中做出以下假設(shè)：

（1）假設(shè)的混凝土模型的各組分均勻分布，忽略不同層面的介質(zhì)分布不均的影響；

（2）微波在理想介質(zhì)（均勻、各項(xiàng)同性、線性）中以平面波的形式傳播；

（3）天線的內(nèi)壁均勻，為理想的導(dǎo)體，即內(nèi)部的電磁場為零。

經(jīng)仿真后查看微波場的2D/3D Results＞Power Loss Dens（如圖4所示），將微波場仿真得到的功率損耗密度導(dǎo)入到微波工作室多物理場中，并導(dǎo)入優(yōu)化后的模型，設(shè)置初始溫度為-20℃，空氣對(duì)流速率12.5W/m2·℃，加熱時(shí)間為900s，仿真結(jié)束之后查看溫度場的2D/3D Results＞Temperature（如圖5所示）。

圖4 仿真微波場

圖5 仿真溫度場

4 結(jié)論

（1）經(jīng)優(yōu)化后的天線模型較優(yōu)化前，微波的輻射情況有較大的提升，優(yōu)化后的S11值為-31.16dB，明顯小于-20dB，說明微波能量大部分被天線所傳輸出去；

（2）由仿真得到的微波場（見圖4）可以看出，功率損耗分布較為均勻，混凝土模型中心區(qū)域的功率損耗密度值形成由中心散發(fā)的圓形；

（3）由仿真得到的溫度場（見圖5）可以看出，溫度場的分布也呈現(xiàn)中心區(qū)域向四周散發(fā)的布局，中心區(qū)域的溫度向四周逐步遞減。

［1］ 陳偉. 瀝青路面微波現(xiàn)場熱再生仿真研究［D］. 西安：長安大學(xué)，2009.

［2］ 張翼飛. 瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車加熱裝置天線及其陣列仿真研究［D］. 西安：長安大學(xué)，2012.

［3］ 孫天野，張海洋，等. 我國微波加熱再生養(yǎng)護(hù)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］. 公路與汽運(yùn)，2008，5：142-144.

［4］ 張朝暉. ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析［M］. 北京：中國鐵道出版社，2007.