就地热再生设备微波天线结构的优化设计

2018-05-28边晓伟张译之周海燕马春生纪清鑫

建筑机械 2018年5期

边晓伟，张帆，张译之，周海燕，马春生，纪清鑫

（1. 长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西西安 710064；2. 辽沈工业集团有限公司，辽宁沈阳 110041）

研究发现，国内一些企业科研单位、高校等均开展了微波加热的相关研究。陈伟［1］对单个模型和磁控管阵列加热效果进行了对比研究，结果表明阵列中央磁控管模型的加热均匀性要优于单个磁控管模型；张翼［2］飞对磁控管阵列的不同间距等对加热效果的影响进行了研究等。这些所做的工作大部分是基于微波天线的结构固定而做的研究，对于微波天线结构尺寸的优化设计等方面的研究相对较少。

基于此，本文基于微波传输的基本理论，借助微波工作室CST软件，通过对比初建模型和优化后模型仿真的S11值，对微波天线尺寸进行优化设计，并对其微波场和温度场进行仿真计算，查看加热效果。

1 模型的建立

在CST微波工作室中建立天线的仿真模型，二折波导天线端口的尺寸为：110mm×135mm，距离混凝土路面距离为50mm。对基层不予考虑，将沥青路面的沥青混合料假定成沥青混凝土，以立方体的对角点（-92.5，-99，-200）和（92.5，99，-50）建立混凝土模型，其尺寸为185mm×198mm×150mm，设置混凝土材料的相对介电常数ε=5.8，介质损耗角正切值tanσ=0.034，相对磁导率μ=1。建立模型如图1所示。

图1 天线仿真模型

2 模型的优化

根据图1的模型进行仿真，设定微波频率为2.45GHz，加热时间为300s。S11表示回波损耗，即有多少能量被反射回源端，S11值越小越好，一般建议S11应小于0.1，即-20dB，S11值越小说明磁控管产生的能量越多的由天线辐射出去，微波的利用率就会越高。经过仿真计算之后，查看S11值为-7.37dB（如图2所示），虽说该值已经较小，但是还没有达到最佳值，需要对天线结构尺寸进行调整，以期达到较好的辐射效果。

图2 优化前S11值

设置好优化参数为S11，经过多次优化计算后，仿真得到S11值为-31.16dB（如图3所示），小于-20dB。

图3 优化后S11值

3 仿真求解

本次仿真为非稳态的过程，受到客观因素的限制，所以在建模仿真过程中做出以下假设：

（1）假设的混凝土模型的各组分均匀分布，忽略不同层面的介质分布不均的影响；

（2）微波在理想介质（均匀、各项同性、线性）中以平面波的形式传播；

（3）天线的内壁均匀，为理想的导体，即内部的电磁场为零。

经仿真后查看微波场的2D/3D Results＞Power Loss Dens（如图4所示），将微波场仿真得到的功率损耗密度导入到微波工作室多物理场中，并导入优化后的模型，设置初始温度为-20℃，空气对流速率12.5W/m2·℃，加热时间为900s，仿真结束之后查看温度场的2D/3D Results＞Temperature（如图5所示）。