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就地热再生设备微波天线结构的优化设计

更新时间：2009-03-28

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。

（1）经优化后的天线模型较优化前，微波的辐射情况有较大的提升，优化后的S11值为-31.16dB，明显小于-20dB，说明微波能量大部分被天线所传输出去；

（3）天线的内壁均匀，为理想的导体，即内部的电磁场为零。

  

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：

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）。

该厂的二段浓缩机底流中固液产率γD=4.41%，即底流中固体和液体的质量占入料的4.41%。底流固体回收率εD=98.03%，即有98.03%固体物沉淀下来，随底流排出，底流液体错配率即底流中携带的水量只占入料的3%，浓缩效率ηn=95.03%，可见浓缩效果较好。

“算术是物体集合”隐喻不仅适用于加法和减法，也适用于乘法和除法。根据莱考夫的观点，乘法和除法的隐喻映射是“算术是物体集合”隐喻的扩展。所不同的是，在以隐喻描述加法和减法时，只使用了数字，而在以隐喻描述乘法和除法时，则使用了物体集合和数字的隐喻混合(metaphoric blend)。[2]61 莱考夫指出，隐喻混合(metaphoric blending)不是一种新的机制，而仅仅是进行隐喻映射的结果。[2]60对于乘法和除法的隐喻映射，限于篇幅，我们此处只列出莱考夫的一个隐喻映射说明，如下：

（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；

  

图4 仿真微波场

  

图5 仿真温度场

4 结论

Markham等建立了前端创新活动对产品性能的影响的模型，前端性能可以独立地影响整个产品的成功、上市时间、市场渗透率和财务业绩。可见，产品创新活动的前端研发活动至关重要。

（2）由仿真得到的微波场（见图4）可以看出，功率损耗分布较为均匀，混凝土模型中心区域的功率损耗密度值形成由中心散发的圆形；

（3）由仿真得到的温度场（见图5）可以看出，温度场的分布也呈现中心区域向四周散发的布局，中心区域的温度向四周逐步递减。

［参考文献］

［1］ 陈伟. 沥青路面微波现场热再生仿真研究［D］. 西安：长安大学，2009.

［2］ 张翼飞. 沥青路面微波养护车加热装置天线及其阵列仿真研究［D］. 西安：长安大学，2012.

［3］ 孙天野，张海洋，等. 我国微波加热再生养护设备的发展现状及趋势［J］. 公路与汽运，2008，5：142-144.

［4］ 张朝晖. ANSYS热分析教程与实例解析［M］. 北京：中国铁道出版社，2007.

 
边晓伟，张帆，张译之，周海燕，马春生，纪清鑫
《建筑机械》 2018年第05期
《建筑机械》2018年第05期文献

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