基于915MHz 微波天線的加熱距離對加熱效果的影響

劉成啟

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 微波加熱瀝青混合料概述

微波是一種電磁波， 在眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用， 如雷達(dá)、通信、生物醫(yī)學(xué)等方面。 微波加熱是微波技術(shù)的重要應(yīng)用之一，微波加熱被利用在各個行業(yè)中，如微波除冰[1]、微波干燥等。 微波加熱具有即時性、整體性、選擇性等特點，因此被廣泛應(yīng)用在瀝青混合料的加熱中。 在研究頻率對加熱瀝青混合料加熱效率的影響時，發(fā)現(xiàn)頻率越高，加熱效率越高[2]。 另外，有很多學(xué)者在其他方面也進(jìn)行了大量的研究，包括在單個天線模型優(yōu)化、天線陣列等方面，都取得了不錯的研究成果[3-6]。 同時在瀝青路面養(yǎng)護(hù)應(yīng)用方面也達(dá)到了一定的效果。

微波加熱瀝青混合料的原理為， 微波輻射具有穿透性，在瀝青混合料內(nèi)形成高頻交變的電磁場。 瀝青混合料中絕大部分成份是骨料和粉料， 而在其內(nèi)部存在極性分子，極性分子在電磁場中會形成偶極子，偶極子會隨著電場的方向而重新排列。 電磁場是高頻交變的，偶極子也會隨之產(chǎn)生劇烈的運動，在此過程中，偶極子之間會不斷地進(jìn)行摩擦運動，從而產(chǎn)生熱量。 在骨料中先產(chǎn)生熱量，再傳輸給周圍的瀝青，從而實現(xiàn)瀝青混合料的加熱，就是微波加熱瀝青混合料的原理。

微波加熱時， 波導(dǎo)端口與瀝青表面的距離會對微波加熱效率產(chǎn)生一定的影響， 以前的學(xué)者對2.45GHz 和5.8GHz 兩種頻率進(jìn)行了研究， 得出結(jié)論為在波導(dǎo)端口距瀝青路面50mm 時，加熱效果最好[5]。但是對于915MHz 頻率的研究很少，最佳加熱距離是未知的。 基于此，本文將對915MHz 頻率下的微波天線端口與瀝青混合料距離進(jìn)行仿真，并進(jìn)行對比分析，從而得出最佳的加熱距離和最佳加熱效果。

2 微波加熱模型建立與仿真

在CST STUDIO SUITE 軟件中，基于915MHz 喇叭天線模型， 根據(jù)微波技術(shù)相關(guān)知識計算喇叭天線的尺寸，按照矩形波導(dǎo)中只傳輸主模即單模傳輸模式的原則， 建立微波加熱瀝青混合料模型。 因此，本文所采用的喇叭天線矩形波導(dǎo)尺寸為248mm×126mm。 波導(dǎo)端口設(shè)計成喇叭形狀， 為實現(xiàn)微波能輻射的范圍更大， 因此不能設(shè)計太小。但也不能設(shè)計太大，因為波導(dǎo)尺寸過大會導(dǎo)致微波輻射過于分散，能量不夠集中，導(dǎo)致加熱效果不好，因此設(shè)計波導(dǎo)端口尺寸為270mm×210mm。 瀝青混合料參數(shù)如表1 所示，加熱模型如圖1 所示。

表1 瀝青混合料參數(shù)

圖1 加熱模型

模型建立完成后，對模型進(jìn)行微波場仿真，波導(dǎo)端口選取從10mm 到100mm 的范圍，步長為10mm，共10 組數(shù)據(jù)。 仿真完成后，在Result 中查看功率損耗密度分布，顏色越深，表示功率損耗密度越大。 由于篇幅有限，只列出部分模型仿真結(jié)果云圖，如圖2 所示。

圖2 不同距離下仿真結(jié)果

表2 最大功率損耗密度

功率損耗密度可以反應(yīng)出微波能量在瀝青混合料中損耗的情況， 也就是瀝青混合料吸收微波能量的多少，功率損耗值越大，說明瀝青混合料吸收微波能量越多，就有越多的微波能轉(zhuǎn)化為熱能， 瀝青混合料的溫度也就越高。在不同距離下最大功率損耗密度值如表2 所示。

將不同距離下的最大功率損耗密度繪成曲線圖，以更為直觀。 天線波導(dǎo)端口與瀝青混合料不同距離下最大功率損耗密度曲線如圖3 所示。

圖3 最大功率損耗密度曲線圖

3 結(jié)論

1） 從圖2 可以看出， 瀝青混合料表面的顏色中間最深，四周最淺，并且是從中間向四周逐漸變化的，說明喇叭天線對微波具有一定的輻射作用，并且正中間的微波能量最集中，并且向四周發(fā)散。 還可以看出，波導(dǎo)端口與瀝青混合料的距離越大，微波輻射范圍越大。

2） 從表2 和圖3 可以看出， 天線波導(dǎo)端口與瀝青混合料表面在不同距離下，最大功率損耗密度不同。 最大功率損耗密度為22.217 W·m3， 最小功率損耗密度為14.929W·m3， 最大功率損耗密度與最小功率損耗密度相差了7.288W·m3，相差幅度達(dá)到了36%，說明天線波導(dǎo)端口與瀝青混合料表面的距離會對微波加熱效果會產(chǎn)生很大的影響。

3） 從圖3 可以看出，在不同距離下，瀝青混合料最大功率損耗密度整體隨著二者距離的變大先呈小幅度上升，然后呈持續(xù)下降的趨勢。 最高峰出現(xiàn)在二者距離為40mm處，此時的最大功率損耗密度為22.217 W·m3，說明在此距離下瀝青混合料吸收微波能量最多，從而產(chǎn)生的熱量最多，加熱后的瀝青混合料的溫度也就越高。

綜上所述，基于915MHz 頻率的微波喇叭天線的最佳加熱距離為40mm，可以達(dá)到最佳的加熱效果，為微波加熱設(shè)備的研發(fā)提供了一定的參考。