基于915MHz 微波天线的加热距离对加热效果的影响

刘成启

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

1 微波加热沥青混合料概述

微波是一种电磁波， 在众多领域中均有应用， 如雷达、通信、生物医学等方面。 微波加热是微波技术的重要应用之一，微波加热被利用在各个行业中，如微波除冰[1]、微波干燥等。 微波加热具有即时性、整体性、选择性等特点，因此被广泛应用在沥青混合料的加热中。 在研究频率对加热沥青混合料加热效率的影响时，发现频率越高，加热效率越高[2]。 另外，有很多学者在其他方面也进行了大量的研究，包括在单个天线模型优化、天线阵列等方面，都取得了不错的研究成果[3-6]。 同时在沥青路面养护应用方面也达到了一定的效果。

微波加热沥青混合料的原理为， 微波辐射具有穿透性，在沥青混合料内形成高频交变的电磁场。 沥青混合料中绝大部分成份是骨料和粉料， 而在其内部存在极性分子，极性分子在电磁场中会形成偶极子，偶极子会随着电场的方向而重新排列。 电磁场是高频交变的，偶极子也会随之产生剧烈的运动，在此过程中，偶极子之间会不断地进行摩擦运动，从而产生热量。 在骨料中先产生热量，再传输给周围的沥青，从而实现沥青混合料的加热，就是微波加热沥青混合料的原理。

微波加热时， 波导端口与沥青表面的距离会对微波加热效率产生一定的影响， 以前的学者对2.45GHz 和5.8GHz 两种频率进行了研究， 得出结论为在波导端口距沥青路面50mm 时，加热效果最好[5]。但是对于915MHz 频率的研究很少，最佳加热距离是未知的。 基于此，本文将对915MHz 频率下的微波天线端口与沥青混合料距离进行仿真，并进行对比分析，从而得出最佳的加热距离和最佳加热效果。

2 微波加热模型建立与仿真

在CST STUDIO SUITE 软件中，基于915MHz 喇叭天线模型， 根据微波技术相关知识计算喇叭天线的尺寸，按照矩形波导中只传输主模即单模传输模式的原则， 建立微波加热沥青混合料模型。 因此，本文所采用的喇叭天线矩形波导尺寸为248mm×126mm。 波导端口设计成喇叭形状， 为实现微波能辐射的范围更大， 因此不能设计太小。但也不能设计太大，因为波导尺寸过大会导致微波辐射过于分散，能量不够集中，导致加热效果不好，因此设计波导端口尺寸为270mm×210mm。 沥青混合料参数如表1 所示，加热模型如图1 所示。

表1 沥青混合料参数

图1 加热模型

模型建立完成后，对模型进行微波场仿真，波导端口选取从10mm 到100mm 的范围，步长为10mm，共10 组数据。 仿真完成后，在Result 中查看功率损耗密度分布，颜色越深，表示功率损耗密度越大。 由于篇幅有限，只列出部分模型仿真结果云图，如图2 所示。

图2 不同距离下仿真结果

表2 最大功率损耗密度

功率损耗密度可以反应出微波能量在沥青混合料中损耗的情况， 也就是沥青混合料吸收微波能量的多少，功率损耗值越大，说明沥青混合料吸收微波能量越多，就有越多的微波能转化为热能， 沥青混合料的温度也就越高。在不同距离下最大功率损耗密度值如表2 所示。

将不同距离下的最大功率损耗密度绘成曲线图，以更为直观。 天线波导端口与沥青混合料不同距离下最大功率损耗密度曲线如图3 所示。

图3 最大功率损耗密度曲线图

3 结论

1） 从图2 可以看出， 沥青混合料表面的颜色中间最深，四周最浅，并且是从中间向四周逐渐变化的，说明喇叭天线对微波具有一定的辐射作用，并且正中间的微波能量最集中，并且向四周发散。 还可以看出，波导端口与沥青混合料的距离越大，微波辐射范围越大。

2） 从表2 和图3 可以看出， 天线波导端口与沥青混合料表面在不同距离下，最大功率损耗密度不同。 最大功率损耗密度为22.217 W·m3， 最小功率损耗密度为14.929W·m3， 最大功率损耗密度与最小功率损耗密度相差了7.288W·m3，相差幅度达到了36%，说明天线波导端口与沥青混合料表面的距离会对微波加热效果会产生很大的影响。

3） 从图3 可以看出，在不同距离下，沥青混合料最大功率损耗密度整体随着二者距离的变大先呈小幅度上升，然后呈持续下降的趋势。 最高峰出现在二者距离为40mm处，此时的最大功率损耗密度为22.217 W·m3，说明在此距离下沥青混合料吸收微波能量最多，从而产生的热量最多，加热后的沥青混合料的温度也就越高。

综上所述，基于915MHz 频率的微波喇叭天线的最佳加热距离为40mm，可以达到最佳的加热效果，为微波加热设备的研发提供了一定的参考。