（无线电物理专业论文）沥青路面微波养护设备系统的优化设计.pdf

摘要 摘要 通过微波加热公路养护设备的研制成功，一种用于养护机械上的加热技术一 一微波加热技术证明是先进可行的，并具有良好的经济和社会效益。再加上近些 年公路沥青路面各种病害的大量出现，某公司根据市场发展需求，首次推出了沥 青路面微波设备养护车。 本文首先简要介绍了沥青路面微波养护设备车的特点及其沥青路面养护现 状，进一步证实了微波加热车推出的可行性和先进性。众所周知，磁控管是微波 加热中的心脏，因此磁控管的工作原理即微波能的产生过程以及微波加热的基本 原理在本文中得到了详细的阐述。另外，介电常数也是微波加热过程中的一个重 要参数，本文针对材料物理性能对于加热的影响以及影响介质特性的典型参数作 了简单的分析，同时对沥青介电常数进行了分析和测量。 在上面的理论和实验基础上，本文作者对加热车上单个辐射器进行了仿真优 化，重点放在了磁控管的安装中心距离波导短接面的距离优化，在很大程度上降 低了微波反射，提高了传输效率，保护了磁控管的使用寿命。本文还提出了一种 新形状喇叭辐射器，不仅传输性能好，而且结构简单利于加工和安装。 本文对辐射器阵列的耦合问题通过仿真进行了简单的探究，通过仿真辐射器阵 列可以查看辐射器间的相互耦合大小，进而可以调整辐射器的间距，以达到最大 能量的输出。本文也部分介绍了微波对人体的伤害以及微波加热车上微波泄漏的 防护工作。 关键词：微波加热，介电常数，磁控管，辐射器，沥青 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t b yt h es u c c e s so fd e v e l o p m e n ti nm i c r o w a v eh e a t i n gh i g h r o a de q u i p m e n tf o r c u r i n g , ak i n do fh e a t i n gt e c h n i q u ea p p l i e di nc u r i n gm a c h i n e r y - m i c r o w a v eh e a t i n g t e c h n i q u ei sp r o v e da d v i s a b l ea n da d v a n c e db e s i d e sf a v o r a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s a n di nr e c e n ty e a r sv a r i o u sd i s e a s e so fa s p h a l tp a v e m e n t sh a v ea p p e a r e d ， m i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t sf o ra s p h a l tp a v e m e n t sc u r i n ga r ef i r s t l ym a n u f a c t u r e d i nac o m p a n ya c c o r d i n gt om a r k e td e v e l o p m e n td e m a n d f i r s t l yt h ef e a t u r eo fm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t sf o ra s p h a l tp a v e m e n t sc u r i n g a n dt h ec u r i n gs i t u a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t sa r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i sp a p e r m i c r o w a v eh e a t i n ga s p h a l te q u i p m e n t sh a v eb e e np r o v e da d v i s a b l ea n da d v a n c e d s t r o n g l y t h a tm a g n e t r o ni s t h eh e a r to fm i c r o w a v eh e a t i n gi sw e l lk n o w ns ot h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fm a g n e t r o n ，t h a ti s ，t h em i c r o w a v ee n e r g yg e n e r a t ep r o c e s sa n d t h em i c r o w a v eh e a t i n gp r i n c i p l ea r ee x p o u n d e di nt h ep a p e r i na d d i t i o n ，p e r m i t t i v i t yi s a l s oa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nm i c r o w a v eh e a t i n g e f f e c t so fm a t e r i a l p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i co nh e a t i n ga n de f f e c t so ft y p i c a lp a r a m e t e r so np e r m i t t i v i t ya r ea n a l y z e d s i m p l yi nt h ep a p e r t h ep e r m i t t i v i t yo fa s p h a l ti sm e a s u r e da n da n a l y z e d b a s e di nt h ea b o v et h e o r ya n de x p e r i m e n t a t i o n ，t h ea u t h o rh a so p t i m i z e dt h e s i n g l er a d i a t o ro nt h eh e a t i n gm o t o r c a r t h ei m p o r t a n to p t i m i z a t i o ni st h em o u n t i n g p o s i t i o no fm a g n e t r o n t h er e f l e c t e dp o w e ro ft h eo p t i m i z e dm o d e li sg r e a t l yr e d u c e d c o m p a r e d w i t ht h e n o n o p t i m i z e dm o d e l ，a n d t h er e s u l t sa r e p r o v e db y e x p e r i m e n t a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nn o to n l ys a t i s f i e st h ed e m a n df o rh e a t i n ge f f i c i e n c y , b u ta l s oi nf a v o ro ft h eu s el i f eo fm a g n e t r o n an e ws h a p eo fh o r nr a d i a t o rh a sb e e n o p t i m i z e d ，n o to n l yt h eg o o dp e r f o r m a n c e ，b u ta l s ot h es i m p l es t r u c t u r eb e n e f i c i a lt o p r o c e s s i n ga n df i x i n g t h ec o u p l i n gp r o b l e mo ft h er a d i a t o ra r r a yh a sb e e ns t u d i e db ys i m u l a t i o ni n c o m p u t e r t h ec o u p l ed e g r e eo fr a d i a t o r si sk n o w nb ys i m u l a t i o ns ot h a tw ec a na d j u s t t h es p a c i n go fr a d i a t o r si no r d e rt ot h em o s te n e r g yo u t p u t t h ei n j u r yo fm i c r o w a v et o b o d ya n d t h ep r o t e c t i v ea c t i o n so nt h em i c r o w a v eh e a t i n gc a ra r ei n t r o d u c e dp a r t l y k e y w o r d s ：m i c r o w a v eh e a t i n g ，p e r m i t t i v i t y , m a g n e t r o n ，r a d i a t o r , a s p h a l t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：厘焦。丛日期：仉旧年lj 寻t 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：庭丝鱼复导师签名：! ! - 茎坠 1， 日期： 32s o q 0 0 0 0 0 0g h z1 7 5 0 6 j 、j 1 0 0 n n 滁| | ，7 ，j ，一、2 6 0 0 4 、：7。i “：! 一 一：三i ；i。 憋善 l ? ；i 1 “ 一? 。i， ，7f7 、 l 瑚 ” ? 一7 j ， i 9 0 0 jk 一0 、 li ! ， 。l z 、o 一一j _ 7 - i ：, u u 、 1 j 0 0 、 _h j i o lx矗 一 ( b ) 用矢量网络分析仪测量的驻波比图 图4 - 9 实物图及其驻波比测试图 微波加热的数值模拟的难点在于缺乏材料特性随温度变化的翔实数据，这依 赖于实验测量以及拟和经验公式，以及相关模型的改进工作来克服。 4 3 新形状辐射器的设计 在前期优化的基础上，提出一种新型辐射器结构。新型辐射器结构比较简单， 4 l 电子科技大学硕士学位论文 上面是矩形波导，下面是喇叭波导。其中矩形波导横截面尺寸a = 8 6 3 6 m m ， b = 4 3 1 8 r a m ，高度啊= 8 3 m m 。喇叭波导上e l 尺寸a ，= 8 6 3 6 r a m ，包= 4 3 1 8 r a m ， 下口尺寸a ，= 1 1 6 3 6 m m ，6 = 1 3 3 1 8 r a m ，高度j j l = 4 5 r a m 。这种结构对目前加热 系统的改造也相对比较简单，不仅利于加工也利用安装。且该辐射器的结构尺寸 的优化按照沥青路面微波养护车上的尺寸要求设计的，具有可行性，其模拟结果 如图4 1 0 、4 1 1 和4 1 2 所示。 粤罂慧嘹翼辫慧舅舅裹蹩舅懋熙孽辫嬲嬲繁戮豳继幽墟幽幽幽缒隧。期簧 脚，麟帅峨c 州。瞄目姑垃e 书二s d 蛆。生酷l 站h 4 州蜘杠 “_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ u o o i 每j 叠舀罐委荔i 一。茹。萌鬻荔器。警零国耷孬i 茵虿谱+ i ：磊g i 雠f ；r e e “。 零 ；+ _ 。_ 。“ i 垫：琶蟊! ；茅蓬一二k 一+ 黪蠹毫霉，! t ! f ! e | ；一留舻i 。? 。鳓锄i 。t ；气0 。、磐：；二一。乡i 【毫曩 。 “ l a 障霾豳一a 羽 l ；蒸i 曩i 。 盘b 蜘| 瑷磁磁缴戮瓣溯麴黝缢缓缀戮霸潮豳矗 $ 白唧i强弱缀鼷缢潮幽蟹霉磁缀蕊 $ 臼m i渤臻黼缵翟嬲黑霸嬲翳翮驻阻 i 喜臼驯r e _ m|i i 强弱缀缓翳戮缀缀缓缀缓嬲缀缴飘臻礴艮 ：撼i 盘m “i糍黧鼢缴攀攀幽缫学幽攀掣缨甥愿 i ；鎏歉p r o , m ri 雾。鎏：誉ji ，j ；| 参；! _ 1 ：_ i 豢 盼l 孔能c 婀e 嚏戮 蕊嚣瑟 l ：嚣 j l 弼d 弧|缀瑟。缓l缓 9 s h e 。a t f r 7 ：。1 3 0 7 32 鬻?iequ c y 2 4 se n = 甓蒡 m a x i - u - 一2 d；3 3 8 8 1 1h _ 3a t ，翰晒，- 1 3 0 7 3 ，1 9 1 8 r e 嘶 _ 二。 譬叠- 黼出一j 9 6 1 6 删绺。婵 j 鱼i 阐i 澎国6 鑫爹；盛! 二i _ _ 薹i 鸯! 熊逾童鱼壅蟹! 噻：i 鍪交! ! 塑鲢：i 匿耳面j ；再餐：! 釜避：翻瑟碜囊鞠篓囊j 彝画 图4 1 0 喇叭辐射器的结构图及具场分布 按照波导理论和喇叭辐射器的尺寸，得知该喇叭辐射器中传输的模式只有主 模式码。模，因为该模式具有结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点，所以实 用时几乎毫无例外地工作在玛。模式。这在设计喇叭辐射器尺寸时首先考虑的， 就是尽可能的保证辐射器在主模下工作，且模式数越少越好。从图4 1 0 的场分布 来看，该尺寸下的喇叭辐射器的确是工作在巫。模下，场分布比较均匀，如图4 1 1 所示。 4 2 第四章沥青路面微波养护设备中单个辐射器的优化改进工作 3 3 z 8 z 斗 2 0 1 6 图4 一1 1 喇叭辐射器下沥青表面的场分布 争p 置射傩船m 就丌u 如i nd i s s 1 ，1 - 1 9 舛 i 、。、 ；入卜 | 一厂 斤e 删，触 图4 1 2 喇叭辐射器优化后所对应的s 参数分布图 从以上模拟的结果也看，是一款性能优良的喇叭辐射器。有待于加工测试和 实验调试。 4 3 ，1，j月jjj1目dm銎蚓翟 斗 7 牛 0 z l z 1 8 斗 电子科技大学硕士学位论文 第五章沥青路面微波养护设备中辐射器阵列的耦合研究及其对 于微波泄漏的防护工作 5 1 辐射器阵列的耦合研究及其仿真 按照微波设备养护车上的辐射器之间的间距，左右相距3 1 m m ，前后间距 3 7 m m 建立阵列模型进行仿真。本次仿真取了九个，只把正中间一个辐射器设置 为激励源，在每个辐射器出口处均设置了电压监视器，对电压积分由此可得电场。 于是可判断这种间距下的辐射器间的耦合大小，进而优化辐射器阵列中的间距， 以达到最大的能量输出。如图5 1 所示为原有辐射器阵列和新设计直喇叭辐射器 阵列的两种仿真示意图，箭头为仿真过程中设置的电压监视器。 ( a ) 原有辐射器阵列( b ) 直喇叭辐射器阵列 图5 1 两种辐射器阵列仿真示意图 对两种不同辐射器阵列进行仿真后，得s 5 ，5 分布图，如图5 2 所示。从仿真 结果知，原有辐射器在排成阵列后，反射系数s 5 ，5 为- 4 1 2 8 d b ；新喇叭辐射器在 排成阵列后，反射系数s 5 ，5 为1 0 2 d b 。新喇叭辐射器无论是从单个辐射器还是 排成阵列后，在反射系数和场分别均匀性方面均优于原有辐射器，而且在加工和 安装方面也表现出了它的优势。 0 第五章辐射器阵列的耦合研究及其微波泄露的防护工作 s - p a r a m e t e rm a g n i t u d ei nd 8 2 4 5 1 0 一7 0 ，篪靛鬟i i s 1 ，5 ：3 8 0 8 s 2 , s ：一2 2 。5 3 瓣，5 ：- 3 8 0 7 s 4 ，5 ：2 7 5 9 s s j 5 ：。4 1 2 8 s 6 芦：。2 7 。5 9 r 7 ，s ：一3 8 。8 6 s 8 ，5 - 2 3 。5 1 s g s ：。3 8 8 6 步严二：涟董量： 蟪_ 者歹滞 篓幺z | 一移i 22 22 42 62 8 f r e q u e n t g h z ( a ) 原有辐射器阵列的s 5 ，5 仿真图 3 ( b ) 直喇叭辐射器阵列的8 5 ，5 仿真图 图5 2 两种不同辐射器阵列的仿真图 4 5 s 1 ，5 5 2 j s 磷s ：南5 v s 4 ，5 0 s 5 ，5 s q 5 一s 7 f 5 v s 8 ，s x s 9 , 5 s l ，5 s 2 ，5 臻翰，5 v s 4 芦 0 s 5 , 5 s 氧s 露8 7 ，5 可s 8 f 5 xs 9 ，s 电子科技大学硕士学位论文 5 2 对于沥青路面微波养护设备中微波泄漏的防护工作 沥青公路地面加热器的特殊结构和应用方式，确定了它不能用常规的微波炉 式装置来防微波泄漏。现用的多层金属屏幕网起到很好的屏蔽微波能的作用。但 易破损是它不可克服的缺点。为取代该防泄漏网，已进行了一系列实验，发现混 合型扼流器作为抑制装置较为合适。 基本原理：混合型抗流装置包括有电抗性和电阻性两种。电抗性抑制器它保 证对漏出的微波能量产生严重的失配。并使其大部分返回加热器中，其中有一部 分将由被加热处理的物料再次吸收，其余的将耗散在加热器和波导管的管壁上。 未被电抗性抗流器抑制的辐射，可以进一步被安置在电抗性抗流器具外层的微波 吸波材料所吸收。于是就形成了包括有电抗性及电阻性的混合抗流装置如图5 3 所示。电抗性抗流技术是用多组微波抑制片，形成一种片状组合，每片抑制片的 高度调整到要抑制的特定模式时的旯。4 长度，其输入阻抗的表示式为： z f i z d g f l d ( 5 一1 ) 式中：z 彳为传输线输入阻抗；z c 为传输线的特性阻抗；为相位常数；d 为抑 制片高度；飞为波导波长。当d 。以4 时，输入阻抗为无限大。因而对指定的 模式，该线段呈现开路特性，将功率大部分反射回去。 图5 - 3 微波加热车上所用的扼流片 抑制微波泄漏威特公司用的是电抗性抑制器，能保证对漏出的微波能量产生 严重的失配。 第六章结论与展望 第六章结论与展望 我国高速公路网络的基本框架已经形成，沥青路面的养护越来越引起了人们 的重视，发展新型的高性能环保型的养护设备必然成为一种趋势。美的威特公司 首次推出了沥青路面微波设备养护车，利用微波加热来修复破损的沥青路面，打 破了传统的加热方式。微波加热具有很多优点，如加热速度快、加热均匀、节能 高效、易于控制、清洁卫生、安全无害等等。利用微波加热具用再生工艺所必需 的特点，它有许多潜在的优势和良好的发展前景，因此完善优化该套加热设备是 必要的。 通过对于沥青路面微波养护设备中加热器上的辐射器的仿真得出如下结论： 1 优化加热器中单个辐射器的性能，降低s 1 1 反射，不仅提高了微波传输效 率，也保护了磁控管的寿命。 2 对于加热器中的磁控管的安装位置，特别是离着辐射器短接面的距离是影 响系统匹配好坏的一个重要参数。当优化后的距离，在安装时候一定要注意按照 规定严格安装。 3 针对原有辐射器在结构和性能上的不足，提出了一种新的喇叭辐射器，不 仅反射低，加热均匀，而且结构简单利用加工和安装。 4 对于阵列，辐射器间的耦合问题是一个很重要的议题，也是个难题，初步 可以通过仿真来优化辐射器间的布阵距离。 5 对于微波泄漏的防护工作也是非常重要的。抗扼流槽以及四周的金属屏蔽 链在一定程度上很好的抑制了电磁污染。 6 由于沥青混凝土介电常数的复杂性以及材料性能在微波加热过程中的复杂 变化，因此在优化此系统过程中，务必要仿真分析和实验相结合，寻找仿真和实 验的拟和点，找出规律，以便快速的优化该系统。 沥青路面微波养护设备的研究是一个较系统且复杂的过程，由于时间关系， 很多方面有待深入研究，有些后续工作有待于完善。 4 7 电子科技大学硕士学位论文 致谢 本人的工作是在导师喻志远教授的悉心指导下完成的。在我攻读硕士学位期 间，导师无微不至的关怀让我顺利走完这人生中最为关键里程，喻志远教授工作 严谨，知识渊博，具有崇高的敬业精神，这些都让我受益匪浅，并一直激励着我 前进。在此本人谨向导师致以衷心的感谢! 同时感谢贾宝富老师在仿真方面的很 多帮助。 感谢我在实习期间美的威特公司沈庚麟总工给我的学习和生活上的巨大帮 助，感谢崔献奎工程师，感谢所有美的威特公司的所有关心过我帮助过我的同事 们朋友们。 感谢同一个教研室的大师兄张小川博士，刘元柱硕士以及师弟师妹们在学习 和生活中给我的热情帮助和关心。感谢我亲爱的室友们，周围的朋友们，在我读 硕期间的帮助及其带给我的欢乐。 感谢我的双亲，弟弟妹妹们，感谢爱我关心我的所有人! 参考文献 参考文献 1 赵家升，黄尚锐电磁场与微波技术北京：电子工业出版社，1 9 8 6 2 张兆镗，钟若清微波加热技术基础北京：电子工业出版社，1 9 8 8 3 廖承恩微波技术基础西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 4 4 谢处方近代天线理论成都：电子科技大学出版社，1 9 8 7 5 刘学观，郭辉萍微波技术与天线诬安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 3 6 鲍家善微波原理北京：高等教育出版社，1 9 8 5 7 周权等用时域有限差分法对缝隙渐变天线的瞬态电磁场分析电子学报，1 9 9 5 2 3 ( 3 ) ：8 8 9 2 8 楼仁海，符果行等电磁理论成都：电子科技大学出版社，1 9 9 6 9 王琪等任意锥角有限长双锥天线电磁特性的仿真研究电波科学学报，2 0 0 3 ，1 8 ( 6 ) ： 6 一1 0 1 0 a gm a r t i n ，a j a w a v e g u i d e - f e ds p h e r i c a ld i e l e c t r i ca n t e n n a s i e e et r a n s a p , 1 9 7 4 ， 2 0 ( 5 ) ：18 - 2 2 1 1 d a v i db r u t l e d g e i m a g i n ga n t e n n aa r r a y i e e et r a n s a p ，1 9 8 2 ，3 0 0 ) ：6 4 - 6 7 1 2 t i n g aw v o s sw a g m i c r o w a v ep o w e re n g i n e e r i n g a c a d e m i cp r e s sn e w y o r k ，1 9 6 8 1 3 a m r iaa n ds a i d a n ea t l ms i m u l a t i o no f m i c r o w a v eh y b r i ds i n t e r i n go f m u l t i p l es a m p l e si n am u l t i m o d cc a v i t y h a t j n u m e r m o d e l ，2 0 0 3 ，1 6 ( 2 ) ：2 7 1 2 8 5 1 4 p e d r op l a z a - g o n z a l e z ，j u a nm o n z o c a b r e r a , j o s em c a t a l a - c i v e r a ，d a v i ds a n c h e z h e m a n d e z e f f e c to fm o d e - s t i r r e rc o n f i g u r a t i o n so nd i e l e c t r i ch e a t i n gp e r f o r m a n c ei n m u l t i m o d em i c r o w a v ea p p l i c a t o r s i e e et r a n s a c t i o n s0 nm i c r o w a v et h e o r ya n dt e c h n i q u e s ， 2 0 0 5 ，5 3 ( 5 ) ：1 6 9 9 - 1 7 0 6 1 5 j o h nm o s e p c h u k a h i s t o r yo f m i c r o w a v eh e a t i n ga p p l i c a t i o n s j 】i e e et r a n s o nm i t ， 1 9 8 4 ，3 2 ( 9 ) ：1 2 0 0 - 1 2 2 4 1 6 j m h i l l ，trm a r c h a n t m o d e l i n gm i c r o w a v eh e a t i n g a p p l m a t h m o d e l i n g ，19 9 6 ， 2 0 ( 1 ) ：3 1 5 1 7 m e t a x a sac ，m e r e d i t hrj i n d u s t r i a lm i c r o w a v eh e a t i n g p e t e rp e r e g r i m u sl t d ，l o n d o n ， u k , 1 9 8 3 ，1 1 ( 2 ) ：1 7 2 0 4 9 电子科技大学硕士学位论文 1 8 d o m e n i c oa c i e m o ，a n n aa n g e l ab a r b a ，m a t t e odg m o r c h e a tt r a n s f e rp h e n o m e n ad u r i n g p r o c e s s i n