CN106223254B - 基于电磁超材料的路面微波除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路面除冰技术领域，具体公开了一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法，包括以下步骤：步骤1，设计周期性材料：在第一介质板的二维平面上均匀周期排布谐振环，即得；步骤2，将所述周期性材料放置在路面冰层上，所述周期性材料与所述路面冰层形成电磁超材料；步骤3，再在所述周期性材料的上方放置微波加热装置，调节驻波比至2以下，对路面冰层进行除冰。本发明的周期性材料能形成局部的、周期性的谐振区域，加强路面附近分布的场强强度，从而增加热损耗能量，提高微波热转化效率，提升路面表层的升温速度，缩短冰层与路面脱离的时间，解决了微波除冰工业化应用的难题，对微波除冰工业化应用具有重大意义。

Description

基于电磁超材料的路面微波除冰方法

技术领域

本发明涉及路面除冰技术领域，特别涉及一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法。

背景技术

路面结冰极易引发交通事故，需要专门的清除设备。冰层是积雪因阳光或车辆碾压融化后又冻结成的冰，冰层中含有尘土、泥沙，质地坚硬，和路面粘结牢固，清除较为困难。

目前道路积冰及压实雪的常用清除方法有化学法、热力法和机械法三种。化学法存在腐蚀和污染等问题；热力法融化速度慢、效率低、能耗大，且融化后产生大量的水，将会再次结成冰；机械法力量太小时，无法清除干净，力量太大时，会损伤道路表面。目前尚无可工程大规模使用的高效、易用、无污染、无损害的除冰方法。

微波加热不同于红外、热气等加热方式，微波加热可以透过冰层深入路面，通过微波加热，可以使路面和冰层脱离，方便再次处理。但是，微波加热能够加热路面较大的深度，而在路表面1厘米左右范围内的道路材料，仅吸收微波加热器总能量的4％～5％，这导致路面表层升温慢，冰层与路面脱离时间长，最终使微波除冰的效率偏低。截至目前，微波除冰由于其效率太低，很难实现高速公路的快速除冰。而相关方面的研究，世界上无较大进展。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法，以提高微波除冰的效率，达到工程实用化。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设计周期性材料：在第一介质板的二维平面上均匀周期排布谐振环，即得；

步骤2，将所述周期性材料放置在路面冰层上，所述周期性材料与所述路面冰层形成电磁超材料；

步骤3，再在所述周期性材料的上方放置微波加热装置，调节驻波比至2以下，对路面冰层进行除冰。

本发明的特点和进一步的改进为：

步骤1中，所述谐振环为金属谐振环。

步骤1中，所述谐振环的结构为平面螺旋型。

步骤1中，所述谐振环的结构为微带阶跃阻抗型。

步骤3中，所述驻波比的调节是通过设置在所述周期性材料和所述微波加热装置之间的透射板进行调节。

进一步地，通过调节所述透射板与所述周期性材料之间的距离，调节驻波比至2以下。

所述透射板包括第二介质板及均匀排布在所述第二介质板二维平面上的金属片。

步骤3中，所述微波加热装置为天线辐射加热装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的周期性材料能形成局部的、周期性的谐振区域，加强路面附近分布的场强强度，从而大大增加热损耗能量，提高微波热转化效率，可使微波热转化效率可以达到80％以上，提升路面表层的升温速度，缩短冰层与路面脱离的时间，从而解决了微波除冰工业化应用的难题；并且，由于周期性材料的周期结构尺寸较小，各周期均形成谐振区域，从而改善了微波加热的均匀性，对微波除冰工业化应用具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于电磁超材料的路面微波除冰示意图；其中，a为路面，b为冰层，c为周期性材料，d为透射板，e为微波加热装置；

图2为本发明的一种谐振环的结构为平面螺旋型的周期性材料结构示意图；

图3为本发明的一种谐振环的结构为阶跃阻抗型的周期性材料结构示意图；

图4为本发明的透射板置于电磁超材料上的结构示意图，其中：c为周期性材料，d为透射板；

图5为本发明的一种微波加热装置的结构示意图；其中，图中：1、磁控管；101、磁控管的天线帽一端；2、金属腔体；3、耦合圆台；4、螺旋天线；401、金属连接杆；5、支撑腿；6、通孔；7、支撑圆柱体；

图6为本发明的一种微波加热装置对沥青试件加热后沥青试件的温度三维立体分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法，包括以下步骤：

步骤1，设计周期性材料：在第一介质板的二维平面上均匀周期排布谐振环，即得；

步骤2，将所述周期性材料放置在路面冰层上，所述周期性材料与所述路面冰层形成电磁超材料；

步骤3，再在所述周期性材料的上方放置微波加热装置，调节驻波比至2以下，对路面冰层进行除冰。

参考图1，图1为一种基于电磁超材料的路面微波除冰示意图，将周期性材料直接放置在路面冰层上，再采用微波加热装置对其进行加热，从而达到高效除冰的效果。

本发明的电磁超材料具有吸波和谐振的特性，特定波长的电磁波辐射到与其波长尺寸相对应的电磁超材料上，会产生强烈的“束缚场”，将电磁辐射的能量“束缚”在电磁超材料附近，使辐射能量不会沿均匀无限大的路面继续传播，从而将大部分辐射能量留在路面上1厘米左右的冰层上，使路表面的温度迅速提高，从而实现冰层和路面的快速分离。

同时，参考图2、图3，图2为谐振环的结构为平面螺旋型的周期性材料结构示意图，图3为谐振环的结构为阶跃阻抗型的周期性材料结构示意图；本发明的电磁超材料具有二维平面周期性，可以进一步改良辐射的均匀性，在铺有电磁超材料的加热区域形成均匀的电磁波辐射。

实施例1

本实施例的工作频率为2.45GHz，采用如图2所示的平面螺旋型谐振环结构的周期性材料对路面冰层进行除冰操作，经过仿真试验，得到单个谐振环匝数为2，厚度为0.9mm，金属条带宽度为4.5mm，间距为1.4mm。每个谐振环的间距为1.5mm，均匀排布在介质板上，其中，介质板为Teflon板。

参考图1，在周期性材料和微波加热装置之间放置有透射板，其中，透射板为方形金属薄片周期均匀排布在第二介质板的二维平面上而得；经过仿真试验，得到透射板中采用的方形金属薄片边长为25.8mm，每个金属薄片间距为3.7mm，金属薄片均匀排布在第二介质板上，所述介质板为FR4板。

透射板置于周期性材料上的结构示意图如图4，透射板置于周期性材料上，并通过调节透射板与周期性材料之间的距离，可以减小驻波比。由于电磁波照射到电磁超材料表面就会产生透射和谐振现象，但是仍然会有一部分电磁波被反射回去，此类反射波属于被浪费的能量，反射能量太多的时候，喇叭天线的驻波系数就会恶化，为了使更多的能量透过周期性材料而照射到路面冰层上，应该使喇叭天线的驻波比尽量接近1，驻波比等于1是理想的无反射情况。电磁波具有频率，幅度和相位特性，当两个频率相同但是相位相反的电磁波相干叠加在一起的时候，会使两个电磁波相消，两个电磁波的幅度都会降低，从而减小反射波。因此，本发明利用上述反射波相互抵消的思想，调节周期性材料与透射板之间的距离，电磁波传播距离的改变可以引起相位的改变，使其反射波与周期性材料的反射波相位相反地叠加在一起，达到相消得目的，从而减少反射能量，增加透射能量。本实施例通过仿真试验结果表明，本实施例的透射板和周期性材料的距离为68mm时，微波加热效率最高。

基于以上仿真试验结果，本实施例采用平面螺旋型谐振环结构的周期性材料对路面冰层进行除冰操作，微波辐射效率可以达到90％，吸收效率达到84％，总的效率可以达到83％，同时，由于采用图4中的周期性材料和微波加热装置之间放置有透射板的结构，驻波比降低至1.8，显示出了良好的加热效果，使路表面的温度迅速提高，从而实现冰层和路面的快速分离。

上述仿真试验采用的电磁超材料和微波加热装置组成的高效加热单元可以组成任意规模的拓扑结构，实现大面积的同时均匀加热辐射，以满足实际工程中路面冰层的规模，达到同时均匀加热较大面积的冰层的效果。

值得一提的是，采用阶跃阻型抗谐振环结构的周期性材料层对路面冰层进行加热，也可达到如上的效果。

实施例2

参考图5，本实施例中的微波加热装置为天线辐射加热装置，包括：磁控管1、金属腔体2、耦合圆台3和螺旋天线4；金属腔体2的底板外部设置有支撑腿5；磁控管1固定在金属腔体2的顶板的中心位置，且磁控管的天线帽一端101从金属腔体2的顶板的中心位置伸进金属腔体2内，另一端与外部高压电源连接；耦合圆台3固定于金属腔体2的内顶板上；螺旋天线4的一端连接有金属连接杆401，螺旋天线4位于金属腔体2的底板的外部，且其连接有金属连接杆401的一端通过金属腔体2底板上的通孔6伸入金属腔体2内部，并与耦合圆台3的中心处电连接，金属连接杆401的半径小于通孔6的半径，且金属连接杆401与通孔6的孔壁不相接触。其中，耦合圆台为多个，且以磁控管1为中心进行排布，螺旋天线4、通孔6的个数分别与耦合圆台3的个数一致；金属腔体2的各内侧面中心位置处还竖直设置有支撑圆柱体7，支撑圆柱体7与金属腔体2的顶板和底板相连接，且与磁控管1等距；本实施例提供的微波加热装置的耦合圆台3为4个，其半径为20～30mm；螺旋天线4为矩形径向螺旋天线，其线径为1～2mm，线圈匝数为1～1.5，螺旋线管的半径为18～24mm，螺距为7～9mm；耦合圆台3两两之间的距离为60～100mm；通孔6的孔径为11～12mm；支撑圆柱体7的半径为2～4mm。

上述天线辐射加热装置的实现原理是：外接高压电源为磁控管提供电能，通过磁控管将电能转换成微波能量，并发射到金属腔体内部，耦合圆台用于对接收到的微波能量进行耦合，并功分给螺旋天线，最后螺旋天线将耦合的微波能量辐射向路面冰层，完成本发明的路面除冰。

基于上述原理，本发明中天线辐射加热装置的耦合圆台3用于对接收到的微波能量进行耦合，因此，其半径不能过小，否则耦合圆台3将无法有效的耦合微波能量，导致螺旋天线4得到的能量较小，不能有效地进行微波能量辐射，从而使得对沥青路面的加热效果不佳。另外，支撑圆柱体7的半径不宜过大，否则将会影响耦合圆台3对微波能量的耦合，也会影响驻波比。通孔6主要是起连通作用，使得螺旋天线4可以顺利穿过并连接到耦合圆台3上，另外，通孔6还能有效阻止螺旋天线4发射出去的能量反射回金属腔体2，从而防止反射波对螺旋天线4的伤害。

因此，本实施例经过仿真，得到本实施例中耦合圆台3的半径为25mm，耦合圆台3两两之间的距离为80mm；螺旋天线4为矩形径向螺旋天线，其线径为1.5mm，线圈匝数为1.32，螺旋线管的半径为21mm，螺距为8.2mm；通孔6的孔径为11.5mm，支撑圆柱体7的半径为3mm。

本实施例将天线辐射加热装置中的螺旋天线用于沥青路面的加热，以期改善沥青路面微波加热的不均匀性。由于螺旋天线的负担和特性主要由D/λ决定，其中，D为螺旋天线的直径，λ为螺旋天线的谐振频率所对应的波长。本实施例中，控制螺旋天线的直径D/λ在0.25～0.46之间，保证其辐射方向沿径向。

(1)将本实施例的天线辐射加热装置用于对沥青试件(尺寸为200×200×50mm³)加热，仿真结果如下：

在仿真过程中，体损耗密度可以反映微波能量的损耗情况，进而反映温度的分布，因此，通过观察沥青试件的体损耗密度来反映加热装置对沥青试件加热的温度分布。将本实施例的天线辐射加热装对沥青试件表面加热后，沥青试件表面的体损耗密度，结果如下：加热区域为200mm×200mm，在加热区域内，本实施例的天线辐射加热装置对沥青试件加热后，沥青试件的表面产生四个加热集中区域，分别与四个螺旋天线一一对应，代表损耗最大点1.8130e+004，沥青试件的表面的体损耗密度为1.295e+003～1.813e+004，整个沥青试件表面的体损耗目睹分布图连接起来完全覆盖了沥青试件的表面，从而反映出加热过程中，沥青试件的表面温度分布均匀。

(2)将本实施例的天线辐射加热装置用于沥青路面加热，实测结果如下：

图6为本实施例的天线辐射加热装置对沥青试件加热后沥青试件的温度三维立体分布图，由图6可知，天线辐射加热装置对沥青试件加热后，产生四个辐射区域，且四个辐射区域的温度均在200℃以上，最低温度为116℃，平均温度达到150℃左右。

通过具体的实验表明，在同一个磁控管源的情况下，天线辐射加热装置对沥青试件的加热范围较大，天线辐射加热装置通过对聚集的能量进行一定程度的功分，使得其在同一区域下拥有更广的有效“热区”；天线辐射加热装置对沥青试件加热以后，整个沥青试件表面的温度达200℃，平均温度达到150℃，以上仿真试验结果和实测结果均可以表明本实施例的天线辐射加热装置通过对聚集能量进行合理的功分，在可以满足沥青混合料加热能量需求的同时，增加了“热区”面积，提高了加热均匀度。由此可知，通过天线辐射加热装置可以对沥青试件实现均匀加热的效果，同时使沥青路面的表面温度迅速升高，从而实现冰层和路面的快速分离。

综上所述，本发明的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，可以极大地提高微波能量的利用效率，同时极大的提高了加热均匀度，可以实现高效除冰的效果，达到工程实用化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本方法领域的方法人员在本发明揭露的方法范围内，可轻易想到变化或替换，如变换谐振环的结构类型，但是只要其能在工作频率下形成谐振，都应涵盖在本发明的保护范围之内，还比如变换微波加热装置等，或者变换调节驻波比的方法。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设计周期性材料：在第一介质板的二维平面上均匀周期排布谐振环，即得；

步骤2，将所述周期性材料放置在路面冰层上，所述周期性材料与所述路面冰层形成电磁超材料；

步骤3，再在所述周期性材料的上方放置微波加热装置，调节驻波比至2以下，对路面冰层进行除冰；

所述驻波比的调节是通过设置在所述周期性材料和所述微波加热装置之间的透射板进行调节；所述透射板包括第二介质板及均匀排布在所述第二介质板上的金属片。

2.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，步骤1中，所述谐振环为金属谐振环。

3.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，步骤1中，所述谐振环的结构为平面螺旋型。

4.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，步骤1中，所述谐振环的结构为微带阶跃阻抗型。

5.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，通过调节所述透射板与所述周期性材料之间的距离，调节驻波比至2以下。

6.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的路面微波除冰方法，其特征在于，步骤3中，所述微波加热装置为天线辐射加热装置。