CN114843787A - 一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法 - Google Patents

一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法，圆波导缝隙天线，包括天线主体部分，天线主体部分采用底端封口的圆波导，天线主体部分的顶部设有同轴馈线；天线主体部分的侧壁上开设有供天线主体部分内的电磁波辐射至天线主体部分外部的缝隙。本发明中，天线主体部分内的电磁波能够通过该缝隙辐射至天线主体部分外部，这样就能够通过辐射出的微波对周围的黄土进行加热，这样微波的利用率较高，因此对湿陷性黄土的加热效率较高，加热效果较好。相比传统的烧结黄土的方法，使用该圆波导缝隙天线烧结黄土能够缩短烧结时间，节省矿物燃料和能源，且不产生有害气体，经济环保。

Description

一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法。
背景技术
在土木建筑领域，湿陷性黄土地基受水浸湿后需要进行热加固处理以避免地基承载力下降导致工程安全事故的发生。传统的湿陷性黄土地基的处理方法有砂石垫层法、灰土垫层法、挤密桩法(龚晓南.地基处理手册[M].中国建筑工业出版社，2008.)和焙烧法(肖广源，郑书全.焙烧法加固土技术简介[J].路基工程，1997(3).)等，前三种方法需要在黄土地基中掺杂砂、砾石、粉煤灰、矿渣等其它物性稳定的物料，以完全消除或降低地基土体的湿陷性，提高地基土体承载能力，但大量外加物料的使用会增加施工成本，且对自然资源的消耗也是巨大的。焙烧法是利用高温焙烧粘性土体，在加固区土体打孔，然后将灼热的空气或燃烧生成物加压输送到钻孔内部，将热量传导到钻孔周边土体中，实现土体高温改变物性以达到加固效果。这种方式使用矿物燃料燃烧产生的热量，通过热传导和热辐射，使热量从土体表面传导至土体内部，使其达到烧结温度，但由于黄土的导热系较小，使用传统烧结方法加固时，要想达到理想的烧结厚度满足加固要求，烧结加热时间长，能源消耗巨大，环境热量散失严重，热能利用率低，造成工程费用大大增加，且燃烧时产生大量有害废气，污染环境。
近年来提出的微波烧结黄土技术(苏世强.重塑黄土微波烧结天线设计及其室内试验分析[D].长安大学，2021.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2021.001622.)是利用微波将土体加热至高温以消除土体湿陷性，增加土体强度，提高地基承载力的一种热加固方式。当采用微波对土体进行烧结时，土体自身在电磁场作用下产生热量，能够实现较大体积区域中的均匀加热，可以大大缩短烧结时间，节省施工周期，带来良好的经济效益。然而目前尚未有可直接用于地基处理中技术成熟的微波烧结装置，现有技术(苏世强.重塑黄土微波烧结天线设计及其室内试验分析[D].长安大学，2021.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2021.001622.)中设计了一款圆波导缝隙天线进行微波烧结黄土，并进行了数值分析及室内试验测试，但天线的匹配效果不好，对黄土的加热效果也不好，在输入功率700W的条件下，经过长时间测试，距离天线径向8cm处的土体温度最高只能达到87.1℃。文献(刘宁.一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线：中国，ZL201820696118.6[P].2019-03-08)中提出了一种基于TM01模的圆波导漏波缝隙天线用于环向均匀的微波加热应用，但其结构较为复杂，需要采用模式转换器将矩形波导的TE01模转换为圆波导的TM01模。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线及方法，本发明的天线结构相对简单，对湿陷性黄土的加热效率较高，加热效果较好。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，包括天线主体部分，天线主体部分采用底端封口的圆波导，天线主体部分的顶部设有同轴馈线；
天线主体部分的侧壁上开设有供天线主体部分内的电磁波辐射至天线主体部分外部的缝隙。
优选的，天线主体部分沿其长度方向在侧壁上均布有若干组缝隙，每组缝隙包括沿天线主体部分同一圆周均匀分布若干条缝隙。
优选的，同轴馈线从天线主体部分顶部向下延伸，同轴馈线能够激励起圆波导的TM01模。
优选的，每条缝隙的缝长取0.4-06个波长，缝宽取0.005-0.1个波导波长。
优选的，相邻两组缝隙之间的距离为0.4-0.6倍波导波长。
优选的，天线主体部分沿其长度方向在侧壁上均布有三组缝隙，每组缝隙包括沿天线主体部分同一圆周均匀分布三条缝隙。
优选的，天线主体部分底端采用金属封口。
优选的，天线主体部分外表面为金属，内部为空气。
优选的，所述用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线的中心工作频率为2.45GHz。
本发明还提供了一种用于微波烧结湿陷性黄土的方法，包括如下过程：
先在需要烧结的黄土中心挖一个孔，然后将本发明如上所述的用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线的插入所述的孔中，并使黄土包裹住天线主体部分，然后对所述黄土进行烧结。
本发明具有以下有益效果：
本发明用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线在天线主体部分开设有缝隙，天线主体部分内的电磁波能够通过该缝隙辐射至天线主体部分外部，这样就能够通过辐射出的微波对周围的黄土进行加热，这样微波的利用率较高，因此对湿陷性黄土的加热效率较高，加热效果较好。相比传统的烧结黄土的方法，使用该圆波导缝隙天线烧结黄土能够缩短烧结时间，节省矿物燃料和能源，且不产生有害气体，经济环保。与现有的用于微波加热的圆波导缝隙天线(ZL201820696118.6)相比，本发明提出的天线结构更为简单，不需要模式转换器。
附图说明
图1是本发明用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线的整体结构示意图；
图2是本发明用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线同轴馈电点的结构示意图；
图3是本发明用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线烧结黄土的结构示意图；
图4是本发明用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线在黄土中的S参数仿真结果图；
图5是本发明的实施例中，微波烧结黄土40小时后的等温面分布图；
图6是本发明的实施例中，黄土平均温度与最高温度结果图；
图7是本发明的实施例中，黄土不同位置处温度随时间变化图。
图中，1-天线主体部分，2-同轴馈线，2-1-天线同轴端口，2-2-同轴内芯，3-第一组开缝，3-1-第一缝隙，3-2-第二缝隙，3-3-第三缝隙，4-第二组开缝，4-1-第四缝隙，4-2-第五缝隙，4-3-第六缝隙，5-第三组开缝，5-1-第七缝隙，5-2-第八缝隙，5-3-第九缝隙，6-黄土。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供的圆波导缝隙天线用于微波烧结湿陷性黄土。在实际工程中，期望对地表以下一定深度范围内土体进行热加固，使加固土体形成桩体结构。圆波导缝隙天线是线元天线的一种，即采用圆管波导作为辐射天线，在圆波导的壁上绕圆周一圈均匀的开数个裂缝，将这些裂缝的方向图叠加就可以实现水平面内辐射的全方向性，再沿波导轴向开数层裂缝，即可实现轴向的均匀辐射，这种结构的天线可以满足深入地下一定深度以及进行环向加热的要求。
如图1所示，本发明用于微波烧结黄土的圆波导缝隙天线中，天线主体部分1为一个底端封口的圆波导，在天线顶部采用同轴馈线2激励，同轴内芯2-2深入圆波导内一定距离。本发明所提供的天线，采用同轴馈电，同轴内芯深入波导内部一定距离，这种激励方式是为了激励起圆波导的TM01模。因为TM01模其横截面内磁场为同心圆分布，电场沿圆周方向均匀分布，采用这种模式可以使得在波导壁上开缝后实现环向的均匀辐射效果。在波导壁上开缝时，采用横向长条形的缝隙而并非纵向长条形缝隙。这是因为TM01模在圆波导上的表面电流是沿轴向方向分布的，根据波导缝隙天线的辐射原理，辐射性缝隙必须切割波导壁上的电流线，这样才能将波导内传输的能量辐射出去，因此需要横向开缝。根据波导缝隙天线的设计原理，一般缝长取0.4-06个波长(即半个波长左右)，缝宽取0.005-0.1个波导波长。
纵向相邻两组缝隙第一组开缝3和第二组开缝4之间、第二组开缝4和第三组开缝5之间的间距为0.4-0.6倍波导波长(即约为1/2波导波长)，在同样的天线长度下，纵向再多开缝对微波烧结效果的提升不大。本发明所设计的天线底部用金属封口，因此是一个驻波阵，当缝隙开在驻波峰值处时，能够使波导内的能量最大程度的通过缝隙辐射出去，而相邻驻波峰值的间隔为半个波导波长，因此纵向缝隙之间的间隔也应设置为半个波导波长。此外，本发明所设计的天线纵向只开了三组缝隙，如果天线需要更长，则应该按照天线的长度每隔约1/2波导波长再多开缝隙。
实施例
本实施例提出了一种工作在2.45GHz用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线。本实施例中，在天线侧壁上横向均匀开三个缝隙(如第一缝隙3-1、第二缝隙3-2，第三缝隙3-3)，纵向均匀开三组缝隙(第一组开缝3、第二组开缝4、第三组开缝5)，使得波导内的电磁波能够通过这些缝隙辐射出去，达到环向均匀辐射的目的。如图2所示，采用这种馈电方式可以保证波导内激励起TM01模。具体的，本实施例用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线中，天线主体部分1的外表面为金属、内部为空气，天线主体部分1半径为5cm、长度为63cm，天线主体部分1顶部至第一组缝隙中心的距离为8.8cm，约为1/4波导波长。每个缝隙尺寸一致，横向长度7cm，纵向长度为1.5cm，每组缝隙中的三个缝隙沿天线主体部分1圆周均匀排布。纵向相邻两组缝隙(如第一缝隙3-1和第四缝隙4-1，这两个缝隙上下正对)中心间距都为18cm，约为1/2波导波长，第三组开缝5中所有缝隙的下边界至天线主体部分1底面距离也为18cm，约1/2波导波长。同轴馈线2的天线同轴端口2-1内半径为1.52mm、外半径为3.5mm、长度为5mm，同轴内芯向下深入波导内部的部分2-2长度7.4cm，同轴馈电功率为700W。
图3所示为使用该圆波导缝隙天线加热黄土的结构示意图。在天线外围包裹圆柱形的黄土6进行烧结，实际使用中先将需要烧结的黄土中心挖空一个天线尺寸的大小，然后将该天线插入进行烧结。本实施例中黄土半径为30cm，高度73cm，其相对介电常数为40-12j，相对磁导率为1，恒压热容为1354.65J/(kg·K)，密度为1685kg/m3，导热系数为0.368W/(m·K)。只考虑单个天线加热附近半径30cm内黄土的烧结效果，温度达到100℃时湿陷性黄土中的水分能够完全蒸发，因此本实施例中的烧结温度目标为100℃，如果需要烧结更大范围的黄土或者要求烧结温度更高，可以采用多个天线组阵和提高输入功率的方法。
烧结过程使用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行仿真。相关边界条件的设置为：“电磁波，频域”模块：圆波导缝隙天线表面(除缝隙外)设置为理想电导体(PEC)边界条件，黄土上下及四周边界均为散射边界条件；“固体传热”模块：所有外部边界均设置为绝热边界条件，初始温度及外部温度均为20℃。本实施例仿真时频率为2.45GHz，输入功率为700W，仿真的烧结时间为2400分钟(40小时)。
本实施例所设计的圆波导缝隙天线在黄土中的中心工作频率为2.45GHz，图4为此天线在黄土中S参数的仿真结果，仿真结果表明，此天线在2.435-2.455GHz回波损耗(S11)小于-10dB，这说明天线在黄土中匹配良好，输入功率大部分能够通过端口馈入天线从而进行黄土烧结。
图5为微波烧结黄土40小时后的等温面纵切面分布图，由图可以看出最高温度出现在开缝处，距离天线越远，黄土的温度越低。这是因为黄土对电磁波存在损耗，随着距离增大，场强逐渐衰减，转化为热能的部分就越少，导致加热效果越差。由等温面还可以看出，该天线在轴向和环向都能实现较为均匀的加热效果。
图6显示了使用该天线烧结半径30cm的黄土时，黄土的最高温度与平均温度随时间的变化。40小时后最高温度可达1700℃左右，平均温度接近200℃。
图7显示了使用该天线烧结半径30cm的黄土时，黄土不同位置处温度随时间变化图。可以看到缝隙中心升温最快，40小时后最高温度可达1700℃左右，距离缝隙越远，黄土的升温效率越慢，但加热40小时后整体温度都能达到100℃以上，距离缝隙30cm处(即黄土边缘)在加热40小时后温度能够达到118℃。这样的烧结效果保证了加热40小时半径30cm内的黄土温度都能达到100℃以上，此时湿陷性黄土中的水分能够完全蒸发。
从上述可以看出，相比传统的烧结黄土的方法，使用本发明的圆波导缝隙天线烧结黄土能够缩短烧结时间，节省矿物燃料和能源，且不产生有害气体，经济环保。

Claims (10)

1.一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，包括天线主体部分(1)，天线主体部分(1)采用底端封口的圆波导，天线主体部分(1)的顶部设有同轴馈线(2)；
天线主体部分(1)的侧壁上开设有供天线主体部分(1)内的电磁波辐射至天线主体部分(1)外部的缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，天线主体部分(1)沿其长度方向在侧壁上均布有若干组缝隙，每组缝隙包括沿天线主体部分(1)同一圆周均匀分布若干条缝隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，同轴馈线(2)从天线主体部分(1)顶部向下延伸，同轴馈线(2)能够激励起圆波导的TM01模。
4.根据权利要求3所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，每条缝隙的缝长为0.4-06个波长，缝宽为0.005-0.1个波导波长。
5.根据权利要求3所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，相邻两组缝隙之间的距离为0.4-0.6倍波导波长。
6.根据权利要求1所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，天线主体部分(1)沿其长度方向在侧壁上均布有三组缝隙，每组缝隙包括沿天线主体部分(1)同一圆周均匀分布三条缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，天线主体部分(1)底端采用金属封口。
8.根据权利要求1所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，天线主体部分(1)外表面为金属，内部为空气。
9.根据权利要求1所述的一种用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线，其特征在于，所述用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线的中心工作频率为2.45GHz。
10.一种用于微波烧结湿陷性黄土的方法，其特征在于，包括如下过程：
先在需要烧结的黄土中心挖一个孔，然后将权利要求1-9任意一项所述的用于微波烧结湿陷性黄土的圆波导缝隙天线的插入所述的孔中，并使黄土包裹住天线主体部分(1)，然后对所述黄土进行烧结。
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