基于电磁超材料的路面微波除冰方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Microwave deicing method based on electromagnetic metamaterials

The present invention relates to pavement deicing technology field, specifically discloses a pavement microwave metamaterial deicing method, which comprises the following steps: 1, design of periodic materials: uniform periodic arrangement of ring resonator in the two-dimensional plane, the first medium plate is obtained; step 2, the periodic material placed in the ice on the road, the periodic materials and the pavement layer to form electromagnetic metamaterials; step 3, and then placed in a microwave heating device is arranged above the periodic material, adjusting in Bobbi below 2, in addition to the ice on the ice on the road. The resonant region of periodic material of the invention can form a cycle of local, and strengthen the field intensity distribution near the surface, thereby increasing heat energy loss, improve microwave thermal conversion efficiency, improve pavement surface heating speed, shorten the ice road from time, to solve the problem in the industrial application of microwave on ice. Microwave deicing industrial application is of great significance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及路面除冰
，特别涉及一种基于电磁超材料的路面微波除冰方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果为：本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术实施例的附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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。本专利技术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；本专利技术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，本专利技术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中本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏涛，付苍雨，韩旭，李楠，李名玮，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61