微波技术原理与应用
微波技术原理与应用
摘要：微波技术的理论基础是经典的电磁场理论，其目标是解决微波应用工程中的实际问题。微波是一门理论与实践密切结合的一门知识，微波技术理论的出发点是麦克斯维方程组，通过解决微波在传输、处理过程中的遵循的原理，逐渐使微波技术发展成为一门很完整的学科，并在工程上有日新月异的应用。在加热技术上形成一种全新的观念，在通信方面给信息领域带来一场空前的革命。
关键词：微波技术 微波加热 通信 电磁波 天线
正文：
一．微波技术概况
微波是一种频率很高的电磁波。微波包括的波长范围没有明确的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段，也就是波长从1mm到1m、频率在300--300000MHz左右的电磁波，他处于超短波与红外线之间。由于微波的频率很高，所以也叫超高频电磁波。因为微波的应用极为广泛，为了避免相互的干扰，供工业、科学及医学使用的微波频段是不同的，如表所示。
不同工作频率的微波系统具有不同的技术特性、生产成本和用途，微波系统的工作频率越高，其结构尺寸就越小；微波通讯系统的工作频率越高，其信息容量越大，大气传输和传输线传输的损耗也越大。
目前国内只有915MHz和2450MHz 被广泛使用。在较高的两个频率段还没有合适的大功率工业设备。
微波是一种电磁波，它具有电磁波的诸如反射、透射干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波能量传输等波动特性，这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中，组件的电性质不能认为是集总的，微波系统没有导线式电路，交、直流电的传输特性参数以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。在微波领域中，通常应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。
微波的两重性。微波的两重性指的是对于尺寸大的物体，如建筑物火箭、导弹它显示出粒子的特点——即似光性或直线性而对于相对尺寸小的物体，又显示出——波动性。
二．微波原理
1．微波的加热性。波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为1 99×l0 -25～ 1．99×10-22j．它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。
2. 微波与“左邻右舍”的比较。微波的“左邻”是超短波和短波，而它的“右舍”又是红外光波。
3．宇宙“窗口”。地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层，它对于短波几乎全反
射，这就是短波的天波通讯方式。
而在微波波段则有若干个可以通过
电离层的“宇宙窗口”。因而微波是
独特的宇宙通讯手段。
4. 不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前沿课题。
5. 计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题因此，微波的研究已进入集成电路和计算机。
6. 微波研究方法主要有两种：场论的研究方法和网络的研究方法。这也是本门课程要学习的重要方法。其中场论方法的基础是本征模理论。网络方法的基础是广义传输线理论。
三．微波分析方法。
1．麦克斯韦解法。微波由于其高频特性，传输的主要特点是其独特的传输线常用双导线、同轴线、带线和微带等等。传输线方程也称电报方程。在沟通大西洋电缆(海底电缆)时，开尔芬首先发现了长线效应：电报信号的反射、传输都与低频有很大的不同。经过仔细研究，才知道当线长与波长可比拟或超过波长时，我们必须计及其波动性，这时传输线也称长线。如下便是均匀传输线方程或电报方程。
2.Smith圆图。在微波工程中，最基本的运算是工作参数之间的关系，它们在已知特征参数和长度l 的基础上进行。Smith圆图正是把特征参数和工作参数形成一体，采用图解法解决的一种专用Chart，亦称阻抗圆图，其基本思想有三条。
1）. 特征参数归一思想 ，包含了阻抗归一和电长度归一。
阻抗归一：
电长度归一：
用Z0归一，统一起来作为一种情况加以研究。在应用中可以简单地认为Z0=1。电长度归一不仅包含了特征参数β，而且隐含了角频率ω。由于上述两种归一使特征参数Z0不见了；而另一特征参数β连同长度均转化为反射系数Γ的转角。
2）. 以系统不变量|Γ|作为Smith圆图的基底在无耗传输线中，|Γ|是系统的不变量。由|Γ|从0到1的同心圆作为Smith圆图的基底，使我们可能在一有限空间表示全部工作参数Γ、Z(Y)和ρ。
。θ的周期是1/2λg。这种以|Γ|圆为基底的图形称为Smith圆图。
3）. 把阻抗(或导纳)，驻波比关系套覆在|Γ|圆上。
Smith圆图的基本思想可描述为：消去特征参数Z0，把β归于Γ
相位；工作参数Γ为基底，套覆Z(Y)和ρ。
四．微波技术应用
1．微波能加热技术。微波技术是二十世纪五十年代发展起来的一门新技术。把微波作为一种能量来进行加热、干燥、治疗、杀虫、灭菌等，已有三十年的历史。工业上的应用，首先在食品加工方面取得成功，家用微波炉的出现进一步扩大了微波加热技术的应用领域。现在，微波加热作为一项全新技术受到各界的重视。 2. 微波通信技术通讯技术。微波通信（Microwave Communication），是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。 利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离,因此是国家通信网的一种重要通信手段,也普遍适用于各种专用通信网。我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段,K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高,波长又很短,其在空中的传播特性与光波相近,也就是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断,因此微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发。
3．在一些新的应用领域主要有以下几个方面：
3-1、食品、保健品工业 。利用微波可对食品、保健品进行灭菌、脱水、烘干、膨化、调味、脱腥、解冻、催陈和保鲜处理。目前已用于奶粉、壮骨粉、洋参丸、豆粉、月饼、糕点、方便面、牛肉干、肉脯、肉条、肉松、鱼干片、鱼松、贝类、盐水鸭、解冻鱼肉禽蛋、酱菜、土豆片、腰果、花生、瓜子、大豆、白酒、黄酒、啤酒、牛奶、口服液等的生产中。
3-2、木材加工。用915MHz、40KW微波干燥机对2-10公分厚的木板进行烘干，干燥速度快、木材不开裂、变形小、同时可杀死木材内部的卵虫和幼虫，中高档家具、地板、包装材料用途木料的处理最为合适。微波对竹木复合板和拼板交接的固化处理也很理想。
3-3、杀虫灭菌。应用微波加热技术能在较低的湿度下灭菌杀虫，若用微波处理食品和物料，在50-80度时就能起到杀虫灭菌作用。此领域有：大米、谷物、豆类、烟叶处理、竹材、木料、纸张、食品、药品等。
3-4、橡胶工业。用2450MHz-5-15kw微波加热设备作为一次加热，升温到硫化温度后热风保温，可硫化普通胶条或带金属骨架密封胶条。
；采用微波加热器，对大型轮胎进行预热，加热均匀、整个硫化时间可缩短三分之一左右。
3-5、陶瓷工业
（1）微波在陶瓷工业的预烘干可大大缩短陶瓷的预干燥时间，同时不影响陶瓷烧制的成品率。
（2）陶瓷烧结是微波能应用的新天地。
3-6、原煤脱硫
（1）原煤中的硫以黄铁矿形式出现，黄铁矿比煤有更高的损耗角正切，因此能使黄铁矿得到选择性加热与气体发生反映，生成硫化物释放出来，而煤不受影响。（2）微波酸碱法脱硫。
3-7、烟道脱硫。利用微波能技术还能进行烟道的二氧化硫及氧化氮的还原处理，此技术比现有的烟道处理技术成本大大节约，也非常便于操作实现。
3-8、微波等高离子体技术。半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，可进行蚀刻、溅射、气相沉积、氧化硅片；可用于金属、合金、非金属的表面处理；可用于陶瓷的高温烧结；可用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素，另外还用于分解有毒化合物。
3-9、微波生物效应。微波生物效应有热效应和非热效应。热效应在医疗方面可进行微波理疗、配合放疗和化疗，可进行透热治癌。另外还可以利用微波加热血浆、解冻冷藏器官，还可设计微波刀，特点是手术中的止血快、邮血量少。
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