微波技術(shù)的發(fā)展及應用

微波技術(shù)是近一個(gè)世紀以來(lái)最重要的科學(xué)技術(shù)之一， 從雷達到廣播電視、無(wú)線(xiàn)電通信再到微波爐， 微波技術(shù)對社會(huì )的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著(zhù)深遠的影響。 

微波

微波通常是指頻率范圍在 300MHz ~300GHz 內的電磁波， 其波長(cháng)約在 1米到1 毫米之間， 可被進(jìn)一步細分為分米波，厘米波和毫米波， 其對應頻率分別為特高頻（ UHF,ultra-high frequency）， 超高頻（ SHF,super high frequency）， 極高頻（ EHF , extremely high frequency）。

隨著(zhù)現代微波技術(shù)的發(fā)展，波長(cháng)在 1 毫米以下的亞毫米波也被視為微波的范疇， 這相當于把微波的頻率范圍進(jìn)一步擴大到更高的頻率。因此，有的文獻里也把微波的頻率范圍定義為 300MHz~3000GHz。 

微波通常呈現為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿透而不被吸收；對于水和食物等就會(huì )吸收微波而使自身發(fā)熱；而對金屬類(lèi)東西，則會(huì )反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

1、穿透性   

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線(xiàn)、遠紅外線(xiàn)等波長(cháng)更長(cháng)，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450MHz，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬(wàn)次的震動(dòng)，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規加熱中的熱傳導時(shí)間，且在條件為介質(zhì)損耗因數與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時(shí)，物料內外加熱均勻一致。

2、選擇性加熱   

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因素來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數存在差異，微波加熱就表現出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數較大，其介質(zhì)損耗因數也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

3、熱慣性小  

微波對介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調，介質(zhì)溫升可無(wú)惰性的隨之改變，不存在“余熱”現象，極有利于自動(dòng)控制和連續化生產(chǎn)的需要。

 4、似光性  

微波波長(cháng)非常小，當微波照射到某些物體上時(shí)，將產(chǎn)生顯著(zhù)的反射和折射，就和光線(xiàn)的反、折射一樣。同時(shí)微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線(xiàn)一樣地直線(xiàn)傳播和容易集中，即具有似光性。

5、穿透性  

微波照射于介質(zhì)物體時(shí)，能深入該物體內部的特性稱(chēng)為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（光波除外）。 

6、信息性  

微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相對帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達數百甚至上千兆赫。

7、非電離性  

微波的量子能量不夠大，因而不會(huì )改變物質(zhì)分子的內部結構或破壞其分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。

微波技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史

對微波的理論研究以及進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗起步于20世紀初，但早期的設備不能滿(mǎn)足實(shí)驗的需要， 主要表現為缺乏大功率的信號發(fā)生器和靈敏的信號接收器， 因此早期的研究并沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。到了20世紀30年代，高頻率的超外差接受器和半導體混頻器的出現為微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件， 使得微波技術(shù)的發(fā)展取得的一定的進(jìn)步。

1931 年意大利科學(xué)家馬可尼進(jìn)行了距離為 18 英里的無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗，實(shí)驗中使用 600MHz 的微波來(lái)傳輸具有較好質(zhì)量的話(huà)音信號， 信號源為巴克豪森管（ Barkhausentube ）。這是首次利用300MHz以上的微波完成的無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗。第二年，馬可尼又利用 57 厘米的微波，在相距15英里的梵蒂岡和岡多菲堡之間建立了無(wú)線(xiàn)電通信， 并提供電話(huà)和電傳打印機服務(wù)， 從此微波技術(shù)由實(shí)驗室走向了真正的實(shí)際應用。同一時(shí)期，雷達的相關(guān)概念和理論也逐漸形成，到了20世紀30年代中期， 世界上已經(jīng)有八個(gè)國家在進(jìn)行相關(guān)的研究。 

1、高速發(fā)展的二戰時(shí)期
第二次世界大戰時(shí)期普遍被認為是微波技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期， 其背后主要的推動(dòng)力來(lái)自于軍方對雷達的需求。雷達在二次大戰中扮演著(zhù)重要的角色， 為此盟軍投入了大量人力物力進(jìn)行雷達的研究。在美國， 雷達的相關(guān)研究主要是在麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗室進(jìn)行， 1945 年其員工人數甚至達到 4000 余人，在該研究室工作過(guò)的科學(xué)家中， 后來(lái)有 9 人獲得了諾貝爾獎。

戰后， 輻射實(shí)驗室編著(zhù)了 28 卷的《輻射實(shí)驗室叢書(shū)》 并于 1947 出版， 書(shū)中記錄了二戰期間輻射實(shí)驗室及相關(guān)研究機構研究發(fā)展雷達的大量工作。

1886 年， 赫茲就已經(jīng)發(fā)現電磁波會(huì )被固體反射回來(lái)， 這實(shí)際就是雷達最基本的原理。到了 1903 年， 德國的 Hulsmeyer將其發(fā)明的用于航海的系統申請了專(zhuān)利，該系統利用無(wú)線(xiàn)電波的反射來(lái)檢測障礙物的存在， 并為船只進(jìn)行導航。1933年，美國海軍實(shí)驗室展示了**** 3MHz 的無(wú)線(xiàn)電波的雷達， 能夠在 50 英里的范圍內檢測到飛機的存在。1934年，英國物理學(xué)家和雷達技術(shù)專(zhuān)家沃森瓦特建立了實(shí)驗雷達站， 1938年組建了英國東海岸的防空雷達網(wǎng)， 由25MHz的雷達構建而成。二戰中英國戰役的最終勝利， 防空雷達網(wǎng)起了很大的作用。1939年， 美國軍隊裝備了105MHz 的 SCR 270 型雷達用作遠程預警系統， 該系統在后來(lái)的珍珠港戰役中， 成功地提前檢測到了日軍的飛機。1943 年輻射實(shí)驗室研制出利用空腔磁控管的微波雷達－ 3GHz 的 SCR 584 型雷達， 同年投入生產(chǎn)并廣泛使用在歐洲和太平洋戰場(chǎng)， 這種雷達能夠有效的判斷空中物體的位置并進(jìn)行火力控制， 在其幫助下倫敦戰役中德軍 85％的 V-1 型飛彈被對空火力摧毀。

二戰期間， 微波技術(shù)在其他方面的應用也在繼續向前發(fā)展。在無(wú)線(xiàn)通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多頻段微波無(wú)線(xiàn)電， 該設備利用了脈沖位置調制和數字調制技術(shù)， 美軍和英軍裝備了這種型號的無(wú)線(xiàn)電設備。微波測量技術(shù)也在40 年代發(fā)展起來(lái)， 其中包括能量檢測， 能量測量， 頻率測量， 相位測量和電壓駐波比等技術(shù)。  

1944 年，Meyers， Charles 和 Julian 首次提出了反射計和阻抗測量技術(shù)。微波技術(shù)在生物和醫學(xué)上的應用研究也在二戰期間展開(kāi)。

1938年， 德國人 Hollman和美國人Hemingway 及 Stenstrom 共同提出將微波用于治療的技術(shù)。其原理在于，與其他電磁波相比， 微波可以更好地集中能量進(jìn)行透熱療法。而且使用微波在對深層的組織進(jìn)行加熱時(shí)， 不會(huì )引起皮膚表面溫度過(guò)高。

2、微波技術(shù)戰后的發(fā)展
微波技術(shù)在二戰后的十幾年間迅速地傳播開(kāi)來(lái)， 并得到各個(gè)國家的重視。許多國家由政府進(jìn)行資金支持， 在大學(xué)， 大型企業(yè)或是研究所里設置了微波技術(shù)的研究項目。特別是冷戰時(shí)期為了提供對新武器系統的支持， 進(jìn)行了大量微波技術(shù)的相關(guān)研究， 這些研究極大地促進(jìn)了微波技術(shù)的發(fā)展。新的波導結構被提出， 以替換那些體積過(guò)于龐大的矩形和圓形波導。許多新類(lèi)型的微波管也投入了使用。信號發(fā)生器和接收器的體積也被大幅度減小， 以降低生產(chǎn)整個(gè)微波系統的費用并使增強了穩定性。以上的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了微波集成電路技術(shù)的發(fā)展。

雷達技術(shù)也在繼續進(jìn)步，1955 年 Page 發(fā)明了單脈沖雷達， 美國無(wú)線(xiàn)電公司于1958年生產(chǎn)了高精度單脈沖追蹤儀器雷達 AN/FPS-16 ， 這是第一臺達到 0.1 米級精度的雷達。

戰后微波通訊技術(shù)飛速發(fā)展， 1946 年美國軍隊成功接受到被月球表面反射回來(lái)的雷達微波信號。AT&T于1947年在紐約和波士頓之間建立了3.7-4.2GHz的帶中繼器的視距無(wú)線(xiàn)電系統， 該系統可傳輸 500路電話(huà)或是一個(gè)黑白電視頻道的節目。

1965 年研制出第一顆商用地球同步軌道通信衛星“ Early Bird”。

在微波測量技術(shù)方面， 1951年Fellgett 提出了傅里葉變換光譜法。第一臺應用分離振蕩場(chǎng)方法的銫原子鐘于1952年在美國國家標準局問(wèn)世， 隨后的1955年， 英國國家物理實(shí)驗室的埃森等人研制出超精細微波誘導躍遷銫原子鐘， 1960 年Cutler和Bagley引入原子鐘作為原子頻率標準， 原子鐘的發(fā)明和應用成為現代時(shí)間測量技術(shù)的里程碑。1966 年 Weinert 發(fā)明了射頻向量伏特計。

微波技術(shù)在生物和醫學(xué)上的應用研究在戰后也在繼續發(fā)展， 1950年， Gessler，McCarty和Parkinson三位物理學(xué)家首次進(jìn)行了利用微波能量治療癌癥的試驗， 并使用頻率為2450MHz 的微波輻射根治了白鼠身上的乳腺癌。1955年， Allen 利用微波和 X 射線(xiàn)的混合輻射根治了鼠類(lèi)身上的S180 腫瘤， 隨后關(guān)于混合輻射療法的研究大量展開(kāi)。

3、從軍用到民用的轉變
二戰后微波技術(shù)的研究與應用逐漸從滿(mǎn)足軍事需求為主向民用領(lǐng)域過(guò)渡， 具有代表性的便是微波爐的發(fā)明。從20世紀40年代開(kāi)始， 出現了許多利用微波進(jìn)行加熱的相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)利， 這標志著(zhù)微波加熱技術(shù)的起步。其中 Westinghouse 和 GE 公司側重于工業(yè)加工方面的應用， 如紡織品、輪胎和木材等的烘干， 而 Raytheon 公司則致力于食品的烹飪和加熱。1949 年Raytheon 公司提出了微波爐的若干基本專(zhuān)利。但 Raytheon 公司專(zhuān)注于商業(yè)用微波爐的市場(chǎng)， 沒(méi)有涉足家用微波爐。到了1960 年， 在 Raytheon 公司的授權下， 幾家大的美國公司Hotpoint，Westinghouse， 和 Whirlpool 等開(kāi)始生產(chǎn)面向普通消費者的家用微波爐。然而微波加熱技術(shù)在工業(yè)加工方面的應用卻比預想的增長(cháng)的要慢，在家用微波爐市場(chǎng)，消費者的需求也增長(cháng)的有限， 這主要是因為當時(shí)微波爐的主要元器件——磁控管的成本一直居高不下。

歷史性的轉折發(fā)生在1967年，Raytheon 下屬的 Amana 公司推出了一種家用臺面式微波爐RR - 1 ， 由于使用了成本大為降低的新型磁控管， 使得整機的價(jià)格還不到以前微波爐的一半。RR - 1 型微波爐一經(jīng)推出便迅速的推動(dòng)了家用微波爐市場(chǎng)的發(fā)展，不僅美國本土的公司迅速跟進(jìn)，而且吸引了東芝、夏普、日立等日本公司也投入到這個(gè)市場(chǎng)中來(lái)。60年代， 美國的微波爐年銷(xiāo)售量只有1萬(wàn)臺左右，而到了1975年，這個(gè)數字超過(guò)了100萬(wàn)臺，1985年更是高達500萬(wàn)臺。其中，日本公司也在家用微波爐市場(chǎng)占領(lǐng)了很大的份額， 根據夏普公司公布的數據， 到 1977 年為止夏普公司已經(jīng)銷(xiāo)售了 200 萬(wàn)臺微波爐。隨后， 在日本，歐洲等地家用微波爐市場(chǎng)也發(fā)展起來(lái)。一項1976年的調查結果顯示，日本已有17％的家庭使用微波爐進(jìn)行烹飪。如今微波爐已經(jīng)成為世界各地廣泛使用的食品加工和烹飪器具， 許多美國人甚至認為微波爐是20世紀70年代以來(lái)最重要的科學(xué)技術(shù)突破， 在我國， 微波爐在大中城市的普及率已經(jīng)達到80％以上。 
 

微波技術(shù)的工業(yè)化應用

現代微波設備利用微波技術(shù)技術(shù)手段在各行業(yè)進(jìn)行應用和發(fā)展：

1、食品、保健品工業(yè)   

利用微波可對食品、保健品進(jìn)行滅菌、脫水、烘干、膨化、調味、脫腥、解凍、催陳和保鮮處理。目前已用于奶粉、奶酪、壯骨粉、洋參丸、豆粉、月餅、糕點(diǎn)、方便面、牛肉干、肉脯、肉條、肉松、魚(yú)干片、魚(yú)松、貝類(lèi)、鹽水鴨、解凍魚(yú)肉禽蛋、醬菜、土豆片、腰果、花生、瓜子、大豆、白酒、黃酒、啤酒、牛奶、口服液、中****材等的生產(chǎn)中。

2、木材加工   

采用大功率微波干燥機對2-10公分厚的木板進(jìn)行烘干，干燥速度快、木材不開(kāi)裂、變形小、同時(shí)可殺死木材內部的卵蟲(chóng)和幼蟲(chóng)，中高檔家具、地板、包裝材料用途木料的處理最為合適。微波也可對竹木復合板和拼板交接的固化處理也很理想。

3、殺蟲(chóng)滅菌   

應用微波加熱技術(shù)能在較低的濕度下滅菌殺蟲(chóng)，若用微波處理食品和物料，在50-80度時(shí)就能起到殺蟲(chóng)滅菌作用。目前廣泛應用到大米、谷物、豆類(lèi)、煙葉處理、竹材、木料、紙張、食品、醫****等行業(yè)等。

4、橡膠工業(yè)

微波技術(shù)應用到橡膠工業(yè)中的橡膠硫化工藝中，與常規加熱保溫相結合，大大提高橡膠硫化時(shí)間和效率。目前在河北衡水地區、山東地區廣泛使用。

5、陶瓷工業(yè)  

微波高溫可應用于陶瓷工業(yè)，將傳統加熱和微波加熱方法相結合使用，可大大縮短陶瓷的干燥時(shí)間，同時(shí)不影響陶瓷燒制的成品率。

6、煤炭干燥   

煤炭開(kāi)采后通常含水率較高(35%左右)，如果采用常規烘干方法進(jìn)行干燥，速度慢、效率低，干燥不徹底，采用微波法干燥，可以使煤炭?jì)韧馔瑫r(shí)升溫，是水分蒸發(fā)，實(shí)現脫水干燥，效率得到大大提高。

7、微波等離子技術(shù)   

半導體生產(chǎn)工藝中已經(jīng)采用微波等離子體技術(shù)，可進(jìn)行蝕刻、濺射、氣相沉積、氧化硅片；可用于金屬、合金、非金屬的表面處理；可用于陶瓷的高溫燒結；可用于等離子體光譜分析，可檢測十幾種元素，另外還用于分解有毒化合物。

8、微波醫療垃圾處理技術(shù)   

利用微波技術(shù)在無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下，使微波承載體迅速升至高溫，使得醫療垃圾在極短時(shí)間內迅速處于高溫狀態(tài)，直接灰化，極大降低了燃燒過(guò)程中有毒氣體的產(chǎn)生。煙氣中氣體再采用微波等離子體火炬進(jìn)行高溫裂解，整個(gè)處理過(guò)程和處理環(huán)境實(shí)現全封閉無(wú)害化處理。此項技術(shù)的應用優(yōu)于常規處理方法，開(kāi)拓了微波應用的新領(lǐng)域。

9、污水處理  

利用微波非熱效應和熱效應選擇吸波的“敏化劑”把微波能傳給水中的污染物而誘發(fā)化學(xué)反應，通過(guò)物理及化學(xué)作用對水中的污染物進(jìn)行降解、轉化、加速流體中固、液分離，從而實(shí)現污水凈化的目的，是水處理領(lǐng)域中一場(chǎng)嶄新的革命。

10、微波制碳  

利用微波技術(shù)對竹子進(jìn)行高溫裂解，制作竹炭，大大提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還能提取到竹醋液，竹焦油等產(chǎn)品，具有較高的經(jīng)濟價(jià)值，優(yōu)于傳統窯爐方法制作竹炭，目前正在大力開(kāi)始推廣使用。

微波技術(shù)在通信領(lǐng)域的發(fā)展現狀

進(jìn)入21 世紀， 微波技術(shù)繼續在廣播、有線(xiàn)電視、 電話(huà)和無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)巨大的作用， 在其他領(lǐng)域如計算機網(wǎng)絡(luò )等應用中也嶄露頭角。在廣播電視方面， 當前廣播電視節目制作逐步走向數字化， 而數字化的節目需要數字化的傳輸手段， 于是SDH數字微波網(wǎng)應運而生，與老的模擬微波設備相比傳輸容量大幅度提高， SDH數字微波設備可以傳送幾十套電視節目和幾十套聲音廣播節目，并且傳輸距離更大， 范圍更廣。利用數字微波的數字環(huán)境， 還可以構建一個(gè)雙向的交互式信息網(wǎng)絡(luò )， 實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能的綜合利用和開(kāi)發(fā)。

在通信領(lǐng)域， 微波與衛星和光纜并列為現代通信傳輸的三大支柱。其中微波通信有著(zhù)自己獨特的優(yōu)勢， 首先， 微波通信具有良好的抗災性能， 對水災、 風(fēng)災以及地震等自然災害， 微波通信一般都不受影響。1976年唐山大地震， 在京津之間同軸電纜全部斷裂， 但 6 個(gè)微波通道仍然能正常工作。其次， 微波傳輸系統的組建更加快速。隨著(zhù)城市的不斷擴大和突發(fā)事件發(fā)生， 如局部的積水、 路面破壞、 局部火警火災等等， 這些場(chǎng)合要求能夠快速建立局部的臨時(shí)通信系統。而微波在上述場(chǎng)合的應急能力是其他通信方式遠遠不能及的 。

網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展帶來(lái)了對網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)路建設的迫切需要， 光纜雖然具有超大容量的優(yōu)點(diǎn)， 然而也具有成本高， 需提前鋪設以及易受自然災害影響等弱點(diǎn)， 此外光纖通信也不適用于農村、 海島等邊遠地區和專(zhuān)用通信網(wǎng)。微波通信可作為干線(xiàn)光纖傳輸的備份及補充， 解決城區內鋪設有線(xiàn)資源困難的問(wèn)題。數字微波接入成為建立廣域網(wǎng)連接的另一重要方式， 是城市通信基礎設施的有效補充。

數字微波技術(shù)將是微波技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向， 具體應用包括微波擴頻數據傳輸系統， 可以用于城市內的短距離支線(xiàn)連接的高頻段微波， 用于未來(lái)的寬帶業(yè)務(wù)接入的本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)， 現代軍用數字微波通信系統等等。重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)為 10GHz 以上的高頻段傳輸技術(shù)以及在現有頻段上的兼容技術(shù)， 包括高效率調制技術(shù)， 擴頻及跳頻抗干擾技術(shù)， 糾錯技術(shù)等等。此外， 諸如微波單片集成、 全數字化處理、 數字專(zhuān)用集成電路等提高可靠性及降低成本的技術(shù)也需要進(jìn)一步的研究。

作為典型的應用驅動(dòng)的科學(xué)技術(shù)， 微波技術(shù)在過(guò)去的近一個(gè)世紀里， 對社會(huì )的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著(zhù)深遠的影響。從最早滿(mǎn)足軍用需求而迅速發(fā)展， 到如今進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)， 微波技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了起起落落。微波技術(shù)正在并仍將在廣播電視，無(wú)線(xiàn)通信， 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域扮演著(zhù)不可替代的角色。放眼未來(lái)，微波技術(shù)必將有更廣闊的發(fā)展空間！