微波及微波的应用

又有电荷流到电容处，然后磁场能量又逐渐变回电 场能量，最后全部变成电场能量。下半个周期又开 始相同的循环，这是一种电磁振荡的现象，赫兹就 是用这方法产生电磁波。
总结这两种振荡形式，可看出一个振荡现象的
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通则：能量形式一、能量形式二由这个通则可以看 出振荡需要有两种储存能量的机制，比如质块和弹 簧机械震荡的能量储存机制是动能及位能，LC 振 荡器和电磁振荡的能量储存机制是电场及磁场。此 外，还需要有能量交换的机制，比如质块和弹簧的 能量交换机制是弹簧的复原力，LC 振荡器的能量
光纤通讯利用光波，除此之外，就是无线电波。 无线电波频段里面有中波，由早期的收音机所使
用，还有短波、AM、FM、及 VHFBaidu Nhomakorabea电视频道等波段， 而其中最重要的一段是微波，这是通讯和雷达最主 要的频段。国际组织把无线电波频段划分为很多频 道，甚至规定了军事设备使用的频道，不然就会彼 此干扰，所以军用设备、民用设备、卫星、电视等 等，都各有划定好的频道。太空通讯又有往上及往
植物也没有光合作用，能量都没有了，吃的东西、 烧的汽油通通不存在，当然我们也都不存在！所以 水对电磁波的吸收系数看来像是一个自然奇景，是 其它物质所没有的，几乎像是超自然的力量所设计 的。
再来谈谈低频波段。60Hz 是每秒钟振动 60 次 的低频，跟我们很有关系，这是家用电所使用频段， 高压线就是在 60Hz 传输能量。大家都很讨厌高压 线，可是我们又必须靠它传输能量。那高压线如何 传输能量呢？
的洪流区就很危险。
除了高压线外，只要是传播讯号或传输能量的 电线，都利用相同的原理。汽、机车的电瓶是直流 电，但是直流电线中也有电压及电流，电场、磁场 也是互相垂直的，照样可以传输能量。微波的应用
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说完了微波两侧的光波和低频波之后，开始进 入另一个主题：微波的应用。我们先从电磁波的频 谱中，介绍几个与通讯及雷达有关的频段。
制下，把功能不一样的各层结合在一起，必须快速 加热。
构思的方法是上层用吸波快的粉末，因为吸波 快，可以立刻热到一千多度，很快就完成了致密的 融合，而底层还在五、六百度的熔点之下。做这样
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的不能用一般的高温炉，因为在一般的高温炉中温 度都一样，没办法达到这样的效果，放在封闭的微 波炉中恐怕也不行，因为还不够快。在我们设计的 「扫描式近光学微波加热作用腔」中，就可以很快 地完成，可是只能在一个小聚焦点上完成，如果需 要的产品是一块布料那么大的，就要放在一个移动
律」：随时间变化的磁场会产生电场。例如把磁铁 通过线圈，线圈上就会感应出电压及电流。法拉第 定律之所以重要，是因为在这之前只知道一种方法 可以产生电场，就是电荷，而法拉第发现了另一种 产生电场的方法。
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在发现法拉第定律的同年，马克士威尔也诞生 了。1873 年马克士威尔提出一个重要的理论：随 时间变化的电场会产生磁场。这又是一个划时代的 里程碑，因为在当时只知道电流能产生磁场。马克 士威尔的学说因为是推理，到 1879 年他去世前都 没有被接受，一直到了 1887 年赫兹用 LC 振荡器产
再说到国防系统，这当然也是绝对重要的。以 美国为例，全球美军 24 小时都在指挥之下，里头 有军舰、飞机、坦克，分散在地球不同的角落，彼
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此借着卫星通讯串在一起。此外，每一艘作战船上 面都有各种雷达及通讯设备，光是微波发射器就数 以百计，新型战机上面也有好几十个，发挥各种各 样的功能，包括通讯、侦测、导航、干扰、火力控 制等等。
前面提到的都是已经成熟的技术，微波是二次 世界大战时开始发展的，现在已经进入工业界，是 非常成功的一项研究，但也需要不断的创新。清华 大学主要是在「磁旋行波放大器」及「单阳极磁控 电子骊」这一类的研究上面钻研，所研创的磁旋行 波放大器能够把一个讯号放大 1,000 万倍，不论在
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的接触面超过 100 个以上，在不同的温度一次又一 次地焊，只要一次出错，就前功尽弃。制造出成品 后，再用高压电源测试，如果不合格，又是前功尽 弃。
制程中需要一再地焊接，是因为发射器中必须
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保持高真空，以免电子碰撞到气体，如同真空管一 样，因此这种高功率微波发射器，通常简称为「微 波管」。由于微波管的制造如此不易，频率越高又 越困难，在先进国家，毫米波段的微波管都列为输 出管制品。我们的研究重点，也就在毫米波段，所 以这项，对我们的国防相当重要。
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下的频道，都与地面通讯所用的频道不一样。
接下来谈谈日常通讯。电视表演要送到远处播 放，需要在地面转接，一个转接站收到讯号后，再 把它放大传送到另一个转接站，最后送到接收地的 电视台播放，也可以经过卫星送到更远的地方。越
洋电话、电信也是经过卫星送出讯号，所用的都是 微波。
交换机制是电流和电荷。
电磁波虽然也是借着电场和磁场储存能量，但 能量交换的机制则截然不同，是藉由电场和磁场的 时间变化来交换。电磁波由于不需要藉由电流产生 磁场，也不需要透过电荷产生电场，因此可以存在
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于没有介质的空间，例如外层空间。
有一个很有趣的现象，就是水对电磁波的吸收 系数与频率之间的关系。大气里有很多水蒸气，在 很窄的可见光频段，水的吸收系数就像峡谷一样， 突然下降 1～100 亿倍，让大气像是有一扇窗户， 使太阳光能够穿透水蒸气到地面来。假如没有这么 一个神奇的大峡谷，现在的地球会是一片黑，没有
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例如要产生微波，首先要用电子骊产生电子 流，然后把电子流的能量变成电磁波的能量。电子 骊是微波发射器里面的核心组件，计算机仿真设计 后，要做工程设计，再来是精密加工，制造各种零 件，然后焊接起来。其它各种各样的组件制造流程 也一样，最后把全部组件焊接成一个发射器，里面
微波是电磁波的一个频段，波长在 1 毫米和 1 米之间，我们首先从电磁波的发展史谈起，再讨论 电磁波的学理和主要频段，然后谈谈微波的各种应 用，并挑几个与台湾有关的应用来做说明，最后介 绍微波炉及微波加热的原理。
电磁波的学理
电磁波发展史中最重要的两个人是法拉第和 马克士威尔，这两人都堪称物理学家的前 10 名， 他们最主要的贡献就是我们要谈的。法拉第出生于 1791 年，他在 1831 年经由实验发现了「法拉第定
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它是借着电磁波的电场、磁场传输能量。高压 线的电流会产生磁场，电压差会产生电场，电场和 磁场正好互相垂直，因此可以传输能量。这样看来， 高压线的四周像是一条电磁场的大洪流，反而是高 压线的里面不能传输能量。高压线要摆这么高的原 因不仅是因为碰到线会有危险，而是一进到电磁场
材料。一般处理材料用的微波炉，功率大概是二、 三千瓦，但在这个作用腔中，只要几十瓦就可以看 到效果了。这是一个新的方法，正在申请专利，希 望这个设备能够给我们的研究带来一些突破。
这个计划的目的之一是要制造新一代、可扭曲
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式的电子模块，它既是纺织品又是电子模块，包含 一个底层及上面的功能层，所以制造时需要把不同 的材料层结合在一起。结合的过程从粉末开始，上 层要加热到上千度的高温才能融合在一起，但是底 层是另一种材料，具有另一种功能，因此底层的温 度不能太高，太高的话就被会烧熔掉。在这样的限
在这里我们用质块和弹簧来比拟电磁波的振 荡现象。弹簧上绑一质块，把弹簧自平衡位置移开， 便有位能产生，松手后位能逐渐变成动能，在动能
最大位能最小的时候，动能开始化为位能，最后又 全部变成位能。下半个周期开始相同的循环，所以 弹簧和质块的振荡就是动能和位能之间的相互转 换。
相同的道理可应用在具有一个电容器和一个
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再拿最近在清华大学进行的另外一项应用为 例，这项应用和工研院合作的很密切，是用微波加 热处理材料。大家所熟悉的微波炉，用的是一个封 闭的作用腔，而现在用的扫描式近光学微波加热作 用腔是一个光学式作用腔，有如一个聚焦镜，微波 射进去后聚焦，就会产生很强的电磁波，用来处理
电磁波的频率，从几个赫兹（1 赫兹等于每秒
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钟振荡 1 次的频率，用 Hz 表示）以下，一直到 1024 赫兹以上，范围可以说很广。整个频谱区可大致分 为长波、无线电波（无线电波中包括了微波），还 有红外线、可见光、紫外线，接着还有 X 光、γ 射 线等。
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电感器的电路上。电容器充电后，接通电路，由于 电容器上的正负电荷造成电压，所以有电流，电流 流过电感器就产生磁场。这时电容器内的电场能量 随电荷减少而变小，当电荷流光时，电场也没有了， 能量全部变成磁场能量。磁场最大时电流也最大， 可是因为电流一直在流，无法一下子降为零，于是
功率、效率、增益或频宽上，都超越了传统的极限， 在应用上带来了新的契机。
像美国这样的先进国家，已准备把磁旋行波放 大器应用到太空科技上。美国有不少太空侦测设 施，里面有各种各样的雷达侦测太空对象，例如敌
人及自己的飞弹、天空上的卫星、甚至天上的太空 碎片等。太空碎片速度非常快，宇宙飞船一不小心 被打到，就会像中了炮弹一样，只是碎片的密度还 不高，被打中机会不大。碎片有大有小，要看到 1 公分大小的太空碎片，就必须用磁旋行波放大器这 一类的新设备。
生电磁波，马克士威尔的理论才终于获得证实！
当时大家只知道光是波，光的波动现象可以用 干涉仪探测出来，但不知道光究竟是什么东西。马 克士威尔说光波就是电磁波，由电场和磁场构成 的，可是因为太创新，以至于抱憾而终。法拉第和
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马克士威尔伟大的地方就是，分别发现一个崭新的 方法产生电场和磁场。
例如飞行中的飞弹，要击中目标，需要雷达导 航，作战的飞机要射出讯号干扰敌方的雷达，让敌 方的雷达无法抓住它的位置，聪明一点甚至还可以 发出欺骗讯号，让敌方雷达把它的位置搞错，结果 浪费一颗飞弹。飞机和指挥部通讯也都要靠微波， 其它像战车等等，也是类似的情形。所以说微波对
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我们的影响非常大。军舰、战机保护我们，是间接 的影响，地面通讯是直接的影响，现在几乎每个人 都在拨打手机，就是微波在帮我们服务。国内相关 的微波研究
接下来谈谈几个跟国内相关的实际应用例子。
笔者在清华大学专门研究高功率微波，而国内进行 这方面研究的极少，所以就用清华大学的举例。先 从微波的产生谈起，清华大学的「高频电磁实验室」 跟中科院合作，一起研制微波发射器，经过多年的 努力，制造出一系列的微波发射器。我们发展的一 些技术，一个一个都要从头建立。
赫兹利用 LC 振荡器产生电磁波，其过程是在 振荡时，用电感耦合出一部分能量，经传输线传到 电偶极天线，在天线上，电流会产生磁场，也会累 积电荷，于是也产生电场。电场和磁场在天线处产
生，两者大致相互垂直，之后便根据马克士威尔及 法拉第的理论相互变换，形成了电场和磁场完全垂 直的电磁波，并以光速传播出去。电磁波的主要波 段