微波技术及其通信应用

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波， 是无线电波中一个有限频带的简称，即波长 在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是 分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。 微波频率比一般的无线电波频率高，通常也 称为‚超高频电磁波‛。

微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微 波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收 三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几 乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会 吸收微波而使自身发热。而对金属类东西， 则会反射微波。

微波高温烧结陶瓷的研究工作表明，微波高温方 再如微波高温烧结陶瓷的研究工作表明，微波高 法升温快，可缩短生产时间，改善陶瓷产品的质量。 温方法升温快，可缩短生产时间，改善陶瓷产品的质 但是实验研究烧结过程烧成率低，难于掌握迅速升 量。但是实验研究烧结过程烧成率低，难于掌握迅速 升温的各个环节。改进陶瓷烧结的工艺应将常规加热 温的各个环节。改进陶瓷烧结的工艺应将常规加热 和微波加热方法相结合，初始升温不必采用微波方法， 和微波加热方法相结合，初始升温不必采用微波方 待到达500°C以上时，（陶瓷坯体吸收微波能量的系 法，待到达500°C以上时，（陶瓷坯体吸收微波能 数受温度升高而提高），再用微波方法将坯体里外一 量的系数受温度升高而提高），再用微波方法将坯 致达到烧结温度，而保温和降温则仍然可采用常规方 体里外一致达到烧结温度，而保温和降温则仍然可 法。国外目前已研制出小型微波烧结和传统烧结相结 采用常规方法。国外目前已研制出小型微波烧结和 合的传送式窑炉，获得很好的烧结效果。 传统烧结相结合的传送式窑炉，获得很好的烧结效 果。
利用微波内部加热，在微波辐照下用氯化锌法（将 废物锯末及烤胶废料分别与氯化锌溶液混合浸渍12h）， 只需8 min可生产锯末活性炭及烤胶废料活性炭，其操 作性能、吸附容量超过市售一级活性炭，比工业用活性 炭更加优越。微波辐照下用氯化锌法生产活性炭解决了 传统氯化锌法的热能利用率低、劳动强度大的问题，具 有节能快速、加热易控制、产物性能好等优点。因此， 采用微波技术可高效地制取废物活性炭，变废为宝。


微波能通常由直流电或50MHz交流电通过一特 殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许 多种，但主要分为两大类：半导体器件和电 真空器件。电真空器件是利用电子在真空中 运动来完成能量变换的器件，或称之为电子 管。在电真空器件中能产生大功率微波能量 的有磁控管、多腔速战速调管、微波三、四 极管、行波管等。在目前微波加热领域特别 是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。

微波加热固化工艺具有高效、 节能、无污染、工作环境好 等优点，我们在铸造生产中 利用微波加热来代替传统加 热能提高水玻璃砂、呋喃树 脂型砂、芯及水溶性有机粘 结剂的性能。我们已成功地 研究了微波水玻璃砂工艺和 微波树脂砂工艺，为传统铸 造工业造型制芯的清洁生产 提供了重要途径。
六：环境保护
微波技术在环境保护领域的应用主要基于它的热效 应。因此，准确测定或计算微波场中温度场的分布情 况就显得特别重要，温度场测量的准确性对提高处理 效率、控制微波泄漏和降低能耗有重大意义。目前还 没有一种很理想的方法能准确计算微波场中温度场的 分布，美国设计开发了H500t H2900型等实验室专 用微波处理器，在精确控温方面有很大的提高。微波 技术的不断发展将有力地促进微波技术在环境保护领 域的实际应用。
例如：航空航天雷达
微波技术是在第二次世界大战期间为了研制雷达而成熟 起来的。当大战将结束时，美国调整雷达的工程师发现自 己口袋里的巧克力经常熔化，立刻明白，这是电磁波对物 质的作用所引起的！好奇心驱使他们用微波装置作爆米花 取得成功。这就是微波功率应用设备的雏形。 早在30年代，在调试大功率无线电发射机时，常常发 现苍蝇或昆虫干瘪的死在空心螺线管中，这些偶然发现， 向人们揭示了微波和无线电波均可造成加热、干燥现象。 其实，微波和无线电波均是电磁波，只是微波的频率在 300MHz以上，而无线电波的频率在300MHz以下。
1. 微小的波浪。 汉 刘向《新序· 杂事二》：“引纤缴，扬微波， 折清风而殒。” 唐 许浑《泛五云溪》诗：“急濑鸣车轴，微波漾 钓筒。” 宋 朱熹 《喜晴》诗：“冲颷动高柳，渌水澹微波。”峻青 《秋色赋· 海娘娘》：“每当晴朗的早晨或是静谧的月夜，海上风 平浪静，微波不兴。” 2. 犹余波. 汉 司马相如《封禅文》：“俾万世得激清流，扬微 波，蜚英声，腾茂实。” 南朝 梁 锺嵘 《诗品》卷上：“ 永嘉时， 贵 黄 老 ，稍尚虚谈。于时篇什，理过其辞，淡乎寡味，爰及 江 表，微波尚传。” 卷盦 《<蔽庐丛志>序》：“景丛志而仰止，羗 寄意於微波。” 3. 指女子的眼波。 三国 魏曹植《洛神赋》：“无良媒以接懽 兮，托微波而通辞。” 清 黄遵宪《都踊歌》：“中有人兮通微波， 荷荷！贻我钗鸾兮餽我翠螺，荷荷！” 高旭《赠沉孝则》诗：“惆 怅佳人留片影，愿将心事托微波。” 4. 物理学名词。指波长较短的电磁波。如，无线电通信中指 波长在1毫米至十米之间的电磁波。
（三）废气处理
烟气中的碳微粒由于粒径极小，约为 0.01~0.2μm，能长期悬浮于空气中，易于通过呼 吸系统而沉积于人体肺泡内，极具致癌作用。国外 正在研究一种采用微波加热收集碳微粒的收集器， 当碳微粒积聚到一定程度时，可自动燃烧掉，收集 器对碳微粒的滤除效果达到60%~90%，由于碳微 粒能自动燃烧可免去人工收集的麻烦。碳微粒收集 器的废气净化效果非常明显，对当前柴油车的废气 污染治理具有重要意义，结合我国当前的技术水平， 很有必要进行研制开发和推广应用。
微波弹。一般是在炸弹或导弹战斗部上加装电磁脉冲发生 器和辐射天线，利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率 电磁脉冲，从而在目标的电子线路中产生感应电压与电流， 以击穿或烧毁其中的敏感元件。尤其是当目标的缝隙大于微 波的波长时，微波弹爆炸产生的微波脉冲可以从目标缝隙钻 进去，令敌方防不胜防。目前比较成熟的是投掷式微波弹， 正在进一步实用化。 隐形武器的“克星”。目前的武器要隐形，很重要的一 点就是靠吸波材料和外表面的吸波涂层来吸收雷达波。但 这种方法对付微波武器发射的高能量电磁波无疑于“引火 烧身”。大量吸收高能量电磁波会引起强烈的热效应，导 致武器自身温度迅速升高以致烧毁。
微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电波，被加热介质物料中的水分子是极 性分子。它在快速变化的高频点磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而 变化。造成分子的运动秀相互摩擦效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能， 使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。
传统加热固体物料，必须处在一个加热的环境中，由表及里，逐渐导入固 体的内部，获得热平衡的条件，但需要较长的时间。而加热环境不可能做到绝 热封闭，所以在加热时间段，就会对周围环境散发出很多的热量。微波功率则 处于全封闭状态，以光速渗入物体内部，即时转变为热量，解决了长时间加热 过程中的热散失，这就是微波加热的节能原理。微波加热和射频加热相比的特 点：场能转变为热能的比例高；容易将电磁波屏蔽起来，不逸散。

污水中含有大量的有机污染物、无机污染物、 污泥等，这些物质可对环境产生严重的污染。 污水中含有大量的有机污染物、无机污染物、 利用微波的加热特性，可将微波技术有效地 污泥等，这些物质可对环境产生严重的污染。利 用微波的加热特性，可将微波技术有效地用于污 用于污染。利用微波的加热特性，可将微波 染。利用微波的加热特性，可将微波技术有效地 技术有效地用于污泥、有机污染物的处理及 用于污泥、有机污染物的处理及有机絮凝剂的制 有机絮凝剂的制备。 备。 微波加热具不需传热、内外同热、没有热 微波加热具不需传热、内外同热、没有热传 传递过程的热损失特点，与传统加热法相比， 递过程的热损失特点，与传统加热法相比，微波 微波加热的热效率高。因此，在生产污水处 加热的热效率高。因此，在生产污水处理过程中， 理过程中，可采用微波加热来代替传统加热 可采用微波加热来代替传统加热使污泥脱水和干 使污泥脱水和干燥。 燥。
例如：
由于医疗垃圾具有毒性，难以用常规方法进行处理。 有研究表明，微波技术既可用于现场医疗垃圾的处理， 又可用于废物转移处理。Werner Curt等发现，许多 医院在对有素养废物处理之前，采用微波对其进行消 毒。在一定的条件下，将医疗废物浸湿粉碎之后，用 微波对废物进行消毒，毒素会被彻底地消灭，废物体 积也减小了60%~90%。微波处理医疗垃圾时间短， 见效快，比当地烧尽废物更好。这种方法虽然一次性 投资大，但却能获得长期的效益。
微波杀菌是利用了电磁场的热效应和生物效应的共同作用 的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变化，使细菌失去营 养，繁殖和生存的条件而死亡。 微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分 布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透 性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能 紊乱，生长发育受到抑制而死亡。 此外，微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核酸[RNA] 和脱氧核糖核酸[DNA]，是由若干氢键松弛，断裂和重组，从 而诱发遗传基因突变，或染色体畸变甚至断裂。
（ 七 ） 无 线 电 波 加 热
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电效应。它是指高功率微波在金属表面或金属 导线上感应电流或电压，并由此对电子元Βιβλιοθήκη Baidu件 产生的效应，如造成电路器件状态反转、性能 下降等。
电效应军事科技工作者利用微波的效应开发出了 微波武器。微波武器在现代战争中有多种奇妙的 用途。
例如：军事方面
电子系统的“杀手”。微波武器能够攻击所有 带电子部件的武器系统，包括雷达、精确制导 武器、飞机、舰船、车辆、自动化指挥台站的 计算机系统。微波武器可使它们无法正常工作， 甚至彻底丧失作战效能。 微波波束武器。这种武器主要是利用定向辐射的 高功率微波波束杀伤破坏目标。它能全天候作战， 有效距离较远，可同时杀伤几个目标。它还完全 有可能与雷达形成一体化系统，集探测、跟踪、 杀伤功能于一体。但这种武器研制技术难度较大， 不少问题还待解决。
目前，大型微波功率应用设备主要运用在加热干燥和食品加 目前，大型微波功率应用设备主要运用在加热 工的生产中。但从目前市场需求的情况来看，微波功率应用设备 干燥和食品加工的生产中。但从目前市场需求的情况来 尚未能满足多个领域需求。就微波加热干燥而言，微波功率工程 看，微波功率应用设备尚未能满足多个领域需求。就微 仍然还有大量的开拓性工作要做。这些领域大致是非金属材料的 波加热干燥而言，微波功率工程仍然还有大量的开拓性 高温处理、高分子热定型、化工材料的绝度干燥、脱结晶水、玻 工作要做。这些领域大致是非金属材料的高温处理、高 璃纤维的干燥、各种生物化学材料、食品的低温干燥、真空脱水 分子热定型、化工材料的绝度干燥、脱结晶水、玻璃纤 干燥等。 维的干燥、各种生物化学材料、食品的低温干燥、真空 有些领域的加热和干燥，传统方法已进行了大量的研究。例 脱水干燥等。 如干燥方法，着眼于在不同状态最有效地将水分疏导排出，喷雾 干燥、硫化床干燥、振动硫化床干燥、沸腾干燥、真空干燥都是 有些领域的加热和干燥，传统方法已进行了大量的 研究。例如干燥方法，着眼于在不同状态最有效地将水 应物料的不同状态和热风刻分相接触而排出水分。如果能适当的 分疏导排出，喷雾干燥、硫化床干燥、振动硫化床干燥、 引入微波能量，则完全可能将干燥过程加快，提高干燥质量。在 沸腾干燥、真空干燥都是应物料的不同状态和热风刻分 这些领域中，微波方法宜与传统方法相结合。而疏导排出水分的 相接触而排出水分。如果能适当的引入微波能量，则完 方法，仍应采用传统方法的优点，并对原有设备进行改革，以兼 容馈入微波功率，防止微波泄漏。 全可能将干燥过程加快，提高干燥质量。在这些领域中，
目前已成功运用的微波功率生产设备，还需要改进和提高。这些通用基础 部件质量的提高，将为改进目前的应用设备提供扎实的基础，从而使目前的微 波功率应用设备更规范化，工作更稳定可靠，加热更均匀，并配以可靠的传感 功能，使设备的工作状态得到实时监示，使电磁场和物质相互作用的状态具有 可觉察性，具有配置闭环自控的基本条件，缩小和国外先进同类产品的差距， 使目前国内以进口设备为主的橡胶微波硫化设备和印刷干燥设备，全部采用国 产设备。一旦应用设备的质量跃上一个新台阶，就有可能将微波功率应用于加 热的领域不断拓宽。 如在化工材料、玻纤的干燥、陶瓷坯体的干燥和定型、纺织、印染、印刷 工业的应用和大型冷冻肉食品解冻的应用，均可以采用微波功率设备，来改善 生产条件，缩短生产时间。
微波功率设备，通常由微波功率源、应用器、波 导元件和应用器馈能结构、传感和控制四个部分组成。 微波功率源一般采用磁控管作振，在该管中，热 阴极发射电子，在强恒磁场作用下电子作圆周运动； 磁控管内部的谐振腔使电子减速，将电子的动能转变 为电磁波的能量，在谐振腔中积累，送入波导管中， 再送入应用器供使用。磁控管需要直流高压供电，灯 丝加热供电及恒磁场线圈供电并需要相应的保护和控 制电路，组成微波功率源的整机。直流高压或恒磁场 的励磁电流，均可控制微波功率的输出量。