微波及微波的應(yīng)用

1、微波是電磁波的一個(gè)頻段，波長(zhǎng)在 1 毫米和 1米之間，我們首先從電磁波的發(fā)展史談起，再討論電磁波的學(xué)理和主要頻段，然后談?wù)勎⒉ǖ母鞣N應(yīng)用，并挑幾個(gè)與臺(tái)灣有關(guān)的應(yīng)用來(lái)做說(shuō)明，最后介紹微波爐及微波加熱的原理。電磁波的學(xué)理電磁波發(fā)展史中最重要的兩個(gè)人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學(xué)家的前 10 名，他們最主要的貢獻(xiàn)就是我們要談的。法拉第出生于1791 年，他在 1831 年經(jīng)由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了法拉第定0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 年馬克士威爾提出一個(gè)重要的理論：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這又是一個(gè)劃時(shí)代的里程碑，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)只知道電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)。馬克士威爾的學(xué)說(shuō)因?yàn)槭峭评?，?18

2、79 年他去世前都沒(méi)有被接受，一直到了 1887 年赫茲用 LC 振蕩器產(chǎn)0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 振蕩器和電磁振蕩的能量?jī)?chǔ)存機(jī)制是電場(chǎng)及磁場(chǎng)。此外，還需要有能量交換的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機(jī)制是彈簧的復(fù)原力，LC 振蕩器的能量0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ LC 振蕩器產(chǎn)生電磁波，其過(guò)程是在振蕩時(shí)，用電感耦合出一部分能量，經(jīng)傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也會(huì)累積電荷，于是也產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)在天線處產(chǎn)0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 赫茲等于每秒鐘振蕩 1 次的頻

3、率，用 Hz 表示）以下，一直到 1024赫茲以上，范圍可以說(shuō)很廣。整個(gè)頻譜區(qū)可大致分為長(zhǎng)波、無(wú)線電波（無(wú)線電波中包括了微波），還有紅外線、可見(jiàn)光、紫外線，接著還有 X 光、 射線等。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 1100 億倍，讓大氣像是有一扇窗戶，使太陽(yáng)光能夠穿透水蒸氣到地面來(lái)。假如沒(méi)有這么一個(gè)神奇的大峽谷，現(xiàn)在的地球會(huì)是一片黑，沒(méi)有植物也沒(méi)有光合作用，能量都沒(méi)有了，吃的東西、燒的汽油通通不存在，當(dāng)然我們也都不存在！所以水對(duì)電磁波的吸收系數(shù)看來(lái)像是一個(gè)自然奇景，是其它物質(zhì)所沒(méi)有的，幾乎像是超自然的力量所設(shè)計(jì)的。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 是每秒鐘振動(dòng) 60

4、 次的低頻，跟我們很有關(guān)系，這是家用電所使用頻段，高壓線就是在 60Hz 傳輸能量。大家都很討厭高壓線，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢？它是借著電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳輸能量。高壓線的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電壓差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)正好互相垂直，因此可以傳輸能量。這樣看來(lái)，高壓線的四周像是一條電磁場(chǎng)的大洪流，反而是高壓線的里面不能傳輸能量。高壓線要擺這么高的原因不僅是因?yàn)榕龅骄€會(huì)有危險(xiǎn)，而是一進(jìn)到電磁場(chǎng)0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ VHF 電視頻道等波段，而其中最重要的一段是微波，這是通訊和雷達(dá)最主要的頻段。國(guó)際組織把無(wú)線電波頻段劃分為很

5、多頻道，甚至規(guī)定了軍事設(shè)備使用的頻道，不然就會(huì)彼此干擾，所以軍用設(shè)備、民用設(shè)備、衛(wèi)星、電視等等，都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道，都與地面通訊所用的頻道不一樣。接下來(lái)談?wù)勅粘Ｍㄓ崱ｋ娨暠硌菀偷竭h(yuǎn)處播放，需要在地面轉(zhuǎn)接，一個(gè)轉(zhuǎn)接站收到訊號(hào)后，再把它放大傳送到另一個(gè)轉(zhuǎn)接站，最后送到接收地的電視臺(tái)播放，也可以經(jīng)過(guò)衛(wèi)星送到更遠(yuǎn)的地方。越0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 24 小時(shí)都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機(jī)、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛(wèi)星通訊串在一起。此外，每一艘作戰(zhàn)船上面都有各種雷達(dá)及通訊設(shè)備，光是微波發(fā)射器就數(shù)以百計(jì)，新型戰(zhàn)機(jī)上面也有好幾十個(gè)，發(fā)揮各種各樣

6、的功能，包括通訊、偵測(cè)、導(dǎo)航、干擾、火力控制等等。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 100 個(gè)以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯(cuò)，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測(cè)試，如果不合格，又是前功盡棄。制程中需要一再地焊接，是因?yàn)榘l(fā)射器中必須保持高真空，以免電子碰撞到氣體，如同真空管一樣，因此這種高功率微波發(fā)射器，通常簡(jiǎn)稱為微波管。由于微波管的制造如此不易，頻率越高又越困難，在先進(jìn)國(guó)家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點(diǎn)，也就在毫米波段，所以這項(xiàng)，對(duì)我們的國(guó)防相當(dāng)重要。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 h

7、ttp:/ 1,000 萬(wàn)倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統(tǒng)的極限，在應(yīng)用上帶來(lái)了新的契機(jī)。像美國(guó)這樣的先進(jìn)國(guó)家，已準(zhǔn)備把磁旋行波放大器應(yīng)用到太空科技上。美國(guó)有不少太空偵測(cè)設(shè)施，里面有各種各樣的雷達(dá)偵測(cè)太空對(duì)象，例如敵0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 1公分大小的太空碎片，就必須用磁旋行波放大器這一類(lèi)的新設(shè)備。再拿最近在清華大學(xué)進(jìn)行的另外一項(xiàng)應(yīng)用為例，這項(xiàng)應(yīng)用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個(gè)封閉的作用腔，而現(xiàn)在用的掃描式近光學(xué)微波加熱作用腔是一個(gè)光學(xué)式作用腔，有如一個(gè)聚焦鏡，微波射進(jìn)去后聚焦，就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，用來(lái)處理0c

8、59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 500MHz 的微波。加速環(huán)把電子加速到 1.3GeV，速度已經(jīng)是0.999999 的光速，送到儲(chǔ)存環(huán)里面轉(zhuǎn)七、八個(gè)鐘頭，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)輻射出很強(qiáng)、頻率接近 X 射線的0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 3 道光，可做 3 組實(shí)驗(yàn)，一圈共可做 18 組實(shí)驗(yàn)，這是同步輻射研究中心的大概情況。電子在加速環(huán)里轉(zhuǎn)的時(shí)候，每經(jīng)過(guò)一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點(diǎn)，從慢速度變成非常高的速度。送到儲(chǔ)存環(huán)之后，在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)輻射出光，耗損能量，儲(chǔ)存環(huán)里頭也有兩個(gè)高頻共振腔，每經(jīng)過(guò)一次就補(bǔ)充能量，好像加油站一

9、樣。電子在儲(chǔ)存環(huán)里頭，每秒鐘走 3 百萬(wàn)圈，要走0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 個(gè)鐘頭不碰到墻，可見(jiàn)這個(gè)技術(shù)需要相當(dāng)精確的計(jì)算。比如說(shuō)光速是 31010cmsec，對(duì)不對(duì)？這個(gè)數(shù)據(jù)不是很好，因?yàn)樵谕捷椛溲芯恐行娜绻压馑佼?dāng)成 31010cmsec，這個(gè) 1 億美金的設(shè)備就要泡湯了。在那里光速要用 2.99791010cmsec，這其實(shí)還不是精確的光速，光速的精確值在后面還有好多個(gè)位數(shù)，只是加速器計(jì)算的精確度到小數(shù)第 4 位即可。加速環(huán)里的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉(zhuǎn)彎，并自動(dòng)修正軌道的偏差。電0c59f8ea 工業(yè)微波

10、設(shè)備 http:/ 20 個(gè)左右，但還是有很多人排隊(duì)等著做實(shí)驗(yàn)。這個(gè)光源，全臺(tái)灣很多學(xué)校都在用，大約有幾十個(gè)機(jī)構(gòu)、一兩百個(gè)研究小組，有些還來(lái)自國(guó)外。0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 1TeV），需要的加速器可以長(zhǎng)達(dá)幾十公里，有千百個(gè)高頻共振腔，可見(jiàn)現(xiàn)代的加速器有多復(fù)雜。光是從粒子加速器這個(gè)應(yīng)用，大家就可以想象微波對(duì)科學(xué)研究有多大的重要性。再回頭來(lái)說(shuō)高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進(jìn)高頻共振腔里，就會(huì)激發(fā)共振膜產(chǎn)生電場(chǎng)，電子進(jìn)來(lái)的時(shí)候會(huì)被電場(chǎng)加速。這里用的頻率是 500MHz，也就是每秒中振動(dòng) 5 億次、改變方向 5 億次，在改變方向以后，再進(jìn)來(lái)的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器里面，電子0c59f8ea 工業(yè)微波設(shè)備 http:/ 是微波的低頻邊緣，屬于 UHF 頻段。高頻共振腔和很多其它附帶器件構(gòu)成一個(gè)高頻系統(tǒng)，其中有一個(gè)速調(diào)管，這是電