微波的性質(zhì)及實際應(yīng)用

1、摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1KeyWords1引言11.微波概述12微波的傳輸13彳散波的性質(zhì)21.1 穿透性21.2 選擇性加熱21.3 熱慣性小31.4 似光性和似聲性31.5 非電離性31.6 信息性34 .微波的產(chǎn)生35 .微波的應(yīng)用45.1 微波加熱45.2 雷達(dá)與通信45.3 醫(yī)療衛(wèi)生55.4 微波萃取55.5 武器戰(zhàn)爭方面5結(jié)論6參考文獻(xiàn)6微波的性質(zhì)及其實際應(yīng)用摘要：微波作為電磁波的一種，頻率范圍介于光波和廣播電視所采用的無線電波之間，它兼有兩者的性質(zhì)又區(qū)別于兩者，有自己的特點.關(guān)鍵詞：微波；波導(dǎo)；電磁波；微波熱效應(yīng)Theshallowpropertiesandapplica

2、tionsofmicrowaveAbstractt:Microwaveisakindofelectromagneticwavethatfrequencyrangesfromradiowavestotelevisionwaves,ithasthepropertiesanddifferenceinboth,andhasitsowncharacteristics.Keywords:microwave;waveguide;electromagneticwave;microwaveheatingeffect引言1864年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。隨著人們

3、對電磁波的研究逐步加深，電磁波的性質(zhì)已被人們了解。作為電磁波頻率波段的微波在通信，食品，醫(yī)療等方面，也得到了廣泛的應(yīng)用。本文就主要介紹微波的一些基本概念和應(yīng)用。1 .微波概述微波是指頻率為300MHz-3000GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到0.1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為超高頻電磁波1”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。2 .微波的傳輸微波是電磁波中的一段，因此它的規(guī)律性滿足麥克斯韋方程組和介質(zhì)的性能方程：V?D=p'?B=0-Bft(1)(2)：D'H=

4、j+a并且D,B,j滿足：D=WEB=Hj=E對于空氣和導(dǎo)體的界面，由上述關(guān)系可以得到邊界條件（左側(cè)均為空氣中場Et=0En=二/；nHt=iHn=0(3)方程組(3)表明，在導(dǎo)體附近電場必須垂直于導(dǎo)體表面，而磁場則應(yīng)當(dāng)平行于導(dǎo)體表面。圓形或矩形截面的空心導(dǎo)體管構(gòu)成波導(dǎo)，它是傳輸微波最常用的傳輸線之一2。3 .微波的性質(zhì)微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性.對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀點來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點：3.1 穿透性微波比其它用于輻射加

5、熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。3.2 選擇性加熱物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)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(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。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(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋

6、白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。3.3 熱慣性小微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。3.4 似光性和似聲性微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減小；使系統(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反

7、射回來的微弱信號，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。由于微波波長與物體（實驗室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點又與聲波相似，即所謂的似聲性。例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似與聲學(xué)喇叭，蕭與笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴腔。3.5 非電離性微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵。再有物理學(xué)知道，分子原子和原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。3.6 信息性由于微波頻率很高，所以在不大的相

8、對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲，這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。4.微波的產(chǎn)生微波能通常由直流電或50Hz交流電通過特殊的器件來獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。半導(dǎo)體器件主要有體效應(yīng)二極管和雪崩二極管。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動來完成能量變換的器件，或稱之為電子管.在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三

9、、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管305,微波的應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的形勢下，微波的應(yīng)用領(lǐng)域，除了人們十分熟悉的微波通信之外，還涉及到醫(yī)藥衛(wèi)生，公路建設(shè)、航空航天、環(huán)境保護(hù)、能量傳送等各個方面，以及人們的生活之中。而且在節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量及改善勞動條件方面都取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。5.1 微波加熱介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成，在電磁場作用下，這些極性分子從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場的極性排列取向。而在高頻電磁場作用下，這些取向按交變電磁的頻率不斷變化，這一過程造成分子的運(yùn)動和相互摩擦從而產(chǎn)生熱量。此時交變電場

10、的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使介質(zhì)溫度不斷升高。微波爐利用微波加熱的原理，微波提取也是利用微波加熱的原理.微波加熱有加熱速度快，加熱均勻，節(jié)能高效，低溫殺菌、無污染的特點，在食品加工方面應(yīng)用廣泛。5.2 雷達(dá)與通信微波的最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信。雷達(dá)不僅用于國防，同時也用于導(dǎo)航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應(yīng)用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進(jìn)，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。一般說來，由于地球幽面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就

11、需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。微波通信由于其頻帶寬、容量大、可以用于各種電信業(yè)務(wù)的傳送，如電話、電報、數(shù)據(jù)、傳真以及彩色電視等均可通過微波電路傳輸。微波通信具有良好的抗災(zāi)性能，對水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害，微波通信一般都不受影響。但微波經(jīng)空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴(yán)格管理之下進(jìn)行建設(shè)4。5.3 醫(yī)療衛(wèi)生在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域微波可以用來治療各種病癥，為患者解除痛苦和精神負(fù)擔(dān)。一種極其細(xì)小的微波發(fā)生器，可

12、以直接從小孔送入人體內(nèi)，直接殺死癌細(xì)胞，可用于治療胃、食道等處的癌癥或膿月中。若把極細(xì)的微波發(fā)生線圈直接送到血管里，就可以除去血管管壁的多余物質(zhì)，使血管內(nèi)壁變得光滑和富有彈性。利用微波對蛋白質(zhì)的熱凝固作用，便月中瘤組織細(xì)胞凝固壞死?，F(xiàn)行的微波凝固療法是在超聲波的引導(dǎo)下，將針狀電極從體外經(jīng)皮膚直接插入月中瘤組織，通過電極放射的微波使月中瘤組織凝固，殺死月中瘤細(xì)胞。該方法因無需做開腹手術(shù)，對患者身體的損傷較小，治療費(fèi)用也很低，受到醫(yī)生和患者的歡迎。5.4 微波萃取利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被

13、選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點。目前，除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。5.5 武器戰(zhàn)爭方面微波武器在應(yīng)用上一個很重要的作用就是對付電子設(shè)備?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電子設(shè)備，是各種武器在搜索目標(biāo)、進(jìn)行攻擊中必不可少的制導(dǎo)體系，具有十分奇異的功能，采取其他武器很難對付它。而微波武器則不然，由于它本身就是一種發(fā)射出的電磁波，很容易對電子振蕩起到干擾和破壞作用，并能夠?qū)е抡麄€電子工作系統(tǒng)的癱瘓，從而使武器系統(tǒng)喪失進(jìn)攻和防御的能力。隨著科技的發(fā)展，各種隱身武器相繼問世。這些新型武器能夠有效地避開雷達(dá)、紅外等傳感器的探測和跟蹤。然而，這些隱身武器遇到微波武器的高能波束就會遭殃。涂敷在這些武器上的隱身衣”，是一些特殊的涂料，會在很短的時間內(nèi)被加熱而導(dǎo)致毀壞，甚至可以在瞬間熔化。這樣的結(jié)果會使整個隱身武器遭到摧