微波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

微波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用微波是指波長在1mm?1000mm、頻率在300MHz?300GHz范圍之間的電磁波，因為它的波長與長波、中波與短波相比來說，要“微小”得多，所以它也就得名為“微波”了。微波有著不同于其他波段的重要特點，它自被人類發(fā)現(xiàn)以來，就不斷地得到發(fā)展和應(yīng)用。19世紀末，人們已經(jīng)知道了超高頻的許多特性，赫茲用火花振蕩得到了微波信號，并對其進行了研究。但赫茲本人并沒有想到將這種電磁波用于通信，他的實驗僅證實了麥克斯韋的一個預(yù)言一一電磁波的存在。20世紀初期對微波技術(shù)的研究又有了一定的進展，1936年4月美國科學(xué)家SouthWorth用直徑為12.5cm青銅管將9cm的電磁波傳輸了260m遠，波導(dǎo)傳輸實驗的成功激勵了當時的研究者，因為它證實了麥克斯韋的另一個預(yù)言一一電磁波可以在空心的金屬管中傳輸，因此在第二次世界大戰(zhàn)中微波技術(shù)的應(yīng)用就成了一個熱門的課題。戰(zhàn)爭的需要，促進了微波技術(shù)的發(fā)展，而電磁波在波導(dǎo)中傳輸?shù)某晒Γ痔峁┝艘粋€有效的能量傳輸設(shè)備，微波電真空振蕩器及微波器件的發(fā)展十分迅速。在1943年終于制造出了第一臺微波雷達，工作波長在10cm。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于迫切需要能夠?qū)硻C及艦船進行探測定位的高分辨率雷達，大大促進了微波技術(shù)的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，微波技術(shù)進一步迅速發(fā)展，不僅系統(tǒng)研究了微波技術(shù)的傳輸理論，而且向著多方面的應(yīng)用發(fā)展，并且一直在不斷地完善。我國開始研究和利用微波技術(shù)是在20世紀70年代初期，首先是在連續(xù)微波磁控管的研制方面取得重大進展，特別是大功率磁控管的研制成功，為微波技術(shù)的應(yīng)用提供了先決條件。20世紀80年代，我國開始生產(chǎn)微波爐，到目前為止，已經(jīng)發(fā)展有家用微波爐、工業(yè)微波爐等系列產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量接近或達到世界先進水平。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微波技術(shù)的研究向著更高頻段一一毫米波段和亞毫米波段發(fā)展。一、微波的特性一是似光性。微波波長非常小，當微波照射到某些物體上時，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣地直線傳播和容易集中，即具有似光性。這樣利用微波就可以獲得方向性好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來的微弱信號，從而確定該物體的方位和距離，這就是雷達導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。二是穿透性。微波照射于介質(zhì)物體時，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。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）。因而成為人類外層空間的“宇宙窗口”；微波能穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，是遠程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時實現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。三是信息性。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(shù)百甚至上千兆赫。所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地都是工作在微波波段。此外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息。這在目標探測、遙感、目標特征分析等應(yīng)用中是十分重要的。四是非電離性。微波的量子能量不夠大，因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。而由物理學(xué)可知，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，因此微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。微波技術(shù)是近代科學(xué)研究的重大成就之一，幾十年來，它已經(jīng)發(fā)展成為一門比較成熟的學(xué)科，在雷達、通信、導(dǎo)航、電子對抗等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，軍事科學(xué)家們還應(yīng)用微波的作用機理，研制新概念武器——微波武器。而微波的另一方面的應(yīng)用就是作為能源應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中，例如微波加熱與解凍、微波于燥、微波滅菌與殺蟲等方面，特別是隨著微波爐的日益普及，使得微波爐產(chǎn)品也進人了尋常百姓的家中，直接為人類造福。二、 微波加熱原理與微波爐提起微波，很多人首先想到現(xiàn)代炊具微波爐。微波爐的微波加熱原理是基于物質(zhì)對微波的吸收作用而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。微波加熱的是一些能夠吸收微波的吸收性介質(zhì)，即含有極性分子的介質(zhì)材料。當有極性分子的介質(zhì)材料置于微波電磁場中時，介質(zhì)材料中會形成偶極子或已有的偶極子重新排列，在交變電磁場的作用下，并隨著高頻交變電磁場以每秒高達數(shù)億次的速度擺動，分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運動和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，實現(xiàn)分子水平的“攪拌”，從而產(chǎn)生大量的熱量。由于微波頻率高，極性分子擺動速度很快，因此，快速加熱是微波加熱的突出特點。水分子是極性分子，繞其對稱軸的旋轉(zhuǎn)頻率為22吉赫，在此頻率的水對微波產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象，對微波有很強的吸收作用。而一般食品中都含有水分子，因此可用微波快速烘干和烹調(diào)食品。微波爐是一種多功能、快捷、方便、能量轉(zhuǎn)化均勻的加熱工具。微波在生物內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量的熱效應(yīng)，它不同于常規(guī)加熱。常規(guī)加熱是首先通過傳導(dǎo)、對流、輻射的傳熱方式加熱固體周圍的環(huán)境或固體表面，使固體的表面得到熱量，然后再通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳到固體內(nèi)部，其加熱介質(zhì)可以是熱空氣、爐氣、過熱蒸汽，也可以是遠紅外線輻射等。這種加熱方式效率低，加熱時間長。而微波加熱是一種“冷熱源”，它在產(chǎn)生和接觸到物體時，不是一般熱氣，而是電磁能，要在生物體內(nèi)經(jīng)過分子內(nèi)部作用才能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，使用這種能源加熱時，不會像其他能源那樣由外向內(nèi)傳輸熱能，當內(nèi)部發(fā)熱時，外表就可能焦糊了。而使用微波進行加熱時，由于它能深入到物體的內(nèi)部，所以是里外一起加熱。另因物體表外的水分一般都較少，往往是里面的濕度高于表面的濕度，且內(nèi)部物質(zhì)如果質(zhì)地相同時，也往往是同時加熱，就不會出現(xiàn)加熱體表面燒焦的現(xiàn)象，并能保護表面形狀的色彩。所以，微波爐既能用于工業(yè)、醫(yī)療上進行加熱與解凍、烘烤與干燥等，還能用于家庭進行烹飪、野外軍事訓(xùn)練進行后勤保障的應(yīng)用。三、 微波的殺傷機理與微波武器什么是微波武器？微波武器是利用高功率微波束毀壞敵方電子設(shè)備和殺傷作戰(zhàn)人員的一種定向能武器。用做武器的微波波長通常在30-3厘米、頻率為1?30吉赫、輸出脈沖功率在吉瓦級。目前，美、俄、英、法等國研制的微波武器主要分為兩大類：一類是高功率微波波束武器，另一類是微波炸彈。微波波束武器是由能源系統(tǒng)、高功率微波系統(tǒng)和高增益定向天線組成。主要是利用高功率波源產(chǎn)生的微波經(jīng)增益定向天線向空間發(fā)射出去，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束，使之成為一種殺傷破壞性武器。這類武器全天候作戰(zhàn)能力強，有效作用距離較遠，可同時殺傷幾個目標。還能與雷達兼容形成一體化系統(tǒng)，先探測、跟蹤目標，再提高功率殺傷目標，達到最佳作戰(zhàn)效能；微波炸彈，一般是在炸彈或?qū)棏?zhàn)斗部上加裝電磁脈沖發(fā)生器和輻射天線構(gòu)成。主要是利用炸藥爆炸壓縮磁通量的方法產(chǎn)生高功率電磁脈沖，覆蓋面狀目標，在目標的電子線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電流，以擊穿或燒毀其中的敏感元件，使其電子系統(tǒng)失效、中斷和破損。微波武器的殺傷機理是基于微波與被照射物之間分子相互作用，將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏a(chǎn)生的微波效應(yīng)，就其物理機制來講，主要有以下三種效應(yīng)：電效應(yīng)、熱效應(yīng)和生物效應(yīng)。微波電效應(yīng)是指高功率微波在金屬表面或金屬導(dǎo)線上感應(yīng)電流或電壓，并由此對電子元器件產(chǎn)生的效應(yīng)。如造成電路中器件狀態(tài)反轉(zhuǎn)、器件性能下降和半導(dǎo)體的結(jié)擊穿等；微波熱效應(yīng)是指高功率微波對介質(zhì)加熱導(dǎo)致升溫而引起的效應(yīng)。如燒毀器件和半導(dǎo)體的結(jié)、二次擊穿等；微波生物效應(yīng)是指高功率微波與生物體相互作用的效應(yīng)。一般情況下它是吸收微波功率的結(jié)果，吸收的微波功率轉(zhuǎn)化成熱能，熱能又轉(zhuǎn)化成溫度，所以高功率微波生物效應(yīng)是熱效應(yīng)的一種，又可分為“非熱效應(yīng)”和“熱效應(yīng)”兩類。“非熱效應(yīng)”是由較弱的微波能量照射后，造成人員出現(xiàn)神經(jīng)紊亂、行為失控、煩躁、致盲或心肺功能衰竭等，這些均是微波生物效應(yīng)所致，這種效應(yīng)能夠加熱細胞而改變神經(jīng)細胞的活動而引起的?；谶@種原理，微波武器利用高增益定向天線，將強微波發(fā)生器輸出的微波能量會聚在窄波束內(nèi)，從而輻射出強大的微波射束（頻率為1?300吉赫的電磁波），直接毀傷目標或殺傷人員。由于微波武器是靠射頻電磁波能量打擊目標，所以又稱“射頻武器”。高功率微波武器的關(guān)鍵設(shè)備有兩個，即高功率微波發(fā)生器和高增益天線。高功率微波發(fā)生器的作用是將初級能源（電能或化學(xué)能）經(jīng)能量轉(zhuǎn)換裝置（強流加速器等）轉(zhuǎn)變成高功率強脈沖電子束，再使電子束與電磁場相互作用而產(chǎn)生高功率電磁波。這種強微波將經(jīng)高增益天線發(fā)射，其能量匯聚在窄波束內(nèi)，以極高的強微波波束（其能量要比雷達波的能量大幾個數(shù)量級）輻射和轟擊目標、殺傷人員和破壞武器系統(tǒng)。微波武器的穿透力極強，能像中子彈那樣殺傷目標（如裝甲車輛）內(nèi)部的戰(zhàn)斗人員，如指揮人員、武器裝備操縱人員等，從而癱瘓目標。與常規(guī)武器、激光武器等相比，微波武器并不是直接破壞和摧毀武器設(shè)備，而是通過強大的微波束，破壞它們內(nèi)部的電子設(shè)備。實現(xiàn)這種目的途徑有兩條：其一是通過強微波輻射形成瞬變電磁場，從而使各種金屬目標產(chǎn)生感應(yīng)電流和電荷，感應(yīng)電流可以通過各種入口（如天線、導(dǎo)線、電纜和密封性差的部位）進入導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機、坦克等武器系統(tǒng)內(nèi)部電路。當感應(yīng)電流較低時，會使電路功能混亂，如出現(xiàn)誤碼、抹掉記憶或邏輯等；當感應(yīng)電流較高時，則會造成電子系統(tǒng)內(nèi)的一些敏感部件如芯片等被燒毀，從而使整個武器系統(tǒng)失效。這種效應(yīng)與核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖效應(yīng)相似，所以又稱“非核爆炸電磁脈沖效應(yīng)”。據(jù)有關(guān)報道，20世紀50?60年代，美國科學(xué)家在研制原子彈和氫彈等核武器時驚奇地發(fā)現(xiàn)，核武器爆炸也會產(chǎn)生巨大的電磁脈沖。一次美軍在太平洋高空進行氫彈試爆，氫彈爆炸后，夏威夷美軍地面部隊的電子系統(tǒng)莫名其妙地受到了沖擊。其中，防空雷達被迫中斷工作，更有意思的是，美軍房間電燈因使用電子啟動器而被燒毀，屋內(nèi)一片漆黑。當時，正在夏威夷上空飛