微波技術的發(fā)展與應用

微波技術的發(fā)展與應用微波是指波長在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)展和應用。19世紀末，人們已經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言一一電磁波的存在。20世紀初期對微波技術的研究又有了一定的進展，1936年4月美國科學家SouthWorth用直徑為12.5cm青銅管將9cm的電磁波傳輸了260m遠，波導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)中微波技術的應用就成了一個熱門的課題。戰(zhàn)爭的需要，促進了微波技術的發(fā)展，而電磁波在波導中傳輸?shù)某晒?，又提供了一個有效的能量傳輸設備，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，由于迫切需要能夠對敵機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的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，微波技術進一步迅速發(fā)展，不僅系統(tǒng)研究了微波技術的傳輸理論，而且向著多方面的應用發(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，為微波技術的應用提供了先決條件。20世紀80年代，我國開始生產微波爐，到目前為止，已經發(fā)展有家用微波爐、工業(yè)微波爐等系列產品，產品質量接近或達到世界先進水平。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，微波技術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，這就是雷達導航技術的基礎。二是穿透性。微波照射于介質物體時，能深入該物體內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)學透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，是遠程導彈和航天器重返大氣層時實現(xiàn)通信和末端制導的重要手段。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，因而不會改變物質分子的內部結構或破壞其分子的化學鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。而由物理學可知，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的內部結構和基本特性提供了有效的研究手段。微波技術是近代科學研究的重大成就之一，幾十年來，它已經發(fā)展成為一門比較成熟的學科，在雷達、通信、導航、電子對抗等許多領域得到了廣泛的應用，軍事科學家們還應用微波的作用機理，研制新概念武器——微波武器。而微波的另一方面的應用就是作為能源應用于工農業(yè)生產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對微波的吸收作用而產生的熱效應。微波加熱的是一些能夠吸收微波的吸收性介質，即含有極性分子的介質材料。當有極性分子的介質材料置于微波電磁場中時，介質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，產生類似于摩擦的作用，實現(xiàn)分子水平的“攪拌”，從而產生大量的熱量。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，繞其對稱軸的旋轉頻率為22吉赫，在此頻率的水對微波產生共振吸收現(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食品。微波爐是一種多功能、快捷、方便、能量轉化均勻的加熱工具。微波在生物內轉化為熱量的熱效應，它不同于常規(guī)加熱。常規(guī)加熱是首先通過傳導、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，然后再通過熱傳導的方式將熱量傳到固體內部，其加熱介質可以是熱空氣、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，要在生物體內經過分子內部作用才能轉化為熱能。因此，使用這種能源加熱時，不會像其他能源那樣由外向內傳輸熱能，當內部發(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，且內部物質如果質地相同時，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、野外軍事訓練進行后勤保障的應用。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生的微波經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，一般是在炸彈或導彈戰(zhàn)斗部上加裝電磁脈沖發(fā)生器和輻射天線構成。主要是利用炸藥爆炸壓縮磁通量的方法產生高功率電磁脈沖，覆蓋面狀目標，在目標的電子線路中產生感應電壓與電流，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，將電磁能轉變?yōu)闊崮芏a生的微波效應，就其物理機制來講，主要有以下三種效應：電效應、熱效應和生物效應。微波電效應是指高功率微波在金屬表面或金屬導線上感應電流或電壓，并由此對電子元器件產生的效應。如造成電路中器件狀態(tài)反轉、器件性能下降和半導體的結擊穿等；微波熱效應是指高功率微波對介質加熱導致升溫而引起的效應。如燒毀器件和半導體的結、二次擊穿等；微波生物效應是指高功率微波與生物體相互作用的效應。一般情況下它是吸收微波功率的結果，吸收的微波功率轉化成熱能，熱能又轉化成溫度，所以高功率微波生物效應是熱效應的一種，又可分為“非熱效應”和“熱效應”兩類?！胺菬嵝笔怯奢^弱的微波能量照射后，造成人員出現(xiàn)神經紊亂、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所致，這種效應能夠加熱細胞而改變神經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，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鍵設備有兩個，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（電能或化學能）經能量轉換裝置（強流加速器等）轉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生高功率電磁波。這種強微波將經高增益天線發(fā)射，其能量匯聚在窄波束內，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備，而是通過強大的微波束，破壞它們內部的電子設備。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生感應電流和電荷，感應電流可以通過各種入口（如天線、導線、電纜和密封性差的部位）進入導彈、衛(wèi)星、飛機、坦克等武器系統(tǒng)內部電路。當感應電流較低時，會使電路功能混亂，如出現(xiàn)誤碼、抹掉記憶或邏輯等；當感應電流較高時，則會造成電子系統(tǒng)內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。這種效應與核爆炸產生的電磁脈沖效應相似，所以又稱“非核爆炸電磁脈沖效應”。據(jù)有關報道，20世紀50?60年代，美國科學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，屋內一片漆黑。當時，正在夏威夷上空飛