微波技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

微波技術(shù)是近一個世紀(jì)以來最重要的科學(xué)技術(shù)之一， 從雷達(dá)到廣播電視、無線電通信再到微波爐， 微波技術(shù)對社會的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。 

微波

微波通常是指頻率范圍在 300MHz ~300GHz 內(nèi)的電磁波， 其波長約在 1米到1 毫米之間， 可被進(jìn)一步細(xì)分為分米波，厘米波和毫米波， 其對應(yīng)頻率分別為特高頻（ UHF,ultra-high frequency）， 超高頻（ SHF,super high frequency）， 極高頻（ EHF , extremely high frequency）。

隨著現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展，波長在 1 毫米以下的亞毫米波也被視為微波的范疇， 這相當(dāng)于把微波的頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到更高的頻率。因此，有的文獻(xiàn)里也把微波的頻率范圍定義為 300MHz~3000GHz。 

微波通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿透而不被吸收；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：

1、穿透性   

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，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，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450MHz，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的震動，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，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。

2、選擇性加熱   

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因素來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，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，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(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、熱慣性小  

微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。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。

 4、似光性  

微波波長非常小，當(dāng)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。

5、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）。 

6、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(dá)數(shù)百甚至上千兆赫。

7、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。

微波技術(shù)發(fā)展簡史

對微波的理論研究以及進(jìn)行相關(guān)實驗起步于20世紀(jì)初，但早期的設(shè)備不能滿足實驗的需要， 主要表現(xiàn)為缺乏大功率的信號發(fā)生器和靈敏的信號接收器， 因此早期的研究并沒有取得實質(zhì)性的進(jìn)展。到了20世紀(jì)30年代，高頻率的超外差接受器和半導(dǎo)體混頻器的出現(xiàn)為微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件， 使得微波技術(shù)的發(fā)展取得的一定的進(jìn)步。

1931 年意大利科學(xué)家馬可尼進(jìn)行了距離為 18 英里的無線通信實驗，實驗中使用 600MHz 的微波來傳輸具有較好質(zhì)量的話音信號， 信號源為巴克豪森管（ Barkhausentube ）。這是首次利用300MHz以上的微波完成的無線通信實驗。第二年，馬可尼又利用 57 厘米的微波，在相距15英里的梵蒂岡和岡多菲堡之間建立了無線電通信， 并提供電話和電傳打印機(jī)服務(wù)， 從此微波技術(shù)由實驗室走向了真正的實際應(yīng)用。同一時期，雷達(dá)的相關(guān)概念和理論也逐漸形成，到了20世紀(jì)30年代中期， 世界上已經(jīng)有八個國家在進(jìn)行相關(guān)的研究。 

1、高速發(fā)展的二戰(zhàn)時期
第二次世界大戰(zhàn)時期普遍被認(rèn)為是微波技術(shù)發(fā)展的黃金時期， 其背后主要的推動力來自于軍方對雷達(dá)的需求。雷達(dá)在二次大戰(zhàn)中扮演著重要的角色， 為此盟軍投入了大量人力物力進(jìn)行雷達(dá)的研究。在美國， 雷達(dá)的相關(guān)研究主要是在麻省理工學(xué)院的輻射實驗室進(jìn)行， 1945 年其員工人數(shù)甚至達(dá)到 4000 余人，在該研究室工作過的科學(xué)家中， 后來有 9 人獲得了諾貝爾獎。

戰(zhàn)后， 輻射實驗室編著了 28 卷的《輻射實驗室叢書》 并于 1947 出版， 書中記錄了二戰(zhàn)期間輻射實驗室及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)研究發(fā)展雷達(dá)的大量工作。

1886 年， 赫茲就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁波會被固體反射回來， 這實際就是雷達(dá)最基本的原理。到了 1903 年， 德國的 Hulsmeyer將其發(fā)明的用于航海的系統(tǒng)申請了專利，該系統(tǒng)利用無線電波的反射來檢測障礙物的存在， 并為船只進(jìn)行導(dǎo)航。1933年，美國海軍實驗室展示了**** 3MHz 的無線電波的雷達(dá)， 能夠在 50 英里的范圍內(nèi)檢測到飛機(jī)的存在。1934年，英國物理學(xué)家和雷達(dá)技術(shù)專家沃森瓦特建立了實驗雷達(dá)站， 1938年組建了英國東海岸的防空雷達(dá)網(wǎng)， 由25MHz的雷達(dá)構(gòu)建而成。二戰(zhàn)中英國戰(zhàn)役的最終勝利， 防空雷達(dá)網(wǎng)起了很大的作用。1939年， 美國軍隊裝備了105MHz 的 SCR 270 型雷達(dá)用作遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)， 該系統(tǒng)在后來的珍珠港戰(zhàn)役中， 成功地提前檢測到了日軍的飛機(jī)。1943 年輻射實驗室研制出利用空腔磁控管的微波雷達(dá)－ 3GHz 的 SCR 584 型雷達(dá)， 同年投入生產(chǎn)并廣泛使用在歐洲和太平洋戰(zhàn)場， 這種雷達(dá)能夠有效的判斷空中物體的位置并進(jìn)行火力控制， 在其幫助下倫敦戰(zhàn)役中德軍 85％的 V-1 型飛彈被對空火力摧毀。

二戰(zhàn)期間， 微波技術(shù)在其他方面的應(yīng)用也在繼續(xù)向前發(fā)展。在無線通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多頻段微波無線電， 該設(shè)備利用了脈沖位置調(diào)制和數(shù)字調(diào)制技術(shù)， 美軍和英軍裝備了這種型號的無線電設(shè)備。微波測量技術(shù)也在40 年代發(fā)展起來， 其中包括能量檢測， 能量測量， 頻率測量， 相位測量和電壓駐波比等技術(shù)。  

1944 年，Meyers， Charles 和 Julian 首次提出了反射計和阻抗測量技術(shù)。微波技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究也在二戰(zhàn)期間展開。

1938年， 德國人 Hollman和美國人Hemingway 及 Stenstrom 共同提出將微波用于治療的技術(shù)。其原理在于，與其他電磁波相比， 微波可以更好地集中能量進(jìn)行透熱療法。而且使用微波在對深層的組織進(jìn)行加熱時， 不會引起皮膚表面溫度過高。

2、微波技術(shù)戰(zhàn)后的發(fā)展
微波技術(shù)在二戰(zhàn)后的十幾年間迅速地傳播開來， 并得到各個國家的重視。許多國家由政府進(jìn)行資金支持， 在大學(xué)， 大型企業(yè)或是研究所里設(shè)置了微波技術(shù)的研究項目。特別是冷戰(zhàn)時期為了提供對新武器系統(tǒng)的支持， 進(jìn)行了大量微波技術(shù)的相關(guān)研究， 這些研究極大地促進(jìn)了微波技術(shù)的發(fā)展。新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出， 以替換那些體積過于龐大的矩形和圓形波導(dǎo)。許多新類型的微波管也投入了使用。信號發(fā)生器和接收器的體積也被大幅度減小， 以降低生產(chǎn)整個微波系統(tǒng)的費用并使增強了穩(wěn)定性。以上的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了微波集成電路技術(shù)的發(fā)展。

雷達(dá)技術(shù)也在繼續(xù)進(jìn)步，1955 年 Page 發(fā)明了單脈沖雷達(dá)， 美國無線電公司于1958年生產(chǎn)了高精度單脈沖追蹤儀器雷達(dá) AN/FPS-16 ， 這是第一臺達(dá)到 0.1 米級精度的雷達(dá)。

戰(zhàn)后微波通訊技術(shù)飛速發(fā)展， 1946 年美國軍隊成功接受到被月球表面反射回來的雷達(dá)微波信號。AT&T于1947年在紐約和波士頓之間建立了3.7-4.2GHz的帶中繼器的視距無線電系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可傳輸 500路電話或是一個黑白電視頻道的節(jié)目。

1965 年研制出第一顆商用地球同步軌道通信衛(wèi)星“ Early Bird”。

在微波測量技術(shù)方面， 1951年Fellgett 提出了傅里葉變換光譜法。第一臺應(yīng)用分離振蕩場方法的銫原子鐘于1952年在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局問世， 隨后的1955年， 英國國家物理實驗室的埃森等人研制出超精細(xì)微波誘導(dǎo)躍遷銫原子鐘， 1960 年Cutler和Bagley引入原子鐘作為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)， 原子鐘的發(fā)明和應(yīng)用成為現(xiàn)代時間測量技術(shù)的里程碑。1966 年 Weinert 發(fā)明了射頻向量伏特計。

微波技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究在戰(zhàn)后也在繼續(xù)發(fā)展， 1950年， Gessler，McCarty和Parkinson三位物理學(xué)家首次進(jìn)行了利用微波能量治療癌癥的試驗， 并使用頻率為2450MHz 的微波輻射根治了白鼠身上的乳腺癌。1955年， Allen 利用微波和 X 射線的混合輻射根治了鼠類身上的S180 腫瘤， 隨后關(guān)于混合輻射療法的研究大量展開。

3、從軍用到民用的轉(zhuǎn)變
二戰(zhàn)后微波技術(shù)的研究與應(yīng)用逐漸從滿足軍事需求為主向民用領(lǐng)域過渡， 具有代表性的便是微波爐的發(fā)明。從20世紀(jì)40年代開始， 出現(xiàn)了許多利用微波進(jìn)行加熱的相關(guān)技術(shù)的專利， 這標(biāo)志著微波加熱技術(shù)的起步。其中 Westinghouse 和 GE 公司側(cè)重于工業(yè)加工方面的應(yīng)用， 如紡織品、輪胎和木材等的烘干， 而 Raytheon 公司則致力于食品的烹飪和加熱。1949 年Raytheon 公司提出了微波爐的若干基本專利。但 Raytheon 公司專注于商業(yè)用微波爐的市場， 沒有涉足家用微波爐。到了1960 年， 在 Raytheon 公司的授權(quán)下， 幾家大的美國公司Hotpoint，Westinghouse， 和 Whirlpool 等開始生產(chǎn)面向普通消費者的家用微波爐。然而微波加熱技術(shù)在工業(yè)加工方面的應(yīng)用卻比預(yù)想的增長的要慢，在家用微波爐市場，消費者的需求也增長的有限， 這主要是因為當(dāng)時微波爐的主要元器件——磁控管的成本一直居高不下。

歷史性的轉(zhuǎn)折發(fā)生在1967年，Raytheon 下屬的 Amana 公司推出了一種家用臺面式微波爐RR - 1 ， 由于使用了成本大為降低的新型磁控管， 使得整機(jī)的價格還不到以前微波爐的一半。RR - 1 型微波爐一經(jīng)推出便迅速的推動了家用微波爐市場的發(fā)展，不僅美國本土的公司迅速跟進(jìn)，而且吸引了東芝、夏普、日立等日本公司也投入到這個市場中來。60年代， 美國的微波爐年銷售量只有1萬臺左右，而到了1975年，這個數(shù)字超過了100萬臺，1985年更是高達(dá)500萬臺。其中，日本公司也在家用微波爐市場占領(lǐng)了很大的份額， 根據(jù)夏普公司公布的數(shù)據(jù)， 到 1977 年為止夏普公司已經(jīng)銷售了 200 萬臺微波爐。隨后， 在日本，歐洲等地家用微波爐市場也發(fā)展起來。一項1976年的調(diào)查結(jié)果顯示，日本已有17％的家庭使用微波爐進(jìn)行烹飪。如今微波爐已經(jīng)成為世界各地廣泛使用的食品加工和烹飪器具， 許多美國人甚至認(rèn)為微波爐是20世紀(jì)70年代以來最重要的科學(xué)技術(shù)突破， 在我國， 微波爐在大中城市的普及率已經(jīng)達(dá)到80％以上。 
 

微波技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用

現(xiàn)代微波設(shè)備利用微波技術(shù)技術(shù)手段在各行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展：

1、食品、保健品工業(yè)   

利用微波可對食品、保健品進(jìn)行滅菌、脫水、烘干、膨化、調(diào)味、脫腥、解凍、催陳和保鮮處理。目前已用于奶粉、奶酪、壯骨粉、洋參丸、豆粉、月餅、糕點、方便面、牛肉干、肉脯、肉條、肉松、魚干片、魚松、貝類、鹽水鴨、解凍魚肉禽蛋、醬菜、土豆片、腰果、花生、瓜子、大豆、白酒、黃酒、啤酒、牛奶、口服液、中****材等的生產(chǎn)中。

2、木材加工   

采用大功率微波干燥機(jī)對2-10公分厚的木板進(jìn)行烘干，干燥速度快、木材不開裂、變形小、同時可殺死木材內(nèi)部的卵蟲和幼蟲，中高檔家具、地板、包裝材料用途木料的處理最為合適。微波也可對竹木復(fù)合板和拼板交接的固化處理也很理想。

3、殺蟲滅菌   

應(yīng)用微波加熱技術(shù)能在較低的濕度下滅菌殺蟲，若用微波處理食品和物料，在50-80度時就能起到殺蟲滅菌作用。目前廣泛應(yīng)用到大米、谷物、豆類、煙葉處理、竹材、木料、紙張、食品、醫(yī)****等行業(yè)等。

4、橡膠工業(yè)

微波技術(shù)應(yīng)用到橡膠工業(yè)中的橡膠硫化工藝中，與常規(guī)加熱保溫相結(jié)合，大大提高橡膠硫化時間和效率。目前在河北衡水地區(qū)、山東地區(qū)廣泛使用。

5、陶瓷工業(yè)  

微波高溫可應(yīng)用于陶瓷工業(yè)，將傳統(tǒng)加熱和微波加熱方法相結(jié)合使用，可大大縮短陶瓷的干燥時間，同時不影響陶瓷燒制的成品率。

6、煤炭干燥   

煤炭開采后通常含水率較高(35%左右)，如果采用常規(guī)烘干方法進(jìn)行干燥，速度慢、效率低，干燥不徹底，采用微波法干燥，可以使煤炭內(nèi)外同時升溫，是水分蒸發(fā)，實現(xiàn)脫水干燥，效率得到大大提高。

7、微波等離子技術(shù)   

半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中已經(jīng)采用微波等離子體技術(shù)，可進(jìn)行蝕刻、濺射、氣相沉積、氧化硅片；可用于金屬、合金、非金屬的表面處理；可用于陶瓷的高溫?zé)Y(jié)；可用于等離子體光譜分析，可檢測十幾種元素，另外還用于分解有毒化合物。

8、微波醫(yī)療垃圾處理技術(shù)   

利用微波技術(shù)在無氧或缺氧狀態(tài)下，使微波承載體迅速升至高溫，使得醫(yī)療垃圾在極短時間內(nèi)迅速處于高溫狀態(tài)，直接灰化，極大降低了燃燒過程中有毒氣體的產(chǎn)生。煙氣中氣體再采用微波等離子體火炬進(jìn)行高溫裂解，整個處理過程和處理環(huán)境實現(xiàn)全封閉無害化處理。此項技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)于常規(guī)處理方法，開拓了微波應(yīng)用的新領(lǐng)域。

9、污水處理  

利用微波非熱效應(yīng)和熱效應(yīng)選擇吸波的“敏化劑”把微波能傳給水中的污染物而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，通過物理及化學(xué)作用對水中的污染物進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化、加速流體中固、液分離，從而實現(xiàn)污水凈化的目的，是水處理領(lǐng)域中一場嶄新的革命。

10、微波制碳  

利用微波技術(shù)對竹子進(jìn)行高溫裂解，制作竹炭，大大提高生產(chǎn)效率，同時還能提取到竹醋液，竹焦油等產(chǎn)品，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，優(yōu)于傳統(tǒng)窯爐方法制作竹炭，目前正在大力開始推廣使用。

微波技術(shù)在通信領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21 世紀(jì)， 微波技術(shù)繼續(xù)在廣播、有線電視、 電話和無線通信領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用， 在其他領(lǐng)域如計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中也嶄露頭角。在廣播電視方面， 當(dāng)前廣播電視節(jié)目制作逐步走向數(shù)字化， 而數(shù)字化的節(jié)目需要數(shù)字化的傳輸手段， 于是SDH數(shù)字微波網(wǎng)應(yīng)運而生，與老的模擬微波設(shè)備相比傳輸容量大幅度提高， SDH數(shù)字微波設(shè)備可以傳送幾十套電視節(jié)目和幾十套聲音廣播節(jié)目，并且傳輸距離更大， 范圍更廣。利用數(shù)字微波的數(shù)字環(huán)境， 還可以構(gòu)建一個雙向的交互式信息網(wǎng)絡(luò)， 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的綜合利用和開發(fā)。

在通信領(lǐng)域， 微波與衛(wèi)星和光纜并列為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾е?。其中微波通信有著自己獨特的?yōu)勢， 首先， 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。1976年唐山大地震， 在京津之間同軸電纜全部斷裂， 但 6 個微波通道仍然能正常工作。其次， 微波傳輸系統(tǒng)的組建更加快速。隨著城市的不斷擴(kuò)大和突發(fā)事件發(fā)生， 如局部的積水、 路面破壞、 局部火警火災(zāi)等等， 這些場合要求能夠快速建立局部的臨時通信系統(tǒng)。而微波在上述場合的應(yīng)急能力是其他通信方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能及的 。

網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展帶來了對網(wǎng)絡(luò)通信線路建設(shè)的迫切需要， 光纜雖然具有超大容量的優(yōu)點， 然而也具有成本高， 需提前鋪設(shè)以及易受自然災(zāi)害影響等弱點， 此外光纖通信也不適用于農(nóng)村、 海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)。微波通信可作為干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a充， 解決城區(qū)內(nèi)鋪設(shè)有線資源困難的問題。數(shù)字微波接入成為建立廣域網(wǎng)連接的另一重要方式， 是城市通信基礎(chǔ)設(shè)施的有效補充。

數(shù)字微波技術(shù)將是微波技術(shù)未來發(fā)展的主要方向， 具體應(yīng)用包括微波擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)， 可以用于城市內(nèi)的短距離支線連接的高頻段微波， 用于未來的寬帶業(yè)務(wù)接入的本地多點分配業(yè)務(wù)， 現(xiàn)代軍用數(shù)字微波通信系統(tǒng)等等。重點研究的關(guān)鍵技術(shù)為 10GHz 以上的高頻段傳輸技術(shù)以及在現(xiàn)有頻段上的兼容技術(shù)， 包括高效率調(diào)制技術(shù)， 擴(kuò)頻及跳頻抗干擾技術(shù)， 糾錯技術(shù)等等。此外， 諸如微波單片集成、 全數(shù)字化處理、 數(shù)字專用集成電路等提高可靠性及降低成本的技術(shù)也需要進(jìn)一步的研究。

作為典型的應(yīng)用驅(qū)動的科學(xué)技術(shù)， 微波技術(shù)在過去的近一個世紀(jì)里， 對社會的發(fā)展和人們生活的進(jìn)步產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。從最早滿足軍用需求而迅速發(fā)展， 到如今進(jìn)入千家萬戶， 微波技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了起起落落。微波技術(shù)正在并仍將在廣播電視，無線通信， 移動網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域扮演著不可替代的角色。放眼未來，微波技術(shù)必將有更廣闊的發(fā)展空間！