微波原理与技术论文

摘要：微波技术的理论基础是经典的电磁场理论，其目标是解决微波应用工程中的实际问题。微波是一门理论与实践密切结合的一门知识，微波技术理论的出发点是麦克斯维方程组，通过解决微波在传输、处理过程中的遵循的原理，逐渐使微波技术发展成为一门很完整的学科，并在工程上有日新月异的应用。在加热技术上形成一种全新的观念，在通信方面给信息领域带来一场空前的革命。关键词：微波技术；微波加热；通信；电磁波；天线AbstractThetheoreticalbasisofmicrowavetechniqueistheclassicalelectromagnetictheory,thegoalistosolvethepracticalproblemsinmicrowaveengineering.Microwaveisaknowledgeofaclosecombinationoftheoryandpractice,thetheoreticalstartingpointofmicrowavetechnologyistheMaxequations,solvedbymicrowaveintransmission,processingprocessfollowtheprinciple,thedevelopmentofmicrowavetechnologyhasbecomeaverycompletediscipline,andchangerapidlyusedinengineering.Theformationofanewideaintheheatingtechnologyincommunication,totheinformationindustrybroughtanunprecedentedrevolution.1.引言随着科学技术的迅速发展和生产工艺的不断改进，微波技术已在许多工业生产领域得到应用。在国内，微波技术已应用于玻璃纤维、化工产品、保温材料、木材等的干燥，食品、医疗的灭菌、干燥和焙烤。并在医疗、环保、农业等领域也有所应用。微波技术的应用，提高了生产效率和产品质量，降低了能耗和环境污染，减轻了人的劳动强度，提高了生产效益。在国际上，许多工业发达国家都对微波的工业应用非常重视，把微波技术作为改进生产工艺和提高产品质量的重要手段。2．微波的特性一是似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。二是穿透性。微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。三是信息性。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。四是非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。微波技术是近代科学研究的重大成就之一，几十年来，它已经发展成为一门比较成熟的学科，在雷达、通信、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用，军事科学家们还应用微波的作用机理，研制新概念武器--微波武器。而微波的另一方面的应用就是作为能源应用于工农业生产及人们的日常生活中，例如微波加热与解冻、微波干燥、微波灭菌与杀虫等方面，特别是随着微波炉的日益普及，使得微波炉产品也进入了寻常百姓的家中，直接为人类造福[1]。3．微波原理3.1微波的加热性波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为199×l0-25～1．99×10-22j．它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。3.2微波的杀伤机理微波武器的杀伤机理是基于微波与被照射物之间分子相互作用，将电磁能转变为热能而产生的微波效应，就其物理机制来讲，主要有以下三种效应：电效应、热效应和生物效应。基于这种原理，微波武器利用高增益定向天线，将强微波发生器输出的微波能量会聚在窄波束内，从而辐射出强大的微波射束（频率为1~300吉赫的电磁波），直接毁伤目标或杀伤人员由于微波武器是靠射频电磁波能量打击目标，所以又称“射频武器”。高功率微波武器的关键设备有两个，即高功率微波发生器和高增益天线。高功率微波发生器的作用是将初级能源（电能或化学能）经能量转换装置（强流加速器等）转变成高功率强脉冲电子束，再使电子束与电磁场相互作用而产生高功率电磁波。这种强微波将经高增益天线发射，其能量汇聚在窄波束内，以极高的强微波波束（其能量要比雷达波的能量大几个数量级）辐射和轰击目标、杀伤人员和破坏武器系统。微波武器的穿透力极强，能像中子弹那样杀伤目标（如装甲车辆）内部的战斗人员，如指挥人员、武器装备操纵人员等，从而瘫痪目标。4．微波分析方法微波研究方法主要有两种：场论的研究方法和网络的研究方法。这也是本门课程要学习的重要方法。其中场论方法的基础是本征模理论。网络方法的基础是广义传输线理论。麦克斯韦解法。微波由于其高频特性，传输的主要特点是其独特的传输线常用双导线、同轴线、带线和微带等等。传输线方程也称电报方程。在沟通大西洋电缆(海底电缆)时，开尔芬首先发现了长线效应：电报信号的反射、传输都与低频有很大的不同。经过仔细研究，才知道当线长与波长可比拟或超过波长时，我们必须计及其波动性，这时传输线也称长线。Smith圆图。在微波工程中，最基本的运算是工作参数,Z,之间的关系，它们在已知特征参数0z和长度的基础上进行。Smith圆图正是把特征参数和工作参数形成一体，采用图解法解决的一种专用Chart，亦称阻抗圆图。5．微波技术应用5.1．微波能加热技术。微波技术是二十世纪五十年代发展起来的一门新技术。把微波作为一种能量来进行加热、干燥、治疗、杀虫、灭菌等，已有三十年的历史。工业上的应用，首先在食品加工方面取得成功，家用微波炉的出现进一步扩大了微波加热技术的应用领域[2]。现在，微波加热作为一项全新技术受到各界的重视。5.2.微波通信技术通讯技术。微波通信（MicrowaveCommunication），是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。微波通信不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离,因此是国家通信网的一种重要通信手段,也普遍适用于各种专用通信网。我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段,K频段的应用尚在开发之中[3]。由于微波的频率极高,波长又很短,其在空中的传播特性与光波相近,也就是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断,因此微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发。微波中继通信对于幅员辽阔、地形复杂、水灾多发的国家（如中国），微波通信的优越性非常突出。第一条微波中继通信线路是美国于1948年建立的；从纽约到波士顿，中间设7个站，可传送480路电话及1路电视。这时的技术称为“模拟微波”。„„美国后来大力发展“数字微波”的技术。到80年代末仅美国电话电报公司（AT＆T）就拥有4GHZ、6GHZ的微波站3000多个。实际上，美国有70％的站是采用数字技术的。„„日本于1954年开通东京到大版的4GHZ微波中继线路，后来又陆续使用5GHZ、6GHZ、2GHZ、乃至11GHZ、15GHZ等频段。日前，已使用200GHZ于东京、大贩、横滨等城市。近年来有一个动向，即美国把原来广泛使用的2700路设备（“模拟微波”）拆除后，出口到中国。我国引进后可取代原来的600路设备，改装后成为“数字微波”设备，应用于地区通信。卫星通信1945年，英国科幻作家ArthurC．Clarke提出，如把飞行器发射到离地球赤道高36000km处的空中，它可同步于地球自转速度运行，从地面看是固定不动的。通信卫星，实为高悬天上的微波中继站，但其通信距离远，通信质量不受气候影响，覆盖面积大，具有极大的优越性。1964年成立国际卫星通信组织。1965年发射了1号国际通信卫星，寿命仅1．5年。而1988年由美国发射的VI号卫星的首颗，寿命可达14年。卫星通信，过去主要用6／4GHz（C波段），少数用14／11GHz（K波段）；而1988年发射的卫星侧重30／20GHz（Ka波段）。另外，从INTELSAT—V卫星开始，电波传送采用双圆极化频率复用（frequencyreuse）体制，使通信容量增加一倍。到1943年，在美国已投产的雷达有上百个型号，厘米波磁控管的生产数以万计。雷达工业极大地促进了微波工业的发展。从二战以后到现在，半个世纪的过程中雷达的应用已十分普遍，并产生了许多新技木。就雷达波段而言，UHF用于超远程警戒；L波段用于远程警戒、空中交通管制；S波段用于中程警戒、机场交通管制、远程气象观测；C波段用于远程跟踪、机载气象观测；X波段用于远程跟踪、导弹制导、测绘、机载攻击；KU波段用干地形测绘、卫星测高度，等等。今天，雷达的新技木有：连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、合成孔径雷达、相控阵雷达、捷变频雷达等。例如，美国的空中预警指挥机E—8A，1989年研制成功，全称为“联合监视与目标攻击雷达系统飞机”，其上装有美国最新型的AN／APY—3雷达，是X波段合成孔径相控阵雷达。又如，法国空军于1983年起开始装备的优秀战斗机“幻影2000”．装有性能先进的RDI脉冲多普勒火控雷达。雷达当然不限于军用；1994年美国将用航天飞机上先进的图像雷达研究地球表层。1994年7月国内报道，在成渝高等级公路施工中，对于大断面隧道的施工成功地使用了地质雷达探测技木。1933年．美国人制作了直径9.5m的抛物面天线装在院子里，日夜扫描天空。这是世界上第一架射电望远镜。1940年，Reber发表了第一张射电天图。1945年底，刚从军队复员的英国物理学家B．Lowell带着两辆军用雷达车来到一个叫做JodrellBank的地方，开始了战后最早的微波射电天文研究。他观测到流星雨的雷达回波。1950年，JodrellBank建成直径66.5m的射电望远镜，观测到仙女座大星云（M31）的射电辐射。1957年建成的可转动射电望远镜直径76.2m,重达2000ton，10月里成功地跟踪了前苏联发射的第一颗人造地球卫星；1960年又为美国宇航器提供了跟踪、测量、控制。76米射电望远镜成为美国科学界、工业界的骄傲。射电望远镜越做越大。1963年美国建成的抛物面直径达305m（固定式），而1971年原西德建成的抛物面直径达100m（可转动式），它们在很长时期内保持着这方面的世界冠军。今天，射电天文学已发展到令人惊异的高水平。例如，德国波恩以南40km的100m直径射电望远镜，正对银河、星际气体、超新垦进行研究。美国哈佛大学的META系统．从1985年起即对外星生命信息作大规模的探查。飞行体的雷达可检测性是用RCS这个指标表示的．原文为RadarCrossSection，译作雷达反射截面。美国B一52轰炸机的RCS约100m2，B—1轰炸讥约1