微波的性质及实际应用

目录摘要…………………………………………………………………………………1关键词………………………………………………………………………………1Abstract………………………………………………………………………………1KeyWords…………………………………………………………………………1引言…………………………………………………………………………………11.微波概述…………………………………………………………………………12.微波的传输………………………………………………………………………13.微波的性质………………………………………………………………………23.1穿透性………………………………………………………………………23.2选择性加热………………………………………………………………23.3热惯性小………………………………………………………………………33.4似光性和似声性………………………………………………………………33.5非电离性…………………………………………………………………33.6信息性…………………………………………………………………………34.微波的产生………………………………………………………………………35.微波的应用………………………………………………………………………45.1微波加热………………………………………………………………………45.2雷达与通信………………………………………………………………45.3医疗卫生………………………………………………………………………55.4微波萃取………………………………………………………………………55.5武器战争方面………………………………………………………………5结论………………………………………………………………………………6参考文献………………………………………………………………………61微波的性质及其实际应用摘要：微波作为电磁波的一种，频率范围介于光波和广播电视所采用的无线电波之间，它兼有两者的性质又区别于两者，有自己的特点．关键词：微波；波导；电磁波；微波热效应TheshallowpropertiesandapplicationsofmicrowaveAbstract：Microwaveisakindofelectromagneticwavethatfrequencyrangesfromradiowavestotelevisionwaves,ithasthepropertiesanddifferenceinboth,andhasitsowncharacteristics.Keywords:microwave;waveguide;electromagneticwave;microwaveheatingeffect引言1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。随着人们对电磁波的研究逐步加深，电磁波的性质已被人们了解。作为电磁波频率波段的微波在通信，食品，医疗等方面，也得到了广泛的应用。本文就主要介绍微波的一些基本概念和应用。1.微波概述微波是指频率为300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波[1]”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。2.微波的传输微波是电磁波中的一段，因此它的规律性满足麦克斯韦方程组和介质的性能方程：•=ρD0•=B=-tBE=+tDHj（1）并且D，B，j满足：=DE=μBH=γjE（2）对于空气和导体的界面，由上述关系可以得到边界条件（左侧均为空气中场2量）0t=Enn=/Et=Hi0n=H（3）方程组（3）表明，在导体附近电场必须垂直于导体表面，而磁场则应当平行于导体表面。圆形或矩形截面的空心导体管构成波导，它是传输微波最常用的传输线之一[2]。3.微波的性质微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性．对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：3.1穿透性微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。3.2选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。3.3热惯性小3微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。3.4似光性和似声性微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔。3.5非电离性微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。再有物理学知道，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，因而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。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。3.6信息性由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹，这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。4.微波的产生微波能通常由直流电或50Hz交流电通过特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。半导体器件主要有体效应二极管和雪崩二极管。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管．在电真空器件中能产生4大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管[3]。5.微波的应用在现代科学技术高度发展的形势下，微波的应用领域，除了人们十分熟悉的微波通信之外，还涉及到医药卫生，公路建设、航空航天、环境保护、能量传送等各个方面，以及人们的生活之中。而且在节约能源、提高生产效率、改进产品质量及改善劳动条件方面都取得明显的经济效益和社会效益。5.1微波加热介质材料由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。而在高频电磁场作用下，这些取向按交变电磁的频率不断变化，这一过程造成分子的运动和相互摩擦从而产生热量。此时交变电场的场能转化为介质内的热能，使介质温度不断升高。微波炉利用微波加热的原理，微波提取也是利用微波加热的原理．微波加热有加热速度快，加热均匀，节能高效，低温杀菌、无污染的特点，在食品加工方面应用广泛。5.2雷达与通信微波的最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。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。一般说来，由于地球幽面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送，如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设[4]。55.3医疗卫生在医学领域微波可以用来治疗各种病症，为患者解除痛苦和精神负担。一种极其细小的微波发生器，可以直接从小孔送入人体内，直接杀死癌细胞，可用于治疗胃、食道等处的癌症或脓肿。若把极细的微波发生线圈直接送到血管里，就可以除去血管管壁的多余物质，使血管内壁变得光滑和富有弹性。利用微波对蛋白质的热凝固作用，便肿瘤组织细胞凝固坏死。现行的微波凝固疗法是在超声波的引导下，将针状电极从体外经皮肤直接插入肿瘤组织，通过电极放射的微波使肿瘤组织凝固，杀死肿瘤细胞。该方法因无需做开腹手术，对患者身体的损伤较小，治疗费用也很低，受到医生和患者的欢迎。5.4微波萃取利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试剂、污染小等特点。目前，除主要用于环境样品预处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。5.5武器战争方面微波武器在应用上一个很重要的作用就是对付电子设备。现代战争中的电子设备，是各种武器在搜索目标、进行攻击中必不可少的制导体系，具有十分奇异的功能，采取其他武器很难对付它。而微波武器则不然，由于它本身就是一种发射出的电磁波，很容易对电子振荡起到干扰和破坏作用，并能够导致整个电子工作系统的瘫痪，从而使武器系统丧失进攻和防御的能力。随着科技的发展，各种隐身武器相继问世。这些新型武器能够有效地避开雷达、红外等传感器的探测和跟踪。然而，这些隐身武器遇到微波武器的高能波束就会遭殃。涂敷在这些武器上的“隐身衣”，是一些特殊的涂料，会在很短的时间内被加热而导致毁坏，甚至可以在瞬间熔化。这样的结果会使整个隐身武器遭到摧毁。结论6当然，微波的性质还远远不止这些，这就需要我们更加深入的去学习，去研究，掌握它们的性质，使它们更好的为人们服务。参考文献[1]闫润卿，李英惠．微波技术基础[M]．北京：北京理工大学出版社，1997：1～2．[2]郭硕鸿．电动力学[M]．北京：高等教育出版社，2008：132～133.[3]王魁香，韩炜，杜小波．新编近代物理实验[M]．北京：科学出版社，2007：103～104．[4]张瑜．电磁波空间传播[M]．西安电子科技大学，2007：158～159．