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微波技術的發展與應用
2022-08-15
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微波通常是指頻率範圍在 300MHz ~300GHz 內的電磁波, 其波長約在 1米到1 毫米之間, 可被進一步細分為分米波,釐米波和毫米波雷達板 其對應頻率分別為特高頻( UHF,ultra-high frequency), 超高頻( SHF,super high frequency), 極高頻( EHF , extremely high frequency)。隨著現代微波技術的發展,波長在 1 毫米以下的亞毫米波也被視為微波的範疇, 這相當於把微波的頻率範圍進一步擴大到更高的頻率。因此,有的文獻裡也把微波的頻率範圍定義為 300MHz~3000GHz 

 

                                                            图片.png

      微波通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對於玻璃、塑膠和瓷器,微波幾乎是穿透而不被吸收;對於水和食物等就會吸收微波而使自身發熱;而對金屬類東西,則會反射微波。從電子學和物理學觀點來看,微波這段電磁頻譜具有不同於其他波段的如下重要特點:

1、穿透性   

微波比其它用於輻射加熱的電磁波,如紅外線、遠紅外線等波長更長,因此具有更好的穿透性。微波透入介質時,由於微波能與介質發生一定的相互作用,以微波頻率2450MHz,使介質的分子每秒產生24億五千萬次的震動,介質的分子間互相產生摩擦,引起的介質溫度的升高,使介質材料內部、外部幾乎同時加熱升溫,形成體熱源狀態,大大縮短了常規加熱中的熱傳導時間,且在條件為介質損耗因數與介質溫度呈負相關關係時,物料內外加熱均勻一致。

2、選擇性加熱   

物質吸收微波的能力,主要由其介質損耗因素來決定。介質損耗因數大的物質對微波的吸收能力就強,相反,介質損耗因數小的物質吸收微波的能力也弱。由於各物質的損耗因數存在差異,微波加熱就表現出選擇性加熱的特點。物質不同,產生的熱效果也不同。水分子屬極性分子,介電常數較大,其介質損耗因數也很大,對微波具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小,其對微波的吸收能力比水小得多。因此,對於食品來說,含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

3、熱慣性小  

微波對介質材料是暫態加熱升溫,升溫速度快。另一方面,微波的輸出功率隨時可調,介質溫升可無惰性的隨之改變,不存在餘熱現象,極有利於自動控制和連續化生產的需要。

4、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。

5、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)。 

6、信息性  

微波波段的資訊容量是非常巨大的,即使是很小的相對頻寬,其可用的頻帶也是很寬的,可達數百甚至上千兆赫。

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。

 

微波技術發展簡史

      對微波的理論研究以及進行相關實驗起步于20世紀初,但早期的設備不能滿足實驗的需要, 主要表現為缺乏大功率的信號發生器和靈敏的信號接收器, 因此早期的研究並沒有取得實質性的進展。到了20世紀30年代,高頻率的超外差接受器和半導體混頻器的出現為微波技術的進一步發展提供了條件, 使得微波技術的發展取得的一定的進步。

      1931 年義大利科學家馬可尼進行了距離為 18 英里的無線通訊實驗,實驗中使用 600MHz 的微波來傳輸具有較好品質的話音信號, 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訊實驗。第二年,馬可尼又利用 57 釐米的微波,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, 並提供電話和電傳印表機服務, 從此微波技術由實驗室走向了真正的實際應用。同一時期,雷達的相關概念和理論也逐漸形成,到了20世紀30年代中期, 世界上已經有八個國家在進行相關的研究。 

1、高速發展的二戰時期

      第二次世界大戰時期普遍被認為是微波技術發展的黃金時期, 其背後主要的推動力來自于軍方對雷達的需求。雷達在二次大戰中扮演著重要的角色, 為此盟軍投入了大量人力物力進行雷達的研究。在美國, 雷達的相關研究主要是在麻省理工學院的輻射實驗室進行, 1945 年其員工人數甚至達到 4000 餘人,在該研究室工作過的科學家中, 後來有 9 人獲得了諾貝爾獎。

戰後, 輻射實驗室編著了 28 卷的《輻射實驗室叢書》 並於 1947 出版, 書中記錄了二戰期間輻射實驗室及相關研究機構研究發展雷達的大量工作。

1886 年, 赫茲就已經發現電磁波會被固體反射回來, 這實際就是雷達最基本的原理。到了 1903 年, 德國的 Hulsmeyer將其發明的用於航海的系統申請了專利,該系統利用無線電波的反射來檢測障礙物的存在, 並為船隻進行導航。1933年,美國海軍實驗室展示了發射 3MHz 的無線電波的雷達, 能夠在 50 英里的範圍內檢測到飛機的存在。1934年,英國物理學家和雷達技術專家沃森瓦特建立了實驗雷達站, 1938年組建了英國東海岸的防空雷達網, 25MHz的雷達構建而成。二戰中英國戰役的最終勝利, 防空雷達網起了很大的作用。1939年, 美國軍隊裝備了105MHz SCR 270 型雷達用作遠端預警系統, 該系統在後來的珍珠港戰役中, 成功地提前檢測到了日軍的飛機。1943 年輻射實驗室研製出利用空腔磁控管的微波雷達- 3GHz SCR 584 型雷達, 同年投入生產並廣泛使用在歐洲和太平洋戰場, 這種雷達能夠有效的判斷空中物體的位置並進行火力控制, 在其幫助下倫敦戰役中德軍 85%的 V-1 型飛彈被對空火力摧毀。

       二戰期間, 微波技術在其他方面的應用也在繼續向前發展。在無線通訊方面,1943 AT&T 研製出 AN/TRC-6 型多頻段微波無線電, 該設備利用了脈衝位置調製和數位調製技術, 美軍和英軍裝備了這種型號的無線電設備。微波測量技術也在40 年代發展起來, 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。  

        1944 年,Meyers Charles Julian 首次提出了反射計和阻抗測量技術。微波技術在生物和醫學上的應用研究也在二戰期間展開。

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

2、微波技術戰後的發展
       微波技術在二戰後的十幾年間迅速地傳播開來, 並得到各個國家的重視。許多國家由政府進行資金支援, 在大學, 大型企業或是研究所裡設置了微波技術的研究專案。特別是冷戰時期為了提供對新武器系統的支援, 進行了大量微波技術的相關研究, 這些研究極大地促進了微波技術的發展。新的波導結構被提出, 以替換那些體積過於龐大的矩形和圓形波導。許多新類型的微波管也投入了使用。信號發生器和接收器的體積也被大幅度減小, 以降低生產整個微波系統的費用並使增強了穩定性。以上的技術進步促進了微波積體電路技術的發展。

        雷達技術也在繼續進步,1955 Page 發明了單脈衝雷達, 美國無線電公司於1958年生產了高精度單脈衝追蹤儀器雷達 AN/FPS-16 這是第一台達到 0.1 米級精度的雷達。

        戰後微波通訊技術飛速發展, 1946 年美國軍隊成功接受到被月球表面反射回來的雷達微波信號。AT&T1947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, 該系統可傳輸 500路電話或是一個黑白電視頻道的節目。

       1965 年研製出第一顆商用地球同步軌道通信衛星“ Early Bird”

       在微波測量技術方面, 1951Fellgett 提出了傅裡葉變換光譜法。第一台應用分離振盪場方法的銫原子鐘於1952年在美國國家標準局問世, 隨後的1955年, 英國國家物理實驗室的埃森等人研製出超精細微波誘導躍遷銫原子鐘, 1960 CutlerBagley引入原子鐘作為原子頻率標準, 原子鐘的發明和應用成為現代時間測量技術的里程碑。1966 Weinert 發明了射頻向量伏特計。

      微波技術在生物和醫學上的應用研究在戰後也在繼續發展, 1950年, GesslerMcCartyParkinson三位物理學家首次進行了利用微波能量治療癌症的試驗, 並使用頻率為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, 隨後關於混合輻射療法的研究大量展開。

 

3、從軍用到民用的轉變
     二戰後微波技術的研究與應用逐漸從滿足軍事需求為主向民用領域過渡, 具有代表性的便是微波爐的發明。從20世紀40年代開始, 出現了許多利用微波進行加熱的相關技術的專利, 這標誌著微波加熱技術的起步。其中 Westinghouse GE 公司側重於工業加工方面的應用, 如紡織品、輪胎和木材等的烘乾, Raytheon 公司則致力於食品的烹飪和加熱。1949 Raytheon 公司提出了微波爐的若干基本專利。但 Raytheon 公司專注於商業用微波爐的市場, 沒有涉足家用微波爐。到了1960 年, Raytheon 公司的授權下, 幾家大的美國公司HotpointWestinghouse Whirlpool 等開始生產面向普通消費者的家用微波爐。然而微波加熱技術在工業加工方面的應用卻比預想的增長的要慢,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。

    歷史性的轉折發生在1967年,Raytheon 下屬的 Amana 公司推出了一種家用檯面式微波爐RR - 1 由於使用了成本大為降低的新型磁控管, 使得整機的價格還不到以前微波爐的一半。RR - 1 型微波爐一經推出便迅速的推動了家用微波爐市場的發展,不僅美國本土的公司迅速跟進,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1萬台左右,而到了1975年,這個數字超過了100萬台,1985年更是高達500萬台。其中,日本公司也在家用微波爐市場佔領了很大的份額, 根據夏普公司公佈的資料, 1977 年為止夏普公司已經銷售了 200 萬台微波爐。隨後, 在日本,歐洲等地家用微波爐市場也發展起來。一項1976年的調查結果顯示,日本已有17%的家庭使用微波爐進行烹飪。如今微波爐已經成為世界各地廣泛使用的食品加工和烹飪器具, 許多美國人甚至認為微波爐是20世紀70年代以來最重要的科學技術突破, 在我國, 微波爐在大中城市的普及率已經達到80%以上。 
 

微波技術的工業化應用

 

現代微波設備利用微波技術技術手段在各行業進行應用和發展:

       

1、食品、保健品工業   

利用微波可對食品、保健品進行滅菌、脫水、烘乾、膨化、調味、脫腥、解凍、催陳和保鮮處理。目前已用於奶粉、乳酪、壯骨粉、洋參丸、豆粉、月餅、糕點、速食麵、牛肉幹、肉脯、肉條、肉鬆、魚幹片、魚鬆、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、中藥材等的生產中。

 

2、木材加工   

採用大功率微波乾燥機對2-10公分厚的木板進行烘乾,乾燥速度快、木材不開裂、變形小、同時可殺死木材內部的卵蟲和幼蟲,中高檔傢俱、地板、包裝材料用途木料的處理最為合適。微波也可對竹木複合板和拼板交接的固化處理也很理想。

        

3、殺蟲滅菌   

應用微波加熱技術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。目前廣泛應用到大米、穀物、豆類、煙葉處理、竹材、木料、紙張、食品、醫藥等行業等。

      

4、橡膠工業

微波技術應用到橡膠工業中的橡膠硫化工藝中,與常規加熱保溫相結合,大大提高橡膠硫化時間和效率。目前在河北衡水地區、山東地區廣泛使用。

       

5、陶瓷工業  

微波高溫可應用於陶瓷工業,將傳統加熱和微波加熱方法相結合使用,可大大縮短陶瓷的乾燥時間,同時不影響陶瓷燒制的成品率。

       

6、煤炭乾燥   

煤炭開採後通常含水率較高(35%左右),如果採用常規烘乾方法進行乾燥,速度慢、效率低,乾燥不徹底,採用微波法乾燥,可以使煤炭內外同時升溫,是水分蒸發,實現脫水乾燥,效率得到大大提高。

       

7、微波等離子技術   

半導體生產工藝中已經採用微波等離子體技術,可進行蝕刻、濺射、氣相沉積、氧化矽片;可用於金屬、合金、非金屬的表面處理;可用於陶瓷的高溫燒結;可用於等離子體光譜分析,可檢測十幾種元素,另外還用於分解有毒化合物。

       

8、微波醫療垃圾處理技術   

利用微波技術在無氧或缺氧狀態下,使微波承載體迅速升至高溫,使得醫療垃圾在極短時間內迅速處於高溫狀態,直接灰化,極大降低了燃燒過程中有毒氣體的產生。煙氣中氣體再採用微波等離子體火炬進行高溫裂解,整個處理過程和處理環境實現全封閉無害化處理。此項技術的應用優於常規處理方法,開拓了微波應用的新領域。

       

9、汙水處理  

利用微波非熱效應和熱效應選擇吸波的敏化劑把微波能傳給水中的污染物而誘發化學反應,通過物理及化學作用對水中的污染物進行降解、轉化、加速流體中固、液分離,從而實現污水淨化的目的,是水處理領域中一場嶄新的革命。

      

10、微波制碳  

利用微波技術對竹子進行高溫裂解,製作竹炭,大大提高生產效率,同時還能提取到竹醋液,竹焦油等產品,具有較高的經濟價值,優於傳統窯爐方法製作竹炭,目前正在大力開始推廣使用。

 

微波技術在通信領域的發展現狀

       進入21 世紀, 微波技術繼續在廣播、有線電視、 電話和無線通訊領域發揮著巨大的作用, 在其他領域如電腦網路等應用中也嶄露頭角。在廣播電視方面, 當前廣播電視節目製作逐步走向數位化, 而數位化的節目需要數位化的傳輸手段, 於是SDH數位微波網應運而生,與老的類比微波設備相比傳輸容量大幅度提高, SDH數位微波設備可以傳送幾十套電視節目和幾十套聲音廣播節目,並且傳輸距離更大, 範圍更廣。利用數位微波的數位環境, 還可以構建一個雙向的互動式資訊網路, 實現網路功能的綜合利用和開發。


在通信領域, 微波與衛星和光纜並列為現代通信傳輸的三大支柱。其中微波通信有著自己獨特的優勢, 首先, 微波通信具有良好的抗災性能, 對水災、 風災以及地震等自然災害, 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, 6 個微波通道仍然能正常工作。其次, 微波傳輸系統的組建更加快速。隨著城市的不斷擴大和突發事件發生, 如局部的積水、 路面破壞、 局部火警火災等等, 這些場合要求能夠快速建立局部的臨時通信系統。而微波在上述場合的應急能力是其他通信方式遠遠不能及的


網路的迅速發展帶來了對網路通信線路建設的迫切需要, 光纜雖然具有超大容量的優點, 然而也具有成本高, 需提前鋪設以及易受自然災害影響等弱點, 此外光纖通信也不適用於農村、 海島等邊遠地區和專用通信網。微波通信可作為幹線光纖傳輸的備份及補充, 解決城區內鋪設有線資源困難的問題。數位微波接入成為建立廣域網路連接的另一重要方式, 是城市通信基礎設施的有效補充。


數位微波技術將是微波技術未來發展的主要方向, 具體應用包括微波擴頻資料傳輸系統, 可以用於城市內的短距離支線連接的高頻段微波, 用於未來的寬頻業務接入的本地多點分配業務, 現代軍用數位微波通信系統等等。重點研究的關鍵技術為 10GHz 以上的高頻段傳輸技術以及在現有頻段上的相容技術, 包括高效率調製技術, 擴頻及跳頻抗干擾技術, 糾錯技術等等。此外, 諸如微波單片集成、 全數位化處理、 數位專用積體電路等提高可靠性及降低成本的技術也需要進一步的研究。