微波的特性及其应用（一）

——概述微波的几个特殊性质

徐长发，华中科技大学，2019.7.1

微波是一种电磁波，它在电磁波中处于什么位置？有哪些特殊的性质？这些特殊性质有什么实际应用？

一．电磁波的分类

机械波是机械振动产生的，例如声波，机械波传播的是机械能。

电磁波是电磁振荡产生的，传播的是电磁能。

所有的波都是用波长或频率进行分类的。波长的单位：米（m）=1000毫米（mm），1毫米（mm）=1000微米（μm），1微米=1000纳米(nm)。频率单位：赫兹（Hz），千赫兹，兆赫兹(MHz)，吉兆赫（GHz）等。

波长和其频率的关系是：波长越长，波的频率越低；波长越短频率越高。

电磁波有很多种类 ，大家所熟知的电磁波，按波长分类为：

工频电磁波＞无线电波＞红外线＞可见光＞紫外线＞X射线＞γ射线。

无线电波的波长和频率范围

无线电波分布在3Hz到3000GHz的频率范围之间，其波长在 3000米～0.3毫米之间。

无线电波的穿透性弱。它可以在地面传播，也可以通过电离层反射传播.

红外线的波长和频率范围

红外线的波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分：近红外线，中红外线，远红外线.

红外线的穿透性比无线电波强，它可以穿透原子间的空隙，但不能破坏原子结构；它能穿透电离层，它不能通过电离层发射传播。

可见光的波长和频率范围如下：

可见光从红色到紫色，其波长在 0.7（μm）～0.4（μm）之间。

紫外线 ，其波长为0.4微米～10毫微米。紫外线能够破坏部分原子和分子结构。

波长比紫外线短的波，波长越短，其对原子结构的破坏力越强。

X射线  其波长为10毫微米～0.1毫微米,

γ射线  其波长为0.1毫微米～0.001毫微米,

高能射线 其波长小于0.001毫微米.

二．无线电波有很多种，不同波段无线电波

具有不同的传播特性和用途

三。微波的特殊性质

正如纳米材料那样，其尺寸接近分子，于是纳米材料除了具有材料的宏观特性之外，还具有一些神奇的微观特性。

微波的波长是无线电波中最小的，它除了具有一般无线电波的性质之外；还具有一些与一般无线电波不同的特殊的性质。

1.似光性

微波波长非常短，当微波照射到某些特殊物体例如金属物体上时，会产生显著的反射和折射，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，能像光线一样地容易集中。

微弱的微波信号可以用抛物面聚焦加强，例如微波接受天线。要发射的微波也可以利用抛物面集中且定向发射。

光波可以用光纤导向，光纤是光波的波导管。微波也可以用波导管导向，微波波导管根据应用的需要可以制成各种各样的形状。

微波也可以集中且定向发射，制成微波武器。

2.穿透性

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，则会完全反射微波。

微波能穿透生物体表层，穿透深度与波长是同量级的，医学界常用微波做表层加热治疗。

在可发射可接受的无线电波中，只有微波能穿透电离层，于是人类用微波探测外层空间，射电望远镜就是用来发射和接受外太空的微波的。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。

3.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，不会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。波长比紫外线短的电磁波可以破坏物质分子的化学键。由物理学可知，分子、原子和原子核的固有振动频率都在微波的范围内，于是用微波探索物质分子的固有频率，探索物质的内部结构和基本特性，就成为一种有效的研究手段。

4.选择性加热特性

不同物质对微波的吸收程度不同，产生的热效果也不同，于是微波加热就表现出选择性加热的特点了。水分子属电极性分子，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物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，含水量大的微波加热效果好。

从另一个角度考虑，用微波照射某物质，物质的含水量高的则微波反射量低，含水量低的则微波反射量高，所以也可以用微波探测某物体的含水量。

5.热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，功率大则加热快，功率小则加热慢，微波停止则加热停止。这些都非常有利于自动控制和连续化生产的需要。

如果用某种微波（对水气加热效果好）照射即将降雨的云层，会有什么效果？

6.信息承载性

由于微波的频率范围很宽，从数百直到数千兆赫兹，这个范围又可以分为若干频段，不同频率的微波都可以承载信息，各有不同的用途，所以微波承载的信息容量大。这是低频的无线电波无法比拟的。基于此，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都是十分重要的。　　　

四.微波是怎么制作出来的？

按照传统的约定，微波是无线电波中频率最高的一个频带的简称，其频率为300MHz-300GHz，波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，微波是分米波、厘米波、毫米波以及亚毫米波的统称。 

制作功率较大微波，要用磁控管。让电子在真空的电子管中快速震荡，这就把电能转化为微波的波动能。其基本原理如下：

阴极灯丝发射电子，灯丝短而粗，加热电流大，大功率管的阴极灯丝工作温度很高，常用强迫风冷散热。

如果在阴极灯丝与阳极之间施加几千伏的直流高压，那么从阴极上发射出来的电子在径向电场的作用下，将直接打到阳极上。电压越高，电子的运动速度越快，电子打到阳极上的动能也越大，阳极会升温，阳极需散热。

如果在阴极和阳极之间，与电场垂直的方向再加上磁场，那么从阴极发射出的电子既受电场力的作用，也受磁场力的作用，电子边震荡边以螺旋形式向阳极运动，电子接近阳极时，又受到阳极谐振腔的作用，形成微波震荡，如下图的曲线所示。

微波发生器工作时，电子运动轨迹示意图

阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔。谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，每一个小谐振腔构成了振荡回路的电容，很多谐振腔相当于一个并联的振荡回路。

由许多谐振腔耦合在一起的阳极，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振频率主要由每个小谐振腔的谐振频率来决定，可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。  

磁控管内的微波还需要输出装置。

对于低功率的磁控管，大多在阳极谐振腔高频磁场最强的地方放置一个耦合环，把密封的磁控管内的微波通过感应过程引到外边。耦合环面积越大，微波输出效果越好。 

对于大功率磁控管，用轴向能量输出天线，微波通过天线穿过密封窗，再通过波导管引出。 

磁控管把直流电能，通过电子震荡，转换成微波能量输出。调整高频电场强度，调整磁场强度，调整谐振腔的大小，就可以达到调整微波频率的目的。

对于低功率的微波，毫瓦功率的微波，可以用半导体微波信号发生器。半导体微波信号发生器的种类很多，都是利用了不同的“P-N”结有不同的特性，例如电容效应、隧道效应、电荷储存效应、雪崩击穿特性。简单的说，利用半导体，可以把直流电变为高速交变震荡的微波，也可以把低频率的交流电变为高速交变震荡的微波。

现在甚至可以做到，低压直流电用半导体变为低功率的微波，再把多个低功率微波集中在一起，形成较大功率的微波。所以，对于功率不太大的微波一般都采用半导体微波发生器，其体积小，制造方便，应用更是方便，它在民用和军用方面的应用非常广泛。

此文章版权归属徐长发所有