微波原理概述

1、 微波技術原理 

微波技術是一門需要高度實驗技能的專業技術知識，微波技術的理論基礎是經典的電磁場理論，其目標是解決微波應用工程中的實際問題。微波是一門理論與實踐密切結合的一門知識，微波技術理論的出發點是麥克斯維方程組，麥克斯維方程組本身就是從實踐中歸納、總結出來的。大多數微波實際應用的工程問題都不能通過理論計算得到精確的解析解。在研究微波工程問題時，為了避開一些復雜的數學運算和無解析解的問題， 常需要根據具體情況和一些基本的物理概念對所研究的問題做簡化、等效或近似處理，因此，通過實踐來修正理論分析結果是每個微波工程技術人員具備的基本技能。

2、 微波定義

微波是一種頻率非常高的電磁波。微波包括的波長范圍沒有明確的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三個波段，也就是波長從1mm到1m左右的電磁波。由于微波的頻率很高，所以也叫超高頻電磁波。

為了進行比較，這里將微波、工業用電和無線電中波廣播的頻率與波長范圍列于表中。

     因為微波的應用極為廣泛，為了避免相互的干擾，供工業、科學及醫學使用的微波頻段是不同的，現將其列于表中

不同工作頻率的微波系統具有不同的技術特性、生產成本和用途，微波系統的工作頻率越高。其結構尺寸就越小；微波通訊系統的工作頻率越高，其信息容量越大；微波雷達系統的工作頻率越高，雷達信號的方向性和系統的分辨率就越高。微波的頻率越高，其大氣傳輸和傳輸線傳輸的損耗就越大。

目前國內只有915MHz和2450MHz 被廣泛使用。在較高的兩個頻率段還沒有合適的大功率工業設備。

3、 微波的特殊性質

微波是電磁波，它具有電磁波的諸如反射、透射干涉、衍射、偏振以及伴隨著電磁波能量傳輸等波動特性，這就決定了微波的產生、傳輸、放大、輻射等問題都不同于普通的無線電、交流電。在微波系統中，組件的電性質不能認為是集總的，微波系統沒有導線式電路，交、直流電的傳輸特性參數以及電容和電感等概念亦失去了其確切的意義。在微波領域中，通常應用所謂“場”的概念來分析系統內電磁波的結構，并采用功率、頻率、阻抗、駐波等作為微波測量的基本量。

⑴在研究微波問題時，應使用電磁場的概念，許多高頻交變電磁場的效應不能忽略。例如微波的波長和電路的直徑已是同一數量級，位相滯后現象已十分明顯，這一點必須加以考慮。

⑵微波傳播時是直線傳播，遇到金屬表面將發生反射，其反射方向符合光的反射規律。

⑶微波的頻率很高，因此其輻射效應更為明顯，它意味著微波在普通的導線上傳輸時，伴隨著能量不斷的向周圍空間輻射，波動傳輸將很快地衰減，所以對傳輸組件有特殊要求。

⑷當入射波與 反射波相迭加時能形成波的干涉現象，其中包括駐波現象。在微波波導或諧振腔中，我們也利用多種模式的電磁場的分布、迭加來改善電磁場分布的均勻性。

⑸微波能量的空間分布同一般電磁場能量一樣，具有空間分布性質。哪里存在電磁場，哪里就存在能量。例如微波能量傳輸方向上的空間某點，其電場能量的數值大小與該處空間的電場強度的二次方有關，微波電磁場總能量為空間點的電磁場能量的總和。

4、 微波與材料的相互作用

當微波在傳輸過程中遇到不同材料時，會產生反射、吸收和穿透現象，這些作用和其程度、效果取決于材料本身的幾個主要的固有特性：介電常數、介質損耗角正切（tgδ，簡稱介質損耗）、比熱、形狀、含水量的大小等。

⑴常用材料

在微波加工系統中，常用的材料有導體、絕緣體、介質、極性和磁性化合物幾類。

①   導體  一定厚度以上的導體，如銅、銀、鋁之類的金屬，能夠反射微波，因此在微波系統中，常利用導體反射微波的這種特殊的形式來傳播微波能量。例如微波裝置中常用的波導管，就是矩形或圓形的金屬管，通常由鋁或黃銅制成。它們像光纖傳導光線一樣，是微波的通路。

②   絕緣體  在微波系統中，絕緣體有其完全不同于普通電路中的地位。絕緣體可透過微波，并且它吸收的微波功率很小。微波和絕緣體相互間的影響，就象光線和玻璃的關系一樣，玻璃使光線部分地反射，但大部分則透過，只有很少部分被吸收。在微波系統中，根據不同情況使用著玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之類的絕緣體，它們常作為反應器的材料。由于這種“透明”特性，在微波工程中也常用絕緣體材料來防止污物進入某些要害部位，這時的絕緣體就成為有效的屏障。

③介質  對微波而言，介質具有吸收、穿透和反射的性能。介質通常就是被加工的物料，它們不同程度地吸收微波的能量，這類物料也稱為有耗介質。特別是含水和含脂肪的食品，它們不同程度地吸收微波能量并將其轉變為熱量。污水處理中，污水中的各種成分和添加劑就是介質。

④極性和磁性化合物   這類材料的一般性能非常象介質材料，也反射、吸收和穿透微波。應當指出，由于微波能量具有能對介質材料和有極性、磁性的材料產生影響的電場和磁場，因此許多極性化合物、磁性材料同介質材料一樣，也易于作微波加工材料。

⑵微波對介質的穿透性質

微波進入物料后，物料吸收微波能并將其轉變為熱能，微波的場強和功率就不斷地被衰減，即微波透入物料后將進入衰減狀態。不同的物料對微波能的吸收衰減能力是不同的，這隨物料的介電特性而定。衰減狀態決定著微波對介質的穿透能力。

①、滲透深度（穿透深度）  當微波進入物料時，物料表面的能量密度是***大的，隨著微波向物料內部的滲透，其能量呈指數衰減，同時微波的能量釋放給了物料。滲透深度可表示物料對微波能的衰減能力的大小。一般它有兩種定義：

②滲透深度為微波功率從物料表面減至表面值的1/e(36.8%)時的距離，用DE表示，e為自然對數底值。

 DE=λ0/π  g&delt