微波的特性及其應(yīng)用
——概述微波的幾個(gè)特殊性質(zhì)
微波是一種電磁波，它在電磁波中處于什么位置？有哪些特殊的性質(zhì)？這些特殊性質(zhì)有什么實(shí)際應(yīng)用？
一．電磁波的分類
機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，例如聲波，機(jī)械波傳播的是機(jī)械能。
電磁波是電磁振蕩產(chǎn)生的，傳播的是電磁能。
所有的波都是用波長或頻率進(jìn)行分類的。波長的單位：米（m）=1000毫米（mm），1毫米（mm）=1000微米（μm），1微米=1000納米(nm)。頻率單位：赫茲（Hz），千赫茲，兆赫茲(MHz)，吉兆赫（GHz）等。
波長和其頻率的關(guān)系是：波長越長，波的頻率越低；波長越短頻率越高。
電磁波有很多種類 ，大家所熟知的電磁波，按波長分類為：
工頻電磁波＞無線電波＞紅外線＞可見光＞紫外線＞X射線＞γ射線。
無線電波的波長和頻率范圍
無線電波分布在3Hz到3000GHz的頻率范圍之間，其波長在 3000米～0.3毫米之間。
無線電波的穿透性弱。它可以在地面?zhèn)鞑?，也可以通過電離層反射傳播.
紅外線的波長和頻率范圍
紅外線的波長為0.75～1000μm。
紅外線可分為三部分：近紅外線，中紅外線，遠(yuǎn)紅外線.
紅外線的穿透性比無線電波強(qiáng)，它可以穿透原子間的空隙，但不能破壞原子結(jié)構(gòu)；它能穿透電離層，它不能通過電離層發(fā)射傳播。
可見光的波長和頻率范圍如下：
可見光從紅色到紫色，其波長在 0.7（μm）～0.4（μm）之間。
紫外線 ，其波長為0.4微米～10毫微米。紫外線能夠破壞部分原子和分子結(jié)構(gòu)。
波長比紫外線短的波，波長越短，其對(duì)原子結(jié)構(gòu)的破壞力越強(qiáng)。
X射線 其波長為10毫微米～0.1毫微米,
γ射線 其波長為0.1毫微米～0.001毫微米,
高能射線 其波長小于0.001毫微米.
二．無線電波有很多種，不同波段無線電波
具有不同的傳播特性和用途
.三。微波的特殊性質(zhì)
正如納米材料那樣，其尺寸接近分子，于是納米材料除了具有材料的宏觀特性之外，還具有一些神奇的微觀特性。
微波的波長是無線電波中最小的，它除了具有一般無線電波的性質(zhì)之外；還具有一些與一般無線電波不同的特殊的性質(zhì)。
1.似光性
微波波長非常短，當(dāng)微波照射到某些特殊物體例如金屬物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的反射和折射，和光線的反、折射一樣。同時(shí)微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣地直線傳播，能像光線一樣地容易集中。
微弱的微波信號(hào)可以用拋物面聚焦加強(qiáng)，例如微波接受天線。要發(fā)射的微波也可以利用拋物面集中且定向發(fā)射。
光波可以用光纖導(dǎo)向，光纖是光波的波導(dǎo)管。微波也可以用波導(dǎo)管導(dǎo)向，微波波導(dǎo)管根據(jù)應(yīng)用的需要可以制成各種各樣的形狀。
微波也可以集中且定向發(fā)射，制成微波武器。
2.穿透性
對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)完全反射微波。
微波能穿透生物體表層，穿透深度與波長是同量級(jí)的，醫(yī)學(xué)界常用微波做表層加熱治療。
在可發(fā)射可接受的無線電波中，只有微波能穿透電離層，于是人類用微波探測(cè)外層空間，射電望遠(yuǎn)鏡就是用來發(fā)射和接受外太空的微波的。毫米波還能穿透等離子體，是遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。
3.非電離性
微波的量子能量不夠大，因而不會(huì)改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不會(huì)破壞其分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。波長比紫外線短的電磁波可以破壞物質(zhì)分子的化學(xué)鍵。由物理學(xué)可知，分子、原子和原子核的固有振動(dòng)頻率都在微波的范圍內(nèi)，于是用微波探索物質(zhì)分子的固有頻率，探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性，就成為一種有效的研究手段。
4.選擇性加熱特性
不同物質(zhì)對(duì)微波的吸收程度不同，產(chǎn)生的熱效果也不同，于是微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)了。水分子屬電極性分子，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來說，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大，含水量大的微波加熱效果好。
從另一個(gè)角度考慮，用微波照射某物質(zhì)，物質(zhì)的含水量高的則微波反射量低，含水量低的則微波反射量高，所以也可以用微波探測(cè)某物體的含水量。
5.熱慣性小
微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，功率大則加熱快，功率小則加熱慢，微波停止則加熱停止。這些都非常有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。
如果用某種微波（對(duì)水氣加熱效果好）照射即將降雨的云層，會(huì)有什么效果？
6.信息承載性
由于微波的頻率范圍很寬，從數(shù)百直到數(shù)千兆赫茲，這個(gè)范圍又可以分為若干頻段，不同頻率的微波都可以承載信息，各有不同的用途，所以微波承載的信息容量大。這是低頻的無線電波無法比擬的。基于此，現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地都是工作在微波波段。此外，微波信號(hào)還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息。這在目標(biāo)探測(cè)、遙感、目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中都是十分重要的?！ ?/span>
四.微波是怎么制作出來的？
按照傳統(tǒng)的約定，微波是無線電波中頻率最高的一個(gè)頻帶的簡稱，其頻率為300MHz-300GHz，波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，微波是分米波、厘米波、毫米波以及亞毫米波的統(tǒng)稱。
制作功率較大微波，要用磁控管。讓電子在真空的電子管中快速震蕩，這就把電能轉(zhuǎn)化為微波的波動(dòng)能。其基本原理如下：
陰極燈絲發(fā)射電子，燈絲短而粗，加熱電流大，大功率管的陰極燈絲工作溫度很高，常用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。
如果在陰極燈絲與陽極之間施加幾千伏的直流高壓，那么從陰極上發(fā)射出來的電子在徑向電場的作用下，將直接打到陽極上。電壓越高，電子的運(yùn)動(dòng)速度越快，電子打到陽極上的動(dòng)能也越大，陽極會(huì)升溫，陽極需散熱。
如果在陰極和陽極之間，與電場垂直的方向再加上磁場，那么從陰極發(fā)射出的電子既受電場力的作用，也受磁場力的作用，電子邊震蕩邊以螺旋形式向陽極運(yùn)動(dòng)，電子接近陽極時(shí)，又受到陽極諧振腔的作用，形成微波震蕩，如下圖的曲線所示。
微波發(fā)生器工作時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖
陽極由導(dǎo)電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設(shè)有多個(gè)諧振腔。諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，每一個(gè)小諧振腔構(gòu)成了振蕩回路的電容，很多諧振腔相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)的振蕩回路。
由許多諧振腔耦合在一起的陽極，形成一個(gè)復(fù)雜的諧振系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率主要由每個(gè)小諧振腔的諧振頻率來決定，可以根據(jù)小諧振腔的大小來估計(jì)磁控管的工作頻段。
磁控管內(nèi)的微波還需要輸出裝置。
對(duì)于低功率的磁控管，大多在陽極諧振腔高頻磁場最強(qiáng)的地方放置一個(gè)耦合環(huán)，把密封的磁控管內(nèi)的微波通過感應(yīng)過程引到外邊。耦合環(huán)面積越大，微波輸出效果越好。
對(duì)于大功率磁控管，用軸向能量輸出天線，微波通過天線穿過密封窗，再通過波導(dǎo)管引出。
磁控管把直流電能，通過電子震蕩，轉(zhuǎn)換成微波能量輸出。調(diào)整高頻電場強(qiáng)度，調(diào)整磁場強(qiáng)度，調(diào)整諧振腔的大小，就可以達(dá)到調(diào)整微波頻率的目的。
對(duì)于低功率的微波，毫瓦功率的微波，可以用半導(dǎo)體微波信號(hào)發(fā)生器。半導(dǎo)體微波信號(hào)發(fā)生器的種類很多，都是利用了不同的“P-N”結(jié)有不同的特性，例如電容效應(yīng)、隧道效應(yīng)、電荷儲(chǔ)存效應(yīng)、雪崩擊穿特性。簡單的說，利用半導(dǎo)體，可以把直流電變?yōu)楦咚俳蛔冋鹗幍奈⒉?，也可以把低頻率的交流電變?yōu)楦咚俳蛔冋鹗幍奈⒉ā?/span>
現(xiàn)在甚至可以做到，低壓直流電用半導(dǎo)體變?yōu)榈凸β实奈⒉?，再把多個(gè)低功率微波集中在一起，形成較大功率的微波。所以，對(duì)于功率不太大的微波一般都采用半導(dǎo)體微波發(fā)生器，其體積小，制造方便，應(yīng)用更是方便，它在民用和軍用方面的應(yīng)用非常廣泛。
