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1、摘 要 ： 微 波 技 术 的 理 论 基 础 是 经 典 的 电 磁 场 理 论 ， 其 目 标 是 解 决 微 波 应 用 工程 中 的 实 际 问 题 。 微 波 是 一 门 理 论 与 实 践 密 切 结 合 的 一 门 知 识 ， 微 波 技 术 理 论 的出 发 点 是 麦 克 斯 维 方 程 组 ， 通 过 解 决 微 波 在 传 输 、 处 理 过 程 中 的 遵 循 的 原 理 ， 逐渐 使 微 波 技 术 发 展 成 为 一 门 很 完 整 的 学 科 ， 并 在 工 程 上 有 日 新 月 异 的 应 用 。 在 加热 技 术 上 形 成 一 种 全 新 的 观 念 ，
2、在 通 信 方 面 给 信 息 领 域 带 来 一 场 空 前 的 革 命 。关 键 词 ： 微 波 技 术 ； 微 波 加 热 ； 通 信 ； 电 磁 波 ； 天 线Abstract The theoretical basis of microwave technique is the classicalelectromagnetic theory, the goal is to solve the practical problems in microwaveengineering. Microwave is a knowledge of a close combination of th
3、eory and practice,the theoretical starting point of microwave technology is the Max equations, solvedby microwave in transmission, processing process follow the principle, thedevelopment of microwave technology has become a very complete discipline, andchange rapidly used in engineering. The formati
4、on of a new idea in the heatingtechnology in communication, to the information industry brought an unprecedentedrevolution.1.引 言随 着 科 学 技 术 的 迅 速 发 展 和 生 产 工 艺 的 不 断 改 进 ， 微 波 技 术 已 在 许 多 工 业 生产 领 域 得 到 应 用 。 在 国 内 ， 微 波 技 术 已 应 用 于 玻 璃 纤 维 、 化 工 产 品 、 保 温 材 料 、木 材 等 的 干 燥 ， 食 品 、 医 疗 的 灭 菌 、 干 燥 和
5、焙 烤 。 并 在 医 疗 、 环 保 、 农 业 等 领 域也 有 所 应 用 。 微 波 技 术 的 应 用 ， 提 高 了 生 产 效 率 和 产 品 质 量 ， 降 低 了 能 耗 和 环 境污 染 ， 减 轻 了 人 的 劳 动 强 度 ， 提 高 了 生 产 效 益 。 在 国 际 上 ， 许 多 工 业 发 达 国 家 都对 微 波 的 工 业 应 用 非 常 重 视 ， 把 微 波 技 术 作 为 改 进 生 产 工 艺 和 提 高 产 品 质 量 的 重要 手 段 。2 微 波 的 特 性一 是 似 光 性 。 微 波 波 长 非 常 小 ， 当 微 波 照 射 到 某 些
6、物 体 上 时 ， 将 产 生 显 著 的反 射 和 折 射 ， 就 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 和 容 易 集 中 ， 即 具 有 似 光 性 。 这 样 利 用 微 波 就 可 以 获 得方 向 性 好 、 体 积 小 的 天 线 设 备 ， 用 于 接 收 地 面 上 或 宇 宙 空 间 中 各 种 物 体 反 射 回 来的 微 弱 信 号 ， 从 而 确 定 该 物 体 的 方 位 和 距 离 ， 这 就 是 雷 达 导 航 技 术 的 基 础 。二 是 穿
7、 透 性 。 微 波 照 射 于 介 质 物 体 时 ， 能 深 入 该 物 体 内 部 的 特 性 称 为 穿 透 性 。例 如 微 波 是 射 频 波 谱 中 惟 一 能 穿 透 电 离 层 的 电 磁 波 （ 光 波 除 外 ） 。 因 而 成 为 人 类外 层 空 间 的 “ 宇 宙 窗 口 ” ； 微 波 能 穿 透 生 物 体 ， 成 为 医 学 透 热 疗 法 的 重 要 手 段 ；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 。三 是 信 息 性 。 微 波 波
8、段 的 信 息 容 量 是 非 常 巨 大 的 ， 即 使 是 很 小 的 相 对 带 宽 ，其 可 用 的 频 带 也 是 很 宽 的 ， 可 达 数 百 甚 至 上 千 兆 赫 。 所 以 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 是 十 分 重 要 的 。四 是 非 电 离 性 。 微 波 的 量 子 能 量
9、 不 够 大 ， 因 而 不 会 改 变 物 质 分 子 的 内 部 结 构或 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 。 而 由 物 理 学 可知 ， 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 此 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 。微 波 技 术 是 近 代 科 学 研 究 的 重 大 成 就 之 一 ， 几 十 年 来 ， 它
10、已 经 发 展 成 为 一 门比 较 成 熟 的 学 科 ， 在 雷 达 、 通 信 、 导 航 、 电 子 对 抗 等 许 多 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 ，军 事 科 学 家 们 还 应 用 微 波 的 作 用 机 理 ， 研 制 新 概 念 武 器 - 微 波 武 器 。 而 微 波 的 另一 方 面 的 应 用 就 是 作 为 能 源 应 用 于 工 农 业 生 产 及 人 们 的 日 常 生 活 中 ， 例 如 微 波 加热 与 解 冻 、 微 波 干 燥 、 微 波 灭 菌 与 杀 虫 等 方 面 ， 特 别 是 随 着 微 波 炉 的 日 益 普 及 ，使 得 微 波
11、 炉 产 品 也 进 入 了 寻 常 百 姓 的 家 中 ， 直 接 为 人 类 造 福 1 。3 微 波 原 理3 .1 微 波 的 加 热 性波 作 为 一 种 电 磁 波 也 具 有 波 粒 二 象 性 微 波 量 子 的 能 量 为 1 9 9 l0 -2 5 1 9 9 1 0 -2 2 j 它 与 生 物 组 织 的 相 互 作 用 主 要 表 现 为 热 效 应 和 非 热 效 应 。 微 波 能 够 透射 到 生 物 组 织 内 部 使 偶 极 分 子 和 蛋 白 质 的 极 性 侧 链 以 极 高 的 频 率 振 荡 ， 引 起 分 子的 电 磁 振 荡 等 作 用 ， 增
12、加 分 子 的 运 动 ， 导 致 热 量 的 产 生 。 微 波 还 能 够 对 氢 键 、 疏水 键 和 范 德 华 产 生 作 用 ， 使 其 重 新 分 配 ， 从 而 改 变 蛋 白 质 的 构 象 与 活 性 。3 .2 微 波 的 杀 伤 机 理微 波 武 器 的 杀 伤 机 理 是 基 于 微 波 与 被 照 射 物 之 间 分 子 相 互 作 用 ， 将 电 磁 能 转变 为 热 能 而 产 生 的 微 波 效 应 ， 就 其 物 理 机 制 来 讲 ， 主 要 有 以 下 三 种 效 应 ： 电 效 应 、热 效 应 和 生 物 效 应 。 基 于 这 种 原 理 ， 微
13、波 武 器 利 用 高 增 益 定 向 天 线 ， 将 强 微 波 发生 器 输 出 的 微 波 能 量 会 聚 在 窄 波 束 内 ， 从 而 辐 射 出 强 大 的 微 波 射 束 （ 频 率为 1 3 0 0 吉 赫 的 电 磁 波 ） ， 直 接 毁 伤 目 标 或 杀 伤 人 员 由 于 微 波 武 器 是 靠 射 频 电磁 波 能 量 打 击 目 标 ， 所 以 又 称 “ 射 频 武 器 ” 。 高 功 率 微 波 武 器 的 关 键 设 备 有 两 个 ，即 高 功 率 微 波 发 生 器 和 高 增 益 天 线 。 高 功 率 微 波 发 生 器 的 作 用 是 将 初 级
14、能 源 （ 电能 或 化 学 能 ） 经 能 量 转 换 装 置 （ 强 流 加 速 器 等 ） 转 变 成 高 功 率 强 脉 冲 电 子 束 ， 再使 电 子 束 与 电 磁 场 相 互 作 用 而 产 生 高 功 率 电 磁 波 。 这 种 强 微 波 将 经 高 增 益 天 线 发射 ， 其 能 量 汇 聚 在 窄 波 束 内 ， 以 极 高 的 强 微 波 波 束 （ 其 能 量 要 比 雷 达 波 的 能 量 大几 个 数 量 级 ） 辐 射 和 轰 击 目 标 、 杀 伤 人 员 和 破 坏 武 器 系 统 。 微 波 武 器 的 穿 透 力 极强 ， 能 像 中 子 弹 那 样
15、 杀 伤 目 标 （ 如 装 甲 车 辆 ） 内 部 的 战 斗 人 员 ， 如 指 挥 人 员 、 武器 装 备 操 纵 人 员 等 ， 从 而 瘫 痪 目 标 。4 微 波 分 析 方 法微 波 研 究 方 法 主 要 有 两 种 ： 场 论 的 研 究 方 法 和 网 络 的 研 究 方 法 。 这 也 是 本 门课 程 要 学 习 的 重 要 方 法 。 其 中 场 论 方 法 的 基 础 是 本 征 模 理 论 。 网 络 方 法 的 基 础 是广 义 传 输 线 理 论 。麦 克 斯 韦 解 法 。 微 波 由 于 其 高 频 特 性 ， 传 输 的 主 要 特 点 是 其 独 特
16、 的 传 输 线 常用 双 导 线 、 同 轴 线 、 带 线 和 微 带 等 等 。 传 输 线 方 程 也 称 电 报 方 程 。 在 沟 通 大 西 洋电 缆 (海 底 电 缆 )时 ， 开 尔 芬 首 先 发 现 了 长 线 效 应 ： 电 报 信 号 的 反 射 、 传 输 都 与 低频 有 很 大 的 不 同 。 经 过 仔 细 研 究 ， 才 知 道 当 线 长 与 波 长 可 比 拟 或 超 过 波 长 时 ， 我们 必 须 计 及 其 波 动 性 ， 这 时 传 输 线 也 称 长 线 。Smith 圆 图 。 在 微 波 工 程 中 ， 最 基 本 的 运 算 是 工 作 参 数 , Z, 之 间 的 关 系 ，它 们 在 已 知 特 征 参 数 0z 和 长 度 的 基 础 上 进 行 。 Smith 圆 图 正 是 把 特 征 参 数 和 工 作参 数 形 成 一 体 ， 采 用 图 解 法 解 决 的 一 种 专 用 Chart， 亦 称 阻 抗 圆 图 。5 微 波 技 术 应 用5.1微 波 能
