微波原理概述
微波原理概述
1， 微波技術(shù)原理
微波技術(shù)是一門需要高度實驗技能的專業(yè)技術(shù)知識，微波技術(shù)的理論基礎(chǔ)是經(jīng)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(jié)合的一門知識，微波技術(shù)理論的出發(fā)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(jié)出來的。大多數(shù)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(shù)學運算和無解析解的問題， 常需要根據(jù)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(jié)果是每個微波工程技術(shù)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(yè)用電和無線電中波廣播的頻率與波長范圍列于表中。
頻率
波長
工業(yè)用電
50Hz 或60Hz
60000000或50000000m
無線電中波廣播
300--3000KHz
1000--100m
微波
300--300000MHz
1--0.001m
因為微波的應用極為廣泛，為了避免相互的干擾，供工業(yè)，科學及醫(yī)學使用的微波頻段是不同的，現(xiàn)將其列于表中
頻率范圍/MHz
波段
中心波長/m
常用主頻率/MHz
波長/m
890～940
L
0.330
915±25
0.328
2400～2500
S
0.122
2450±50
0.122
5725～5875
C
0.052
5800±
0.052
22000～22250
K
0.014
22125±
0.014
不同工作頻率的微波系統(tǒng)具有不同的技術(shù)特性，生產(chǎn)成本和用途，微波系統(tǒng)的工作頻率越高。其結(jié)構(gòu)尺寸就越小，微波通訊系統(tǒng)的工作頻率越高，其信息容量越大，微波雷達系統(tǒng)的工作頻率越高，雷達信號的方向性和系統(tǒng)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?shù)膿p耗就越大。
目前國內(nèi)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(yè)設(shè)備。
3， 微波的特殊性質(zhì)
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?shù)炔▌犹匦�，這就決定了微波的產(chǎn)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(tǒng)中，組件的電性質(zhì)不能認為是集總的，微波系統(tǒng)沒有導線式電路，交，直流電的傳輸特性參數(shù)以及電容和電感等概念亦失去了其確切的意義。在微波領(lǐng)域中，通常應用所謂“場”的概念來分析系統(tǒng)內(nèi)電磁波的結(jié)構(gòu)，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(shù)量級，位相滯后現(xiàn)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(fā)生反射，其反射方向符合光的反射規(guī)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(xiàn)象，其中包括駐波現(xiàn)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(zhì)。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(shù)值大小與該處空間的電場強度的二次方有關(guān)，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(chǎn)生反射，吸收和穿透現(xiàn)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(shù)，介質(zhì)損耗角正切（tgδ，簡稱介質(zhì)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(tǒng)中，常用的材料有導體，絕緣體，介質(zhì)，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，江蘇大學信息門戶能夠反射微波，因此在微波系統(tǒng)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(tǒng)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(guān)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(tǒng)中，根據(jù)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(zhì) 對微波而言，介質(zhì)具有吸收，穿透和反射的性能。介質(zhì)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(zhì)。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(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｎ鬯幚碇�，污水中的各種成分和添加劑就是介質(zhì)。
④極性和磁性化合物 這類材料的一般性能非常象介質(zhì)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(zhì)材料和有極性，磁性的材料產(chǎn)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(zhì)材料一樣，也易于作微波加工材料。
⑵微波對介質(zhì)的穿透性質(zhì)
微波進入物料后，物料吸收微波能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，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(tài)。不同的物料對微波能的吸收衰減能力是不同的，江蘇大學信息門戶這隨物料的介電特性而定。衰減狀態(tài)決定著微波對介質(zhì)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(nèi)部的滲透，其能量呈指數(shù)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(shù)底值。
DE=λ0/π g
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