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微波原理概述
 微波原理概述

1、 微波技术原理 

微波技术是一门需要高度实验技能的专业技术知识,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,麦克斯维方程组本身就是从实践中归纳、总结出来的。大多数微波实际应用的工程问题都不能通过理论计算得到精确的解析解。在研究微波工程问题时,为了避开一些复杂的数学运算和无解析解的问题, 常需要根据具体情况和一些基本的物理概念对所研究的问题做简化、等效或近似处理,因此,通过实践来修正理论分析结果是每个微波工程技术人员具备的基本技能。

2、 微波定义

微波是一种频率非常高的电磁波。微波包括的波长范围没有明确的界限,一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段,也就是波长从1mm1m左右的电磁波。由于微波的频率很高,所以也叫超高频电磁波。

为了进行比较,这里将微波、工业用电和无线电中波广播的频率与波长范围列于表中。

  频率 波长
工业用电 50Hz 60Hz 6000000050000000m
无线电中波广播 300--3000KHz 1000--100m
微波 300--300000MHz

1--0.001m

 因为微波的应用极为广泛,为了避免相互的干扰,供工业、科学及医学使用的微波频段是不同的,现将其列于表中

频率范围/MHz 波段 中心波长/m 常用主频率/MHz 波长/m
890940 L 0.330 915±25 0.328
24002500 S 0.122 2450±50 0.122
57255875 C 0.052 5800± 0.052
2200022250 K 0.014 22125±  

不同工作频率的微波系统具有不同的技术特性、生产成本和用途,微波系统的工作频率越高。其结构尺寸就越小;微波通讯系统的工作频率越高,其信息容量越大;微波雷达系统的工作频率越高,雷达信号的方向性和系统的分辨率就越高。微波的频率越高,其大气传输和传输线传输的损耗就越大。

目前国内只有915MHz2450MHz 被广泛使用。在较高的两个频率段还没有合适的大功率工业设备。

3、 微波的特殊性质

微波是电磁波,它具有电磁波的诸如反射、透射干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波能量传输等波动特性,这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中,组件的电性质不能认为是集总的,微波系统没有导线式电路,交、直流电的传输特性参数以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。在微波领域中,通常应用所谓的概念来分析系统内电磁波的结构,并采用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。

在研究微波问题时,应使用电磁场的概念,许多高频交变电磁场的效应不能忽略。例如微波的波长和电路的直径已是同一数量级,位相滞后现象已十分明显,这一点必须加以考虑。

微波传播时是直线传播,遇到金属表面将发生反射,其反射方向符合光的反射规律。

微波的频率很高,因此其辐射效应更为明显,它意味着微波在普通的导线上传输时,伴随着能量不断的向周围空间辐射,波动传输将很快地衰减,所以对传输组件有特殊要求。

当入射波与 反射波相迭加时能形成波的干涉现象,其中包括驻波现象。在微波波导或谐振腔中,我们也利用多种模式的电磁场的分布、迭加来改善电磁场分布的均匀性。

微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样,具有空间分布性质。哪里存在电磁场,哪里就存在能量。例如微波能量传输方向上的空间某点,其电场能量的数值大小与该处空间的电场强度的二次方有关,微波电磁场总能量为空间点的电磁场能量的总和。

4、 微波与材料的相互作用

当微波在传输过程中遇到不同材料时,会产生反射、吸收和穿透现象,这些作用和其程度、效果取决于材料本身的几个主要的固有特性:介电常数、介质损耗角正切(tgδ,简称介质损耗)、比热、形状、含水量的大小等。

常用材料

在微波加工系统中,常用的材料有导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合物几类。

① 导体  一定厚度以上的导体,如铜、银、铝之类的金属,能够反射微波,因此在微波系统中,常利用导体反射微波的这种特殊的形式来传播微波能量。例如微波装置中常用的波导,就是矩形或圆形的金属,通常由铝或黄铜制成。它们像光纤传导光线一样,是微波的通路。

② 绝缘体  在微波系统中,绝缘体有其完全不同于普通电路中的地位。绝缘体可透过微波,并且它吸收的微波功率很小。微波和绝缘体相互间的影响,就象光线和玻璃的关系一样,玻璃使光线部分地反射,但大部分则透过,只有很少部分被吸收。在微波系统中,根据不同情况使用着玻璃、陶瓷、聚四乙烯、聚丙烯塑料之类的绝缘体,它们常作为反应器的材料。由于这种透明特性,在微波工程中也常用绝缘体材料来防止污物进入某些要害部位,这时的绝缘体就成为有效的屏障。

介质  对微波而言,介质具有吸收、穿透和反射的性能。介质通常就是被加工的物料,它们不同程度地吸收微波的能量,这类物料也称为有耗介质。特别是含水和含脂肪的食品,它们不同程度地吸收微波能量并将其转变为热量。污水处理中,污水中的各种成分和添加剂就是介质。

极性和磁性化合物   这类材料的一般性能非常象介质材料,也反射、吸收和穿透微波。应当指出,由于微波能量具有能对介质材料和有极性、磁性的材料产生影响的电场和磁场,因此许多极性化合物、磁性材料同介质材料一样,也易于作微波加工材料。

微波对介质的穿透性质

微波进入物料后,物料吸收微波能并将其转变为热能,微波的场强和功率就不断地被衰减,即微波透入物料后将进入衰减状态。不同的物料对微波能的吸收衰减能力是不同的,这随物料的介电特性而定。衰减状态决定着微波对介质的穿透能力。

、渗透深度(穿透深度)  当微波进入物料时,物料表面的能量密度是最大的,随着微波向物料内部的渗透,其能量呈指数衰减,同时微波的能量释放给了物料。渗透深度可表示物料对微波能的衰减能力的大小。一般它有两种定义:

渗透深度为微波功率从物料表面减至表面值的1/e(36.8%)时的距离,用DE表示,e为自然对数底值。

 DE=λ0/π  gδ    式中λ0-------- 自由空间波长;

                 ε---------介电常数;

                  tgδ-------介质损耗。

微波功率从物料表面衰减到表面值的1/2时的距离,即所谓半功率渗透深度D1/2,其表达式为


微波渗透深度与所使用的波长是同一数量级的,这些结论也揭示了一个电磁场穿透能力的物理特性.  由此可见,目前远红外线加热常用的波长仅为十几个纳米,因此,与红外,远红外线加热相比,微波对介质材料的穿透能力要强的多。  渗透深度随波长的增大而变化,换而言之,它与频率有关,频率越高,波长越短,其穿透力也越弱。在915MHz时增加到20cm;2450MHz时,微波在空气中的渗透深度为12.2cm;915Mhz时为33.3cm

穿透能力差的加热方式,对物料只能进行表层加热,从整个物料的加热情况来看,属热传导加热范畴.而微波依靠其传透能力较强的特点,能深入物料内部加热,使物料表里几乎同时吸热升温形成体热状态加热,其加热方式显然有别于热传导加热,由此,微波加工工艺带来一系列不同的加热效果。

微波的渗透深度也和物质的温度有关,见下表


     
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