微波原理概述

1、泰州勝達(dá)機(jī)電科技有限公司 微波原理概述1、 微波技術(shù)原理 微波技術(shù)是一門(mén)需要高度實(shí)驗(yàn)技能的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，微波技術(shù)的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論，其目標(biāo)是解決微波應(yīng)用工程中的實(shí)際問(wèn)題。微波是一門(mén)理論與實(shí)踐密切結(jié)合的一門(mén)知識(shí)，微波技術(shù)理論的出發(fā)點(diǎn)是麥克斯維方程組，麥克斯維方程組本身就是從實(shí)踐中歸納、總結(jié)出來(lái)的。大多數(shù)微波實(shí)際應(yīng)用的工程問(wèn)題都不能通過(guò)理論計(jì)算得到精確的解析解。在研究微波工程問(wèn)題時(shí)，為了避開(kāi)一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和無(wú)解析解的問(wèn)題， 常需要根據(jù)具體情況和一些基本的物理概念對(duì)所研究的問(wèn)題做簡(jiǎn)化、等效或近似處理，因此，通過(guò)實(shí)踐來(lái)修正理論分析結(jié)果是每個(gè)微波工程技術(shù)人員具備的基本技能。2、

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(zhǎng)范圍沒(méi)有明確的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三個(gè)波段，也就是波長(zhǎng)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(jìn)行比較，這里將微波、工業(yè)用電和無(wú)線電中波廣播的頻率與波長(zhǎng)范圍列于表中。           頻率        波長(zhǎng)工業(yè)用電50Hz 或60Hz 60000000或50000000m無(wú)線電中波廣播300-3000KHz&#

3、160; 1000-100m微波300-300000MHz 1-0.001m     因?yàn)槲⒉ǖ膽?yīng)用極為廣泛，為了避免相互的干擾，供工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)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(zhǎng)/m常用主頻率/MHz波長(zhǎng)/m890940L0.330915±250.32824002500S0.1222450±500.12257255875C0.0525800±0.0522200022250K0.01422125±0.014   

4、;     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(dá)系統(tǒng)的工作頻率越高，雷達(dá)信號(hào)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(guó)內(nèi)只有915MHz和2450MHz 被廣泛使用。在較高的兩個(gè)頻率段還沒(méi)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▌?dòng)特性，這就決定了微波的產(chǎn)生、傳輸、放大、輻射等問(wèn)題都不同于普通的無(wú)線電、交流電

5、。在微波系統(tǒng)中，組件的電性質(zhì)不能認(rèn)為是集總的，微波系統(tǒng)沒(méi)有導(dǎo)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(yīng)用所謂“場(chǎng)”的概念來(lái)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(cè)量的基本量。在研究微波問(wèn)題時(shí)，應(yīng)使用電磁場(chǎng)的概念，許多高頻交變電磁場(chǎng)的效應(yīng)不能忽略。例如微波的波長(zhǎng)和電路的直徑已是同一數(shù)量級(jí)，位相滯后現(xiàn)象已十分明顯，這一點(diǎn)必須加以考慮。微波傳播時(shí)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。微波的頻率很高，因此其輻射效應(yīng)更為明顯，它意味著微波在普通的導(dǎo)線上傳輸時(shí)，伴隨著能量不斷的向周?chē)臻g輻射，波動(dòng)傳輸將

6、很快地衰減，所以對(duì)傳輸組件有特殊要求。當(dāng)入射波與 反射波相迭加時(shí)能形成波的干涉現(xiàn)象，其中包括駐波現(xiàn)象。在微波波導(dǎo)或諧振腔中，我們也利用多種模式的電磁場(chǎng)的分布、迭加來(lái)改善電磁場(chǎng)分布的均勻性。微波能量的空間分布同一般電磁場(chǎng)能量一樣，具有空間分布性質(zhì)。哪里存在電磁場(chǎng)，哪里就存在能量。例如微波能量傳輸方向上的空間某點(diǎn)，其電場(chǎng)能量的數(shù)值大小與該處空間的電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方有關(guān)，微波電磁場(chǎng)總能量為空間點(diǎn)的電磁場(chǎng)能量的總和。4、 微波與材料的相互作用當(dāng)微波在傳輸過(guò)程中遇到不同材料時(shí)，會(huì)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(gè)主要的固有特性：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切（tg，簡(jiǎn)稱介質(zhì)損耗

7、）、比熱、形狀、含水量的大小等。常用材料在微波加工系統(tǒng)中，常用的材料有導(dǎo)體、絕緣體、介質(zhì)、極性和磁性化合物幾類。   導(dǎo)體  一定厚度以上的導(dǎo)體，如銅、銀、鋁之類的金屬，能夠反射微波，因此在微波系統(tǒng)中，常利用導(dǎo)體反射微波的這種特殊的形式來(lái)傳播微波能量。例如微波裝置中常用的波導(dǎo)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(dǎo)光線一樣，是微波的通路。   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(guò)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

8、地反射，但大部分則透過(guò)，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(yīng)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(lái)防止污物進(jìn)入某些要害部位，這時(shí)的絕緣體就成為有效的屏障。介質(zhì)  對(duì)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)。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

9、收和穿透微波。應(yīng)當(dāng)指出，由于微波能量具有能對(duì)介質(zhì)材料和有極性、磁性的材料產(chǎn)生影響的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，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。微波對(duì)介質(zhì)的穿透性質(zhì)微波進(jìn)入物料后，物料吸收微波能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⒉ǖ膱?chǎng)強(qiáng)和功率就不斷地被衰減，即微波透入物料后將進(jìn)入衰減狀態(tài)。不同的物料對(duì)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(tài)決定著微波對(duì)介質(zhì)的穿透能力。、滲透深度（穿透深度）  當(dāng)微波進(jìn)入物料時(shí)，物料表面的能量密度是最大的，隨著微波向物料內(nèi)部的滲透，其能量呈指數(shù)衰減，同時(shí)微波的能量釋放給了物料。滲透深度可表示物料對(duì)微波能的衰減能力的大小。一般它有

10、兩種定義：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(shí)的距離，用DE表示，e為自然對(duì)數(shù)底值。 DE=0/  g 式中0- 自由空間波長(zhǎng)； -介電常數(shù)； tg-介質(zhì)損耗。微波功率從物料表面衰減到表面值的1/2時(shí)的距離，即所謂半功率滲透深度D1/2，其表達(dá)式為  滲透深度隨波長(zhǎng)的增大而變化，換而言之，它與頻率有關(guān)，頻率越高，波長(zhǎng)越短，其穿透力也越弱。在915MHz時(shí)增加到20cm;2450MHz時(shí)，微波在空氣中的滲透深度為12.2cm;915Mhz時(shí)為33.3cm。微波滲透深度與所使用的波長(zhǎng)是同一數(shù)量級(jí)的,這些結(jié)論也揭示了一個(gè)電磁場(chǎng)穿透能力的物理特性.  由此可見(jiàn),目前遠(yuǎn)紅外線加熱常用的波長(zhǎng)僅為十幾個(gè)納米,因此,與紅外,遠(yuǎn)紅外線加熱相比,微波對(duì)介質(zhì)材料的穿透能力要強(qiáng)的多。穿透能力差的加熱方式,對(duì)物料只能進(jìn)行表層加熱,從整個(gè)物料的加熱情況來(lái)看,屬熱傳導(dǎo)加熱范疇.而微波依靠其傳透能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，能深入物料內(nèi)部加熱，使物料表里幾乎同時(shí)吸熱升溫形成體熱狀態(tài)加熱，其加熱方式顯然有別于熱傳導(dǎo)加熱，由此，微波加工工藝帶來(lái)一