微波技术及其应用

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学士学位论文

微波技术及其应用

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专 业： 电子信息科学与技术 年 级： 2010级 指导教师： 完成日期： 2015 年 05 月16 日

摘要

本文阐述了微波的特性，即似光性、穿透性、信息性和非电离性。结合微波的原理，介绍了微波技术在微波炉和微波武器等方面的应用。纵观微波技术在各个方面的应用优势，预示了微波技术在工业、环保、医药等领域的应用前景。

关键词: 微波技术应用；微波的特性；微波炉；微波原理

目录

引言 ............................................................... 3 1．微波技术的发展与特性 ............................................ 4

1.1 微波技术的发展 .............................................. 4 1.2微波的特性 .................................................. 4 2.微波原理 ......................................................... 5 3.微波技术应用 ..................................................... 5 4.微波炉的主要特点 ................................................. 6 5.微波炉的电路原理图 ............................................... 7

5.1 具体元器件功能作用分析 ...................................... 7 5.2微波的杀伤机理与微波武器 .................................... 9 6.微波技术的发展应用前景 .......................................... 10 7.结束语 .......................................................... 11 参考文献 .......................................................... 12 致谢 .............................................. 错误！未定义书签。

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。

微波是指波长在1mm～1000mm、频率在300MHz～300GHz范围之间的电磁波，因为它的波长与长波、中波与短波相比来说，要“微小”得多，所以它也就得名为“微波”了。微波有着不同于其他波段的重要特点，它自被人类发现以来，就不断地得到发展和应用。

我国开始研究和利用微波技术是在20世纪70年代初期，首先是在连续微波磁控管的研制方面取得重大进展，特别是大功率磁控管的研制成功，为微波技术的应用提供了先决条件。20世纪80年代，我国开始生产微波炉，到目前为止，已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品，产品质量接近或达到世界先进水平。随着科学技术的迅猛发展，微波技术的研究向着更高频段──毫米波段和亚毫米波段发展。

1．微波技术的发展与特性

1.1 微波技术的发展

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。我国开始生产微波炉，到目前为止，已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品，产品质量接近或达到世界先进水平。随着科学技术的迅猛发展，微波技术的研究向着更高频段──毫米波段和亚毫米波段发展。

1.2微波的特性

1、似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，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。

2、透光性。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。

3、信息性。微波波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。

4、非电离性。微波的量子能量不够大，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。

2.微波原理

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 99×l0 -25～ 1．99×10-22j．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。

2. 微波与“左邻右舍”的比较。微波的“左邻”是超短波和短波，而它的 3．宇宙“窗口”。地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层，它对于短波几乎全反

射，这就是短波的天波通讯方式。 而在微波波段则有若干个可以通过 电离层的“宇宙窗口”。因而微波是 独特的宇宙通讯手段。

4. 不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前沿课题。

5. 计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题因此，微波的研究已进入集成电路和计算机。 6. 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。 “右舍”又是红外光波。

3.微波技术应用

微波加热原理与微波炉：提起微波，很多人首先想到现代炊具微波炉、微波炉是一种多功能、快捷、方便、能量转化均匀的加热工具。微波在生物内转化为热量的热效应，它不同于常规加热。常规加热是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热固体周围的环境或固体表面，使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部，其加热介质可以是热空气、炉气、过热蒸汽，也可以是远红外线辐射等。这种加热方式效率低，加热时间长。而微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一般热气，而是

电磁能，要在生物体内经过分子内部作用才能转化为热能。因此，使用这种能源加热时，不会像其他能源那样由外向内传输热能，当内部发热时，外表就可能焦糊了。而使用微波进行加热时，由于它能深入到物体的内部，所以是里外一起加热。另因物体表外的水分一般都较少，往往是里面的湿度高于表面的湿度，且内部物质如果质地相同时，也往往是同时加热，就不会出现加热体表面烧焦的现象，并能保护表面形状的色彩。所以，微波炉既能用于工业、医疗上进行加热与解冻、烘烤与干燥等，还能用于家庭进行烹饪、野外军事训练进行

后勤保障的应用。

波炉的微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。微波加热的是一些能够吸收微波的吸收性介质，即含有极性分子的介质材料。当有极性分子的介质材料置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列在交变电磁场的作用下，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热量。由于微波频率高，极性分子摆动速度很快，因此，快速加热是微波加热的突出特点。水分子是极性分子，绕其对称轴的旋转频率为 22 吉赫，在此频率的水对微波产生共振吸收现象，对微波有很强的吸收作用。而一般食品中都含有水分子，因此可用微波快速烘干和烹调食品。

4.微波炉的主要特点

(1)烹饪速度快——微波炉烹饪食物速度快，节省时间。据试验表明，微波炉烹饪比普通电灶烹饪平均节省时间约60%，比煤气灶烹饪平均节省时间约55%。

(2)食物的养分损失少——由于微波炉烹饪时间短，维生素c、维生素b的损失要比其他烹饪方法少得多，且矿物质、氨基酸的存有率也比其他烹饪方法高得多。

(3)无油烟——相对于煤炉、煤气灶而言，微波炉工作时不会产生附带的烟尘和未完全燃烧的有害气体；另外，微波炉烹饪时对油脂类物质的加热温度比传统烹饪方法中炒、煎、炸等的加热温度低，油脂挥发很少，可以保持厨房的清洁卫生，对于住房紧张的国内消费者来说，即使将微波炉安放在卧室或客厅内也无妨。但烹饪时应合理控制加热时间，防止食物加热过度，形成碳化而排出烟尘。对于多功能组合型（带烧烤）的微波炉，由于自身带有传统的“烧烤”功能，不能保证烹饪时不排出烟尘。

(4)可直接使用餐具烹饪——微波对由非金属类材料制成的餐具没有加热作用，因此盛放在适合于微波炉使用的餐具中的食物可以直接放入微波炉中烹

饪，加热后取出可直接上餐桌。带包装的微波炉专用食品，可直接放入微波炉中加热，既方便又卫生。

(5)二次加热效果好——对已做好的菜肴再加热，更能体现出微波炉的实惠与方便。由于微波炉加热时间短，可保持菜肴原有的新鲜、美味和色彩，且不用搅拌，能保持菜肴原有的形态。

(6)解冻速度快——可在较短的时间里解冻食物，而不失食物的原有鲜味。 (7)有一定的灭菌消毒作用——利用微波的致热（干燥）原理进行灭菌消毒，是目前较有效的手段之一。微波灭菌消毒没有化学灭菌消毒附带的副作用，所用时间短，灭菌消毒效果好。

(8)节能省电——微波炉加热时间短，使食物内外同时受热，不用经过盛放食物的器皿进行热传导，也就减少了中间环节的热损耗。据试验，用微波炉烹饪平均可节电55%～77%。

(9)无明火，使用安全——微波炉工作时仅是电能、电磁能、热能之间的快速转换，且所有这些过程均在炉腔及电路中进行，无明火，无废弃物污染，比其他厨房烹饪器具更安全可靠

5.微波炉的电路原理图

这副微波炉电路原理图可以说是微波炉的核心电路。对分析，维修微波炉

至关重要。

5.1 具体元器件功能作用分析

F1 保险 微波炉常用规格是8A。外形大号。 限制整机电流。比较特别的是当S1、S2，损坏，短接。 S3 接通。烧断保险。防止微波炉未关闭炉门时候工作。

ST 热保护器。温度保护。一般安装在磁控管外壳上面。监控磁控管温度，防止温度过高损坏磁控管。

S4 定时器开关。 在功率控制总成内。整个微波炉是否工作的总电源开关。

有电路图分析可知道。炉灯是好的，旋动定时器。灯必须亮。否则功率控制定时器总成坏。

S1、S2 门锁监控开关。防止微波炉泄漏。当炉门关闭不严，有异物卡住的时候。微波部分不工作。

S3 连锁监控开关。 当S1、S2，损坏，短接。 S3 接通。烧断保险。防止微波炉未关闭炉门时候工作。

S4、S5 功率控制器内部两个独立开关。单独受控。在功率控制时，串联工作。

M1 火力力调节电机。M1、S4、S5 组成了功率控制总成。 在元器件实物中，还有一个档位调节控制一起组成一个整体，通过M1、220v电压工作电机带动齿轮轮，通过凸轮控制S4、S5的通断。

M2 转盘电机， M3 风扇电机。 由电路图可知，他们和大功率变压器初级L1 并联。也就是说他们和磁控管供电同时通断。同时工作，和停止。 L1 、L2、 L3 组成了大功率升压变压器。L1大功率变压器初级 接220V 交流。L2大功率变压器次级输出2000V左右交流高压。其一端接变压器铁芯，也就是外壳，一端单独接高压电容一端。 L3 大功率变压器另外一组次级。输出4V左右的交流电压。给磁控管阴极灯丝供电。 C 高压电容。规格是1uf （有的0.91uf）耐压 2100V交流。 内部并联了一个10M欧姆的电阻。留意这样用万用表测量电容两端阻止时候，不是无穷大。而是10M欧姆。

VD 高压二级管。一端通过螺丝接微波炉金属外壳。一端通过插头接电容一端。

微波炉用高压二极管好坏的判断： 微波炉用高压二极管 工作环境： 2000V交流工作环境。 4000V反向耐压。 普通万用表测量：正反向都不通，可能正常。 正反向一方通了，一般会同时接通。确定坏。 为啥这么说，高反压的二极管，正向用MF47 D500 指针表，DT9205 等内部电池电压额定9V. 就是正向也不可能导通。更不用说DT830 简易万用表，内部3V电池供电电压。 初步判断：可以串接普通白织灯泡。 在市电220V的电路里面。亮度减半是好。不亮或者亮度和没有串接二级管之前一样——坏。

MAG 磁控管，是一个整体，两个插头接通外电路。外壳也是电路一端。是微波炉易损件。损坏需要整体更换。磁控管好坏的判断：磁控管好坏的判断是通过测量磁控管灯丝对外壳电阻实现的。具体步骤： 一、断开于磁控管相连电路。（关机断电后，等一分钟让高压电容自然放电，然后拔下和磁控管相连的插头。） 二 、用万用表×1Ω电阻档测磁控管插头两端（内部和灯丝相连），应小于1Ω。 三、用×10k 电阻档测磁控管插头对磁控管外壳电阻，阻值‘ 无穷大 '才可能正常 。否则就是必定坏了。 注意：这里需要说明的是：有阻值必坏

无疑，阻值无穷大可能是好的。 一般阻值无穷大90%磁控管是好的。最终，上机测试才可得出完全确定结论。

格兰仕微波炉维修4 不加热，噪音大。 上面提到问题：微波炉不加热，噪音大。实践告诉我们这是磁控管坏了。

5.2微波的杀伤机理与微波武器

什么是微波武器？微波武器是利用高功率微波束毁坏敌方电子设备和杀伤作战人员的一种定向能武器。用作武器的微波波长通常在 30~ 3 厘米 、频率为1~30 吉赫、输出脉冲功率在吉瓦级。目前，美、俄、英、法等国研制的微波武器主要分为两大类：一类是高功率微波波束武器，另一类是微波炸弹。

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 1~300 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。

与常规武器、激光武器等相比，微波武器并不是直接破坏和摧毁武器设备，而是通过强大的微波束，破坏它们内部的电子设备。实现这种目的途径有两条：其一是通过强微波辐射形成瞬变电磁场，从而使各种金属目标产生感应电流和电荷，感应电流可以通过各种入口（如天线、导线、电缆和密封性差的部位）进入导弹、卫星、飞机、坦克等武器系统内部电路。当感应电流较低时，会使电路功能混乱，如出现误码、抹掉记忆或逻辑等；当感应电流较高时，则会造成电子系统内的一些敏感部件如芯片等被烧毁，从而使整个武器系统失效。这种效应与核爆炸产生的电磁脉冲效应相似，所以又称非核爆炸电磁脉冲效应；其二是强微波束直接使工作于微波波段的雷达、通信、导航、侦察等电子设备因过载而失效或烧毁。因此，微波武器也被认为是现代武器电子设备的克星。

6.微波技术的发展应用前景

1、民以食为天，食品工业是我国迅速崛起的支柱产业。利用微波可对食品进行膨化、烘干、脱腥和保鲜处理。目前已用于糕点、牛肉于、土豆片、鱼片干、盐水鸭、腰果、花生米、瓜子、大豆、方便食品加工、茶叶杀青、干燥等方面的生产中。微波可对 1 -6cm 厚的木板进行均匀、快速烘干，干燥只需十几分钟，且不开裂、变形小，同时杀死木材内部的卵虫和幼虫；也可对胶合板或拼板胶接的固化处理；竹制品干燥、灭霉杀菌等。

2、用微波可在较低温度下灭菌杀虫。处理食品、药品、烟草、木材等。在 70 -80 ℃ 时就能起到杀虫灭菌作用. 且升温速度快，不受物料厚度、形状影响。使用微波法处理废水，在降低了投资总额的前提下，处理后废水出水水质大大提高，可作为冲洗或绿化用水直接使用。4.3 微波技术在医疗领域的应用前景。微波生物效应分热效应和非热效应。其热效应在医疗方面可进行微波理疗、配合放疗和化疗进行透热治癌；另外还可以利用微波加热血浆、解冻冷藏器官；还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。

3、半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，进行刻蚀、溅射、气相沉积、氧化硅片；还可用于金属、合金、非金属的表面处理；用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素。微波测量精度高，适宜于生产中连续测量和自动控制。已广泛用于测距、测温、测厚、测速等方面。利用微波源进行加热干燥，就是将干燥物料处在真空条件下。在真空条件下，水的汽化温度低，实现了低温干燥，完好的保持了加工物料原有的色、香、味及营养成份，避免了物料中活性成分的氧化变质，制品复水性好；微波穿透至物料内部，回转系统驱动物料作回转运动，使物料受热更均匀，干燥更迅速，其运行成本远远低于冷冻干燥和红外干燥，节能降耗、卫生。

结束语

纵观微波技术在各个方面的应用优势，我们有理由相信在不久的将来可以成为工业生产、环保及其它个领域的常规技术。然而，我们知道，至今微波的高效和独特性还没有一个统一的理论解释。尽管应用面广，但不能深入。特别在我国，理论研究几乎空白。要深入地应用和开发微波技术，正确的理论指导是很重要的，因经，理论研究非常必要。这在我国应该引起关注。预计理论研究的突破性进展将会带来真正意义上的微波技术应用的时代。

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xf88.html