微波技術(shù)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(biāo)是解決微波應(yīng)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(yīng)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(fù)雜的數(shù)學(xué)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(jìn)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。
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| 各系統(tǒng)所用頻率與波長范圍 |
因為微波的應(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
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常用微波頻率范圍 |
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(rèn)為是集總的，微波系統(tǒng)沒有導(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”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。
具體來說：
3.1.在研究微波問題時，應(yīng)使用電磁場的概念，許多高頻交變電磁場的效應(yīng)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。
3.2.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。
3.3.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，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。
3.4.當(dāng)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(dǎo)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。
3.5.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(dāng)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。
4.1、 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。
4.1.1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。
4.1.2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(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防止污物進(jìn)入某些要害部位，這時的絕緣體就成為有效的屏障。
4.1.3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)。
4.1.4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(yīng)當(dāng)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。
4.2微波對介質(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，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(jìn)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，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。
A、滲透深度（穿透深度） 當(dāng)微波進(jìn)入物料時，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：
① 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 gδ
式中λ0-------- 自由空間波長；
ε---------介電常數(shù)；
tgδ-------介質(zhì)損耗。
②微波功率從物料表面衰減到表面值的1/2時的距離，即所謂半功率滲透深度D1/2，其表達(dá)式為
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滲透深度隨波長的增大而變化，換而言之，它與頻率有關(guān)，頻率越高，波長越短，其穿透力也越弱。在915MHz時增加到20cm;2450MHz時，微波在空氣中的滲透深度為12.2cm;915Mhz時為33.3cm。
微波滲透深度與所使用的波長是同一數(shù)量級的,這些結(jié)論也揭示了一個電磁場穿透能力的物理特性. 由此可見,目前遠(yuǎn)紅外線加熱常用的波長僅為十幾個納米,因此,與紅外,遠(yuǎn)紅外線加熱相比,微波對介質(zhì)材料的穿透能力要強的多。
穿透能力差的加熱方式,對物料只能進(jìn)行表層加熱,從整個物料的加熱情況來看,屬熱傳導(dǎo)加熱范疇.而微波依靠其傳透能力較強的特點，能深入物料內(nèi)部加熱，使物料表里幾乎同時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，微波加工工藝帶來一系列不同的加熱效果。
B、微波的滲透深度也和物質(zhì)的溫度有關(guān)，見下表
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