微波技术的发展及应用
微波技术是近一个世纪以来最重要的科学技术之一， 从雷达到广播电视、无线电通信再到微波炉， 微波技术对社会的发展和人们生活的进步产生着深远的影响。
微波
微波通常是指频率范围在 300MHz ~300GHz 内的电磁波， 其波长约在 1米到1 毫米之间， 可被进一步细分为分米波，厘米波和毫米波， 其对应频率分别为特高频（ UHF,ultra-high frequency）， 超高频（ SHF,super high frequency）， 极高频（ EHF , extremely high frequency）。
随着现代微波技术的发展，波长在 1 毫米以下的亚毫米波也被视为微波的范畴， 这相当于把微波的频率范围进一步扩大到更高的频率。因此，有的文献里也把微波的频率范围定义为 300MHz~3000GHz。
微波通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿透而不被吸收；对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热；而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：
1、穿透性
微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450MHz，使介质的分子每秒产生24亿五千万次的震动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。
2、选择性加热
物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因素来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。
3、热惯性小
微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。
4、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。
5、穿透性
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）。
6、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。
7、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。
微波技术发展简史
对微波的理论研究以及进行相关实验起步于20世纪初，但早期的设备不能满足实验的需要， 主要表现为缺乏大功率的信号发生器和灵敏的信号接收器， 因此早期的研究并没有取得实质性的进展。到了20世纪30年代，高频率的超外差接受器和半导体混频器的出现为微波技术的进一步发展提供了条件， 使得微波技术的发展取得的一定的进步。
1931 年意大利科学家马可尼进行了距离为 18 英里的无线通信实验，实验中使用 600MHz 的微波来传输具有较好质量的话音信号， 信号源为巴克豪森管（ Barkhausentube ）。这是首次利用300MHz以上的微波完成的无线通信实验。第二年，马可尼又利用 57 厘米的微波，在相距15英里的梵蒂冈和冈多菲堡之间建立了无线电通信， 并提供电话和电传打印机服务， 从此微波技术由实验室走向了真正的实际应用。同一时期，雷达的相关概念和理论也逐渐形成，到了20世纪30年代中期， 世界上已经有八个国家在进行相关的研究。
1、高速发展的二战时期
第二次世界大战时期普遍被认为是微波技术发展的黄金时期， 其背后主要的推动力来自于军方对雷达的需求。雷达在二次大战中扮演着重要的角色， 为此盟军投入了大量人力物力进行雷达的研究。在美国， 雷达的相关研究主要是在麻省理工学院的辐射实验室进行， 1945 年其员工人数甚至达到 4000 余人，在该研究室工作过的科学家中， 后来有 9 人获得了诺贝尔奖。
战后， 辐射实验室编著了 28 卷的《辐射实验室丛书》 并于 1947 出版， 书中记录了二战期间辐射实验室及相关研究机构研究发展雷达的大量工作。
1886 年， 赫兹就已经发现电磁波会被固体反射回来， 这实际就是雷达最基本的原理。到了 1903 年， 德国的 Hulsmeyer将其发明的用于航海的系统申请了专利，该系统利用无线电波的反射来检测障碍物的存在， 并为船只进行导航。1933年，美国海军实验室展示了发射 3MHz 的无线电波的雷达， 能够在 50 英里的范围内检测到飞机的存在。1934年，英国物理学家和雷达技术专家沃森瓦特建立了实验雷达站， 1938年组建了英国东海岸的防空雷达网， 由25MHz的雷达构建而成。二战中英国战役的最终胜利， 防空雷达网起了很大的作用。1939年， 美国军队装备了105MHz 的 SCR 270 型雷达用作远程预警系统， 该系统在后来的珍珠港战役中， 成功地提前检测到了日军的飞机。1943 年辐射实验室研制出利用空腔磁控管的微波雷达－ 3GHz 的 SCR 584 型雷达， 同年投入生产并广泛使用在欧洲和太平洋战场， 这种雷达能够有效的判断空中物体的位置并进行火力控制， 在其帮助下伦敦战役中德军 85％的 V-1 型飞弹被对空火力摧毁。
二战期间， 微波技术在其他方面的应用也在继续向前发展。在无线通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多频段微波无线电， 该设备利用了脉冲位置调制和数字调制技术， 美军和英军装备了这种型号的无线电设备。微波测量技术也在40 年代发展起来， 其中包括能量检测， 能量测量， 频率测量， 相位测量和电压驻波比等技术。
1944 年，Meyers， Charles 和 Julian 首次提出了反射计和阻抗测量技术。微波技术在生物和医学上的应用研究也在二战期间展开。
1938年， 德国人 Hollman和美国人Hemingway 及 Stenstrom 共同提出将微波用于治疗的技术。其原理在于，与其他电磁波相比， 微波可以更好地集中能量进行透热疗法。而且使用微波在对深层的组织进行加热时， 不会引起皮肤表面温度过高。
2、微波技术战后的发展
微波技术在二战后的十几年间迅速地传播开来， 并得到各个国家的重视。许多国家由政府进行资金支持， 在大学， 大型企业或是研究所里设置了微波技术的研究项目。特别是冷战时期为了提供对新武器系统的支持， 进行了大量微波技术的相关研究， 这些研究极大地促进了微波技术的发展。新的波导结构被提出， 以替换那些体积过于庞大的矩形和圆形波导。许多新类型的微波管也投入了使用。信号发生器和接收器的体积也被大幅度减小， 以降低生产整个微波系统的费用并使增强了稳定性。以上的技术进步促进了微波集成电路技术的发展。
雷达技术也在继续进步，1955 年 Page 发明了单脉冲雷达， 美国无线电公司于1958年生产了高精度单脉冲追踪仪器雷达 AN/FPS-16 ， 这是第一台达到 0.1 米级精度的雷达。
战后微波通讯技术飞速发展， 1946 年美国军队成功接受到被月球表面反射回来的雷达微波信号。AT&T于1947年在纽约和波士顿之间建立了3.7-4.2GHz的带中继器的视距无线电系统， 该系统可传输 500路电话或是一个黑白电视频道的节目。
1965 年研制出第一颗商用地球同步轨道通信卫星“ Early Bird”。
在微波测量技术方面， 1951年Fellgett 提出了傅里叶变换光谱法。第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟于1952年在美国国家标准局问世， 随后的1955年， 英国国家物理实验室的埃森等人研制出超精细微波诱导跃迁铯原子钟， 1960 年Cutler和Bagley引入原子钟作为原子频率标准， 原子钟的发明和应用成为现代时间测量技术的里程碑。1966 年 Weinert 发明了射频向量伏特计。
微波技术在生物和医学上的应用研究在战后也在继续发展， 1950年， Gessler，McCarty和Parkinson三位物理学家首次进行了利用微波能量治疗癌症的试验， 并使用频率为2450MHz 的微波辐射根治了白鼠身上的乳腺癌。1955年， Allen 利用微波和 X 射线的混合辐射根治了鼠类身上的S180 肿瘤， 随后关于混合辐射疗法的研究大量展开。
3、从军用到民用的转变
二战后微波技术的研究与应用逐渐从满足军事需求为主向民用领域过渡， 具有代表性的便是微波炉的发明。从20世纪40年代开始， 出现了许多利用微波进行加热的相关技术的专利， 这标志着微波加热技术的起步。其中 Westinghouse 和 GE 公司侧重于工业加工方面的应用， 如纺织品、轮胎和木材等的烘干， 而 Raytheon 公司则致力于食品的烹饪和加热。1949 年Raytheon 公司提出了微波炉的若干基本专利。但 Raytheon 公司专注于商业用微波炉的市场， 没有涉足家用微波炉。到了1960 年， 在 Raytheon 公司的授权下， 几家大的美国公司Hotpoint，Westinghouse， 和 Whirlpool 等开始生产面向普通消费者的家用微波炉。然而微波加热技术在工业加工方面的应用却比预想的增长的要慢，在家用微波炉市场，消费者的需求也增长的有限， 这主要是因为当时微波炉的主要元器件——磁控管的成本一直居高不下。
历史性的转折发生在1967年，Raytheon 下属的 Amana 公司推出了一种家用台面式微波炉RR - 1 ， 由于使用了成本大为降低的新型磁控管， 使得整机的价格还不到以前微波炉的一半。RR - 1 型微波炉一经推出便迅速的推动了家用微波炉市场的发展，不仅美国本土的公司迅速跟进，而且吸引了东芝、夏普、日立等日本公司也投入到这个市场中来。60年代， 美国的微波炉年销售量只有1万台左右，而到了1975年，这个数字超过了100万台，1985年更是高达500万台。其中，日本公司也在家用微波炉市场占领了很大的份额， 根据夏普公司公布的数据， 到 1977 年为止夏普公司已经销售了 200 万台微波炉。随后， 在日本，欧洲等地家用微波炉市场也发展起来。一项1976年的调查结果显示，日本已有17％的家庭使用微波炉进行烹饪。如今微波炉已经成为世界各地广泛使用的食品加工和烹饪器具， 许多美国人甚至认为微波炉是20世纪70年代以来最重要的科学技术突破， 在我国， 微波炉在大中城市的普及率已经达到80％以上。
微波技术的工业化应用
现代微波设备利用微波技术技术手段在各行业进行应用和发展：
1、食品、保健品工业
利用微波可对食品、保健品进行灭菌、脱水、烘干、膨化、调味、脱腥、解冻、催陈和保鲜处理。目前已用于奶粉、奶酪、壮骨粉、洋参丸、豆粉、月饼、糕点、方便面、牛肉干、肉脯、肉条、肉松、鱼干片、鱼松、贝类、盐水鸭、解冻鱼肉禽蛋、酱菜、土豆片、腰果、花生、瓜子、大豆、白酒、黄酒、啤酒、牛奶、口服液、中药材等的生产中。
2、木材加工
采用大功率微波干燥机对2-10公分厚的木板进行烘干，干燥速度快、木材不开裂、变形小、同时可杀死木材内部的卵虫和幼虫，中高档家具、地板、包装材料用途木料的处理最为合适。微波也可对竹木复合板和拼板交接的固化处理也很理想。
3、杀虫灭菌
应用微波加热技术能在较低的湿度下灭菌杀虫，若用微波处理食品和物料，在50-80度时就能起到杀虫灭菌作用。目前广泛应用到大米、谷物、豆类、烟叶处理、竹材、木料、纸张、食品、医药等行业等。
4、橡胶工业
微波技术应用到橡胶工业中的橡胶硫化工艺中，与常规加热保温相结合，大大提高橡胶硫化时间和效率。目前在河北衡水地区、山东地区广泛使用。
5、陶瓷工业
微波高温可应用于陶瓷工业，将传统加热和微波加热方法相结合使用，可大大缩短陶瓷的干燥时间，同时不影响陶瓷烧制的成品率。
6、煤炭干燥
煤炭开采后通常含水率较高(35%左右)，如果采用常规烘干方法进行干燥，速度慢、效率低，干燥不彻底，采用微波法干燥，可以使煤炭内外同时升温，是水分蒸发，实现脱水干燥，效率得到大大提高。
7、微波等离子技术
半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，可进行蚀刻、溅射、气相沉积、氧化硅片；可用于金属、合金、非金属的表面处理；可用于陶瓷的高温烧结；可用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素，另外还用于分解有毒化合物。
8、微波医疗垃圾处理技术
利用微波技术在无氧或缺氧状态下，使微波承载体迅速升至高温，使得医疗垃圾在极短时间内迅速处于高温状态，直接灰化，极大降低了燃烧过程中有毒气体的产生。烟气中气体再采用微波等离子体火炬进行高温裂解，整个处理过程和处理环境实现全封闭无害化处理。此项技术的应用优于常规处理方法，开拓了微波应用的新领域。
9、污水处理
利用微波非热效应和热效应选择吸波的“敏化剂”把微波能传给水中的污染物而诱发化学反应，通过物理及化学作用对水中的污染物进行降解、转化、加速流体中固、液分离，从而实现污水净化的目的，是水处理领域中一场崭新的革命。
10、微波制碳
利用微波技术对竹子进行高温裂解，制作竹炭，大大提高生产效率，同时还能提取到竹醋液，竹焦油等产品，具有较高的经济价值，优于传统窑炉方法制作竹炭，目前正在大力开始推广使用。
微波技术在通信领域的发展现状
进入21 世纪， 微波技术继续在广播、有线电视、 电话和无线通信领域发挥着巨大的作用， 在其他领域如计算机网络等应用中也崭露头角。在广播电视方面， 当前广播电视节目制作逐步走向数字化， 而数字化的节目需要数字化的传输手段， 于是SDH数字微波网应运而生，与老的模拟微波设备相比传输容量大幅度提高， SDH数字微波设备可以传送几十套电视节目和几十套声音广播节目，并且传输距离更大， 范围更广。利用数字微波的数字环境， 还可以构建一个双向的交互式信息网络， 实现网络功能的综合利用和开发。
在通信领域， 微波与卫星和光缆并列为现代通信传输的三大支柱。其中微波通信有着自己独特的优势， 首先， 微波通信具有良好的抗灾性能， 对水灾、 风灾以及地震等自然灾害， 微波通信一般都不受影响。1976年唐山大地震， 在京津之间同轴电缆全部断裂， 但 6 个微波通道仍然能正常工作。其次， 微波传输系统的组建更加快速。随着城市的不断扩大和突发事件发生， 如局部的积水、 路面破坏、 局部火警火灾等等， 这些场合要求能够快速建立局部的临时通信系统。而微波在上述场合的应急能力是其他通信方式远远不能及的 。
网络的迅速发展带来了对网络通信线路建设的迫切需要， 光缆虽然具有超大容量的优点， 然而也具有成本高， 需提前铺设以及易受自然灾害影响等弱点， 此外光纤通信也不适用于农村、 海岛等边远地区和专用通信网。微波通信可作为干线光纤传输的备份及补充， 解决城区内铺设有线资源困难的问题。数字微波接入成为建立广域网连接的另一重要方式， 是城市通信基础设施的有效补充。
数字微波技术将是微波技术未来发展的主要方向， 具体应用包括微波扩频数据传输系统， 可以用于城市内的短距离支线连接的高频段微波， 用于未来的宽带业务接入的本地多点分配业务， 现代军用数字微波通信系统等等。重点研究的关键技术为 10GHz 以上的高频段传输技术以及在现有频段上的兼容技术， 包括高效率调制技术， 扩频及跳频抗干扰技术， 纠错技术等等。此外， 诸如微波单片集成、 全数字化处理、 数字专用集成电路等提高可靠性及降低成本的技术也需要进一步的研究。
作为典型的应用驱动的科学技术， 微波技术在过去的近一个世纪里， 对社会的发展和人们生活的进步产生着深远的影响。从最早满足军用需求而迅速发展， 到如今进入千家万户， 微波技术的发展经历了起起落落。微波技术正在并仍将在广播电视，无线通信， 移动网络等领域扮演着不可替代的角色。放眼未来，微波技术必将有更广阔的发展空间！