强劲驱动力：微波技术的持续创新与应用推动着电子工程的进步
发布时间：2021-11-10 10:56:08
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
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。
微波技术：对社会发展和生活进步的重要影响
近一个世纪以来，微波技术作为最重要的科学技术之一，对于雷达、广播电视、无线电通信甚至微波炉等领域都产生了深远的影响。
微波指的是频率范围在300MHz至300GHz的电磁波，对应的波长约在1米到1毫米之间。根据波长的不同，微波可以进一步分为分米波、厘米波和毫米波，相应的频率为特高频（UHF）、超高频（SHF）和极高频（EHF）。
随着现代微波技术的发展，亚毫米波，即波长在1毫米以下的波段也被纳入微波的范畴。这使得微波的频率范围进一步扩大至300MHz至3000GHz。
微波具有穿透性、选择性加热、热惯性小、似光性、穿透性、信息性和非电离性等多个特点：
穿透性: 微波比其他辐射加热的电磁波如红外线和远红外线波长更长，因此具有更好的穿透性。微波能与介质发生相互作用，通过介质分子之间的摩擦来加热介质，从而实现内外部几乎同时加热。
选择性加热: 物质对微波的吸收能力取决于其介质损耗因数。不同物质的介质损耗因数存在差异，因此微波加热表现出选择性加热的特点。水分子属于极性分子，其介电常数和损耗因数较大，因此对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等物质的介电常数较小，对微波吸收能力较弱。
热惯性小: 微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度非常快，并且可以随时调整输出功率，使得介质温升可以迅速变化，不存在惯性现象。这对于自动控制和连续化生产非常有利。
似光性: 微波波长非常小，当微波照射到物体上时会产生明显的反射和折射效应，类似于光线的行为。微波传播的特性也类似于几何光学，能够像光线一样直线传播和聚焦。
穿透性: 微波具有较好的穿透性，可以深入物体内部。例如，微波是唯一能够穿透电离层的电磁波（除光波外）。
信息性: 微波波段具有巨大的信息容量，即使在相对较小的带宽情况下，可用的频带也非常宽广，可达数百甚至上千兆赫兹。
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。
微波技术的发展简史
微波技术的理论研究和实验起步于20世纪初，然而早期的设备无法满足实验需求，主要原因是缺乏高功率的信号发生器和灵敏的信号接收器。因此，早期的研究进展有限。直到20世纪30年代，随着高频率超外差接收器和半导体混频器的出现，为微波技术的进一步发展奠定了基础，使得微波技术取得了一定的进步。
1931年，意大利科学家马可尼进行了一项距离为18英里的无线通信实验，使用600MHz的微波传输高质量的语音信号，信号源为巴克豪森管（Barkhausentube）。这是首次利用300MHz以上的微波进行的无线通信实验。次年，马可尼利用57厘米的微波在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，从此微波技术从实验室走向真正的实际应用。与此同时，雷达的相关概念和理论也逐渐形成，到20世纪30年代中期，全球已有八个国家在进行相关研究。
高速发展的二战时期
第二次世界大战被广泛认为是微波技术发展的黄金时期，其中主要推动力来自军方对雷达的需求。雷达在二战中扮演着重要角色，因此盟军投入了大量人力和物力进行雷达研究。在美国，雷达的相关研究主要由麻省理工学院的辐射实验室进行，该实验室员工数量在1945年甚至达到4000余人，曾有9位科学家后来获得诺贝尔奖。
战后，辐射实验室编写了28卷的《辐射实验室丛书》，于1947年出版，记录了辐射实验室及其他研究机构在二战期间关于雷达研究的大量工作。
赫兹在1886年已经发现电磁波会被固体反射回来，这实际上是雷达的基本原理。1903年，德国的Hulsmeyer申请了用于航行的系统专利，该系统利用无线电波的反射来探测障碍物并为船只导航。1933年，美国海军实验室展示了发射3MHz无线电波的雷达，能够在50英里范围内探测到飞机。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，并于1938年在英国东海岸组建了防空雷达网，使用25MHz的雷达构建而成。至二战中期，全球有八个国家正在进行雷达研究。英国的防空雷达网对英国在战争中取得最终胜利起到了关键作用。
微波技术战后的发展
二战结束后的几十年间，微波技术迅速传播并受到各国的重视。许多国家通过政府资金支持，在大学、大型企业和研究所设立了微波技术的研究项目。特别是在冷战时期，为支持新武器系统的需求，进行了大量与微波技术相关的研究，这些研究极大地推动了微波技术的发展。
新的波导结构被提出，以替代体积庞大的矩形和圆形波导。许多新型的微波管也开始得到应用。信号发生器和接收器的体积大幅缩小，降低了整个微波系统的成本，并增强了其稳定性。这些技术进步促进了微波集成电路技术的发展。
雷达技术也不断进步，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，成为第一台达到0.1米级精度的雷达。
在战后的微波通信技术方面，1946年，美国军队成功接收到从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的视距无线电系统，该系统可以传输500路电话或一个黑白电视节目。
1965年，第一颗商用地球同步轨道通信卫星"Early Bird"问世。
在微波测量技术方面，1951年，Fellgett提出了傅里叶变换光谱法。1952年，首台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准局问世，随后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，这一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也在战后持续发展。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2450MHz的微波辐射成功根治了白鼠身上的乳腺癌。1955年，Allen利用微波和X射线的混合辐射治愈了小鼠身上的S180肿瘤，随后混合辐射疗法的研究大量展开。
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转向民用领域。其中最具代表性的就是微波炉的发明。从20世纪40年代开始，涌现出许多利用微波进行加热的相关技术专利，这标志着微波加热技术的起步。
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。
微波技术在工业领域有广泛的应用。以下是一些主要的工业化应用：
食品、保健品工业：利用微波进行食品和保健品的灭菌、脱水、烘干、膨化、调味、脱腥、解冻、催陈和保鲜处理。
木材加工：采用微波干燥机对木材进行烘干，具有快速干燥、不开裂、变形小的优点，并能杀死木材内部的卵虫和幼虫。
杀虫灭菌：微波加热技术能够在较低湿度下对食品和物料进行杀虫灭菌处理。
橡胶工业：微波技术应用于橡胶硫化工艺中，结合常规加热保温，提高橡胶硫化的时间和效率。
陶瓷工业：利用微波高温结合传统加热方法，缩短陶瓷的干燥时间，同时不影响陶瓷成品率。
煤炭干燥：采用微波干燥可以提高煤炭干燥的速度和效率，实现脱水干燥。
微波等离子技术：在半导体生产工艺中应用微波等离子体技术，可进行蚀刻、溅射、气相沉积、氧化硅片等操作。此外，还可用于金属、合金、非金属的表面处理、陶瓷的高温烧结、等离子体光谱分析以及分解有毒化合物等。
微波医疗垃圾处理技术：利用微波技术对医疗垃圾进行无氧或缺氧状态下的高温处理，以使其迅速灰化，并大幅降低有毒气体的产生。此技术具有全封闭无害化处理的优势，相较于传统处理方法更为先进。
污水处理：利用微波的非热效应和热效应，通过与吸波剂相互作用，诱发化学反应来降解、转化和加速固液分离，从而实现污水净化的目的。微波处理污水是水处理领域中的一项新革命。
微波制碳：采用微波技术对竹子进行高温裂解，制取竹炭并提取竹醋液、竹焦油等有价值的副产品。这种方法相比于传统窑炉制造竹炭，具有更高的生产效率和经济价值。
除了工业领域，微波技术也在通信领域得到广泛应用。特别是在广播、有线电视、电话和无线通信等方面，微波技术发挥着重要作用。
在广播电视领域，随着节目制作的数字化趋势，数字化节目需要相应的传输手段，SDH数字微波网因此应运而生。与传统模拟微波设备相比，SDH数字微波设备具有更高的传输容量，能够传送更多的电视节目和声音广播节目，同时传输距离更远，范围更广。使用数字微波可以构建双向交互式信息网络，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。微波通信具有抗灾性能强的优点，即使在自然灾害如水灾、风灾和地震中，微波通信一般不受影响。此外，微波传输系统的组建速度快，适用于紧急情况下快速构建临时通信系统的需求。
随着网络的迅速发展，对通信线路建设的需求日益迫切。虽然光缆具有超大容量的优点，但其成本较高、需提前铺设且易受自然灾害影响等限制。而微波通信作为光缆传输的备份和补充，解决了在城区内铺设有线资源困难的问题。此外，数字微波接入成为建立广域网连接的重要方式，为城市通信基础设施提供有效补充。
未来，数字微波技术将是微波技术发展的主要方向。相关应用包括微波扩频数据传输系统、用于城市内短距离支线连接的高频段微波以及现代军用数字微波通信系统等。
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