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Hefei University电磁场与电磁波课程论文 系别： 电子信息与电气工程系 班级： 14级通信工程（1）班 学号： 1405021031 姓名： 潘路 指导教师： 郑娟 完成时间： 2016年12月20日 目录第1章 前言2第2章 序言2第3章 特性33.1穿透性33.2加热选择性33.3低热惯性33.4似光性和似声性33.4.1非电离性43.4.2资讯性4第4章 微波产生44.1电磁频谱5第5章 微波技术主要应用55.1微波加热原理与微波炉55.2微波的杀伤机理与微波武器65.3微波通信6第6章 学习感悟7摘要： 微波（英语：Microwave, 德语：Mikrowellen）是指波长介于红外线和无线电波之间的电磁波。微波的频率范围大约在 300MHz至300GHz之间。所对应的波长为1米至1mm之间。微波频率比无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。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1。微波在雷达科技、ADS射线武器、微波炉、等离子发生器、无线网络系统（如手机网络、蓝牙、卫星电视及无线局域网络技术等）、传感器系统上均有广泛的应用。在技术领域协定使用的四个频率分别为800MHz、2.45GHz、5.8GHz和13GHz。微波炉使用2.45GHz，此频率亦被作为ISM频段（工业、科学及医学用波段），使用在航空通讯领域。关键字： 微波 特性 微波产生 电磁频谱 用途第1章 前言随着科学技术的发展，微波技术的应用已渗透到了科学领域的许多方面，如无线通信、全球定位系统、雷达以及电子和计算机工程学科中。因此对于电子与信息工程类专业的学生来说，微波技术课程的开设是必不可少的。为了让同学们在有限的学时内能对微波的基本理论和技术、微波的分析方法以及当今微波技术发展的新知识、新技术有较好的掌握，编写一本合适的教材是非常重要的。本书是在武汉大学吴正娴教授所编教材的基础上，根据编者多年的教学实践和科研体会经修订、补充而编写的。本书除绪论外，共分为8章。绪论简介了微波的基本特点及应用。第2章 特性微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。根据电子学和物理学的理论，微波具有不同于其他波段的以下特点2.1 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，因此穿透性比较差。微波透入介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，使介质的分子产生24亿高速震动，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。2.2 加热选择性物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。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。2.3 低热惯性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。2.4 似光性和似声性微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机、舰船、汽车、建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上，不容易发生衍射现象，呈现几何光学性质。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧致；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔2.4.1 非电离性微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。根据物理学理论，分子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，因而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。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件2.4.2 资讯性由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的资讯容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化资讯，多普勒频率资讯。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要第3章 微波产生微波能通常由直流电或50Hz交流电通过半导体器件或真空管来获得。真空管是利用电子在电磁场的影响下，于真空中运动而产生微波。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、速调管、回旋管、行波管等。在微波加热领域中使用的主要是磁控管。半导体器件能产生低功率微波，如场效应晶体管，隧道二极管，耿氏二极管，以及雪崩光电二极管2。低功率源可为台式仪器、机架式仪器、嵌入式模块和卡级别的格式。激微波是使用类似激光器的原理放大微波的固态装置，它可以放大较高频率的光波。3.1 电磁频谱第4章 微波技术主要应用微波技术是近代科学研究的重大成就之一，几十年来，它已经发展成为一门比较成熟的学科，在雷达、通信、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用，军事科学家们还应用微波的作用机理，研制新概念武器微波武器。而微波的另一方面的应用就是作为能源应用于工农业生产及人们的日常生活中，例如微波加热与解冻、微波于燥、微波灭菌与杀虫等方面，特别是随着微波炉的日益普及，使得微波炉产品也进人了寻常百姓的家中，直接为人类造福。4.1 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。 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。4.2 微波的杀伤机理与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。用做武器的微波波长通常在303厘米、频率为130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。微波波束武器是由能源系统、高功率微波系统和高增益定向天线组成。主要是利用高功率波源产生的微波经增益定向天线向空间发射出去，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束，使之成为一种杀伤破坏性武器。这类武器全天候作战能力强，有效作用距离较远，可同时杀伤几个目标。还能与雷达兼容形成一体化系统，先探测、跟踪目标，再提高功率杀伤目标，达到最佳作战效能；微波炸弹，一般是在炸弹或导弹战斗部上加装电磁脉冲发生器和辐射天线构成。主要是利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率电磁脉冲，覆盖面状目标，在目标的电子线路中产生感应电压与电流，以击穿或烧毁其中的敏感元件，使其电子系统失效、中断和破损。4.3 微波通信 微波通信（Microwave Communication），是使用波长在1毫米至1米之间的电磁波微波进行的通信。该波长段电磁波所对应的频率范围是300 MHz（0.3 GHz）300 GHz。与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网传输方式不同的是，微波通信是直接使用微波作为介质进行的通信，不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。第5章 学习感悟在开始学习“电磁场与电磁波”之前，当我听到其学科名称的时候就产生了一种高深莫测的感觉，觉得电磁场应该是比较难的。但是出于对知识的渴望我怀着一颗求知的心投入了这个“新奇的”知识海洋。当接触了“电磁场与电磁波”并开始学习的时候这种所谓的惧怕感还是依旧存在。每当读到某个科学家经过了反复的实验从而发现了一个著名的定理或是公式的时候我都非常向往，无疑这些名人事迹提高了我的学习兴趣。但是每当看到一个个繁杂的公式与难于理解的论证的时候，这都让我感到这门课程的难度之高。然而每当专心下来仔细思考，一点一点的从基础公式去推演论证的时候，我又能感受到其在科学与生活方面的独特魅力。纵观电磁波发展史，人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。但长期以来，人们只是发现了电和磁的现象，并没有发现电和磁之间的联系。后来奥斯特、安培、法拉第等人的研究又使人类又电磁波的认识进步了一个阶梯，19世纪中叶伟大的理论物理学家麦克斯韦总结了前人关于电磁学的研究成果，建立了完整的电磁场理论。这使得人们对电磁波的有了相对成熟的认识。可以说电磁场理论是工科电类专业的一门重要的技术基础课。它在物理电磁学的基础上，进一步研究了宏观电磁现象的基本规律和分析方法，是深入理解和分析工程实际中电磁问题所必须掌握的基本知识。它的地位我觉得就像英语中的语法，用来分析句子和文章的成分结构，没有它我们只能死记硬背一些公式与结论，而利用了电磁理论就能很容易的分析一些实质性的问题从而有更加深刻的体会。很多实际工程问题只有通过电磁场才能揭示其本质。对电磁场的学习使我认识很多物理现象的本质。电磁场由相互依存的电磁和磁场的总和构成的一种物理场。电场随时间变化时产生磁场，磁场随时间变化时又产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两