微波及微波的应用

1、微波是电磁波的一个频段，波长在 1 毫米和 1米之间，我们首先从电磁波的发展史谈起，再讨论电磁波的学理和主要频段，然后谈谈微波的各种应用，并挑几个与台湾有关的应用来做说明，最后介绍微波炉及微波加热的原理。电磁波的学理电磁波发展史中最重要的两个人是法拉第和马克士威尔，这两人都堪称物理学家的前 10 名，他们最主要的贡献就是我们要谈的。法拉第出生于1791 年，他在 1831 年经由实验发现了法拉第定0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 年马克士威尔提出一个重要的理论：随时间变化的电场会产生磁场。这又是一个划时代的里程碑，因为在当时只知道电流能产生磁场。马克士威尔的学说因为是推理，到 18

2、79 年他去世前都没有被接受，一直到了 1887 年赫兹用 LC 振荡器产0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 振荡器和电磁振荡的能量储存机制是电场及磁场。此外，还需要有能量交换的机制，比如质块和弹簧的能量交换机制是弹簧的复原力，LC 振荡器的能量0c59f8ea 工业微波设备 http:/ LC 振荡器产生电磁波，其过程是在振荡时，用电感耦合出一部分能量，经传输线传到电偶极天线，在天线上，电流会产生磁场，也会累积电荷，于是也产生电场。电场和磁场在天线处产0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 赫兹等于每秒钟振荡 1 次的频

3、率，用 Hz 表示）以下，一直到 1024赫兹以上，范围可以说很广。整个频谱区可大致分为长波、无线电波（无线电波中包括了微波），还有红外线、可见光、紫外线，接着还有 X 光、 射线等。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 1100 亿倍，让大气像是有一扇窗户，使太阳光能够穿透水蒸气到地面来。假如没有这么一个神奇的大峡谷，现在的地球会是一片黑，没有植物也没有光合作用，能量都没有了，吃的东西、烧的汽油通通不存在，当然我们也都不存在！所以水对电磁波的吸收系数看来像是一个自然奇景，是其它物质所没有的，几乎像是超自然的力量所设计的。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 是每秒钟振动 60

4、 次的低频，跟我们很有关系，这是家用电所使用频段，高压线就是在 60Hz 传输能量。大家都很讨厌高压线，可是我们又必须靠它传输能量。那高压线如何传输能量呢？它是借着电磁波的电场、磁场传输能量。高压线的电流会产生磁场，电压差会产生电场，电场和磁场正好互相垂直，因此可以传输能量。这样看来，高压线的四周像是一条电磁场的大洪流，反而是高压线的里面不能传输能量。高压线要摆这么高的原因不仅是因为碰到线会有危险，而是一进到电磁场0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ VHF 电视频道等波段，而其中最重要的一段是微波，这是通讯和雷达最主要的频段。国际组织把无线电波频段划分为很

5、多频道，甚至规定了军事设备使用的频道，不然就会彼此干扰，所以军用设备、民用设备、卫星、电视等等，都各有划定好的频道。太空通讯又有往上及往下的频道，都与地面通讯所用的频道不一样。接下来谈谈日常通讯。电视表演要送到远处播放，需要在地面转接，一个转接站收到讯号后，再把它放大传送到另一个转接站，最后送到接收地的电视台播放，也可以经过卫星送到更远的地方。越0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 24 小时都在指挥之下，里头有军舰、飞机、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借着卫星通讯串在一起。此外，每一艘作战船上面都有各种雷达及通讯设备，光是微波发射器就数以百计，新型战机上面也有好几十个，发挥各种各样

6、的功能，包括通讯、侦测、导航、干扰、火力控制等等。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 100 个以上，在不同的温度一次又一次地焊，只要一次出错，就前功尽弃。制造出成品后，再用高压电源测试，如果不合格，又是前功尽弃。制程中需要一再地焊接，是因为发射器中必须保持高真空，以免电子碰撞到气体，如同真空管一样，因此这种高功率微波发射器，通常简称为微波管。由于微波管的制造如此不易，频率越高又越困难，在先进国家，毫米波段的微波管都列为输出管制品。我们的研究重点，也就在毫米波段，所以这项，对我们的国防相当重要。0c59f8ea 工业微波设备 h

7、ttp:/ 1,000 万倍，不论在功率、效率、增益或频宽上，都超越了传统的极限，在应用上带来了新的契机。像美国这样的先进国家，已准备把磁旋行波放大器应用到太空科技上。美国有不少太空侦测设施，里面有各种各样的雷达侦测太空对象，例如敌0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 1公分大小的太空碎片，就必须用磁旋行波放大器这一类的新设备。再拿最近在清华大学进行的另外一项应用为例，这项应用和工研院合作的很密切，是用微波加热处理材料。大家所熟悉的微波炉，用的是一个封闭的作用腔，而现在用的扫描式近光学微波加热作用腔是一个光学式作用腔，有如一个聚焦镜，微波射进去后聚焦，就会产生很强的电磁波，用来处理0c

8、59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 500MHz 的微波。加速环把电子加速到 1.3GeV，速度已经是0.999999 的光速，送到储存环里面转七、八个钟头，在转弯时，会辐射出很强、频率接近 X 射线的0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 3 道光，可做 3 组实验，一圈共可做 18 组实验，这是同步辐射研究中心的大概情况。电子在加速环里转的时候，每经过一次高频共振腔，就被踢一脚，加速一点，从慢速度变成非常高的速度。送到储存环之后，在旋转时会辐射出光，耗损能量，储存环里头也有两个高频共振腔，每经过一次就补充能量，好像加油站一

9、样。电子在储存环里头，每秒钟走 3 百万圈，要走0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 个钟头不碰到墙，可见这个技术需要相当精确的计算。比如说光速是 31010cmsec，对不对？这个数据不是很好，因为在同步辐射研究中心如果把光速当成 31010cmsec，这个 1 亿美金的设备就要泡汤了。在那里光速要用 2.99791010cmsec，这其实还不是精确的光速，光速的精确值在后面还有好多个位数，只是加速器计算的精确度到小数第 4 位即可。加速环里的高频共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，里头还有各式各样的磁铁，可以让电子转弯，并自动修正轨道的偏差。电0c59f8ea 工业微波

10、设备 http:/ 20 个左右，但还是有很多人排队等着做实验。这个光源，全台湾很多学校都在用，大约有几十个机构、一两百个研究小组，有些还来自国外。0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 工业微波设备 http:/ 1TeV），需要的加速器可以长达几十公里，有千百个高频共振腔，可见现代的加速器有多复杂。光是从粒子加速器这个应用，大家就可以想象微波对科学研究有多大的重要性。再回头来说高频共振腔，就是刚刚所谓的电子加油站。把电磁波送进高频共振腔里，就会激发共振膜产生电场，电子进来的时候会被电场加速。这里用的频率是 500MHz，也就是每秒中振动 5 亿次、改变方向 5 亿次，在改变方向以后，再进来的电子，不但不加速反而还减速，因此在加速器里面，电子0c59f8ea 工业微波设备 http:/ 是微波的低频边缘，属于 UHF 频段。高频共振腔和很多其它附带器件构成一个高频系统，其中有一个速调管，这是电