微波基础知识

　　1.关于微波

 

　　微波是电波的一种，电波是电磁波的一种。

　　电磁波是通过电场和磁场的相互作用进行传播的，因此在真空环境下也同样可以传播。

　　电磁波属于「波」，因此具有波长和频率两种特性。

　　波长即从一个波峰到另一个波峰的长度，频率则表示1秒内产生波的数量。

　　电磁波的速度与频率无关，约为30万千米/秒，速度除以频率则是波长。

　　如图1所示，电磁波可按照频率分类，并根据其各自的特性，应用于不同领域。

　　光也是电磁波的一种。

　　一般把频率在3000GHz以下的电磁波称之为电波。而将频率在300MHz到300GHz(波长从1m到1mm之间)的电波称之为微波。

 

图1 电磁波的分类和应用

 

　　微波不仅用于通信领域，还被用于电波望远镜和雷达，进行天体的观测和移动物体的监测。同时，还有我们所熟知的GPS导航、定位系统也是应用了微波。除此之外，微波的另一个重要应用便是加热。

 

 

　　2.可用于微波加热装置的微波频段

 

　　ITU(国际电信联盟)根据用途对电波的可使用频率范围作出了相应划分。最终，各国以此为依据在法律上做出了相应规定。

　　对于频率在300MH到300GHz(波长从1m到1mm)之间的微波，ITU对其在工业、科学、医疗领域的可用频率范围的划分如表1.

　　将433.92MHz划定为一区(欧洲)部分国家的ISM频段，将915MHz划定为二区(南北美州)的ISM频段。2450MHz以上频段是世界范围内通用的ISM频段。

 

表1　微波的ISM频段划分

 

　　此外，为了避免对通信造成干扰颁布了电波法，对电波的泄露作出了非常严格的界定。

　　但是，电波法并未对2450MHz的ISM频段的电波泄漏量作出规定。

　　因此，对于使用此频段的微波装置(这里称之为ISM机器)，设计时只需满足安全上的限值即可。

　　而对于使用ISM频段以外的电波装置，则必须遵守电波法中应对大规模电波泄露的对策所作出的的相关规定，例如对放置电波装置的房间或建筑物全部设电波防护层等。

　　这也是家用微波炉以及各工业加热装置使用ISM频段的原因。

　　2450MHz频段的广泛应用不仅是因为它是世界通用的ISM频段，与此同时，图2中的造价低廉、体积轻便、内置永久磁石的磁控管(功率：300W～10kW)的诞生也为此作出了贡献。

 

 

图2 2450MHz频段磁控管(功率2KW 水冷式)

 

　　3.微波加热原理

 

　　遇到强降雨天气，卫星电视节目往往就不能观看了，想必我们大多数人都遇到过这种情况。

　　通常认为频率在18GHz左右的微波是最容易被水吸收的。

　　相对于微波频率为2.45GHz(2450MHz)的微波炉，卫星电视台的发射频率约为12GHz,降雨时电波就会被雨水吸收，因此我们便不难理解不能观看卫星电视节目的原因了。

　　由于卫星发射的电波很微弱因此雨水不会被加热，但是在理论上雨水吸收卫星发射的电波后是会散发热量的。

　　以下，我们将对【微波加热原理】【电介质吸收微波的电力】【微波穿透电介质深度】【电介质的介电特性】加以说明。

　　(1)微波加热原理

　　IEC(国际电气标准会议)对微波加热作出定义：电介质在300MHz～300GHz电磁波的作用下发生分子运动和离子传导并产生热量从而实现加热。

　　这种电介质的微波加热原理非常复杂，三言两语很难说明，下面就粗略的介绍一下。

　　【永久偶极子跟随微波电场的变化而做变极运动，由于永久偶极子的速度跟不上电场的振动变化，因此产生相位的延迟。这种延迟成为微波电场变化的一种阻力使得运动中的永久偶极子被加热。】

　　简单的说就是【永久偶极子在受阻的同时被迫振动从而产生热量】。下面是图解说明。

　　微波加热原理的图解说明

　　图3以水分子的构造为例来表示永久偶极子。

　　水分子由1个氧原子和2个氢原子构成。

　　虽然从整个分子结构来看水分子并不带电，但由于2个氢原子和氧原子构成了一个104.5°的角，因此各自会带有少量的正负电荷，形成偶极子。

 

 

　　如图4所示，在不受外界电场作用下水的偶极子呈无序的状态分布，但是将其置于电场中便会随电场方向而改变方向。

 

 

　　如果对水进行微波照射，形成的电场是交流电场，微波炉的话，一秒内就会产生24亿5000次的正负电场的交替变化。

　　图5表示在低频率电波照射下的永久偶极子的状态。

　　这种情况下，永久偶极子的方向变化能够迅速跟随上电场的变化，此时水不会产生热量。

　　图6表示在频率过高的电波照射下的永久偶极子的状态。

　　由于电场变化速度过快，偶极子来不及跟随电场的变化做出反应，这种状况下，水同样不会产生热量。

 

 

　　而图7则表示在电场变化速度适中的电波照射下的永久偶极的状态。

　　此时，永久偶极子以稍慢一点的速度随着电场的变化。水分子在其运动时发生延迟效应，这段时间里吸收电波的能量并放出热量。 这种频段的电波便是我们所说的微波。

 

 

　　(2)微波加热方式和物质的介电特性

　　通过上述说明，可能很多人会认为只有电介质才可通过微波加热。其实像铁、不锈钢等金属以及铁矿砂等金属氧化物也可以通过微波进行加热。

　　对于金属离子微波的确可以渗透到金属离子的内部并对其加热，但微波却不能渗透金属板，基本上会被全部反射回来。

　　这里仅对【电介质的微波吸收量】【微波渗透到电介质的深度】【电介质的介电特性】加以说明，金属方面暂不做介绍。

　　(a)介质物质的微波吸收量(公式)

　　公式1是电介质的微波吸收量P1 的理论公式。

　　P1=K·f·εr·tanδ·f·E2 [W/m3]

　　K:0.556×10-10

　　εr：电介质的介电常数

　　tanδ:电介质的介电损耗角

　　f:频率

　　E:电场强度 [V/m]

式1

　　公式(1)中，相对介电常数ε和电介质损耗角tanδ是物质(电介质)的特有值。另外，二者的乘积εr･tanδ称之为介电损耗系数(简称为损耗系数)，表示电介质对于微波的吸收程度。

　　E表示作用于电介质的电场强度，取决于装置的设计。

　　公式(1)只是理论上的计算公式，实际上作用于电介质的电场强度E无法计算。因此在计算电介质的微波吸收量的时候，主要是通过(b)公式的热量计算来求得。

　　(b)电介质的微波吸收量(热量方法计算)

　　应用腔体内放置盛有w [ g ] 液体(初始温度为T1 [ ℃ ])的容器。液体被

　　[W]的微波照射t [s]后，温度升高至T2 [℃]。

　　液体的比热为C [ J / (kg・K) ]，根据公式(2)液体吸收的微波能量为

　　[W]，根据公式(3)可算出加热效率。

　　例如，液体为水的情况，根据水的比热 4180 [ J / (kg・K) ]，即可算出微波的吸收量。

 

 

　　(c)微波渗透电介质的深度

　　微波由电介质表面到内部的渗透深度是指微波能量减少到50%时的所穿透的深度，因此也被称之为能量减半深度。

　　根据公式(4)可计算能量减半深度D

 

 

　　(d)物质的介电特性

　　(a)中已经说明相对介电常数ε和和介质损耗是电介质的两个特有值。图8是表示多种物质的相对介电常数和介质损耗的特性图。图中上横轴表示能量减半深度D，纵向斜线是具有相同能量减半深度的刻度线。

　　从图中我们可以大致看出，右上方能量减半深度越低的物质对微波的吸收越多，左下方能量减半深度越高的物质对微波的吸收越少。

 

 

　　4.微波加热的特点

 

　　微波加热具有其他加热方式没有的优点，如：

　　・内部加热

　　・高速加热・选择加热

　　・加热效率高・迅速反应和温度可控性

　　・加热均匀・节能环保

　　・操作简便・作业环境好

　　以下对其特性进分别说明

　　(1)内部加热

　　如图9所示，微波以光的速度迅速到达被加热物体。并如第3章(2)所说明的那样，微波在进入物体内部的同时被物体吸收使物体发出热量。

　　例如水，从图8可知水的微波能量减半深度约为1cm.也就是说微波从水的表面进入水内部1cm时，50%的微波能量将被水吸收，水则被加热，剩下的50%微波则继续进入至水1cm以上的更深处。同样道理，从表面进入到内部3cm的时候，仍有12.5%的微波可继续进入水的内部，并使其被加热。因此，就像图10所表示的那样，微波可对物体进行内部加热。

 

 

 

　　(2)高速加热

　　如图10所示，传统的加热方式是通过热量的传导从被加热物体表面向物体内部扩散实现温度的升高。

　　而微波则可以直接渗透至被加热物体内部，如果被加热物体的体积大小可被微波完全渗透，那么被加热物体整体都会产生热量，热量传导和扩散的时间可忽略不计，因此可以实现高速加热。

　　即使是体积很大的物体，微波虽然不能渗透至被加热物体中心，但只要微波所渗透到的地方会发出热量，这部分热量也会扩散到整个物体内部使其温度升高。如图11所示，和只通过物体表面加热的传统加热方式相比，这种从物体内部加热的微波加热方式更加快速。

 

 

　　(3)选择加热

　　如图8所示，不同物质对微波的吸收性能不同。例如，图8中的硼硅酸玻璃，被作为微波炉加热的专用玻璃器皿销售。这是因为这种容器盛水后进行微波加热，硼硅酸玻璃对于微波的吸收量只是水的3000分之1，完全可以忽略不计，因此只有水会被加热。

　　也就是说，如图12所示，只要选择好容器的材质，就可以做到只加热想要加热的物体，从本质上实现高效率的加热。

 

 

　　(4)高效加热

　　微波以光的速度进入被加热物体内部，由于物体是吸收微波后自身发出热量，因此对加热炉和炉内空气加热的热量消耗非常小，可以忽略不计，达到高效加热。

　　(5)迅速反应和温度可控性

　　微波是以光的速度进入被加热物体内部从而使物体自身发热，反应速度很快。例如，可以瞬间启动和停止。另外，还可以通过调整微波的功率，来控制被加热物体内部的发热量。如图13所示， 被加热物体的温度变化根据设定温度进行瞬时反应，并能保持在设定温度。

 

 

　　(6)加热均匀

　　由于被加热物体内部是同时发热，即使是形状复杂的的物体也能被比较均匀的加热。由于波长的原因引起的加热不均，可通过搅拌器、转盘、传送带等手段进行调整。

　　(7)节能环保

　　微波是通过电场和磁场和相互作用进行传输，所以不需要介质，真空中也可传输。微波加热是直接作用于被加热物体，渗透到物体内部并衰减， 而不需要加热环境中的空气。被加热物体吸收微波后转化能热能从而发热。在这过程中，由于不需要加热周围的空气，因此可以说是节能环保的能源。

　　(8)操作简便和作业环境好

　　传统加热必须要有热源，该热源不仅对被加热物体，同时还会加热加热炉。如果加热炉放置在房间内，由于热辐射周围环境温度会比较高，因此操作性和作业环境成为问题。与此相比，微波加热，只要通电便可发射微波，并仅对被加热物体进行加热。加热炉不会产生高温，没有热辐射，因此可以保证良好的可操作性和作业环境。

 

　　5. 微波应用设备的基本构造和微波元器件

 

　　发生微波的的电子元器件有很多，如磁控管、调速管、回旋管等。

　　其中比较便宜又可以发射大功率微波的便是磁控管。磁控管是真空管的一种，家用微波炉使用的便是磁控管。弥可罗公司主要使用2450MHz频段的磁控管，制造销售300W～300kW输出的微波应用设备装置。

　　(1)微波应用设备的基本构造

　　微波应用设备的基本构造如图14所示。由微波源内部的磁控管发射出微波，微波经过[波导管]、[隔离器]、[功率检测器]、[波导管]、[EH调谐器]到达[应用腔体]对被加热物体进行加热。

　　这里把由微波源发射出的朝向隔离器的微波称之为行进波(或入射波)。把应用腔体内反射回的反方向微波称之为反射波。用功率检测器上所显示出的入射波功率减去反射波的功率所得的数值即应用腔体内部实际消耗微波的功率。

　　更准确的说，功率检测器上所显示功率是入射波和反射波的差值，是通过EH调谐器调节后

　　所消耗的微波功率。

 

 

　　(2)各微波元器件的性能

　　(a) 微波源： 发射微波的装置

　　微波源内配有安装磁控管的发射波导管。

　　发射波导管一端开口，可以连接标准波导管(波导管规格：WRJ-2/BJ-22、法兰规格：BRJ-2/FUDR22)

　　磁控管发射出的微波，通过和发射波导管相连接的波导管被传输到作用腔体。因此必须将微波相关元器件按照示意图14安装好，否则会发生危险。

　　(b) 隔离器： 入射波通过波导管传输至作用腔体，反射回来的反射波则被隔离器内部的负载吸收，从而保证反射波不返回到微波源的元器件内。

　　可以消减由作用腔体内部的转盘、搅拌器转动时所产生的反射波的影响，以保证磁控管继续稳定的工作。即具有保护磁控管的作用。

　　(c) 功率检测器：测量方形波导管内传输微波功率(入射波和反射波量)的元器件。需要注意的一点是如果方形波导管内的传输的入射波和反射波过大的话，误差也会大。弥可罗公司的功率检测器，具有独特的设计，即使微波源的磁控管的驱动方式不同，也能够对微波功率进行精确的测量。

　　(d) EH调谐器： 调谐器有三销钉调谐器和EH调谐器。这里我们推荐使用方便的EH型调谐器。通过调节EH调谐器中的E调谐器或者H调谐器，可改变反射微波的相位和大小。

　　所以通过调节E调谐器和H调谐器，可以将功率检测器所显示的反射波功率调整为零。也就是说，通过E，H调谐器的调节改变反射波的相位，形成大小相同，相位相反的波，从而相互抵消。

　　如果功率检测器上的反射波数值显示为0，则表示调谐器后进入作用腔体内部的微波达到最大。这种反射波为零的状态称之为匹配状态。

　　(e) 作用腔体： 指对内部放置的被加热物体进行微波照射使其被加热的槽体。根据用途分为分批式、连续式、波导管式等多种形式。弥可罗公司设计的作用腔体，在波导管和作用腔体的连接匹配方面，有着独特的设计。

　　(f) 波导管： 微波(电磁波)通过电场和磁场的相互作用传播。可在一定断面的金属管内进行传输。在微波加热装置中一般使用的是断面为长方形的2GHz用标准方形波导管。(波导管规格：WRJ-2/BJ-22、法兰规格：BRJ-2/FUDR22)

　　(3)内置有搅拌器等装置的作用腔体的匹配调节

　　(2)(d)所说明的匹配调节的原理是以作用腔体内部无移动部件为条件的，也就是说全部部件处于固定不动的状态。如图14所表示的那样，作用腔体内部装有搅拌器或转盘，反射波的大小和相位根据其转动会发生明显变化。以下对这种情况下的匹配调节加以说明。

　　例如： 作用腔体的内部只有搅拌器转动的时候，则功率检测器上显示的反射波的数值也会有随之有很大变动。

　　这种情况下，调整EH调谐器，使功率检测器上的反射波数值尽量达到最小值。未被调谐的反射波则会被隔离器中的负载吸收。

　　图14中，表示反射波的橙色虚线，在通过EH调谐器时变细，在通过隔离器时被负载吸收，该图所表示的就是这种情况。

　　另外，反射波过大时功率检测器上所显示的数值会产生很大误差。因此，在通过检测反射功率来控制微波输出(入射波功率)的情况下，需使用专门的装置对发射波进行精确的检测。