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微波（microwave）是一種電磁波，其波長范圍約為1毫米到1米，頻率范圍在300MHz至300GHz之間。因微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。根據(jù)微波波長的不同，主要分為特高頻、厘米波、毫米波和亞毫米波四個波段。微波具有穿透性、似光性、信息性和非電離性等多個特點。此外，微波也具有波粒二象性，玻璃、塑料和瓷器幾乎不吸收微波。水和食物等會吸收微波而使自身發(fā)熱。金屬類物質(zhì)則會反射微波。

1873年，麥克斯韋爾(JamesClerk Maxwell)在其發(fā)表的《論電學與磁學》一文中預言了以光速傳播的電磁波的存在；1888年，海因里希·赫茲茲(Heinrich Hertz)通過實驗證明了電磁波的存在；1894年，賈加迪什·錢德拉·博斯（Jagadis Chandra Bose）使用火花振蕩器首次產(chǎn)生毫米波；20世紀30年代，由于波導的理論、實驗和應用取得重大進展，一些微波電子器件如波導管被發(fā)明出來，比短波的波長更短的微波技術(shù)開始成為一個新興的通信手段；1931年，世界上第一條商用微波通信線路開通了；20世紀40年代左右，大多數(shù)微波電子器件都產(chǎn)生了，并采用了波導和空腔諧振器，而且雷達的出現(xiàn)和發(fā)展也使得微波理論和技術(shù)得到了進一步完善；20世紀50年代之后，微波技術(shù)的研究和應用向多樣化方向迅速發(fā)展。

微波最早應用于雷達，現(xiàn)被廣泛應用于通信、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學等現(xiàn)代科技領(lǐng)域，甚至能被作為一種能源使用。此外，微波在科學研究中也是一種重要的觀測手段。例如：在導航和測距領(lǐng)域，微波技術(shù)被用于提高定位精度和測量效率；在雷達探測方面，它能夠增強目標檢測能力。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，利用微波的高速傳輸特性可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息交流。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，微波技術(shù)被應用于金屬的高頻淬[cuì]火、熔煉切割，以及木材加工和茶葉干燥、面包烘焙等。此外，在生物醫(yī)學方面，可以利用微波診斷和治療疾病，如微波理療、微波針炙、治療婦產(chǎn)科病、冷藏器官的解凍等。微波技術(shù)也用于癌癥的診斷和處理。在日常生活中，常用微波爐烹飪[rèn]食物。

定義

微波（microwave）是一種電磁波，其波長比其他無線電短，介于一般無線電波與光波之間，波長范圍約為1米到0.1毫米，頻率范圍在300MHz至3000GHz之間。這和人們早已熟悉的普通無線電波不同，因為普通無線電波的波長遠大于地球上一般物體的尺寸。在電磁波波譜中，微波在其低頻段與普通的無線電波相連，而在其高頻端與遠紅外線毗鄰。

微波分類

根據(jù)微波波長的不同，主要分為特高頻、厘米波、毫米波和亞毫米波四個波段。在實際應用中又將微波進一步劃分，并以字母命名，常用于工程設(shè)計與科技文獻中。對于30GHz以上的毫米波段，還有一種常見的命名方法，α波段：30GHz～50GHz，V波段：50GHz~75GHz，W波段：75GHz~110GHz，D波段：110GHz~170GHz。

發(fā)展簡史

微波的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)實驗

1873年，麥克斯韋爾在其發(fā)表的《論電學與磁學》一文中預言了以光速傳播的電磁波的存在。

1885-1887年，Oliver Heaviside發(fā)表了一系列論文，他簡化了Maxwell理論中復雜的數(shù)學表達，使其更加適用于應用科學，并引入矢量概念，從而奠定了波導和傳輸線理論。

1888年，海因里希·赫茲通過實驗證明了電磁波的存在，并展示了無線電波的光學特性，如折射、衍射等。

1894年，賈加迪什·錢德拉·博斯首次產(chǎn)生毫米波，使用火花振蕩器產(chǎn)生60GHz（5毫米）波。

1897年，數(shù)學物理學家LordRayleigh從數(shù)學上證明了波可以在圓波導和矩形波導中傳播，并且可能存在無限的TE和TM模，而且存在截止頻率。

1901年12月12日，古列爾莫·馬可尼宣布成功地進行了跨越大西洋的無線通信。

1931年，由英國多佛爾到法國加萊建立了世界上第一條超短波通信線路。1933年，從英國的萊普尼列到法國的圣·因格列維特開通了第一條商用微波通信線路。

1936年，W.L.Barrow完成了空管傳輸電磁波的實驗，GeorgeC.Southworth把波導用作寬帶傳輸線，這些工作奠定了規(guī)則波導的理論基礎(chǔ)。

微波技術(shù)的發(fā)展

因戰(zhàn)爭需要，第二次世界大戰(zhàn)之前和期間，微波技術(shù)的研究焦點集中在雷達方面，由此而帶動了微波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術(shù)的研究和發(fā)展。

1936年，美國研制出作用距離達40公里、分辨力為457米的探測飛機的脈沖雷達。

1937年，美國的Russell Varian和Sigurd Varian兄弟發(fā)明了速調(diào)管。

20世紀50年代，平面?zhèn)鬏斁€得到廣泛關(guān)注，首先是R.Barrett發(fā)明了帶狀線，接著出現(xiàn)了微帶線、共面波導和鰭線等。這些平面傳輸線體積小、造價低，易于與二極管、三極管等有源器件集成，隨著制作工藝的提高，已被廣泛用于微波技術(shù)所涉及的各個領(lǐng)域，頻段不斷提高。

20世紀50年代，半導體電子技術(shù)推動了固態(tài)微波器件的發(fā)展。

1964年美國裝置了第一個空間軌道監(jiān)視雷達，用于監(jiān)視人造衛(wèi)星或空間飛行器。

1965年以后，由于微波固體器件、固體集成電路和固體平面電路的出現(xiàn)和發(fā)展，使得微波技術(shù)得以向固體化小型化方向發(fā)展；

20世紀60年代末，第一片MMIC（單片微波集成電路）被生產(chǎn)出來，其將傳輸線、有源器件和其他元件集成在一片半導體基片（介質(zhì)）上。

微波技術(shù)的應用

1947年，美國貝爾實驗室在紐約和波士頓之間，建立了世界上第一條模擬微波通信線路。在此之后，澳大利亞、英國、加拿大、法國、意大利和日本等國家都在本國的主干路由上安裝了微波接力通信系統(tǒng)。

1965年4月6日，由14個國家參加的“國際通信衛(wèi)星財團”資助的第一顆商業(yè)衛(wèi)星“晨鳥1號（Early Bird-1）”發(fā)射，打開了太空通信的商業(yè)大門。

1978年，美國發(fā)射了第1顆SAR衛(wèi)星“海洋衛(wèi)星”（Seasat），自此，星載SAR逐漸成為對地觀測領(lǐng)域的研究熱點，很多國家都陸續(xù)開展了星載SAR技術(shù)研究并制定了相應的星載SAR衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。

2000年起，高功率微波技術(shù)得以快速發(fā)展，并應用于高功率雷達、超級干擾機、等離子物理和HPM武器等領(lǐng)域。

特性

微波具有穿透性、似光性、信息性和非電離性等多個特點。此外，微波也具有波粒二象性，其基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。例如：對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收；對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱；對金屬類東西，則會反射微波。

穿透性

微波照射于介質(zhì)物體時，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（光波除外）。因而成為人類外層空間的“宇宙窗口”；微波能穿透生物體，成為醫(yī)學透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，是遠程導彈和航天器重返大氣層時實現(xiàn)通信和末端制導的重要手段。

似光性

微波波長非常小，當微波照射到某些物體上時，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時微波傳播的特性也和幾何光學相似，能像光線一樣地直線傳播和容易集中，即具有似光性。這樣利用微波就可以制成高方向性的系統(tǒng)（如拋物面反射器），獲得方向性好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來的微弱信號，從而確定該物體的方位和距離，這就是雷達導航技術(shù)的基礎(chǔ)；同時微波還可用來在無阻擋的視線自由空間傳輸高頻信號。

信息性

微波波段具有巨大的信息容量，即使在相對較小的帶寬情況下，可用的頻帶也非常寬廣，可達數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地都是工作在微波波段。

非電離性

微波的量子能量不夠大，通常不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞其分子的化學鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對廢棄橡膠進行再生，就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵），所以微波和物體之間的作用是非電離的。這一性質(zhì)為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。

似長波性

由于微波波長與物體（實驗室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點又與較長的波相似，即所謂的似長波性。例如微波波導類似于無線電中的接收器；喇叭天線和縫隙天線類似于無線電中的發(fā)射器；微波諧振腔類似于無線電共振腔。

物理效應

熱效應

物質(zhì)吸收微波能而產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象被稱為微波的熱效應。微波熱效應有2種機理：一種是電導損耗機理，另一種是偶極子極化松馳損耗機理。具體表現(xiàn)為：生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運動能量增加。而之所以能夠引起熱效應，是因為微波加熱屬于分子內(nèi)加熱，反應物通過微波電磁場的改變，使得反應分子偶極化，隨著反應分子的轉(zhuǎn)動、碰撞和摩擦，將微波能量轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的熱量來體現(xiàn)，從而實現(xiàn)體系的升溫。所以微波升溫的速率是與反應物質(zhì)的極性相關(guān)的，會出現(xiàn)很多不同溫度的區(qū)域，而且微波反應大多是在密閉的黑箱中反應，升溫過程不存在熱量的損失，微波條件下可以達到快速升溫。

微波加熱原理

微波加熱屬于內(nèi)加熱方式，是直接與反應體系中的極性分子耦合，達到靶向加熱物料的效果，并且通常進行加熱的容器多為透波材料（聚丙烯、聚四氟[fú]乙烯或玻璃等），基于電磁波作用物質(zhì)的損耗機制，結(jié)合傳熱特征和容器特殊材料等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)物料整體的同步升溫。與傳統(tǒng)加熱相比，微波加熱具有過程可控、選擇性加熱、升溫速度快、穿透力強的優(yōu)點。

非熱效應

微波的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應，如電效應、磁效應及化學效應等。在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動，使細胞膜功能受到影響，使細胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。常見的非熱效應現(xiàn)象有：促進物質(zhì)的擴散、加快致密化過程、降低反應溫度，加快反應進程、影響結(jié)晶相變過程等。

微波萃取原理

微波萃取又稱微波輔助提取，是指使用適當?shù)?a href="/hebeideji/3802369649506771880.html">溶劑在微波反應器中從植物、礦物、動物組織等中提取各種化學成分的技術(shù)和方法，除主要用于環(huán)境樣品預處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。因為各種材料的介電常數(shù)不同，所以它們對微波能量的吸收能力也不同，所產(chǎn)生的熱能和向周圍環(huán)境傳輸?shù)臒崃恳膊煌Ｎ⒉l件能對提取系統(tǒng)中的各成分進行選擇性加熱，使樣品中的有機化合物質(zhì)被高效地分離，并進入具有較低介電常數(shù)的萃取溶劑中，從而達到分離有機物的目的。

微波的產(chǎn)生

微波產(chǎn)生的原理其實是電磁振蕩，即震蕩的磁場產(chǎn)生震蕩的電場，震蕩的電場又產(chǎn)生震蕩的磁場，在反復震蕩的同時，微波就產(chǎn)生了。產(chǎn)生微波的主要器件有微波固體振蕩器（比如微波晶體管振蕩器、體效應管振蕩器、雪崩二極管振蕩器）和一些特殊的微波電子管（比如反射式速調(diào)管、磁控管和行波管等）。

常用的小功率微波振蕩器有反射速調(diào)管和體效應管振蕩器。體效應管振蕩器是利用具有雙能谷結(jié)構(gòu)的半導體材料中的負阻特性而形成的電流振蕩輸出微波的，它自20世紀六十年代誕生以后，因其具有體積小、重量輕、工作電壓低的特點，已經(jīng)逐步代替了速調(diào)管。近年來，在應用需求的推動下，高功率微波技術(shù)得到了快速的發(fā)展。高功率微波源中微波的產(chǎn)生過程可以理解為空腔或波導簡正模與電子束振蕩固有模的相互作用，當這兩模發(fā)生諧振時，微波就有效地產(chǎn)生了。常見的器件有：磁控管、回旋管、自由電子激光、行波管、返波管、速調(diào)管和契倫科夫器件等。

微波體效應振蕩器

微波體效應振蕩器（也叫耿氏二極管振蕩器），其工作原理主要是利用具有多能谷能帶結(jié)構(gòu)的半導體材料的負阻特性來產(chǎn)生微波振蕩，具有體積小、重量輕、工作電壓低的特點，比如，砷化鎵(GaAs）、磷化銦(InP)、碲化鎘(CdTe)、硒化鋅(ZnSn)、砷化銦(InAs)等，但用的最多的是GaAs。

雪崩二極管

雪崩二極管是一種典型的毫米波太赫茲固態(tài)功率源，其工作原理主要是利用在雪崩擊穿過程中強烈的非線性特性，使雪崩二極管能夠產(chǎn)生達到毫米波及太赫茲頻段的高次諧波，具有小型化、靈敏度高和響應快速等優(yōu)點，在量子通訊中有重要的應用前景。

反射速調(diào)管

反射速調(diào)管作為發(fā)送微波信號源，具有結(jié)構(gòu)簡單、振蕩比較穩(wěn)定、頻帶較寬、電子調(diào)諧范圍可達幾十兆赫、電子調(diào)諧不需要電源給出功率等優(yōu)點。

微波的傳輸

微波的傳輸要倚靠波導管來進行，其理論基礎(chǔ)實際上就是電動力學中的麥克斯韋方程加邊界條件。主要傳輸方式為視距傳播和超視距傳播。

傳輸方式

視距傳播

視距傳播就是在“看得見”的距離內(nèi)進行傳播，即發(fā)射天線與接收天線之間沒有遮擋。主要用于廣播電視、移動通信、微波中繼、無線接入、雷達等系統(tǒng)。“視距”有時也可以是極其遙遠的，例如地球與深空探測器之間的空間通信，以及射電天文臺接收天體電磁輻射信號。

超視距傳播

傳播視距大于標準大氣條件下的情況稱為超視距傳播，若實際傳播中遠大于這個視距則為超視距遠距離傳播，包括波導傳播和散射傳播。超視距傳播主要應用于海面工作的微波雷達，大數(shù)據(jù)、人工智能支撐的智能無線電系統(tǒng)等。

微波的測量

對微波各種特性的測量，主要是利用各種部件對微波的吸收效應。微波測量最基本的是頻率測量、功率測量和駐波測量。其它參量，如Q值、衰減、介電常數(shù)、阻抗、鐵磁共振線寬等的測量，都可以歸結(jié)到三種基本參量的測量中。

頻率測量

微波頻率測量中應用最多的是諧振腔法。諧振腔法應用的主要儀器是諧振腔頻率計。

吸收式頻率計擁有一個長度L可改變的諧振腔，有耦合孔與波導寬邊相連。諧振腔有其固有頻率，當移動活塞，使長度L變化時，其固有頻率也隨之變化。若此頻率與微波頻率相同，將發(fā)生諧振，即腔體對微波功率發(fā)生強烈的共振吸收。于是微波的功率監(jiān)測指示將突然變小，記下此時諧振腔長度，查該頻率計頻率校正表，即可得到微波的頻率，再由{\lambda }_{0}=\mathcal{c}/ \mathfrak{f}可算得微波在自由空間真空中的波長。

功率測量

微波功率的測量分為絕對測量和相對測量兩種。絕對測量通常是把微波功率轉(zhuǎn)換成熱能，利用傳感器，比如熱敏電阻、熱電偶等，隨熱量改變的變化來測量微波的功率。相對測量是指在不需要知道微波的絕對功率時，使用晶體檢波器進行測量其相對值的方法。

晶體檢波器的核心是一個微波二極管，可將微波信號轉(zhuǎn)換成直流電信號。調(diào)節(jié)匹配活塞和調(diào)配螺釘使二極管獲得的功率最大。檢波后，可用靈敏檢流計或微安表顯示其直流電流的大小。

駐波比測量

“駐波比”是微波測量中的一個基本量，通過它可以了解微波波導管傳輸系統(tǒng)的匹配狀態(tài)，電場分布，波導波長，阻抗，介電常數(shù)等等。

測量“駐波比”的精密儀器是測量線，是一段波導管，在寬壁中線上沿著微波傳輸方向開了一個狹槽，其長度一般為幾個波長；有一個探針可在槽中來回移動，并將一部分功率耦合出來，送到一個晶體檢波器上進行顯示，從而測量出沿槽線方向電場的相對強度分布。

應用

微波最早應用于雷達，現(xiàn)被廣泛應用于通信、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學等現(xiàn)代科技領(lǐng)域，甚至能被作為一種能源使用。此外，微波在科學研究中也是一種重要的觀測手段。例如：在導航和測距領(lǐng)域，微波技術(shù)被用于提高定位精度和測量效率；在雷達探測方面，它能夠增強目標檢測能力。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，利用微波的高速傳輸特性可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息交流。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，微波技術(shù)被應用于金屬的高頻淬火、熔煉切割，以及木材加工和茶葉干燥、面包烘焙等。此外，醫(yī)學領(lǐng)域可利用微波進行帶電粒子理療，為患者提供非侵入性的治療手段。在日常生活中，常用微波爐烹飪食物。

軍事

雷達是微波技術(shù)應用于軍事的典型例子。現(xiàn)代雷達大多是微波雷達，利用微波工作的雷達，可以使用較小的天線來獲得很窄的倍數(shù)寬度。可以獲得關(guān)于被測目標性質(zhì)的更多信息，例如機載綜合孔徑雷達具有極高的分辨率，可以獲得和光學質(zhì)量一樣的圖像。

通信

微波通信主要有地面微波接力通信和衛(wèi)星通信兩種方式。由于微波在空間是直線傳播而地球表面是個曲面，因此其傳輸距離受到限制，一般只有50km左右。若采用100m高的天線塔，傳輸距離可增大到100km。為實現(xiàn)遠距離傳輸，必須在信道的兩個終端之間建立若干個中繼站，故稱“接力通信”。微波通信具有抗災性能強的優(yōu)點，即使在自然災害如水災、風災和地震中，微波通信一般不受影響。此外，微波傳輸系統(tǒng)的組建速度快，適用于緊急情況下快速構(gòu)建臨時通信系統(tǒng)的需求。當前星地通信主要采用微波技術(shù)。而且，人們熟知的5G通信屬于微波的毫米波波段，此外微波還應用于自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、通信外車載毫米波雷達、衛(wèi)星導航定位終端、商業(yè)航天用抗輻照微波器組件等方面。

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，主要應用于食品、橡膠、塑料、化學、木材加工、造紙、印刷、卷煙等工業(yè)中。在農(nóng)業(yè)上，可以用微波進行滅蟲、育種、干燥谷物、育蠶等。例如，利用微波法快速制備和改性碳納米材料；利用微波熱效應和非熱效應的共同作用從而到達對微生物的殺滅。

生物醫(yī)學

在生物醫(yī)學領(lǐng)域，利用微波可以進行診斷疾病，例如早期肺氣腫或肺水腫，監(jiān)視重癥病人的呼吸，測量人的心動圖等。此外，微波還可以用來治療疾病，如微波理療、微波針灸、治療婦產(chǎn)科病以及冷藏器官的解凍等。例如，微波照射就是利用熱效應，對人體進行局部加熱，提高局部的新陳代謝，進而誘導產(chǎn)生一系列的物理化學變化，達到解疼鎮(zhèn)痛、抗炎藥脫敏、促進生長等作用，因此常被用于治療骨折、創(chuàng)傷、肺部和胰腺疾病等。

科學研究

由于微波所輻射的能量可與物質(zhì)發(fā)生相互作用，在近代物理領(lǐng)域中已成為一種十分重要的研究手段。使用微波直線加速器和微波頻譜儀可對原子和分子結(jié)構(gòu)進行研究；微波衍射儀可用來研究晶體結(jié)構(gòu)；微波波譜儀可測定物質(zhì)的許多基本物理量；微波諧振腔又可用來測量低損耗物質(zhì)的介質(zhì)損耗及介質(zhì)常數(shù)等。此外，背景輻射作為一種低能量的微波，在1964年由美國的兩位科學家羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）和阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）使用微波望遠鏡偶然發(fā)現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)印證了宇宙大爆炸理論，兩位科學家也因此獲得了第一個微波背景輻射方面的諾貝爾物理學獎。