微波

微波（microwave）是一種電磁波，其波長比其他無線電波短，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。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”。根據微波波長的不同，主要分為分米波、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熱。金屬類物質則會反射微波。

微波（microwave）是一種電磁波，其波長比其他無線電波短，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。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。

電磁波譜

根據微波波長的不同，主要分為分米波、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。

微波的頻率和波長范圍

300MHz至300GHz內的微波波段劃分

1873年，麥克斯韋爾在其發表的《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發表了一系列論文，他簡化了Maxwell理論中復雜的數學表達，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。

赫茲的火花隙發射機—接收機

1894年，賈加迪什·錢德拉·博斯首次產生毫米波，使用火花振蕩器產生60GHz（5毫米）波。1897年，數學物理學家LordRayleigh從數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，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xxx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xxx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，這些工作奠定了規則波導的理論基礎。

第二次世界大戰之前和期間，微波技術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和微波測量等技術的研究和發展。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兄弟發明了速調管。

速調管結構和外形圖

20世紀50年代，平面傳輸線得到廣泛關注，首先是R.Barrett發明了帶狀線，接著出現了微帶線、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所涉及的各個領域，頻段不斷提高。20世紀50年代，半導體電子技術推動了固態微波器件的發展。1964年美國裝置了xxx個空間軌道xxx雷達，用于xxx人造地球衛星或空間飛行器。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和發展，使得微波技術得以向固體化小型化方向發展；20世紀60年代末，xxx片MMIC（單片微波集成電路）被生產出來，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）上。

MMIC

1947年，美國貝爾實驗室在紐約和波士頓之間，建立了世界上xxx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。

微波通信技術的演進

1965年4月6日，由14個國家參加的“國際通信衛星財團”資助的xxx顆商業衛星“晨鳥1號（Early Bird-1）”發射，打開了太空通信的商業大門。1978年，美國發射了第1顆SAR衛星“海洋衛星”（Seasat），自此，星載SAR逐漸成為對地觀測領域的研究熱點，很多國家都陸續開展了星載SAR技術研究并制定了相應的星載SAR衛星系統發展規劃。2000年起，高功率微波技術得以快速發展，并應用于高功率雷達、 超級干擾機、等離子物理和HPM武器等領域。

HPM武器

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，其基本性質通常呈現為穿透、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熱；對金屬類東西，則會反射微波。

微波照射于介質物體時，能深入該物體內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通信和末端制導的重要手段。

微波波長非常小，當微波照射到某些物體上時，將產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獲得方向性好、 體積小的天線設備，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的基礎。

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，可達數百甚至上千兆赫茲。所以現代多路通信系統，包括衛星通信系統，幾乎無例外地都是工作在微波波段。

微波的量子能量不夠大，因而不會改變物質分子的內部結構或破壞其分子的化學鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。這一性質為探索物質的內部結構和基本特性提供了有效的研究手段。

物質吸收微波能而產生熱量的現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。而之所以能夠引起熱效應，是因為微波加熱屬于分子內加熱，反應物通過微波電磁場的改變，使得反應分子偶極化，隨著反應分子的轉動、碰撞和摩擦，將微波能量轉化為傳統的熱量來體現，從而實現體系的升溫。所以微波升溫的速率是與反應物質的極性相關的，會出現很多不同溫度的區域，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的損耗機制，結合傳熱特征和容器特殊材料等環節，實現物料整體的同步升溫。與傳統加熱相比，微波加熱具有過程可控、選擇性加熱、升溫速度快、穿透力強的優點。

微波加熱

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。微波的非熱效應主要會引起分子加速和振動、微生物細胞膜破裂、微生物體內的蛋白質及分泌酶和其他生理活性物質的變性或改變，造成微生物失去活力或死亡。常見的非熱效應現象有：促進物質的擴散、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 ，是指使用適當的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和方法。因為各種材料的介電常數不同，所以它們對微波能量的吸收能力也不同，所產生的熱能和向周圍環境傳輸的熱量也不同。微波條件能對提取系統中的各成分進行選擇性加熱，使樣品中的有機物質被高效地分離，并進入具有較低介電常數的萃取溶劑中，從而達到分離有機物的目的。

微波殺菌原理微波殺菌是微波熱效應與非熱效應共同作用的結果。微波的熱效應主要是快速升溫殺菌作用，而非熱效應則使微生物體的蛋白質和生理活性物質發生變異，從而喪失活力或死亡。

微波產生的原理其實是電磁振蕩，即震蕩的磁場產生震蕩的電場，震蕩的電場又產生震蕩的磁場，在反復震蕩的同時，微波就產生了。產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構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，已經逐步代替了速調管。近年來，在應用需求的推動下，高功率微波技術得到了快速的發展。高功率微波源中微波的產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，當這兩模發生諧振時，微波就有效地產生了。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構的半導體材料的負阻特性來產生微波振蕩，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點，在量子通訊中有重要的應用前景。反射速調管反射速調管作為發送微波信號源，具有結構簡單、振蕩比較穩定、頻帶較寬、電子調諧范圍可達幾十兆赫、電子調諧不需要電源給出功率等優點。

反射速調管的結構及工作原理圖

微波的傳輸要倚靠波導管來進行，其理論基礎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。

視距傳播視距傳播就是在“看得見”的距離內進行傳播，即發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。“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，大數據、人工智能支撐的智能無線電系統等。

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、阻抗、鐵磁共振線寬等的測量，都可以歸結到三種基本參量的測量中。

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，將發生諧振，即腔體對微波功率發生強烈的共振吸收。于是微波的功率監測指示將突然變小，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。

微波功率的測量分為xxx測量和相對測量兩種。xxx測量通常是把微波功率轉換成熱能，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xxx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

晶體檢波器的核心是一個微波二極管，可將微波信號轉換成直流電信號。調節匹配活塞和調配螺釘使二極管獲得的功率xxx。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”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的匹配狀態，電場分布，波導波長，阻抗，介電常數等等。

測量線

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。

微波最早應用于雷達，現被廣泛應用于通信、工農業生產、生物醫學等現代科技領域，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：在導航和測距領域，微波技術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。在衛星通信領域，利用微波的高速傳輸特性可以實現全球范圍內的信息交流。在工業和農業領域，微波技術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，醫學領域可利用微波進行等離子理療，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。

雷達是微波技術應用于軍事的典型例子。現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寬度。可以獲得關于被測目標性質的更多信息，例如機載綜合孔徑雷達具有極高的分辨率，可以獲得和光學質量一樣的圖像。

雷達

微波通信主要有地面微波接力通信和衛星通信兩種方式。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，微波傳輸系統的組建速度快，適用于緊急情況下快速構建臨時通信系統的需求。當前星地通信主要采用微波技術。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、物聯網、通信外車載毫米波雷達、衛星導航定位終端、商業航天用抗輻照微波器組件等方面。

5G基站

在工農業生產方面，主要應用于食品、橡膠、塑料、化學、木材加工、造紙、印刷、卷煙等工業中。在農業上，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。

微波殺菌設備

在生物醫學領域，利用微波可以進行診斷疾病，例如早期肺氣腫或肺水腫，xxx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，進而誘導產生一系列的物理化學變化，達到解疼鎮痛、抗炎脫敏、促進生長等作用，因此常被用于治療骨折、創傷、肺部和胰腺疾病等。

對肝組織進行微波加熱

由于微波所輻射的能量可與物質發生相互作用，在近代物理領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構進行研究；微波衍射儀可用來研究晶體結構；微波波譜儀可測定物質的許多基本物理量；微波諧振腔又可用來測量低損耗物質的介質損耗及介質常數等。此外，宇宙微波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現，這一發現印證了宇宙大爆炸理論，兩位科學家也因此獲得了xxx個微波背景輻射方面的諾貝爾物理學獎。

微波波譜儀

在未來的衛星太陽能電站的應用中，利用微波將其能量傳送給地面接收站。即衛星電站將接收到的太陽能變換成直流，用以產生微波能量發射到地面接收站。并將接收到的微波能量再變換成直流功率，供用戶使用。