微波

微波（microwave）是一种电磁波，其波长比其他无线电波短，介于一般无线电波与光波之间，波长范围约为1米到0.1毫米，频率范围在300MHz至3000GHz之间。因微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。根据微波波长的不同，主要分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。微波具有穿透性、似光性、信息性和非电离性等多个特点。此外，微波也具有波粒二象性，玻璃、塑料和瓷器几乎不吸收微波。水和食物等会吸收微波而使自身发热。金属类物质则会反射微波。

微波（microwave）是一种电磁波，其波长比其他无线电波短，介于一般无线电波与光波之间，波长范围约为1米到0.1毫米，频率范围在300MHz至3000GHz之间。在电磁波波谱中，微波在其低频段与普通的无线电波相连，而在其高频端与远红外线毗邻。

电磁波谱

根据微波波长的不同，主要分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。在实际应用中又将微波进一步划分，并以字母命名，常用于工程设计与科技文献中。对于30GHz以上的毫米波段，还有一种常见的命名方法，α波段：30GHz～50GHz，V波段：50GHz~75GHz，W波段：75GHz~110GHz，D波段：110GHz~170GHz。

微波的频率和波长范围

300MHz至300GHz内的微波波段划分

1873年，麦克斯韦尔在其发表的《论电学与磁学》一文中预言了以光速传播的电磁波的存在。

1885-1887年，Oliver Heaviside发表了一系列论文，他简化了Maxwell理论中复杂的数学表达，使其更加适用于应用科学，并引入矢量概念，从而奠定了波导和传输线理论。

1888年，海因里希·赫兹通过实验证明了电磁波的存在，并展示了无线电波的光学特性，如折射、衍射等。

赫兹的火花隙发射机—接收机

1894年，贾加迪什·钱德拉·博斯首次产生毫米波，使用火花振荡器产生60GHz（5毫米）波。

1897年，数学物理学家LordRayleigh从数学上证明了波可以在圆波导和矩形波导中传播，并且可能存在无限的TE和TM模，而且存在截止频率。

1901年12月12日，马可尼宣布成功地进行了跨越大西洋的无线通信。

1931年，由英国多佛尔到法国加莱建立了世界上第一条超短波通信线路。1933年，从英国的莱普尼列到法国的圣·因格列维特开通了第一条商用微波通信线路。

1936年，W.L.Barrow完成了空管传输电磁波的实验，GeorgeC.Southworth把波导用作宽带传输线，这些工作奠定了规则波导的理论基础。

第二次世界大战之前和期间，微波技术的研究焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件和微波测量等技术的研究和发展。

1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。

1937年，美国的Russell Varian和Sigurd Varian兄弟发明了速调管。

速调管结构和外形图

20世纪50年代，平面传输线得到广泛关注，首先是R.Barrett发明了带状线，接着出现了微带线、共面波导和鳍线等。这些平面传输线体积小、造价低，易于与二极管、三极管等有源器件集成，随着制作工艺的提高，已被广泛用于微波技术所涉及的各个领域，频段不断提高。

20世纪50年代，半导体电子技术推动了固态微波器件的发展。

1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。

1965年以后，由于微波固体器件、固体集成电路和固体平面电路的出现和发展，使得微波技术得以向固体化小型化方向发展；

20世纪60年代末，第一片MMIC（单片微波集成电路）被生产出来，其将传输线、有源器件和其他元件集成在一片半导体基片（介质）上。

MMIC

1947年，美国贝尔实验室在纽约和波士顿之间，建立了世界上第一条模拟微波通信线路。在此之后，澳大利亚、英国、加拿大、法国、意大利和日本等国家都在本国的主干路由上安装了微波接力通信系统。

微波通信技术的演进

1965年4月6日，由14个国家参加的“国际通信卫星财团”资助的第一颗商业卫星“晨鸟1号（Early Bird-1）”发射，打开了太空通信的商业大门。

1978年，美国发射了第1颗SAR卫星“海洋卫星”（Seasat），自此，星载SAR逐渐成为对地观测领域的研究热点，很多国家都陆续开展了星载SAR技术研究并制定了相应的星载SAR卫星系统发展规划。

2000年起，高功率微波技术得以快速发展，并应用于高功率雷达、 超级干扰机、等离子物理和HPM武器等领域。

HPM武器

微波具有穿透性、似光性、信息性和非电离性等多个特点。此外，微波也具有波粒二象性，其基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。例如：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；对金属类东西，则会反射微波。

微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。

微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、 体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。

微波波段具有巨大的信息容量，即使在相对较小的带宽情况下，可用的频带也非常宽广，可达数百甚至上千兆赫兹。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。

微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。这一性质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。

物质吸收微波能而产生热量的现象被称为微波的热效应。微波热效应有2种机理：一种是电导损耗机理，另一种是偶极子极化松驰损耗机理。而之所以能够引起热效应，是因为微波加热属于分子内加热，反应物通过微波电磁场的改变，使得反应分子偶极化，随着反应分子的转动、碰撞和摩擦，将微波能量转化为传统的热量来体现，从而实现体系的升温。所以微波升温的速率是与反应物质的极性相关的，会出现很多不同温度的区域，而且微波反应大多是在密闭的黑箱中反应，升温过程不存在热量的损失，微波条件下可以达到快速升温。

微波加热原理

微波加热属于内加热方式，是直接与反应体系中的极性分子耦合，达到靶向加热物料的效果，并且通常进行加热的容器多为透波材料（聚丙烯、聚四氟乙 烯或玻璃等），基于电磁波作用物质的损耗机制，结合传热特征和容器特殊材料等环节，实现物料整体的同步升温。与传统加热相比，微波加热具有过程可控、选择性加热、升温速度快、穿透力强的优点。

微波加热

微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等。微波的非热效应主要会引起分子加速和振动、微生物细胞膜破裂、微生物体内的蛋白质及分泌酶和其他生理活性物质的变性或改变，造成微生物失去活力或死亡。常见的非热效应现象有：促进物质的扩散、加快致密化过程、降低反应温度，加快反应进程、影响结晶相变过程等。

微波萃取原理

微波萃取又称微波辅助提取 ，是指使用适当的溶剂在微波反应器中从植物 、矿物 、动物组织等中提取各种化学成分的技术和方法。因为各种材料的介电常数不同，所以它们对微波能量的吸收能力也不同，所产生的热能和向周围环境传输的热量也不同。微波条件能对提取系统中的各成分进行选择性加热，使样品中的有机物质被高效地分离，并进入具有较低介电常数的萃取溶剂中，从而达到分离有机物的目的。

微波杀菌原理

微波杀菌是微波热效应与非热效应共同作用的结果。微波的热效应主要是快速升温杀菌作用，而非热效应则使微生物体的蛋白质和生理活性物质发生变异，从而丧失活力或死亡。

微波产生的原理其实是电磁振荡，即震荡的磁场产生震荡的电场，震荡的电场又产生震荡的磁场，在反复震荡的同时，微波就产生了。产生微波的主要器件有微波固体振荡器（比如微波晶体管振荡器、体效应管振荡器、雪崩二极管振荡器）和一些特殊的微波电子管（比如反射式速调管、磁控管和行波管等）。

常用的小功率微波振荡器有反射速调管和体效应管振荡器。体效应管振荡器是利用具有双能谷结构的半导体材料中的负阻特性而形成的电流振荡输出微波的，它自20世纪六十年代诞生以后，因其具有体积小、重量轻、工作电压低的特点，已经逐步代替了速调管。近年来，在应用需求的推动下，高功率微波技术得到了快速的发展。高功率微波源中微波的产生过程可以理解为空腔或波导简正模与电子束振荡固有模的相互作用，当这两模发生谐振时，微波就有效地产生了。常见的器件有：磁控管、回旋管、自由电子激光、行波管、返波管、速调管和契伦科夫器件等。

微波体效应振荡器

微波体效应振荡器（也叫耿氏二极管振荡器），其工作原理主要是利用具有多能谷能带结构的半导体材料的负阻特性来产生微波振荡，具有体积小、重量轻、工作电压低的特点，比如，砷化镓(GaAs）、磷化铟(InP)、碲化镉(CdTe)、硒化锌(ZnSn)、砷化铟(InAs)等，但用的最多的是GaAs。

雪崩二极管

雪崩二极管是一种典型的毫米波太赫兹固态功率源，其工作原理主要是利用在雪崩击穿过程中强烈的非线性特性，使雪崩二极管能够产生达到毫米波及太赫兹频段的高次谐波，具有小型化、灵敏度高和响应快速等优点，在量子通讯中有重要的应用前景。

反射速调管

反射速调管作为发送微波信号源，具有结构简单、振荡比较稳定、频带较宽、电子调谐范围可达几十兆赫、电子调谐不需要电源给出功率等优点。

反射速调管的结构及工作原理图

微波的传输要倚靠波导管来进行，其理论基础实际上就是电动力学中的麦克斯韦方程加边界条件。主要传输方式为视距传播和超视距传播。

视距传播

视距传播就是在“看得见”的距离内进行传播，即发射天线与接收天线之间没有遮挡。主要用于广播电视、移动通信、微波中继、无线接入、雷达等系统。“视距”有时也可以是极其遥远的，例如地球与深空探测器之间的空间通信，以及射电天文台接收天体电磁辐射信号。

超视距传播

传播视距大于标准大气条件下的情况称为超视距传播，若实际传播中远大于这个视距则为超视距远距离传播，包括波导传播和散射传播。超视距传播主要应用于海面工作的微波雷达，大数据、人工智能支撑的智能无线电系统等。

对微波各种特性的测量，主要是利用各种部件对微波的吸收效应。微波测量最基本的是频率测量、功率测量和驻波测量。其它参量，如Q值、衰减、介电常数、阻抗、铁磁共振线宽等的测量，都可以归结到三种基本参量的测量中。

微波频率测量中应用最多的是谐振腔法。谐振腔法应用的主要仪器是谐振腔频率计。

吸收式谐振腔频率计

吸收式频率计拥有一个长度L可改变的谐振腔，有耦合孔与波导宽边相连。谐振腔有其固有频率，当移动活塞，使长度L变化时，其固有频率也随之变化。若此频率与微波频率相同，将发生谐振，即腔体对微波功率发生强烈的共振吸收。于是微波的功率监测指示将突然变小，记下此时谐振腔长度，查该频率计频率校正表，即可得到微波的频率，再由{lambda }_{0}=mathcal{c}/ mathfrak{f}可算得微波在自由空间真空中的波长。

微波功率的测量分为绝对测量和相对测量两种。绝对测量通常是把微波功率转换成热能，利用传感器，比如热敏电阻、热电偶等，随热量改变的变化来测量微波的功率。相对测量是指在不需要知道微波的绝对功率时，使用晶体检波器进行测量其相对值的方法。

晶体检波器

晶体检波器的核心是一个微波二极管，可将微波信号转换成直流电信号。调节匹配活塞和调配螺钉使二极管获得的功率最大。检波后，可用灵敏检流计或微安表显示其直流电流的大小。

“驻波比”是微波测量中的一个基本量，通过它可以了解微波波导管传输系统的匹配状态，电场分布，波导波长，阻抗，介电常数等等。

测量线

测量“驻波比”的精密仪器是测量线，是一段波导管，在宽壁中线上沿着微波传输方向开了一个狭槽，其长度一般为几个波长；有一个探针可在槽中来回移动，并将一部分功率耦合出来，送到一个晶体检波器上进行显示，从而测量出沿槽线方向电场的相对强度分布。

微波最早应用于雷达，现被广泛应用于通信、工农业生产、生物医学等现代科技领域，甚至能被作为一种能源使用。此外，微波在科学研究中也是一种重要的观测手段。例如：在导航和测距领域，微波技术被用于提高定位精度和测量效率；在雷达探测方面，它能够增强目标检测能力。在卫星通信领域，利用微波的高速传输特性可以实现全球范围内的信息交流。在工业和农业领域，微波技术被应用于金属的高频淬火、熔炼切割，以及木材加工和茶叶干燥、面包烘焙等。此外，医学领域可利用微波进行等离子理疗，为患者提供非侵入性的治疗手段。在日常生活中，常用微波炉烹饪食物。

雷达是微波技术应用于军事的典型例子。现代雷达大多是微波雷达，利用微波工作的雷达，可以使用较小的天线来获得很窄的倍数宽度。可以获得关于被测目标性质的更多信息，例如机载综合孔径雷达具有极高的分辨率，可以获得和光学质量一样的图像。

雷达

微波通信主要有地面微波接力通信和卫星通信两种方式。由于微波在空间是直线传播而地球表面是个曲面，因此其传输距离受到限制，一般只有50km左右。若采用100m高的天线塔，传输距离可增大到100km。为实现远距离传输，必须在信道的两个终端之间建立若干个中继站，故称“接力通信”。微波通信具有抗灾性能强的优点，即使在自然灾害如水灾、风灾和地震中，微波通信一般不受影响。此外，微波传输系统的组建速度快，适用于紧急情况下快速构建临时通信系统的需求。当前星地通信主要采用微波技术。而且，人们熟知的5G通信属于微波的毫米波波段，此外微波还应用于自动驾驶、物联网、通信外车载毫米波雷达、卫星导航定位终端、商业航天用抗辐照微波器组件等方面。

5G基站

在工农业生产方面，主要应用于食品、橡胶、塑料、化学、木材加工、造纸、印刷、卷烟等工业中。在农业上，可以用微波进行灭虫、育种、干燥谷物、育蚕等。例如，利用微波法快速制备和改性碳纳米材料；利用微波热效应和非热效应的共同作用从而到达对微生物的杀灭。

微波杀菌设备

在生物医学领域，利用微波可以进行诊断疾病，例如早期肺气肿或肺水肿，监视重症病人的呼吸，测量人的心动图等。此外，微波还可以用来治疗疾病，如微波理疗、微波针灸、治疗妇产科病以及冷藏器官的解冻等。例如，微波照射就是利用热效应，对人体进行局部加热，提高局部的新陈代谢，进而诱导产生一系列的物理化学变化，达到解疼镇痛、抗炎脱敏、促进生长等作用，因此常被用于治疗骨折、创伤、肺部和胰腺疾病等。

对肝组织进行微波加热

由于微波所辐射的能量可与物质发生相互作用，在近代物理领域中已成为一种十分重要的研究手段。使用微波直线加速器和微波频谱仪可对原子和分子结构进行研究；微波衍射仪可用来研究晶体结构；微波波谱仪可测定物质的许多基本物理量；微波谐振腔又可用来测量低损耗物质的介质损耗及介质常数等。此外，宇宙微波背景辐射作为一种低能量的微波，在1964年由美国的两位科学家罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）和阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）使用微波望远镜偶然发现，这一发现印证了宇宙大爆炸理论，两位科学家也因此获得了第一个微波背景辐射方面的诺贝尔物理学奖。

微波波谱仪

在未来的卫星太阳能电站的应用中，利用微波将其能量传送给地面接收站。即卫星电站将接收到的太阳能变换成直流，用以产生微波能量发射到地面接收站。并将接收到的微波能量再变换成直流功率，供用户使用。

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