微波技術(shù)原理及其發(fā)展與應(yīng)用

孫鳳坤+++邢澤炳

摘 要：微波技術(shù)在短短的幾十年內(nèi)已滲透到各行各業(yè)，對社會發(fā)展和人們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。文章在微波發(fā)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了微波加熱和微波滅菌兩種技術(shù)的作用機(jī)理，并對微波加熱的條件、特點(diǎn)等作出說明，另外，還包括微波技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，同時對微波技術(shù)目前存在的問題作了分析，并對微波技術(shù)的發(fā)展前景作了展望。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；微波加熱；微波滅菌；原理；應(yīng)用；前景

1 引言

微波是一種波長很短的電磁波，其波長范圍在0.1mm～1m之間，由于其最長波長值比超短波最小波長值還要短，故稱其為微波。微波具有極高的頻率，其范圍在300MHz～3000GHz之間，故微波亦稱作“超高頻電磁波”。微波整體范圍介于紅外線與超短波之間，根據(jù)微波波長范圍的不同，又可將微波分為分米波、厘米波、毫米波以及亞毫米波。微波在整個電磁波頻譜中所處的位置簡圖如圖1所示[1]。

隨著科學(xué)的發(fā)展，微波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在通信行業(yè)，如微波衛(wèi)星通信、微波散射通信、模擬微波通信和數(shù)字微波通信等。為避免微波通信頻率與工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)等的頻率相互干擾，故將微波通信頻率與其他用途的微波頻率分開使用。目前，工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)常用的微波頻率有433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz，其中915MHz和2450MHz在我國常用于工業(yè)加熱。

2 微波技術(shù)的發(fā)展歷程

微波技術(shù)的發(fā)展主要取決于微波器件的應(yīng)用和發(fā)展。早在20世紀(jì)初，就有研究人員開始了對微波理論的探索，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。但由于當(dāng)時信號發(fā)生器功率較小，加之信號接收器靈敏度較差，使得實(shí)驗(yàn)未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[2]。1936年，波導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展為微波技術(shù)的研究提供了可靠的理論及實(shí)驗(yàn)條件。美國電話電報公司的George C. Southworth.將波導(dǎo)用作寬帶傳輸線并申請了專利，同時，美國麻省理工學(xué)院的M.L.Barrow完成了空管傳輸電磁波的實(shí)驗(yàn)，這些工作為規(guī)則波導(dǎo)奠定了理論基礎(chǔ)，推動了微波技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展[3]。20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)的出現(xiàn)和使用引起了人們對微波理論和技術(shù)的高度重視，并研制了很多微波器件，在此期間，微波技術(shù)迅速發(fā)展并在實(shí)際應(yīng)用中得到認(rèn)可。但在當(dāng)時戰(zhàn)爭條件下，各國都忙于實(shí)際應(yīng)用，對微波理論的研究尚為欠缺，所以使得微波理論滯后于實(shí)際應(yīng)用。1945～1965年，微波技術(shù)的發(fā)展速度有了明顯提高，同時，其應(yīng)用范圍也更加廣泛。在這20年間，逐步開辟了微波新波段并形成了射電氣象學(xué)、射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)等一系列新的科學(xué)領(lǐng)域。比較系統(tǒng)和完整地建立了一整套微波電子學(xué)理論，為微波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展打下了理論基礎(chǔ)。1965年以后，微波集成電路與微波固體器件的發(fā)展和應(yīng)用時微波設(shè)備朝著定型化與小型化的方向發(fā)展。目前，微波設(shè)備正向著更高頻段、寬頻帶、高功率、數(shù)字化、高可靠性、小型化等方面發(fā)展，單片集成化和毫米、亞毫米波段微波的發(fā)展已成為現(xiàn)階段微波技術(shù)研究的重點(diǎn)方向[4]。

3 兩種常用的微波技術(shù)

3.1 微波加熱

3.1.1 微波加熱的原理

微波加熱是通過極性介質(zhì)材料對微波的吸收作用從而將微波的電磁能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱能來實(shí)現(xiàn)的。該轉(zhuǎn)化過程與介質(zhì)材料內(nèi)部分子的極化有密切關(guān)系。具體原理如下：當(dāng)把含有極性分子的物料置于微波電磁場中時，介質(zhì)材料中的極性分子在高頻交變的電磁場中產(chǎn)生每秒高達(dá)數(shù)億次的劇烈轉(zhuǎn)動，并隨著高頻交變電磁場的方向重新排列，極性分子這種有規(guī)律的周期性運(yùn)動必須克服相鄰分子間的干擾和阻礙，從而產(chǎn)生一種類似于摩擦的效應(yīng)。該效應(yīng)微觀結(jié)果表現(xiàn)為微波的電磁能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)材料內(nèi)的能量，而宏觀即表現(xiàn)為被加熱的物體溫度升高[5-6]。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)微波加熱的條件

由于微波加熱是一種物料在電磁場中靠自身損耗電磁能而進(jìn)行的體加熱，是基于極性分子介質(zhì)材料對微波的吸收作用而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，所以，欲實(shí)現(xiàn)微波加熱，就要求物料本身必須能夠吸收微波[5]。

（1）極性分子組成的介質(zhì)材料，吸收微波的能力比較好。例如，水分子的極性非常強(qiáng)，能夠很好地吸收微波，所以但凡含水的物質(zhì)必定能夠吸收微波，即含水的物質(zhì)一定能實(shí)現(xiàn)微波加熱。

（2）非極性分子組成的介質(zhì)材料，很少吸收甚至不吸收微波，但卻能透過微波，所以這類物質(zhì)可用作微波加熱的容器，也可用作密封材料。例如，塑料制品、玻璃、陶瓷、竹器皿、聚乙烯、聚四氟乙烯等。用這類物質(zhì)作加熱容器，微波射入后只能使食品加熱，而容器本身不會發(fā)熱。

（3）還有一種特殊的物質(zhì)不吸收微波，即金屬[4]。與光波照射到鏡面會被全部反射的特性相似，當(dāng)微波照射到金屬表面時，也會被全部反射，即微波對金屬不起作用，從而可知，金屬制品不可以用作微波加熱容器。

3.1.3 微波加熱的注意點(diǎn)

（1）由于金屬不吸收微波，并且會將照射到金屬表面的微波全部反射，所以要避免用微波對金屬膜包裝的物品或在包裝袋上印有金屬粉制圖像的物品進(jìn)行加熱，否則金屬下面的部分將不會有任何加熱效果[4]。

（2）避免在被加熱物體中混入金屬片或金屬針。不僅被加熱物體表面要求不能有金屬，而且被加熱物體內(nèi)部同樣不可混入金屬。這是因?yàn)榻饘偌舛耸俏⒉妶鲎罴械牡胤?，不僅不能實(shí)現(xiàn)正常加熱，而且還會形成尖端放電，從而在尖薄部位產(chǎn)生高熱[4]。

（3）對使用的加熱容器有選擇性。由于塑料、陶瓷、玻璃、竹器皿等非極性分子組成的材料能透過微波卻不吸收微波，所以非常適合用作加熱容器。一般情況下，用塑料或陶瓷做微波加熱容器最佳。

3.1.4 微波加熱的特點(diǎn)

（1）微波加熱的即時性[7]。由于微波加熱是將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，故為內(nèi)部加熱，不需要熱傳遞過程，且內(nèi)外同時加熱，效果均勻，瞬時即可達(dá)到高溫，方便省時。

（2）微波加熱的高效性[7]。在微波加熱過程中，只有被加熱物體自身吸收微波并轉(zhuǎn)化為熱能，而微波設(shè)備的加熱室壁是不吸收微波的金屬材料，加熱容器為幾乎不吸收微波的非極性物質(zhì)，所以，加熱設(shè)備本身和相應(yīng)的加熱容器幾乎沒有熱損失，故其熱效率非常高。

（3）微波加熱的選擇性。介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成，根據(jù)微波加熱的條件及原理，只有極性分子組成的物質(zhì)才可以吸收微波實(shí)現(xiàn)微波加熱。因此，可以利用微波加熱的這一特性來實(shí)現(xiàn)對混合物料中不同組分或不同部位的選擇性加熱[7]。

（4）微波加熱安全無害，沒有廢棄物產(chǎn)生。與采用礦物燃料燃燒進(jìn)行加熱的常規(guī)方法相比，微波加熱不產(chǎn)生二氧化碳，對環(huán)境沒有污染[7]。

（5）微波加熱時由于內(nèi)部缺乏散熱條件，所以使得內(nèi)部溫度高于外部溫度，使溫度呈現(xiàn)梯度分布，形成驅(qū)動內(nèi)部水分向表面滲透的蒸汽壓差，從而使水分蒸發(fā)的速度加快。微波的這一特性有時會使微波加熱的食品口感發(fā)生變化。例如，經(jīng)微波加熱過的饅頭口感欠佳且有一種發(fā)焦的感覺，遠(yuǎn)不如常規(guī)加熱的饅頭松軟可口。這是因?yàn)槲⒉訜崾强侩姶拍苻D(zhuǎn)化為熱能來實(shí)現(xiàn)的，加熱時并沒有水分，而加熱后的饅頭中的水分會隨溫度升高而蒸發(fā)，使饅頭中水分越來越少，故會導(dǎo)致口感較差且有種發(fā)焦的感覺。而常規(guī)加熱的饅頭一般是水蒸氣透過饅頭表面進(jìn)入芯部，使饅頭的水分越來越多，所以吃起來松軟可口，口感會比微波加熱過的饅頭好很多。利用微波加熱能使物料內(nèi)部水分遷移蒸發(fā)的這一特性，還可利用微波實(shí)現(xiàn)微波干燥。

3.2 微波滅菌

微波滅菌是利用微波對食品中微生物的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的共同作用來實(shí)現(xiàn)殺蟲滅菌目的的。微波的熱效應(yīng)是利用微波瞬時可達(dá)高溫的特性，是細(xì)菌細(xì)胞的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而使其蛋白質(zhì)發(fā)生變異而達(dá)到殺菌的目的。微波的非熱效應(yīng)又叫做生物效應(yīng)，它同樣是利用微波瞬時升溫的特性，使細(xì)菌等微生物的生理活動物質(zhì)發(fā)生變異而導(dǎo)致其生長發(fā)育異常直至死亡，從而達(dá)到殺菌保鮮的目的[4]。

微波滅菌與傳統(tǒng)滅菌相比，具有很多不可比及的優(yōu)勢。一般來說，傳統(tǒng)滅菌方法至少要達(dá)100℃以上，用時也較長，十至幾十分鐘不等。而微波滅菌溫度70～90℃即可，用時短，一般3～5分鐘即可[8]。且微波滅菌比較徹底，安全可靠，能使保質(zhì)期延長，但有些物質(zhì)經(jīng)微波滅菌后口感會欠佳。馮薇麗等比較了魚丸的微波滅菌和加熱滅菌：實(shí)驗(yàn)一：在850W功率微波的作用下持續(xù)滅菌135s；實(shí)驗(yàn)二：在98℃的水浴中加熱60min滅菌；結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩實(shí)驗(yàn)殺滅大腸桿菌的有效率均為100%；在魚丸蛋白質(zhì)含量上，兩實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，但在魚丸含水量上，微波滅菌比水浴滅菌要差很多[9]，故導(dǎo)致微波滅菌后的魚丸口感較差。

4 微波技術(shù)的應(yīng)用

4.1 微波技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

利用微波技術(shù)可進(jìn)行玉米芯水解，玉米芯是一種可再生資源，用途非常廣泛。以前，人們經(jīng)常將其作為燃料燒掉或作為廢物丟棄，造成資源的極大浪費(fèi)，同時污染環(huán)境。利用微波技術(shù)可將玉米芯水解，從而利用其制備食品添加劑和化工原料，使玉米芯得到了充分利用[10]。采用微波技術(shù)可以對番薯片[11]、花椒[12]、胡蘿卜[13]、金銀花[14]等進(jìn)行干燥，還可進(jìn)行油茶籽制油[15]。利用微波技術(shù)還可以軟化木材，改善木材的浸透性能，從而簡化木材染色、浸漬處理等工藝。微波技術(shù)還可用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測，如材料缺陷檢測、竹木產(chǎn)品含水率檢測、人造板甲醛釋放量檢測等[16]。

4.2 微波技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

利用微波技術(shù)可以檢測中藥、提取中草藥[17]的有效成分，還可利用其進(jìn)行藥丸干燥[18]等。另外，微波技術(shù)也可以用于臨床治療，現(xiàn)其已被廣泛應(yīng)用于婦科、五官科、理療科、腫瘤手術(shù)等[19]。

4.3 微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

利用微波技術(shù)處理廢水[20]、氣體污染物[21]、固體廢棄物[22]等既可以簡化操作程序，變廢為寶，又無二次污染。利用微波輻射可以對動物糞便進(jìn)行干燥，既可提高糞肥利用率，增加農(nóng)業(yè)收入，又能殺滅病原體，減小農(nóng)業(yè)污染。另外，利用微波萃取和微波消解技術(shù)可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測等[22]?？傊⒉夹g(shù)在環(huán)境保護(hù)方面具有節(jié)能省時、污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低廢棄物對環(huán)境造成的危害，其在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用也逐步受到了人們的高度重視。

4.4 微波技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

微波技術(shù)除在以上多個領(lǐng)域有重要應(yīng)用以外，其在食品行業(yè)、化學(xué)及材料行業(yè)中的應(yīng)用同樣越來越受人們重視。微波技術(shù)可用于碎礦、磨礦、礦石預(yù)處理、礦物焙燒[7]等方面。利用微波技術(shù)可以進(jìn)行水產(chǎn)品的膨化加工及消解[9]，還可用于活性炭的準(zhǔn)備與再生[23]。

隨著微波技術(shù)和微波器件的進(jìn)一步發(fā)展，微波在各個領(lǐng)域的應(yīng)用將會變得更加廣泛，而其實(shí)際應(yīng)用也會相應(yīng)推動微波理論不斷成熟。

5 微波技術(shù)存在的問題及展望

5.1 存在問題

雖然微波技術(shù)具有傳統(tǒng)方法不能比及的諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但作為一門新技術(shù)，其發(fā)展還處在初級階段，依然有許多問題亟待解決。

（1）盡管微波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，但還缺少比較系統(tǒng)的理論做基礎(chǔ)，尤其是對微波作用機(jī)理的認(rèn)識還比較膚淺，對其解釋也僅停留在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，有待使用更為精確的方法進(jìn)行檢測驗(yàn)證。所以，應(yīng)加強(qiáng)對微波技術(shù)作用機(jī)理的研究，使其成為一套比較系統(tǒng)和完整的理論體系[24]。

（2）與國外相比，我國微波設(shè)備的穩(wěn)定性尚為欠缺[25]。因此，應(yīng)加強(qiáng)微波元器件及設(shè)備的研制，提高微波器件的適應(yīng)性和兼容性，以便研制出穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的微波設(shè)備。

（3）目前，微波設(shè)備是在家用設(shè)備基礎(chǔ)上改造完成的，使其應(yīng)用和推廣受到限制，不能形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。故應(yīng)重視微波過程與各大學(xué)科題系的交叉銜接，加強(qiáng)工程化研究，逐步實(shí)現(xiàn)微波理論成果產(chǎn)業(yè)化，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)其在工業(yè)方面的應(yīng)用。

5.2 前景展望

微波技術(shù)作為一種將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的特殊導(dǎo)熱方式，不僅在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時，更向催化化學(xué)反應(yīng)、新材料微波處理等應(yīng)用發(fā)展[26]。隨著微波技術(shù)的不斷深入發(fā)展和微波理論的不斷完善，微波技術(shù)必將逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，其安全、節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)勢也必將推動其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，促進(jìn)環(huán)境友好型社會的快速發(fā)展。

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5.2 前景展望

微波技術(shù)作為一種將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的特殊導(dǎo)熱方式，不僅在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時，更向催化化學(xué)反應(yīng)、新材料微波處理等應(yīng)用發(fā)展[26]。隨著微波技術(shù)的不斷深入發(fā)展和微波理論的不斷完善，微波技術(shù)必將逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，其安全、節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)勢也必將推動其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，促進(jìn)環(huán)境友好型社會的快速發(fā)展。

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5.2 前景展望

微波技術(shù)作為一種將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的特殊導(dǎo)熱方式，不僅在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時，更向催化化學(xué)反應(yīng)、新材料微波處理等應(yīng)用發(fā)展[26]。隨著微波技術(shù)的不斷深入發(fā)展和微波理論的不斷完善，微波技術(shù)必將逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，其安全、節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)勢也必將推動其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，促進(jìn)環(huán)境友好型社會的快速發(fā)展。

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