我國微波的應(yīng)用現(xiàn)狀研究＊

劉 飛，韓思學(xué)，韓委吶，蘇智敏，白 靜，黃婧禹，楊大堅△

（1.重慶市中藥研究院大健康中心中藥健康學(xué)重慶市重點實驗室，重慶 400065；2.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心重慶分中心，重慶 400065）

微波是一種頻率范圍在300MHz～300GHz 的電磁波[1]。由于微波頻譜寬，傳播時不易受環(huán)境影響，反應(yīng)速度快、對公眾健康無顯著輻射危害等特點[2]，在人們?nèi)粘Ｉ詈蛧窠?jīng)濟發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。為系統(tǒng)掌握我國在微波領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，本研究通過Soopat 網(wǎng)站（http://www.soopat.com/）查詢我國以“微波”為關(guān)鍵詞的專利發(fā)明大數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)微波的應(yīng)用特征[3]，并以“微波加熱”“微波檢（探）測”和“微波通訊（信）”三大領(lǐng)域的相關(guān)專利和文獻研究內(nèi)容為依據(jù)說明微波在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 研究方法

在Soopat 網(wǎng)站（http://www.soopat.com/）上輸入關(guān)鍵詞“微波”，以SooPAT 模式開展搜索（截止時間是2020 年2 月29 日14 點）。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)在Soopat 網(wǎng)站（http://www.soopat.com/）上輸入關(guān)鍵詞“微波加熱”；“微波檢測”“微波探測”；“微波通信”和“微波通訊”（截止時間是2020 年3 月6 日14點）。統(tǒng)計時，將“微波檢測”和“微波探測”的專利數(shù)相加獲得微波檢（探）測（簡稱“檢測”）的專利數(shù)；將“微波通信”和“微波通訊”的專利數(shù)相加獲得微波通信（訊）（簡稱“通訊”）的專利數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有關(guān)微波的專利現(xiàn)狀

從表1 可見，關(guān)于微波的專利統(tǒng)計包括發(fā)明、實用新型、外觀設(shè)計和發(fā)明授權(quán)，總數(shù)高達(dá)133015 項。

其中發(fā)明最多，有76832 項；其次是實用新型，有26215 項；外觀設(shè)計最少，僅有4724 項。在眾多專利中，有權(quán)的專利有50020 項，占微波專利總數(shù)的37.6%，由此可見微波專利的有權(quán)率較低。處于公開階段和實審階段的專利分別有2538 項和25072 項，這兩個階段的專利數(shù)量之和占微波專利總數(shù)的20.8%，表明有關(guān)微波的內(nèi)容也是專利申請的熱點。除有權(quán)的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數(shù)量約占專利總數(shù)的40%，這一結(jié)果表明，微波專利的有效率并不高。

2.2 微波在加熱領(lǐng)域的應(yīng)用

從表2 可見，關(guān)于微波加熱的專利總數(shù)高達(dá)13340 項。其中發(fā)明專利最多，有7873 項，占專利總數(shù)的59.0%；實用新型和發(fā)明授權(quán)的專利數(shù)量分別為2637 項和2755 項，分別占專利總數(shù)的19.8%和20.7%；外觀設(shè)計的專利最少，僅有75 項，占專利總數(shù)的0.6%。在眾多微波加熱專利中，有權(quán)的專利有5105 項，占微波加熱專利總數(shù)的38.3%，由此可見微波加熱專利的有權(quán)率較低。處于公開階段和實審階段的專利分別有328 項和2689 項，這兩個階段的專利數(shù)量之和占微波加熱專利總數(shù)的22.6%，表明有關(guān)微波加熱方面的應(yīng)用也是專利申請的熱點。除了有權(quán)的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數(shù)量約占微波加熱專利總數(shù)的40%。這一結(jié)果表明，微波加熱專利的有效率也并不高。

表1 有關(guān)微波總的專利情況

表2 有關(guān)微波在加熱、檢測和通訊三大領(lǐng)域的專利統(tǒng)計

在微波加熱的相關(guān)專利中，有關(guān)微波爐的專利較多，截止2020 年3 月5 日14 點共搜索到18569項。其中發(fā)明專利最多，為8596 項，占微波爐專利數(shù)量的46.3%；其次是實用新型專利，有3867 項，占微波爐專利數(shù)量的20.8%；外觀設(shè)計和發(fā)明授權(quán)專利分別為3075 項和3023 項，分別占微波爐專利數(shù)量的16.6%和16.3%。

微波是高頻電磁波。在微波的電磁場作用下，被加熱物質(zhì)的分子運動由原來雜亂無章的狀態(tài)變成有序的高頻振動，分子動能轉(zhuǎn)變成熱能，達(dá)到均勻加熱的目的[4]，具有加熱的即時性、整體性、選擇性、高效性和安全性的特點。微波在加熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要反映在微波加熱與解凍，微波改性，微波干燥，微波滅菌與殺蟲等方面[5]。具體如下：

2.2.1 在食品加工方面的應(yīng)用

微波滅菌是食品加工領(lǐng)域的前沿技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用前景[6]。乳品加熱或滅菌時，與傳統(tǒng)方式相比，采用微波法更能保留乳品本來的風(fēng)味和品質(zhì)，而且能有效殺滅乳品中的微生物；另外，微波加熱還可以促進乳業(yè)廢物的降解[7]。張淼等[8]在研究芝麻醬的制作工藝時發(fā)現(xiàn)，以脫皮芝麻通過微波加熱、膠體磨碾磨制得的產(chǎn)品感官最好。楊登玲等[9]在加工鴨肉時發(fā)現(xiàn)微波加熱中低火檔環(huán)境下鴨肉的食鹽及水分?jǐn)U散最佳。

2.2.2 在冶金工業(yè)方面的應(yīng)用

利用微波加熱來熔煉金屬，不僅可以提高熔煉效率，節(jié)約能源，還可以減少原材料的浪費[10]。尤其是在粉末冶金領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[11-12]。不僅如此，通過微波冶煉后的金屬材料還會出現(xiàn)熱性能、工程性能、聲學(xué)性能等方面的性能優(yōu)化，使材料具有更細(xì)致的微觀結(jié)構(gòu)[13]。朱路路等[14]以黃鐵礦礦石、方解石為研究對象探究微波作用下礦石強度弱化的機理，結(jié)果表明，黃鐵礦為微波吸收型，內(nèi)部溫度呈線性增長；方解石性質(zhì)影響應(yīng)力峰值以及初始裂紋的產(chǎn)生；黃鐵礦顆粒粒度大，礦石以剪切屈服為主，反之，以拉伸屈服為主。

2.2.3 在新材料制備方面的應(yīng)用

微波高溫加熱技術(shù)被認(rèn)為是本世紀(jì)最有可能取代傳統(tǒng)外部加熱技術(shù)而應(yīng)用于材料制備的先進技術(shù)[15]。杜兆林等[16]通過微波加熱的方式來提高木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的改性效果，從而有利于提高木質(zhì)纖維素對重金屬的吸附能力。楊繼年等[17-19]綜述了微波加熱技術(shù)在分子篩、分子篩膜、高分子泡沫材料、碳材料和金屬有機框架材料等方面的應(yīng)用，與傳統(tǒng)加熱技術(shù)比較，微波加熱可以大幅度縮短制備時間，改善產(chǎn)品性能。賈榮仙等[20]采用微波加熱法將殼聚糖與氯乙酸發(fā)生醚化改性反應(yīng)，得到可用于水果保鮮的羧甲基殼聚糖。李淑貞等[21]采用微波輔助加熱法成功制備鈦白產(chǎn)品，超越了在相同的水解和煅燒條件下，傳統(tǒng)工業(yè)堿中和法與稀釋水解法均只能得到銳鈦型鈦白的工藝效果。劉霄昱等[22]以球形石墨作為吸波升溫載體，微波加熱制備了一種具有兩層包覆空腔結(jié)構(gòu)的Fe-Mn-Co-Cu 復(fù)合尖晶石相紅外輻射材料。楊博宇等[23]以包頭鐵尾礦、金礦尾礦為主要原料，以白云鄂博礦尾礦中含有的Fe2O3和CaF2為形核劑，采用玻璃熔制-微波熱處理方法制備出以輝石相為主晶相的尾礦微晶玻璃，并廣泛應(yīng)用于化工、電力、建材等行業(yè)。

2.2.4 在生物質(zhì)能源方面的應(yīng)用

生物質(zhì)能源是可替代石油和天然氣的新一代清潔能源[24]，而生物質(zhì)的微波熱裂解又是該領(lǐng)域中具有超強發(fā)展前景的技術(shù)，包括生物質(zhì)微波熱解制油技術(shù)、生物質(zhì)微波熱解制取生物炭技術(shù)、生物質(zhì)微波熱解制取合成氣技術(shù)等等[25]。在頁巖油的制備過程中，與常規(guī)熱解工藝相比，微波熱解生成的頁巖油組成更好，產(chǎn)率更高[26，27]。張彥軍等[28]使用碳基材料和金屬氧化物作為微波吸收劑進行強化微波熱解，不但可以提高煤焦油和煤氣有價組分(CO+CH4+H2)的產(chǎn)率，而且可以充分發(fā)揮微波加熱技術(shù)節(jié)能高效的優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上如果給予富氫條件，還可以改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高煤焦油產(chǎn)率。

2.2.5 在化學(xué)工藝方面的應(yīng)用

微波在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[29]，李維新等[30]采用微波控溫輔助超聲波的方法提高了管萼山豆根莖中總生物堿的提取率。朱榮淑等[31]研究發(fā)現(xiàn)，微波加熱α-MnO2，不僅可以快速低耗地催化甲苯和O3的反應(yīng)，而且具有很好的去除甲苯和O3的效果。張建兵等[32]采用微波免疫組化染色方法可明顯縮短乳癌雌、孕激素受體的免疫標(biāo)記時間，提高檢測效率。同樣，微波法可以縮短在結(jié)核病患者血清中結(jié)素蛋白多肽抗體含量的時間[33]、縮短血吸蟲病血清抗體的檢測時間[34]、縮短豬瘟抗體的檢測時間[35]、縮短檢測獻血者的HBsAg[36]。在酶催化反應(yīng)中，微波可以影響酶催化反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率，影響酶促反應(yīng)選擇性與專一性，還影響酶的結(jié)構(gòu)和活性[37]。丁梁斌[38]研究發(fā)現(xiàn)在甘油處理的基礎(chǔ)上聯(lián)合微波加熱預(yù)處理可以明顯改善稻草粉的酶解效果。

另外，微波加熱可以治療腫瘤[39]；可以實現(xiàn)陶瓷材料的制備、加工及修復(fù)[40]等功能。

2.3 微波在檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

從表2 可見，關(guān)于微波檢測的專利總數(shù)高達(dá)1584 項。其中發(fā)明專利最多，有713 項，占微波檢測專利總數(shù)的45.0%；其次是實用新型的專利數(shù)，為662 項，占微波檢測專利總數(shù)的41.8%；外觀設(shè)計和發(fā)明授權(quán)的專利數(shù)量分別為31 項和178 項，分別占微波檢測專利總數(shù)的2.0%和11.2%。在眾多微波檢測專利中，有權(quán)的專利有684 項，占微波檢測專利總數(shù)的43.2%，由此可見微波檢測專利的有權(quán)率較高。處于公開階段和實審階段的專利分別有19項和251 項，處于這兩個階段的專利數(shù)量之和占微波檢測專利總數(shù)的17.0%，表明近年來有關(guān)微波檢測的專利申請并不是熱點。除了有權(quán)的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數(shù)量約占微波檢測專利總數(shù)的40%，這一結(jié)果表明，微波檢測專利的有效率也并不高。

微波檢測的基本原理綜合了微波與物質(zhì)的相互作用。一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射等多種物理現(xiàn)象；另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，如產(chǎn)生極化等現(xiàn)象。由于材料的電磁參數(shù)是材料自身多個因素的函數(shù)，因此根據(jù)微波場的變化可以推斷出被檢材料的質(zhì)量狀況[3，41]。微波遙感首先應(yīng)用于國防工業(yè)領(lǐng)域[41]，目前已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟發(fā)展的多個領(lǐng)域。

2.3.1 在金屬檢測方面的應(yīng)用

閏文輝等[42]發(fā)現(xiàn)采用36.75GHz 頻率的微波信號，可以獲得最佳的玻璃鋼抽油桿缺陷反射信號波和穿透信號波，從而實現(xiàn)玻璃鋼抽油桿破損的檢測。類似的檢測原理還用于汽車潤滑油中磨粒的監(jiān)測[43]。王任玉等[44]在探測金屬表面不同的裂縫時發(fā)現(xiàn)，對同一深度（或?qū)挾龋┑牧芽p，介電顆粒諧振頻率隨著裂縫寬度（深度）增大向低頻移動，并且諧振頻率的變化率也隨裂縫寬度（深度）增大而減小。周在杞等[1]基于電磁導(dǎo)波原理測定長管中管壁厚薄的變化量，從而實現(xiàn)微波對金屬管較高精度的質(zhì)量評價。

2.3.2 在醫(yī)療方面的應(yīng)用

微波在醫(yī)療方面的應(yīng)用主要是腫瘤檢測，其中又以乳腺腫瘤檢測為主[45、46]。與其他的組織相比，正常的乳房組織對微波具有更高的透明度；而且與其他癌癥不同，乳腺腫瘤在微波波段與健康的乳房組織之間有著明顯不同的電學(xué)特性，微波更容易穿透乳房。董夏晨等[47]在利用徽波近場檢測乳腺腫瘤的基礎(chǔ)上成功開發(fā)出一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠完成采樣數(shù)據(jù)的反演計算并可輸出能被人眼辨別的組織圖像，這一成果提高了微波檢測乳腺癌的效率。李而周等[48]根據(jù)食管解剖位置和食管癌發(fā)病特點，發(fā)現(xiàn)微波檢測對食管癌的診斷有一定的幫助。另外在醫(yī)療救助時，救援人員可以從受災(zāi)人體表面微動引起的回波信號判斷人體的生命參數(shù)[49]。

2.3.3 在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

微波在農(nóng)業(yè)上的檢測應(yīng)用也十分廣泛。在糧食害蟲檢測方面，胡麗華等[50]根據(jù)微波信號遇到移動物體反射后產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)來判斷害蟲的有無。劉豪等[51]根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的傳播路徑、波形和電磁場強度隨所通過介質(zhì)的介電常數(shù)及幾何形態(tài)的差異而變化的特點來進行目標(biāo)識別。針對微波透射過糧食后，其反射波的能量衰減，信號參數(shù)變化與介電常數(shù)及糧食水分含量之間的關(guān)系，不少學(xué)者[52-54]構(gòu)建了儲糧水分的精準(zhǔn)檢測模型。

2.3.4 在復(fù)合材料方面的應(yīng)用

對復(fù)合材料的無損檢測，包括檢測其中的氣孔缺陷、粘脫以及厚度均勻性等。趙麗生[55]采用微波駐波法或反射波法測量了非金屬復(fù)合材料薄片的厚度。陸榮林等[56]以特定的微波頻率檢測出玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中2mm 的氣孔缺陷，但對孔徑為1mm 的缺陷檢測精度不高。樊明捷等[57]研究發(fā)現(xiàn)多層復(fù)合材料的粘結(jié)缺陷空氣層厚度處于0～3mm 時，微波檢測到的相位平均變化為2.2°，據(jù)此可以測量多層粘合材料的層間脫粘厚度。波的傳播常數(shù)變化與復(fù)合材料的不均勻程度密切相關(guān)，通過透射波法檢測復(fù)合材料電磁參數(shù)的變化，從而判斷非金屬復(fù)合材料的不均勻性[57]。

另外，微波還在工業(yè)鍋爐燃燒中飛灰含碳量的檢測[58]、動靜車輛[59]的實時檢測、地下考古[60]、氣象預(yù)測預(yù)報[61]，以及海洋、冰雪、空間探測[62]等方面得到廣泛應(yīng)用。

2.4 微波在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用

從表2 可見，關(guān)于微波通訊的專利總數(shù)為2040項。其中發(fā)明專利和實用新型專利數(shù)量相當(dāng)，分別為802 項和803 項，分別占微波通訊專利總數(shù)的39.3%和39.4%；其次是發(fā)明授權(quán)的專利數(shù)，為299項，占微波通訊專利總數(shù)的14.7%；外觀設(shè)計的專利數(shù)量為136 項，占微波通訊專利總數(shù)的6.7%。在眾多微波通訊專利中，有權(quán)的專利有912 項，占微波通訊專利總數(shù)的44.7%，由此可見微波通訊專利的有權(quán)率較高。處于公開階段和實審階段的專利分別有25 項和214 項，處于這兩個階段的專利數(shù)量之和占微波通訊專利總數(shù)的11.7%，表明近年來有關(guān)微波通訊的專利申請并不是熱點。除了有權(quán)的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數(shù)量約占微波通訊專利總數(shù)的43.6%。這一結(jié)果表明，微波通訊專利的有效率也并不高。

微波是在視距范圍內(nèi)的直線傳播，40km～50km是其有效的通信距離。只有當(dāng)發(fā)射地點和接收地點之間無阻擋時，微波信息才能成功接收。微波通信具有穿透性好、信息量大、經(jīng)濟成本小、應(yīng)用廣泛的特點；微波傳播在一定程度上也受到環(huán)境和天氣的影響，可以采用接力棒式的組網(wǎng)方式進行中繼傳輸[63]。

目前微波傳輸技術(shù)主要用于基站回傳和應(yīng)急通信[64]。例如，在地面城市之間進行中短距離通信可以利用微波通信頻率寬的特點，在多個城市之間或者樓宇之間組建基于微波的局域網(wǎng)，實現(xiàn)地域內(nèi)多單位實時通信。另外，由于微波通信設(shè)備供電靈活，受地面災(zāi)害影響小等優(yōu)勢，在應(yīng)急通信的領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[65]。

除視距范圍內(nèi)的微波通信外，微波超視距傳播具有較大的實際應(yīng)用價值。它是基于對流層大氣超折射和散射機制，可實現(xiàn)數(shù)百千米的遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測或無中繼微波超視距遠(yuǎn)距離通信[66]，衛(wèi)星通信也是微波通信的一種[65]。

3 結(jié)論

統(tǒng)計結(jié)果表明，微波是現(xiàn)階段專利申請的熱點；但是有關(guān)微波加熱方面專利的有權(quán)率和有效率都較低；而有關(guān)微波檢測和微波通訊方面專利的有權(quán)率都較高，但有效率都較低。通過文獻研究發(fā)現(xiàn)，微波在我國加熱領(lǐng)域、檢測領(lǐng)域和通訊領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，但是微波在我國發(fā)展的約30 年時間里，雖然縮短了與國際上的發(fā)展距離，尚有許多應(yīng)用的未知領(lǐng)域亟待研究與開發(fā)[62]。