0.3　微波的特点及其应用

（1）微波的特点。既然微波也是电磁波，为什么又要把微波从整个电磁波谱中划分出来专门加以研究呢？主要是因为其波长比普通无线电波小得多，相应的频率高得多，引起电磁波性质发生了变化，使得微波具有一系列不同于普通无线电波的特点。

①微波波长短：微波的波长范围为0.1mm～1m，如此短的波长与地球上的物体（如建筑物，飞机，导弹）的尺寸相比要小得多或属于同一个数量级。当波长比物体尺寸小得多时，微波的性质类似于可见光（0.76～0.40μm），称为似光特性。利用这个特性可以获得方向性很高的天线（如抛物面天线）。还可利用其直线传播的特点进行微波中继通信、无线电定位等。当微波波长与物体尺寸是属同一个数量级时，微波与声波相似，许多波导系统的元件可以在声学系统中找到相应的器件，例如：波导管相当于声学中的传声筒，号角天线相当于声学中的扬声器；各种谐振腔也可以在声学中找到相应的音响器件，如开槽天线相当于声学中的笛或箫等。

②微波振荡周期短（10-8～10-12s）：这样短的周期已和真空器件中的电子渡越时间属同一个数量级，使得常用的真空电子器件已经不能满足使用要求。下面以NPN晶体管为例加以说明。

NPN晶体管电路示意图如图0.3.1所示，其基极b接入信号如图0.3.2所示，R上的输出电压经过直流滤波后得到的交流信号为图0.3.2所示信号的放大信号。但考虑到电子渡越时间（即电子由发射极e极传输到集电极c极所需要的时间，记为Td）后，输出信号会发生严重的失真。

电子渡越时间对信号传输的影响：对交流信号而言，在T1期间发射结正偏，e极发射的电子向c极运动，若不考虑电子渡越时间，晶体管导通，R上有放大信号输出；在T2期间，发射结反偏，晶体管截止。而当需要考虑渡越时间Td时，若Td>T1，Td>T2，则

正偏时：晶体管不导通。因为Td>T1，即在T1期间电子从e极向c极运动所需的时间Td>T1，电子尚未到达c极，晶体管为截止状态。

反偏时：有一定的集电极电流。因为在T2期间，e极已经停止发射，但在T1期间发射的电子可能会因为惯性到达c极，晶体管也不截止。

这就造成输出信号严重失真。

因此微波所用的晶体管必须采用新的方法来制造。如微波电子管有速调管、磁控管和行波管等，微波固体器件有体效应管、PIN管和场效应管等。

③微波能穿透电离层：由于微波频率很高，它能穿透高空的电离层。利用这一特点可以进行卫星通信和宇航通信，这为天文观察提供了一个窗口，使射电天文学的研究成为可能。

由于太阳紫外线及宇宙射线的照射使大气层产生电离，形成多层等离子体层状结构，如图0.3.3所示，按电子密度一般可分为D层、E层、F1层和F2层，电离层是一种带电粒子层，对电磁波的传播产生严重影响。

对普通无线电波（300MHz以下的电磁波），产生极强的反射（几乎为全反射），能实现环球通信，如图0.3.4示；另一方面，普通电磁被屏蔽于地球附近，无法实现宇宙通信。

而微波由于其波长很短，能穿透电离层，则可实现宇宙通信，故称为观察宇宙之窗。在此基础上，宇宙通信、卫星通信及导航、射电天文学都得到很大的发展。

④微波具有明显的量子特性：微波像光波一样具有波粒二象性（即表征传播特性的波动性和表征能量特性的粒子性），其量子特性的能量子能量为

E=h·f　　（单位：焦［耳］，J）

其中，普朗克常量h=6.626×10-34J·s。考虑微波的频率范围300MHz～3000GHz，则微波能量子的能量E为10-6～10-2eV。这个能量范围刚好处于生物细胞精细能级的能带之中，当微波与生物体发生相互作用时，可改变生物细胞结构。利用该特性，微波被广泛的用于食品加热、医疗卫生、制药、工业生产、生物遗传学等。

由于微波具有这些特点，使微波的应用范围、研究方法、传输系统、微波元件和器件以及测量方法均与普通无线电波不同，因此把微波从普通电磁波中划分出来专门研究，尤其是近些年来其发展越来越快，新应用更是层出不穷。下面，简单介绍几种主要的应用。

（2）微波的应用。微波的实际应用相当广泛，这里介绍几种典型应用：

①雷达是微波技术最早期应用。微波雷达能够准确地测定目方位、距离和高度。它不仅用来发现敌机，跟踪和侦察导弹、宇宙火箭。导航飞机和船只，跟踪人造卫星，控制宇宙飞船飞行，而且能够测定风速、风向、雨和雪的分布、云层的高度和厚度，从而对天气进行预报；探测地下资源，测定水下目标，实现汽车防撞系统和绘制地图等。

②微波通信是微波技术的重要应用。由于微波频带宽，信息容量大，因此微波设备可用于多路通信，例如，960路、1860路等；特别是目前广泛应用的移动通信，几乎都在微波频率范围内，电视广播主要采用的也是微波频率。由于微波频率高，它既不受外界工业干扰及天电干扰的影响，又不受季节、昼夜变化的影响，因而性能稳定，通信质量高，由于微波波长短，可以用合理尺寸制作出高增益、强方向性的天线，这就提供了小功率发射机实现稳定通信的可能性；由于微波会穿透电离层，因此，不能利用电离层的反射来实现远距离通信，只能借助于微波中继通信和卫星通信来实现远距离通信。只要利用太平洋、大西洋和印度洋上空3个卫星就能进行全球通信。

③微波加热器是微波技术的新应用。在最近几十年，微波单纯作为能源，在微波技术应用发展史上是一个新突破。微波加热具有加热均匀、内外同热、加热时间短、产品质量好等优点。因此微波加热在工农业生产、食品加工和造纸工业等方面得到了广泛的应用。

④在生物医学方面，微波技术具有更广泛的应用。应用微波不仅可以诊断疾病，如诊断肺气肿、肺水肿、癌症及测量心电图等，又能用来治病，如微波理疗机和微波针灸可以治疗关节炎、风湿等疾病。

⑤微波遥感和微波全息照相。因为各种物质都会不同程度地辐射微波，因此，在人造卫星上利用微波遥感技术通过接收和处理目标的微波辐射信号可确定目标的特性，如可测定大气、海洋、土壤的成份和温度的分布等，由于微波的传播不受昼夜变化和天气变化的限制，故它优于红外和可见光遥感。

微波全息照相是利用微波能够穿透不透光的非金属介质的特性对物体进行照相的技术，保安人员可利用微波全息照相发现隐藏的手枪，利用卫星对地球作全天候微波全息照相，可及时掌握火山及冰川的活动情况、农作物的生长和病虫害情况。美国阿波罗宇宙飞船还拍摄了月球表面浮土下的地层情况，金星探测器拍摄了由不透光大气包围着的金星表面照片。

⑥科学研究方面的应用。根据各种物质对微波吸收的情况不同，可以用来研究物质内部的结构，这种技术称为微波波谱技术。有关这方面的知识称为微波波谱学；利用微波能穿透电离层并受天体反射的特点，可借助雷达来观察天体情况，为研究宇宙天体提供了新的途径，应用微波技术来研究天文现象的科学称为射电天文学和雷达天文学；利用大气对微波的吸收和反射特性，借助雷达来观察雨、雪、冰雹、雾、云等的存在和变化的情况，可以预报附近地区的天气情况，把微波技术应用于气象研究而形成一门新的科学，称为微波电气象学。

在微波广泛应用的同时，应该注意对微波辐射的防护。因为任何一个辐射源向空间辐射电磁波，除接收对象外，必然对其他区域造成干扰或污染。微波辐射对人体有害，其影响的效果随波长的增加而减小，而这种伤害主要是由于微波对人体的热效应和非热生物效应所引起的。

微波的热效应是指微波加热引起人体组织升温而产生的生理损伤，其中眼睛和睾丸部位最为敏感。人眼组织富含水分，而血液流通量少，所以，易吸收微波辐射，导致温度升高。若辐射强度超过80mW/cm2时，就会伤害人眼晶状体。当其强度达到100mW/cm2时，可以导致“微波白内障”。然而，职业性的低强度微波慢性作用可加速晶状体衰老，还可能引起视网膜改变。很多微波作业人员，还有眼疲劳或眼痛等症状。睾丸由于血液循环不良，它对电磁辐射也十分敏感，较高强度的微波辐射，可能抑止精子的生长，从而影响生育。

微波的非热生物效应是指除热效应外对人体的其他生理损伤，主要是对神经和心血管系统的影响，对于微波非热生物效应的影响和机理至今还在继续研究。为了确保人体安全，对大功率微波设备的操作人员应采取适当的防护措施，如用铜丝或铅丝等细的金属丝与柞蚕丝混合织成的防护服、围裙等，可降低辐射功率密度。还有防护眼镜、防护头盔和面罩均能有效地保护眼睛或整个头部。