微波的特性及其應用
——概述微波的幾個特殊性質
微波是一種電磁波，它在電磁波中處于什么位置？有哪些特殊的性質？這些特殊性質有什么實際應用？
一．電磁波的分類
機械波是機械振動產生的，例如聲波，機械波傳播的是機械能。
電磁波是電磁振蕩產生的，傳播的是電磁能。
所有的波都是用波長或頻率進行分類的。波長的單位：米（m）=1000毫米（mm），1毫米（mm）=1000微米（μm），1微米=1000納米(nm)。頻率單位：赫茲（Hz），千赫茲，兆赫茲(MHz)，吉兆赫（GHz）等。
波長和其頻率的關系是：波長越長，波的頻率越低；波長越短頻率越高。
電磁波有很多種類 ，大家所熟知的電磁波，按波長分類為：
工頻電磁波＞無線電波＞紅外線＞可見光＞紫外線＞X射線＞γ射線。
無線電波的波長和頻率范圍
無線電波分布在3Hz到3000GHz的頻率范圍之間，其波長在 3000米～0.3毫米之間。
無線電波的穿透性弱。它可以在地面傳播，也可以通過電離層反射傳播.
紅外線的波長和頻率范圍
紅外線的波長為0.75～1000μm。
紅外線可分為三部分：近紅外線，中紅外線，遠紅外線.
紅外線的穿透性比無線電波強，它可以穿透原子間的空隙，但不能破壞原子結構；它能穿透電離層，它不能通過電離層發射傳播。
可見光的波長和頻率范圍如下：
可見光從紅色到紫色，其波長在 0.7（μm）～0.4（μm）之間。
紫外線 ，其波長為0.4微米～10毫微米。紫外線能夠破壞部分原子和分子結構。
波長比紫外線短的波，波長越短，其對原子結構的破壞力越強。
X射線 其波長為10毫微米～0.1毫微米,
γ射線 其波長為0.1毫微米～0.001毫微米,
高能射線 其波長小于0.001毫微米.
二．無線電波有很多種，不同波段無線電波
具有不同的傳播特性和用途
.三。微波的特殊性質
正如納米材料那樣，其尺寸接近分子，于是納米材料除了具有材料的宏觀特性之外，還具有一些神奇的微觀特性。
微波的波長是無線電波中最小的，它除了具有一般無線電波的性質之外；還具有一些與一般無線電波不同的特殊的性質。
1.似光性
微波波長非常短，當微波照射到某些特殊物體例如金屬物體上時，會產生顯著的反射和折射，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，能像光線一樣地容易集中。
微弱的微波信號可以用拋物面聚焦加強，例如微波接受天線。要發射的微波也可以利用拋物面集中且定向發射。
光波可以用光纖導向，光纖是光波的波導管。微波也可以用波導管導向，微波波導管根據應用的需要可以制成各種各樣的形狀。
微波也可以集中且定向發射，制成微波武器。
2.穿透性
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。而對金屬類東西，則會完全反射微波。
微波能穿透生物體表層，穿透深度與波長是同量級的，醫學界常用微波做表層加熱治療。
在可發射可接受的無線電波中，只有微波能穿透電離層，于是人類用微波探測外層空間，射電望遠鏡就是用來發射和接受外太空的微波的。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。
3.非電離性
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，不會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。波長比紫外線短的電磁波可以破壞物質分子的化學鍵。由物理學可知，分子、原子和原子核的固有振動頻率都在微波的范圍內，于是用微波探索物質分子的固有頻率，探索物質的內部結構和基本特性，就成為一種有效的研究手段。
4.選擇性加熱特性
不同物質對微波的吸收程度不同，產生的熱效果也不同，于是微波加熱就表現出選擇性加熱的特點了。水分子屬電極性分子，對微波具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大，含水量大的微波加熱效果好。
從另一個角度考慮，用微波照射某物質，物質的含水量高的則微波反射量低，含水量低的則微波反射量高，所以也可以用微波探測某物體的含水量。
5.熱慣性小
微波對介質材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調，功率大則加熱快，功率小則加熱慢，微波停止則加熱停止。這些都非常有利于自動控制和連續化生產的需要。
如果用某種微波（對水氣加熱效果好）照射即將降雨的云層，會有什么效果？
6.信息承載性
由于微波的頻率范圍很寬，從數百直到數千兆赫茲，這個范圍又可以分為若干頻段，不同頻率的微波都可以承載信息，各有不同的用途，所以微波承載的信息容量大。這是低頻的無線電波無法比擬的。基于此，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。此外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息。這在目標探測、遙感、目標特征分析等應用中都是十分重要的。
四.微波是怎么制作出來的？
按照傳統的約定，微波是無線電波中頻率最高的一個頻帶的簡稱，其頻率為300MHz-300GHz，波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，微波是分米波、厘米波、毫米波以及亞毫米波的統稱。
制作功率較大微波，要用磁控管。讓電子在真空的電子管中快速震蕩，這就把電能轉化為微波的波動能。其基本原理如下：
陰極燈絲發射電子，燈絲短而粗，加熱電流大，大功率管的陰極燈絲工作溫度很高，常用強迫風冷散熱。
如果在陰極燈絲與陽極之間施加幾千伏的直流高壓，那么從陰極上發射出來的電子在徑向電場的作用下，將直接打到陽極上。電壓越高，電子的運動速度越快，電子打到陽極上的動能也越大，陽極會升溫，陽極需散熱。
如果在陰極和陽極之間，與電場垂直的方向再加上磁場，那么從陰極發射出的電子既受電場力的作用，也受磁場力的作用，電子邊震蕩邊以螺旋形式向陽極運動，電子接近陽極時，又受到陽極諧振腔的作用，形成微波震蕩，如下圖的曲線所示。
微波發生器工作時，電子運動軌跡示意圖
陽極由導電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設有多個諧振腔。諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，每一個小諧振腔構成了振蕩回路的電容，很多諧振腔相當于一個并聯的振蕩回路。
由許多諧振腔耦合在一起的陽極，形成一個復雜的諧振系統。這個系統的諧振頻率主要由每個小諧振腔的諧振頻率來決定，可以根據小諧振腔的大小來估計磁控管的工作頻段。
磁控管內的微波還需要輸出裝置。
對于低功率的磁控管，大多在陽極諧振腔高頻磁場最強的地方放置一個耦合環，把密封的磁控管內的微波通過感應過程引到外邊。耦合環面積越大，微波輸出效果越好。
對于大功率磁控管，用軸向能量輸出天線，微波通過天線穿過密封窗，再通過波導管引出。
磁控管把直流電能，通過電子震蕩，轉換成微波能量輸出。調整高頻電場強度，調整磁場強度，調整諧振腔的大小，就可以達到調整微波頻率的目的。
對于低功率的微波，毫瓦功率的微波，可以用半導體微波信號發生器。半導體微波信號發生器的種類很多，都是利用了不同的“P-N”結有不同的特性，例如電容效應、隧道效應、電荷儲存效應、雪崩擊穿特性。簡單的說，利用半導體，可以把直流電變為高速交變震蕩的微波，也可以把低頻率的交流電變為高速交變震蕩的微波。
現在甚至可以做到，低壓直流電用半導體變為低功率的微波，再把多個低功率微波集中在一起，形成較大功率的微波。所以，對于功率不太大的微波一般都采用半導體微波發生器，其體積小，制造方便，應用更是方便，它在民用和軍用方面的應用非常廣泛。
