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        微波基礎知識

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        微波知識

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          1.關于微波

         

          微波是電波的一種,電波是電磁波的一種。

          電磁波是通過電場和磁場的相互作用進行傳播的,因此在真空環境下也同樣可以傳播。

          電磁波屬于「波」,因此具有波長和頻率兩種特性。

          波長即從一個波峰到另一個波峰的長度,頻率則表示1秒內產生波的數量。

          電磁波的速度與頻率無關,約為30萬千米/秒,速度除以頻率則是波長。

          如圖1所示,電磁波可按照頻率分類,并根據其各自的特性,應用于不同領域。

          光也是電磁波的一種。

          一般把頻率在3000GHz以下的電磁波稱之為電波。而將頻率在300MHz到300GHz(波長從1m到1mm之間)的電波稱之為微波。

         

        圖1 電磁波的分類和應用

         

          微波不僅用于通信領域,還被用于電波望遠鏡和雷達,進行天體的觀測和移動物體的監測。同時,還有我們所熟知的GPS導航、定位系統也是應用了微波。除此之外,微波的另一個重要應用便是加熱。

         

         

          2.可用于微波加熱裝置的微波頻段

         

          ITU(國際電信聯盟)根據用途對電波的可使用頻率范圍作出了相應劃分。最終,各國以此為依據在法律上做出了相應規定。

          對于頻率在300MH到300GHz(波長從1m到1mm)之間的微波,ITU對其在工業、科學、醫療領域的可用頻率范圍的劃分如表1.

          將433.92MHz劃定為一區(歐洲)部分國家的ISM頻段,將915MHz劃定為二區(南北美州)的ISM頻段。2450MHz以上頻段是世界范圍內通用的ISM頻段。

         

        表1 微波的ISM頻段劃分

         

          此外,為了避免對通信造成干擾頒布了電波法,對電波的泄露作出了非常嚴格的界定。

          但是,電波法并未對2450MHz的ISM頻段的電波泄漏量作出規定。

          因此,對于使用此頻段的微波裝置(這里稱之為ISM機器),設計時只需滿足安全上的限值即可。

          而對于使用ISM頻段以外的電波裝置,則必須遵守電波法中應對大規模電波泄露的對策所作出的的相關規定,例如對放置電波裝置的房間或建筑物全部設電波防護層等。

          這也是家用微波爐以及各工業加熱裝置使用ISM頻段的原因。

          2450MHz頻段的廣泛應用不僅是因為它是世界通用的ISM頻段,與此同時,圖2中的造價低廉、體積輕便、內置永久磁石的磁控管(功率:300W~10kW)的誕生也為此作出了貢獻。

         

         

        圖2 2450MHz頻段磁控管(功率2KW 水冷式)

         

          3.微波加熱原理

         

          遇到強降雨天氣,衛星電視節目往往就不能觀看了,想必我們大多數人都遇到過這種情況。

          通常認為頻率在18GHz左右的微波是最容易被水吸收的。

          相對于微波頻率為2.45GHz(2450MHz)的微波爐,衛星電視臺的發射頻率約為12GHz,降雨時電波就會被雨水吸收,因此我們便不難理解不能觀看衛星電視節目的原因了。

          由于衛星發射的電波很微弱因此雨水不會被加熱,但是在理論上雨水吸收衛星發射的電波后是會散發熱量的。

          以下,我們將對【微波加熱原理】【電介質吸收微波的電力】【微波穿透電介質深度】【電介質的介電特性】加以說明。

          (1)微波加熱原理

          IEC(國際電氣標準會議)對微波加熱作出定義:電介質在300MHz~300GHz電磁波的作用下發生分子運動和離子傳導并產生熱量從而實現加熱。

          這種電介質的微波加熱原理非常復雜,三言兩語很難說明,下面就粗略的介紹一下。

          【永久偶極子跟隨微波電場的變化而做變極運動,由于永久偶極子的速度跟不上電場的振動變化,因此產生相位的延遲。這種延遲成為微波電場變化的一種阻力使得運動中的永久偶極子被加熱?!?/span>

          簡單的說就是【永久偶極子在受阻的同時被迫振動從而產生熱量】。下面是圖解說明。

          微波加熱原理的圖解說明

          圖3以水分子的構造為例來表示永久偶極子。

          水分子由1個氧原子和2個氫原子構成。

          雖然從整個分子結構來看水分子并不帶電,但由于2個氫原子和氧原子構成了一個104.5°的角,因此各自會帶有少量的正負電荷,形成偶極子。

         

         

          如圖4所示,在不受外界電場作用下水的偶極子呈無序的狀態分布,但是將其置于電場中便會隨電場方向而改變方向。

         

         

          如果對水進行微波照射,形成的電場是交流電場,微波爐的話,一秒內就會產生24億5000次的正負電場的交替變化。

          圖5表示在低頻率電波照射下的永久偶極子的狀態。

          這種情況下,永久偶極子的方向變化能夠迅速跟隨上電場的變化,此時水不會產生熱量。

          圖6表示在頻率過高的電波照射下的永久偶極子的狀態。

          由于電場變化速度過快,偶極子來不及跟隨電場的變化做出反應,這種狀況下,水同樣不會產生熱量。

         

         

          而圖7則表示在電場變化速度適中的電波照射下的永久偶極的狀態。

          此時,永久偶極子以稍慢一點的速度隨著電場的變化。水分子在其運動時發生延遲效應,這段時間里吸收電波的能量并放出熱量。 這種頻段的電波便是我們所說的微波。

         

         

          (2)微波加熱方式和物質的介電特性

          通過上述說明,可能很多人會認為只有電介質才可通過微波加熱。其實像鐵、不銹鋼等金屬以及鐵礦砂等金屬氧化物也可以通過微波進行加熱。

          對于金屬離子微波的確可以滲透到金屬離子的內部并對其加熱,但微波卻不能滲透金屬板,基本上會被全部反射回來。

          這里僅對【電介質的微波吸收量】【微波滲透到電介質的深度】【電介質的介電特性】加以說明,金屬方面暫不做介紹。

          (a)介質物質的微波吸收量(公式)

          公式1是電介質的微波吸收量P1 的理論公式。

          P1=K·f·εr·tanδ·f·E2 [W/m3]

          K:0.556×10-10

          εr:電介質的介電常數

          tanδ:電介質的介電損耗角

          f:頻率

          E:電場強度 [V/m]

        式1

          公式(1)中,相對介電常數ε和電介質損耗角tanδ是物質(電介質)的特有值。另外,二者的乘積εr?tanδ稱之為介電損耗系數(簡稱為損耗系數),表示電介質對于微波的吸收程度。

          E表示作用于電介質的電場強度,取決于裝置的設計。

          公式(1)只是理論上的計算公式,實際上作用于電介質的電場強度E無法計算。因此在計算電介質的微波吸收量的時候,主要是通過(b)公式的熱量計算來求得。

          (b)電介質的微波吸收量(熱量方法計算)

          應用腔體內放置盛有w [ g ] 液體(初始溫度為T1 [ ℃ ])的容器。液體被

          [W]的微波照射t [s]后,溫度升高至T2 [℃]。

          液體的比熱為C [ J / (kg?K) ],根據公式(2)液體吸收的微波能量為

          [W],根據公式(3)可算出加熱效率。

          例如,液體為水的情況,根據水的比熱 4180 [ J / (kg?K) ],即可算出微波的吸收量。

         

         

          (c)微波滲透電介質的深度

          微波由電介質表面到內部的滲透深度是指微波能量減少到50%時的所穿透的深度,因此也被稱之為能量減半深度。

          根據公式(4)可計算能量減半深度D

         

         

          (d)物質的介電特性

          (a)中已經說明相對介電常數ε和和介質損耗是電介質的兩個特有值。圖8是表示多種物質的相對介電常數和介質損耗的特性圖。圖中上橫軸表示能量減半深度D,縱向斜線是具有相同能量減半深度的刻度線。

          從圖中我們可以大致看出,右上方能量減半深度越低的物質對微波的吸收越多,左下方能量減半深度越高的物質對微波的吸收越少。

         

         

          4.微波加熱的特點

         

          微波加熱具有其他加熱方式沒有的優點,如:

          ?內部加熱

          ?高速加熱?選擇加熱

          ?加熱效率高?迅速反應和溫度可控性

          ?加熱均勻?節能環保

          ?操作簡便?作業環境好

          以下對其特性進分別說明

          (1)內部加熱

          如圖9所示,微波以光的速度迅速到達被加熱物體。并如第3章(2)所說明的那樣,微波在進入物體內部的同時被物體吸收使物體發出熱量。

          例如水,從圖8可知水的微波能量減半深度約為1cm.也就是說微波從水的表面進入水內部1cm時,50%的微波能量將被水吸收,水則被加熱,剩下的50%微波則繼續進入至水1cm以上的更深處。同樣道理,從表面進入到內部3cm的時候,仍有12.5%的微波可繼續進入水的內部,并使其被加熱。因此,就像圖10所表示的那樣,微波可對物體進行內部加熱。

         

         

         

          (2)高速加熱

          如圖10所示,傳統的加熱方式是通過熱量的傳導從被加熱物體表面向物體內部擴散實現溫度的升高。

          而微波則可以直接滲透至被加熱物體內部,如果被加熱物體的體積大小可被微波完全滲透,那么被加熱物體整體都會產生熱量,熱量傳導和擴散的時間可忽略不計,因此可以實現高速加熱。

          即使是體積很大的物體,微波雖然不能滲透至被加熱物體中心,但只要微波所滲透到的地方會發出熱量,這部分熱量也會擴散到整個物體內部使其溫度升高。如圖11所示,和只通過物體表面加熱的傳統加熱方式相比,這種從物體內部加熱的微波加熱方式更加快速。

         

         

          (3)選擇加熱

          如圖8所示,不同物質對微波的吸收性能不同。例如,圖8中的硼硅酸玻璃,被作為微波爐加熱的專用玻璃器皿銷售。這是因為這種容器盛水后進行微波加熱,硼硅酸玻璃對于微波的吸收量只是水的3000分之1,完全可以忽略不計,因此只有水會被加熱。

          也就是說,如圖12所示,只要選擇好容器的材質,就可以做到只加熱想要加熱的物體,從本質上實現高效率的加熱。

         

         

          (4)高效加熱

          微波以光的速度進入被加熱物體內部,由于物體是吸收微波后自身發出熱量,因此對加熱爐和爐內空氣加熱的熱量消耗非常小,可以忽略不計,達到高效加熱。

          (5)迅速反應和溫度可控性

          微波是以光的速度進入被加熱物體內部從而使物體自身發熱,反應速度很快。例如,可以瞬間啟動和停止。另外,還可以通過調整微波的功率,來控制被加熱物體內部的發熱量。如圖13所示, 被加熱物體的溫度變化根據設定溫度進行瞬時反應,并能保持在設定溫度。

         

         

          (6)加熱均勻

          由于被加熱物體內部是同時發熱,即使是形狀復雜的的物體也能被比較均勻的加熱。由于波長的原因引起的加熱不均,可通過攪拌器、轉盤、傳送帶等手段進行調整。

          (7)節能環保

          微波是通過電場和磁場和相互作用進行傳輸,所以不需要介質,真空中也可傳輸。微波加熱是直接作用于被加熱物體,滲透到物體內部并衰減, 而不需要加熱環境中的空氣。被加熱物體吸收微波后轉化能熱能從而發熱。在這過程中,由于不需要加熱周圍的空氣,因此可以說是節能環保的能源。

          (8)操作簡便和作業環境好

          傳統加熱必須要有熱源,該熱源不僅對被加熱物體,同時還會加熱加熱爐。如果加熱爐放置在房間內,由于熱輻射周圍環境溫度會比較高,因此操作性和作業環境成為問題。與此相比,微波加熱,只要通電便可發射微波,并僅對被加熱物體進行加熱。加熱爐不會產生高溫,沒有熱輻射,因此可以保證良好的可操作性和作業環境。

         

          5. 微波應用設備的基本構造和微波元器件

         

          發生微波的的電子元器件有很多,如磁控管、調速管、回旋管等。

          其中比較便宜又可以發射大功率微波的便是磁控管。磁控管是真空管的一種,家用微波爐使用的便是磁控管。彌可羅公司主要使用2450MHz頻段的磁控管,制造銷售300W~300kW輸出的微波應用設備裝置。

          (1)微波應用設備的基本構造

          微波應用設備的基本構造如圖14所示。由微波源內部的磁控管發射出微波,微波經過[波導管]、[隔離器]、[功率檢測器]、[波導管]、[EH調諧器]到達[應用腔體]對被加熱物體進行加熱。

          這里把由微波源發射出的朝向隔離器的微波稱之為行進波(或入射波)。把應用腔體內反射回的反方向微波稱之為反射波。用功率檢測器上所顯示出的入射波功率減去反射波的功率所得的數值即應用腔體內部實際消耗微波的功率。

          更準確的說,功率檢測器上所顯示功率是入射波和反射波的差值,是通過EH調諧器調節后

          所消耗的微波功率。

         

         

          (2)各微波元器件的性能

          (a) 微波源: 發射微波的裝置

          微波源內配有安裝磁控管的發射波導管。

          發射波導管一端開口,可以連接標準波導管(波導管規格:WRJ-2/BJ-22、法蘭規格:BRJ-2/FUDR22)

          磁控管發射出的微波,通過和發射波導管相連接的波導管被傳輸到作用腔體。因此必須將微波相關元器件按照示意圖14安裝好,否則會發生危險。

          (b) 隔離器: 入射波通過波導管傳輸至作用腔體,反射回來的反射波則被隔離器內部的負載吸收,從而保證反射波不返回到微波源的元器件內。

          可以消減由作用腔體內部的轉盤、攪拌器轉動時所產生的反射波的影響,以保證磁控管繼續穩定的工作。即具有保護磁控管的作用。

          (c) 功率檢測器:測量方形波導管內傳輸微波功率(入射波和反射波量)的元器件。需要注意的一點是如果方形波導管內的傳輸的入射波和反射波過大的話,誤差也會大。彌可羅公司的功率檢測器,具有獨特的設計,即使微波源的磁控管的驅動方式不同,也能夠對微波功率進行精確的測量。

          (d) EH調諧器: 調諧器有三銷釘調諧器和EH調諧器。這里我們推薦使用方便的EH型調諧器。通過調節EH調諧器中的E調諧器或者H調諧器,可改變反射微波的相位和大小。

          所以通過調節E調諧器和H調諧器,可以將功率檢測器所顯示的反射波功率調整為零。也就是說,通過E,H調諧器的調節改變反射波的相位,形成大小相同,相位相反的波,從而相互抵消。

          如果功率檢測器上的反射波數值顯示為0,則表示調諧器后進入作用腔體內部的微波達到最大。這種反射波為零的狀態稱之為匹配狀態。

          (e) 作用腔體: 指對內部放置的被加熱物體進行微波照射使其被加熱的槽體。根據用途分為分批式、連續式、波導管式等多種形式。彌可羅公司設計的作用腔體,在波導管和作用腔體的連接匹配方面,有著獨特的設計。

          (f) 波導管: 微波(電磁波)通過電場和磁場的相互作用傳播??稍谝欢〝嗝娴慕饘俟軆冗M行傳輸。在微波加熱裝置中一般使用的是斷面為長方形的2GHz用標準方形波導管。(波導管規格:WRJ-2/BJ-22、法蘭規格:BRJ-2/FUDR22)

          (3)內置有攪拌器等裝置的作用腔體的匹配調節

          (2)(d)所說明的匹配調節的原理是以作用腔體內部無移動部件為條件的,也就是說全部部件處于固定不動的狀態。如圖14所表示的那樣,作用腔體內部裝有攪拌器或轉盤,反射波的大小和相位根據其轉動會發生明顯變化。以下對這種情況下的匹配調節加以說明。

          例如: 作用腔體的內部只有攪拌器轉動的時候,則功率檢測器上顯示的反射波的數值也會有隨之有很大變動。

          這種情況下,調整EH調諧器,使功率檢測器上的反射波數值盡量達到最小值。未被調諧的反射波則會被隔離器中的負載吸收。

          圖14中,表示反射波的橙色虛線,在通過EH調諧器時變細,在通過隔離器時被負載吸收,該圖所表示的就是這種情況。

          另外,反射波過大時功率檢測器上所顯示的數值會產生很大誤差。因此,在通過檢測反射功率來控制微波輸出(入射波功率)的情況下,需使用專門的裝置對發射波進行精確的檢測。

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