微波技術原理及其發展與應用

孫鳳坤+++邢澤炳

摘 要：微波技術在短短的幾十年內已滲透到各行各業，對社會發展和人們的生活產生了深遠影響。文章在微波發展的基礎上，詳細介紹了微波加熱和微波滅菌兩種技術的作用機理，并對微波加熱的條件、特點等作出說明，另外，還包括微波技術在各個領域的廣泛應用，同時對微波技術目前存在的問題作了分析，并對微波技術的發展前景作了展望。

關鍵詞：微波技術；微波加熱；微波滅菌；原理；應用；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]。

隨著科學的發展，微波技術得到了廣泛的應用，尤其是在通信行業，如微波衛星通信、微波散射通信、模擬微波通信和數字微波通信等。為避免微波通信頻率與工業、醫學、科學等的頻率相互干擾，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、醫學、科學常用的微波頻率有433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz，其中915MHz和2450MHz在我國常用于工業加熱。

2 微波技術的發展歷程

微波技術的發展主要取決于微波器件的應用和發展。早在20世紀初，就有研究人員開始了對微波理論的探索，并進行了相關的實驗研究。但由于當時信號發生器功率較小，加之信號接收器靈敏度較差，使得實驗未能取得實質性的進展[2]。1936年，波導技術的進一步發展為微波技術的研究提供了可靠的理論及實驗條件。美國電話電報公司的George C. Southworth.將波導用作寬帶傳輸線并申請了專利，同時，美國麻省理工學院的M.L.Barrow完成了空管傳輸電磁波的實驗，這些工作為規則波導奠定了理論基礎，推動了微波技術進一步向前發展[3]。20世紀40年代，第二次世界大戰期間，雷達的出現和使用引起了人們對微波理論和技術的高度重視，并研制了很多微波器件，在此期間，微波技術迅速發展并在實際應用中得到認可。但在當時戰爭條件下，各國都忙于實際應用，對微波理論的研究尚為欠缺，所以使得微波理論滯后于實際應用。1945～1965年，微波技術的發展速度有了明顯提高，同時，其應用范圍也更加廣泛。在這20年間，逐步開辟了微波新波段并形成了射電氣象學、射電天文學、微波波譜學等一系列新的科學領域。比較系統和完整地建立了一整套微波電子學理論，為微波技術的進一步發展打下了理論基礎。1965年以后，微波集成電路與微波固體器件的發展和應用時微波設備朝著定型化與小型化的方向發展。目前，微波設備正向著更高頻段、寬頻帶、高功率、數字化、高可靠性、小型化等方面發展，單片集成化和毫米、亞毫米波段微波的發展已成為現階段微波技術研究的重點方向[4]。

3 兩種常用的微波技術

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材料對微波的吸收作用從而將微波的電磁能轉化為介質的熱能來實現的。該轉化過程與介質材料內部分子的極化有密切關系。具體原理如下：當把含有極性分子的物料置于微波電磁場中時，介質材料中的極性分子在高頻交變的電磁場中產生每秒高達數億次的劇烈轉動，并隨著高頻交變電磁場的方向重新排列，極性分子這種有規律的周期性運動必須克服相鄰分子間的干擾和阻礙，從而產生一種類似于摩擦的效應。該效應微觀結果表現為微波的電磁能量轉化為介質材料內的能量，而宏觀即表現為被加熱的物體溫度升高[5-6]。

3.1.2 實現微波加熱的條件

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行的體加熱，是基于極性分子介質材料對微波的吸收作用而產生的熱效應，所以，欲實現微波加熱，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材料，吸收微波的能力比較好。例如，水分子的極性非常強，能夠很好地吸收微波，所以但凡含水的物質必定能夠吸收微波，即含水的物質一定能實現微波加熱。

（2）非極性分子組成的介質材料，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，而容器本身不會發熱。

（3）還有一種特殊的物質不吸收微波，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

（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，而且被加熱物體內部同樣不可混入金屬。這是因為金屬尖端是微波電場最集中的地方，不僅不能實現正常加熱，而且還會形成尖端放電，從而在尖薄部位產生高熱[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

（1）微波加熱的即時性[7]。由于微波加熱是將電磁能轉化為熱能，故為內部加熱，不需要熱傳遞過程，且內外同時加熱，效果均勻，瞬時即可達到高溫，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化為熱能，而微波設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，所以，加熱設備本身和相應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。介質材料由極性分子和非極性分子組成，根據微波加熱的條件及原理，只有極性分子組成的物質才可以吸收微波實現微波加熱。因此，可以利用微波加熱的這一特性來實現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，沒有廢棄物產生。與采用礦物燃料燃燒進行加熱的常規方法相比，微波加熱不產生二氧化碳，對環境沒有污染[7]。

（5）微波加熱時由于內部缺乏散熱條件，所以使得內部溫度高于外部溫度，使溫度呈現梯度分布，形成驅動內部水分向表面滲透的蒸汽壓差，從而使水分蒸發的速度加快。微波的這一特性有時會使微波加熱的食品口感發生變化。例如，經微波加熱過的饅頭口感欠佳且有一種發焦的感覺，遠不如常規加熱的饅頭松軟可口。這是因為微波加熱是靠電磁能轉化為熱能來實現的，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，使饅頭中水分越來越少，故會導致口感較差且有種發焦的感覺。而常規加熱的饅頭一般是水蒸氣透過饅頭表面進入芯部，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部水分遷移蒸發的這一特性，還可利用微波實現微波干燥。

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和非熱效應的共同作用來實現殺蟲滅菌目的的。微波的熱效應是利用微波瞬時可達高溫的特性，是細菌細胞的空間結構發生破壞，從而使其蛋白質發生變異而達到殺菌的目的。微波的非熱效應又叫做生物效應，它同樣是利用微波瞬時升溫的特性，使細菌等微生物的生理活動物質發生變異而導致其生長發育異常直至死亡，從而達到殺菌保鮮的目的[4]。

微波滅菌與傳統滅菌相比，具有很多不可比及的優勢。一般來說，傳統滅菌方法至少要達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，能使保質期延長，但有些物質經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：實驗一：在850W功率微波的作用下持續滅菌135s；實驗二：在98℃的水浴中加熱60min滅菌；結果發現：兩實驗殺滅大腸桿菌的有效率均為100%；在魚丸蛋白質含量上，兩實驗結果相近，但在魚丸含水量上，微波滅菌比水浴滅菌要差很多[9]，故導致微波滅菌后的魚丸口感較差。

4 微波技術的應用

4.1 微波技術在農業領域的應用

利用微波技術可進行玉米芯水解，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，同時污染環境。利用微波技術可將玉米芯水解，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]。采用微波技術可以對番薯片[11]、花椒[12]、胡蘿卜[13]、金銀花[14]等進行干燥，還可進行油茶籽制油[15]。利用微波技術還可以軟化木材，改善木材的浸透性能，從而簡化木材染色、浸漬處理等工藝。微波技術還可用于產品質量檢測，如材料缺陷檢測、竹木產品含水率檢測、人造板甲醛釋放量檢測等[16]。

4.2 微波技術在醫學領域的應用

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

4.3 微波技術在環境保護方面的應用

利用微波技術處理廢水[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行干燥，既可提高糞肥利用率，增加農業收入，又能殺滅病原體，減小農業污染。另外，利用微波萃取和微波消解技術可以進行環境監測等[22]。總之，微波技術在環境保護方面具有節能省時、污染小、效率高等優點，可顯著降低廢棄物對環境造成的危害，其在環境保護方面的應用也逐步受到了人們的高度重視。

4.4 微波技術在其他領域的應用

微波技術除在以上多個領域有重要應用以外，其在食品行業、化學及材料行業中的應用同樣越來越受人們重視。微波技術可用于碎礦、磨礦、礦石預處理、礦物焙燒[7]等方面。利用微波技術可以進行水產品的膨化加工及消解[9]，還可用于活性炭的準備與再生[23]。

隨著微波技術和微波器件的進一步發展，微波在各個領域的應用將會變得更加廣泛，而其實際應用也會相應推動微波理論不斷成熟。

5 微波技術存在的問題及展望

5.1 存在問題

雖然微波技術具有傳統方法不能比及的諸多優點，應用廣泛，但作為一門新技術，其發展還處在初級階段，依然有許多問題亟待解決。

（1）盡管微波技術已廣泛應用于各大領域，但還缺少比較系統的理論做基礎，尤其是對微波作用機理的認識還比較膚淺，對其解釋也僅停留在實驗基礎上，有待使用更為精確的方法進行檢測驗證。所以，應加強對微波技術作用機理的研究，使其成為一套比較系統和完整的理論體系[24]。

（2）與國外相比，我國微波設備的穩定性尚為欠缺[25]。因此，應加強微波元器件及設備的研制，提高微波器件的適應性和兼容性，以便研制出穩定、經濟、高效的微波設備。

（3）目前，微波設備是在家用設備基礎上改造完成的，使其應用和推廣受到限制，不能形成規模經濟。故應重視微波過程與各大學科題系的交叉銜接，加強工程化研究，逐步實現微波理論成果產業化，形成規模經濟，促進其在工業方面的應用。

5.2 前景展望

微波技術作為一種將電磁能轉化為熱能的特殊導熱方式，不僅在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時，更向催化化學反應、新材料微波處理等應用發展[26]。隨著微波技術的不斷深入發展和微波理論的不斷完善，微波技術必將逐步實現工業化，其安全、節能、高效、環保的優勢也必將推動其廣泛應用于各行各業，促進環境友好型社會的快速發展。

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5.2 前景展望

微波技術作為一種將電磁能轉化為熱能的特殊導熱方式，不僅在食品加熱、殺蟲滅菌、干燥保鮮等方面用途廣泛，同時，更向催化化學反應、新材料微波處理等應用發展[26]。隨著微波技術的不斷深入發展和微波理論的不斷完善，微波技術必將逐步實現工業化，其安全、節能、高效、環保的優勢也必將推動其廣泛應用于各行各業，促進環境友好型社會的快速發展。

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