微波特性和應用需注意事項

微波特性和應用需注意事項

1、微波概述

電磁波以波長(cháng)或頻率大小的不同進(jìn)行分類(lèi)的排列順序。頻率從千兆赫茲到數百兆赫茲范圍的電磁波稱(chēng)為微波。若以波長(cháng)來(lái)分類(lèi)，我們把幾十厘米到0.1cm的電磁波稱(chēng)為微波，故微波有時(shí)也稱(chēng)為厘米波。利用微波進(jìn)行通信的這部分電磁波大體只屬于波長(cháng)較短的區域。比微波的波長(cháng)再短的還有亞毫米波、遠紅外線(xiàn)、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光X射線(xiàn)和Y射線(xiàn)等。

微波與光波很相近，其波長(cháng)接近光波，其電磁波特性也與光波相似。因此在應用微波時(shí)須特別留意與其他電磁波（射線(xiàn)）在特性上有相異之處。

如圖所示為電磁波中微波頻帶的習慣命名方法。例如從2.0~3.0GHZ的頻帶（波段）稱(chēng)為S頻帶。比它高端的頻帶，例如X頻帶其頻率為9GHZ，常用于船舶雷達。近年來(lái)有關(guān)部門(mén)制定了新的命名符號，但實(shí)際應用時(shí)，新、舊命名可以同時(shí)并存。

ISM（915MHZ 2.45GHZ 5.8GHZ 22.125GHZ±25MHZ）±50MHZ ±75MHZ ±125MHZ

12.4 18.0 26.5

0.5GHZ 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0 10.0 20 40 

（圖）微波頻帶的分類(lèi)和命名

（1）ISM頻帶。ISM是英文Industrial Scientific Medical的縮寫(xiě)詞。意指微波可用于工業(yè)（I）、科學(xué)（S）和醫學(xué)（M）各個(gè)領(lǐng)域，僅是各領(lǐng)域使用的頻帶不同而已。歷史上微波發(fā)明之初多用于雷達、通信等信息部門(mén)?，F已向各個(gè)領(lǐng)域擴展。ISM的應用，最常用的頻帶為（915±25）MHZ、（2450±50）MHZ、（5800±75）MHZ和（24125±125）MHZ等。國際上對此頻域亦未作硬性規定，例如，美國就指定ISM用915MHZ，日本則不作明確規定。但工業(yè)用途的大功率微波裝置必須在ISM指定頻帶內，以避免由于微波泄漏而影響微波通信。

（2）微波泄漏的強制性規定。這里主要是指微波通信以外的設備（微波通信設備則已有規定），例如：

1）醫療設備。其微波器械安放的建筑物與鄰近建筑物應相距30m以上。按每米增加100mV的輻射量遞增。

2）工業(yè)微波加熱設備。同上，與相鄰車(chē)間的距離應大于100m。

3）其他設備。按微波功率大小來(lái)考慮。當功率在500W以下，按醫用設備來(lái)考慮，500W以上按工業(yè)設備考慮。

2、微波的特性

這里主要介紹雷達用通信以外在工業(yè)應用上的特點(diǎn)。眾所周知，微波照射金屬物會(huì )全部被反射，亦即對金屬不起作用，這和光波很相似，光射到鏡面也全部被反射。但微波若作用于非金屬的介電體，由介電體特性所決定微波將被吸收、滲透，產(chǎn)生高頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

（1）介電體發(fā)熱效應。介電體其中的“+”離子和附的的“-”電子成對的存在，這些電子對緊密的結合，相互間不起作用，介質(zhì)的整體對外界來(lái)說(shuō)電場(chǎng)強度為零。但若加上很強的電場(chǎng)，則正負電子對立即會(huì )重新排列。若改孌電場(chǎng)方向則電子對將反向排列。如果電場(chǎng)是交變的且為高頻的，則分子內的電子對頻繁的轉動(dòng)或振動(dòng)將會(huì )因摩擦而產(chǎn)生熱量。其實(shí)質(zhì)是在電介質(zhì)內形成功率損耗，其大小可和定量表示為

P（W/m3）=

如果將其換算為熱量Q（單位體積），則

Q（cal）=

式中：為微波頻率，Hz；為微波形成電場(chǎng)值，V/m；和分別為物質(zhì)的介電系數和蛤電損耗角。分析式可知，微波產(chǎn)生熱量的大小和微波的頻率成正比，并與損耗系數成正比，一般地說(shuō)，介電系數是真空中的介電系數0和物體的介電系數之比，即用相對介電系數來(lái)r表示，本書(shū)為方便敘述一律寫(xiě)為ε=εr。

（2）微波的浸透深度。微波進(jìn)入介電體中由于介電體損耗吸收了微波能量，微波強度逐漸減弱。微波能量將按1/e（e為自然對數In的底）的規律衰減，衰減深度D可表示為

D=

也可以用微波的電力密度在物體表面的值衰減到原值的1/2時(shí)的深度，即用半衰減深度來(lái)表示

D（m）=

浸透深度D與和成反比，故ε和tanδ大的物體可加熱到深度大的中心區，但微波頻率不能太高。

各種物體的半衰減深度D、ε和tanδ的關(guān)系，對于體積大的被加熱物體，應取較高波長(cháng)為好，故設計微波加熱方案時(shí)應綜合地考慮浸透深度和加熱效果后再確定一個(gè)理想的頻率值。

（3）ε和tanδ的變化。由于頻率改變或浸透深度、溫度改變均會(huì )引起微波吸收率發(fā)生變化。像食品類(lèi)物體，由于含有鹽分，其微波吸收率，當鹽分含量不同時(shí)，微波吸收率亦發(fā)生改變。

不同物質(zhì)ε和tanδ值的分布圖，可知用ε和tanδ低的材料（塑料）做微波加熱容器最為適宜。此外，ε和tanδ大小會(huì )隨加熱頻率和溫度而變化。設溫度為250C的水在不同頻率下微波浸透深度就不相同?？芍?，915MHZ變?yōu)?450MHZ時(shí)雖然ε變化不大，但tanδ變化較大。

物體溫度變化對微波吸收的影響，其結果與ε和tanδ受溫度變化而改變的規律是一致的。

（4）鹽分含量的影響。用微波加熱食品，初始由于含水率高，大，故微波吸收快，但若在水中加入含電解質(zhì)的鹽，則由于ε增大，微波吸收增加，溫度上升更快。

已給出油、水、肉塊、肉汁的微波吸收率和溫度變化的關(guān)系。其中，不含油的水吸收微波最差，含鹽的肉汁微波吸收最佳。這此試驗數據對將來(lái)設計食品加熱工藝時(shí)，有很大參考價(jià)值。又如，在加熱盒飯時(shí)，米飯部分和含鹽的菜蔬在同樣加熱條件下，加熱后的溫度是不相同的。

可見(jiàn)，微波在進(jìn)入介電體后，由于吸收熱量而使其振幅衰減，另一部分則從介電體表面反射成為無(wú)用之功。

由此可見(jiàn)，微波的物理特性與光學(xué)有些相似，物體的介電系數，相當于光線(xiàn)的屈光率，ε越大則反射成分越大。為提高微波加熱效率，應力圖減小反射成分。

在水中若溶解的鹽分高，則由于電離子濃度大增加了傳導率，某些方面甚至與金屬（導體）相近。所以，由于反射成分大，微波進(jìn)入含鹽溶液的量減少，加熱比較困難。

當然，相對地說(shuō)，ε越大可使進(jìn)入物體的微波吸收好，但加熱會(huì )不均，大部分能量用于鹽分的加熱。

再舉含食用油的水分加熱的情況，給出四種物體加熱的例子，即：不含水的油、水、肉塊（含鹽1%）和肉湯（含鹽4%）的不同情況中，最差的是油，幾乎不吸收微波。

水的溫度與微波吸收亦有關(guān)系，從0~1000C的水，其水溫不同吸收微波也不一樣，但肉塊或肉湯則吸收微波特別好，其原因主要還是含鹽量起了作用。

因此，含鹽食品與一般食品相比，微波吸收能力不相同。這些試驗數據對于微波爐的使用有參考價(jià)值。

前已敘述，微波的浸透深度是隨著(zhù)物體的ε和tanδ增大而減小。此外含鹽分多的食品浸透深度減小。微波加熱食品時(shí)，含鹽量、溫度與浸透深度的關(guān)系。食品試樣的厚度為25mm，從兩側照射微波時(shí)其內部溫度的分布情況。含鹽多的部分由于浸透深度淺，內部加熱情況不佳。再有就是浸透深度還和頻率成反比，因此用較低的加熱頻率效果好。NO.1試樣含鹽3%~4%，NO.2試樣只含鹽量少的豆類(lèi)，選用頻率為2450MHZ，溫度為400C，兩者的浸透深度分別為4mm和12mm。

（5）食品比熱的影響。物體比熱與溫升有很大的關(guān)系，它們用式進(jìn)行計算，設C為比熱，溫升△T為式中：C為比熱；M為物體質(zhì)量，g；P0為吸收功率，W；t為加熱時(shí)間，s；J為熱當量，J/cal（J的具體數體數值）。這樣，就可以求出加熱時(shí)間和溫度上升△T的關(guān)系

T=

（6）加熱方式選擇。微波的吸收和加熱均與損耗系數有關(guān)。若把損耗系系大的食品和損耗系數小的食品混在一起加熱，其加熱效果如何是一個(gè)值昨注意的問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)損耗系數小的物質(zhì)（如玻璃、陶瓷、塑料等）來(lái)做加熱容器，以后在其中置入食品，這樣，微波射入后只能使食品加熱，而容器不會(huì )發(fā)熱。

對潮濕的紙和布加熱時(shí)，含水分多的部分將快速加熱干燥，因它的損耗系數大，以后逐步對其他部分加熱。這樣可使干燥速度加快。

利用微波加熱工藝，也要注意一些特殊的例子，例如食品解凍工藝。冷凍食品一般含有水和冰，但兩者的損耗系數相差極大，由于解凍的結果是生成水分，迅速吸收微波而加熱，而尚未解凍的冰塊則吸收微波少而使解凍不均勻，故大型冰凍食品的完全解凍是一個(gè)困難的課題。