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

電磁波以波長或頻率大小的不同進行分類的排列順序。頻率從千兆赫茲到數百兆赫茲范圍的電磁波稱為微波。若以波長來分類，我們把幾十厘米到0.1cm的電磁波稱為微波，故微波有時也稱為厘米波。利用微波進行通信的這部分電磁波大體只屬于波長較短的區域。比微波的波長再短的還有亞毫米波、遠紅外線、紅外線、可見光X射線和Y射線等。

微波與光波很相近，其波長接近光波，其電磁波特性也與光波相似。因此在應用微波時須特別留意與其他電磁波（射線）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。近年來有關部門制定了新的命名符號，但實際應用時，新、舊命名可以同時并存。

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）微波頻帶的分類和命名

（1）ISM頻帶。ISM是英文Industrial Scientific Medical的縮寫詞。意指微波可用于工業（I）、科學（S）和醫學（M）各個領域，僅是各領域使用的頻帶不同而已。歷史上微波發明之初多用于雷達、通信等信息部門。現已向各個領域擴展。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）工業微波加熱設備。同上，與相鄰車間的距離應大于100m。

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

2、微波的特性

這里主要介紹雷達用通信以外在工業應用上的特點。眾所周知，微波照射金屬物會全部被反射，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，產生高頻電場和磁場。

（1）介電體發熱效應。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，介質的整體對外界來說電場強度為零。但若加上很強的電場，則正負電子對立即會重新排列。若改孌電場方向則電子對將反向排列。如果電場是交變的且為高頻的，則分子內的電子對頻繁的轉動或振動將會因摩擦而產生熱量。其實質是在電介質內形成功率損耗，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；為微波形成電場值，V/m；和分別為物質的介電系數和蛤電損耗角。分析式可知，微波產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，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r表示，本書為方便敘述一律寫為ε=εr。

（2）微波的浸透深度。微波進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時的深度，即用半衰減深度來表示

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的關系，對于體積大的被加熱物體，應取較高波長為好，故設計微波加熱方案時應綜合地考慮浸透深度和加熱效果后再確定一個理想的頻率值。

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

不同物質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。可知，915MHZ變為2450MHZ時雖然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設計食品加熱工藝時，有很大參考價值。又如，在加熱盒飯時，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，微波在進入介電體后，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用之功。

由此可見，微波的物理特性與光學有些相似，物體的介電系數，相當于光線的屈光率，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，微波進入含鹽溶液的量減少，加熱比較困難。

當然，相對地說，ε越大可使進入物體的微波吸收好，但加熱會不均，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值。

前已敘述，微波的浸透深度是隨著物體的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，含鹽量、溫度與浸透深度的關系。食品試樣的厚度為25mm，從兩側照射微波時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，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系，它們用式進行計算，設C為比熱，溫升△T為式中：C為比熱；M為物體質量，g；P0為吸收功率，W；t為加熱時間，s；J為熱當量，J/cal（J的具體數體數值）。這樣，就可以求出加熱時間和溫度上升△T的關系

T=

（6）加熱方式選擇。微波的吸收和加熱均與損耗系數有關。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值昨注意的問題。

一般來說損耗系數小的物質（如玻璃、陶瓷、塑料等）來做加熱容器，以后在其中置入食品，這樣，微波射入后只能使食品加熱，而容器不會發熱。

對潮濕的紙和布加熱時，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困難的課題。