微波特性和应用需注意事项

微波特性和应用需注意事项

1、微波概述

电磁波以波长或频率大小的不同进行分类的排列顺序。频率从千兆赫兹到数百兆赫兹范围的电磁波称为微波。若以波长来分类，我们把几十厘米到0.1cm的电磁波称为微波，故微波有时也称为厘米波。利用微波进行通信的这部分电磁波大体只属于波长较短的区域。比微波的波长再短的还有亚毫米波、远红外线、红外线、可见光X射线和Y射线等。

微波与光波很相近，其波长接近光波，其电磁波特性也与光波相似。因此在应用微波时须特别留意与其他电磁波（射线）在特性上有相异之处。

如图所示为电磁波中微波频带的习惯命名方法。例如从2.0~3.0GHZ的频带（波段）称为S频带。比它高端的频带，例如X频带其频率为9GHZ，常用于船舶雷达。近年来有关部门制定了新的命名符号，但实际应用时，新、旧命名可以同时并存。

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 

（图）微波频带的分类和命名

（1）ISM频带。ISM是英文Industrial Scientific Medical的缩写词。意指微波可用于工业（I）、科学（S）和医学（M）各个领域，仅是各领域使用的频带不同而已。历史上微波发明之初多用于雷达、通信等信息部门。现已向各个领域扩展。ISM的应用，最常用的频带为（915±25）MHZ、（2450±50）MHZ、（5800±75）MHZ和（24125±125）MHZ等。国际上对此频域亦未作硬性规定，例如，美国就指定ISM用915MHZ，日本则不作明确规定。但工业用途的大功率微波装置必须在ISM指定频带内，以避免由于微波泄漏而影响微波通信。

（2）微波泄漏的强制性规定。这里主要是指微波通信以外的设备（微波通信设备则已有规定），例如：

1）医疗设备。其微波器械安放的建筑物与邻近建筑物应相距30m以上。按每米增加100mV的辐射量递增。

2）工业微波加热设备。同上，与相邻车间的距离应大于100m。

3）其他设备。按微波功率大小来考虑。当功率在500W以下，按医用设备来考虑，500W以上按工业设备考虑。

2、微波的特性

这里主要介绍雷达用通信以外在工业应用上的特点。众所周知，微波照射金属物会全部被反射，亦即对金属不起作用，这和光波很相似，光射到镜面也全部被反射。但微波若作用于非金属的介电体，由介电体特性所决定微波将被吸收、渗透，产生高频电场和磁场。

（1）介电体发热效应。介电体其中的“+”离子和附的的“-”电子成对的存在，这些电子对紧密的结合，相互间不起作用，介质的整体对外界来说电场强度为零。但若加上很强的电场，则正负电子对立即会重新排列。若改娈电场方向则电子对将反向排列。如果电场是交变的且为高频的，则分子内的电子对频繁的转动或振动将会因摩擦而产生热量。其实质是在电介质内形成功率损耗，其大小可和定量表示为

P（W/m3）=

如果将其换算为热量Q（单位体积），则

Q（cal）=

式中：为微波频率，Hz；为微波形成电场值，V/m；和分别为物质的介电系数和蛤电损耗角。分析式可知，微波产生热量的大小和微波的频率成正比，并与损耗系数成正比，一般地说，介电系数是真空中的介电系数0和物体的介电系数之比，即用相对介电系数来r表示，本书为方便叙述一律写为ε=εr。

（2）微波的浸透深度。微波进入介电体中由于介电体损耗吸收了微波能量，微波强度逐渐减弱。微波能量将按1/e（e为自然对数In的底）的规律衰减，衰减深度D可表示为

D=

也可以用微波的电力密度在物体表面的值衰减到原值的1/2时的深度，即用半衰减深度来表示

D（m）=

浸透深度D与和成反比，故ε和tanδ大的物体可加热到深度大的中心区，但微波频率不能太高。

各种物体的半衰减深度D、ε和tanδ的关系，对于体积大的被加热物体，应取较高波长为好，故设计微波加热方案时应综合地考虑浸透深度和加热效果后再确定一个理想的频率值。

（3）ε和tanδ的变化。由于频率改变或浸透深度、温度改变均会引起微波吸收率发生变化。像食品类物体，由于含有盐分，其微波吸收率，当盐分含量不同时，微波吸收率亦发生改变。

不同物质ε和tanδ值的分布图，可知用ε和tanδ低的材料（塑料）做微波加热容器最为适宜。此外，ε和tanδ大小会随加热频率和温度而变化。设温度为250C的水在不同频率下微波浸透深度就不相同。可知，915MHZ变为2450MHZ时虽然ε变化不大，但tanδ变化较大。

物体温度变化对微波吸收的影响，其结果与ε和tanδ受温度变化而改变的规律是一致的。

（4）盐分含量的影响。用微波加热食品，初始由于含水率高，大，故微波吸收快，但若在水中加入含电解质的盐，则由于ε增大，微波吸收增加，温度上升更快。

已给出油、水、肉块、肉汁的微波吸收率和温度变化的关系。其中，不含油的水吸收微波最差，含盐的肉汁微波吸收最佳。这此试验数据对将来设计食品加热工艺时，有很大参考价值。又如，在加热盒饭时，米饭部分和含盐的菜蔬在同样加热条件下，加热后的温度是不相同的。

可见，微波在进入介电体后，由于吸收热量而使其振幅衰减，另一部分则从介电体表面反射成为无用之功。

由此可见，微波的物理特性与光学有些相似，物体的介电系数，相当于光线的屈光率，ε越大则反射成分越大。为提高微波加热效率，应力图减小反射成分。

在水中若溶解的盐分高，则由于电离子浓度大增加了传导率，某些方面甚至与金属（导体）相近。所以，由于反射成分大，微波进入含盐溶液的量减少，加热比较困难。

当然，相对地说，ε越大可使进入物体的微波吸收好，但加热会不均，大部分能量用于盐分的加热。

再举含食用油的水分加热的情况，给出四种物体加热的例子，即：不含水的油、水、肉块（含盐1%）和肉汤（含盐4%）的不同情况中，最差的是油，几乎不吸收微波。

水的温度与微波吸收亦有关系，从0~1000C的水，其水温不同吸收微波也不一样，但肉块或肉汤则吸收微波特别好，其原因主要还是含盐量起了作用。

因此，含盐食品与一般食品相比，微波吸收能力不相同。这些试验数据对于微波炉的使用有参考价值。

前已叙述，微波的浸透深度是随着物体的ε和tanδ增大而减小。此外含盐分多的食品浸透深度减小。微波加热食品时，含盐量、温度与浸透深度的关系。食品试样的厚度为25mm，从两侧照射微波时其内部温度的分布情况。含盐多的部分由于浸透深度浅，内部加热情况不佳。再有就是浸透深度还和频率成反比，因此用较低的加热频率效果好。NO.1试样含盐3%~4%，NO.2试样只含盐量少的豆类，选用频率为2450MHZ，温度为400C，两者的浸透深度分别为4mm和12mm。

（5）食品比热的影响。物体比热与温升有很大的关系，它们用式进行计算，设C为比热，温升△T为式中：C为比热；M为物体质量，g；P0为吸收功率，W；t为加热时间，s；J为热当量，J/cal（J的具体数体数值）。这样，就可以求出加热时间和温度上升△T的关系

T=

（6）加热方式选择。微波的吸收和加热均与损耗系数有关。若把损耗系系大的食品和损耗系数小的食品混在一起加热，其加热效果如何是一个值昨注意的问题。

一般来说损耗系数小的物质（如玻璃、陶瓷、塑料等）来做加热容器，以后在其中置入食品，这样，微波射入后只能使食品加热，而容器不会发热。

对潮湿的纸和布加热时，含水分多的部分将快速加热干燥，因它的损耗系数大，以后逐步对其他部分加热。这样可使干燥速度加快。

利用微波加热工艺，也要注意一些特殊的例子，例如食品解冻工艺。冷冻食品一般含有水和冰，但两者的损耗系数相差极大，由于解冻的结果是生成水分，迅速吸收微波而加热，而尚未解冻的冰块则吸收微波少而使解冻不均匀，故大型冰冻食品的完全解冻是一个困难的课题。