1.3 射頻/微波的應用

射頻/微波不僅在國防和國民經濟中發揮著重要的作用，而且是發展現代尖端學科的一種重要的科學研究手段，應用十分廣泛。射頻/微波的主要應用包括作為信息載體的應用、在工業檢測中的應用、在科學研究領域中的應用以及作為微波能的應用等。

1.射頻/微波作為信息載體的應用

這方面包括通信、雷達、遙感、射電天文、航空航天、導彈制導等。

與較低頻率的無線電通信相比，射頻/微波通信有許多獨特的優點：微波波段頻帶很寬，可以容納更多的無線電設備工作，可以實現多路通信；在微波波段可以采用高增益的定向天線，從而降低發射機的輸出功率；微波在視距內直線、定向傳播，保密性好；微波波段受工業、天氣和宇宙等外界干擾較小，可以大大提高通信質量。由于較低頻率的無線電波不能穿透電離層，衛星通信或地面和衛星之間的通信必須采用微波。

衛星通信是利用人造衛星作為中繼站來轉發無線電信號，在兩個或多個地面站之間進行的通信，如圖1.4所示。它是在地面微波中繼通信和空間技術的基礎上發展起來的通信方式，具有通信距離遠、傳輸容量大、可靠性高、靈活性強以及可進行多址接入等優點。衛星通信是國內、國際乃至全球通信的重要方式之一。衛星通信系統的一條通信線路包括發送端地面站、上行鏈路、衛星轉發器、下行鏈路和接收端地面站。實際上，為進行雙向通信，每個地面站（又稱地球站）都包括發射系統和接收系統，發射和接收系統共用一副天線，為了將收、發的信號分開，在天線與發射、接收系統連接的地方安裝了雙工器。發射系統包括多路復用設備、調制器和發射機。多路復用設備的作用是在傳輸多個用戶的信號時，用以組成多路信號；調制器的作用是將頻率較低的多路信號調制到中頻載波上；發射機的作用主要是實現向上變頻，將調制后的信號載波頻率變換為微波頻率，并把信號放大到規定的電平。接收系統包括接收機、解調器和多路復用設備，其作用和發射系統中相應設備的作用正好相反。接收機用來在低噪聲條件下接收來自衛星的信號，接收系統中的多路復用設備用來將信號分路，以便送往各用戶。裝在衛星上的收、發系統稱為轉發器，主要由天線、接收設備、發射設備和雙工器組成，其作用是接收從各地面站發來的信號，經頻率變換和放大后再發送給各接收站。

2.射頻/微波在工業檢測中的應用

這方面包括微波測濕、測試懸浮體濃度、測試物體厚度以及微波對材料結構完整性的測試等。

微波檢測技術是以物理學、電子學和微波測試技術等為基礎的一門微波技術應用學科。自第二次世界大戰以來，伴隨著雷達技術的發展，微波技術逐漸滲透到工業和科學技術檢測中來。20世紀50年代微波濕度計的問世，揭開了微波檢測技術的歷史序幕。隨著復合材料在航空航天工業中的大量使用，微波無損檢測技術得到了重視和不斷發展。1963年，美國首先使用微波法成功地檢測到了導彈固體火箭發動機玻璃殼體內部的缺陷，從此，微波無損檢測技術引起了工程界的廣泛興趣，并發展了對厚度等其他非電量的測試。

微波檢測具有能穿透非金屬材料的特點，其檢測設備簡單、操作方便，無損、非接觸，便于實現自動化。微波檢測的項目包括：塑料和各種金屬、非金屬復合黏接結構與蜂窩結構中的分層、脫黏；固體推進劑和飛機輪胎內部氣孔、裂縫，金屬加工表面光潔度、裂紋、劃痕及其深度；非金屬材料濕度、密度、混合物組分比、固化度；金屬板與介質板的厚度以及各種線徑、微小位移、微小振動和等離子體的溫度等。

3.射頻/微波在科學研究領域中的應用

這方面包括微波波譜學、射電天文學、微波氣象學、微波等離子體和微波超導等。

微波波譜學是一門研究在微波頻率下，物質產生電磁輻射與吸收以及能量的分布情況譜，以了解分子能譜的精細和超精細結構的學科。利用微波波譜可以辨認各種有機分子，分析大分子或復雜分子的精細結構，以便做細致的研究。研究氣體的微波波譜可以揭示分子內部的能級結構，通過分析波譜中的超精細結構還可以探討原子核的性質。與紅外波譜相比，微波波譜的分辨率高，靈敏度高，測量頻率更精確。

射電天文學是一門通過觀測天體的無線電波來研究天文現象的學科，它借助測試和分析天體所發射的波長從1 mm到30 m的電磁輻射來研究天體。地球大氣層中的電離層對大部分無線電波呈反射狀態（短波傳播的原理），但在微波波段存在“宇宙窗口”，因此射電天文學通常采用微波波段。微波技術的發展給人類研究太陽等恒星結構、星際物質的組成和分布以及宇宙起源等基本問題提供了新的途徑，極大地拓寬了人們認識宇宙的眼界。射電天文學有兩種系統：一種是接收天體輻射；另一種是先從地球上發射無線電波，然后接收從天體反射回來的波。射電望遠鏡（見圖1.5）是射電天文學研究的重要設備，它用來檢測來自天空各個方向的無線電波，由反射面、接收機、數據處理和顯示設備等組成，其巨大的反射面收集和聚焦入射的電磁波，接收機檢測和放大宇宙無線電信號，之后再進行數據處理和顯示。

4.射頻/微波作為微波能的應用

這方面包括醫學治療、食物加熱、烘干、殺菌滅蟲、育種、微波無極燈以及高能微波武器等。

1）射頻/微波醫學治療

射頻/微波技術對診斷醫學和治療醫學有著重要的貢獻。今天，微波醫療儀器已經得到廣泛應用，比如微波理療已經相當普及地用于治療肌肉勞損、風濕等疾病；科研人員還在不斷開發許多新的醫療用微波儀器，比如微波氣球導管、雙微波天線、微波打孔機、共形陣列天線和微波球囊系統等。把我國傳統的針灸療法與微波技術結合的微波針灸，是我國獨創的治療方法，其良好的療效引起了國內外的重視。所有微波治療儀器都依賴微波滲透活性肌體組織的能力，微波滲透組織的深度主要是由組織的介電常數和微波頻率決定的。一般來說，組織的含水量越低，在給定頻率下的微波滲透就越深。同樣，給定肌體的含水量，頻率越低的微波在組織里滲透得就越深。當微波滲透進細胞組織后，便會將能量傳遞給細胞組織；因此，微波可以用于無創加熱皮下細胞組織。微波治療儀器就是利用了微波的這個重要特性，另外還利用了這樣一個事實，即任何被加熱的皮下組織的部分微波熱噪聲功率會穿過在其上覆蓋的組織而到達表面。通過測試這個噪聲功率，有可能用無創的方式來估測皮下組織的溫度。

腫瘤治療的常用方式有放療/化療、手術切除和熱療等。熱療的原理是利用癌細胞與正常組織細胞的耐熱性的差異，動物實驗和臨床資料證明，腫瘤細胞的致死溫度閾值明顯低于正常組織。當溫度升高至41～42℃時，腫瘤細胞就會發生血液淤滯，癌細胞也停止分裂；在42.5～43℃或更高溫度時，腫瘤細胞就會發生不可逆的損傷，血流停滯、血栓形成、癌細胞變性壞死。因此，可以通過對腫瘤組織的局部加熱來實現腫瘤組織的“消融”。微波可以用無創的方式對許多重要的癌癥部位進行熱療，特別是在皮膚和皮下部位，以及那些通過人體自然開口處可以進入的部位。用于治療癌癥的微波設備在熱療時，通常將惡性腫瘤加熱到43℃，并且在這個溫度下保持大約45 min。熱療可以提高傳統的放療和化療的療效，這是因為熱療對于變弱的惡性細胞來說是致命的，包括那些被傳統治療方式損傷但尚未致命的細胞或那些由于缺氧而對常規治療手段有抵抗性的細胞。這種輔助的熱療方式，其好處是相當大的，有資料表明：人身體上的惡性腫瘤僅僅通過放療而得到完全緩解的比例為35%；當在放療基礎上加上熱療后，完全緩解的比例提高到65%。熱療同樣可以提高若干種化療藥物的療效，這些藥物在細胞組織溫度升高以后會更活躍；熱療還可以提高腫瘤的血液流動，從而對那些缺氧惡性細胞的氧化有所幫助，并且可以刺激身體自身的抗癌免疫反應；等等。

高功率微波脈沖就像幾千伏每厘米的直流脈沖一樣，可以增強某些化療藥物進入惡性腫瘤細胞的能力。一種新的被稱為電化學的治療模式開始用來治療各種各樣的皮膚腫瘤，在這種治療方法中，通過在惡性細胞膜中施加高達數千伏每厘米的短直流脈沖而產生臨時微孔，使得惡性細胞對某些電化學媒質滲透的抵抗力被暫時降低了。一旦細胞被打出了微孔，電化學媒質便可以進入惡性細胞中并將它們毀滅。電化學治療不僅可以提高某些電化學媒質的療效，同樣還可以減小副作用，因為可以用比常規化療低得多的電化學媒質劑量將惡性細胞摧毀。微波脈沖與直流脈沖不同，可以通過無創的方式深入滲透到細胞組織內；與直流脈沖治療相比，用微波脈沖打出微孔提供了一種通過無創方式消滅那些較深部位的惡性腫瘤細胞的新手段。圖1.6（a）所示為微波腫瘤治療儀的簡單原理框圖，圖1.6（b）所示為臨床微波治療儀。

近些年來，可穿戴電子設備備受矚目，不斷發展，例如，可穿戴天線。可穿戴天線就是可以穿戴在人體上的天線，它可以集成在衣服、鞋子、帽子等穿著物上，在完成電磁波發射、接收的基礎上，最大限度地避免影響附著物品外形和佩戴者的穿著舒適程度。可穿戴天線在物聯網保健、醫療以及軍事領域都具有極其重要的應用價值。例如，在醫學方面，利用可穿戴天線可以進行乳腺癌的探測和其他一些實時的醫學診斷；在軍事方面，一些單兵作戰的背包雷達以及單兵通信系統都廣泛采用了可穿戴技術。隨著納米打印技術的日益成熟，可以通過在不同柔性基底（如紙基、布基）上打印電子墨水來制備柔性可穿戴電子器件，這在很大程度上可克服傳統印刷造成的資源浪費和廢料污染等弊端。

圖1.7展示的是乳腺癌治療用的可穿戴“微波背心”——共形陣列器。可穿戴共形陣列器有12個微帶天線單元，對每個天線單元輸送915 MHz的微波功率，每個天線單元的微波功率可以手動調節。圖1.7（b）所示為一個共形陣列器樣機，它的4個天線單元，每個都含有2個微帶天線，1個用于微波加熱，1個用于接收來自被加熱組織的噪聲（螺旋天線），噪聲被控制在2個分開的頻段上。

微波腫瘤治療的優點有：屬于無創/微創手術，創傷小，病人復原較快；療效較為明顯，副作用小；費用相對較低。

2）微波無極燈

在能源消耗逐步加劇、環境污染日益嚴重的現代社會中，節能環保產品無疑是世界各國各行業的工程技術人員追求的目標，照明領域當然也不例外。據統計，全世界多數國家的照明耗電大體上占本國發電量的15%～20%，而照明用電的很大一部分被消耗在效率極低的白熾燈上。在目前發電主要依賴煤電和石油的情況下，還會帶來燃料短缺、溫室氣體排放、大氣污染等一系列嚴重的破壞生態環境的問題。此外，傳統光源產品壽命較短，替換更新的頻率較高，大大增加了生產這些產品的電能和原材料損耗。同時，由于光效高的氣體放電光源絕大多數都以汞（Hg）作為主要的填充物質，產品廢棄后的汞污染問題非常嚴重。我國目前尚沒有完善的回收廢棄燈管這一巨大污染源的處理措施，這些廢棄燈管往往會進入土壤、空氣和河流中，造成嚴重的環境問題。如果廣泛使用無極燈替代傳統光源，就可有效地緩解和改善以上問題。

無極燈是一種電磁感應耦合型無極放電熒光燈，因燈泡內沒有傳統的燈絲和電極而得名，無極燈有以下特征：

（1）有穩定的光輸出，不受環境溫度影響；

（2）線路體積小，光色可以任意調整；

（3）壽命長，更換、維修次數極少，適用于維修困難的場景；

（4）發光管小型化、亮度高，有利于提高光效，實現燈具的小型化；

（5）因為沒有電極，燈內填充物的選擇范圍大，使得從光色、光效等方面開發新型光源成為可能。

無極燈根據發光機理可分為電場無極燈、磁場無極燈、微波無極燈和表面波無極燈4類。其中微波無極燈的功率最大，而且微波可提高光催化效果，因此光催化中使用的無極燈目前均為微波無極燈。圖1.8所示是安置在建筑物頂端的微波無極燈。微波無極燈的發光機理如圖1.9所示。

當電磁波頻率逐漸提高，波長減小到接近于燈的尺寸甚至小于燈的尺寸時，就會因其空間輻射而造成能量損失。為防止能量損失，把無極燈的放電部分放入密閉的金屬殼體或金屬網制成的容器中，使消耗的功率都集中于此，這就是微波放電。

微波無極燈工作原理是在石英、玻璃或其他材料形成的密閉殼體內填充可蒸發金屬和稀有氣體的混合物，稀有氣體的作用是激發等離子體放電。當無極燈放置于微波場中時，稀有氣體被激發，產生低壓等離子體，通過等離子體放電產生熱，使可蒸發的金屬變為蒸氣態，產生更多的等離子體，增大等離子體壓力，釋放更多的能量，形成更高的發光效率。常用的可蒸發金屬包括汞、鈉、硫、硒和鎘等。稀有氣體一般有氬、氖和氪等。無極燈所發出的光譜大致和高壓汞燈相似。微波無極燈亮度高，使用壽命可達6～10萬小時，非常適用于換燈困難且維護費用昂貴的重要場所。

微波無極燈也有缺點。由于它是通過等離子體釋放能量來發出可見光及紫外光的，在發光的同時，一部分能量以熱的形式釋放出來，造成無極燈溫度急劇上升。溫度過高會引起無極燈淬滅，停止發光，因此需要輔助措施來降低無極燈溫度。當用于光催化氧化技術處理水中污染物時，無極燈可以直接放置在溶液中，依靠溶液來降溫，這雖然節省了降溫設施，但由于水為極性物質，對微波有較強的吸收能力，因此存在和無極燈爭奪微波源的問題。而當用于處理氣態污染物時，需要通過輸入冷空氣、冷水或高效散熱裝置來降溫。微波輻射對人的神經中樞、心血管系統、生殖系統和免疫機能等都有較大危害，一般認為，微波輻射的功率密度不得超過10 mW/cm2。因此，在使用微波無極燈時一定要謹防微波泄漏，造成不必要的傷害。

3）微波無線輸能

能源是人類活動的物質基礎。從可持續發展的長遠目標來考慮，未來世界的能源將是核能和太陽能；而相比于核能的局限性，太陽能是最有前途者。太陽能衛星、月球太陽能系統等，都是為了解決太陽能的有效利用而提出的挑戰性課題。太陽能衛星是運行在地球同步軌道上的一種特殊衛星，這些衛星表面覆蓋有太陽能電池板，能在高空將太陽能轉化為電能，再由微波功率發生器轉換成微波能，最后由天線定向輻射到地球上的接收天線。也就是說，太陽能衛星將太陽能轉換成電能以后，再用微波波束將電能輸送到地面上。在這些系統中，微波無線輸能是最關鍵的技術。

微波無線輸能是指在真空或大氣中不借助其他任何傳輸線或波導來達到能量傳遞目的的一種手段。簡單來說，就是將一種能量轉換為微波能，再將微波能發射出去，最后接收微波能并將其轉換成所需的能量。因此，微波無線輸能系統可以用如圖1.10所示的框圖來表示。

該系統主要由四部分組成：一是將太陽能、風能和交流電等轉變成直流電；二是通過微波功率發生器，將直流電轉換成微波；三是通過發射天線，將微波能量以聚焦的方式高效地發射出去；四是通過高效的接收整流天線將微波轉換成直流電或工業用電。

在微波功率傳輸過程中，整流天線是十分關鍵的部件。整流天線就是天線加整流器，其作用是將高頻微波轉換成直流電。研制整流天線的關鍵在于提高功率轉換效率，典型的功率轉換效率可達85%以上，在Ka波段可達70%以上。當頻率較高（例如高于94 GHz）時，宜采用微波單片集成電路（MMIC），以提高功率轉換效率。

整流天線原理圖如圖1.11所示，它主要由以下四部分組成。

（1）接收天線：接收空間電磁波能量至饋線。

（2）低通濾波器：使工作頻點的能量低插損通過，同時阻礙整流電路產生的二次或更高次諧波通過天線又輻射到自由空間去。低通濾波器的設計，一方面需要實現基頻能量的低損耗傳輸，并阻礙整流電路產生的高次諧波能量傳輸到天線上；另一方面還要實現與天線和二極管的阻抗匹配。一般整流天線內的低通濾波器可分為輸入低通濾波器和輸出低通濾波器。輸入低通濾波器的作用在于使基波無損耗通過，使諧波截止，以防止諧波回流到天線。而輸出低通濾波器由于電容足夠大，可以有效地短路高頻能量，讓直流通過，并阻止基波和高次諧波通過；另外，當二極管截止時，輸出低通濾波器和輸入低通濾波器一起，起著儲能的作用，把高次諧波約束在兩者中間，以提高二極管的整流效率。

（3）整流電路：將射頻能量轉化為直流能量。

（4）直通濾波器：將直流能量低插損傳到負載，而對基頻以及由整流電路產生的二次及以上諧波能量則起阻礙作用。

整流電路產生的二次和高次諧波就在低通濾波器和整流電路間來回反射，基頻和二次、高次諧波在直通濾波器和整流電路間來回反射、轉換，這樣就大大提高了將射頻能量轉換為直流能量的效率。這也是射頻整流與檢波的最大區別，后者雖然也能把射頻能量轉化為直流能量，但其側重于信號的檢測，而前者側重于直流能量的提取。因而兩者采取的技術途徑是不一樣的。20世紀80年代中期以后，整流天線的開發轉向了較高的頻率、雙極化和圓極化，以及印制電路板模式。

微波無線輸能具有下列特點：

（1）源到負載之間的能量傳遞可以不借助任何導波系統；

（2）能量的傳遞速度為光速；

（3）能量的傳遞方向可以迅速改變；

（4）電磁波在真空中傳輸沒有損耗，在大氣中的損耗也可以做到很小。

微波無線輸能在軍事上也具有極其重要的應用。我們知道，一片聚光鏡可以將太陽光聚成一個點，多片聚光鏡將太陽光聚成一個點即可引起物體的燃燒。根據光的電磁波性質，將太陽光聚焦的原理應用在微波領域，就是當今高能微波武器的基本原理。一種微波高能武器——微波炸彈（電磁波炸彈）的模型、組成和應用分別如圖1.12（a）、（b）和（c）所示。與激光武器相比，高能微波束受氣候影響小，技術上易于實現。

微波炸彈的工作原理：高功率微波經過天線聚集成一束很窄、方向性很強的電磁波射向目標，依靠這束電磁波產生的高溫、電離、輻射等綜合效應，在目標內部的電子線路中產生很高的電壓和電流，擊穿或燒毀其中的敏感元器件，毀損計算機中存儲的數據，使目標遭受物理性破壞，不能修復，從而喪失作戰能力。高能微波武器可用于攻擊衛星、彈道導彈、巡航導彈、飛機、艦艇、坦克、通信系統以及雷達、計算機設備，尤其是指揮通信樞紐、作戰聯絡網等重要的信息戰節點和部位。高能微波武器強大的電磁輻射還可以使人神經錯亂、致盲、導致皮膚燒傷甚至死亡。微波炸彈可由巡航導彈投放，也可從155 mm遠程火炮或多管火箭炮發射裝置發射。微波炸彈的彈殼在目標上空炸裂，同時打開其發射天線，瞬間發射出高能電磁脈沖，攻擊地面上電磁波覆蓋半徑內所有的電子設備。2003年的伊拉克戰爭中，美軍就曾使用微波炸彈破壞了伊拉克的軍事指揮系統和供電網絡等關鍵設施，在較短時間內以很少的人員傷亡就達成了自己的作戰目標。

衛星太陽能電站在和平時期主要用于發電，一旦爆發戰爭，通過相控陣天線改變波束方向，就可以將高功率的電磁能輻射到敵方陣地，從而干擾敵方的軍事活動甚至打擊其軍事設施。我國的三峽大壩是一個舉世矚目的巨型水電工程，非和平時期也將是一個巨大的軍事目標。能不能利用三峽大壩豐富的電能資源和微波無線輸能技術組成微波防護網呢？答案是肯定的。