微波技术的基本原理

微波技术的基本原理以及在环境中的应用

杨燕娜

福州大学环境与资源学院

一、微波的基本知识

微波是一种电磁波，波长范围没有明确的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段，也就是波长从1mm到1m左右，频率范围从300 MHz到300 GHz，由于微波的频率很高，所以亦称为超高频电磁波。微波与工业用电和无线电中波广播的频率与波长范围比较如表1所示。

表1 各系统所用频率与波长范围

项目频率波长/m

工业用电

无线电中波广播

微波

50Hz或60Hz

300～3000kHz

300～300000MHz

60000000或50000000

1000～100

1～0.001

因为微波的应用极为广泛，为了避免相互间的干扰，供工业、科学及医学使用的微波频段（如表2所示）是不同的。目前只有915MHz和2450MHz被广泛使用，在较高的两个频率段还没有合适的大功率工业设备。

表2 常用微波频率范围

频率范围/MHz 波段/m 中心波长/m 常用主频率/MHz 波长/m

890～940 2400～2500 5725～5875 22000～22250 L

S

C

K

0.330

0.122

0.052

0.014

915

2450

5800

22125

0.328

0.122

0.052

0.014

微波是电磁波，它是具有电磁波的诸如反射、投射、干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波进行能量传输等波动特性，这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中没有导线式电路，交、直流电的传输特性参数以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。在微波领域中，通常应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。具体说来有以下几点。

（1）在研究微波问题时，应使用电磁场的概念，许多高频交变电磁场的效益不能忽略。例如微波的波长和电路的直径尺寸已是同一数量级，位相滞后现象已十分明显，这一点必须加以考虑。

（2）微波传播时是直线传播，遇到金属表面将发生反射，其反射方向符合光的反射规律。

（3）微波的频率很高，因此其辐射效应更为明显，它意味着微波在普通的导线上传播时，伴随着能量不断地向周围空间辐射，波动传播将很快地衰减，所以对传输元件有特殊的要求。

（4）当入射波与反射波相遇叠加时能形成波的干涉现象，其中包括驻波现象。在微波波导或谐振腔中，微波电磁场的驻波分布现象就很常见。在微波设备中，也可利用多种模式的电磁场的分布、叠加来改善总电磁场分布的均匀性。

（5）微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样，具有空间分布性质。哪里存在电磁场，哪里就存在能量。例如微波能量传输方向上的空间某点，其电场能量的数值大小与该处空间的电场强度的平方有关，微波电磁场总能量为空间点的电磁场能量的总和。

另外，电磁波是以光的速度传播的，电磁波透入物质的速度也是与光的传播速度相接近；

而将电磁波的能量转变为物质的能量的时间近似是即使的，在微波频段转换时间快于千万分之一秒。这就是微波可构成内外同时快速加热的原理。

二、微波加热作用

2.1微波加热的基本原理

用于微波介电加热的频率是918 MHz和2.45 GHz，最常用的频率是2.45 GHz。在电磁场的作用下，物质中微观粒子可产生四种类型的介电极化，即电子极化(原子核周围电子的重新排布）、原子极化（分子内的原子的重新排布）、取向极化(分子永久偶极的重新取向)和界面极化(界面自由电荷的重新排布)。

电子极化和原子极化需时较短(10-15~10-12s)，在通常应用的微波频率范围内，可以认为是瞬时完成的，而后两种极化，要达到极化的稳定状态，一般需要经历10-8甚至更长的时间。

在微波场的作用下，电介质总的极化率(αt)用式(1)表示：

αt =αe+αa+αd+αi (l)

αe是原子核周围的电子极化率，αa是离子极化率，αd是偶极分子极化率，αi是空间电荷极化率。

自然界中的绝大多数物质是由大量的、具有不对称分子结构的极性分子和非极性分子组成。在自然状态下，具有永久偶极的极性分子作杂乱无章的运动和排列，偶极矩在各个方向的几率相等，宏观偶极矩为零。当物质处于电场中，如水处于微波电场时，这些物质的分子会诱导生成电偶极，见图9-1。在电场中每个极性分子都受到转动力矩的作用而发生旋转，偶极子会重新进行排列，即分子中带正电荷一端趋向负极，带负电荷一端趋向正极，使分子排列有序化，宏观偶极矩不再为零，这就产生了转向极化。这是极性电介质在电场作用下发生的一种主要极化形式，由于微波产生的交变电场是以每秒高达数亿次的高速变向，这样偶极定向极化跟随不及而滞后于电场的变化，出现极化弛豫现象。在偶极子定向极化转变过程中，由于分子的热运动，相邻分子间产生磨擦，电介质分子吸收了微波场的能量并转变为热能，由此使得物质本身加热升温。与此不同，具有对称分子结构的物质，如苯，在高频场中不能被加热，因为它缺少所必需的偶极特征。除了极性分子转动吸收微波能量转变热能外，在高频微波电场中，正、负离子分别向阴、阳极迁移，离子每秒改变运动方向几十亿次，异性离子之间频繁碰撞，也会吸收微波能量转变热能，见图1。不过，与偶极分子震荡相比，这种作用所吸收的高频能较小，尤其在常用的2.45 GHz频率范围内。离子迁移和极性分子转动是使试样吸收微波发热的两种方式。因为电子和原子极化的建立及消除所需的时间比微波电场反转的时间要短的多，不会产生微波加热。

可见与常规的依靠传导、对流的加热方法不同，微波加热是依靠介质材料在微波场中的极化损耗产生的整体加热，热量产生于材料内部而非来自外部加热源。这种“内加热作用”使加热更快速、更均匀，无温度梯度，无滞后效应。

图1 在交变电场影响下可极化物质的分子震荡

在微波场中单位体积电介质吸收的微波功率按式(2)计算：

式中:Pˊ为电介质吸收的微波功率(W)，Pˊˊ为单位体积的微波吸收功率或称体积能量密度(W/m3)，f为微波的频率(Hz)，ε0为真空介电常数(等于8.85x10-12F/m)，εrˊ为介质的介电常数，tanδ为介质损耗角正切，δ为介电损耗角，E为物质内部的有效电场强度(V/m)，V为物料吸收微波的有效体积。由(2)式可见，物质在微波场中，其单位体积的热能转换取决于微波电场强度的平方，频率以及物质的介电特性(介电常数εrˊ和介质损耗tanδ等因素。

tanδ表示物质在特定微波频率和温度下将电磁能转化为热能的效率，它等于介电常数εr ˊ与介电损耗因子εrˊˊ之比。

式中: εrˊˊ代表介电损耗因子或称动态介电常数，它表示微波穿过介电材料时产生的内电场，诱导了自由电荷移动和偶极子旋转，使材料内部引起介电损耗、减弱了电场并产生热效应。所以εrˊˊ也代表内电场转变为热的量度。

tanδ值的大小依赖于电磁波的频率，温度和物质的物理状态及其成分。tanδ值或εrˊˊ值越高的物质，在微波场中越容易被加热。如水和各种含水物质具有较高的介电损耗因子，这类物质都能很好地吸收高频能和微波能。表3列出了一些物质的tanδ值。

表3 一些物质的tanδ值

由表3可见，tanδ值很小的物质如玻璃、聚四氟乙烯、苯等材料几乎全透过微波辐射，吸收的微波功率很小，在微波系统中，这类物质称为微波透明体或微波绝缘体。而tanδ值高的物质如水、盐水和醇等极性化合物，不同程度地吸收微波的能量，称为有耗介质，或称微波吸收体，此外，如铜、银、铝之类的金属能够反射微波、能传播微波能量，这类物质称为微波反射体或微波导体。

物质吸收微波辐射后，微波能部分转变为热能，导致微波强度从物质表面到物质内部指数地迅速减弱。常用穿透深度(d E)(能量密度减弱到表面处能量密度的1/e倍的深度)描述微波的减弱程度。微波的穿透深度与物质的介电性质及微波辐射的波长有关，可用式(4)表示：

式中：λ0为真空中的人射波长，在915 MHz时，λ0≈33 cm;在2450 MHz时λ0≈12cm。由式(4)可见，微波的穿透深度与微波的真空波长成正比。因为低频时材料内部体积能量密度较低，尽管低频有较大的穿透深度，但加热升温并不明显。表4为2.45GHz频率的微波对一些物质穿透深度的计算值。

表4 微波的穿透深度

由表4可见，如水或其它极性液体，微波穿透深度约为1cm。因此，若将微波技术用于液相体系时，最好采用物料流动体系。与此不同，虽然大多数气体都是微波透明体，但是微波技术能用于含有能控制体系电磁性质固体的气相体系。分子筛是典型的催化剂或吸附剂，微波穿透深度约在10-100cm之间，其穿透深度取决于分子筛中结晶水和离子的含量。

2.2微波加热在环境中的应用

2.2.1微波加热去除挥发性有机物与土壤净化

当土壤和一些工业废渣中含有一些可挥发的有害有机物时，除去这些有害物净化土壤的常用方法是通过加热。热处理法包括燃烧法和挥发法。燃烧法的缺点是可能燃烧不完全，释放出二次污染物，而且这些二次污染物可能比原来的污染物毒性更大。挥发法是使用普通的加热法时，这种加热是由外到里的，当热量传到土壤内层，外层土壤的结构已经被热破坏，造成土壤使用价值的下降。而微波法是里外同时加热的，就不会出现上述问题。

对于含有水分的土壤用微波处理时，水吸收微波的能力很强，在升温后形成蒸发，从而将易挥发有机物蒸馏带出土壤。很显然，这一方法与土壤的含水量有关，含水量高有利于形成蒸馏，并将有机污染物蒸馏去除。这一过程，温度一般低于100℃，防止有机物分解形成其它的副产物。对于半挥发性有机污染物，可采用多级蒸馏法，即重复加水、重复用微波照射，直至将它们去除。

George等研究了用微波低温减压条件下净化标加甲苯和对二甲苯的土壤，他们发现，在低温低压条件下，甲苯和对二甲苯不会分解；当土壤中含水质量分数为3%时，这些有机物的挥发速率会增加几倍。与砂土相比，黏土是更强的微波吸收体，所以黏土中有机物挥发的速度更快。而且，在这种减压条件下，可防止和避免有机物的燃烧。

对于那些半挥发性化合物，还可以采用高温挥发的方法。但在高温条件下，为了防止燃烧，一般需要用Ar、N2等载气。这些气体除了可以保护有机物不被O2燃烧氧化外，还有载带有机物进入吸收塔的作用。George等用这一装置清理了三氯苯酚（沸点为310℃）和污泥中的菲（沸点为340℃）。为了增强土壤对微波的吸收能力，提高升温速率，可在土壤中加入炭屑（平均粒径为10mm）。当这些炭屑与土壤混合后，因为对微波有很强的吸收能力，所以当采用微波照射时，其温度迅速上升，同时这些升高温度的炭粒会迅速将热能传导给周围的土壤，使土壤温度也迅速上升。图2是污泥样品加炭粒后温度随时间的变化图。

%100×?=i

t i C C C DRE （2-1） 式中 C i －微波处理前样品中污染物的浓度；

C t －微波处理后样品中污染物的浓度。

图3是微波加热对土壤中五氯苯酚去除效率（DRE ）的影响。由图2-3可见，炭的加入

大大提高了DRE,但水的加入却基本不影响DRE ，与前面讨论低温蒸馏时所观察到的现象不

同，这是由于五氯苯酚的沸点（310℃）比水的沸点（100℃）高得多的缘故。实验结果表明，

DRE 随加入样品中炭的比例增加而增加。

具有一定的局限性，首先油水混合物一般具有很高的粘度，投加的试剂量要大；其次，含油

废水不利于化学试剂与之充分混合。这两个方面都有可能造成处理后的水体中化学试剂量超

标，形成新的污染。

加热法中的新兴技术，毫无疑问就是微波技术。采用微波加热破乳技术进行油水分离，

是1983年Klaila 等人提出的，现在已经发展到了现场试验阶段。从理论上说，微波加热可

加速油水分离过程，这主要是它可以加速油滴的上升速度（或油中水滴的下降速度）和凝聚

速率。

油水乳浊液中，油水以油滴的形式分散在水相中，而水相又是连续的，这时，可以用

Strokes 公式来计算：

()w o w o gD v μρρ182?=

式中 ρw －水的密度；

ρo －油的密度；

D －油滴的直径；

g －重力加速度；

μw －水的粘度；

v o －水中油滴的上升速度。

若为水油乳浊液，即油中含有水，水以水滴分散在油中，这时，水滴的下沉速度也可以

用Strokes 公式处来描述。

微波加热与普通加热一样，都可以使乳浊液的温度上升，但微波加热温度上升的更快，

且加热体内外同时加热，上式中，μ比（ρ-ρo ）降低的更快，因此微波加热会使油滴的上

升速度或者水滴的下沉速度增加，从而加快油水分离。

微波加热的另一个作用是可加速凝聚过程。由于微波是频率很高的电磁波，施加微波后，

会使极性分子快速旋转，从而中和胶体的ξ电势。表5所示为施加微波对油水乳浊液中油滴

表面ξ的影响。

表5 微波对油水乳浊液中油滴表面ξ电势的影响 温度/℃

微波辐射 ξ电势/mv ξ电势降低百分数/% 116.8

无 有 43.3 39.0 9.93 103.8

无 有 58.5 55.6 4.96 96.0 无

有 44.6 40.7 8.74

由表5可见，施加微波后，油滴的ξ电势明显降低。由于ξ电势的降低，油滴凝聚速率

加快，油滴直径D 迅速增大。同时，提供温度和降低粘度也会加快油滴的凝聚，也有利于

D 值的增大。根据式（2-2）可知，随着直径D 的增大，水中油滴的上升（或油中水滴的下

降速度）v o 也随之加大。

Fang 等研究了植物油－水－硅藻土乳浊液的微波加热分离技术，并与常规加热以及不

加热重力沉降进行了比较。结果表明，微波加热明显加快了油水的分离过程，并且有更好的

油回收率。

三、微波脱附

在化学工业中，吸附分离是一种常用的操作技术。常用于吸湿干燥，脱臭，脱色，饮用水、空气、工业废气和废水的净化以及和挥发性有机化合物的回收等。能起吸附分离作用的物质称为吸附剂，被吸附分离的物质称为吸附质。常用的吸附剂有合成沸石(分子筛)、活性炭、硅胶、活性氧化铝等。根据吸附剂对吸附质的吸附力差别，分为物理或化学吸附作用。一般说，物理吸附过程是可逆的，吸附和解吸速度都很快。而化学吸附过程中要生成化学键，需要一定的活化能，以致吸附或解吸速度都比物理吸附慢。为了使吸附分离工艺能经济有效地进行，除了使用吸附性能良好的吸附剂外，选择合适的脱附方法使吸附剂再生也十分重要。吸附剂的再生程度、循环使用寿命，往往是影响吸附分离过程的时间和能耗的关键。

由气相吸附等温线可知，加压降温有利于对吸附质的吸附。反之，降压升温有利于吸附质的解吸和吸附剂的再生。变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)是两种适合吸附剂再生的方法。变压吸附常用于弱吸附质分子(如空气分离)的脱附。在变压吸附工艺中，欲使吸附剂再生、必需降低吸附剂上被吸附组分的分压，一般采用降压、抽真空、冲洗、置换等方法。不过这些方法还存在解吸不够充分，吸附剂再生不完全的缺点。而变温吸附方法常用于较强吸附质分子的脱附。一般采用间接加热吸附剂或直接用热惰性气体(如氮气)或过热蒸气吹扫吸附剂的方法，使吸附剂加热再生。温度是变温脱附的关键参数，提高温度有利于解吸的完全。但是，不能任意提高再生温度，温度过高会产生过热现象，使吸附剂性能下降。再者，吸附床被加热后需要冷吹，降温到吸附温度时才能再次使用，对吸附床的加热和冷却过程都比较缓慢，所以变温吸附法也存在着循环周期长，能量消耗高，吸附剂使用寿命短等缺点。近年来，将微波技术用于吸附质的脱附已取得了一定的进展，下面谨就微波脱附的机理及其在化工分离中的一些应用作一简单介绍。

3.1微波脱附机理

由于微波在水一固体系中的穿透深度有限，所以微波脱附主要应用于气固相脱附。微波脱附效率强烈地依靠吸附剂和吸附质的电磁性质，根据吸附剂对微波吸收能力的差别(见图4)，有两种微波脱附机理：

1)使用微波透过性吸附剂的微波选择脱附机理(微波能量主要被极性分子的吸附质吸收)；

2)使用微波吸收性吸附剂的微波热脱附机理(微波能量主要被吸附剂吸收)。

图4 吸附剂的加热曲线

由图4可看出，微波吸收性吸附剂EnvisorbB+(硅胶-活性碳吸附剂)的微波转换温度要高于微波透过性吸附剂DAY(一种脱去非骨架铝的疏水分子筛)的温度。

3.1.1单组分脱附

1)选择脱附一DAY(一种脱去非骨架铝的疏水分子筛)。在脱附过程中，欲使吸附质从吸

附相进人气相必需吸收能量。如果吸附剂不吸收能量(如DAY)，那么要达到有效脱附，要求吸附质必需具有很高的损耗因子(动态介电常数)。损耗因子不同的组分吸收微波的能量不同，这样就会有一个组分先脱离吸附剂。这种工艺过程无需加热整个吸附相，因而可以节省能量。

图5为各种溶剂分别被吸附剂饱和吸附后，在微波场中用冲洗剂冲洗的脱附曲线。由图5可看出，微波能直接被吸附质吸收，而且高介电常数溶剂乙醇、丙醇吸收微波能的速度显著大于低介电常数溶剂甲苯、环己烷。因而乙醇、丙醇的流出浓度要高于甲苯、环己烷的流出浓度。随着吸附床上极性溶剂的洗脱，吸附床温度逐渐降低，致使非极性溶剂在吸附床上仍有较高的残留量。

图5 单组分选择脱附

2)热脱附一Envisorb B+。若使用微波吸收性吸附剂，微波能容易地被吸附剂吸收。图6为单组分的热脱附曲线。

图6 单组分热脱附曲线

与图5比较，微波幅射不是直接被吸附质吸收，而是被固定床耗损。固定床优先被微波加热，然后再传导给吸附质。因此，各组分的洗脱峰变宽，直到90 min后极性溶剂才基本洗脱完全，到120 min时，其余溶剂全被洗脱，固定床上几乎没有溶剂残留。

3.1.2多组分脱附

1)微波透过性吸附剂DAY。选择一种极性溶剂(乙醇)和非极性溶剂(甲苯)混合物为吸附质，固定床上甲苯和乙醇的负载分别为37 g和9g。微波功率为250W，脱附阶段用的冲洗气流速为l000L/h。图7为在微波透过性吸附剂上的脱附。

图7 在微波透过性吸附剂上的脱附

由图7可看出，脱附开始阶段两种溶剂质量浓度很快出现极大值，20 min后乙醇脱附完成。60min后甲苯仍在继续脱附，固定床上还有甲苯的残留量。在乙醇没有完全离开固定床前，固定床的温度一直在增加。直到乙醇完全脱附，温度才逐渐降低。由上述各组分的洗脱行为，可以得出微彼能主要被乙醇吸收的结论。

因为洗脱开始阶段的高能吸收，甲苯也高浓度的脱附，当乙醇完全离开吸附床后，留在微波透过性吸附剂上的甲苯继续单独脱附。从这个实例可以看出极性分子的选择脱附。但是发生在固定床上的高能吸收，势必也会影响到非极性组分的脱附。

2)微波吸收性吸附剂Envisorb B+。如果微波吸收性吸附剂Envisorb B十的介电常数介于丁醇和水的介电常数之间，介电常数按水-Envisorb B+-丁醇顺序降低。吸附剂上水和丁醇的饱和负载为20g和28g，两种脱附机理会同时出现。开始阶段大部分微波能被水吸收，使水选择脱附，部分丁醇也随水脱附，吸附床温度缓慢地上升。70 min前微波能主要用于水的脱附当水几乎被完全脱附后，微波快速地加热吸附床，吸附床的升温速率加快，丁醇脱附加快，出现第二个丁醇脱附峰，至150 min时丁醇才完全脱附。水具有很高的介电损耗因子，水的脱附主要是选择脱附，而丁醇的脱附分成两部分，一部分是随水一起选择脱附，另一部分是热脱附。

3.2微波脱附的影响因素

l)微波功率的影响。图8为微波功率对脱附的影响。由图8可看出，随着微波功率增大，出口气流中丁醇浓度增大，脱附时间缩短。

图8 微波功率对脱附的影响

2)物料尺寸和质量的影响。玻璃、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等材料几乎能全透过微波幅射，这些物质可以选作吸附塔材料。由于吸附塔材料是固体，不能像液体那样流动而传导能量，所以要特别注意微波对吸附塔材料的穿透深度，吸附塔材料的尺寸(厚度)以在微波的穿透深度范围内为佳。另外由式(2)可知，微波对物料加热属于体积加热。微波功率相同时，物料

的体积越大，物料吸收的功率也越大，所以物料的质量越大，吸收的微波功率也相应增大，

但是，质量(体积)增大，物料与外界的接触面积也加大，向环境传热越显著，物料升温速度

反而降低，因此应适当选择物料量。

3)冲洗气流量的影响。在微波脱附过程中，常通入冲洗气(载气)，使被吸附组分的分压

随冲洗气通过吸附床而降低，脱附下的吸附质随载气流出体系。当通人温度较低的载气时，

载气从吸附床通过，必然会带走部分热量。随着载气线速度的增加，吸附床的升温速率明显

变慢，而且载气流量过大还会使出口气吸附质的浓度降低，所以选择载气流量应适当，见图

8。

4)热失控和热点的形成。如果吸附剂的介电损耗会随温度升高而增大，当吸附剂在微波

场中被加热时，其介电损耗的增大会促进吸附剂的体加热，而随着吸附剂的本体加热的增强，

吸附剂会变得更热，从而使吸附剂的介电损耗增长更大，很快导致热失控现象，甚至吸附剂

会出现内部烧结。遇此情况，必需降低功率，将吸附剂过热部位的热量通过载气传导带出。

此外，由于微波场的不均匀分布或吸附剂材料内部组分的不均匀，也会导致吸附床某一局部

出现热点。

5)吸附床填料密度的影响。微波加热的特性除与物料的介电特性以及微波的工作频率有

关外，还需注意物料本身的密度。粗粒度填料密度小，填料颗粒间的空隙大，空隙中充满空

气，而空气的介电常数是很低的，所以粗粒度填料吸附床的升温速度要较细粒度、密度大的

吸附床的升温速度慢。

四、微波溶样

4.1微波溶样理论基础

微波具有电磁波的性质。从宏观上讲，微波能可被物质吸收，吸收的程度可用物质的介

质损耗角正切tan δ来描述。

'

'tan εεδ′= 式中 ε′－物质的介电常熟；

''ε－物质的介电损失因子。

上式中ε′和''ε间并没有严格的关系，但物质吸收微波能的能力随tan δ增大而增加。

从微观上讲，虽然还不能像讨论原子、分子那样用量子力学来严格的描述介电加热过程，但

是可用经典理论，从分子等微观粒子的运动来讨论介电加热。

当对某一样品施加微波时，在电磁场的作用下，样品内微观粒子产生四种类型的介电极

化，即电子极化、原子极化、取向极化及空间电荷极化。当然，微波加热与微波频率以及样

品的组成、温度、形状等有关。

4.2微波消解设备

微波消解设备由微波炉和消解罐组成。实验室专用微波炉具有防腐蚀的排放装置和具有耐各种酸腐蚀的涂料以保护炉腔。它有压力或湿度控制系统，能实时监控消解操作中的压力或温度。其磁控管工作时间为1ｓ，使微波场强均匀,以保证消解条件的重复稳定。消解罐的材料要用低耗散微波的材料制成，即这种材料不吸收微波能却能允许微波通过，它必须具有化学性能稳定和热稳定性，聚四氟乙烯、PFA(全氟烷氧基乙烯)都是制作消解罐的理想材料。

4.3微波消解方式

微波消解样品的方式有两种:一种是开口容器消解(常压消解)。此法消解存在不少缺陷，如样品易被沾污、挥发元素易损失，有时消解不完全而使分析结果不准确；另一种是密闭容器消解(高压消解)，这是80年代以来常用的微波消解样品的方法，其最大优点是耗时大大减少、样品消解完全、几乎没有易挥发元素的损失、空白值降低。另外，样品消解时产生的酸雾存在于容器中，使炉腔免受腐蚀。使用密闭容器消解，由于内部温度、压力急剧上升，即使微波炉有温度和压力控制装置，为了安全起见，仍需释放压力安全阀，以确保安全操作。因此选择适宜的消解条件极为重要。另外，微波炉不能长时间空载或近似空载操作，以免损坏磁控管。

4.4微波溶样的优点：

(l)被加热物质里外一起加热，瞬间可达高温，热能损耗少，利用率高。

(2)微波穿透深度强，加热均匀，对某些难溶样品的分解尤为有效。例如：用目前最有效的高压消解法分解错英石，即使对不稳定的错英石，在200℃也需要加热2d，用微波加热在2h之内即可分解完成。

(3)传统加热都需要相当长的预热时间才能达到加热必须的温度，微波加热在微波管启动(10-15)S便可奏效，溶样时间大为缩短。

(4)封闭容器微波溶样所用试剂量少，空白值显著降低，且避免了痕量元素的挥发损失及样品的污染，提高了分析的准确性。

(5)微波溶样最彻底的变革之一是易实现分析自动化。

因此，它被广泛地应用于环境、生物、地质、冶金和其他物料的分析。

4.5微波消解中酸的选择

消解的目的是希望酸能分解样品基体，同所感兴趣的金属离子形成可溶盐。硝酸及过氯酸等氧化性的酸类，是最常用来破坏有机构质与分解金属化合物的试剂。有机构质氧化成CO2、H2O、及NOx。金属、金属盐类及氧化物则可使用氧化性酸液配合盐酸、氢氟酸或硫酸，加以溶解。由于这些酸类都是液体或气体，在原子光谱分析时会迅速挥发，因而可大幅度降低可能发生的背景干扰问题。硝酸、盐酸及高氯酸被广泛用于化学分析的样品制备户，传统上使用的大多数无机酸都是良好的微波吸收体，当微波能被直接加到密闭透射微波的塑料容器中的酸时，受到许多必须加以估计的复杂因素所制约。

如何选用单一酸或混合酸，这要看其分解基体的效果如何。在开口和密闭容器中常选用混酸，每种酸都有有效分解某一特定基体中个别组分的能力，其中辅助酸不仅能作消解试剂，且把溶解过程中与另一种酸形成的络合元素盐有效地溶解掉。例如：单用氢氟酸并不适合于植物样品的分解。然而，如果有含硅组分存在，则常把氢氟酸加入到硝酸中以便使那些和硅以不同形式结合在一起的痕量元素释放出来。这种酸的组合必须根据样品基体的化学性质加以选定。

为了选择适当的酸以保证样品完全溶解，了解样品基体和其中主要的元素及化合物是非常重要的，必须在试图用密闭容器进行消解之前就做出估价。碳酸盐和硫化物常形成气态产物。因此在样品容器密封以前直到反应沉淀池中起泡，应被允许存在。必须考虑的因素是：z酸和容器间的化学作用

氢氟酸不应用于玻璃和石英容器。

z酸沸点和容器熔点的矛盾

高沸点(339℃)的硫酸能熔化大多数塑料制品，包括特氟隆PFA。

z酸在微波场中的稳定性、蒸气压。

z混酸组合使用时，酸之间的相互作用。

z挥发性

在盐酸中-As，Se，Sb，Sn，Ge，Te，Hg的氯化物;在其它酸中-Cr，V，Mo，Mn，Bi，Tl的氯化物;在稀酸中P，Pb，Se，Sb，As，Te，Hg的氢化物。

z溶解性

溶解度常数，(伴随)氟化物沉淀硝酸、盐酸及氢氟酸有相对较低的沸点，因而伴随有高的分压。磷酸疏酸及氟硼酸在相近温度下则有较低的分压和较高的沸点。取每组酸中的一种并加以组合便可利用它们的性质获得一种分压比沸点较低的酸还要小的混酸。

4.6微波消解技术在环境样品分析中的应用

微波溶样涉及到的环境样品包括土壤、固体垃圾、废核料、煤、飞灰、水系沉积物、淤泥、废水、污水悬浮物、油等。由于环境样品的多样性、基体的复杂性，针对被测组分和测试手段的不同，在确定微波溶样方案中，往往要参考有关特定材料溶样方法的背景信息资料及传统溶样方法所采用的试剂。环境物料消解过程中一般不会产生大量气体，为保证快速完全消解，可采用增压微波溶样，即在密闭容器中通过微波加热使样品在提高了压力和温度下进行消解，这样兼有微波加热和高压消解的优点。

4.6.1用于金属元素分析

目前在所有环境样品中研究最多的是金属元素的分析。由于环境样品基体的复杂性，针对被测组分和分析手段的不同，在确定微波消解方案时，要对所用试剂的种类和浓度、消解功率和时间进行优选。到目前为止，试剂的选择仍是凭经验，用得较多的是HNO3/HF、HNO3/HCl/HF、HNO3/HCl/HF/HClO4、HNO3/HF/HClO4等混酸体系。Nieuwenhuize等采用王水消解沉积物样品AAS测定了Cd、Cu、Cr、Fe、Mn、Pb和Zn。文湘华等通过实验对比了多种试剂对沉积物标样微波消解效果，认为HNO3+HF+H2O2(2+1+l)最佳。Hewiff等采用微波消解河水沉积物与土壤标样进行AAS测定，As、Cd、Cu、Ni、Pb、Tl、Zn回收完全，夹杂在铝硅酸盐残渣中的Cr、Ba、Hg回收偏低，加入HF可以破坏这些残渣。该法浸取效率高，精准度好，适合野外实验室的例行分析。曹心德等采用HF/ HCl/HNO3/EDTA混合溶剂微波消解土壤样品、直接稀释后用ICP-MS测定其中的稀土元素。史庭安等采用密闭微波消解大气颗粒物，ICP-AES测定了其中的铅和被。消解溶剂的选择还应考虑与后继测定相适应。例如，极谱和伏安法要求有机组分完全分解，而ICP-AES允许溶液中溶解的固体含量可达1%-2%；用HF微波消解后，加硼酸中和可能产生较多盐类，从而增强背景和降低灵敏度。因此、微波消解后的溶液最好不要含太多的酸或盐。

4.6.2用于非金属元素分析

非金属元素的研究主要集中在硫、氮、磷。高歧等为了加快土壤中硫含量的测定，利用微波加热-压力消解，一次可同时完成近30个样品的消解，与常规分析方法相比，分析速度大大提高。Benson等成功使用在线过硫酸钾微波消解测定水和废水中总磷，同时观测到除冷凝的磷酸盐消解不完全外，实现了所有磷化合物的完全消解，且在线消解与分批处理样品无显著性差异；Johnes等用过硫酸钾和NaOH在聚四氟乙烯弹中消解水样45min，比色测定总磷和总氮，除氨基安替比林的回收率为60%-73%外，所有氮和磷的化合物有很高的回收率，实际样品加标回收率达98.4%-105.9%。微波消解用于凯氏定氮特别有利，凯氏定氮法仍被广泛用来测定污水、土壤等环境样品中的总凯氏氮、有机氮、百分氮。

凯氏法的主要困难在于样品的消解。采用微波消解，加热时间较传统凯氏法缩短20倍，且溶液可立刻冷却以避免氟损失，精准度亦高。

4.6.3用于环境水样COD的测定

化学需氧量是水质监测的主要指标之一，经典的重铬酸钾回流法消耗的样品和试剂较多，回流时间长，而高压蒸汽消化测定法、加压溶弹法等虽然比回流法缩短了消化时间，但仍然较长，一般需要(30-90)min，另外密闭消解法虽然缩短了消解时间，但仍存在着汞盐污染。微波炉是一种新的加热设备，微波消化比酸消化省时、速度快。董庆霖等采用微波消化法测定了含油废水中的化学需氧量。实验结果表明：该法消化时间短，快速简便，测试精度高，测定值与标准回流法的测定结果一致，完全可以替代重铬酸钾回流法测定含油废水中的化学需氧量，适于批量分析。傅大放对微波密封消解法测定化学需氧量作了进一步研究，用不加硫酸银作催化剂，也不加硫酸汞作氯离子掩蔽剂的微波密封消解法测定化学需氧量，同样可以得到与回流法相近的分析结果，这是一种可供选择的无汞盐化学需氧量快速测定法；董向农、罗方若则分别报道了用微波密封消解法测定化学需氧量和用微波技术消化水样后测定化学需氧量；谢炜平采用微波消解法测定了石油化工废水的化学需氧量，与常用的重铬酸钾回流消解法相比，该法具有操作简单、快速省时，测定结果准确度高、所需试剂量少等特点，且对照的分析结果令人满意，可作为测定石油化工废水的化学需氧量的方法；刘东美等用微波消解重铬酸钾法测定了工业废水的化学需氧量，与常用的回流消解法相比，两者的分析结果一致，但是微波消解法的氧化率高于回流消解件而日消解时间短，从而大大提高了工作效率。

五、微波诱导催化技术

5.1微波诱导催化反应基本原理

许多有机化合物都不直接明显地吸收微波，但可利用某种强烈吸收微波的“敏化剂”把微波能传给这些物质而诱发化学反应。如果选用这种“敏化剂”作催化剂或者催化剂载体，就可以在微波照射下实现某些催化反应，这就是所谓微波诱导催化反应。它与普通微波加热效应引起反应加速的情况有所区别，它不但有微波辐射，还有催化剂的参与，并通过催化剂诱导了反应的进行。

微波诱导催化反应的基本原理可简述如下，将高强度短脉冲的微波辐射通过聚焦到含有某种“敏化剂”（如铁磁金属）的固体催化剂床表面上，由于表面金属点位与微波能的强烈作用，微波能将变成热能，从而使某些表面点位选择性被很快加热至很高温度。虽然反应器中有机试剂不会被微波直接加热，但它们与受激发的表面激发点位接触时却可发生反应。通过控制微波脉冲的辐射时间就可以控制催化剂表面的温度。

在微波诱导催化反应中，微波主要是与催化剂或其载体发生作用将其激活，随后被激活的催化剂再催化相应反应的进行。那怎么样的催化剂或载体可以用于微波诱导催化反应呢？从微波诱导催化反应的历程来看，微波首先是与催化剂或其载体相作用，被激活后再催化有关反应。因此，所用的催化剂或其载体必须要与所加微波能发生强烈的相互作用。

5.2微波诱导催化反应的催化剂和载体

对于金属催化剂，能与微波发生强烈相互作用的主要是那些铁磁性金属，如镍、钴和铁等。这些金属视组分和结构不同而有很大差异。对于s区金属氧化物，它们是离子晶体，不存在变价情况，在外电场作用下，表现为离子极化。由于建立和消除离子极化的时间（在10-12~10-19s）都远小于微波的振动周期（对于2450MHz，其周期为4.08×10-10s），故他们在微波场中不会引起能量损耗，即对微波是透明的，因此不作催化剂用。对于过渡元素和p 区元素的氧化物，由于存在变价现象，在一定条件下不同价态的离子可以共存在同一晶体中，形成非化学计量比的缺陷结构，从而产生偶极子。在受热情况下，电子能从一种价态转移到另一种价态，从而产生松弛极化效应。显然，在微波场中会引起能量损耗，造成温度的升高。对部分过渡金属和p区金属的氧化物在微波场中的升温行为进行考察，依据金属氧化物与微波之间的相互作用情况，可把金属氧化物分成三类：①微波高损耗物质。主要是含变价元素

的金属氧化物微波场中有较高的活性，如Ni 2O 3，MnO 2,Co 3O 4等。 ②微波升温曲线有一个拐点

的物质。包括Fe 2O 3，CdO，V 2O 5等。③微波低损耗物质。包括Al 2O 3，TiO 2，ZnO，PbO，Y 2O 3

等。

5.3微波诱导催化技术在污染治理中的应用

5.3.1微波诱导SO 2和NOx 还原与酸气污染物治理

目前，去除SO 2污染的方法大都采用氧化法，将SO 2氧化后中和除去。该处理工艺存

在氧化产物对设备腐蚀性较强、工艺复杂、处理成本较高等缺点。

采用微波诱导催化还原技术，让含有5% SO 2或25%NO 的空气通过在脉冲微波辐射下

的催化剂（Ni-1404），SO 2即可被分解而释放出氧和硫；NO 几乎可以被完全去除，产物为

O 2和N 2以及少量的N 2O 。类似的技术还可以用于气态、液态和固态卤代烃类化合物的脱卤

处理。

Buenger 等研究了在微波作用下用炭质材料（煤）还原NOx 的方法，他们所用的实验

装置如图9所示。

NOx 首先在常温下吸附在炭上，而后用微波照射，此时NOx 与C 反应，生成N 2和CO 2。

实验中发现，随着循环实验次数的增加，炭的比表面积逐渐增大，由最初炭的比表面积为

2.10m 2/g ，循环使用15～25次后，比表面积已达到700～800 m 2/g ，实际上这些煤经过多次

微波辐射已经变成了活性炭。毫无疑问，比表面积的增大，其对NOx 的吸附容量也增加。

通过与常规加热相比，微波加热时，在较低温度（<420℃）下，NOx 就可以被逐渐还原为

N 2；而常规加热，在420℃一下，不发生反应，只有当温度上升至1000℃左右，NOx 才可

被还原为N 2。

张达欣和于爱民等人研究了NO 和SO 2的微波－炭还原。他们采用了两种废气处理操作

方式，一种方式示微波电源始终处于工作状态，NO 或SO 2连续通过活性炭；另一种方式是

使NO 或SO 2在常温下通过活性炭，被吸附一定时间后，再用微波辐射，而后再进行重复试

验，即采用循环操作模式。结果表明，在微波作用下，采用上两种方式，NO 或SO 2均被炭

还原，发生如下反应： 222NO C N CO +=+

22SO C S CO +=+

实验中发现，NO 和SO 2的反应效率和反应温度随着微波功率的增加而增加。除微波功

率外，反应效率还受加入催化剂CuCl 的影响。催化剂CuCl 按不同比例加入到活性炭中，

的原

物

2 图9 在微波作用下用炭质材料（煤）还原NOx 的实验装置

机械混合后，可明显提高反应效率。

他们还考查了在微波作用下活性炭的反应活性及NO 的分解产物。实验采用气相色谱法

在线分析了在微波作用下通过活性炭后的气体，所得的色谱图如图2-5所示。其中图10（a ）

是没经过微波还原作用的NO 气体的色谱图，图（b ）是NO 在微波作用下通过活性炭后的

气体色谱图。结果表明，在微波作用下通过活性炭后的气体中除微量的剩余NO 外还有较大

含量的N 2和CO 2，说明在微波辐射作用下NO 确实与活性炭发生了还原反应：

222CO N C NO +=+

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

（）

(a)

b N O

N 2N O C O 2tg/min

图10 NO 气相色谱图

（a ）没有经过微波-炭还原作用； （b ）经过微波-炭还原作用 为了考查在微波作用下活性炭与SO 2反应活性的分解作用，实验采用了两种方法。一种

方法是采用气相色谱法在线分析在微波场作用下通过活性炭后的气体，色谱图如11所示。

其中图11（a ）是没有经过微波-炭还原作用的SO 2气体的色谱图，图11（b ）是SO 2在微波

作用下通过活性炭后气体的色谱图。结果表明，在微波作用下通过活性炭后的气体中除剩余

微量的SO 2外含有较大量的CO 2。另一种方法是定性地考查另一产物S 的产生情况。实验

中可以观察到，施加微波一段时间后，吸收管的液面上悬浮着一层粘稠的黄色油状物－硫磺。

由此可以证明，在微波作用下，SO 2确实与活性炭发生了还原反应：

S CO C SO +=+22

0 1 2 10 30

H O 2SO 2

CO 2H O

2SO 2

tg/min

图11 SO 2气相色谱图

（a ）没有经过微波-炭还原作用； （b ）经过微波-炭还原作用 5.3.2微波诱导催化与有机污染物去除

如前所述，许多有机化合物都不能直接明显地吸收微波，但可以利用某种强烈吸收微波

的“敏化剂”把微波能传递给这些有机物而诱发微波诱导催化反应，实现对有机污染物的氧

化去除。

王金成等人利用微波诱导催化氧化反应，以蒽醌染料活性艳蓝KN-R 为处理对象，研究

在活性炭存在下微波辐射处理染料废水的可行性。结果表明，在活性炭存在下微波照射能使

活性艳蓝KN-R 溶液迅速退色，每克活性炭处理浓度为300mg/L 的活性艳蓝KN-R 溶液50ml ，

微波辐射4min ，脱色率可达97.1％。他们还比较了微波辐射、常温振荡及水浴加热（沸水

浴）条件下活性艳蓝KN-R 的脱色率情况，如图12所示。

0 20 40 60 80

100

80

60 40

20时间min

/脱色率%/

图12 不同方法处理活性艳蓝KN-R 的比较 从上图可见，常温振荡与水浴加热比较，活性艳蓝KN-R 的脱色率无明显差异，75min

后脱色率分别为94.0％和96.8％；而微波辐射则表现出明显的高效率，几分钟内就可以达到

97％以上。

邹纵柏提出了利用微波辐射去除水中磺基水杨酸污染物的方法。他们先用活性炭吸附污

染物，然后将滤出的活性炭用微波辐射，使其再生。该方法对废水中磺基水杨酸的去除率可

达97.4％。

六、微波杀菌消毒技术

6.1微波杀菌机理

微波辐射技术在杀菌上的机理可用热效应理论和非热效应理论来解释。

（1）热效应理论。关于微波杀菌的机理，40年代至50年代普遍认为只有致热效应。

热效应理论认为，由于微波具有高频特性，因此，当它在介质内部起作用时，水、蛋白质、

核酸等极性分子受到交变电场的作用而剧烈振荡，相互摩擦产生“内热”，从而导致温度升

高，微生物内的蛋白质、核酸等分子结构改性或失活，这样就会对微生物产生破坏作用。

（2）非热效应理论。食品中的菌体一般是原细胞原核微生物，通常是由细胞核、细胞

膜、核糖蛋白体和水组成。当处在微波场中时，除微生物的正常生理活动遭到破坏外，还因

为在强大的电磁场作用下，细胞壁受到某种机械性而破裂，结构受到破坏，细胞的核酸和蛋

白质等渗漏体外，正常代谢出现障碍，导致微生物死亡，从而达到杀菌的目的。有关微波杀

菌的非热效应理论，自1966年Olsen 等人（通过微波对镰刀霉芽孢的非热效应）提出后，

许多研究人员展开似研究，出现了不同的解释模型。有从生物物理角度来解释的模型，其中

包括细胞膜离子通道解释模型、蛋白质变曲解释模型，还有从能量角度、细胞生物学角度来

解释的模型。

6.2 食品的微波杀菌

国外在20世纪60～70年代对微波灭菌机理与技术的研究开发非常的活跃，并在70年

代初使用微波法和蒸汽法相结合杀菌及微波和红外线相结合杀菌而取得两项专利技术，目前，微波的生物效应仍是该领域研究的基础之一。微波杀菌技术在食品工业中的应用已越来越广泛。

（1）应用于乳制品

牛奶等乳制品的生产过程中，消毒杀菌是最重要的处理工艺，传统方法是采用高温短时巴氏杀菌。其缺点是需要庞大的锅炉和复杂的管道系统，而且耗费能源、占用煤场、劳动强度大，还会污染环境等问题。若用微波对牛奶进行杀菌消毒处理，鲜奶在80℃左右处理数秒钟后，杂菌和大肠杆菌完全达到卫生标准要求，不仅营养成分保持不变，而且经微波作用的脂肪球直径变小，且有均质作用，增加了奶香味，提高了产品的稳定性，有利于营养成分的吸收。

（2）应用于豆制品

腐乳是一种民族特色的调味品。其形成机理主要是利用酶和微生物的协同效应，对大豆蛋白等成分进行生化作用，形成鲜香可口的豆腐乳。但是，当腐乳成品形成后，酶和微生物的生化作用仍然继续，最终导致腐乳过度熟化，以致软烂变质；同时酶与微生物的作用伴随产酸产气现象，使瓶内的部分汤料溢出造成“溢汤”现象，在夏天时尤为严重。李启成等采用微波技术，对成熟后的腐乳进行处理，使酶失去活性，同时达到灭菌的功效。实验结果显示，在通过50℃热处理120s后，腐乳再经微波处理，当处理时间70～90s时蛋白酶完全失活，保证了腐乳的风味不变、延长了腐乳的保存时间。

（3）应用于淀粉类制品

蛋糕、面包等焙烤食品的保鲜期很短，其主要原因是由于在常规的加热过程中，制品内部的细菌没有被杀死，导致发霉。而微波由于有很强的穿透力，能在烘烤的同时杀死细菌，可使焙烤食品的保鲜期大大延长。

（4）应用于饮料制品、蔬菜制品

饮料制品经常发生霉变和细菌含量超标现象，并且不允许高温加热杀菌，采用微波杀菌技术，具有温度低、速度快的特点，既能杀灭饮料中的各种细菌，又能防止其贮藏过程中的霉变，而且经微波辐照处理后，各项理化指标均有所提高。利用微波能对小包装紫菜进行杀菌保鲜研究，并与常规高温灭菌法比较，结果表明微波杀菌后细菌总数均低于对照组，且营养成分损失少，保鲜期延长。

除用于以上食品外，微波杀菌技术还可用于营养保健品、水产品、肉制品、水果和酱油等食品的杀菌和保鲜中。此外，还可利用微波杀菌技术处理一些食品包装材料，减少其对食品的影响。

6.3微波脉冲杀菌技术

传统微波杀菌主要是利用微波的热效应，而使用脉冲微波杀菌主要是利用非热效应1321，脉冲微波的作热效应是生物电磁学一个最新的研究领域。脉冲微波杀菌技术能在较低的温度、较少的温升条件下对食品进行杀菌，对于热敏性物料来说具有其他方法不可比拟的优势，因此，对脉冲微波杀菌技术进行研究，充分利用其非热效应在食品加工中具有十分广阔的应用前景。目前的研究普遍认为，电磁脉冲对细胞的作用主要集中在细胞膜上的脉冲微波杀菌系统是脉冲微波杀菌应用推广的前提，目前实现脉冲微波杀菌有2条途径，第1条途径是采用瞬时高压脉冲微波能量而平均功率很低的脉冲微波杀菌技术。它的原理是用微秒一毫秒级宽度的高压脉冲加在磁控管上，使脉冲功率达到数十于焦/秒甚至兆焦/秒级，而平均功率只有几千焦/秒。将这样的微波能量加到被处理的物料上，使物料在极短时间内受到高能量的微波照射，使细菌等微生物在极高的电磁场作用下失去生存能力从而达到杀菌的目的。它的优点是平均功率低，耗能小，杀菌效率高。产生高能量脉冲微波的关键技术有2个，一是大功率脉冲发生器，二是大功率脉冲磁控管，技术上已不存在困难，但价格昂贵。

因此，研制价格适中的大功率脉冲发生器和大功率脉冲磁控管，将是这项技术商业化应用的关键。第2条途径是不采用高功率脉冲微波，而是将原有相对而言幅度较低的连续波微波功率，周期性地切断，处干毫秒级持续时间和毫秒级停断时间。细菌的肌体受到周期性的连续的作用，如果该周期和细菌存在的振荡周期一致，就可能造成谐振状态.导致细菌的细胞膜振破，将细菌致死，而达到杀菌效果。

七、微波辅助提取技术

7.1微波辅助提取的基本原理

在传统的提取过程中，能量首先无规则地传递给提取剂，然后提取剂扩散进入基体物质，再从基体溶解或夹带多种成分扩散出来，即遵循加热－渗透进基体－溶解或夹带－渗透处来的模式。微波辅助提取法则是利用微波能来提高提取效率的一种新技术。在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或提取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得提取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对教差的提取剂中。

微波辅助提取的机理一般可从两方面考虑，一方面微波辐射是高频电磁波穿透提取介质，进入到物料的内部。由于吸收了微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，细胞破裂，细胞内有效组分自由流出，在较低的温度条件下被提取介质捕获并溶解。通过进一步的过滤和分离，便获得提取物料。另外，微波所产生的电磁场加速了被提取部分成分向提取溶剂界面的扩散速率。当用水作溶液时，在微波场下，水分子可高速转动成为激发态，这是一种高能量不稳定状态；或者水分子汽化，加强了提取组分的驱动力；或者水分子本身释放能量回基态，所释放的能量传递给其他物质分子，加速其热运动，缩短提取组分的分子由物料内部扩散到提取溶剂界面的时间，从而使提取速率得到明显提高，同时还降低了提取温度，最大限度地保证了提取的质量。另一方面，也可以从微波对物质加热机理的角度来考虑，由于微波的频率与分子转动的频率相关联，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波场作用下产生瞬时极化，并以2.45亿次/s的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂以及粒子间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分更好地接触和反应，同时迅速生成大量地热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出。

7.2 微波辅助提取的特点

由于传统的提取过程中能量累积和渗透过程以无规则的方式发生，提取的选择性很差。有限的选择性只能通过改变溶剂的主要性质和延长溶剂提取的时间来获得，由于同时受溶解能力和扩散系数的限制，选择面很窄，大大降低了提取效率和速度。微波辅助提取由于对提取体系中的不同组分进行选择性加热，因而成为至今唯一能使目标组分直接从基体分离的提取过程，具有较好的选择性。另外，微波辅助提取由于受溶剂亲和力的限制较小，可供选择的溶剂较多。此外，热传导、热辐射造成的热量损失使得一般加热过程的热效率较低，而微波加热利用分子极化或离子导电效应直接对物质进行加热，因此热效率高、升温快速均匀，大大缩短了提取时间，提高了提取效率。

微波辅助提取技术与现有其他的提取技术相比具有明显的优势。传统的Soxhlet提取、搅拌提取和超声波提取等方法费时、费试剂、效率低、重现性，而且所以试剂通常有毒，易对环境和操作人员造成危害。超临界提取虽然在提取效率上得到了很大的提高，具有节省试剂、无污染等优点，但是回收率较差，溶剂选择范围窄。为了获得超临界条件，需高压容器和高压泵，设备的一次性投资较大，运行成本高，建立大规模提取生产线有工程难度，而且难于提取强极性和大分子质量的物质。微波辅助提取则克服了上述方法的缺点，具有设备简单、适用范围广、提取效率高、重现性好、节省时间和试剂、污染小等特点。

7.3微波辅助提取工艺参数与技术

7.3.1 微波辅助提取工艺及参数选择

微波辅助提取的一般工艺流程为：选料－清洗－粉碎－微波辅助提取－分离－浓缩－干燥－粉化－产品。

微波辅助提取时，提取参数的最佳化包括提取溶剂、提取功率和提取时间的选择。其中，提取溶剂的选择对提取结果的影响至关重要。微波辅助提取中一是要求溶剂必须有一定的极性以吸收微波能进行内部加热；二是所选溶剂对目标提取物必须具有较强的溶剂能力；三是溶剂的沸点及其对后续测定的干扰也是必须考虑的因素。已报道的用于微波辅助提取的溶剂有：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸、甲苯、二氯甲苯、四氯甲烷、己烷、异辛烷、2,2,4-三甲基戊烷等有机溶剂和硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等无机试剂，以及己烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶剂。

Barnabas 等在提取严重污染的土壤中的16种多环芳烃时，比较了二氯甲烷、丙酮和已烷-丙酮混合溶剂，发现丙酮作为提取剂效果最好。Ganzler 等从鼠粪中提取生物活性物质时，比较了甲醇、甲醇-水-乙酸、甲醇-水-氨水3种提取溶剂，结果发现甲醇-水-乙酸混合溶剂效果最佳。Tseng 等在提取沉积物参考样品中的甲基汞时采用硝酸作提取剂，而Vazquez 等在提取海洋沉积物的甲基汞时则发现用盐酸-甲苯作为提取剂效果更好。特别值得注意的是，Lompart 等在提取并测定土壤中酚和甲基酚异构体时，在己烷中加入乙酸酐和吡啶作为提取剂，在微波辅助提取的同时实现了酚类化合物的催化乙酰化，大大简化了操作步骤，缩短了样品处理时间，为溶剂选择打开了新思路。

7.3.2 微波辅助提取装置与设备

微波辅助提取所用的装置也可分为微波炉、转动装置和样品容器。微波炉有家用微波炉和实验室专用微波炉。转动装置是为保证样品各个部分所吸收的微波能均匀而让样品容器转动的设备。样品容器分为敞口容器和密闭罐，大部分研究都采用密闭罐。据报道，密闭罐大多采用市售的CEM 公司生产的MES-1000和MDS-2000型微波样品制备系统。这些系统一般都有功率选择和控温、控压、控时装置。

目前微波辅助提取设备一般分为两类：一类是微波提取罐，另一类为连续微波辅助提取线。两者主要区别，一个是分批处理物料；另一个是以连续方式工作的提取设备。使用的微波频率一般有两种：2450MHz 和915MHz 。市场上出售的有三乐微波技术发展公司研制的一系列微波提取设备，微波功率1～100Kw ，容积从0.1～3m 2；提取溶剂一般可选择水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚和丙酮等强极性溶剂，根据物料与工艺也可以使用弱极性溶剂。该系列设备微波泄漏指标低于1mW/cm 2，与欧美指标接轨。

Greenway 等研究乐流动注射微波辅助提取法，研究了牛奶、谷物中维生素的提取，装

压力检测

图13 流动注射微波辅助提取法装置 注射阀

1ml 取样

置如图13所示。样品由注射阀注入载流中，此样品由载流载入微波炉的样品提取管中。样品提取管是内径0.88mm，长为20m的PTFE管。经此管后，样品进入5m长的冷却管中冷却，而后经过压力调节器流入样品收集器。

7.4微波辅助提取技术在环境中的应用

微波辅助提取多用于固体样品中有机污染物的提取，如土壤、沉积物等环境样品的多换芳烃等有机污染物提取；动植物、食品、种子和饲料中的添加剂、农药残留、油和火性物质提取等。与传统提取方法相比，微波辅助技术具有快速、耗能少，溶剂用量少等优点，因而微波辅助提取在环境中的应用已越来越广泛，这方面的文献也层出不穷。

1986年，Ganzler等首次报道了应用微波能从污染土壤中提取有机化合物的研究。微波辅助提取土壤、沉淀物等中的有机污染物的研究十分活跃。近年来公开发表的论文很多。现将有关PAHs(polycyclicaromatichydrocarbons)、PCBs(polychlorinatedbiphenyls)、OCPs(organochlo-rinepesticides)、酚类化合物、杀虫剂、除草剂、有机锡化物及其他有机物的微波辅助提取(Microwave-Assisted Extraction，MAE)最新研究做一综述。

Lopez-Avila等的研究结果表明，标准土壤样品及沉淀物在封闭的微波提取装置(有压力和温度控制系统，CEM生产)内用正己烷/丙酮(1∶1)，在80℃、115℃、145℃下提取5、10、20min。PAHs、OCPs及酚类化合物的平均回收率为65%～85%，同样条件下室温提取率为50%。Lopez-Avila等认为MAE与传统的Soxhlet或声处理萃取相比，明显节约了萃取时间及溶剂消耗。同时也指出，某些化合物在微波场中有降解作用发生。

Chee等以不同萃取剂的类型(二氯甲烷、丙酮-正己烷(1∶1)、丙酮-石油醚(1∶1)、甲醇-甲苯(9∶1)、萃取温度(115℃、135℃)、萃取持续时间(15min、5min)及萃取剂用量(30ml、45ml)四个因素用正交实验法（见表2-2-3）研究了影响微波辅助萃取(MASE)的优化实验条件，从沉淀物样品中微波辅助萃取PAHs的优化实验条件为30mL丙酮-正己烷(1∶1V/V)，115℃下持续萃取5min，微波功率与被萃取样品的多少有关，一般为50%功率。在上述优化实验条件下研究了标准样品及实际海底沉淀物的萃取。结果（见表2-2-4）表明，样品HS-4MASE萃取的回收率为73.3%～95.7%，而Soxhlet萃取率为66.0%～111.1%，样品HS-6MASE：73.5%～136.8%，Soxhlet：69.4%～100%，两者的萃取率相差不大，由于MASE 可在高于溶剂正常沸点下微波辐射萃取，明显缩短了萃取时间，MASE可在不足30min内同时处理12个样品而Soxhlet16h仅处理1个样品。每个样品溶剂的消耗MASE仅是传统Soxhlet方法的1/12，MASE样品准备时间及废物处理问题明显减少，MASE比传统方法快速、方便、省时、减少成本，萃取率高，更适合于日常分析工作。

Lao等进行了微波辅助提取环境样品中PAHs的研究,并与传统的Soxhlet萃取、机械振荡萃取结果进行了比较，在商业家用微波炉(SanyoEM804T)中，250mL环己烷与PUF(polyurethanefoam)样品混合，最大功率下加热25s，连续操作5次，陈化1、6、21d的PUF中PAHs的回收率研究表明，除大分子量的PAHs外，MAP的萃取率大于机械振荡萃取,陈化6dPUFs，MAP与Soxhlet萃取结果相当。

电磁场与微波技术

电磁场与微波技术 080904 （一级学科：电子科学与技术） 本学科是电子科学与技术一级学科下属的二级学科，是1990年由国务院学位办批准的博士学位授予点，同时承担接收博士后研究人员的任务，2003年被批准为国防科工委委级重点学科点。本学科专业内容涉及电磁场理论、微波毫米波技术及其应用，主要领域包括电磁波的产生、传播、辐射、散射的理论和技术，微波和毫米波电路系统的理论、分析、仿真、设计及应用，以及环境电磁学、光电子学、电磁兼容等交叉学科内容。多年来在多种军事和国民经济应用的推动下，本学科在天线理论与技术、电磁散射与逆散射、电磁隐身技术、微波毫米波理论与技术、光电子技术、电磁兼容、计算电磁学与电磁仿真技术、微波毫米波系统工程与集成应用等方面的研究形成了鲜明的特色，取得了显著成果。其主要研究方向有： 1.计算电磁学及其应用：设计、研究、开发高精度、高效率电磁计算算法；研究高效精确电磁计算算法在目标特性、微波成像及遥感、电磁环境预测、天线分析和设计等方面的应用。 2.微波/毫米波电路设计理论与技术：研究有源元器件与电路模型、与微电子、微机械工艺相关的材料器件等模型的建立及参数提取；研究低相噪频率源技术，微波/毫米波单片集成电路设计，基于微机械（MEMS）的微波/毫米波开关、移相器和滤波器设计。 3.电磁波与物质的相互作用：研究电磁散射和逆散射算法，军事装备目标特性测试技术，隐身目标测试技术，目标散射中心三维成像技术；研究轻质、宽频、自适应智能隐身材料。 4.微波/毫米波系统理论与集成应用技术：设计、研究、开发特殊环境下的微波/毫米波系统；研究微波/毫米波测试技术；研究天线设计理论与技术。 一、培养目标 掌握坚实的电磁场与微波技术以及相应学科的基础理论，具有系统的专门知识，熟练应用计算机，掌握相应的实验技术，掌握一门外国语，学风端正，具备独立从事科学研究工作和独立担负专门技术工作的能力，能胜任科研、生产单位和高等院校的研究、开发、教学或管理等工作。 二、课程设置

微波技术基础第四章课后答案 杨雪霞概要

4-1 谐振腔有哪些主要的参量？这些参量与低频集总参数谐振回路有何异同点？ 答：谐振腔的主要特性参数有谐振频率、品质因数以及与谐振腔中有功损耗有关的谐振电导，对于一个谐振腔来说，这些参数是对于某一个谐振模式而言的，若模式不同，这些参数也是不同的。谐振频率具有多谐性，与低频中的回路，当其尺寸、填充介质均不变化时，只有一个谐振频率是不相同的。在谐振回路中，微波谐振腔的固有品质因数要比集总参数的低频谐振回路高的多。一般谐振腔可以等效为集总参数谐振回路的形式。 4-2 何谓固有品质因数、有载品质因数？它们之间有何关系？ 答：固有品质因数是对一个孤立的谐振腔而言的，或者说，是谐振腔不与任何外电路相连接（空载）时的品质因数。当谐振腔处于稳定的谐振状态时，固有品质因数0Q 的定义为 02T W Q W π =，其中W 是谐振腔内总的储存能量，T W 是一周期内谐振腔内损耗的能量。 有载品质因数是指由于一个腔体总是要通过孔、环或探针等耦合机构与外界发生能量的耦合，这样不仅使腔的固有谐振频率发生了变化，而且还额外地增加了腔的功率损耗，从而导致品质因数下降，这种考虑了外界负载作用情况下的腔体的品质因数称为有载品质因数l Q 。 对于一个腔体，0 1l Q Q k = +，其中k 为腔体和外界负载之间的耦合系数。 4-4 考虑下图所示的有载RLC 谐振电路。计算其谐振频率、无载Q 0和有载Q L 。 谐振器 负载 1800Ω 解：此谐振电路属于并联谐振电路，其谐振频率为： 0356f MHz = = = 无载时， 017.9R Q w L = === 有载时， 040.25L e R Q w L = ===

中山学院微波技术与天线2015B

一、选择题（共10题，每小题2分，共20分） （选择题答案务必填写在下表中！！！） 1．以下_____传输线的主模不是横电磁波。 A.同轴线 B. 双导体 C.带状线 D . 矩形波导 2．微波传输线反射系数的取值范围是_____。 A.[0 1] B . [-1 1] C.[0 +∞] D. [-∞ +∞] 3．对无耗传输线，_____下，终端反射系数l Γ=1。 A.行波状态 B .纯驻波状态 C.行驻波状态 D.故障状态 4．使用/4λ阻抗变换器实现终端匹配的前提是，终端负载必须为_____。 A.容性阻抗 B.感性阻抗 C .纯电阻 D. 复数阻抗 5．以下_____选项不是Smith 阻抗圆图的组成部分。 A. 归一化电阻圆 B. 归一化电抗圆 C.反射系数圆 D . 驻波比圆图 6．截面尺寸为(/2)a b b a ?<的矩形波导，10TE 波在其中传播的条件为_____。(注：0λ为工作波长) A. 00a λ<< B. 022b a λ<< C . 02a a λ<< D. 02a λ> 7．在任何微波电路中都可以被测量的物理量是_____。 A ．阻抗 B ．导纳 C ．驻波比 D ．反射系数 8．微波网络分析中，某端口等效电压()U z 的归一化形式为_____。 电子科技大学中山学院考试试卷 课程名称: 微波技术与天线 试卷类型： B 卷 2015 —2016 学年第 1 学期 期末 考试 考试方式： 闭卷 拟题人： 王桓 日期：2015.12.22 审 题 人： 学 院： 电子信息学院 班 级： 学 号： 姓 名： 提示：考试作弊将取消该课程在校期间的所有补考资格，作结业处理，不能正常毕业和授位，请诚信应考。

微波技术基础第二章课后答案 杨雪霞知识分享

2-1 波导为什么不能传输TEM 波？ 答：一个波导系统若能传输TEM 波型，则在该系统中必须能够存在静电荷静电核或恒定电流，而在单导体所构成的空心金属波导馆内，不可能存在静电荷或恒定电流，因此也不可能传输TEM 波型。 2-2 什么叫波型？有哪几种波型？ 答：波型是指每一种能够单独地在规则波导中存在的电磁场的一种分布状态。 根据场的横向分量与纵向分量之间的关系式划分波型，主要有三种： TEM 波（0z E =，0z H =），TE 波(0z E =,0z H ≠),TM 波（0z E ≠，0z H =） 2-3 何谓TEM 波，TE 波和TM 波？其波阻抗和自由空间波阻抗有什么关系？ 答：0z E =，0z H =的为TEM 波；0z E =,0z H ≠为TE 波；0z E ≠，0z H =为TM 波。 TE 波阻抗： x TE y E wu Z H ηβ = ==> TM 波阻抗： x TM y E Z H w βηε= == 其中η为TEM 波在无限答煤质中的波阻抗。 2-4 试将关系式y z x H H jw E y z ε??-=??，推导为1()z x y H E j H jw y βε?=+?。 解：由y H 的场分量关系式0j z y H H e β-=（0H 与z 无关）得： y y H j H z β?=-? 利用关系式y z x H H jw E y z ε??-=??可推出： 11()()y z z x y H H H E j H jw y z jw y βεε???= +=+??? 2-5 波导的传输特性是指哪些参量？ 答：传输特性是指传输条件、传播常数、传播速度、波导波长、波形阻抗、传输功率以及损耗和衰减等。 2-6 何为波导的截止波长c λ？当工作波长λ大于或小于c λ时，波导内的电磁波的特性有何

微波技术基础第二章课后答案杨雪霞汇总

2-1波导为什么不能传输 TEM 波？ 答：一个波导系统若能传输 TEM 波型，则在该系统中必须能够存在静电荷静电核或恒定电 流，而在单导体所构成的空心金属波导馆内， 不可能存在静电荷或恒定电流， 因此也不可能 传输TEM 波型。 2-2什么叫波型？有哪几种波型？ 答：波型是指每一种能够单独地在规则波导中存在的电磁场的一种分布状态。 根据场的横向分量与纵向分量之间的关系式划分波型，主要有三种： TEM 波(E z=O , H z=O )，TE 波(E z =O ,H z HO ),TM 波(Ez^O , H z = O ) 2-3何谓TEM 波，TE 波和TM 波？其波阻抗和自由空间波阻抗有什么关系？ 答：E z =0，H z =0 的为 TEM 波；E z =O ,H z =O 为 TE 波；E z =0，H z =0 为 TM 波。 其中为TEM 波在无限答煤质中的波阻抗。 cH z ￡H y 唏戸亠 1 cH z R 2-4试将关系式 z y =jw ；E x ，推导为E x ( —j ：Hy )。 cy az jw g ￡y 解：由H y 的场分量关系式 H y =H O e —j ：z ( H 0 与z 无关)得： 利用关系式凹一也二jw ；E x 可推出: 纽 cz 2-5波导的传输特性是指哪些参量？ 答：传输特性是指传输条件、传播常数、传播速度、波导波长、波形阻抗、传输功率以及损 耗和衰减 等。 2-6何为波导的截止波长 ’c ?当工作波长’大于或小于’c 时，波导内的电磁波的特性有何 TE 波阻抗: TM 波阻抗: 2 丄（如土） jw ； : y : z jw ； /H y ）

微波技术基础 简答题整理

第一章传输线理论 1-1.什么叫传输线？何谓长线和短线？ 一般来讲，凡是能够导引电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们共同体组成的导波系统，均可成为传输线；长线是指传输线的几何长度l远大于所传输的电磁波的波长或与λ可相比拟，反之为短线。（界限可认为是l/λ>=0.05） 1-2.从传输线传输波形来分类，传输线可分为哪几类？从损耗特性方面考虑，又可以分为哪几类？ 按传输波形分类： （1）TEM（横电磁）波传输线 例如双导线、同轴线、带状线、微带线；共同特征：双导体传输系统； （2）TE（横电）波和TM（横磁）波传输线 例如矩形金属波导、圆形金属波导；共同特点：单导体传输系统； （3）表面波传输线 例如介质波导、介质镜像线；共同特征：传输波形属于混合波形（TE波和TM 波的叠加） 按损耗特性分类： （1）分米波或米波传输线（双导线、同轴线） （2）厘米波或分米波传输线（空心金属波导管、带状线、微带线） （3）毫米波或亚毫米波传输线（空心金属波导管、介质波导、介质镜像线、微带线） （4）光频波段传输线（介质光波导、光纤） 1-3.什么是传输线的特性阻抗，它和哪些因素有关？阻抗匹配的物理实质是什么？ 传输线的特性阻抗是传输线处于行波传输状态时，同一点的电压电流比。其数值只和传输线的结构，材料和电磁波频率有关。 阻抗匹配时终端负载吸收全部入射功率，而不产生反射波。 1-4.理想均匀无耗传输线的工作状态有哪些？他们各自的特点是什么？在什么情况的终端负载下得到这些工作状态？

（1）行波状态： 0Z Z L =，负载阻抗等于特性阻抗（即阻抗匹配）或者传输线无限长。 终端负载吸收全部的入射功率而不产生反射波。在传输线上波的传播过程中，只存在相位的变化而没有幅度的变化。 （2）驻波状态： 终端开路，或短路，或终端接纯抗性负载。 电压，电流在时间，空间分布上相差π/2，传输线上无能量传输，只是发生能量交换。传输线传输的入射波在终端产生全反射，负载不吸收能量，传输线沿线各点传输功率为0.此时线上的入射波与反射波相叠加，形成驻波状态。 （3）行驻波状态： 终端负载为复数或实数阻抗（L L L X R Z ±=或L L R Z =）。 信号源传输的能量，一部分被负载吸收，一部分反射回去。反射波功率小于入射波功率。 1-5.何谓分布参数电路？何谓集总参数电路？ 集总参数电路由集总参数元件组成，连接元件的导线没有分布参数效应，导线沿线电压、电流的大小与相位，与空间位置无关。分布参数电路中，沿传输线电压、电流的大小与相位随空间位置变化，传输线存在分布参数效应。 1-6.微波传输系统的阻抗匹配分为两种：共轭匹配和无反射匹配，阻抗匹配的方法中最基本的是采用λ/4阻抗匹配器和支节匹配器作为匹配网络。 1-7.传输线某参考面的输入阻抗定义为该参考面的总电压和总电流的比值；传输线的特征阻抗等于入射电压和入射电流的比值；传输线的波阻抗定义为传输线内横向电场和横向磁场的比值。 1-8.传输线上存在驻波时，传输线上相邻的电压最大位置和电压最小位置的距离相差λ/4，在这些位置输入阻抗共同的特点是纯电阻。 第二章 微波传输线 2-1.什么叫模式或波形？有哪几种模式？

微波技术与天线论文

题目:简论微波谐振器件 姓名:陆昌佳学号20091120242 专业:通信工程 目录： 一、…………………………摘要 二、…………………………关键词 三、…………………………正文 1、微波元器件的简单介绍 2、微波元器件常见种类 3、矩形和圆柱形谐振腔基本参数的计算 4、参考书目

一、摘要：微波谐振器件是根据微波频率的特点从LC回路演变而来的,通过对微波谐振器件的研究,我们可以通过谐振器件各个参数更进一步的了解和认识其特点，从而更好的使用微波谐振器件、最大程度的发挥它在通信系统中的作用。以下我将对矩形谐振腔做简要计算分析，得到其谐振频率和品质因素f。和Q。，并将其和圆柱微波谐振腔的基本参数作比较，从而更进一步为通信事业服务. 二、关键词：谐振频率品质因素 三、微波元器件简单介绍：在低频电路中, 谐振回路是一种基本元 件, 它是由电感和电容串联或并联而成, 在振荡器中作为振荡回路，用以控制振荡器的频率; 在放大器中用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。在微波频率上, 也有上述功能的器件, 这就是微波谐振器件, 它的结构是根据微波频率的特点从LC回路演变而成的。微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大类, 传输线型谐振器是一段由两端短路或开路的微波导行系统构成的, 如金属空腔谐振器、同轴线谐振器和微带谐振器等 四、常见谐振腔：

五、正文：谐振在通信系统中起着举足轻重的作用，以最简单的收音机为例，我们都知道收音机在接收电磁波信号时，只有谐收音机频率和空中的电磁波频率相等才能接收到音频信号即谐振。而谐振的直接决定因素在于谐振器件，对谐振器件的研究可从其基本参数谐振频率和品质因素入手。

微波技术基础第三章课后答案 杨雪霞汇总

3-1 一根以聚四氟乙烯 2.10r ε=为填充介质的带状线，已知其厚度b =5mm ，金属导带厚度和宽度分别为0t =、W =2mm ，求此带状线的特性阻抗及其不出现高次模式的最高频率。 解: 由于/2/50.40.35W b ==>，由公式 20 (0.35/)e W W b b W b ?=-? -? /0.35/0.35 W b W b <> 得中心导带的有效宽度为：2e W W mm ≈=， 077.3Z = =Ω 带状线的主模为TEM 模，但若尺寸不对也会引起高次模，为抑止高次模，带状线的最短工作波长应满足： 10 10 max(,)cTE cTM λλλ> 10 2 5.8cTE mm λ== mm b r cTM 5.14210 ==ελ 所以它的工作最高频率 GHz c f 20105.141033 8 =??==-λ 3-2 对于特性阻抗为50Ω的铜导体带状线，介质厚度b =0.32cm ，有效相对介电常数 2.20r ε=，求线的宽度W 。若介质的损耗角正切为0.001，工作频率为10GHz ，计算单位 为dB/λ的衰减，假定导体的厚度为t =0.01mm 。 解: 074.2120==< 和030)0.4410.830x π=-=，所以 由公式 00, 1200.85120 x W b ??? 其中， 0.441x = 计算宽度为(0.32)(0.830)0.266W bx cm ===。 在10GHz ，波数为

1310.6k m -= = 由公式 )(/2tan 波TEM m Np k d δ α= 介电衰减为 m Np k d /155.02)001.0)(6.310(2tan === δα 在10GHz 下铜的表面电阻为0.026s R =Ω。于是，根据公式 300002.710120 ,30()/0.16120,s r c s R Z A b t Np m R B Z b επα-????? 其中 2121ln()W b t b t A b t b t t π+-=+ +-- 0.414141(0.5ln )(0.50.7)2b t W B W t W t ππ=+ +++ 得出的导体的衰减为 m Np A t b Z R r s c /122.0)(30107.203=-?=-πεα 因为 4.74A =。总的衰减常数为 0.277/d c Np m ααα=+= 以dB 为单位，为 ()201 2.41/dB ge dB m αα== 在10GHz ，在带状线上的波长为 cm f c r 02.2== ελ 所以，用波长来表示的衰减为 ()(2.41)(0.0202)0.049/dB dB αλ== 3-3 已知带状线两接地板间距b =6cm ，中心导带宽度W =2cm ，厚度t =0.55cm ，试求填充

微波技术基础复习重点

第一章引论 微波是指频率从300MHz到3000GHz范围内的电磁波，相应的波长从1m到0.1mm。包括分米波（300MHz到3000MHz）、厘米波（3G到30G）、毫米波（30G 到300G）和亚毫米波（300G到3000G）。 微波这段电磁谱具有以下重要特点：似光性和似声性、穿透性、信息性和非电离性。 微波的传统应用是雷达和通信。这是作为信息载体的应用。 微波具有频率高、频带宽和信息量大等特点。 强功率—微波加热弱功率—各种电量和非电量的测量 导行系统：用以约束或者引导电磁波能量定向传输的结构 导行系统的种类可以按传输的导行波划分为： (1)TEM(transversal Electromagnetic,横电磁波)或准TEM传输线 (2)封闭金属波导(矩形或圆形，甚至椭圆或加脊波导) (3)表面波波导(或称开波导) 导行波：沿导行系统定向传输的电磁波，简称导波 微带、带状线，同轴线传输的导行波的电磁能量约束或限制在导体之间沿轴向传播。是横电磁波(TEM)或准TEM波即电场或磁场沿即传播方向具有纵向电磁场分量。 开波导将电磁能量约束在波导结构的周围(波导内和波导表面附近)沿轴向传播，其导波为表面波。 导模(guided mode ):即导波的模式，又称为传输模或正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。特点： (1)在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的，与频率以 及导行系统上横截面的位置无关。 (2)模是离散的，当工作频率一定时，每个导模具有唯一的传播常数。 (3)导模之间相互正交，互不耦合。 (4)具有截止频率，截止频率和截止波长因导行系统和模式而异。 无纵向磁场的导波(即只有横向截面有磁场分量)，称为横磁(TM)波或E波。 无纵向电场的导波(即只有横向截面有电场分量)，称为横电(TE)波或H波。 TEM波的电场和磁场均分布在与导波传播方向垂直的横截面内。 第二章传输线理论 传输线是以TEM模为导模的方式传递电磁能量或信号的导行系统，其特点是横向尺寸远小于其电磁波的工作波长。 集总参数电路和分布参数电路的分界线：几何尺寸L/工作波长>1/20。 这些量沿传输线分布，其影响在传输线的每一点，因此称为分布参数。 传播常熟是描述导行系统传播过程中的衰减和相位变化的参数。 传输线上的电压和电流是由从源到负载的入射波和反射波的电压以及电流叠加，在传输线上呈行驻波混合分布。 特性阻抗：传输线上入射波的电压和入射波电流之比，或反射波电压和反射波电流之比的负值，定义为传输线的特性阻抗。 传输线上的电压和电流决定的传输线阻抗是分布参数阻抗。

微波技术与天线总复习题

微波技术与天线基础总复习题 一、填空题 1、微波是一般指频率从 至 范围内的电磁波，其相应的波长从 至 。并 划为 四个波段；从电子学和物理学的观点看，微波有 、 、 、 、 等 重要特点。 2、无耗传输线上的三种工作状态分别为： 、 、 。 3、传输线几个重要的参数： （1） 波阻抗： ；介质的固有波阻抗为 。 （2） 特性阻抗： ，或 ，Z 0=++ I U 其表达式为Z 0= ,是一个复数； 其倒数为传输线的 . （3） 输入阻抗（分布参数阻抗）： ,即Z in (d)= 。传输线输入阻抗的 特点是： a) b) c) d) （4） 传播常数： （5） 反射系数： （6） 驻波系数： （7） 无耗线在行波状态的条件是： ；工作在驻波状态的条件是： ；工作在行驻波状态的条件是： 。 （8） 无耗传输线的特性阻抗0Z = , 输入阻抗具有 周期性，传输 线上电压与电流反射系数关系 ，驻波比和放射系数关系 。 4、负载获得最大输出功率时，负载Z 0与源阻抗Z g 间关系： 。 5、负载获得最大输出功率时，负载与源阻抗间关系： 。 6、史密斯圆图是求街均匀传输线有关 和 问题的一类曲线坐标 图，图上有两组坐标线，即归一化阻抗或导纳的 的等值线簇与反 射系数的 等值线簇，所有这些等值线都是圆或圆弧，故也称阻 抗圆图或导纳圆图。阻抗圆图上的等值线分别标有 ， 而 和 ，并没有在圆图上表示出来。导纳圆图可 以通过对 旋转180°得到。阻抗圆图的实轴左半部和右半

部的刻度分别表示或和或。圆图上的电刻度表示，图上0~180°是表示。 7、Smith圆图与实轴右边的交点为点。Smith圆图实轴上的点代表点，左半轴上的点为电压波点，右半轴上的点为电压波点。在传输线上电源向负载方向移动时，对应在圆图上应旋转。 8、阻抗匹配是使微波电路或系统无反射运载行波或尽量接近行波的技术措施，阻抗匹配主要包括三个方面的问题，它们是：（1）；（2）；（3）。 9、负载获得最大输出功率时，负载与源阻抗间关系： 10、矩形波导的的主模是模，导模传输条件是，其中截止频率为，TE10模矩形波导的等效阻抗为，矩形波导保证只传输主模的条件是。 11、矩形波导的管壁电流的特点是：（1）、（2）、（3）。 12、模式简并现象是指， 主模也称基模，其定义是。单模波导是指；多模传输是。 13、圆波导中的主模为，轴对称模为，低损耗模为。 微带线的特性阻抗随着w/h的增大而。相同尺寸的条件下，εr越大, 特性阻抗越 14、微波元器件按其变换性质可分为、、三大类。 15、将由不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效。 16、任意具有两个端口的微波元件均可看做为。 17、[Z]矩阵中的各个阻抗参数必须使用法测量； [Y]矩阵中的各参数必须用法测量； 18、同一双端口网络的阻抗矩阵[Z]和导纳矩阵[Y]关系是。 19、多口网络[S]矩阵的性质：网络互易有，网络无耗有，网络对称时有 .

微波技术基础期末试题一

《微波技术基础》期末试题一 选择填空题（共30分，每题3分） 1.下面哪种应用未使用微波（） （a）雷达（b）调频（FM）广播 （c）GSM移动通信（d）GPS卫星定位 2.长度1m，传输900MHz信号的传输线是（） （a）长线和集中参数电路（b）长线和分布参数电路 （c）短线和集中参数电路（d）短线和分布参数电路 3.下面哪种传输线不能传输TEM模（） （a）同轴线（b）矩形波导（c）带状线（d）平行双线 4.当矩形波导工作在TE10模时，下面哪个缝不会影响波的传输（） 5.圆波导中的TE11模横截面的场分布为（） （a）（b）（c） 6.均匀无耗传输线的工作状态有三种，分别为，和。

7.耦合微带线中奇模激励的对称面是壁，偶模激励的对称面是壁。 8.表征微波网络的主要工作参量有阻抗参量、参量、参量、散射参量和参量。 9.衰减器有衰减器、衰减器和衰减器三种。 10.微波谐振器基本参量有、和三种。 二.（8分）在特性阻抗Z0=200?的传输线上，测得电压驻波比ρ=2，终端为 U0V，求终端反射系数、负载阻 =1 电压波节点，传输线上电压最大值 max 抗和负载上消耗的功率。 三．（10分）已知传输线特性阻抗Z0=75?，负载阻抗Z L=75+j100?，工作频率为900MHz，线长l=0.1m，试用Smith圆图，求距负载最近的电压波腹点的位置和传输线的输入阻抗（要求写清必要步骤）。 四．（10分）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，负载阻抗为Z L=75Ω，若采用单支节匹配，求支节线的接入位置d和支节线的长度l（要求写清必要步骤）。五．（15分）矩形波导中的主模是什么模式；当工作波长为λ=2cm时，BJ-100型（a*b=22.86*10.16mm2）矩形波导中可传输的模式，如要保证单模传输，求工作波长的范围；当工作波长为λ=3cm时，求λp，vp及vg。 六．（15分）二端口网络如图所示，其中传输线的特性阻抗Z0=200Ω，并联阻抗分别为Z1=100Ω和Z2=j200Ω，求网络的归一化散射矩阵参量S11和S21，网络的插入衰减（dB形式）、插入相移与输入驻波比。

射频与微波技术原理及应用汇总

射频与微波技术原理及应用培训教材 华东师范大学微波研究所 一、Maxwell(麦克斯韦)方程 Maxwell 方程是经典电磁理论的基本方程，是解决所有电磁问题的基础，它用数学形式概括了宏观电磁场的基本性质。其微分形式为 0 B E t D H J t D B ρ???=- ????=+??=?= (1.1) 对于各向同性介质，有 D E B H J E εμσ=== (1.2) 其中D 为电位移矢量、B 为磁感应强度、J 为电流密度矢量。 电磁场的问题就是通过边界条件求解Maxwell 方程，得到空间任何位置的电场、磁场分布。对于规则边界条件，Maxwell 方程有严格的解析解。但对于任意形状的边界条件，Maxwell 方程只有近似解，此时应采用数值分析方法求解，如矩量法、有限元法、时域有限差分法等等。目前对应这些数值方法，有很多商业的电磁场仿真软件，如Ansoft 公司的Ensemble 和HFSS 、Agilent 公司的Momentum 和ADS 、CST 公司的Microwave Studio 以及Remcom 公司的XFDTD 等。 由矢量亥姆霍兹方程联立Maxwell 方程就得到矢量波动方程。当0,0J ρ==时，有 222200E k E H k H ?+=?+= (1.3) 其中k 为传播波数，22k ωμε=。 二、传输线理论 传输线理论又称一维分布参数电路理论，是射频、微波电路设计和计算的理论基

础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中也相当重要。 1、微波等效电路法 低频时是利用路的概念和方法，各点有确切的电压、电流概念，以及明确的电阻、电感、电容等，这是集总参数电路。在集总参数电路中，基本电路参数为L、C、R。由于频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，电磁场随时间变化而不随长度变化，而且电感、电阻、线间电容和电导的作用都可忽略，因此整个电路的电能仅集中于电容中，磁能集中于电感线圈中，损耗集中于电阻中。 射频和微波频段是利用场的概念和方法，主要考虑场的空间分布，测量参数由电压U、电流I转化为频率f、功率P、驻波系数等，这是分布参数电路。在分布参数电路中，电磁场不仅随时间变化也随空间变化，相位有明显的滞后效应，线上每点电位都不同，处处有储能和损耗。 由于匀直无限长的传输系统在现实中是不存在的，因此工程上常用微波等效电路法。微波等效电路法的特点是：一定条件下“化场为路”。具体内容包括： (1)、将均匀导波系统等效为具有分布参数的均匀传输线； (2)、将不均匀性等效为集总参数微波网络； (3)、确定均匀导波系统与不均匀区的参考面。 2、传输线方程及其解 传输线方程是传输线理论的基本方程，是描述传输线上的电压、电流的变化规律及其相互关系的微分方程。电路理论和传输线之间的关键不同处在于电尺寸。集总参数电路和分布参数电路的分界线可认为是l/λ≥0.05。 以传输TEM模的均匀传输线作为模型，如图1所示。在线上任取线元dz来分析(dz<<λ)，其等效电路如图2所示。终端负载处为坐标起点，向波源方向为正方向。 图1. 均匀传输线模型图2、线元及其等效电路根据等效电路，有

微波技术基础

摘要 本文主要介绍了微波的基础知识，在第一章中介绍了微波的概念、基本特点以及微波在民用和军事上的应用，在第二章中介绍了微波传输线理论，主要介绍了TE型波的理论和传输特性。 10 This paper describes the basics of microwave in the microwave first chapter introduces the concept of the basic characteristics and microwave in the civilian and military applications, in the second chapter describes the microwave transmission line theory, introduces the theory and the type of wave Transmission characteristics.

微波技术基础 第一章微波简介 1.1 什么是微波 微波是频率非常高的电磁波，就现代微波理论的研究和发展而论，微波是指频率从GHz 300的电磁波，其相应的波长从1m~0.1mm，这段电磁频谱包~ MHz3000 括分米波（频率从300MHz~3000MHz），厘米波（频率从3GHz~30GHz），毫米波（频率从30GHz~300GHz）和亚毫米波（频率从300GHz~3000GHz）四个波段。 下图为电磁波谱分布图： 1.2微波的基本特点 1.似光性和似声性 微波波段的波长和无线电设备的线长度及地球上的一般物体的尺寸相当或小的多，当微波辐射到这些物体上时，将产生显著地反射、折射，这和光的反射折射一样。同时微波的传播特性也和几何光学相似，能够像光线一样直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就能获得方向性极好、体积小的天线设

[2018年最新整理]微波技术习题

微波技术习题 思考题 1.1 什么是微波？微波有什么特点？ 1.2 试举出在日常生活中微波应用的例子。 1.3 微波波段是怎样划分的？ 1.4 简述微波技术未来的发展状况。 2.1何谓分布参数？何谓均匀无损耗传输线？ 2.2 传输线长度为10cm，当信号频率为9375MHz时，此传输线属长线还是短线？ 2.3传输线长度为10cm，当信号频率为150KHz时，此传输线属长线还是短线？ 2.4传输线特性阻抗的定义是什么？输入阻抗的定义是什么？ 2.5什么是反射系数、驻波系数和行波系数？ 2.6传输线有哪几种工作状态？相应的条件是什么？有什么特点？ 3.1何谓矩形波导？矩形波导传输哪些模式？ 3.2何谓圆波导？圆波导传输哪些模式？？ 3.3矩形波导单模传输的条件是什么？ 3.4何谓带状线？带状线传输哪些模式？ 3.5何谓微带线？微带线传输哪些模式？ 3.6 何谓截止波长？何谓简并模？工作波长大于或小于截止波长，电磁波的特性有何不同？ 3.7 矩形波导TE10模的场分布有何特点？ 3.8何谓同轴线？传输哪些模式？ 3.9为什么波导具有高通滤波器的特性？ 3.10 TE波、TM波的特点是什么？ 3.11何谓波的色散？ 3.12任何定义波导的波阻抗？分别写出TE波、TM波波阻抗与TEM波波阻抗之间的关系式。 4.1为什么微波网络方法是研究微波电路的重要手段？ 4.2微波网络与低频网络相比有哪些异同？ 4.3网络参考面选择的要求有什么？

4.4表征微波网络的参量有哪几种？分别说明它们的意义、特性及其相互间的关系？ 4.5二端口微波网络的主要工作特性参量有哪些？ 4.6微波网络工作特性参量与网络参量有何关系？ 4.7常用的微波网络有哪些？对应的网络特性参量是什么？ 4.8微波网络的信号流图是什么？简要概述信号流图化简法则有哪些？ 5.1试述旋转式移相器的工作原理，并说明其特点。 5.2试分别叙述矩形波导中的接触式和抗流式接头的特点。 5.3试从物理概念上定性地说明：阶梯式阻抗变换器为何能使传输线得到较好的匹配。 5.4在矩形波导中，两个带有抗流槽的法兰盘是否可以对接使用? 5.5微波元件中的不连续性的作用和影响是什么? 5.6利用矩形波导可以构成什么性质的滤波器? 5.7试说明空腔谐振器具有多谐性，采用哪些措施可以使腔体工作于一种模式? 5.8欲用空腔谐振器测介质材料的相对介电常数，试简述其基本原理和方法。 6.1什么是双极晶体管和场效应晶体管？各有什么优缺点？ 6.2如何判断微波晶体管放大器的稳定性？ 6.3设计小信号微波晶体管放大器依据的主要技术指标有哪些？ 6.4什么是单向化设计？单向化设计优点是什么？ 6.5什么是混频二极管的净变频损耗？如何降低这种损耗？ 6.6什么是混频二极管的寄生参量损耗？如何减小这种损耗？ 6.7 什么是负阻效应？ 6.8简述负阻型微波振荡器起振条件、平衡条件和稳定条件？

考研专业介绍：电磁场与微波技术

非统考专业介绍：电磁场与微波技术 一、专业介绍 电磁场与微波技术隶属于电子科学与技术一级学科。 1、研究方向 目前，各大院校与电磁场与微波技术专业相关的研究方向都略有不同的侧重点。以西安电子科技大学为例，该专业研究方向有： 01电磁兼容、电磁逆问题、计算微波与计算电磁学 04计算电磁学、智能天线、射频识别 07宽带天线、电磁散射与隐身技术 08卫星通信、无线通信、智能天线、信号处理 09天线理论与工程及测量、新型天线 10电磁散射与微波成像 11天线CAD、工程与测量 13移动卫星通信天线 14天线理论与工程 16电磁散射与隐身技术 17电磁兼容、微波测量、信号完整性分析 20移动通信中的相控阵、共形相控阵天线技术 21计算微波与计算电磁学、微波通信、天线工程、电磁兼容 22电阻抗成像、电磁兼容、非线性电磁学 23天线工程与CAD、微波射频识别技术、微波电路与器件 24电磁场、微波技术与天线电磁兼容 25天线测量技术与伺服控制 26天线理论与工程技术 27天线近远场测试技术及应用、无线网络通讯技术 28天线工程及数值计算 29微波电路与微波工程 30近场辐射及散射测量理论与技术 31微波系统和器件设计、电磁场数值计算 32电磁新材料、计算电磁学、电磁兼容 33计算电磁学、电磁兼容、人工合成新材料 34计算电磁学 35电磁隐身技术、天线理论与工程 36宽带小型化天线及电磁场数值计算 37射频识别、多天线技术 38天线和微波器件的宽带设计、小型化设计 2、培养目标 本专业培养德、智、体全面发展，在电磁信号（高频、微波、光波等）的产生、交换、发射、传输、传播、散射及接收等有关的理论与技术和信息（图像、语音、数据等）的获取、处理及传输的理论与技术两大方面具有坚实的理论基础和实验技能，了解本学科发展前沿和动态，具有独立开展本学科科学研究工作能力的高层次人才。 3、专业特色

微波技术基础第三章课后答案---杨雪霞

微波技术基础第三章课后答案---杨雪霞

3-1 一根以聚四氟乙烯 2.10 r ε =为填充介质的带状 线，已知其厚度b =5mm ，金属导带厚度和宽度分别为0t =、W =2mm ，求此带状线的特性阻抗及其不出现高次模式的最高频率。 解: 由于/2/50.40.35W b ==>，由公式 2 0(0.35/)e W W b b W b ?=-?-? /0.35/0.35W b W b <> 得中心导带的有效宽度为：2e W W mm ≈=， 077.30.441e r Z W b ε= =Ω + 带状线的主模为TEM 模，但若尺寸不对也会引起高次模，为抑止高次模，带状线的最短工作波长应满足： 10 10 max(,) cTE cTM λλλ> 10 2 5.8cTE r mm λε== mm b r cTM 5.14210 ==ελ 所以它的工作最高频率 GHz c f 2010 5.141033 8 =??==-λ 3-2 对于特性阻抗为50Ω的铜导体带状线，介质厚度b =0.32cm ，有效相对介电常数 2.20 r ε =，求线的 宽度W 。若介质的损耗角正切为0.001，工作频率为10GHz ，计算单位为dB/λ的衰减，假定导体的

厚度为t =0.01mm 。 解 : 因 为 0 2.2(50)74.2120 r Z ε==<和030/()0.4410.830 r x Z πε=-=，所以 由公式 00,1200.850.6, 120 r r x Z W b x Z εε??? 其中， 0.441r x Z ε= - 计算宽度为(0.32)(0.830)0.266W bx cm ===。 在10GHz ，波数为 1 2310.6r f k m πε-== 由公式 )(/2 tan 波TEM m Np k d δ α= 介电衰减为 m Np k d /155.02 ) 001.0)(6.310(2tan === δα 在10GHz 下铜的表面电阻为0.026s R =Ω。于是，根 据公式 300002.710120 ,30()/0.16120,s r r c s r R Z Z A b t Np m R Z B Z b εεπαε-????? 其中 2121ln()W b t b t A b t b t t π+-=+ +-- 0.414141(0.5ln ) (0.50.7)2b t W B W t W t ππ=+ +++

微波技术基础课程学习知识要点

《微波技术基础》课程学习知识要点 第一章学习知识要点 1．微波的定义—把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz～3×1012Hz。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽10000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。 2．微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。 3．微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用。 4．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。 第二章学习知识要点 1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。 2. 均匀无耗传输线方程为

() ()()()d U z dz U z d I z dz I z 22222 20 -=-=ββ 其解为 ()()() U z A e A e I z Z A e A e j z j z j z j z =+=---120121ββββ 对于均匀无耗传输线,已知终端电压U 2和电流I 2，则: 对于均匀无耗传输线,已知始端电压U 1和电流I 1，则: 其参量为 Z L C 00 0=，βπλ=2p ，v v p r =0 ε，λλεp r =0 3. 终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状态： (1) 当Z Z L =0时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。 (2) 当Z L =0、∞和±jX 时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；电压（电流）波腹点和电压（电流）波节点每隔λ4交替出现，每隔2λ重复出现；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。 (3) 当Z R jX L L L =+时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻R Z max =ρ0，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻R Z min =0ρ； ()()?????-=-= sin cos sin cos 011011Z z jU z I z I z Z jI z U z U ββββ()()?????+=+= sin cos sin cos 022022Z z jU z I z I z Z jI z U z U ββββ

西安电子科技大学微波技术基础07期末考试考题

西安电子科技大学 考试时间 120 分钟 试 题（A ） 1.考试形式：闭 卷； 2.本试卷共 五 大题，满分100分。 班级 学号 姓名 任课教师 一、简答题（每题3分，共45分） 1、 传输线解为z j z j e U e U U ββ21+=-，上面公式中哪个表示+z 方向传输波？哪个表示-z 方向传输波？为什么？ 2、 若传输线接容性负载（L L L jX R Z +=，0

第2页 共4页 5、矩形波导和圆波导的方圆转换中各自的工作模式是什么？ 6、带线宽度W ，上下板距离b ，当W 增大时，带线特性阻抗如何变化？为什么？ 7、 微带或者带线的开口端是否相当于开路端？为什么？如果不是，如何等效？ 8、 一段矩形波导，尺寸b a ?， TE 10模的散射矩阵如下，写出其传输TE 20模时的散射矩阵。 []?? ? ???=--00θ θj j e e s 9、 金属圆波导的模式TE mnp 和TM mnp ，下标m, n, p 各自代表什么含义？ 10、 写出如图双口网络的输入反射系数in Γ的表达式。 11、 环行器的端口定义和散射矩阵如下，该环行器环行方向是顺时针还是逆时针？ 12、 说明下图E 面T 的工作特点 13、 写出如图理想两端口隔离器的S 矩阵

微波技术基础课程学习知识要点

《微波技术基础》课程学习知识要点 第一章 学习知识要点 1．微波的定义— 把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz ～3×1012Hz 。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽10000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。 2．微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。 3．微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用。 4．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。 第二章 学习知识要点 1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。 2. 均匀无耗传输线方程为 () ()()()d U z dz U z d I z dz I z 2222220 -=-=ββ 其解为 ()()() U z A e A e I z Z A e A e j z j z j z j z =+=---120121ββββ 对于均匀无耗传输线,已知终端电压U 2和电流I 2，则: 对于均匀无耗传输线,已知始端电压U 1和电流I 1，则: ()()?????+=+= sin cos sin cos 022022Z z jU z I z I z Z jI z U z U ββββ