1.3 射频/微波的应用

射频/微波不仅在国防和国民经济中发挥着重要的作用，而且是发展现代尖端学科的一种重要的科学研究手段，应用十分广泛。射频/微波的主要应用包括作为信息载体的应用、在工业检测中的应用、在科学研究领域中的应用以及作为微波能的应用等。

1.射频/微波作为信息载体的应用

这方面包括通信、雷达、遥感、射电天文、航空航天、导弹制导等。

与较低频率的无线电通信相比，射频/微波通信有许多独特的优点：微波波段频带很宽，可以容纳更多的无线电设备工作，可以实现多路通信；在微波波段可以采用高增益的定向天线，从而降低发射机的输出功率；微波在视距内直线、定向传播，保密性好；微波波段受工业、天气和宇宙等外界干扰较小，可以大大提高通信质量。由于较低频率的无线电波不能穿透电离层，卫星通信或地面和卫星之间的通信必须采用微波。

卫星通信是利用人造卫星作为中继站来转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信，如图1.4所示。它是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的通信方式，具有通信距离远、传输容量大、可靠性高、灵活性强以及可进行多址接入等优点。卫星通信是国内、国际乃至全球通信的重要方式之一。卫星通信系统的一条通信线路包括发送端地面站、上行链路、卫星转发器、下行链路和接收端地面站。实际上，为进行双向通信，每个地面站（又称地球站）都包括发射系统和接收系统，发射和接收系统共用一副天线，为了将收、发的信号分开，在天线与发射、接收系统连接的地方安装了双工器。发射系统包括多路复用设备、调制器和发射机。多路复用设备的作用是在传输多个用户的信号时，用以组成多路信号；调制器的作用是将频率较低的多路信号调制到中频载波上；发射机的作用主要是实现向上变频，将调制后的信号载波频率变换为微波频率，并把信号放大到规定的电平。接收系统包括接收机、解调器和多路复用设备，其作用和发射系统中相应设备的作用正好相反。接收机用来在低噪声条件下接收来自卫星的信号，接收系统中的多路复用设备用来将信号分路，以便送往各用户。装在卫星上的收、发系统称为转发器，主要由天线、接收设备、发射设备和双工器组成，其作用是接收从各地面站发来的信号，经频率变换和放大后再发送给各接收站。

2.射频/微波在工业检测中的应用

这方面包括微波测湿、测试悬浮体浓度、测试物体厚度以及微波对材料结构完整性的测试等。

微波检测技术是以物理学、电子学和微波测试技术等为基础的一门微波技术应用学科。自第二次世界大战以来，伴随着雷达技术的发展，微波技术逐渐渗透到工业和科学技术检测中来。20世纪50年代微波湿度计的问世，揭开了微波检测技术的历史序幕。随着复合材料在航空航天工业中的大量使用，微波无损检测技术得到了重视和不断发展。1963年，美国首先使用微波法成功地检测到了导弹固体火箭发动机玻璃壳体内部的缺陷，从此，微波无损检测技术引起了工程界的广泛兴趣，并发展了对厚度等其他非电量的测试。

微波检测具有能穿透非金属材料的特点，其检测设备简单、操作方便，无损、非接触，便于实现自动化。微波检测的项目包括：塑料和各种金属、非金属复合黏接结构与蜂窝结构中的分层、脱黏；固体推进剂和飞机轮胎内部气孔、裂缝，金属加工表面光洁度、裂纹、划痕及其深度；非金属材料湿度、密度、混合物组分比、固化度；金属板与介质板的厚度以及各种线径、微小位移、微小振动和等离子体的温度等。

3.射频/微波在科学研究领域中的应用

这方面包括微波波谱学、射电天文学、微波气象学、微波等离子体和微波超导等。

微波波谱学是一门研究在微波频率下，物质产生电磁辐射与吸收以及能量的分布情况谱，以了解分子能谱的精细和超精细结构的学科。利用微波波谱可以辨认各种有机分子，分析大分子或复杂分子的精细结构，以便做细致的研究。研究气体的微波波谱可以揭示分子内部的能级结构，通过分析波谱中的超精细结构还可以探讨原子核的性质。与红外波谱相比，微波波谱的分辨率高，灵敏度高，测量频率更精确。

射电天文学是一门通过观测天体的无线电波来研究天文现象的学科，它借助测试和分析天体所发射的波长从1 mm到30 m的电磁辐射来研究天体。地球大气层中的电离层对大部分无线电波呈反射状态（短波传播的原理），但在微波波段存在“宇宙窗口”，因此射电天文学通常采用微波波段。微波技术的发展给人类研究太阳等恒星结构、星际物质的组成和分布以及宇宙起源等基本问题提供了新的途径，极大地拓宽了人们认识宇宙的眼界。射电天文学有两种系统：一种是接收天体辐射；另一种是先从地球上发射无线电波，然后接收从天体反射回来的波。射电望远镜（见图1.5）是射电天文学研究的重要设备，它用来检测来自天空各个方向的无线电波，由反射面、接收机、数据处理和显示设备等组成，其巨大的反射面收集和聚焦入射的电磁波，接收机检测和放大宇宙无线电信号，之后再进行数据处理和显示。

4.射频/微波作为微波能的应用

这方面包括医学治疗、食物加热、烘干、杀菌灭虫、育种、微波无极灯以及高能微波武器等。

1）射频/微波医学治疗

射频/微波技术对诊断医学和治疗医学有着重要的贡献。今天，微波医疗仪器已经得到广泛应用，比如微波理疗已经相当普及地用于治疗肌肉劳损、风湿等疾病；科研人员还在不断开发许多新的医疗用微波仪器，比如微波气球导管、双微波天线、微波打孔机、共形阵列天线和微波球囊系统等。把我国传统的针灸疗法与微波技术结合的微波针灸，是我国独创的治疗方法，其良好的疗效引起了国内外的重视。所有微波治疗仪器都依赖微波渗透活性肌体组织的能力，微波渗透组织的深度主要是由组织的介电常数和微波频率决定的。一般来说，组织的含水量越低，在给定频率下的微波渗透就越深。同样，给定肌体的含水量，频率越低的微波在组织里渗透得就越深。当微波渗透进细胞组织后，便会将能量传递给细胞组织；因此，微波可以用于无创加热皮下细胞组织。微波治疗仪器就是利用了微波的这个重要特性，另外还利用了这样一个事实，即任何被加热的皮下组织的部分微波热噪声功率会穿过在其上覆盖的组织而到达表面。通过测试这个噪声功率，有可能用无创的方式来估测皮下组织的温度。

肿瘤治疗的常用方式有放疗/化疗、手术切除和热疗等。热疗的原理是利用癌细胞与正常组织细胞的耐热性的差异，动物实验和临床资料证明，肿瘤细胞的致死温度阈值明显低于正常组织。当温度升高至41～42℃时，肿瘤细胞就会发生血液淤滞，癌细胞也停止分裂；在42.5～43℃或更高温度时，肿瘤细胞就会发生不可逆的损伤，血流停滞、血栓形成、癌细胞变性坏死。因此，可以通过对肿瘤组织的局部加热来实现肿瘤组织的“消融”。微波可以用无创的方式对许多重要的癌症部位进行热疗，特别是在皮肤和皮下部位，以及那些通过人体自然开口处可以进入的部位。用于治疗癌症的微波设备在热疗时，通常将恶性肿瘤加热到43℃，并且在这个温度下保持大约45 min。热疗可以提高传统的放疗和化疗的疗效，这是因为热疗对于变弱的恶性细胞来说是致命的，包括那些被传统治疗方式损伤但尚未致命的细胞或那些由于缺氧而对常规治疗手段有抵抗性的细胞。这种辅助的热疗方式，其好处是相当大的，有资料表明：人身体上的恶性肿瘤仅仅通过放疗而得到完全缓解的比例为35%；当在放疗基础上加上热疗后，完全缓解的比例提高到65%。热疗同样可以提高若干种化疗药物的疗效，这些药物在细胞组织温度升高以后会更活跃；热疗还可以提高肿瘤的血液流动，从而对那些缺氧恶性细胞的氧化有所帮助，并且可以刺激身体自身的抗癌免疫反应；等等。

高功率微波脉冲就像几千伏每厘米的直流脉冲一样，可以增强某些化疗药物进入恶性肿瘤细胞的能力。一种新的被称为电化学的治疗模式开始用来治疗各种各样的皮肤肿瘤，在这种治疗方法中，通过在恶性细胞膜中施加高达数千伏每厘米的短直流脉冲而产生临时微孔，使得恶性细胞对某些电化学媒质渗透的抵抗力被暂时降低了。一旦细胞被打出了微孔，电化学媒质便可以进入恶性细胞中并将它们毁灭。电化学治疗不仅可以提高某些电化学媒质的疗效，同样还可以减小副作用，因为可以用比常规化疗低得多的电化学媒质剂量将恶性细胞摧毁。微波脉冲与直流脉冲不同，可以通过无创的方式深入渗透到细胞组织内；与直流脉冲治疗相比，用微波脉冲打出微孔提供了一种通过无创方式消灭那些较深部位的恶性肿瘤细胞的新手段。图1.6（a）所示为微波肿瘤治疗仪的简单原理框图，图1.6（b）所示为临床微波治疗仪。

近些年来，可穿戴电子设备备受瞩目，不断发展，例如，可穿戴天线。可穿戴天线就是可以穿戴在人体上的天线，它可以集成在衣服、鞋子、帽子等穿着物上，在完成电磁波发射、接收的基础上，最大限度地避免影响附着物品外形和佩戴者的穿着舒适程度。可穿戴天线在物联网保健、医疗以及军事领域都具有极其重要的应用价值。例如，在医学方面，利用可穿戴天线可以进行乳腺癌的探测和其他一些实时的医学诊断；在军事方面，一些单兵作战的背包雷达以及单兵通信系统都广泛采用了可穿戴技术。随着纳米打印技术的日益成熟，可以通过在不同柔性基底（如纸基、布基）上打印电子墨水来制备柔性可穿戴电子器件，这在很大程度上可克服传统印刷造成的资源浪费和废料污染等弊端。

图1.7展示的是乳腺癌治疗用的可穿戴“微波背心”——共形阵列器。可穿戴共形阵列器有12个微带天线单元，对每个天线单元输送915 MHz的微波功率，每个天线单元的微波功率可以手动调节。图1.7（b）所示为一个共形阵列器样机，它的4个天线单元，每个都含有2个微带天线，1个用于微波加热，1个用于接收来自被加热组织的噪声（螺旋天线），噪声被控制在2个分开的频段上。

微波肿瘤治疗的优点有：属于无创/微创手术，创伤小，病人复原较快；疗效较为明显，副作用小；费用相对较低。

2）微波无极灯

在能源消耗逐步加剧、环境污染日益严重的现代社会中，节能环保产品无疑是世界各国各行业的工程技术人员追求的目标，照明领域当然也不例外。据统计，全世界多数国家的照明耗电大体上占本国发电量的15%～20%，而照明用电的很大一部分被消耗在效率极低的白炽灯上。在目前发电主要依赖煤电和石油的情况下，还会带来燃料短缺、温室气体排放、大气污染等一系列严重的破坏生态环境的问题。此外，传统光源产品寿命较短，替换更新的频率较高，大大增加了生产这些产品的电能和原材料损耗。同时，由于光效高的气体放电光源绝大多数都以汞（Hg）作为主要的填充物质，产品废弃后的汞污染问题非常严重。我国目前尚没有完善的回收废弃灯管这一巨大污染源的处理措施，这些废弃灯管往往会进入土壤、空气和河流中，造成严重的环境问题。如果广泛使用无极灯替代传统光源，就可有效地缓解和改善以上问题。

无极灯是一种电磁感应耦合型无极放电荧光灯，因灯泡内没有传统的灯丝和电极而得名，无极灯有以下特征：

（1）有稳定的光输出，不受环境温度影响；

（2）线路体积小，光色可以任意调整；

（3）寿命长，更换、维修次数极少，适用于维修困难的场景；

（4）发光管小型化、亮度高，有利于提高光效，实现灯具的小型化；

（5）因为没有电极，灯内填充物的选择范围大，使得从光色、光效等方面开发新型光源成为可能。

无极灯根据发光机理可分为电场无极灯、磁场无极灯、微波无极灯和表面波无极灯4类。其中微波无极灯的功率最大，而且微波可提高光催化效果，因此光催化中使用的无极灯目前均为微波无极灯。图1.8所示是安置在建筑物顶端的微波无极灯。微波无极灯的发光机理如图1.9所示。

当电磁波频率逐渐提高，波长减小到接近于灯的尺寸甚至小于灯的尺寸时，就会因其空间辐射而造成能量损失。为防止能量损失，把无极灯的放电部分放入密闭的金属壳体或金属网制成的容器中，使消耗的功率都集中于此，这就是微波放电。

微波无极灯工作原理是在石英、玻璃或其他材料形成的密闭壳体内填充可蒸发金属和稀有气体的混合物，稀有气体的作用是激发等离子体放电。当无极灯放置于微波场中时，稀有气体被激发，产生低压等离子体，通过等离子体放电产生热，使可蒸发的金属变为蒸气态，产生更多的等离子体，增大等离子体压力，释放更多的能量，形成更高的发光效率。常用的可蒸发金属包括汞、钠、硫、硒和镉等。稀有气体一般有氩、氖和氪等。无极灯所发出的光谱大致和高压汞灯相似。微波无极灯亮度高，使用寿命可达6～10万小时，非常适用于换灯困难且维护费用昂贵的重要场所。

微波无极灯也有缺点。由于它是通过等离子体释放能量来发出可见光及紫外光的，在发光的同时，一部分能量以热的形式释放出来，造成无极灯温度急剧上升。温度过高会引起无极灯淬灭，停止发光，因此需要辅助措施来降低无极灯温度。当用于光催化氧化技术处理水中污染物时，无极灯可以直接放置在溶液中，依靠溶液来降温，这虽然节省了降温设施，但由于水为极性物质，对微波有较强的吸收能力，因此存在和无极灯争夺微波源的问题。而当用于处理气态污染物时，需要通过输入冷空气、冷水或高效散热装置来降温。微波辐射对人的神经中枢、心血管系统、生殖系统和免疫机能等都有较大危害，一般认为，微波辐射的功率密度不得超过10 mW/cm2。因此，在使用微波无极灯时一定要谨防微波泄漏，造成不必要的伤害。

3）微波无线输能

能源是人类活动的物质基础。从可持续发展的长远目标来考虑，未来世界的能源将是核能和太阳能；而相比于核能的局限性，太阳能是最有前途者。太阳能卫星、月球太阳能系统等，都是为了解决太阳能的有效利用而提出的挑战性课题。太阳能卫星是运行在地球同步轨道上的一种特殊卫星，这些卫星表面覆盖有太阳能电池板，能在高空将太阳能转化为电能，再由微波功率发生器转换成微波能，最后由天线定向辐射到地球上的接收天线。也就是说，太阳能卫星将太阳能转换成电能以后，再用微波波束将电能输送到地面上。在这些系统中，微波无线输能是最关键的技术。

微波无线输能是指在真空或大气中不借助其他任何传输线或波导来达到能量传递目的的一种手段。简单来说，就是将一种能量转换为微波能，再将微波能发射出去，最后接收微波能并将其转换成所需的能量。因此，微波无线输能系统可以用如图1.10所示的框图来表示。

该系统主要由四部分组成：一是将太阳能、风能和交流电等转变成直流电；二是通过微波功率发生器，将直流电转换成微波；三是通过发射天线，将微波能量以聚焦的方式高效地发射出去；四是通过高效的接收整流天线将微波转换成直流电或工业用电。

在微波功率传输过程中，整流天线是十分关键的部件。整流天线就是天线加整流器，其作用是将高频微波转换成直流电。研制整流天线的关键在于提高功率转换效率，典型的功率转换效率可达85%以上，在Ka波段可达70%以上。当频率较高（例如高于94 GHz）时，宜采用微波单片集成电路（MMIC），以提高功率转换效率。

整流天线原理图如图1.11所示，它主要由以下四部分组成。

（1）接收天线：接收空间电磁波能量至馈线。

（2）低通滤波器：使工作频点的能量低插损通过，同时阻碍整流电路产生的二次或更高次谐波通过天线又辐射到自由空间去。低通滤波器的设计，一方面需要实现基频能量的低损耗传输，并阻碍整流电路产生的高次谐波能量传输到天线上；另一方面还要实现与天线和二极管的阻抗匹配。一般整流天线内的低通滤波器可分为输入低通滤波器和输出低通滤波器。输入低通滤波器的作用在于使基波无损耗通过，使谐波截止，以防止谐波回流到天线。而输出低通滤波器由于电容足够大，可以有效地短路高频能量，让直流通过，并阻止基波和高次谐波通过；另外，当二极管截止时，输出低通滤波器和输入低通滤波器一起，起着储能的作用，把高次谐波约束在两者中间，以提高二极管的整流效率。

（3）整流电路：将射频能量转化为直流能量。

（4）直通滤波器：将直流能量低插损传到负载，而对基频以及由整流电路产生的二次及以上谐波能量则起阻碍作用。

整流电路产生的二次和高次谐波就在低通滤波器和整流电路间来回反射，基频和二次、高次谐波在直通滤波器和整流电路间来回反射、转换，这样就大大提高了将射频能量转换为直流能量的效率。这也是射频整流与检波的最大区别，后者虽然也能把射频能量转化为直流能量，但其侧重于信号的检测，而前者侧重于直流能量的提取。因而两者采取的技术途径是不一样的。20世纪80年代中期以后，整流天线的开发转向了较高的频率、双极化和圆极化，以及印制电路板模式。

微波无线输能具有下列特点：

（1）源到负载之间的能量传递可以不借助任何导波系统；

（2）能量的传递速度为光速；

（3）能量的传递方向可以迅速改变；

（4）电磁波在真空中传输没有损耗，在大气中的损耗也可以做到很小。

微波无线输能在军事上也具有极其重要的应用。我们知道，一片聚光镜可以将太阳光聚成一个点，多片聚光镜将太阳光聚成一个点即可引起物体的燃烧。根据光的电磁波性质，将太阳光聚焦的原理应用在微波领域，就是当今高能微波武器的基本原理。一种微波高能武器——微波炸弹（电磁波炸弹）的模型、组成和应用分别如图1.12（a）、（b）和（c）所示。与激光武器相比，高能微波束受气候影响小，技术上易于实现。

微波炸弹的工作原理：高功率微波经过天线聚集成一束很窄、方向性很强的电磁波射向目标，依靠这束电磁波产生的高温、电离、辐射等综合效应，在目标内部的电子线路中产生很高的电压和电流，击穿或烧毁其中的敏感元器件，毁损计算机中存储的数据，使目标遭受物理性破坏，不能修复，从而丧失作战能力。高能微波武器可用于攻击卫星、弹道导弹、巡航导弹、飞机、舰艇、坦克、通信系统以及雷达、计算机设备，尤其是指挥通信枢纽、作战联络网等重要的信息战节点和部位。高能微波武器强大的电磁辐射还可以使人神经错乱、致盲、导致皮肤烧伤甚至死亡。微波炸弹可由巡航导弹投放，也可从155 mm远程火炮或多管火箭炮发射装置发射。微波炸弹的弹壳在目标上空炸裂，同时打开其发射天线，瞬间发射出高能电磁脉冲，攻击地面上电磁波覆盖半径内所有的电子设备。2003年的伊拉克战争中，美军就曾使用微波炸弹破坏了伊拉克的军事指挥系统和供电网络等关键设施，在较短时间内以很少的人员伤亡就达成了自己的作战目标。

卫星太阳能电站在和平时期主要用于发电，一旦爆发战争，通过相控阵天线改变波束方向，就可以将高功率的电磁能辐射到敌方阵地，从而干扰敌方的军事活动甚至打击其军事设施。我国的三峡大坝是一个举世瞩目的巨型水电工程，非和平时期也将是一个巨大的军事目标。能不能利用三峡大坝丰富的电能资源和微波无线输能技术组成微波防护网呢？答案是肯定的。