微波技术原理及其发展与应用

孙凤坤+++邢泽炳

摘 要：微波技术在短短的几十年内已渗透到各行各业，对社会发展和人们的生活产生了深远影响。文章在微波发展的基础上，详细介绍了微波加热和微波灭菌两种技术的作用机理，并对微波加热的条件、特点等作出说明，另外，还包括微波技术在各个领域的广泛应用，同时对微波技术目前存在的问题作了分析，并对微波技术的发展前景作了展望。

关键词：微波技术；微波加热；微波灭菌；原理；应用；前景

1 引言

微波是一种波长很短的电磁波，其波长范围在0.1mm～1m之间，由于其最长波长值比超短波最小波长值还要短，故称其为微波。微波具有极高的频率，其范围在300MHz～3000GHz之间，故微波亦称作“超高频电磁波”。微波整体范围介于红外线与超短波之间，根据微波波长范围的不同，又可将微波分为分米波、厘米波、毫米波以及亚毫米波。微波在整个电磁波频谱中所处的位置简图如图1所示[1]。

随着科学的发展，微波技术得到了广泛的应用，尤其是在通信行业，如微波卫星通信、微波散射通信、模拟微波通信和数字微波通信等。为避免微波通信频率与工业、医学、科学等的频率相互干扰，故将微波通信频率与其他用途的微波频率分开使用。目前，工业、医学、科学常用的微波频率有433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz，其中915MHz和2450MHz在我国常用于工业加热。

2 微波技术的发展历程

微波技术的发展主要取决于微波器件的应用和发展。早在20世纪初，就有研究人员开始了对微波理论的探索，并进行了相关的实验研究。但由于当时信号发生器功率较小，加之信号接收器灵敏度较差，使得实验未能取得实质性的进展[2]。1936年，波导技术的进一步发展为微波技术的研究提供了可靠的理论及实验条件。美国电话电报公司的George C. Southworth.将波导用作宽带传输线并申请了专利，同时，美国麻省理工学院的M.L.Barrow完成了空管传输电磁波的实验，这些工作为规则波导奠定了理论基础，推动了微波技术进一步向前发展[3]。20世纪40年代，第二次世界大战期间，雷达的出现和使用引起了人们对微波理论和技术的高度重视，并研制了很多微波器件，在此期间，微波技术迅速发展并在实际应用中得到认可。但在当时战争条件下，各国都忙于实际应用，对微波理论的研究尚为欠缺，所以使得微波理论滞后于实际应用。1945～1965年，微波技术的发展速度有了明显提高，同时，其应用范围也更加广泛。在这20年间，逐步开辟了微波新波段并形成了射电气象学、射电天文学、微波波谱学等一系列新的科学领域。比较系统和完整地建立了一整套微波电子学理论，为微波技术的进一步发展打下了理论基础。1965年以后，微波集成电路与微波固体器件的发展和应用时微波设备朝着定型化与小型化的方向发展。目前，微波设备正向着更高频段、宽频带、高功率、数字化、高可靠性、小型化等方面发展，单片集成化和毫米、亚毫米波段微波的发展已成为现阶段微波技术研究的重点方向[4]。

3 两种常用的微波技术

3.1 微波加热

3.1.1 微波加热的原理

微波加热是通过极性介质材料对微波的吸收作用从而将微波的电磁能转化为介质的热能来实现的。该转化过程与介质材料内部分子的极化有密切关系。具体原理如下：当把含有极性分子的物料置于微波电磁场中时，介质材料中的极性分子在高频交变的电磁场中产生每秒高达数亿次的剧烈转动，并随着高频交变电磁场的方向重新排列，极性分子这种有规律的周期性运动必须克服相邻分子间的干扰和阻碍，从而产生一种类似于摩擦的效应。该效应微观结果表现为微波的电磁能量转化为介质材料内的能量，而宏观即表现为被加热的物体温度升高[5-6]。

3.1.2 实现微波加热的条件

由于微波加热是一种物料在电磁场中靠自身损耗电磁能而进行的体加热，是基于极性分子介质材料对微波的吸收作用而产生的热效应，所以，欲实现微波加热，就要求物料本身必须能够吸收微波[5]。

（1）极性分子组成的介质材料，吸收微波的能力比较好。例如，水分子的极性非常强，能够很好地吸收微波，所以但凡含水的物质必定能够吸收微波，即含水的物质一定能实现微波加热。

（2）非极性分子组成的介质材料，很少吸收甚至不吸收微波，但却能透过微波，所以这类物质可用作微波加热的容器，也可用作密封材料。例如，塑料制品、玻璃、陶瓷、竹器皿、聚乙烯、聚四氟乙烯等。用这类物质作加热容器，微波射入后只能使食品加热，而容器本身不会发热。

（3）还有一种特殊的物质不吸收微波，即金属[4]。与光波照射到镜面会被全部反射的特性相似，当微波照射到金属表面时，也会被全部反射，即微波对金属不起作用，从而可知，金属制品不可以用作微波加热容器。

3.1.3 微波加热的注意点

（1）由于金属不吸收微波，并且会将照射到金属表面的微波全部反射，所以要避免用微波对金属膜包装的物品或在包装袋上印有金属粉制图像的物品进行加热，否则金属下面的部分将不会有任何加热效果[4]。

（2）避免在被加热物体中混入金属片或金属针。不仅被加热物体表面要求不能有金属，而且被加热物体内部同样不可混入金属。这是因为金属尖端是微波电场最集中的地方，不仅不能实现正常加热，而且还会形成尖端放电，从而在尖薄部位产生高热[4]。

（3）对使用的加热容器有选择性。由于塑料、陶瓷、玻璃、竹器皿等非极性分子组成的材料能透过微波却不吸收微波，所以非常适合用作加热容器。一般情况下，用塑料或陶瓷做微波加热容器最佳。

3.1.4 微波加热的特点

（1）微波加热的即时性[7]。由于微波加热是将电磁能转化为热能，故为内部加热，不需要热传递过程，且内外同时加热，效果均匀，瞬时即可达到高温，方便省时。

（2）微波加热的高效性[7]。在微波加热过程中，只有被加热物体自身吸收微波并转化为热能，而微波设备的加热室壁是不吸收微波的金属材料，加热容器为几乎不吸收微波的非极性物质，所以，加热设备本身和相应的加热容器几乎没有热损失，故其热效率非常高。

（3）微波加热的选择性。介质材料由极性分子和非极性分子组成，根据微波加热的条件及原理，只有极性分子组成的物质才可以吸收微波实现微波加热。因此，可以利用微波加热的这一特性来实现对混合物料中不同组分或不同部位的选择性加热[7]。

（4）微波加热安全无害，没有废弃物产生。与采用矿物燃料燃烧进行加热的常规方法相比，微波加热不产生二氧化碳，对环境没有污染[7]。

（5）微波加热时由于内部缺乏散热条件，所以使得内部温度高于外部温度，使温度呈现梯度分布，形成驱动内部水分向表面渗透的蒸汽压差，从而使水分蒸发的速度加快。微波的这一特性有时会使微波加热的食品口感发生变化。例如，经微波加热过的馒头口感欠佳且有一种发焦的感觉，远不如常规加热的馒头松软可口。这是因为微波加热是靠电磁能转化为热能来实现的，加热时并没有水分，而加热后的馒头中的水分会随温度升高而蒸发，使馒头中水分越来越少，故会导致口感较差且有种发焦的感觉。而常规加热的馒头一般是水蒸气透过馒头表面进入芯部，使馒头的水分越来越多，所以吃起来松软可口，口感会比微波加热过的馒头好很多。利用微波加热能使物料内部水分迁移蒸发的这一特性，还可利用微波实现微波干燥。

3.2 微波灭菌

微波灭菌是利用微波对食品中微生物的热效应和非热效应的共同作用来实现杀虫灭菌目的的。微波的热效应是利用微波瞬时可达高温的特性，是细菌细胞的空间结构发生破坏，从而使其蛋白质发生变异而达到杀菌的目的。微波的非热效应又叫做生物效应，它同样是利用微波瞬时升温的特性，使细菌等微生物的生理活动物质发生变异而导致其生长发育异常直至死亡，从而达到杀菌保鲜的目的[4]。

微波灭菌与传统灭菌相比，具有很多不可比及的优势。一般来说，传统灭菌方法至少要达100℃以上，用时也较长，十至几十分钟不等。而微波灭菌温度70～90℃即可，用时短，一般3～5分钟即可[8]。且微波灭菌比较彻底，安全可靠，能使保质期延长，但有些物质经微波灭菌后口感会欠佳。冯薇丽等比较了鱼丸的微波灭菌和加热灭菌：实验一：在850W功率微波的作用下持续灭菌135s；实验二：在98℃的水浴中加热60min灭菌；结果发现：两实验杀灭大肠杆菌的有效率均为100%；在鱼丸蛋白质含量上，两实验结果相近，但在鱼丸含水量上，微波灭菌比水浴灭菌要差很多[9]，故导致微波灭菌后的鱼丸口感较差。

4 微波技术的应用

4.1 微波技术在农业领域的应用

利用微波技术可进行玉米芯水解，玉米芯是一种可再生资源，用途非常广泛。以前，人们经常将其作为燃料烧掉或作为废物丢弃，造成资源的极大浪费，同时污染环境。利用微波技术可将玉米芯水解，从而利用其制备食品添加剂和化工原料，使玉米芯得到了充分利用[10]。采用微波技术可以对番薯片[11]、花椒[12]、胡萝卜[13]、金银花[14]等进行干燥，还可进行油茶籽制油[15]。利用微波技术还可以软化木材，改善木材的浸透性能，从而简化木材染色、浸渍处理等工艺。微波技术还可用于产品质量检测，如材料缺陷检测、竹木产品含水率检测、人造板甲醛释放量检测等[16]。

4.2 微波技术在医学领域的应用

利用微波技术可以检测中药、提取中草药[17]的有效成分，还可利用其进行药丸干燥[18]等。另外，微波技术也可以用于临床治疗，现其已被广泛应用于妇科、五官科、理疗科、肿瘤手术等[19]。

4.3 微波技术在环境保护方面的应用

利用微波技术处理废水[20]、气体污染物[21]、固体废弃物[22]等既可以简化操作程序，变废为宝，又无二次污染。利用微波辐射可以对动物粪便进行干燥，既可提高粪肥利用率，增加农业收入，又能杀灭病原体，减小农业污染。另外，利用微波萃取和微波消解技术可以进行环境监测等[22]。总之，微波技术在环境保护方面具有节能省时、污染小、效率高等优点，可显著降低废弃物对环境造成的危害，其在环境保护方面的应用也逐步受到了人们的高度重视。

4.4 微波技术在其他领域的应用

微波技术除在以上多个领域有重要应用以外，其在食品行业、化学及材料行业中的应用同样越来越受人们重视。微波技术可用于碎矿、磨矿、矿石预处理、矿物焙烧[7]等方面。利用微波技术可以进行水产品的膨化加工及消解[9]，还可用于活性炭的准备与再生[23]。

随着微波技术和微波器件的进一步发展，微波在各个领域的应用将会变得更加广泛，而其实际应用也会相应推动微波理论不断成熟。

5 微波技术存在的问题及展望

5.1 存在问题

虽然微波技术具有传统方法不能比及的诸多优点，应用广泛，但作为一门新技术，其发展还处在初级阶段，依然有许多问题亟待解决。

（1）尽管微波技术已广泛应用于各大领域，但还缺少比较系统的理论做基础，尤其是对微波作用机理的认识还比较肤浅，对其解释也仅停留在实验基础上，有待使用更为精确的方法进行检测验证。所以，应加强对微波技术作用机理的研究，使其成为一套比较系统和完整的理论体系[24]。

（2）与国外相比，我国微波设备的稳定性尚为欠缺[25]。因此，应加强微波元器件及设备的研制，提高微波器件的适应性和兼容性，以便研制出稳定、经济、高效的微波设备。

（3）目前，微波设备是在家用设备基础上改造完成的，使其应用和推广受到限制，不能形成规模经济。故应重视微波过程与各大学科题系的交叉衔接，加强工程化研究，逐步实现微波理论成果产业化，形成规模经济，促进其在工业方面的应用。

5.2 前景展望

微波技术作为一种将电磁能转化为热能的特殊导热方式，不仅在食品加热、杀虫灭菌、干燥保鲜等方面用途广泛，同时，更向催化化学反应、新材料微波处理等应用发展[26]。随着微波技术的不断深入发展和微波理论的不断完善，微波技术必将逐步实现工业化，其安全、节能、高效、环保的优势也必将推动其广泛应用于各行各业，促进环境友好型社会的快速发展。

参考文献

[1]徐锐敏，唐璞，等.微波技术基础[M].北京：科学出版社，2009.

[2]赵宝亮，赵峰.微波技术发展及应用综述[J].中国科技信息，2007（20）：272-275.

[3]杨雪霞.微波技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4]冯垛生，等.微波技术在工业生产和医疗中的应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]史苏佳，曹栋.微波原理及其在食品上的应用[J].山西食品工业，2002（3）：8-12.

[6]杨子宁.微波技术的发展与应用[J].中国科技信息，2006（18）：142-143.

[7]崔礼生，韩跃新.微波技术在选矿中的应用[J].金属矿山，2006（4）：29-32.

[8]杨晓清，田俊.微波技术在我国食品工业中的应用与发展[C].中国农业机械学会2008年学术年会论文集，2008.

[9]段振华.微波技术在我国水产品加工中应用研究的现状[J].水产科技情报，2008，35（1）：5-7.

[10]王成福，赵光辉，修秀红.微波技术在玉米芯水解中的应用[J].中国食品添加剂，2010（3）：203-206.

[11]蒋玉萍，王俊.番薯片微波干燥特性及干燥模型[J].浙江农业学报，2009，21（4）：407-410.

[12]赵超，等.花椒微波干燥特性试验[J].农业机械学报，2007，38（3）：99-101.

[13]Gulum，S.，& Elif，T.（2005）.Drying of carrots in microwave and halogen lamp-microwave combination ovens.LWT，38，549-553.

[14]肖宏儒，王立富，吴家兵，等.微波干燥技术在金银花烘干中的应用研究[J].食品科学，2001，1（5）：41-43.

[15]尹先益，胡晓中，尹志明.微波技术在油茶籽制油工艺中的应用[J].中国油脂，2011，36（2）：34-35.

[16]沈斌华，等.微波技术在我国木材加工与产品检测中的应用[J].浙江林业科技，2012，32（5）：75-78.

[17]刘兴国，王信.微波技术在中草药有效成分提取中的应用与发展[J].光明中医，2010，25（8）：1544-1545.

[18]王怀奇，孙家海.微波技术及设备在制药行业的应用[J].中国科技纵横，2011（20）：340.

[19]钱少魁.微波治疗工作原理及在临床中的应用[J].中国社区医师（医学专业），2011，13（3）：120.

[20]吴南屏，张文超.微波技术在氧化反应中的应用研究进展[J].辽宁化工，2012，41（6）：607-609.

[21]王丽丽，等.微波技术在节能减排方面的应用[J].广州化工，2010，38（8）：17-18.

[22]孙萍，等.微波技术在环境保护领域的应用[J].化工环保，2002，22（2）：71-74.

[23]Foo Keng Yuen， B.H. Hameed.（2009）.Revent developments in the preparation and regeneration of activated carbons by microwaves. Advances in Colloid and Interface Science，149，19-27.

[24]杨中正，丁保华.微波技术的研究进展[J].中国陶瓷，2008，（10）：3-5.

[25]吴贺君.我国微波技术应用的发展现状及市场前景[J].长春师范学院学报：自然科学版，2012，31（6）：45-46，44.

[26]陈燕青，等.关于微博原理及微博发展现状的探讨[J].广东化工，2011，38（11）：58-59.

5.2 前景展望

微波技术作为一种将电磁能转化为热能的特殊导热方式，不仅在食品加热、杀虫灭菌、干燥保鲜等方面用途广泛，同时，更向催化化学反应、新材料微波处理等应用发展[26]。随着微波技术的不断深入发展和微波理论的不断完善，微波技术必将逐步实现工业化，其安全、节能、高效、环保的优势也必将推动其广泛应用于各行各业，促进环境友好型社会的快速发展。

参考文献

[1]徐锐敏，唐璞，等.微波技术基础[M].北京：科学出版社，2009.

[2]赵宝亮，赵峰.微波技术发展及应用综述[J].中国科技信息，2007（20）：272-275.

[3]杨雪霞.微波技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4]冯垛生，等.微波技术在工业生产和医疗中的应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]史苏佳，曹栋.微波原理及其在食品上的应用[J].山西食品工业，2002（3）：8-12.

[6]杨子宁.微波技术的发展与应用[J].中国科技信息，2006（18）：142-143.

[7]崔礼生，韩跃新.微波技术在选矿中的应用[J].金属矿山，2006（4）：29-32.

[8]杨晓清，田俊.微波技术在我国食品工业中的应用与发展[C].中国农业机械学会2008年学术年会论文集，2008.

[9]段振华.微波技术在我国水产品加工中应用研究的现状[J].水产科技情报，2008，35（1）：5-7.

[10]王成福，赵光辉，修秀红.微波技术在玉米芯水解中的应用[J].中国食品添加剂，2010（3）：203-206.

[11]蒋玉萍，王俊.番薯片微波干燥特性及干燥模型[J].浙江农业学报，2009，21（4）：407-410.

[12]赵超，等.花椒微波干燥特性试验[J].农业机械学报，2007，38（3）：99-101.

[13]Gulum，S.，& Elif，T.（2005）.Drying of carrots in microwave and halogen lamp-microwave combination ovens.LWT，38，549-553.

[14]肖宏儒，王立富，吴家兵，等.微波干燥技术在金银花烘干中的应用研究[J].食品科学，2001，1（5）：41-43.

[15]尹先益，胡晓中，尹志明.微波技术在油茶籽制油工艺中的应用[J].中国油脂，2011，36（2）：34-35.

[16]沈斌华，等.微波技术在我国木材加工与产品检测中的应用[J].浙江林业科技，2012，32（5）：75-78.

[17]刘兴国，王信.微波技术在中草药有效成分提取中的应用与发展[J].光明中医，2010，25（8）：1544-1545.

[18]王怀奇，孙家海.微波技术及设备在制药行业的应用[J].中国科技纵横，2011（20）：340.

[19]钱少魁.微波治疗工作原理及在临床中的应用[J].中国社区医师（医学专业），2011，13（3）：120.

[20]吴南屏，张文超.微波技术在氧化反应中的应用研究进展[J].辽宁化工，2012，41（6）：607-609.

[21]王丽丽，等.微波技术在节能减排方面的应用[J].广州化工，2010，38（8）：17-18.

[22]孙萍，等.微波技术在环境保护领域的应用[J].化工环保，2002，22（2）：71-74.

[23]Foo Keng Yuen， B.H. Hameed.（2009）.Revent developments in the preparation and regeneration of activated carbons by microwaves. Advances in Colloid and Interface Science，149，19-27.

[24]杨中正，丁保华.微波技术的研究进展[J].中国陶瓷，2008，（10）：3-5.

[25]吴贺君.我国微波技术应用的发展现状及市场前景[J].长春师范学院学报：自然科学版，2012，31（6）：45-46，44.

[26]陈燕青，等.关于微博原理及微博发展现状的探讨[J].广东化工，2011，38（11）：58-59.

5.2 前景展望

微波技术作为一种将电磁能转化为热能的特殊导热方式，不仅在食品加热、杀虫灭菌、干燥保鲜等方面用途广泛，同时，更向催化化学反应、新材料微波处理等应用发展[26]。随着微波技术的不断深入发展和微波理论的不断完善，微波技术必将逐步实现工业化，其安全、节能、高效、环保的优势也必将推动其广泛应用于各行各业，促进环境友好型社会的快速发展。

参考文献

[1]徐锐敏，唐璞，等.微波技术基础[M].北京：科学出版社，2009.

[2]赵宝亮，赵峰.微波技术发展及应用综述[J].中国科技信息，2007（20）：272-275.

[3]杨雪霞.微波技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4]冯垛生，等.微波技术在工业生产和医疗中的应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]史苏佳，曹栋.微波原理及其在食品上的应用[J].山西食品工业，2002（3）：8-12.

[6]杨子宁.微波技术的发展与应用[J].中国科技信息，2006（18）：142-143.

[7]崔礼生，韩跃新.微波技术在选矿中的应用[J].金属矿山，2006（4）：29-32.

[8]杨晓清，田俊.微波技术在我国食品工业中的应用与发展[C].中国农业机械学会2008年学术年会论文集，2008.

[9]段振华.微波技术在我国水产品加工中应用研究的现状[J].水产科技情报，2008，35（1）：5-7.

[10]王成福，赵光辉，修秀红.微波技术在玉米芯水解中的应用[J].中国食品添加剂，2010（3）：203-206.

[11]蒋玉萍，王俊.番薯片微波干燥特性及干燥模型[J].浙江农业学报，2009，21（4）：407-410.

[12]赵超，等.花椒微波干燥特性试验[J].农业机械学报，2007，38（3）：99-101.

[13]Gulum，S.，& Elif，T.（2005）.Drying of carrots in microwave and halogen lamp-microwave combination ovens.LWT，38，549-553.

[14]肖宏儒，王立富，吴家兵，等.微波干燥技术在金银花烘干中的应用研究[J].食品科学，2001，1（5）：41-43.

[15]尹先益，胡晓中，尹志明.微波技术在油茶籽制油工艺中的应用[J].中国油脂，2011，36（2）：34-35.

[16]沈斌华，等.微波技术在我国木材加工与产品检测中的应用[J].浙江林业科技，2012，32（5）：75-78.

[17]刘兴国，王信.微波技术在中草药有效成分提取中的应用与发展[J].光明中医，2010，25（8）：1544-1545.

[18]王怀奇，孙家海.微波技术及设备在制药行业的应用[J].中国科技纵横，2011（20）：340.

[19]钱少魁.微波治疗工作原理及在临床中的应用[J].中国社区医师（医学专业），2011，13（3）：120.

[20]吴南屏，张文超.微波技术在氧化反应中的应用研究进展[J].辽宁化工，2012，41（6）：607-609.

[21]王丽丽，等.微波技术在节能减排方面的应用[J].广州化工，2010，38（8）：17-18.

[22]孙萍，等.微波技术在环境保护领域的应用[J].化工环保，2002，22（2）：71-74.

[23]Foo Keng Yuen， B.H. Hameed.（2009）.Revent developments in the preparation and regeneration of activated carbons by microwaves. Advances in Colloid and Interface Science，149，19-27.

[24]杨中正，丁保华.微波技术的研究进展[J].中国陶瓷，2008，（10）：3-5.

[25]吴贺君.我国微波技术应用的发展现状及市场前景[J].长春师范学院学报：自然科学版，2012，31（6）：45-46，44.

[26]陈燕青，等.关于微博原理及微博发展现状的探讨[J].广东化工，2011，38（11）：58-59.