微波是電磁波的一個(gè)頻段，波長(zhǎng)在1毫米和1米之間，我們首先從電磁波的發(fā)展史談起，再討論電磁波的學(xué)理和主要頻段，然后談?wù)勎⒉ǖ母鞣N應(yīng)用，并挑幾個(gè)與***有關(guān)的應(yīng)用來做說明，最后介紹微波爐及微波加熱的原理。

電磁波的學(xué)理

電磁波發(fā)展史中最重要的兩個(gè)人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學(xué)家的前10名，他們最主要的貢獻(xiàn)就是我們要談的。法拉第出生于1791年，他在1831年經(jīng)由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了「法拉第定律」：隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。例如把磁鐵通過線圈，線圈上就會(huì)感應(yīng)出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因?yàn)樵谶@之前只知道一種方法可以產(chǎn)生電場(chǎng)，就是電荷，而法拉第發(fā)現(xiàn)了另一種產(chǎn)生電場(chǎng)的方法。

在發(fā)現(xiàn)法拉第定律的同年，馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個(gè)重要的理論：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這又是一個(gè)劃時(shí)代的里程碑，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)只知道電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)。馬克士威爾的學(xué)說因?yàn)槭峭评恚?879年他去世前都沒有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，馬克士威爾的理論才終于獲得證實(shí)！

當(dāng)時(shí)大家只知道光是波，光的波動(dòng)現(xiàn)象可以用干涉儀探測(cè)出來，但不知道光究竟是什么東西。馬克士威爾說光波就是電磁波，由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的，可是因?yàn)樘珓?chuàng)新，以至于抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發(fā)現(xiàn)一個(gè)嶄新的方法產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

在這里我們用質(zhì)塊和彈簧來比擬電磁波的振蕩現(xiàn)象。彈簧上綁一質(zhì)塊，把彈簧自平衡位置移開，便有位能產(chǎn)生，松手后位能逐漸變成動(dòng)能，在動(dòng)能最大位能最小的時(shí)候，動(dòng)能開始化為位能，最后又全部變成位能。下半個(gè)周期開始相同的循環(huán)，所以彈簧和質(zhì)塊的振蕩就是動(dòng)能和位能之間的相互轉(zhuǎn)換。

相同的道理可應(yīng)用在具有一個(gè)電容器和一個(gè)電感器的電路上。電容器充電后，接通電路，由于電容器上的正負(fù)電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產(chǎn)生磁場(chǎng)。這時(shí)電容器內(nèi)的電場(chǎng)能量隨電荷減少而變小，當(dāng)電荷流光時(shí)，電場(chǎng)也沒有了，能量全部變成磁場(chǎng)能量。磁場(chǎng)最大時(shí)電流也最大，可是因?yàn)殡娏饕恢痹诹?，無法一下子降為零，于是又有電荷流到電容處，然后磁場(chǎng)能量又逐漸變回電場(chǎng)能量，最后全部變成電場(chǎng)能量。下半個(gè)周期又開始相同的循環(huán)，這是一種電磁振蕩的現(xiàn)象，赫茲就是用這方法產(chǎn)生電磁波。

總結(jié)這兩種振蕩形式，可看出一個(gè)振蕩現(xiàn)象的通則：

能量形式一、能量形式二

由這個(gè)通則可以看出振蕩需要有兩種儲(chǔ)存能量的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧機(jī)械震蕩的能量?jī)?chǔ)存機(jī)制是動(dòng)能及位能，LC振蕩器和電磁振蕩的能量?jī)?chǔ)存機(jī)制是電場(chǎng)及磁場(chǎng)。此外，還需要有能量交換的機(jī)制，比如質(zhì)塊和彈簧的能量交換機(jī)制是彈簧的復(fù)原力，LC振蕩器的能量交換機(jī)制是電流和電荷。

電磁波雖然也是借著電場(chǎng)和磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量，但能量交換的機(jī)制則截然不同，是藉由電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)間變化來交換。電磁波由于不需要藉由電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不需要透過電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，因此可以存在于沒有介質(zhì)的空間，例如外層空間。

赫茲利用LC振蕩器產(chǎn)生電磁波，其過程是在振蕩時(shí)，用電感耦合出一部分能量，經(jīng)傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也會(huì)累積電荷，于是也產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)在天線處產(chǎn)生，兩者大致相互垂直，之后便根據(jù)馬克士威爾及法拉第的理論相互變換，形成了電場(chǎng)和磁場(chǎng)完全垂直的電磁波，并以光速傳播出去。

電磁波的主要波段

電磁波的頻率，從幾個(gè)赫茲（1赫茲等于每秒鐘振蕩1次的頻率，用Hz表示）以下，一直到1024 赫茲以上，范圍可以說很廣。整個(gè)頻譜區(qū)可大致分為長(zhǎng)波、無線電波（無線電波中包括了微波），還有紅外線、可見光、紫外線，接著還有X光、γ射線等。

有一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，就是水對(duì)電磁波的吸收系數(shù)與頻率之間的關(guān)系。大氣里有很多水蒸氣，在很窄的可見光頻段，水的吸收系數(shù)就像峽谷一樣，突然下降1～100億倍，讓大氣像是有一扇窗戶，使太陽光能夠穿透水蒸氣到地面來。假如沒有這么一個(gè)神奇的大峽谷，現(xiàn)在的地球會(huì)是一片黑，沒有植物也沒有光合作用，能量都沒有了，吃的東西、燒的汽油通通不存在，當(dāng)然我們也都不存在！所以水對(duì)電磁波的吸收系數(shù)看來像是一個(gè)自然奇景，是其它物質(zhì)所沒有的，幾乎像是超自然的力量所設(shè)計(jì)的。

再來談?wù)劦皖l波段。60 Hz是每秒鐘振動(dòng)60次的低頻，跟我們很有關(guān)系，這是家用電所使用頻段，高壓線就是在60 Hz傳輸能量。大家都很討厭高壓線，可是我們又必須靠它傳輸能量。那高壓線如何傳輸能量呢？

它是借著電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)傳輸能量。高壓線的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電壓差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)正好互相垂直，因此可以傳輸能量。這樣看來，高壓線的四周像是一條電磁場(chǎng)的大洪流，反而是高壓線的里面不能傳輸能量。高壓線要擺這么高的原因不僅是因?yàn)榕龅骄€會(huì)有危險(xiǎn)，而是一進(jìn)到電磁場(chǎng)的洪流區(qū)就很危險(xiǎn)。

除了高壓線外，只要是傳播訊號(hào)或傳輸能量的電線，都利用相同的原理。汽、機(jī)車的電瓶是直流電，但是直流電線中也有電壓及電流，電場(chǎng)、磁場(chǎng)也是互相垂直的，照樣可以傳輸能量。

微波的應(yīng)用

說完了微波兩側(cè)的光波和低頻波之后，開始進(jìn)入另一個(gè)主題：微波的應(yīng)用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個(gè)與通訊及雷達(dá)有關(guān)的頻段。

光纖通訊利用光波，除此之外，就是無線電波。無線電波頻段里面有中波，由早期的收音機(jī)所使用，還有短波、AM、FM、及VHF電視頻道等波段，而其中最重要的一段是微波，這是通訊和雷達(dá)最主要的頻段。國(guó)際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規(guī)定了軍事設(shè)備使用的頻道，不然就會(huì)彼此干擾，所以軍用設(shè)備、民用設(shè)備、衛(wèi)星、電視等等，都各有劃定好的頻道。太空通訊又有往上及往下的頻道，都與地面通訊所用的頻道不一樣。

接下來談?wù)勅粘Ｍㄓ崱ｋ娨暠硌菀偷竭h(yuǎn)處播放，需要在地面轉(zhuǎn)接，一個(gè)轉(zhuǎn)接站收到訊號(hào)后，再把它放大傳送到另一個(gè)轉(zhuǎn)接站，最后送到接收地的電視臺(tái)播放，也可以經(jīng)過衛(wèi)星送到更遠(yuǎn)的地方。越洋電話、電信也是經(jīng)過衛(wèi)星送出訊號(hào)，所用的都是微波。

再說到國(guó)防系統(tǒng)，這當(dāng)然也是絕對(duì)重要的。以美國(guó)為例，全球美軍24小時(shí)都在指揮之下，里頭有軍艦、飛機(jī)、坦克，分散在地球不同的角落，彼此借著衛(wèi)星通訊串在一起。此外，每一艘作戰(zhàn)船上面都有各種雷達(dá)及通訊設(shè)備，光是微波發(fā)射器就數(shù)以百計(jì)，新型戰(zhàn)機(jī)上面也有好幾十個(gè)，發(fā)揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測(cè)、導(dǎo)航、干擾、火力控制等等。

例如飛行中的飛彈，要擊中目標(biāo)，需要雷達(dá)導(dǎo)航，作戰(zhàn)的飛機(jī)要射出訊號(hào)干擾敵方的雷達(dá)，讓敵方的雷達(dá)無法抓住它的位置，聰明一點(diǎn)甚至還可以發(fā)出欺騙訊號(hào)，讓敵方雷達(dá)把它的位置搞錯(cuò)，結(jié)果浪費(fèi)一顆飛彈。飛機(jī)和指揮部通訊也都要靠微波，其它像戰(zhàn)車等等，也是類似的情形。

所以說微波對(duì)我們的影響非常大。軍艦、戰(zhàn)機(jī)保護(hù)我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現(xiàn)在幾乎每個(gè)人都在撥打手機(jī)，就是微波在幫我們服務(wù)。

國(guó)內(nèi)相關(guān)的微波研究

接下來談?wù)剮讉€(gè)跟國(guó)內(nèi)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用例子。筆者在清華大學(xué)專門研究高功率微波，而國(guó)內(nèi)進(jìn)行這方面研究的團(tuán)隊(duì)極少，所以就用清華大學(xué)的工作舉例。先從微波的產(chǎn)生談起，清華大學(xué)的「高頻電磁實(shí)驗(yàn)室」跟中科院合作，一起研制微波發(fā)射器，經(jīng)過多年的努力，制造出一系列的微波發(fā)射器。我們發(fā)展的一些技術(shù)，一個(gè)一個(gè)都要從頭建立。

例如要產(chǎn)生微波，首先要用電子鎗產(chǎn)生電子流，然后把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發(fā)射器里面的核心組件，計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)后，要做工程設(shè)計(jì)，再來是精密加工，制造各種零件，然后焊接起來。其它各種各樣的組件制造流程也一樣，最后把全部組件焊接成一個(gè)發(fā)射器，里面的接觸面超過100個(gè)以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯(cuò)，就前功盡棄。制造出成品后，再用高壓電源測(cè)試，如果不合格，又是前功盡棄。

制程中需要一再地焊接，是因?yàn)榘l(fā)射器中必須保持高真空，以免電子碰撞到氣體，如同真空管一樣，因此這種高功率微波發(fā)射器，通常簡(jiǎn)稱為「微波管」。由于微波管的制造如此不易，頻率越高又越困難，在先進(jìn)國(guó)家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點(diǎn)，也就在毫米波段，所以這項(xiàng)工作，對(duì)我們的國(guó)防相當(dāng)重要。

前面提到的都是已經(jīng)成熟的技術(shù)，微波是二次世界大戰(zhàn)時(shí)開始發(fā)展的，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)界，是非常成功的一項(xiàng)研究，但也需要不斷的創(chuàng)新。清華大學(xué)主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽極磁控電子鎗」這一類的研究上面鉆研，所研創(chuàng)的磁旋行波放大器能夠把一個(gè)訊號(hào)放大1，000萬倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統(tǒng)的極限，在應(yīng)用上帶來了新的契機(jī)。

像美國(guó)這樣的先進(jìn)國(guó)家，已準(zhǔn)備把磁旋行波放大器應(yīng)用到太空科技上。美國(guó)有不少太空偵測(cè)設(shè)施，里面有各種各樣的雷達(dá)偵測(cè)太空對(duì)象，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛(wèi)星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非?？?，宇宙飛船一不小心被打到，就會(huì)像中了炮彈一樣，只是碎片的密度還不高，被打中機(jī)會(huì)不大。碎片有大有小，要看到1公分大小的太空碎片，就必須用磁旋行波放大器這一類的新設(shè)備。