Новости PCB - Разработка и применение микроволновой технологииРазработка и применение микроволновой технологии

Микроволновая печь обычно относится к электромагнитным волнам с диапазоном частот от 300 МГц до 300 ГГц и длиной волны от 1 метра до 1 миллиметра, которые могут быть дополнительно подразделены на субметровые волны, сантиметровые волны и миллиметровые волны радарных панелей, соответствующие частоты которых являются сверхвысокими частотами (UHF, ultra-high frequency)., сверхвысокой частоты (СВЧ, super high frequency) и чрезвычайно высокой частоты (КВЧ, extremely high frequency). (УВЧ, сверхвысокая частота), сверхвысокочастотный (СВЧ, сверхвысокая частота) и чрезвычайно высокочастотный (КВЧ, чрезвычайно высокая частота). С развитием современной микроволновой технологии субмиллиметровая волна с длиной волны менее 1 мм также рассматривается как область применения микроволновой технологии, что эквивалентно дальнейшему расширению диапазона микроволновых частот до более высоких частот. Это эквивалентно расширению диапазона микроволновых частот до более высоких частот. В связи с этим в некоторых источниках диапазон частот микроволновой печи также определяется как 300 МГц ~3000 ГГц.

Микроволны обычно обладают тремя характеристиками: проникновением, отражением и поглощением. При работе со стеклом, пластиком и фарфором микроволны практически не проникают внутрь, не поглощаясь. При работе с водой и пищевыми продуктами микроволны поглощаются и нагреваются. При работе с металлами микроволны отражаются. С точки зрения электроники и физики, СВЧ-излучение в этой части электромагнитного спектра отличается от других диапазонов следующими важными особенностями:

1. Проникновение СВЧ-излучения

Микроволны имеют большую длину, чем другие электромагнитные волны, используемые для радиационного нагрева, такие как инфракрасные, дальние инфракрасные волны и так далее, и лучше проникают в помещение. Проникновение микроволн в среду, благодаря микроволновой энергии и среде определенных взаимодействий, с частотой микроволн 2450 МГц, так что молекулы среды производят 2,45 миллиарда колебаний в секунду, что приводит к трению молекул друг о друга, вызванному повышением температуры среды, таким образом, среда из материала внутри, снаружи при почти одновременном нагреве, формировании состояния источника тепла тела значительно сокращала обычный нагрев по времени теплопроводности, а при условии, что коэффициент диэлектрических потерь и температура диэлектрика находятся в отрицательной зависимости, материал внутри и снаружи нагревается равномерно.

2.Микроволновый селективный нагрев

Способность материала поглощать микроволны в основном определяется коэффициентом его диэлектрических потерь. Вещества с большим коэффициентом диэлектрических потерь обладают высокой способностью поглощать микроволны, напротив, вещества с малым коэффициентом диэлектрических потерь обладают слабой способностью поглощать микроволны. Из-за различий в коэффициенте теплопотерь для каждого вещества микроволновый нагрев характеризуется избирательным нагревом.Различные вещества оказывают различное тепловое воздействие. Молекула воды является полярной молекулой, ее диэлектрическая проницаемость больше, коэффициент диэлектрических потерь также велик, поэтому микроволновая печь обладает высокой поглощающей способностью. Диэлектрическая проницаемость белков, углеводов и других веществ относительно мала, а их поглощающая способность в микроволновой печи намного меньше, чем у воды.Таким образом, количество воды, содержащейся в продуктах питания, оказывает большое влияние на эффект разогрева в микроволновой печи.

3. Тепловая инерция микроволновой печи невелика

Микроволновый нагрев диэлектрических материалов - это кратковременный нагрев, скорость нагрева. С другой стороны, выходную мощность микроволнового излучения можно регулировать в любое время, повышение температуры среды можно изменять без инерции, отсутствует явление “остаточного тепла”, что чрезвычайно способствует автоматическому управлению и непрерывному производству.

4.Микроволновый свет, похожий на свет

Длина волны СВЧ-излучения очень мала, поэтому при облучении некоторых объектов СВЧ-излучением будет происходить значительное отражение и преломление, а свет, наоборот, преломляться. В то же время характеристики распространения СВЧ-излучения и геометрической оптики схожи, подобно свету, они линейно распространяются и легко концентрируются, то есть обладают светоподобными свойствами.

5. Проникновение СВЧ-излучения

Микроволновое излучение в среде, при котором объект может проникать во внутренние характеристики объекта, называется проникновением. Например, микроволны являются единственными электромагнитными волнами в радиочастотном спектре, которые могут проникать в ионосферу (за исключением световых волн).

6.Информация о микроволновом излучении

Информационная емкость микроволнового диапазона очень велика, даже при небольшой относительной полосе пропускания доступная полоса пропускания также очень широка, вплоть до сотен или даже тысяч мегагерц.

7.Неионизация в микроволновом диапазоне

Квантовая энергия микроволн недостаточно велика, чтобы изменить внутреннюю структуру молекул материала или разрушить химические связи молекул, поэтому роль микроволн и роль материала заключается в неионизации.

Краткая история микроволновой технологииТеоретические исследования в области микроволнового излучения и связанные с ними эксперименты начались в начале 20-го века, но раннее оборудование не могло удовлетворить потребности экспериментов, главным образом из-за отсутствия мощных генераторов сигналов и чувствительных приемников сигналов, поэтому ранние исследования не достигли существенного прогресса. К 1930-м годам 20-го века с появлением высокочастотных сверхаберрантных приемников и транзисторных смесителей для дальнейшего развития микроволновой техники, создавших условия для развития микроволновой техники, был достигнут определенный прогресс.

В 1931 году итальянский ученый Маркони провел эксперимент по беспроводной связи на расстоянии 18 миль, в ходе которого для передачи голосового сигнала более высокого качества использовались микроволны частотой 600 МГц, а источником сигнала служила трубка Баркхаузена (Barkhausentube). Это был первый случай, когда для беспроводной связи использовались микроволны частотой более 300 МГц. В следующем году Маркони использовал 57-сантиметровые микроволны для установления радиосвязи между Ватиканом и замком Гондольфи, которые находились на расстоянии 15 миль друг от друга, а также для предоставления услуг телефонной связи и телепринтера, благодаря чему микроволновые технологии перешли из лабораторных в реальные практические применения. В течение того же периода постепенно разрабатывались концепции и теории, связанные с радиолокацией, и к середине 1930-х годов восемь стран мира уже проводили соответствующие исследования.

1.Стремительное развитие событий во время Второй мировой войны

Вторая мировая война, как правило, считается золотым веком развития микроволновых технологий, и главной движущей силой этого стал спрос военных на радары. Радары сыграли важную роль во время Второй мировой войны, и союзные войска вложили много сил и средств в исследования в области радиолокации. В Соединенных Штатах радиолокационные исследования проводились в радиационной лаборатории Массачусетского технологического института (MIT), где в 1945 году число сотрудников превысило 4000 человек, а девять работавших там ученых позже были удостоены Нобелевских премий.

После войны Радиационная лаборатория составила 28-томную серию "Радиационная лаборатория", опубликованную в 1947 году, в которой была задокументирована обширная работа радиационной лаборатории и связанных с ней исследовательских организаций по исследованию и разработке радаров во время Второй мировой войны.

В 1886 году Герц уже открыл, что электромагнитные волны отражаются твердыми телами, что на самом деле было основным принципом работы радара. В 1903 году Хюльсмайер из Германии подал заявку на патент на свое изобретение навигационной системы, которая использовала отражение радиоволн для обнаружения препятствий и навигации судов. В 1933 году военно-морская лаборатория США продемонстрировала радар, передающий радиоволны частотой 3 МГц, который был способен обнаруживать присутствие самолетов на расстоянии 50 миль. В 1934 году Уотсон Уотт, британский физик и эксперт в области радиолокационных технологий, создал экспериментальную радиолокационную станцию, а в 1938 году организовал радарную сеть противовоздушной обороны на восточном побережье Соединенного Королевства, которая состояла из радаров с частотой 25 МГц. Радарная сеть ПВО сыграла важную роль в победе Великобритании во Второй мировой войне. В 1939 году армия США оснастила радар SCR 270 с частотой 105 МГц системой дистанционного оповещения, которая успешно обнаружила японские самолеты во время битвы за Перл-Харбор. В 1943 году Радиационная лаборатория разработала микроволновый радар с использованием резонаторных магнетронов - радар SCR 584 частотой 3 ГГц, который был запущен в производство в том же году и широко использовался на европейском и тихоокеанском театрах военных действий. Этот радар был способен эффективно определять местоположение воздушных объектов и осуществлять управление огнем, и с его помощью 85% ракет V-1 немцев в битве за Лондон были уничтожены зенитным огнем.

Во время Второй мировой войны продолжали развиваться микроволновые технологии и в других областях применения. В области беспроводной связи в 1943 году компания AT&T разработала многодиапазонное микроволновое радио AN/TRC-6, в оборудовании которого использовались технологии импульсной позиционной модуляции и цифровой модуляции, армии США и Великобритании были оснащены этой моделью радиооборудования. В 1940-х годах также были разработаны технологии микроволновых измерений, включая обнаружение энергии, измерение энергии, измерение частоты, измерение фазы и коэффициента стоячей волны напряжения.

Технологии измерения рефлектометра и импеданса были впервые представлены Майерсом, Чарльзом и Джулианом в 1944 году. Микроволновые технологии для биологических и медицинских целей также были разработаны во время Второй мировой войны.

В 1938 году немец Холлман и американцы Хемингуэй и Стенстрем совместно предложили использовать микроволны в терапевтических целях. Принцип заключается в том, что по сравнению с другими электромагнитными волнами микроволны могут лучше концентрировать энергию для термической обработки. Более того, использование микроволн для прогрева глубоких тканей не приведет к чрезмерному нагреванию поверхности кожи.

2.Послевоенное развитие микроволновой технологии

В течение десятилетия после Второй мировой войны микроволновые технологии быстро распространялись, и многие страны уделяли им особое внимание. Во многих странах при финансовой поддержке правительства в университетах, крупных корпорациях или научно-исследовательских институтах были созданы исследовательские программы в области микроволновых технологий. Особенно во время холодной войны, чтобы обеспечить поддержку новых систем вооружения, было проведено большое количество исследований, связанных с микроволновыми технологиями, и эти исследования внесли значительный вклад в развитие микроволновой технологии. Были предложены новые волноводные конструкции для замены чрезмерно больших прямоугольных и круглых волноводов. Появилось много новых типов микроволновых ламп. Размеры генераторов и приемников сигналов также были значительно уменьшены для снижения стоимости производства всей микроволновой системы и повышения стабильности. Эти технологические достижения способствовали развитию технологии микроволновых интегральных схем.

Радиолокационные технологии также продолжают развиваться, в 1955 году Пейдж изобрел одноимпульсный радар, а радиокомпания Соединенных Штатов в 1958 году выпустила высокоточный радиолокатор AN/FPS-16, который первым достиг точности радиолокации в 0,1 метра.

После войны технологии микроволновой связи быстро развивались, и в 1946 году армия США успешно получила микроволновые сигналы от радара, которые были отражены от поверхности Луны. В 1947 году компания AT&T установила радиосистему прямой видимости на базе ретранслятора с частотой 3,7-4,2 ГГц между Нью-Йорком и Бостоном, способную передавать 500 телефонных линий или программы одного черно-белого телевизионного канала.

Первый коммерческий геостационарный спутник связи Early Bird был разработан в 1965 году.

В области микроволновых измерений Феллджетт в 1951 году предложил метод спектроскопии с преобразованием Фурье. Первые атомные часы с цезиевым лучом, в которых использовался метод разделенных колебательных полей, были представлены в 1952 году Национальным бюро стандартов США. Впоследствии, в 1955 году, Эдсон и др. сотрудники Национальной физической лаборатории Соединенного Королевства разработали сверхточные атомные часы с подвижным цезиевым лучом, работающие в микроволновом режиме, а в 1960 году Катлер и Бэгли представили атомные часы в качестве атомного стандарта частоты, что сделало изобретение и применение атомных часов важной вехой в современной технологии измерения времени. В 1966 году Вайнерт изобрел радиочастотный векторный вольтметр.

Микроволновые технологии в биологических и медицинских исследованиях в послевоенный период также продолжали развиваться. В 1950 году физики Геслер, Маккарти и Паркинсон впервые применили микроволновую энергию для лечения рака, а также использовали микроволновое излучение частотой 2450 МГц для лечения рака молочной железы. рак у белых крыс. В 1955 году Аллен использовал смесь микроволнового и рентгеновского излучений для лечения опухоли S180 у крысы, и впоследствии было проведено большое количество исследований по гибридной лучевой терапии.

3. Переход от военного к гражданскому использованию

После Второй мировой войны исследования и применение микроволновой технологии постепенно перешли от удовлетворения военных потребностей к гражданской сфере деятельности, о чем свидетельствует изобретение микроволновых печей. Начиная с 1940-х годов, было получено множество патентов на использование технологии микроволнового нагрева, что положило начало развитию технологий микроволнового нагрева. Компании Westinghouse и GE специализировались на промышленных применениях, таких как сушка текстиля, шин и древесины, в то время как Raytheon - на приготовлении и разогреве продуктов. В 1949 году компания Raytheon запатентовала некоторые основы микроволновой печи. Однако компания Raytheon сосредоточилась на рынке коммерческих микроволновых печей и не стала выпускать микроволновые печи для дома. К 1960 году по лицензии Raytheon несколько крупных американских компаний, таких как Hotpoint, Westinghouse и Whirlpool, начали выпускать микроволновые печи для среднего потребителя. Однако применение технологии микроволнового нагрева в промышленных процессах росло медленнее, чем ожидалось, а потребительский спрос на рынке домашних микроволновых печей был ограничен, главным образом из-за высокой стоимости магнетрона, основного компонента микроволновой печи.

Исторический перелом произошел в 1967 году, когда компания Raytheon, подчиненная Amana, представила домашнюю настольную микроволновую печь RR - 1, благодаря использованию нового типа магнетрона для снижения затрат, благодаря чему цена всей машины составляет менее половины от предыдущей микроволновой печи. Микроволновая печь типа RR - 1 после ее запуска будет быстро способствовать развитию рынка домашних микроволновых печей, за ней быстро последовали не только отечественные компании из Соединенных Штатов, но и Toshiba, Sharp, Hitachi и другие японские компании, которые также инвестировали в этот рынок. В 1960-х годах ежегодный объем продаж микроволновых печей в Соединенных Штатах Америки составлял всего около 10 000 единиц, а к 1975 году их количество превысило 1 миллион единиц, в 1985 году достигнув 5 миллионов единиц. Среди них на долю японской компании также приходилась значительная доля на рынке бытовых микроволновых печей, согласно анонсируемому материалу Sharp, к 1977 году Sharp продала 2 миллиона микроволновых печей. Впоследствии в Японии, Европе и других странах также развивался рынок бытовых микроволновых печей. Опрос, проведенный в 1976 году, показал, что 17% японских семей использовали микроволновые печи для приготовления пищи. Сегодня микроволновые печи стали широко использоваться во всем мире для обработки пищевых продуктов и приготовления пищи, многие американцы даже считают, что микроволновая печь - это самый важный научно-технический прорыв с 1970-х годов, в нашей стране микроволновые печи используются в крупных и средних городах, популярность микроволновой печи достигла большего более 80%.

Применение микроволновой технологии в промышленности

Современное микроволновое оборудование, использующее микроволновую технологию и технические средства в различных отраслях промышленности для применения и развития:

1.Пищевая промышленность и производство товаров для здоровья

При использовании микроволновой печи продукты для здоровья могут подвергаться стерилизации, обезвоживанию, сушке, вспучиванию, ароматизации, дезодорации, размораживанию, продвижению и сохранению свежести при переработке. Now используется в сухом молоке, сыре, костном порошке, таблетках женьшеня, соевом порошке, тортах, лапше быстрого приготовления, вяленой говядине, вяленом мясе, мясных полосках, мясной муке, хлопьях из сушеной рыбы, рыбной нити, моллюсках, утках в рассоле, размороженной рыбе, птице и яйцах, соусах., картофельные хлопья, орехи кешью, арахис, семена дыни, соевые бобы, белое вино, ликер, пиво, молоко, жидкость для приема внутрь, китайские травы и так далее при производстве.

2.Обработка древесины

Использование мощной микроволновой сушилки для сушки древесины толщиной 2-10 сантиметров, скорость сушки, древесина не трескается, деформация небольшая, при этом внутри древесины погибают яйца червей и личинки, мебель среднего и высокого качества, напольные покрытия, упаковочные материалы, использование древесины наиболее подходит для обработки. Микроволновую печь также можно использовать для отверждения композитных плит из бамбукового дерева, а также для склеивания стыков в процессе отверждения.

3.Инсектицид и стерилизация

Применение технологии микроволнового нагрева может заключаться в стерилизации с пониженной влажностью и применении инсектицидов, если обработка продуктов питания и материалов в микроволновой печи при температуре 50-80 градусов может сыграть определенную роль в уничтожении вредителей и бактерий. В настоящее время широко используется в рисовой, зерновой, бобовой, табачной, бамбуковой, деревообрабатывающей, бумажной, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности.

4.Резиновая промышленность

В резиновой промышленности в процессе вулканизации каучука следует использовать микроволновую технологию в сочетании с обычным нагревом, что значительно сокращает время и повышает эффективность вулканизации. В настоящее время в провинции Хэбэй, Хэншуй и Шаньдун широко используются микроволновые технологии.

5.Керамическая промышленность

Микроволновый нагрев может быть использован в керамической промышленности, сочетание обычного нагрева и методов микроволнового нагрева позволяет значительно сократить время сушки керамики, не влияя при этом на производительность обжига керамики.

6. Сушка углем

Добыча угля, как правило, отличается более высоким содержанием влаги (около 35%), если обычный метод сушки для сушки медленный, с низкой эффективностью, сушка не является полной, то микроволновый метод сушки может привести к одновременному нагреву угля внутри и снаружи, это испарение воды, обезвоживание сушки, эффективность была значительно улучшилось.

7.Технология микроволновой плазмы

Процесс производства транзисторов используется в микроволновой плазменной технологии, может быть подвергнут травлению, распылению, осаждению из газовой фазы, окислению кремния. Подходит для обработки металлов, сплавов, неметаллических поверхностей. Может использоваться для высокотемпературного спекания керамики. Может использоваться для спектрального анализа плазмы, позволяет обнаруживать более десяти видов элементов, а также для разложения токсичных соединений.

8.Технология микроволновой обработки медицинских отходов