微波技术的基本原理精选(九篇)

第1篇：微波技术的基本原理范文

【关键词】采油 新技术 发展 研究

1 前言

现代社会对石油的需求量越来越大，根据目前的石油供给状况，我国的石油企业必须至少提供全国石油需求量的60%，才能得保障石油供应安全[1]。然而由于技术水平以及其他因素的限制，我国目前的石油开发采收率比仅为35%-40%，严重影响了石油的产出量。在这样的形势下，我国的石油企业必须加快研发采油新技术的步伐，提高石油的产量，满足社会用油需求，进而保障我国石油供应的安全性。本文就对微生物采油技术、磁处理采油技术、二氧化碳驱油技术以及微波采油技术等几种采油新技术进行分析研究，希望能为采油技术的发展提供一些参考。

2 目前较为热门的采油新技术

2.1 微生物采油技术的研究应用分析

微生物采油技术有着许多优势，近年来发展十分迅速，该技术的基本原理为：将微生物直接输送到地下储油层，使微生物在油层不断繁殖、活动，其新陈代谢产生的物质和原油发生反应，从而改变原油原本的化学特征，流动性质也因此改变，进而提高石油的采收率[2]。和传统的采油技术相比较，微生物采油技术的优点十分明显：简易的生产操作，简单的施工流程、多样的生产形式、易于控制、采油率高、可循环生产使用等等。微生物采油技术是一项多功能技术，许多功能是其它采油技术所没有的，可以有效解决原油渗透率低、流度比不利、扫油效率低等问题。由于生产成本比较低，这项技术被迅速推广使用，势必在今后的石油开采中起到越来越重要的作用。然而，微生物采油技术作为一项新兴技术，在实际应用中还有许多制约因素，需要我们不断进行研究，探索该技术的各种奥秘，使其能够摆脱各种限制充分发挥自身优势，实现采油率的不断提高。

2.2 磁处理采油技术的研究应用分析

上世纪80年代大庆油田进行了运用磁防蜡实验并取得成功，这是较早的磁处理采油技术运用。该技术是利用磁场影响原油和驱替液的物理性质与化学性质，进而改变原油物性，出现防蜡、降粘及增注的作用。采油基地一般通过永磁体或利用电磁铁的作用来建立磁场。磁处理采油技术的应用范围十分广泛，一般在以下几个领域应用：

（1）增磁注。在磁场作用下输送水，能够降低输送的压力，提高水驱油和吸水指标。

（2）磁防蜡。通过磁防蜡有效解决油井结蜡的问题，并且能够延长吸热周期，降低防蜡成本。

（3）磁减阻。磁减阻技术能够解决集输高粘原油方面的问题，节约能源，降低耗损。目前，各主要油田已经建立了专门研究磁技术的机构，主要研究磁技术基础系统及其运用，从而能在保护石油资源、减轻或者避免油层污染方面做出贡献。

2.3 超声波采油技术的研究应用分析

超声波采油技术主要包括超声波降黏、超声波防蜡以及超声波防垢等技术。超声波降黏技术原理为：超声波自身具有的化学反应与物理反应，能够将未凝固的原油细微颗粒分散化，从而降低原油黏度，提高流动性能。超声波防蜡技术原理为：利用超声波在原油层产生振荡作用，达到软化原油的目的，并在壁管周围形成气套，进而达到壁管防蜡的目的。超声波防垢技术原理为：利用管道金属表面传播超声波，金属表面与油井盐垢微粒发生转移错位，有效防止产生油井中盐垢。超声波采油技术因具有多项优势在油田开采中广泛应用。其主要优势有以下几点：

（1）超声波能够有效清除孔隙内部液体内的气体，所产生的气泡脉动能够在地层岩石孔隙通过，提高原油渗透性，能够顺利进行管道采油。

（2）超声波能够改变原油中的分子结构，降低原油粘性。

（3）超声波能够改善原油层内部孔隙结构，提高原油的渗透性。

（4）超声波能够使油井中的原油加速向放有波源的油井眼流动，进一步提升原油采收率。

2.4 二氧化碳驱油技术的研究应用分析

二氧化碳驱油技术的工作原理为：在原油中溶解入二氧化碳，使二者发生作用，改变原油的物理特性与化学特性，以提高石油的采收率。该技术分为两种驱油方式，一种是非混相驱，该方式适用于大型油田，可注入大量二氧化碳。另一种是混相驱，该方式则适用于规模较小的采油作业，能够广泛运用，其成效要好于非混相。二氧化碳的输入方式分为重力稳定输入和气、水交替输入。二氧化碳驱油技术的优势在于，能够解决低渗透油藏采油一直面临的各种问题，例如因水敏性黏土矿物过多以及渗透率较低等导致的注水后膨胀致孔隙阻塞，出现不能注水或注水无效等现象[3]。所以二氧化碳采油技术在油田开采中被广泛运用，且效果显著。缺点在于材料获得、运输不易，相关的设备容易被腐蚀耗损，存在较大的安全隐患以及环境保护问题等。

2.5 微波采油技术的研究应用分析

微波采油技术一般是指将微波直接传输到地下，或在需要作业的油层位置下放大功率微波天线，对油层进行加热，从而降低原油的粘度，进一步提高采收率。该项技术目前有三种加热方法：

（1）多底井地层微波加热法。微波沿着竖井段下传至多连通器中的功分器，通过连通开窗侧钻的水平井里的天线辐地层。油层内可钻探多口水平井，因此微波辐射效果可明显提高。该方法是目前最具作用效果与作用效率的微波加热法[4]。

（2）井下加热法。在井下直接放入微波源，升高地层温度。

（3）地面加热法。该方法是利用地面安装的微波加热器加热注入地层的水蒸气或者水，该方法施工简便，不需要动用管柱，也不用对原有的井口设备进行改变。我国对微波采油技术研究十分重视，在1996年该技术被列为“国家863计划”国家的大力支持使得微波采油技术研究进展迅速[5]。虽然微波采油技术开发优势明显，但是一些关键性难题仍未得到很好的解决，因此目前还仅限于实验研究阶段，还无法大规模推广使用。

3 结束语

现代科技发展日新月异，世界采油技术发展速度不断加快，我国的采油技术想要跟上世界的步伐，必须不断加大研究力度，不断发掘各项发展潜力，提高科技水平。因此，石油开采研究人员必须运用当代科技成果，全力研究石油开采新技术，使采油技术在实际应用中能够实现使用合理、高效开采，以满足社会需求。这是一项长远而艰巨的任务，如何提高石油采收率，满足社会用油需求需要，保障国家石油供应安全，还需要我们的不断研究与实践。

参考文献

[1] 唐焦强.现代采油新技术的研究与应用[J].黑龙江科技信息，2011，9（28）：89-90

[2] 樊伟平，滕立志，李玉平. 采油新技术的研究应用[J].内蒙古石油化工，2010，23（01）：67-68

[3] 陈琳.气举采油工艺现状及进展[J].内蒙古石油化工，2010，34（14）：56-57

第2篇：微波技术的基本原理范文

关键词：微波技术；多媒体技术；电磁仿真；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0084-02

一、引言

当今社会，无线通信技术已经遍及生产生活的各个领域，而实现无线通信的最重要载体就是电磁波[1]。其中“微波技术与天线”是这些学科专业中的一门关键课程。该课程理论性较强，且概念抽象，不易理解和学习[2，3]，对如何讲授这门课程的老师及如何学好这门课程的学生都是一个不小的挑战。同时，该课程的工程实践性强，学生不仅要学好理论知识，还要掌握常用微波元件和天线的设计方法，以及相关仪器的使用。由于微波测量仪器的价格昂贵，学校采购数量有限，很难满足每一位同学的实验操作需求[4]。因此，本文探讨了如何在传统教学中，将现代多媒体技术与EDA电磁仿真软件相结合，合理融入到教学过程中。通过多媒体技术，使抽象的概念更加形象和直观，便于学生理解。

二、理论教学改革

1.合理安排教学内容。“微波技术与天线”既是一门理论课程，也是一门工程实践性较强的课程，其主要内容包括微波技术与天线两大部分。其中微波技术又包含传输线理论、波导及网络分析，以及常用微波器件设计等内容；天线技术主要包括天线的基本概念，常见天线基本原理，课程结构如图1所示。其中，红色方框部分应作为课堂讲解的重点内容；虚线框中内容具有较强的工程实践性，授课教师应对相关内容做一些详细介绍，同时对学习兴趣浓厚的学生做一些研究方向的指引。另外，红色方框部分的学习过程涉及大量的数学知识，包括高等数学、复变函数和矩阵理论等知识，还涉及电路、电磁场和电磁波等基础理论，学习比较枯燥且容易忘记。教师讲授时需要多花一些课时，并且强调学习这部分的重要性。在课后需要给学生安排一定的课后作业或临时测验，起到巩固知识、加深理解的作用。

2.合理使用多媒体技术。“微波技术与天线”课程中的很多概念抽象复杂，仅仅使用简单的文字描述或静态图片展示很难理解。通过使用现代多媒体技术可将抽象的概念形象化，利用彩色图片及动画等技术手段将抽象难懂的知识生动直观地展示给学生。例如“场”这一概念，很多学生反映难以理解。多媒体这一教学手段可以很生动、形象地去表达“场”这一看不见摸不着的物质，帮助学生去建立或者重构“场”在他们大脑中的印象，避免教师在“场”教学中的枯燥乏味，从而达到良好的教学效果[5]。

另外，在讲授无耗传输线工作状态、规则金属波导中的场时，也可采用多媒体教学。如对矩形波导中TE10模的电场、磁场以及三维场分布，可以采用多媒体动画的形式来呈现，这样就会使学生更加直观、深入地认识矩形波导中的场分布，加深理解，提高教学效果。对于各种不同的天线结构，可借助幻灯片，收集一些相关的图片展示给学生，加深学生对相关知识的认识与理解。

三、电磁仿真软件

“微波技术与天线”是一门实践性强的课程，由于该课程的实验仪器都非常昂贵，且学生人数较多，实验过程中的仪器管理与维护等需要耗费大量时间，并且在有限的时间内难以让每位同学亲手操作一遍，因此可以使用现有的EDA电磁仿真软件来解决上述问题。目前，常用的微波仿真软件有CST、Ansys HFSS、ADS与Ansys Designer等，并且都提供了相应的学生免费版，免费版完全可以满足课程教学的需求。利用这些软件可以让学生对“微波技术与天线”课程中的常用微波器件及天线进行仿真设计。在仿真实验中，可以加深学生对相关物理概念的理解，以及对理论知识的掌握，同时增强学生们的学习兴趣。图2所示为利用三维电磁仿真软件设计和模拟微波器件的图形界面。

四、课程网站建设

近年来，网络教学作为一种新型、高效的教学方式，很好地弥补了传统教育的不足，也推动了高等院校的教育改革[6]。通过精品课程网站，学生可以跳出传统教学在时间、空间上的制约，通过网站复习课堂上的知识，利用网站上的资源进行更深层次的学习，还可以与老师留言交流。精品课程网站逐渐成为了运用互联网技术改善教学质量、增进师生间交流的一种有效方式。

微波技术是研究微波信号产生、放大、传输、发射、接收、变换及测量等技术的学科，在卫星通信、移动通信、雷达、微波遥感等领域得到了广泛的应用。“微波技术”作为一门重要的专业基础课，是后续“移动通信”、“微波通信”等课程的重要基础。“微波技术”课程涉及到电磁场理论和微波网络系统以及天线技术，内容广泛，理论性强，信息量大，所用到的高等数学、物理学、电磁场与电磁波等知识较多，是电子与通信相关专业比较难学的一门专业基础课。

目前，传统的微波技术教学存在一些问题。首先，教学方法比较单一，大多数时候还是采用课堂上ppt讲解和板书的授课方式，这有助于进行严谨的理论推导，但讲课效率却无法充分提高；其次，在有限的课堂教学中仅能将基本的概念、原理、方法教给学生，而对微波技术的发展前沿，更深层次的知识点，发散性、探索性的问题涉及较少。建设《微波技术》精品课程网站是配合教学现状，进行网络教学改革的实践。将网络教学与课堂教学有机结合起来，是对以现代信息技术为基础的新型教学方法和教学模式的探索。能够充分发挥学生学习的积极性和自主能动性，从而提高教学质量。

本教研组运用新型的Web前后端技术，采用B/S（浏览器/服务器）架构，使用近年来新兴的Node.Js搭建后端服务器[7]，使用Nosql数据库MongoDB做为数据库，使用jquery、Bootstrap等前端类库和技术搭建一个性能、体验良好的《微波技术》课程网站[8]，并采用响应式设计进行多终端适配，使网站适应PC、手机等不同尺寸的设备。该网站不但丰富了该课程的教学手段，而且改善了教学质量，增进了同学与老师之间的沟通与交流。

五、结论

本文分析了“微波技术与天线”课程的内容特点及教学难点，并对传统教学方法提出了一些改进措施。通过合理安排教学内容及运用多媒体技术来提高教学质量。同时，开发和建立了相应的课程网站，该网站为学生提供观看视频课程、资料下载、查看老师文章、向老师留言提问等功能，为老师建立一个后台管理系统，提供文章的和管理、视频资源上传、回复学生留言等功能，有效提高了该课程的教学质量。

参考文献：

[1]袁海军，马云辉，刘咏梅，等.《微波技术与天线》课程教学中理论性与工程应用性的结合探讨[J].科技资讯，2012，（24）：169-170.

[2]夏祖学，李少甫，胥磊.《天线与微波技术》课程的教学改革研究与实践[J].实验科学与技术，2013，（06）：49-51.

[3]蒋铁珍，廖同庆.《微波技术与天线》教学：与工程应用相结合[J].教育与教学研究，2014，28（06）：78-80.

[4]李新营，曹雪.《微波技术与天线》教学的研究与探讨[J].物理通报，2014，（12）：25-27.

[5]李素萍，吴伟.《微波技术与天线》课程教学改革探讨[J].中国电力教育，2011，（08）：108-109.

[6]高思礼.教育部启动精品课程建设工作[J].中国大学教学，2003.

第3篇：微波技术的基本原理范文

关键词：微波；烘燥；纺织工业；应用

1 概述

微波是一种频率为300MHz-300GHz的电磁波，照射极性物质时，极性物质分子的不规则运动速度加快，物质内能增加进而转化为热能。随着科学技术的不断发展，人们对纺织品的加工处理提出了更高的要求，微波技术由于其均匀、高效、快速、无污染等优点得到了人们的广泛关注，本文将对微波烘燥技术的应用进行简要分析。

2 微波烘燥在纺织品工业中的应用

2.1 纺织品处理阶段

微波照射纺织品时，能加快物质内部分子的运动速度，加快胶质的溶解，改善脱胶效果。国外相关学者曾报道韧皮纤维，如大麻，在纺织加工前必须进行脱胶处理，一般常用的方法有机械、酶和化学脱胶方法，其脱除效果并不理想。用微波技术处理胶质时，微波能在维持纤维细度和亮度的基础上，实现脱胶，且试验证明，微波处理时间越长，纤维细度和亮度都会增加。

除大麻脱胶外，丝织品的精练脱胶也是较为常见的一道工艺，该工艺的主要目的是保持丝织品特有的风格和优美光泽。传统脱胶方法是以碱性盐溶液为精练液，在高温条件下进行脱胶处理，碱性盐类溶液一般可选取硅酸钠、纯碱、磷酸钠、硼酸钠等。丝胶溶解性较差，这就需要延长处理时间和提高处理温度才能有效脱胶；若用微波进行处理，丝制品在微波照射下会产生热，有效溶解丝胶及其他不纯物，再用热清水冲洗，就能获得理想的精练效果。

2.2 纺织品加工阶段

2.2.1 染色中的应用 微波染色基本原理：按照常规方法将待染织品浸扎染液，然后将待染织品导入密闭微波加热室内，浸扎在染料液中的织品在微波照射作用下，则织品中的极性分子在电场作用下会发生极化，改变排列方向，分子间摩擦增大，进而转化为热能；而染料分子在微波的作用下会升温，从而提高上染和固色的速度。微波染色可采用织物或丝束加工方式，能用于亲水性纤维染色和疏水性纤维染色；染料主要包括活性染料、分散染料、直接染料和阳离子染料几类；染色后处理方式仍保持不变。用分散染料染涤纶、用油溶性染料和分散染料染醋酸纤维时，微波可在固色方面具有很大优势，而且还能降低能源消耗。值得注意的是，水分子是实现微波加热的关键，因此织品或者色浆应保持一定的含水量，确保印花织物在未干时进行固色。

2.2.2 染整加工方面的应用 微波辐射在纺织染整加工方面也有很好的促进作用，对分子具有一定的活化作用。微波辐射能激发分子的运动，这对于化学键的断裂是十分有利的。分子由基态达到亚稳态，需要吸收一定的能量，以使电子产生跃迁；跃迁后分子状态活跃性提高，分子间的碰撞几率和有效碰撞几率大大增加，从而加快反应速度。环氧树脂整理织物时，微波辐射可在短时间内改善褶皱回复性，提高染色的耐酸碱性和耐光性。

2.3 检测中的应用

2.3.1 微波烘干 纺织品常用的干燥方法主要以传导或对流的方式传递能量，如热风、电热、蒸汽等均属于该类传热方式；微波烘燥原理与上述原理不同，主要是靠电磁波辐射的方式将能量传递到纺织品内部的，能量传递效果受物质介电常数的影响，介电常数越大的物质对电磁波的吸收力越强，其烘燥效果越好。采用微波烘燥，主要特点表现在以下三个方面：①高效，微波加热直接作用于纺织品本身，热损失较少，因此加热效率较高，这就有效避免了长期高温作业，极大的改善了工作环境。②均匀。微波加热不同于其他加热方式，是属于内部加热，整个加热过程更容易保障织品受热的均匀性。而对于回潮率分布不均的织品，水的介电常数相对较大，因此水量较少的部分比其他部分吸收的热量少，水分含量多的部位则吸收的热量多，而水分的蒸发相当于调节作用，确保了纺织品受热的均匀性。③快速。纺织品材料本身的热传导率较低，通过热传导的方式进行加热，需要的时间较长；而微波利用被加热物体本身发热而实现的内部加热，无需传导过程，缩短了传热时间。

2.3.2 微波测湿 纺织品回潮率常用的测定方法有直接法和间接法，直接法是直接测量干重和湿重，然后按照吸湿指标的公式计算而得；间接法是利用电阻、介电常数、外来辐射的吸收等物理量与纺织品回潮率之间的关系而间接计算得到。间接测量速度较快，一般不用去除纺织品中的水分。微波测量属于间接测量，测量原理如下：水分子能吸收微波能力，且吸收能力是普通纺织材料的数百倍。测量时，探针向纺织品中发射一定的微波能量，微波能量通过纺织品时，被其中的水分子吸收一部分，传感器能探测到微波通过纺织品前后的差值，经过计算后可得纺织品的回潮率。

2.4 纱线定形系统中应用

随着科学技术的不断发展，我国棉纺工业也得到了快速发展。原有的蒸纱机处理工艺逐渐被取代，多数采用车间存放、自然回潮的方式实现对强捻纱的捻度定形，这是由于传统蒸纱工艺是利用饱和蒸汽携带热量对纺织品材料进行作用，热量传递是由外而内进行的，作用速度慢，加热时间过长。微波技术的实用可改善这一不足，微波作为一种穿透性极强的短波，可穿透数十厘米以上的物品，这就能使纱线内外层的水和纤维同时吸收能量，提高了加热速度；微波定形的另一优势是无需对纱线进行调湿处理，简化了工艺。

利用微波对纱线进行定形时，纤维分子在湿热条件下的运动能力增强，而热能的增加又使分子间的氢键变得活泼，大分子重排，应力松弛，温度降低后形态稳定从而达到定形的效果。传统定形时间为几十分钟至几个小时，而利用微波定形仅需要2min即可完成，这与传统的定形工艺形成了极大的反差，缩短工艺时间，操作方便，且消除了传统定形工艺中的水渍问题。总之，微波技术以其特有的效果，使得内外层纱线定形均匀性、时效性、能源利用率等得到了提升。

3 结语

微波技术与传统技术相比，具有快速、高效、资源利用率高、无二次污染、成本低等优点，因此在环保领域得到了十分广泛的应用，已经成为高效、节能、无污染加工工艺实现的重要技术保障之一，微波技术作为一种绿色节能加工处理技术，其在纺织工业生产中的多个领域都有良好的发展前景，能创造重要的经济价值和社会效益。

参考文献：

[1]牟群英，李贤军.微波加热技术的应用与研究进展[J].物理学与高新技术，2004，33（6）：338-442.

第4篇：微波技术的基本原理范文

[摘要]微波通信是一种利用微波传输信息的一种通讯手段。本文就数字微波通讯的发展及其与光纤比较的优点作简要分析。

[关键词]数字微波通信微波光纤特点比较

数字微波通信则在微波传输中,采用了数字讯号处理技术,不仅具备了微波通讯建线快,投资小应用灵活的特点,还具有传输质量可靠,抗干扰能力强,传输线路长等多种优点。目前数字微波通讯已经成为我国国民经济建设中,重要通讯手段中发挥着巨大的作用。

一、我国数字微波通讯发展历史

我国数字微波通讯发展先后经历了模拟微波发展阶段、中小容量数字微波发阶段和大容量数字微波发展阶段。

上世纪80年代中后期,我国的数字微波发展受阻。主要原因是由于光纤通讯技术的兴起,数字微波的干线传输功能,已被光纤逐步取代。光纤通讯以其巨大的带宽超低损耗和较低成本而成为干线传输的主要手段,并对数字微波形成巨大冲击。自上世纪90年代以来,以大容量光纤传输,作为国家信息高速公路建设的主要传输手段,已经成为无法阻挡的历史潮流。在这种情况之下,数字微波何去何从,怎样发展是从事该领域研发和使用的单位及人员十分关心的问题。

二、微波与光纤相比主要优点

1.抵御自然灾害的能力强。如在1976年的唐山大地震,90年代的特大洪灾中,在其他通讯手段失效的情况下,微波保证了通讯和广播讯号的畅通。

2.受地理环境的限制小,应对突发事件的能力强。微波信号即可翻山又可跨海,与光缆相比,受地理条件的限制小,随着微波设备集成度提高,使用摄像微波传送一体机,和容易在突发事件现场实现信号的实时传输。

3.建设和维护成本相对较低。特别是在山区,人烟稀少的地区。铺设光缆非常困难,而且成本会很高。由于数字微波是采用无线电传输因此基本的设备架设简单,安装起来也相当简易快速。在网络规划上,较光纤和光缆之类的有线传输容易,并且能降低施工和维修上的成本。

4.运用灵活。如果有移动性的需要,较光纤无论军用或是商用数字微波通讯装备,架设起来都十分方便,且通讯效率也非常高,

目前数字微波发展主要用于光纤干线传输信号的互相备份和特殊不适合光纤地段和场合的应用,如:点对点SDH微波,PDH微波,主要作用是在光纤传输,遇到自然或者人为破坏时,紧急修复的备份。也用于农村,海岛等边远地区和专用通讯网。

高频段微波,可以用于城市内的短距离支线,如13,15.18,GHZ几个频段的点对点微波,通讯系统和移动通讯基站的连接。

由于微波频带宽广保密性高,且不易被窃听,所以军事价值相当高,一般军方所称为区域网络通讯系统,是以作战地区划分的,在作战地区内设置通讯中继站,彼此依靠微波相互连接形成网络。

在区域网络通信系统中,各级指挥单位,可靠着部队所在位置附近的中继站连接进入网络,指挥官可以透过区域网络直接传达密令。同时一般区域网络通常具有搜寻,使用者设定,转移,取消用户号码及网络其他功能。由于数字科技之运用,各种通讯皆可透过数字技术转成数字信号。因此,数字微波系统始终让军方爱不释手,未来军方还将朝向高频率高功率及高方向性的发展方向,向研发更新的数字微波系统。

三、数字微波通信关键技术

当今光纤通信和移动通信成为通信网的两大主流,有着巨大的产业和用户市场。在这种情况下,数字微波逐渐淡出原有的领域,这是技术的竞争,是不以人们意志为转移的。在这种情况下,数字微波要得到发展,必须摆正位置,当好光纤通信和移动通信的配角。数字微波如果突破一些关键技术,还会有很好的前景。

1.高频段传输技术。这里说的高频段,是指10GHz以上的频段,包括毫米波频段。根据电信主管部门的规划,3GHz以下频段要分配给移动和个人通信,而3—10GHz的频段也十分拥挤。因此,数字微波要及时调整发展方向,向高频段进军。

2.在现有频段上的兼容技术。由于10GHz以下的频段传播条件较好,器件比较成熟,主管部门也划分了某些频段给数字微波使用。因此,现有的频段也不要轻易放弃,但在技术上要较好解决兼容问题。如:扩频及跳频以及抗干扰技术等。

3.适用于各种用户的组网及接口技术。采用软件无线电技术,使数字微波通信系统成为一个较为通用的平台,能够根据用户的不同要求进行组网,兵完成各种借口功能。提高可靠性及降低成本的技术。如:全数字化处理、数字专用集成电路等。

四、数字微波技术的提高空间

随着微波通信技术的发展,高性能高速多状态调制解调技术、自适应交叉极化干扰抵消(XPIC)技术、前向纠错技术、专用大规模集成电路(ASIC)设计仿真技术都应用到SDH数字微波通信中,大大提高了微波通信的容量和可靠性。

SDH数字微波接力系统出现后,为了提高频谱效率出现了64QAM、128QAM、512QAM等高状态调制方式,频谱效率提高到1Obit/HZ。SDH系统采用了同步复用和灵活映射结构,可以从高阶支路直接分插低阶支路信号,避免了逐级分复接过程,使设备简化,而且SDH系统安排了大量的开销字节,使网络的操作、管理、维护的配置能力大大加强。

在数字微波系统中,多径衰落是微波信道中频谱失真的主要原因,因此需要各种各样的对抗多径衰落的措施,在数字微波系统中自适应均衡和空间分集接收成了不可缺少的设备。

1.调制器。数字调制过程的基本原理是把比特率为R(bits/s)的二进制数字序列变换为适当的中频或射频信号的处理过程,其中包括数字信号处理(如状码、信号编码和微波帧开销插入等),频谱成型,信号映射和调制过程。

2.中频放大器。它的作用就是将已调制的中频信号进行放大。

3.本地振荡器:本振产生适当的射频频段内的本地振荡信号,与已调制的中频信号进行混频产生出所要发射的微波信号,对于本振,除了要达到一定的功率电平,以满足必信混频器的需要,还要求频率稳定度高和相位噪声低。

4.功率放大器。它是用以将发射混频器输出的微弱信号电平(常为一dBm～一50dBm)放大到所需要的电平。常用的射频功率放大器为砷化稼FET器件,由于SDH系统一般采用高状态调制方式,对放大器的线性要求很高,故一般采用预失真来对放大器的残余非线性进行补偿。

5.自动发信功率控制(ATPC)。ATPC是微波接力系统中能得到许多好处的一个实用措施,与固定工作条件下相反,微波发射机工作时输出功率是可变的,最大值为Pmax,最小值或正常值为Pnom。在绝大多数时间内,发射机工作于Pnom,只有当远端接收机检测到不利衰落条件时,即接收信号电平低时才达到Pmax,它是利用反向通道业务信道来控制反馈环配置中的发射机。

五、发展方向

第5篇：微波技术的基本原理范文

关键词：超声波、污泥处理、环境卫生、低强度

中图分类号：S141.6 文献标识码：A 文章编号：

1引言

污泥处理处置方法很多，但各种方法均存在弊端，如焚烧法成本较高；海洋倾倒对海洋生态环境影响；厌氧消化时间长，处理过程慢等缺点。广泛采用的污泥处置方法由于各自存在的问题给污水处理带来了沉重的负担。污泥处置已从过去仅仅作为污水处理的一个单元发展成了在污水处理厂设计、运行中不得不优先考虑的重要环节。有必要对污泥处理的途径提出一些新的思路和方法。新开发的超声波处理方法，兼有各种方法的优点，污泥分解速度快，适用范围广，可与其他处理技术结合使用。

2、超声波处理技术基本概述

作为一个研究热点，超声波处理污泥日益受到人们关注。

超声波处理的作用机制分为机械机制、热学机制和空化机制，其中空化作用更容易在20～40 kHz的频率范围内发生。研究表明，超声波作用频率在41～3217kHz范围内的剩余污泥预处理，得出低频41 kHz超声波对污泥分解是最有效的。专家指出：超声波预处理污泥对环境有益而不是有害。

超声波作用对污泥中生物体的影响与超声作用的频率、声强、时间以及生物体对超声波的承受能力有关。在合适参数的超声作用下，可以促进生物体代谢，然而过高能量可能抑制生物体生长，甚至使其分解。

高强度超声波可对生物体产生不利影响，其原因主要是由于瞬态空化产生水力剪切力对细胞壁和细胞膜的机械破坏作用，实验证实超声空化产生的自由基一定程度上可导致微生物死亡。因此，高强度超声波具有显著的破坏作用，对生物体产生不可逆的变化。

低强度超声波作用时，产生细胞原浆微流，改变细胞内溶物的空间位置，这种变化决定了超声波对细胞的刺激作用。细胞原浆微流又可引起细胞半透膜的弥散过程和膜内外电位发生改变。现已发现，低强度的超声波作用可刺激细胞内的蛋白复合物生长合成过程。实验表明，低强度超声波并不破碎细胞壁，只是打散了絮体结构，加快了水解的速度。

低强度超声波处理是基于输人的超声波只破碎污泥微粒之间的紧密连接，减小絮体尺寸至10的数量级，从而改善微生物细胞膜的通透性和水解作用，强化液一固体系传质，从而加速微生物代谢的污泥处理方法。这与当今大多数着眼在直接破碎细胞壁和细胞膜释放生物固体内的有机物至液相不同，而是在较容易发生空化作用的20～40kHz频率范围内，输人不能完全破碎污泥絮体和细胞壁，但能改善传质和刺激微生物代谢的超声能量，强化微生物内源呼吸过程，达到污泥减量的目的。

3、超声波设备的组成

超声波反应器，主要由电磁发生器、转换器和振子组成。电磁发生器根据设 定的超声波频率，产生相应的电磁振荡，转换器将这一电磁振荡转换成机械振动，由振子送入污泥，在污泥中形成超声波场。由于振子是浸在污泥中的，而超声波是在整个反应空间分布的，因此振子也处在有“热点”分布的极端物理条件下。为避免振子过速磨损，必须采用高性能材料，如钛合金。

4、超声波技术在国外处理污泥的应用实例

德国巴姆堡市污水厂原设计能力30000m3/d ，包括近一半的工业废水。由于管网扩充和改造等原因，现在实际来水量是40000m3/d ，每天的污泥量相应增加，导致原有三个污泥罐容积不够（发酵时间是25天）。经过讨论，有关机构建议新建造一个容积为3000立方米的污泥罐，以保证污泥的停留时间。建造这个污泥罐的投资将达330万欧元再加上安装费用等。经过方案比较，厂方决定购买三台超声波污泥反应器对污泥进行预处理。一期两台运行3个月后，沼气产量增加30%，污泥停留时间从25天降到18天，从而满足了在不建造新的污泥罐的情况下保证消化深度的要求。由此可知，需要进行超声处理的只是其中的一小股污泥，一般取剩余污泥的30%左右。从运行成本的角度考虑，也不必将其中的微生物细胞全部击破，而只是一小部分，因为被击破的微生物细胞释放出的酶等物质可以使整个水解过程加速。

5、超声波技术的其它效益

5.1、二氧化碳排放权考虑

假设将全国的污水厂污泥经过超声波处理并发酵，可节省一半的污泥罐容积和建造投资，每年产生沼气20亿立方米，可产生5×1016焦耳的能量。用来发电，可以满足一个装机容量60万千瓦的发电厂的需求，而要维持这个热电厂每年需要标准煤近200万吨，排放600多万吨二氧化碳。

5.2、环境卫生效益

超声波处理污泥提高其发酵速度的一个关键因素是污泥中的微生物细胞壁被击破后，酶被释放，后者加速了其余细胞壁的破坏速度。同样，这一机理对有害病菌也适用。传统的污泥发酵罐可以杀灭大多数病菌，但有些顽固的病菌，如结核病菌，是不能被杀死的。而细胞酶的释放，有望解决这一难题。从而使污泥处理不但是污水处理的重要环节，同时是切断病原传播途径的重要环节。

6、超声与其他技术联合应用

国内外对污泥超声破解技术的研究主要集中在污泥破解后固体物质物化、生化特征的变化情况及对加速后续厌氧消化进程或污泥减量的影响。对于大量污泥的处理，超声技术可作为一种预处理技术与其他处理技术联合使用。研究表明，超声与碱解联合破解污泥效果，实验得出投碱和超声波同时作用污泥处理效果更高。超声与其他方法如厌氧、好氧处理，污泥的厌氧处理的联用，然而对于每一种应用，超声能量输入和细胞分解程度及厌氧消化时间都有优化组合。据有关报道，德国利用超声波进行污泥减量已进入实际应用阶段，而国内在这方面的研究基本上处于初步实验研究阶段，仍需进一步争取进入实用阶段。

7、展望

由于污泥成分的复杂性及影响超声处理的因素多面性，因此，超声处理污泥是一个极其复杂的过程，尤其机理仍有待于进一步研究，污泥破解技术还有待进一步发展、完善。目前，超声波应用于污泥处理其减量化存在的主要问题是超声处理运行参数的优化、超声效率有待提高以及超声反应器的合理设计等。同时应注意与污水处理工艺的合理组合，这样才能发挥超声波的特点，并为其在实际工程的应用打下基础。

今后要做的工作是：

1.进一步研究超声处理污泥的机理和影响因素；

2.不同频率相互作用下的超声处理效果；

3.不同反应器中声场的研究；

4.超声波技术与其他技术联合应用；

5.解决超声处理从实验室走向实际应用中存在的超声反应器的材料、设计、功耗、处理效果、经济成本等关键性问题。

参考文献：

第6篇：微波技术的基本原理范文

【关键词】微波消化技术；化学分析前处理；应用研究

20世纪70年代，Harwell实验室使用微波炉装置成功的处理了核材料，从这之后，微波辐射技术的发展逐渐扩展到了化学领域，并形成了一门新的交叉学科即微波化学。微波化学学科的形成，无论是在化学领域的基础理论方面，还是技术应用方面，都是化学领域中的一个新进展。如日常生活中的矿工、化工以及金属材料和食品成分的检测中，都需要应用微波消化技术，应用微波消化技术进行化学分析前处理工作，可以精确的检测出分解成溶液状态的样品成分，对保证样品分析过程的高效性和精准性具有重要意义。

一、传统的化学分析前处理方法

我国化学领域常用的化学分析前处理方法大致可分为溶解和熔融两种。溶解化学分析方法主要是将样品试样水溶于酸、碱以及其它种类的化学溶剂中，对样品的成分进行检测分析。熔融化学分析方法主要是将检测样品的试样与固体的化学溶剂混合，在高温加热的条件下，使分析检测样品的成分转化为可溶于水、酸和碱等化学溶剂的物质。另外在检测分析有机物，如生物制品、食品等中含有的无机物时，首先要去除检测样品中的有机物质。我国早期最常用的方法就是干法灰化和湿法消解，干法灰化主要是将检测样品试样用电炉进行碳化，然后在将碳化后的样品移至高温炉进行灰化，灰化后在测定该样品中的无机元素。湿法消解是在容器中按要求加入适当比例硝酸、硫酸混合酸进行消解检测。这些化学分析前处理方法普遍存在着化学试剂用量大、操作过程复杂、需要时间长、容易产生大量的有毒有害气体等问题，并且容易造成某些珍贵化学元素的挥费以及对人类的生存环境造成污染。由此可见传统的化学分析前处理方法在应用过程中存在很多问题，也带来了很多危害，同时还在一定程度上制约了化学分析仪器的先进性。

二、微波消化技术的应用原理及优势

目前我国化学领域在化学分析前处理中应用最广泛的化学分析技术就是微波消化技术，其主要应用原理是密闭微波溶样技术。微博消化技术的应用最早起源于上个世纪30年代，并且最初被应用于通讯领域，而应用于化学领域则是从20世纪80年代开始的。其实际工作原理是在250Hz的微波电磁场的作用下，使检测分析过程中添加的化学溶剂分子和水分子每秒产生24.5亿次的超高频率震荡，并与检测分析样品进行碰撞、摩擦和挤压，使温度升高，加快检测样品表层的破裂速度，形成新的样品表面与化学溶剂发生反应，使检测样品在短时间内完全分解。微波消化技术在化学分析前处理中的应用，是近年来化学分析领域的一项重要进展，在应用中，主要具备以下几点优点：

（1）检测分析样品溶解快，所需化学试剂少，样品溶解时间短，花费成本少；

（2）检验样品试样分解完全，有效减少了稀少元素的挥发率，回收率较高；

（3）检测分析过程中，引入的杂质和干扰物质少，降低检测分析失误率；

（4）采用密闭微波溶样技术，可有效防止检测分析过程中有害气体的泄漏，减少环境污染；

（5）能分解许多常规检测分析方法不能分解的样品试样，适合各种样品试样的化学分析前处理，尤其适合痕量分析和超纯分析。

由于微波消化技术在应用中具有以上优点，所以其在世界各国的化学分析前处理实验室中得到了广泛的应用。[1]目前我国海关部门和质检部门以及一些教育机构和研究所也逐渐开始应用微波消化技术，但由于设备价格昂贵，使得该技术还没有得到很大范围的应用。

三、化学分析前处理应用微波消化技术应注意的事项

在应用微波消化技术进行化学分析前处理时，检测样品试样的分解通常会用到无机酸。化学领域中，大多数的无机酸都具有良好的微波吸收能力，单一酸和混合酸在进行微波消化的过程中都会产生不同的性质变化和热分解效果，本文以密闭微波溶样为例，列出了部分单一酸和混合酸的基本性质以及适用检测样品的种类。

（一）盐酸

盐酸属于还原性较强的酸，不具有氧化性，不适合用于消解有机物质，在高温条件可与硅盐酸和难溶氧化物形成可溶性盐。而盐酸和硝酸进行混合后就会具有很强的氧化性，可以快速分解金、合金、硫化物以及矿砂等较难分解的物质，同时盐酸和过氧化氢混合使用，是分解效果良好的金属溶剂。

（二）硫酸

硫酸相对于其它酸性物质来说，具有较高的沸点，几乎可以破坏所有有机物的内部分子结构。但由于硫酸在高温条件下容易融化为聚四氟乙烯溶样杯，通常情况下不能单独使用。硫酸和硝酸混合后，可以使有机物氧化和碳化，同时还可以水解脂类。[2]比较适用于有机物、聚合物和脂肪类物质的分解，分解后可得到无色透明液体，如果所得溶液呈淡黄色，可加入适量过氧化氢进行消解。

（三）硝酸

目前我国化学分析前处理中，比较常用的酸溶剂就是硝酸和过氧化氢混合溶剂。硝酸具有氧化性强和沸点低的特点，在高温和高压的条件下，可以和检测分析样品迅速发生反应，化学分解产生的高能态活性氧是破坏检测样品有机物质的重要工具，化学分析前处理在使用微波消化技术时，往往会先加入硝酸，待检测分析样品初步分解后，在滴加过氧化氢，加强溶剂酸性，加快检测样品的分解速度。适合用硝酸和过氧化氢进行微波消化的样品包括蛋白质、脂肪、化妆品以及食品等。

（四）磷酸

磷酸具有挥发困难的特点，比较适用于分解氧化物，通常情况下，在应用过程中都需要与其它化学物质混合使用。[3]如磷和硫酸混合后使用可在低压条件下产生高温，比较适用于陶瓷制品和铝制品的消化分解。

（五）高氯酸

高氯酸属于典型的强氧化剂，加热后可分解出大量气体，产生高压。浓度和温度较高的高氯酸会与有机物质发生剧烈的反应，甚至引起爆炸，因此不适合应用于微波消化技术中。

四、结论

样品的化学分析前处理是一个复杂的化学反应过程，通常情况下，对于未知的样品试样，在进行微波消化之前一定要明确该样品的特征和属性，根据检测分析样品的不同属性和特征以及样品试样的待测元素含量，称量检测样品加入溶样酸的量，根据检测分析样品是否含有易挥发性有机溶剂以及和溶样酸的反应程度，来决定该样品是否要进行预处理，降低样品在微波消化的过程中所带来的高温和高压等危险性，确保微波消化技术应用过程中的安全性，使其能够被广泛应用。

参考文献：

[1]杨建民. 微波消解技术在煤及煤灰处理中的应用研究[J]. 中州煤炭，2012，（11）07：17-19.

第7篇：微波技术的基本原理范文

关键词： 无线电力传输技术 电磁感应 射频 原理与应用前景

1.引言

自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力。时至今日，供电网、高压线已遍布全球的角角落落。在工作和生活中，越来越多的电器给我们带来极大便捷的同时，不知不觉各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增。不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（Wireless Power Transmission，WPT）的研究也有了很大突破，从某种意义上来讲，无线电力传输也不再是幻想――在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线已成为可能。

2.无线电力传输的发展历史

19世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的名尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla，1856―1943）在电气与无线电技术方面作出了突出贡献。他1881年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888年发明多相交流传输及配电系统；1889―1890年制成赫兹振荡器；1891年发明高频变压器（特斯拉线圈），现仍广泛用于无线电、电视机及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在1899年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展［1］。1901―1905年在纽约附近的长岛建造Wardenclyffe塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。

2001年5月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。其后，2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村进行点对点无线供电。

2005年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台”，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。

2006年10月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，用于手机快速充电。

2007年6月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林・索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.83米）之外连接在另一个线圈上的60瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”。

2008年9月，北美电力研讨会的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离。

2009年10月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。

3.无线电力传输的基本原理

3.1电磁感应――短程传输

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系与转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行工作的。利用电磁感应进行短程电力传输的基本原理如图1所示，发射线圈L1和接收线圈L2之间利用磁耦合来传递能量。若线圈L1中通已交变电流，该电流将在周围介质中形成一个交变磁场，线圈L2中产生的感应电势可供电给移动设备或者给电池充电。

3.2电磁耦合共振――中程传输

中程无线电力传输方式是以电磁波“射频”或者非辐射性谐振“磁耦合”等形式将电能进行传输。它基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电力高效传输。在电子学的理论中，当交变电流通过导体，导体的周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波的频率低于100khz时，电磁波就会被地表吸收，不能形成有效的传输，当电磁波频率高于100khz时，电磁波便可以在空气中传播，并且经大气层外缘的电离层反射，形成较远距离传输能力，人们把具有较远距离传输能力的高频电磁波称为射频（即：RF）。将电信息源（模拟或者数字）用高频电流进行调制（调幅或者调频），形成射频信号后，经过天线发射到空中；较远的距离将射频信号接收后需要进行反调制，再还原成电信息源，这一过程称为无线传输。中程传输是利用电磁波损失小的天线技术，并借助二极管、非接触IC卡、无线电子标签，等等，实现效率较高的无线电力传输。

具体来说，整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，通过发射线圈向外发射电磁波，在周围形成一个非辐射磁场，即将电能转化为磁场。当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。图2是一个典型的利用电磁共振来实现无线电力传输的系统方案。电磁波的频率越高其向空间辐射的能量就越大，传输效率就越高。

3.3微波/激光――远程传输

理论上讲，无线电波的波长越短，其定向性越好，弥散就越小。所以，可以利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发利用、解决未来能源短缺问题也有着重要意义。1968年，美国工程师彼得格拉提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念。其构想是在地球外层空间建立太能能发电基地，通过微波将电能送回地球。

4.无线电力技术的应用前景

无线电力传输作为一种先进的技术一般应用于特殊的场合，具有广泛的应用前景。

4.1给一些难以架设线路或危险的地区供应电能

高山、森林、沙漠、海岛等地的台站经常遇到架设电力线路困难的问题，而工作在这些地方的边防哨所、无线电导航台、卫星监控站、天文观测点等需要生活和工作用电，无线输电可补充电力不足。此外，无线输电技术还可以给游牧等分散区村落无变压器供电和给用于开采放射性矿物、伐木的机器人供电。

4.2解决地面太阳能电站、水电站、风力电站、原子能电站的电能输送问题

我国的新疆、、青海等地降雨量少、日照充足且存在大片荒芜土地，南方部分地区水力、风力资源丰富，这些地区有利于建造地面太阳能发电站或水电站、风力电站。可是，这些地区人烟稀少、地形复杂，在崇山峻岭之中难以架设线路，这时无线输电技术就有了用武之地。采用无线输电技术，还可以把核电站建在沙漠、荒岛等地。这样一方面便于埋葬核废料，另一方面当电站运行发生故障时也可以避免对周围动植物的大量伤害和耕地的污染。

4.3传送卫星太阳能电站的电能

所谓卫星太阳能电站，就是用运载火箭或航天飞机将太阳能电池板或太阳能聚光镜等材料发送到赤道上空35800km的地球静止同步轨道上。在太空的太阳光线没有地球大气层的影响，辐射能量十分稳定，是“取之不尽”的洁净能源。并且一年中有99%的时间是白天，其利用效率比地面上要高出6―15倍［3］。在那里利用太阳能电池板把阳光直接转变为电能，或者用太阳能聚光镜把阳光汇聚起来作为热源，像地面热电厂一样发电。这样产生的电能供给微波源或激光器，然后采用无线输电技术将大功率电磁射束发送至地面，接收到的微波能量经整流器后变成直流电，由变、配电设施供给用户。

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4.4无接点充电插座

随着无线电力技术的发展，一些小型用电设备已经实现了无线供电。如：电动牙刷、“免电池”无线鼠标、无线供电“膜片”/“垫”等。无线供电“膜片”/“垫”是一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡、小型电机、手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件、甚至是植入式医疗器件等供电。

4.5给以微波发动机推进的交通运输工具供电

现在大部分交通运输工具燃烧石油产品，其发动机叫做柴油发动机、汽油发动机等。与此类比，以微波作为能源推进的发动机叫做微波发动机。微波是工作频率在0.3―300GHz的电磁波，不能直接用它来驱动电动机，因为要设计出在如此高的频率下工作的发动机非常困难。如果思路加以改变，把微波能量转变为直流电流的整流器，那么微波就可以直接作为交通工具的能源了。煤、石油、天然气的存储量有限，而日消耗量巨大，总有耗尽之日，到那时卫星太阳能电站可望成为能源供给的主干，通过无线输电技术就可以直接把微波能量输给交通运输工具。

4.6在月球和地球之间架起能量之桥

世界人口的不断增长和地球资源的日益耗尽，太阳系中其他星球的开发利用是人类一直以来的夙愿。月球是地球的天然卫星，其上资源丰富，地域辽阔，是首先要开发的星体。未来人类对月球的利用主要是移民和资源获取。月球的土壤里富含SiO2，是制造太阳能电池的原料。如果先在月球上建立起工厂，然后把太阳能电站直接建在月球上，比起建在地球静止同步轨道上要容易些，借助于微波束或激光束把电能发送到地球。

5.结语

随着无线电力传输技术的不断发展与成熟，不但使人们未来的生活有望摆脱手机、相机、笔记本电脑等移动设备电源线的束缚，享受在机场、车站、酒店多种场所提供的无线电力，而且可用于一些特殊场合，如人体植入仪器如心脏起搏器等的输电问题、新能源（电动）汽车、低轨道军用卫星、太阳能卫星发电站等。在世界经济迅速发展的今天，节能和新的、可再生能源的开发是摆在能源工作者面前的首要问题。太阳能是取之不尽、用之不竭的干净能源。除核能、地热能和潮汐能之外，地球上的所有能源都来自太阳，建造卫星太阳能电站是解决人类能源危机的重要途径。要将相对地球静止的同步轨道上的电能输送的地面，无线输电技术将发挥至关重要的作用。从长远来看，该技术具有潜在的广泛应用前景。但是，每一种无线传输方式，都有一系列问题需要解决，如电能传输效率问题，电力公司如何收费和计费，能量传输所产生的电磁波是否对人体健康带来危害，等等。不管怎样，一旦这项技术能够普及，就会给人们的生活带来巨大的便利。

参考文献:

［1］白明侠，黄昭.无线电力传输的历史发展及应用［J］.湘南学院学报，2010，31，（5）：51-53.

第8篇：微波技术的基本原理范文

【摘要】 介绍了人体组织的电磁特性以及恶性乳腺肿瘤与正常组织在介电参数上的差异，在此基础上介绍了主动式微波成像的原理，并进一步介绍了用于检测乳腺癌的脉冲微波共焦成像系统的基本组成和成像算法、发展历程及其未来发展。

【关键词】 组织;介电特性;主动式微波成像;脉冲微波共焦成像;乳腺癌

detect breast cancer using confocal

microwave imaging based on radar theoryzhao yibo1，li jianlong2，ding liang2

(1.da ling shan hospital ,guangdong province,dongguan 523820，china;

2.college of electronic science and engineering, nudt,changsha 410073,china)

abstract：the dielectric properties of normal breast tissues and the difference between normal breast tissues and tumor in dielectric properties are presented.we introduce the theory of active microwave imaging、confocal microwave imaging(cmi)system and the basic algrithm for detecting breast cancer.the development process of cmi is recalled and the newest researching results of cmi are reported.in the end of the paper we point out the possible developing direction of cmi.

key words：breast tissues;dielectric properties;active microwave imaging;cmi;breast cancer

1 引 言

乳腺癌是一种常见的疾病，对其治疗而言，早期发现是至关重要的。多年来，电磁场工程师们一直在致力于研究用微波成像的方法实现对人体癌症的检测，相对于现有的医学成像检测方法，如x射线、ct、b超等，微波成像具有诸多优点：

(1)相对安全，微波成像没有电离辐射，在一定能量范围内属相对安全的检测方法[1]。

(2)它是基于一种新的成像检测机理，微波成像属于功能性成像，它反映的是生物组织的电磁特性分布，而恶性肿瘤的介电常数往往比正常的组织大的多，因此利用微波成像能够区分肿瘤的恶性与否。

(3)属于非浸入式检测，检测相对方便。

(4)成像分辨率较高，可以检测出小到2 mm直径的肿瘤，利于癌症的早期发现。

(5)微波成像费用相对较低，易于实现身体普查，有利于疾病的早期预防和治疗。

2 组织的介电特性

生物组织的介电特性通常用cole-cole模型表示，其表达式为：

ε?(ω)=ε′(ω)-jε″(ω)=ε∞+δε1+(jωτ)1-α+σsjωε0

这里ω表示角频率，ε′(ω)表示与频率相关的介电常数，ε″(ω)表示与频率相关的介电损耗。

正常的组织成分主要包括皮肤、脂肪、乳腺导管、乳腺囊等，对正常组织以及恶性肿瘤的介电特性测试已经有诸多研究成果[2-6]。1994年joines等人在50～900 mhz的频率范围内测量了多种离体器官和相应恶性肿瘤的介电特性，其中包括正常的乳腺组织及恶性乳腺肿瘤，得出的结论是恶性乳腺肿瘤的介电常数和电导率比正常的乳腺组织平均分别高出233%和577%。campbell等人在1992年分别对多名患者的正常脂肪组织、正常乳腺组织、良性肿瘤和恶性肿瘤四种类型组织的介电特性进行了测量，测量的微波频率为3.2 ghz。他首先对17名患者的脂肪组织进行了测量，测量得到的脂肪组织相对介电常数在2.8～7.6之间，电导率在0.54～2.9 ms/cm之间，含水量在11%～31%;对11名患者的正常乳腺组织的测量结果表明，其相对介电常数在9.8～46之间，而电导率在0.54～2.9 ms/cm;对9名不同患者的 生 物 医 学 工 程 研 究 第29卷第1期 赵亦波，等：基于雷达原理的脉冲微波共焦成像检测乳腺癌 恶性乳腺肿瘤的测量结果显示其相对介电常数在9～59之间，而电导率则在2～43 ms/cm之间。通过数据分析，campbell等得出结论，认为在3.2 ghz微波频率下区分恶性肿瘤的相对介电常数为45～60，电导率为30～40。wisconsin-madison大学的lazebnik等人在2007年进行了较大规模的不同人群组织介电特性测量，他一共选取了93位不同患者的组织样本，通过对样本的测量分析，得出的结论为组织的相对介电常数和电导率与组织的成分有关(见图1)。

从一系列的研究结论可以看出，正常女性组织由于含有的脂肪成分较高(多数超过50%)，脂肪的介电常数和电导率都相对很低，因此，正常组织的平均介电常数在10左右，而恶性肿瘤组织的介电常数和电导率均比正常组织高出三倍多，对微波照射而言，正常组织的反射比恶性肿瘤块的反射要弱，加上采用相关的聚焦技术，可以使得恶性肿瘤组织对微波的反射明显强于正常组织，从而检测出恶性肿瘤，这就是微波成像检测乳腺癌的理论基础。

3 脉冲微波共焦成像检测乳腺癌

3.1 主动式微波近场成像

微波成像的应用范围十分广泛，探地雷达、气象雷达、星载以及机载sar(合成孔径雷达)成像都属于微波成像的范畴。主动式微波成像的基本原理是通过向被成像目标发射电磁波，通过接收目标的反射或散射波，从而获取目标的形状、结构、电磁特性空间分布等信息。在微波频段，要想得到目标反射或散射场的解析解基本上是不可能的。而通过测量微波散射或反射场确定成像目标的电磁参数分布是一个电磁逆散射问题，它是电磁散射正问题的反演。微波成像的基本过程如下：

(1)首先，通过天线向被成像目标发射高频电磁波，在目标周围若干位置放置接收天线接收目标的散射场，从而获得一系列的测量数据。

(2)将目标进行网格剖分，对剖分完的网格电磁参数进行初始设置。

(3)根据目标网格剖分以及初始电磁参数设置求解正问题，即计算各测量点的散射场，常用方法有有限元法、时域有限差分法等。

(4)根据计算值和测量值的差重新调整各网格的电磁参数估计值。

(5)不断重复以上各步，直到正向计算结果与测量结果误差满足一定要求。

由于诸多因素的影响，比如测量数据量的不足，正向计算的误差，或者目标结构复杂，甚至目标是各向异性的，这些都使得反演结果不唯一，不能确保成像结果与实际完全吻合，这在一定程度上限制了微波成像的应用。

但随着电磁场数值算法研究的进展，特别是计算机计算能力的迅猛提高，微波成像技术用于人体检测变得越来越具有吸引力，其中以用于女性乳腺癌检测的研究最为活跃，取得的成果和进展也最为显著，基于雷达原理的脉冲微波共焦成像(confocal microwave imaging, cmi)就被认为是一种很有发展前景的主动式微波成像技术。

3.2 脉冲微波共焦成像检测乳腺癌

脉冲微波共焦成像技术检测乳腺癌是基于雷达原理，它类似于机/星载sar成像或探地雷达的工作原理。不同于普通的逆散射成像，该方法避免了复杂的逆散射计算问题。

脉冲微波共焦成像技术用于乳腺癌的检测最早是由美国wisconsin-madison大学的hagness提出[7]，加拿大自然科学与工程研究委员会的elise c. fear等人也相继进行了理论和实验研究并取得了一系列的研究成果。

脉冲微波共焦成像系统检测乳腺癌的基本工作过程是：系统首先用天线发射超宽带脉冲对成像目标进行照射，同一天线用于接收的反射波，反射波信号采用矢量网络分析仪记录，由于矢量网络分析仪记录的是频域信号，需要通过离散反傅立叶变换得到反射波的时域形式。在一个位置完成该过程后，将天线移动到另一个位置重复上述过程。当所有位置都测试完毕后，根据成像聚焦点的不同，对所有位置接收到的反射波进行时移相加，最后得到目标组织的反射波相对灰度图像。虽然这种方法不能直接得到的介电参数分布，但它能区分出由于介电参数异常增大而使反射波增强的区域，起到检测乳腺恶性肿瘤的作用。

hagness等人开展微波共焦成像检测乳腺癌的研究开始于1998年，最开始采用的是计算机理论仿真的方式。仿真天线扫描方式是采用平面式，探测深度约为5 cm，之所以采用这种扫描模式是基于患者仰面躺着接受检测的假设，结形天线加载后直接放在上面进行检测，天线与之间没有空间距离，从而保证和皮肤间的阻抗匹配，减小皮肤的反射。

而fear等人则在2005年建立了一套微波共焦成像检测乳腺癌的实验验证系统，该系统被称之为tsar(tissue sensing adaptive radar，tsar)[8-10]。系统由液体容器、浸泡用液体、地层、天线和模型构成。液体容器的上方是用作地层的金属盖板，金属盖板上留有几个洞，天线和、肿瘤模型通过这些洞放入容器盛放的液体中，液体的介电常数接近正常的组织，这样可以减少正常组织对入射波的反射。整个容器除了上层盖板因用作地层而采用金属材料外，其它地方采用的都是介质材料，这是为了尽量避免电磁波被容器壁反射。天线采用的是阻抗加载wu—king偶极子天线，长度为10.8 mm。而模型则采用的是圆柱体模型，圆柱体高为30 cm，截面直径为10 cm，圆柱体内放有一个肿瘤模型。整个仿真模型材料分为四种：液体、“皮肤”、“脂肪”，“肿瘤”，四种材料的介电参数见表1。表1 实验系统用到的各种材料的介电参数　实验系统通过旋转模型，每次旋转22.5°或40°，实现天线对模型的扫描。

天线回波数据采集采用的是将安捷伦的8719es矢量网络分析仪通过50 ω同轴线连接到天线上实现的，频率采样点为1601个，采样16次的样本进行平均，采样频率范围为1～10 ghz，对采集到的频域数据进行离散反傅立叶变换即得到信号回波的时域波形。

通过诸多研究者一段时间的努力，用于检测乳腺癌的脉冲微波共焦成像系统的基本框架已经基本成型，下面分析系统的各技术要素及其近期的研究成果。

首先，超宽带信号形式的选择主要有两点矛盾：分辨率和信号衰减的矛盾。信号的带宽越宽，则系统的距离分辨率越高，但同时随着信号频率的升高，其衰减就越厉害，探测深度因而受到影响，因此，对信号的形式选择应该综合考虑这两个因素。

目前被广泛采用的超宽带信号源形式为微分高斯脉冲，其表达式为：

v=v0(t-t0)exp(-(t-t0)2τ2)

其中τ约等于50～100 ps，t0=4τ，这种形式的信号的典型探测深度为3～4 cm，最大探测深度为5 cm，这是考虑到几乎50%的肿瘤位置处于深度小于2.5 cm位置，距离分辨率约为1 cm，因此，这种脉冲形式兼顾了分辨率与探测深度两者的要求。

对天线的选择，目前采用的方案是加载蝶型天线或wu-king偶极子天线等，fear等人研制了多种超宽带天线[11-13]，并比较了其性能指标以及对成像效果的影响。

波束形成方式有天线阵列波束成形、单天线空间扫描波束成形等方法，其中后者被更多地采用，主要原因是单天线扫描的方法简单易于实现，可以避免多天线间复杂的互藕问题，简化信号处理。空间扫描方式主要有两种：一种是以蝶型加载天线直接放在组织上，而人体仰躺着，让天线在组织上不同位置进行测量;另一种方案是让人体趴着，通过一个圆洞浸泡在某种液体中，这种液体的介电常数接近脂肪组织，偶极子天线围绕组织四周不同点进行测量。一般将当作一个圆柱模型。

关于信号接收系统灵敏度和动态范围问题，通过hagness等人的仿真论证，不同深度和直径的肿瘤在组织中的反射信号强度(相对于激励信号)见表2。表2 不同大小、位置、深度的肿瘤反射回波强度由表2可以看出，对乳腺癌的检测而言，信号接受系统的动态范围在120 db左右即可满足检测要求。

在建模方面，前期研究采用的模型比较简单，基本上假设组织介电参数分布比较均匀且各向同性，外型也比较规范。采用这样的简化模型对前期的研究是必须的，但随着研究的深入以及技术实用化的要求，模型就必须逐渐向实际靠拢。在x li等人利用二维磁共振(mri)图像数据建立仿真模型的基础上[14]，sill等人建立了基于三维mri图象的仿真模型[15]，并利用脉冲微波共焦成像算法进行了仿真验证，仿真结果表明对于这种相对复杂接近实际的模型，共焦成像也能有效检测出一定大小的肿瘤，只是信号杂波比(s/c)降低到了4.9 db，而简单模型情况下信号杂波比(s/c)为10.3 db，可见模型背景的复杂度加大对系统检测能力是有很大影响的。

脉冲微波共焦成像算法的基本流程如下[16]：

(1)首先，进行信号校准。目的是在接收信号中去除发射信号残余和皮肤反射信号。这是基于这样一个假设：在不同位置得到的发射信号残余和皮肤反射信号基本相同。校准信号采用的是一圈的每一个位置天线接收信号的平均值，采用的方法是将一圈的每一个位置天线接收信号减去这一圈的校准信号。

(2)积分运算。由于采用微分高斯脉冲，因此当信号过零点时积分值最大，对信号进行积分运算处理后更易于识别回波信号在时间轴上的位置。

(3)信号补偿。主要采用路程损失补偿或辐射发散补偿，其中平面扫描方式采用路径损失补偿，而圆柱扫描则采用辐射发散补偿。

(4)图像重建。图像重建采用共焦算法，将待成像的物体进行剖分成n个网格，假设有m个测量位置，假设某个网格的位置矢量为r?，则在该网格的成像灰度可表示为：

i(r)=[∑mm=1bm(τm(r))]2

其中bm表示第m个位置天线测量得到的反射波时域波形，它是经过(1)、(2)、(3)步骤处理过的信号波形，τm(r)=2|r-rm|v，v是组织中的电磁波传播速度。

在对聚焦成像算法继续进行研究的同时，也有不少研究者开始研究轮廓的检测算法[17-18]，近两年已有部分成果发表。由于在对进行共焦成像时需要事先对进行定位，即预先知道的位置外形轮廓，在此基础上才能对回波信号进行有效的校准，因此，轮廓的检测算法对该技术完善和后续的实用化十分重要。

4 发展前景

总之，脉冲微波共焦成像技术检测乳腺癌目前尚处在实验室的研究阶段，没有形成临床应用的产品。但随着相关生物医学技术的发展，天线技术、相关信号获取设备技术的提高，信号处理算法的进一步发展，相关硬件技术的进步以及计算机计算能力的提高等，微波成像技术用于检测乳腺癌将有望走向临床应用。

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第9篇：微波技术的基本原理范文

应用微波传输视频、音频、文字、图像等内容一直是世界各国广泛使用的传输手段之一。传统的模拟微波曾经是黑龙江省传输广播、电视信号的主要方式,由于卫星地球站和光纤网的建立,特别是我省模拟微波设备老化,故障率高,已无法作为主要的传输广播电视的手段了。但由于微波独特的作用又无法取代,如一些高山发射微波站由于为广大山区、农村服务,在村村通、户户通能够起到不可替代的作用。而高山发射微波站的电视信号源除上星的一套节目外,其他几套节目的传输现在还是靠微波。

从长远看微波通过数字化改造后,传输广播电视的质量和可靠性比光纤和卫星有明显的优势。

与光纤网相比有以下几项优点:

(1)抵御自然灾害的能力强。如在90年代松花江地区,伊春地区等我省的几次特大洪灾中,最早的微波站、804微波站等几个高山微波站在其他通信手段失效的情况下,微波保证了灾区的通信和广播电视信号的畅通。

(2)防破坏能力强。如“”多次对卫星进行的干扰,对光缆进行破坏,从光缆、电缆中插入信号。微波传输可以完全防止这些现象的发生。

(3)建设和维护成本相对较低。特别是在山区、人烟稀少的地区敷设光缆非常困难,建设成本很高,维护成本也高。微波可以很好地解决这些地区的节目传输问题,且利用原有基础设施,成本很低。

(4)受地理环境的限制小,应对突发事件的能力强。微波信号既可翻山又可跨海,与光缆相比,受地理条件的限制小。随着微波设备集成度的提高,使用摄像微波传送一体机,很容易在突发事件现场实现信号的实时传输。

(5)易于维修和管理;对比这几年我省光纤网和微波网的维修速度和管理水平可见,由于技术原因光纤网一旦中断维修速度较慢,且受干扰较多,由于体制关系光纤网管理比较困难。

与卫星相比优点有:

1.传输容量大:现在数字微波的传输容量,可同时传几十套广播电视节目,可将省微波站所有频道的节目同时传送到全省各地。卫星传输的容量因卫星和转发器的数量和使用卫星必须经过国家有关部门的批准等原因而受限。卫星无法将省微波站所有频道的节目及时传送到全省各地。

2.双向传输:数字微波除可将省微波站节目下传到全省各地市外,还可同时将全省各地市的节目传到省微波站来,卫星没有此能力。

3.数字微波和光纤网可以联网:利用同步数字传输网(SDH传送网)可以将数字微波和光纤联网,扩大传输内容。

鉴于微波传输广播电视在我省高山微波站不可替代的情况,和全省微波设备的现状,微波站数字化改造在我省势在必行。

微波的数字化改造在全国已进行多年,很多省份都已进行完毕。但我省现在还使用模拟微波。就我们最早的微波站而言用模拟微波传输广播电视信号已超过20年。现在该设备已经严重老化,故障率较高,且备品备件已无处购买。

为此,提出对数字化改造的一点设想。

1.利用视、音频接口进行分段改造。由于数字微波和模拟微波的基础设施相同,频率相同,可以从首站开始,逐站、进行改造。这样可以节省一次性投资,有多少钱改造多少。将改造下来的设备作为备件,解决老模拟设备的维修问题。

2.光纤网和微波网对接

由于数字技术的飞速发展,特别是数字传输技术在光纤通讯中的突破性应用,使得光纤传输广播电视信号容量高,质量好。我省已经建立了全省的光纤网,使全省各市、县域内都能有高质量的广播电视信号。另一方面我省广播电视系统的微波站也几乎遍布全省各地。由于,同步数字传输网(SDH传送网)可以适用于数字光缆传输和数字微波传输。采用该技术所有高山微波站可以就近将各市、县光纤的信号和微波站对接,将广播电视信号从多路传入微波线路。当一个地区发生地震、水灾等灾情将光纤线路破坏时,可以利用微波作为中间链接将广播电视信号传下去,从而保证将广播电视信号传至全省。

这里简述一下同步数字传输网(SDH传送网)

SDH(SYnchronosDigitaIHierarchY)设备本身不属于微波设备范畴,它是一种将各种不同速率的数据流汇集、交换和分配的复接设备,可以把它看成是集装箱的作用。由于这种复接方式将数据流管理、维护与荷载区分成两个部分,以便各种不同速率的被传送的数据流可以方便地下载和上载即交叉链接(DXC),省却了准同步数字系列(PDH)需要的大量复接设备,既节省了费用又方便了使用。

数字光缆传输和数字微波传输都可以采用SDH技术。我国的广播电视光缆传输网就是采用SDH传输方式。微波数字化改造后与光缆互联、互通、互为备份,必须也采用SDH技术。SDH设备在数字微波中的作用,从图1微波中继站的基本模型中可见。

SDH设备以下部分的设备配置形式,以SDH45Mbiy/s接口信号为例,如图2。

由图2可知,SDH以上的传转电路可以是微波,也可以是光缆。SDH以下的设备配置(含SDH且设备)无论在微波电路还是光缆电路都是一样的。

3.在不考虑和光纤网对接的站点采用DVB(数字电视广播)直接复用调制方式作为过渡方案;DVB直接复用调制方式保留了原微波站的模拟微波信道机、天馈线和电源系统,仅对模拟微波的调制解调器以下部分作更换,增加数字调制解调器、编解码器、ASI复接器。它的基本模型以端站为例,如图3。

采用DVB直接复用调制方式的优点是一次性投入减半,投资条件改善时可进行二次改造,只要更换微波设备,增加SDH复接器和网管监控系统等,与第一次改造中投入的编解码器、复接器等可以组成完全的9n旦微波。它的缺点是无法和光缆传输网在TS流层面上互为备份,只能在信号源层面上起到备份作用。