物理固自然：微波及微波的應用|

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物理固自然：微波及微波的應用

94/11/07 38373

朱國瑞｜中央研究院院士／清華大學物理學系教授

呂淑雅｜高雄應用科技大學機械工程系（整理）

林士雄｜高雄應用科技大學機械工程系（整理）

李旺龍｜成功大學奈米科技暨微系統工程研究所教授

微波是電磁波的一個頻段，波長在1毫米和1米之間，我們首先從電磁波的發展史談起，再討論電磁波的學理和主要頻段，然後談談微波的各種應用，並挑幾個與台灣有關的應用來做說明，最後介紹微波爐及微波加熱的原理。

電磁波的學理

電磁波發展史中最重要的兩個人是法拉第和馬克士威爾，這兩人都堪稱物理學家的前10名，他們最主要的貢獻就是我們要談的。法拉第出生於1791年，他在1831年經由實驗發現了「法拉第定律」：隨時間變化的磁場會產生電場。例如把磁鐵通過線圈，線圈上就會感應出電壓及電流。法拉第定律之所以重要，是因為在這之前只知道一種方法可以產生電場，就是電荷，而法拉第發現了另一種產生電場的方法。

在發現法拉第定律的同年，馬克士威爾也誕生了。1873年馬克士威爾提出一個重要的理論：隨時間變化的電場會產生磁場。這又是一個劃時代的里程碑，因為在當時只知道電流能產生磁場。馬克士威爾的學說因為是推理，到1879年他去世前都沒有被接受，一直到了1887年赫茲用LC振盪器產生電磁波，馬克士威爾的理論才終於獲得證實！

當時大家只知道光是波，光的波動現象可以用干涉儀探測出來，但不知道光究竟是什麼東西。馬克士威爾說光波就是電磁波，由電場和磁場構成的，可是因為太創新，以至於抱憾而終。法拉第和馬克士威爾偉大的地方就是，分別發現一個嶄新的方法產生電場和磁場。

在這裡我們用質塊和彈簧來比擬電磁波的振盪現象。彈簧上綁一質塊，把彈簧自平衡位置移開，便有位能產生，鬆手後位能逐漸變成動能，在動能最大位能最小的時候，動能開始化為位能，最後又全部變成位能。下半個周期開始相同的循環，所以彈簧和質塊的振盪就是動能和位能之間的相互轉換。

相同的道理可應用在具有一個電容器和一個電感器的電路上。電容器充電後，接通電路，由於電容器上的正負電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產生磁場。這時電容器內的電場能量隨電荷減少而變小，當電荷流光時，電場也沒有了，能量全部變成磁場能量。磁場最大時電流也最大，可是因為電流一直在流，無法一下子降為零，於是又有電荷流到電容處，然後磁場能量又逐漸變回電場能量，最後全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環，這是一種電磁振盪的現象，赫茲就是用這方法產生電磁波。

總結這兩種振盪形式，可看出一個振盪現象的通則：

能量形式一 ←→ 能量形式二

由這個通則可以看出振盪需要有兩種儲存能量的機制，比如質塊和彈簧機械震盪的能量儲存機制是動能及位能，LC振盪器和電磁振盪的能量儲存機制是電場及磁場。此外，還需要有能量交換的機制，比如質塊和彈簧的能量交換機制是彈簧的復原力，LC振盪器的能量交換機制是電流和電荷。

電磁波雖然也是藉著電場和磁場儲存能量，但能量交換的機制則截然不同，是藉由電場和磁場的時間變化來交換。電磁波由於不需要藉由電流產生磁場，也不需要透過電荷產生電場，因此可以存在於沒有介質的空間，例如外太空。

赫茲利用LC振盪器產生電磁波，其過程是在振盪時，用電感耦合出一部分能量，經傳輸線傳到電偶極天線，在天線上，電流會產生磁場，也會累積電荷，於是也產生電場。電場和磁場在天線處產生，兩者大致相互垂直，之後便根據馬克士威爾及法拉第的理論相互變換，形成了電場和磁場完全垂直的電磁波，並以光速傳播出去。

電磁波的主要波段

電磁波的頻率，從幾個赫茲（1赫茲等於每秒鐘振盪1次的頻率，用Hz表示）以下，一直到10²⁴ 赫茲以上，範圍可以說很廣。整個頻譜區可大致分為長波、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。

有一個很有趣的現象，就是水對電磁波的吸收係數與頻率之間的關係。大氣裡有很多水蒸氣，在很窄的可見光頻段，水的吸收係數就像峽谷一樣，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。假如沒有這麼一個神奇的大峽谷，現在的地球會是一片黑，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，當然我們也都不存在！所以水對電磁波的吸收係數看來像是一個自然奇景，是其他物質所沒有的，幾乎像是超自然的力量所設計的。

再來談談低頻波段。60 Hz是每秒鐘振動60次的低頻，跟我們很有關係，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？

它是藉著電磁波的電場、磁場傳輸能量。高壓線的電流會產生磁場，電壓差會產生電場，電場和磁場正好互相垂直，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的大洪流，反而是高壓線的裡面不能傳輸能量。高壓線要擺這麼高的原因不僅是因為碰到線會有危險，而是一進到電磁場的洪流區就很危險。

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

微波的應用

說完了微波兩側的光波和低頻波之後，開始進入另一個主題：微波的應用。我們先從電磁波的頻譜中，介紹幾個與通訊及雷達有關的頻段。

光纖通訊利用光波，除此之外，就是無線電波。無線電波頻段裡面有中波，由早期的收音機所使用，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，這是通訊和雷達最主要的頻段。國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規定了軍事設備使用的頻道，不然就會彼此干擾，所以軍用設備、民用設備、衛星、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。

接下來談談日常通訊。電視表演要送到遠處播放，需要在地面轉接，一個轉接站收到訊號後，再把它放大傳送到另一個轉接站，最後送到接收地的電視台播放，也可以經過衛星送到更遠的地方。越洋電話、電信也是經過衛星送出訊號，所用的都是微波。

再說到國防系統，這當然也是絕對重要的。以美國為例，全球美軍24小時都在指揮之下，裡頭有軍艦、飛機、坦克，分散在地球不同的角落，彼此藉著衛星通訊串在一起。此外，每一艘作戰船上面都有各種雷達及通訊設備，光是微波發射器就數以百計，新型戰機上面也有好幾十個，發揮各種各樣的功能，包括通訊、偵測、導航、干擾、火力控制等等。

例如飛行中的飛彈，要擊中目標，需要雷達導航，作戰的飛機要射出訊號干擾敵方的雷達，讓敵方的雷達無法抓住它的位置，聰明一點甚至還可以發出欺騙訊號，讓敵方雷達把它的位置搞錯，結果浪費一顆飛彈。飛機和指揮部通訊也都要靠微波，其他像戰車等等，也是類似的情形。

所以說微波對我們的影響非常大。軍艦、戰機保護我們，是間接的影響，地面通訊是直接的影響，現在幾乎每個人都在撥打手機，就是微波在幫我們服務。

國內相關的微波研究

接下來談談幾個跟國內相關的實際應用例子。筆者在清華大學專門研究高功率微波，而國內進行這方面研究的團隊極少，所以就用清華大學的工作舉例。先從微波的產生談起，清華大學的「高頻電磁實驗室」跟中科院合作，一起研製微波發射器，經過多年的努力，製造出一系列的微波發射器。我們發展的一些技術，一個一個都要從頭建立。

例如要產生微波，首先要用電子鎗產生電子流，然後把電子流的能量變成電磁波的能量。電子鎗是微波發射器裡面的核心組件，電腦模擬設計後，要做工程設計，再來是精密加工，製造各種零件，然後焊接起來。其他各種各樣的組件製造流程也一樣，最後把全部組件焊接成一個發射器，裡面的接觸面超過100個以上，在不同的溫度一次又一次地焊，只要一次出錯，就前功盡棄。製造出成品後，再用高壓電源測試，如果不合格，又是前功盡棄。

製程中需要一再地焊接，是因為發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射器，通常簡稱為「微波管」。由於微波管的製造如此不易，頻率越高又越困難，在先進國家，毫米波段的微波管都列為輸出管制品。我們的研究重點，也就在毫米波段，所以這項工作，對我們的國防相當重要。

前面提到的都是已經成熟的技術，微波是二次世界大戰時開始發展的，現在已經進入工業界，是非常成功的一項研究，但也需要不斷的創新。清華大學主要是在「磁旋行波放大器」及「單陽極磁控電子鎗」這一類的研究上面鑽研，所研創的磁旋行波放大器能夠把一個訊號放大1,000萬倍，不論在功率、效率、增益或頻寬上，都超越了傳統的極限，在應用上帶來了新的契機。

像美國這樣的先進國家，已準備把磁旋行波放大器應用到太空科技上。美國有不少太空偵測設施，裡面有各種各樣的雷達偵測太空物件，例如敵人及自己的飛彈、天空上的衛星、甚至天上的太空碎片等。太空碎片速度非常快，太空船一不小心被打到，就會像中了炮彈一樣，只是碎片的密度還不高，被打中機會不大。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備。

再拿最近在清華大學進行的另外一項應用為例，這項應用和工研院合作的很密切，是用微波加熱處理材料。大家所熟悉的微波爐，用的是一個封閉的作用腔，而現在用的掃描式近光學微波加熱作用腔是一個光學式作用腔，有如一個聚焦鏡，微波射進去後聚焦，就會產生很強的電磁波，用來處理材料。一般處理材料用的微波爐，功率大概是二、三千瓦，但在這個作用腔中，只要幾十瓦就可以看到效果了。這是一個新的方法，正在申請專利，希望這個設備能夠給我們的研究工作帶來一些突破。

這個計畫的目的之一是要製造新一代、可扭曲式的電子模組，它既是紡織品又是電子模組，包含一個底層及上面的功能層，所以製造時需要把不同的材料層結合在一起。結合的過程從粉末開始，上層要加熱到上千度的高溫才能融合在一起，但是底層是另一種材料，具有另一種功能，因此底層的溫度不能太高，太高的話就被會燒熔掉。在這樣的限制下，把功能不一樣的各層結合在一起，必須快速加熱。

構思的方法是上層用吸波快的粉末，因為吸波快，可以立刻熱到一千多度，很快就完成了緻密的融合，而底層還在五、六百度的熔點之下。做這樣的工作不能用一般的高溫爐，因為在一般的高溫爐中溫度都一樣，沒辦法達到這樣的效果，放在封閉的微波爐中恐怕也不行，因為還不夠快。在我們設計的「掃描式近光學微波加熱作用腔」中，就可以很快地完成，可是只能在一個小聚焦點上完成，如果需要的產品是一塊布料那麼大的，就要放在一個移動式機械平臺上，進行二維掃描，連續地處理。

微波除了用在通訊、雷達及材料處理之外，還可用在加速器。加速器的核心是一個高頻共振腔，電子或離子在裡面被電場加速。台灣有一個相當具有代表性的加速器，這個加速器位在新竹科學園區的同步輻射研究中心，內有加速環及儲存環各一個，用的是500 MHz的微波。

加速環把電子加速到1.3 GeV，速度已經是0.999999的光速，送到儲存環裡面轉七、八個鐘頭，在轉彎時，會輻射出很強、頻率接近X射線的光。儲存環外的周圍，擺了各種的儀器進行科學或工業應用研究，在每一個轉彎處都引出3道光，可做3組實驗，一圈共可做18組實驗，這是同步輻射研究中心的大概情況。

電子在加速環裡轉的時候，每經過一次高頻共振腔，就被踢一腳，加速一點，從慢速度變成非常高的速度。送到儲存環之後，在旋轉時會輻射出光，耗損能量，儲存環裡頭也有兩個高頻共振腔，每經過一次就補充能量，好像加油站一樣。

電子在儲存環裡頭，每秒鐘走3百萬圈，要走8個鐘頭不碰到牆，可見這個技術需要相當精確的計算。比如說光速是3 × 10¹⁰ cm／sec，對不對？這個數據不是很好，因為在同步輻射研究中心如果把光速當成3 × 10¹⁰ cm／sec，這個1億美金的設備就要泡湯了。在那裡光速要用2.9979 × 10¹⁰ cm／sec，這其實還不是精確的光速，光速的精確值在後面還有好多個位數，只是加速器計算的精確度到小數第4位即可。

加速環裡的高頻共振腔，就是加速的地方，可是加速不是唯一的需求，裡頭還有各式各樣的磁鐵，可以讓電子轉彎，並自動修正軌道的偏差。電子要在儲存環裡面轉那麼久而不碰到東西，裡面的真空度必須非常高，所以到處都是真空泵，另外還有電源供應器等等，這就是加速器大致的構造。

電子在儲存環輻射出來的光，要做各式各樣的處理，因此需用到很多的設備，也就構成一個龐大的實驗站。在同步輻射研究中心裡，這樣的實驗站一圈下來將近有20個左右，但還是有很多人排隊等著做實驗。這個光源，全臺灣很多學校都在用，大約有幾十個機構、一兩百個研究小組，有些還來自國外。

加速器除了產生輻射之外，我們還可以用裡頭的高能粒子發掘宇宙的奧祕。比如原子核裡面是什麼？原子核裡面的質子又是什麼？固然有一些奧祕是理論可推論的，但必須用實驗證明後大家才相信。實驗時，把一個帶電粒子加速到很高的能量，並用它來把另一個粒子打散掉，以產生各式各樣的其他粒子，比如產生夸克等。科學家就可以說我們看到了理論預測到的，或者看到了理論沒有預測到的。

丁肇中先生在二、三十年前看到一個理論預測到的粒子，得到諾貝爾獎，用的就是加速器。但這種應用需要的粒子能量極大（例如1 TeV），需要的加速器可以長達幾十公里，有千百個高頻共振腔，可見現代的加速器有多複雜。光是從粒子加速器這個應用，大家就可以想像微波對科學研究有多大的重要性。

再回頭來說高頻共振腔，就是剛剛所謂的電子加油站。把電磁波送進高頻共振腔裡，就會激發共振膜產生電場，電子進來的時候會被電場加速。這裡用的頻率是500 MHz，也就是每秒中振動5億次、改變方向5億次，在改變方向以後，再進來的電子，不但不加速反而還減速，因此在加速器裡面，電子一定是一團一團的，中間有一減速時段是沒有電子的，時間算好了，電子一來就被加速。500 MHz是微波的低頻邊緣，屬於UHF頻段。

高頻共振腔和很多其他附帶器件構成一個高頻系統，其中有一個速調管，這是電視台所用的微波源，產生60千瓦的功率，其他還有冷卻系統、微波循環器、控制系統、同軸傳輸線等。60千瓦那麼高的功率相當於三、四十台冷氣機，到處都會留下熱，所以高頻系統的各個地方都需要冷卻，要是不冷卻，馬上就燒掉。因此只要有哪個地方不對，控制系統就會在百萬分之一秒內下令自動停機。

微波循環器是用來保護速調管的，高功率微波射出後萬一反射回來，絕不能讓它回到原來的地方，這就好像一門大砲射出砲彈，如果反射回到砲口，是會吃不消的。當然砲彈發生這種情況的機會並不存在，但是微波發生的機會就多了，通路一有不對，馬上就沿原路回來，循環器能讓它回來時走另一條路，被吸波材料吸收，這時候就不會造成傷害了。

微波加熱的原理

最後介紹微波爐。微波爐是大家最熟悉的，和我們的關係也很密切。也許大家還沒想到，跟各位關係最密切的不是微波爐裡的微波，而是自己身上射出的微波。由我們體溫所放射出的熱，就是電磁波，其中微波的成分還蠻高的。微波爐的主體是一個作用腔，是個用金屬封閉的箱，微波射進去加熱食物。箱上有一個可看進去的視窗，可是微波漏不出來。其他還有磁控管、高壓電源、風扇、波導管等，這是整個微波爐的機械結構。

磁控管是微波爐裡面最主要的器件，它是一個微波發射器。因為磁控管可應用在家用的微波爐中，產量動不動就是幾百萬個，這裡面的商機就很多，而最尖端雷達所使用的磁控管通常賺不了錢，因為需要量常常只是一兩個，所以微波爐才是商家真正在追逐的利基產品。加速器也是一樣，要找人做還得四處拜託，因為量太少沒利潤。現在為了競爭，磁控管可以做到一個不到10元美金，量產能使價格便宜到這種程度，相當不可思議，而太空偵測用的微波管可能一個要價百萬美金，簡直不成比例。

微波加熱是利用什麼原理？這就得談到水。水是一個很奇特的分子，前面講到水在吸收電磁波時，竟然在可見光頻段有那麼一個大峽谷。同樣神奇的是，水一直冷縮到攝氏4度，然後在攝氏4度以下開始膨脹，這又是少有的。假如水在攝氏4度以下繼續冷縮，水面結成的冰就會沈到水底，明年夏天來時，因為隔了那麼深的一層水，水底的冰無法融掉，然後冬天來了，又有一堆冰沈下去，大概幾十年後整個湖都是冰，即使夏天也一樣。生物是從水裡發展出來的，如果水沒有這個特性，可能就不會有生物，也沒有人類。

為什麼水和微波爐的關係這麼密切？因為水分子另外還有一個特性：它天生就有電偶極。在水中，水分子的電偶極通常排列很紊亂，微波爐作用時，作用腔內就有電場產生，水分子在電場中受到力矩作用，電偶極就會朝著電場方向排列，電場方向不斷改變時，水分子的方向也就一直跟著改變，不斷地打轉。

是否每打一個轉就增加一點能量呢？這倒不見得。例如船在水波上面，每來一個波峰，船就上升一點，波峰過後船又下降，下一個波峰來了，又做相同的動作，一再重複相同的動作，船的能量並沒有一直增加。這個道理運用到水分子的轉動上也是一樣，能量不會一直增加，所以並沒有加熱。要加熱，水分子周圍必須要有東西，這樣才能在轉動的同時，因彼此之間碰撞而加熱。

比如一塊肉，電磁波讓裡面的水分子轉動，去擠動旁邊肉的組成分子，這時就能加熱。如果全是一杯水也可以，只要水分子之間互相擠動就會變成熱能。我們都清楚，熱能就是亂無次序的動能，在空氣裡頭的熱能就是如此。風的動能就不叫熱能，因為風是往同一個方向吹，是有序的動。水分子在電場裡一起有序的動，也不是熱能，能量還可以再回傳給電場。可是當水分子和其他分子擠在一起動的時候，相互擦撞，這時大家的方向就亂了，變成了熱能，這就是微波爐的加熱原理。

微波加熱不但要使微波能進到食物裡面，還要能被吸收。頻率太低，大部分都穿透過食物，頻率太高，在食物表面上就被吸收，進不到裡面，微波加熱的頻率（大都是2.45 GHz）就是在這個條件下所選擇的，這是微波爐專用的頻率，所以不會干擾通訊。由於微波能進到食物裡面，同時加熱各處，所以加熱速度快。此外，金屬作用腔壁吸熱慢，溫度不高，散熱少，這種加熱方法效率高達50％左右，比傳統烤箱加熱效率（約10％）大得多，所以也省電。

附錄

振盪原理　電容器充電後，接通電路，由於電容器上的正負電荷造成電壓，所以有電流，電流流過電感器就產生磁場。這時電容器內的電場能量隨電荷減少而變小，當電荷流光時，電場也沒有了，能量全部變成磁場能量。磁場最大時電流也最大，可是因為電流一直在流，無法一下子降為零，於是又有電荷流到電容處，然後磁場能量又逐漸變回電場能量，最後全部變成電場能量。下半個周期又開始相同的循環，這是一種電磁振盪的現象，赫茲就是用這方法產生電磁波。

電磁脈衝武器　電磁脈衝武器是依靠特定技術產生電磁脈衝，在一定地區或目標周圍空間造成瞬間的強大破壞性電磁場，毀傷敵方電子設備的一種新概念武器。目前已經開發出的具有實戰價值的電磁脈衝武器可分為3大類：核電磁脈衝武器、高功率微波炮和超寬頻電磁輻射器。核電磁脈衝武器是指以核武器爆炸產生的電磁脈衝輻射，對敵方軍事或民用目標實施打擊的武器。早在20世紀70年代，前蘇聯和美國的專家對原有核武器的設計進行了改造，使核彈爆炸時能把更多的核能量轉換為電磁脈衝能量。高功率微波炮能產生GW量級的微波，可瞬間擊毀電子元件。在高功率微波武器開發方面，美國和俄羅斯（前蘇聯）居領先地位。超寬頻電磁輻射器是近年研發的一種新型電磁脈衝武器，它就像雷公電母的兵刃，由於頻帶很寬，可瞬間大範圍覆蓋目標系統的響應頻率，使跳頻通信變得毫無意義，因此對電子設備有很大的威脅。這類武器的最大優點是體積小、操作方便，置於車輛、飛機和衛星上，可破壞敵方的電子資訊系統、信號接收機或阻塞對方雷達。

太陽帆飛船　微波將推動世界上第一艘太陽帆飛船在太空中前進。按計畫，行星協會會再次嘗試發射「宇宙一號」太陽帆飛船，一枚俄羅斯彈道導彈會把這艘飛船送入距離地球82.5萬公尺的近極地軌道。飛船上太陽帆的直徑是30公尺，由厚度只有5微米的鋁聚酯膜製成。在它們充分展開後，飛船看上去就像是一朵在太空中盛開的巨大雛菊。像憑藉風力在海上航行的帆船一樣，這艘太陽帆飛船同樣不需要發動機—從各個不同角度打在太陽帆表面上的光子產生的壓力將推動它前進。如果這個計畫能夠成功，今後會有大量更先進的太陽帆飛船在太陽系內的行星之間穿梭一它們根本不需要燃料。然而，要迅速地擺脫地球的束縛，僅僅依靠陽光是不夠的。

微波感應器　又稱微波雷達，對物體的移動進行反應，因而反應速度快，適用於行走速度正常的人員通過的場所。它的特點是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動，雷達便不再反應，自動門就會關閉，有可能出現夾人的現象。相反地，紅外感應器對物體的存在進行反應，不管人員是否移動，只要處於感應器的掃描範圍內，它都會反應。紅外感應器的反應速度比微波感應器慢。

資料來源

《科學發展》2005年11月，395期，28 ~ 37頁

微波(26) 法拉第(22) 科發月刊(5221)

物理固自然：微波及微波的應用

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