天华中威科技微波小课堂_微波技术发展简史

天华中威科技微波小课堂_微波技术发展简史

对微波的理论研究以及进行相关实验起步于20世纪初，但早期的设备不能满足实验的需要， 主要表现为缺乏大功率的信号发生器和灵敏的信号接收器， 因此早期的研究并没有取得实质性的进展。到了20世纪30年代，高频率的超外差接受器和半导体混频器的出现为微波技术的进一步发展提供了条件， 使得微波技术的发展取得的一定的进步。

1931 年意大利科学家马可尼进行了距离为 18 英里的无线通信实验，实验中使用 600MHz 的微波来传输具有较好质量的话音信号， 信号源为巴克豪森管（ Barkhausentube ）。这是首次利用300MHz以上的微波完成的无线通信实验。第二年，马可尼又利用 57 厘米的微波，在相距15英里的梵蒂冈和冈多菲堡之间建立了无线电通信， 并提供电话和电传打印机服务， 从此微波技术由实验室走向了真正的实际应用。同一时期，雷达的相关概念和理论也逐渐形成，到了20世纪30年代中期， 世界上已经有八个国家在进行相关的研究。 

1、高速发展的二战时期

第二次世界大战时期普遍被认为是微波技术发展的黄金时期， 其背后主要的推动力来自于军方对雷达的需求。雷达在二次大战中扮演着重要的角色， 为此盟军投入了大量人力物力进行雷达的研究。在美国， 雷达的相关研究主要是在麻省理工学院的辐射实验室进行， 1945 年其员工人数甚至达到 4000 余人，在该研究室工作过的科学家中， 后来有 9 人获得了诺贝尔奖。

战后， 辐射实验室编著了 28 卷的《辐射实验室丛书》 并于 1947 出版， 书中记录了二战期间辐射实验室及相关研究机构研究发展雷达的大量工作。

1886 年， 赫兹就已经发现电磁波会被固体反射回来， 这实际就是雷达最基本的原理。到了 1903 年， 德国的 Hulsmeyer将其发明的用于航海的系统申请了专利，该系统利用无线电波的反射来检测障碍物的存在， 并为船只进行导航。1933年，美国海军实验室展示了发射 3MHz 的无线电波的雷达， 能够在 50 英里的范围内检测到飞机的存在。1934年，英国物理学家和雷达技术专家沃森瓦特建立了实验雷达站， 1938年组建了英国东海岸的防空雷达网， 由25MHz的雷达构建而成。二战中英国战役的最终胜利， 防空雷达网起了很大的作用。1939年， 美国军队装备了105MHz 的 SCR 270 型雷达用作远程预警系统， 该系统在后来的珍珠港战役中， 成功地提前检测到了日军的飞机。1943 年辐射实验室研制出利用空腔磁控管的微波雷达－ 3GHz 的 SCR 584 型雷达， 同年投入生产并广泛使用在欧洲和太平洋战场， 这种雷达能够有效的判断空中物体的位置并进行火力控制， 在其帮助下伦敦战役中德军 85％的 V-1 型飞弹被对空火力摧毁。

二战期间， 微波技术在其他方面的应用也在继续向前发展。在无线通信方面，1943 年 AT&T 研制出 AN/TRC-6 型多频段微波无线电， 该设备利用了脉冲位置调制和数字调制技术， 美军和英军装备了这种型号的无线电设备。微波测量技术也在40 年代发展起来， 其中包括能量检测， 能量测量， 频率测量， 相位测量和电压驻波比等技术。  

1944 年，Meyers， Charles 和 Julian 首次提出了反射计和阻抗测量技术。微波技术在生物和医学上的应用研究也在二战期间展开。

1938年， 德国人 Hollman和美国人Hemingway 及 Stenstrom 共同提出将微波用于治疗的技术。其原理在于，与其他电磁波相比， 微波可以更好地集中能量进行透热疗法。而且使用微波在对深层的组织进行加热时， 不会引起皮肤表面温度过高。

2、微波技术战后的发展

微波技术在二战后的十几年间迅速地传播开来， 并得到各个国家的重视。许多国家由政府进行资金支持， 在大学， 大型企业或是研究所里设置了微波技术的研究项目。特别是冷战时期为了提供对新武器系统的支持， 进行了大量微波技术的相关研究， 这些研究极大地促进了微波技术的发展。新的波导结构被提出， 以替换那些体积过于庞大的矩形和圆形波导。许多新类型的微波管也投入了使用。信号发生器和接收器的体积也被大幅度减小， 以降低生产整个微波系统的费用并使增强了稳定性。以上的技术进步促进了微波集成电路技术的发展。

雷达技术也在继续进步，1955 年 Page 发明了单脉冲雷达， 美国无线电公司于1958年生产了高精度单脉冲追踪仪器雷达 AN/FPS-16 ， 这是第一台达到 0.1 米级精度的雷达。

战后微波通讯技术飞速发展， 1946 年美国军队成功接受到被月球表面反射回来的雷达微波信号。AT&T于1947年在纽约和波士顿之间建立了3.7-4.2GHz的带中继器的视距无线电系统， 该系统可传输 500路电话或是一个黑白电视频道的节目。

1965 年研制出第一颗商用地球同步轨道通信卫星“ Early Bird”。

在微波测量技术方面， 1951年Fellgett 提出了傅里叶变换光谱法。第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟于1952年在美国国家标准局问世， 随后的1955年， 英国国家物理实验室的埃森等人研制出超精细微波诱导跃迁铯原子钟， 1960 年Cutler和Bagley引入原子钟作为原子频率标准， 原子钟的发明和应用成为现代时间测量技术的里程碑。1966 年 Weinert 发明了射频向量伏特计。

微波技术在生物和医学上的应用研究在战后也在继续发展， 1950年， Gessler，McCarty和Parkinson三位物理学家首次进行了利用微波能量治疗癌症的试验， 并使用频率为2450MHz 的微波辐射根治了白鼠身上的乳腺癌。1955年， Allen 利用微波和 X 射线的混合辐射根治了鼠类身上的S180 肿瘤， 随后关于混合辐射疗法的研究大量展开。

3、从军用到民用的转变

二战后微波技术的研究与应用逐渐从满足军事需求为主向民用领域过渡， 具有代表性的便是微波炉的发明。从20世纪40年代开始， 出现了许多利用微波进行加热的相关技术的专利， 这标志着微波加热技术的起步。其中 Westinghouse 和 GE 公司侧重于工业加工方面的应用， 如纺织品、轮胎和木材等的烘干， 而 Raytheon 公司则致力于食品的烹饪和加热。1949 年Raytheon 公司提出了微波炉的若干基本专利。但 Raytheon 公司专注于商业用微波炉的市场， 没有涉足家用微波炉。到了1960 年， 在 Raytheon 公司的授权下， 几家大的美国公司Hotpoint，Westinghouse， 和 Whirlpool 等开始生产面向普通消费者的家用微波炉。然而微波加热技术在工业加工方面的应用却比预想的增长的要慢，在家用微波炉市场，消费者的需求也增长的有限， 这主要是因为当时微波炉的主要元器件——磁控管的成本一直居高不下。

历史性的转折发生在1967年，Raytheon 下属的 Amana 公司推出了一种家用台面式微波炉RR - 1 ， 由于使用了成本大为降低的新型磁控管， 使得整机的价格还不到以前微波炉的一半。RR - 1 型微波炉一经推出便迅速的推动了家用微波炉市场的发展，不仅美国本土的公司迅速跟进，而且吸引了东芝、夏普、日立等日本公司也投入到这个市场中来。60年代， 美国的微波炉年销售量只有1万台左右，而到了1975年，这个数字超过了100万台，1985年更是高达500万台。其中，日本公司也在家用微波炉市场占领了很大的份额， 根据夏普公司公布的数据， 到 1977 年为止夏普公司已经销售了 200 万台微波炉。随后，在日本，欧洲等地家用微波炉市场也发展起来。一项1976年的调查结果显示，日本已有17％的家庭使用微波炉进行烹饪。如今微波炉已经成为世界各地广泛使用的食品加工和烹饪器具， 许多美国人甚至认为微波炉是20世纪70年代以来最重要的科学技术突破，在我国，微波炉在大中城市的普及率已经达到80％以上。