电磁场与微波技术及其应用研究

电磁场与微波技术及其应用研究

王景瑾

武汉蓝海科创技术有限公司 湖北省武汉市 430000

摘 要：早在上个世纪，微波技术已在多种民用和军用场景中得到了广泛的应用。近年来，随着对微波理论的进一步探究，微波在电力系统中的应用引起了广泛的关注。为了推动新型微波应用的发展，文章首先介绍了经典的民用和军用微波应用，并详细介绍了贯穿这些应用中的技术原理。在此基础上，论文详细介绍了新兴微波应用，即微波技术在电力系统中的应用。论文主要阐述了微波继电保护和微波无线充电应用和相关技术，并分析了这些应用相较于传统电力系统的优点。最后，论文对新兴微波应用所面临的挑战进行了展望。

关键词：微波 微波通道 微波无线电能传输

一．研究背景

微波是指波长范围在0.1mm-1m之间的电磁波。根据光速和波长范围，可以计算出微波的频率范围在300MHz-3000GHz之间^[1]。随着微波硬件产品的发展，微波成功从理论向应用转型，衍生出了民用、军用等多种微波应用。近几年，随着对微波理论的进一步探究，微波在电力系统中的应用，诸如微波继电保护以及微波无线输能等，引起了人们的广泛关注。

为了推动微波应用的发展，首先需要对微波应用及贯穿其中的技术原理有全面且清晰的认识。然而，现有文献在对微波应用进行探究时，缺乏对新兴微波应用的阐述。因此，全面认识经典微波应用和新型微波应用，并了解不同微波应用下技术原理具有重要的意义。

二．经典微波应用

在本节中，我们首先对经典微波应用及其中的技术原理进行简单介绍。经典微波应用分为民用微波应用和军用微波应用。其中，民用微波应用主要包括微波加热以及微波杀菌，而军用微波应用包括微波武器。

2.1 民用场景

2.1.1 微波加热

微波加热的核心思想是利用微波对材料内部分子进行极化，进而将微波的电磁能转化为热能。微波加热的材料必须为易吸收微波的极性介质材料。当该类材料放置在微波电磁场中时，由于微波电磁场高频交变的特性，材料内部极性分子将进行高频剧烈转动，进而将电磁能转化为热能。大部分食品中蕴含的水分子是一种极性非常强且能够很好吸收微波的材料，因此这些食品均能够实现微波加热^[1,2]。

2.1.2 微波灭菌

微波灭菌利用了微波加热的功能，其核心思想是首先利用微波对材料加热，进而借助高温破坏材料中细菌的空间结构（使其蛋白质发生变异）以实现杀菌目的。微波灭菌具有如下两个优点：

（一）具有用时短的特点，一般3至5分钟即可实现对大部分材料的灭菌；

（二）微波能够实现彻底灭菌，且实施过程安全可靠^[1]。

2.2 军用场景

微波在军事场景中的主要应用是微波武器，其攻击对象主要是敌方武器内部的电子设备。微波武器利用了微波的高频特性，通过定向对敌武器进行辐射，在武器周围形成瞬变电磁场。该瞬变电磁场在武器内部电子电路中产生感应电流。当感应电流较小时，会等效于热噪声使电路功能混乱，如出现物理层译码错误；而当感应电流较大时，将烧毁电子设备的关键部件如芯片，进而使整个武器系统失效^[2]。

三．微波在电力系统中的应用

在本节中，我们对微波的新兴应用，即微波在电力系统中的应用及相关技术原理进行阐述。

3.1 微波通道继电保护

微波继电保护装置的核心思想是利用微波通信的方式来传送线路两端的比较信号^[3]。当电力系统发生故障时，该事件能够通过微波通道及时向相关部门发出警告信号，或者直接远端控制元件发出跳闸命令，以尽可能阻止此类安全事件的恶化。

微波通道主要指的是一个无线通信方式，它主要由收发机（信道信源编码、调制、天线等模块）和中继节点构成。由于微波高频率的特点，无法利用电离层进行远距离传输。大部分情况下，微波通道为视距无线信道。由于天线高度的限制，大部分情况下一个独立微波通道的直线距离不会超过40-50km。当被保护线路的长度超过这个距离时，需要设置中继节点来转发微波信号。

3.2 微波电能传输

微波另一种新兴应用是将微波作为媒介传递电能，即微波电能传输。微波电能传输的核心思想是在源端将电能转化为电磁能（其物理形式是微波信号），而远端接收方接收到微波后，经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电^[4]。目前微波电能传输的理论仍处于发展阶段，大部分研究成果中所展现出的微波电能传输过程主要包括：

（一）利用振荡电路将直流电转换成微波射频信号，其次功放模块增强该微波射频信号的功率并辐射至自由空间。这个过程类似于一般的无线通信发端的过程，不同之处在于无线通信包含有用信息，而微波电能传输承载的是电能；

（二）在接收端，天线接收到微波信号并送入整流模块，将微波信号中的电磁能转化为直流电能。

相比于传统的电缆输电，微波电能传输具有以下几个优点：

（一）能够以较低的成本为难以架设输电线路的地区输送电能，进而能够解决边远地区供电难的问题。

（二）减少维护成本。对于传统输电系统中的输电线路，往往由于地理和建筑限制，造成线路铺设后呈复杂交织结构。传统输电系统杂乱的线路布局会给线路维护时带来额外的时间成本和安全风险。新型无线输电则可以在一定程度上缓解或者解决上述问题^[5]

四．微波应用的挑战

虽然大部分经典微波应用已广泛普及，但微波在电力系统中的应用还处在发展阶段，仍面临诸多挑战：

（一）微波无线电能传输虽然已经在军事领域有了很大的发展,但是在民用上却始终未能成功。一方面这是由于民用场景比较复杂，其强烈的信道时间选择性或频率选择性等问题都需要加入到微波无线传输的过程中进行考虑。另一方面，由于微波无线电能传输仍缺少比较系统的理论做基础，尤其是对其中相关技术原理认识仍处于起步阶段；

（二）由于微波无法通过电离层进行反射，因此微波通道和微波无线电能传输仍存在距离受限问题^[5,6]。当两个收发节点相距较远时，需要设立中继节点对微波信号进行转发。而过多中继节点的设立又会带来高制造成本和高维护成本等问题；

（三）对于微波无线电能传输应用而言，其射频发射端和整流接收端仍存在电能向电磁能（电磁能向电能）的转换效率低问题^[6]。

四．结束语

本文主要针对微波技术在电力系统中的应用，开展了相关研究和探讨。论文主要阐述了微波继电保护和微波无线充电应用和相关技术，并分析了这些应用相较于传统电力系统的优点。最后，论文对新兴微波应用所面临的挑战进行了展望。通过分析微波技术在电力系统中应用的优势，可以发现微波在电力系统中具有巨大的应用价值和潜力。

然而，微波在电力系统中面临着诸多挑战，需要从理论和产业上共同提出解决方案，加紧相关技术的开发，为未来电网系统打下基础。对于这些应用而言，首先要解决的问题是研究方向极性高的天线，以在一定程度上提高微波通信的传播距离。其次，针对微波无线电能传输应用，要设计高效的双能（电能和电磁能）转换单元，以降低在收发两端对能耗的浪费。

参考文献：

[1] 孙凤坤, 邢泽炳. 微波技术原理及其发展与应用[J]. 科技创新与应用, 2014, (06):3-4.

[2] 杨子宁. 微波技术的发展与应用[J]. 中国科技信息, 2006, (18):142-143.

[3] 朱海君, 余淼. 电力系统中的微波保护技术[J]. 江苏电器, 2001, (03):11-38.

[4] 王龙, 谢志军, 陈科伟, et al. 基于分布式软件无线电的微波能量传输方法[J]. 微波学报:1-6.

[5] 姚阳, 薛松, 蔡嘉隽, et al. 电力系统中无线电能传输的技术研究[J]. 产业与科技论坛, 2017, 16(18):60-61.

[6] 石博, 崔雅嵩. 基于微波无线电能技术在电力传输领域的探讨[J]. 数字技术与应用, 2019, 37(07):64-65.

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