微波在有机合成中的应用范文

微波在有机合成中的应用篇1

关键词：微波；有机化学反应；设备；反应原理

在最初的时候，德国设计发明了微波，它作为一种固定频率的装置用于雷达的设计。随着时间的推移，微波技术也开始应用到了通讯领域，过了一段时间又开始涉足于分析样品的制备，甚至在食品加工方面也有所应用。到了1986年的时候，加拿大的Gedye和与他一起合作的同事们在做实验的时候有了新的发现，他们通过实验得出微波在有机化学的发展方面起着积极地促进作用。下面就来介绍一下微波在促进有机化学发展方面的具体应用。

1 了解促进有机化学发展所用到的微波设备

总体来说在促进有机化学发展时所用到的微波设备主要是由微波炉设备和反应容器这两个部分组成，具体介绍如下：

1.1 微波炉设备的应用和改造

通常情况下，在实验室里面是通过商品化了的家用微波炉来完成微波对有机化学的促进反应的，这种微波炉一般情况下造价非常低，体积也极小，容易搬动。有机化学家通过实验得出了一个结论，当微波促进有机化学反应效果明显的时候反应物的颗粒通常也比较小，相反，如果反应物的颗粒太大，微波促进有机化学反应的效果会大大降低。

如果想在微波炉里面进行回流反应，就必须对我们实验室用的微波炉进行改造。我们在商品化了的家用微波炉里面做实验的时候，采用的反应容器就只有两种方法，即封口和未封口。在未封口的反应容器中，用易燃易爆的物质做实验的时候就相当危险，这就要求对我们现有的微波炉设备进行改造，使其能够完成回流操作，使实验能够安全的进行。像这类的实验室用微波炉在进行改造的时候相对来说简单一些，为了使其能够进行回流反应，我们可以将微波炉的侧面或者顶部位置打上一个孔，将玻璃管通过打的孔插在微波炉上并与接上冷凝管的反应器连接在一起，其中，在冷凝的时候我们用自来水就可以。在回流的过程中我们一定不能使微波出现泄漏的情况，可以通过在微波炉上打孔的地方连接金属管子的方法来避免泄露现象的发生，金属管子的直径和长度都是严格按照要求选择的。

1.2 反应容器的制备

在选择反应容器的制备材料的时候，一般并没有太严格的要求，一般情况下，选择的材料只要微波能够很容易穿过，并且不会影响微波的吸收，我们都可以接受。比如说，玻璃、聚四氯乙烯和聚苯乙烯等这些材料都可以用来制作微波的反应容器。我们都知道微波是通过内部加热的方式进行加热的，升温用的时间比较短，这个时候如果我们的反应容器过于密封就会有爆炸的危险，这样不仅会损害设备，还会伤害到实验者。所以说，我们在制作密封性较好的微波反应容器的时候必须按照要求将它设计成能够耐受得住特定的压力。至于那些对密封性要求不高，在敞口的容器中就能进行反应，反应容器的制作材料并不做严格的要求，通常情况下玻璃材料就能够满足要求。

仅仅设计出能够耐受一定压力的微波反应容器是远远不够的，还必须将能够检测温度的热电偶装置和能够感受压力的系统安装在反应容器中。总而言之，通过学者们的不断研究开发，微波促进有机化学实验的设备将会变得越来越先进。

2 微波在促进有机化学发展的具体反应原理分析

微波是一种介于红外线和无线电波之间的电磁波，它的波长在1厘米到1米的区域之间不等，在进行微波加热的时候我们常常采用的微波设备的波长为12.2厘米或者33.3厘米，我们用于商业用途的微波炉设备的波长通常情况下为12.2厘米。化学学者们关于微波能够促进有机化学反应方面主要存在以下两种不同观点：

第一类观点，微波在加热的过程中是通过内部加热的方式进行的，这种加热方式通常在短时间内就可以完成，并且受热均匀对温度的要求统一，更不会发生一部分加热完成另一部分还没开始加热的现象。但这些化学学者们认为，微波加热也仅仅是一种普普通通的加热形式，它和传统意义上的加热并没有太明显的差异。微波在加热的过程中只能单纯地使加热物质的内能增加，但是化学反应的动力学性质并没有发生本质的变化。微波之所以能够对有机化学反应进行促进，主要的原因还是微波能够选择极性物质来进行加热，也就是我们常说的微波具有致热的效应。

第二类观点，微波促进有机化学反应是一个非常繁杂的过程，它不仅是通过简单的加热来完成的，最主要的还是因为微波能够将反应的动力学性质进行本质上的改变，也就是与微波的致热效应相对立的非致热效应。他们认为微波作为一种电磁波，理所当然就应该具备电磁的影响力，更重要的是微波的特性也会具有一定的影响范围。微波可以促进分子的转动速度，最终使化学键能够极快地发生断裂，由此加速了有机化学反应的进行。

3 微波在有机化学发展过程中的具体应用分析

3.1 微波在酯化反应中的具体应用

在日用化学品工业和食品工业的生产过程中，乙二酸二乙酯是一种非常常用的无色的油状液体，它的主要作用就是在有机合成反应的过程中做溶剂或者中间体。在我们传统的乙二酸二乙酯的制备过程中用的是硫酸催化法，杂多酸催化法以及对甲苯磺酸催化法，这样传统的制备方法比较耗费时间。在酯化反应的过程中如果采用微波催化的方法，则可以大大缩短反应时间。

3.2 微波在缩醛反应的具体应用

缩醛的制备方式并不是单一的，比如说，它可以由相对应的醛与醇类化合物在质子酸的作用下经过缩合反应制备出来。但是无论是哪一种传统的缩醛制备方法，都存在着不少的缺点，例如，这些方法对环境的污染相当严重，很容易对设备造成腐蚀，反应过程中的催化剂价格也非常的高，通过这些方法生产出来的缩醛纯度也不够高，并且得到率很低。为了解决这些传统的制备方法带来的弊端，化学学者们将微波应用于缩醛的制备，整个反应过程中苯乙醛和乙二醇在NaHSO4・H2O的催化作用下在没有有机溶剂且以无机为载体的条件下反应得到苯乙醛乙二醇缩醛。微波制备缩醛的方法不仅操作起来非常的简便，反应完成后的处理工作也非常简单容易操作，并且催化剂NaHSO4・H2O也非常廉价易得，最重要的是缩醛的得率与传统的制备方法相比明显地要高许多，并且排放物也不会对环境造成污染。

3.3 微波在金属有机化学反应方面的具体应用

随着微波技术开始在各个方面进行普及，金属有机化学反应也开始将微波加热应用于其中，在我们的传统金属有机化学反应过程中要想合成一些金属的配合物往往需要非常长的时间，有一些合成反应甚至需要几百个小时才能完成，这在人力物力上都造成了极大地浪费。为了缩短反应时间，化学学者们将微波技术应用于金属配合物的制备，通常耗费几分钟就可以完成，大大提高了工作效率以及金属配合物的提取率。

4 结束语

根据文章所讲的内容可以看出，微波在促进有机化学发展的空间是极大的，它促进有机化学发展的方式是普通的加热技术无法相比的。有机化学反应有了微波技术的促进，生产效率大大提高，操作也变得越来越简单。总而言之，只要我们认认真真地去研究微波技术在有机化学中的应用，微波技术将会变得越来越成熟。

参考文献

[1]袁洋.微波合成技术在酯化反应中的应用进展[J].化工管理，2015（5）.

微波在有机合成中的应用篇2

 

进入21世纪,高效、节能、环保已成为开发新兴工业技术的基本理念。在节能和反应控制优化方面,微波技术和超声波技术已被证明为是非常有效的工业技术,但是这两类技术在应用过程中存在各自的局限性,如果能在同一装置上同步使用微波和超声波,由于微波和超声波活化能量性质不同,其联合使用时可以在改善加热和能量转移时发挥各自的优势,从而大幅度提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。其在许多工业领域有良好的应用前景,有可能成为一种新兴的高效环保的绿色工业技术。

 

1 微波加热的原理和特性

 

微波是一种非电离的电磁辐射,是频率为300MHz～300GHz的电磁波,介于红外线和无线电波之间。微波加热的特性是来源于电磁辐射和物质相互作用中的能量转化引起的发热,大多数物质被微波加热时主要是通过绝缘加热作用,微波产生最有效的绝缘加热频率为0.915到2.45GHz[1,2]。微波辐射的激发会导致分子在外磁场内调整其偶极子,由于电场诱导的极化和重定向现象,大多数微波和物质中的反应产生了化学联系,因此,20世纪80年代以来,发展了一门新兴学科——微波化学。微波反应器应用于有机化学合成、无机化学合成和有机提取领域,大大提高了化学反应效率。微波反应器的设计需要考虑以下技术要求:(1)电场分布均匀,反应器需要能够独立搅拌混合;(2)在考虑到微波的穿透深度后优化设计反应器的几何尺寸;(3)能够对反应器内温度和压力控制参数进行监控;(4)反应器和配件的成本;(5)微波外泄和安全隐患。目前微波技术研究的热点领域包括:微波与光化学;微波与压力;微波与高温合成;微波与等离子体;微波与真空。

 

2 微波技术的应用

 

微波技术具有以下优势:(1)快速能量转移;(2)大容积和选择性加热;(3)加热均匀;(4)高生产效率;(5)快速的开启关闭控制;(6)更加紧凑的设备;(7)环保。图1为目前工业中使用的多模式微波反应器[2]。

 

目前微波在科学和工业领域得到广泛应用。在食品工业中,微波代替常规烤箱加热、干燥、解冻和蒸汽灭菌,可以选择性调味、调色、避免食物的崩裂等。在橡胶工业中,微波替代传统的使用热空气或者盐浴硫化器进行橡胶脱硫。在木材加工业中,温和的微波干燥条件能够使产品质地均一,可以把油漆中的残余水降到2%以下。在环保工业中,微波应用于市政垃圾处理、医院垃圾处理、核污染处理、高毒性物质的处理、塑料回收处理等,能够节约50%的垃圾处理成本。在生物制药领域中,利用微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,将生物组织和细胞中的生理活性物质提取出来,可以显著提高目标成分的提取量,减少提取溶剂的使用。此外,微波技术在纺织工业、皮革加工、陶瓷工业中也有非常广泛的应用。

 

3 超声波的原理和特性

 

超声波是指频率高于20kHz的声波,其频率下限高于人的听觉上限。超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介,同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构。当超声波在介质中传播时,可以与介质相互作用使介质发生物理的和化学效应,具体有以下效应:(1)机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。(2)化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应,还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程,超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。(3)热效应。由于超声波频率高,能量大,被介质吸收时能产生显著的热效应。(4)空化作用。当超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.35W/cm2,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生大量微小空洞。

 

4 超声波技术的应用

 

超声波是一种波动形式,它既可以作为探测与负载信息的载体或媒介(如医学中的超声诊断),同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构(如超声化学作用、医学超声治疗等)。因此,超声波目前广泛应用于化学(合成化学、电化学)、医学(超声影像学、超声治疗)、药学(超声药物输送、天然药物超声提取)等学科领域。尤其超声波清洗技术,由于超声波清洗速度快、质量好,又能大大降低环境污染,已成为电子工业、机械工业、纺织工业、化学工业等以及日常生活中不可缺少的实用技术。

 

罗马尼亚开发的静态超声反应器可以使从植物中提取药用成分的时间从28天缩短至10小时。Prosonix公司开发的Prosonitron P500超声反应器应用于晶体结晶,可以实现无种子诱导结晶和精确控制结晶粒径。Hielscher公司制造的世界最大功率(16,000W)超声反应器,被设计成三到四个单元,可以对大体积的流体进行均质、分散处理,处理量可达50m3/h。

 

5 微波-超声波联用技术的提出和发展

 

将微波和超声技术联合使用会产生什么效果?上世纪八十年代末,意大利和法国科学家提出了微波和超声波联合使用的概念。从作用原理分析,两种技术是互补的,微波提供了对固体颗粒间接性加热和选择性加热的可能性,超声产生的空化作用则可以提供大量集中释放的能量[3]。两种技术联合使用时在改善加热和能量转移时能够发挥各自的优势,提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。

 

1995年,Jacques Berlan等首先制造出了实验规模的微波-超声波混合反应器模型。但是,实用化的微波-超声波混合反应器的制造还存在许多技术难题,例如,如何将金属超声装置放置在微波区域。人们提出了一些解决方案:包括:微波和超声波使用分开的反应器,通过循环泵将液体从一个反应器运送到另一个反应器中;使用单个反应器同步内置超声和微波。在此基础上,科学家设计了不同结构的微波-超声波联用反应器。在新型微波-超声波联用反应器中,微波能量由外部产生并且由外部循环波导引导进入到反应器内部并在反应器中心定位。另一种是在反应混合物内同步采用微波天线和超声传感器,这种结构可以避免微波从反应器内泄漏的危险,并且在超声强度大的时候微波天线不会受到影响。

 

目前,微波-超声波联用技术已展示了良好的应用前景,Cravotto 和Cintas等将微波-超声波联用技术应用于化学领域,结果发现两种能量的结合能够促使大量的化学反应发生,还可应用于天然产物的提取和化学分析的样品准备。

 

近年来,我国已有少量关于微波-超声波联用技术应用的研究报道。如肖谷清等采用微波-超声波联用技术萃取中药黄连中的总生物碱。杨胜丹等对采用微波-超声波联用技术进行中药有效成分提取的研究工作进行了综述。微波-超声波联用技术在中药和天然产物活性成分提取中显示了巨大的优势。可以充分利用超声波产生的强烈振动、空化效应、搅拌作用,和微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,显著提高活性成分的提取量,缩短提取时间,同时,减少提取溶剂的使用,减少环境污染。陈东莲等报道采用微波-超声波联用技术从醋酸乙烯废触媒中回收活性炭。

 

6 结语

 

微波和超声波联用技术已向我们展现出诱人的应用前景,但是这一新兴技术距离实际应用还有大量的技术难题等待解决,如微波和超声波联用反应器高性能材料的获得、金属超声波装置与微波装置的匹配、如何有效避免反应器内微波的泄漏、反应器的同步加热操作和对温度的控制等。目前微波和超声波联用反应器还处于实验室研究的阶段,但是,有一点我们确信不疑,一种高效环保的绿色工业技术正在向我们走来。

 

微波在有机合成中的应用篇3

关键词：微博技术 环境保护 应用

起源于上世纪30年代的微波技术最早是应用在通讯领域中的，之后被引入化学领域，到了近几十年，微波技术在环保中的潜力作用才渐渐被人们发掘出来，并已成功应用在多个方面。因其具有的低能耗、低污染的特点，备受广大环保研究人士的青睐。

一、处理水污染

1.处理污水

在对污水中的有机污染物进行处理时，很常用的一种方式就是活性炭的吸附作用，但这个方法有一个弊端就是实现了吸附作用后的活性炭难以除掉其表面的有机物。而这种弊端在使用了微波技术之后就能轻松解决了。微波辐射对活性炭的解吸能够产生非常有效的作用，帮助活性炭再生，对消解有机物及其回收再利用也有非常大的益处。

研究人员进行实验时，让活性炭分别吸附甲苯、二甲苯、苯酚、苯等污染物，再用微波辐射它们。实验结果发现，在辐射经过1.5分钟之后，二甲苯、甲苯和苯已经完全被降解成二氧化碳和水了，在4分钟过后，苯酚也被降解为二氧化碳和水。另外，实验还发现，通过微波辐射，活性炭粒子会快速升温，这大大提高了分解有机污染物的效率。同样的，污水中的碳氢化合物、萘、二甲苯以及三氯乙烯等有机污染物也能通过微波辐射降解。而最终实验表明，微波的低能度辐射最终能够达到百分之百的分解率。

2.处理油渣

石油开采不断深入，但因其地面上的处理工艺非常落后，造成石油污染越来越严重，原油泄漏以及随意堆放石油残渣等问题逐渐被石油及环境专家重视起来。研究发现，微波技术能够有效解决石油污染问题。国外一家开发石油的公司研制出了一种能够使用微波技术处理废油的设备，使用该设备处理废油产生的油可以直接被销售，产生的水能够达到灌溉的标准，产生的少量固体能够直接倾倒在地上。经过该设备得到的油纯度达到了99.9%。

3.处理污泥

污水含有的有机和无机污染物及污泥非常多，对环境造成非常严重的破坏污染。通过微波技术，能有效治理污泥和有机污染物，并能制备有机絮凝剂。

微波加热能够将分子量均匀的某些物质合成，并且不会出现滞后效应，加快整个反应的速度，使反应周期缩短。利用微波技术制成的PAM絮凝剂拥有短时高效、反应灵敏、加热均匀的优点，处理洗煤废水的效果非常好，可完全代替常规的有机絮凝剂。另外国外的一些学者研制出一种利用微波加热技术制成的固定床式的解吸装置，可以从沸石以及活性炭高分子中回收有机脂和乙醇，利用微波处理污水，不仅能够使有机物消解，还能回收质量很高的回收物。

4.用于干燥污泥

微波能够对污泥产生干燥作用，同时微波加热技术具有无需传热、无热传递、内外同热的优点，相比传统加热效率更高。因此，在对生活污水进行处理时，使用微波加热能产生更好的干燥和脱水效果。实践证明，微波加热不仅可以处理生活污水，还可以处理已经经过机械脱水的污泥污水。未经污水厂消化的污泥在经过微波炉45分钟的加热之后，含水率明显降低。而污泥经过机械脱水之后再使用微波干燥，其含水率将会继续降低，由75%降到50%之下，而且所需成本较低，时间花费也很短。

二、微波消解技术的应用

1.测定污染物

在国内外的环境领域中，对水体污染评价的重要指标就是COD。使用国标法对废水中COD含量进行测定时所需试剂有毒且量大，耗费时间也多，能耗非常高。而利用微波的消解作用，可以使操作方式更简单，节约时间，测定过程具有较强的抗干扰性，结果准确度及精密度较高。且使用微波消解技术，对COD产生的抑制能力要高于标准法，减少汞盐等二次污染，能够测定多种废水的COD值。使用微波光度法进行单个样品的测试时，所需成本仅需要传统的50%，且在实验过程中不需要冷却水。利用微波消解测定COD，具有很好的经济实用性，推广价值非常大。

2.测定水中的非金属元素

其中非金属元素一般是指氮、磷等元素，水体中总磷能够反映水体的污染程度，也能反映其富营养化的程度。湖库水体中，含磷量增加会造成浮游生物及藻类繁殖增多，使水中溶解氧不断被消耗，导致水体的质量恶化。因此，对水体中的总磷含量应准确测定。传统方法是采用过硫酸锰进行高温高压下的消解对其进行预处理，将其中含磷的有机物都转为可溶磷酸盐，另外也将偏磷酸盐以及焦磷酸盐都转为正磷酸盐，之后再对水体中的总磷进行测定。但这种方法对高温高压要求非常严格，消解耗费时间也很长，一次就需要一个多小时，并且有些特殊水样的消解程度不够彻底，重现性很差。而使用微波消解技术进行测定时，方法既简便又快速，还能彻底消解，得到的精密度及准确度也非常高。

3.测定金属元素

对水中含有的金属元素进行测定时，可使用微波消解标样，利用原子吸收光谱进行测定。该方法能够将Zn、As、Pb、Cu、Cd完全回收，浸取的效率非常高，精准度也很好，非常适合野外实验室进行例行分析工作。

污泥要想农用就必须将其中的重金属等污染土壤及作物的物质解决掉，传统的解决方法费时费酸并对环境造成了污染。但如果配合微波的消解技术就能收获非常好的效果，利用硝酸氢氟酸作为消解的溶剂，采用火焰原子的吸收光谱进行测定，全程仅需要1小时，效果很好且污染问题得到了有效解决，符合现代人对环境的要求。

三、结束语

微波技术比起传统技术拥有快速高效、无二次污染以及高回收率等优点，在环保领域中的应用研究不断取得新进展。微波技术不仅能够治理环境污染，还能促进各企业节能减排，随着环保问题在大众心目中的地位不断提升，科学技术的不断发展，微波技术必定拥有更加广泛的应用前景。

参考文献

[1]李立新 张亚.微波技术在环境保护中的应用[J].环境科学与管理，2011，36（1）.

[2]王丽丽 靳鹏 戴志鹏 王向宇.微波技术在节能减排方面的应用[J].广州化工，2010，38（8）.

微波在有机合成中的应用篇4

【关键词】高功率微波医疗卫生装备电磁干扰HPM防护

1引言

高功率微波（HighPowerMicrowave，简称HPM）是指微波脉冲峰值功率大于100MW以上的微波，由于HPM本身具备的优点，其应用越来越受到各个领域的重视。HPM武器是利用高功率微波的射束能量干扰和摧毁敌方电子设备、破坏敌方武器系统或杀伤作战人员的定向能武器，自海湾战争以来，其作为一种潜在的新概念武器，已经在集“陆、海、空、天、电磁”五维一体的空间立体式信息化战争中发挥了重要的作用[1]。在未来战场上，它必将得到更为广泛的应用，这对我军雷达、通信、计算机、各种战术导弹、预警飞机、隐形飞机、车辆点火系统等武器装备构成了极大的威胁，同时，对我军后勤保障系统中的医疗卫生装备也提出了严峻的挑战[2]。

随着现代电子和工程技术的发展，医疗卫生装备对电磁信号的敏感度也越来越高，尤其是检测人体生物电生理信号的仪器，其检测结果会受到干扰，严重时会产生强电击危及生命；如果是带有计算机系统的医疗装备，大幅度的共模干扰，还会引起计算机逻辑错误、信息丢失等。比如，在战场上常用气动式电控呼吸机急救设备，其工作原理是依靠中心供氧或气泵为气源，通过微机控制对患者进行控制呼吸与辅助呼吸及自主呼吸，一旦电子控制线路受到HPM攻击和破坏，泵送气源频率将紊乱，仪器将无法正常工作，对患者生命带来极大危险[3]。在未来信息化战争环境下，高功率微波对我军医疗装备的影响已经不可避免，因此，加强医疗装备的HPM防护势在必行。

2HPM对医疗卫生装备的作用机制

随着科学技术的发展，现代医学仪器逐渐向微型化、智能化方向发展，其核心部件基本都由微处理器控制。高功率微波主要通过微波的热效应对医疗装备中的元器件如单片机、电阻、电容、半导体器件等产生破坏。典型的HPM失效效应是电子元器件的烧毁，其次是使电气子系统的性能受到影响，以及使其工作状态改变。

2.1HPM破坏机制

HPM对医疗卫生装备等电子设备的作用机制，概括起来主要有以下两方面[4]：

（1）电效应，是指在高功率微波下金属表面或金属导线上产生感应电流或电压并对此电子元器件产生的效应，如造成电子元器件状态的翻转、器件性能的下降和半导体器件的击穿等。

（2）热效应，是指微波照射电介质材料时，该材料会吸热升温的现象。材料单位体积吸收的功率值与电场强度平方成正比，随着材料导电率的升高而增加，此外，还与介电常数和微波频率有关。这种热效应会使目标瞬间被加热。轻者，医疗装备的电子系统受到干扰而失效；重者，整个系统将被摧毁。

2.2HPM破坏阈值

HPM的攻击目标主要是各种武器系统和作战平台中最关键而又最脆弱的电子设备以及卫勤系统中的急救仪器，同时，在其作战区域内所有电子或电气设备都会受到威胁[5]。根据国内外的研究成果，列举一些高功率微波对电子元器件、医疗卫生装备的计算机系统、一些军用设备的破坏阈值。表1给出了电磁脉冲对各种电子元器件干扰和破坏的阈值。表2给出了高功率微波对医疗卫生装备的计算机系统的破坏阈值。

由此看出，HPM对不同类型的电子元器件产生干扰和破坏的能量不同，对医疗卫生装备的计算机系统产生干扰和破坏的功率密度也不同。军用医疗设备多为传感器电子产品，比如用于战场急救的监护仪，主要用于检测人体生理参数指标，包括脉搏、呼吸、血压等，而这些电生理信号是十分微弱的，极易受到干扰，若外界电磁波能量过大，就会对军用电子设备产生直接破坏，使其无法正常工作。

2.3HPM破坏途径和过程

高功率微波进入医疗电子设备的途径是多种的，主要是通过前门耦合和后门耦合两种途径。所谓前门耦合，是指HPM能量通过天线或传感器等媒介耦合到其接收和发射系统内，以破坏其前端电子设备。如果入射的HPM能量的主要频谱分量在前门通道的通频带内，会有很强的HPM能量耦合到内部系统的界面上。例如，弱微波能量通过前门耦合，冲击和触发电子系统产生假的干扰信号，干扰雷达、通信、导航等设备的正常工作，或使其过载而失效。能量稍大，即可能烧毁微波检波二极管、混频器等。后门耦合，是指HPM能量通过机盒的缝隙或小孔渗透到系统中。若耦合进入电子系统的微波能量较少时，可干扰其电子设备，使电路功能产生混乱，出现误码，信息传输中断，抹掉记忆信息等；当耦合进入电子系统的微波能量较大时，会造成电路系统和电子器件、计算机芯片等永久损伤或烧毁。

HPM对电子设备或电气装置的破坏过程主要包括渗透、传输和破坏三个环节。

首先电磁波由天线、电缆、各种端口部分或者表面的媒介向内部渗透，其能量变成随时间、空间变化的大电流、大电压，然后以电磁脉冲渗透的上述部分作为能量中转站传输到内部脆弱的部位（电子元器件、集成电路等），最后进入空间结构的电磁脉冲作用于非常小的高密度的脆弱部位（电子元件、集成电路芯片及连接点等），由于能量密度极高而造成破坏。

3医疗卫生装备的HPM防护

医疗卫生装备是军事装备中极其重要的一部分，且绝大多数装备都属于电子产品，如监护仪、呼吸机、麻醉机、输液泵等，其内部元器件及集成电路在高功率微波环境下都会受到不同程度的破坏，生理信号的监测、传输和处理也会受到电磁波的干扰，甚至失效或损坏而不能正常工作。因此，加强医疗卫生装备的HPM防护研究已经成为军事医学领域亟待解决的问题，具有重要的意义。HPM武器从不同途径对电子设备构成杀伤，为了有效防护HPM武器，需要根据其对目标杀伤的途径和破坏效应采取相应的防护措施。目前，通常的防护措施主要有电磁防护、HPM耦合通道防护、HPM加固等。

3.1电磁防护

电磁防护是目前电子设备普遍采用的方法，主要包括电磁屏蔽、接地处理、滤波等。(1)屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能的传输，达到电磁防护的一种重要手段。有效的加固方法是使所用医疗设备完全置于一种不让电磁场到达被保护的设备的箱体，但是，所有的设备都需要获得电力，并且与外界通信，虽然现在很多医疗设备的设计采用蓝牙无线通信，但难以避免检测人体生理参数的测试探头多数为有线连接，这些进入点为高功率微波的电气瞬态进入提供了机会。若改用光纤通信，在满足传送数据要求的同时，必须对所有进入箱体的导电通路加装电磁抑制器件。同样，如果选择合适的吸波材料可以将反射未完全的部分吸收掉，而不至于进入系统内部造成破坏。(2)接地处理是最基本的电磁防护措施，通过适当的方法与大地连接，以提高电子设备电路系统工作的稳定性。机壳接地，可以有效的抑制外界电磁场的影响，避免机壳电荷累积过多导致放电而造成的干扰和破坏。(3)滤波方法指设计适当的滤波器来去除电磁干扰的方法。滤波器可以由电阻、电感、电容一类无源或有源器件组成选择性网络，以阻止有用频带之外的其它成分通过，完成滤波作用；也可以由铁氧体一类有损耗材料组成，由它把不希望的频率成分吸收掉，达到滤波作用。

3.2HPM耦合通道防护

根据电磁波进入医疗卫生装备的方式可以分为对从前门耦合进入电子设备的HPM防护和对从后门耦合进入电子设备的HPM防护。

(1)对从前门耦合进入电子设备的HPM防护,由于电子设备工作时的对外端口(如天线)是必须的，电磁干扰从前门耦合进入电子系统通常难以避免。在强微波照射下，常规电子防御措施如采用新频段、扩展信号频谱、增大有效辐射功率、提高接收机的信噪比等将全部失效，因为HPM武器的功率更强，频谱更宽，即使不烧毁电子设备，也会形成压制性干扰。在弱微波能量辐射下，医疗卫生装备的常规反干扰措施依然可行。

(2)对从后门耦合进入电子设备的HPM防护,医疗卫生装备机箱上的任何小孔、缝隙的作用都非常像一个微波腔体中的槽口，能让微波辐射直接激励或进入腔体。HPM进入装备腔体后就会对腔体内的集成电路和一些敏感器件产生干扰或破坏。所以对于后门耦合的防护来说，首先考虑的应是阻止HPM侵入医疗装备的腔体中。

3.3医疗装备HPM加固

HPM加固，是指在电子设备中，综合性能、成本、复杂程度，在极宽频率范围内发现电子系统中的薄弱环节，采用各种手段使系统免于HPM的损伤的工作过程。

对于军用医疗装备，一般加固战略分为两种：(1)控制耦合，通过控制天线和后门进入点，或者通过系统设计，采用诸如吸收提、限幅器、滤波器和屏蔽等措施反射或衰减入射的HPM场；(2)降低敏感度，设计足够坚固的子系统和组件，在遭遇HPM环境后仍能执行使命。超级秘书网

不同于一般电子设备，医疗设备是用于检测和监测人体生理弱信号，其对电磁的敏感度更高，防护和加固的要求也更加严格。从防护策略上考虑，可以采用分级防护的方法，即系统级防护、设备级防护、组件级防护、元器件防护。根据医疗设备的HPM电磁加固技术，开展二极管等元器件的终端保护装置研究，计算机主板等的屏蔽技术研究，敏感元器件等的应用研究。

4结束语

随着HPM技术的进一步发展以及HPM武器的广泛适应，未来战场的电磁环境变得更加恶劣，这对我军医疗卫生装备的抗电磁干扰性提出了更高的要求。如何提高医疗卫生装备的抗电磁干扰性，提高我军卫勤保障能力，是当前各级医疗卫生机构面临的严峻而又现实的问题。只有立足我军现有的卫生技术装备的发展水平，掌握HPM对各类医疗装备的作用规律，采取更加新颖可靠的防护措施，才能充分发挥现有医疗卫生装备的性能，提高我军卫勤保障的能力。

参考文献

[1]吕文红，郭银景，唐富华等.电磁兼容原理及应用教程[M].北京：清华大学出版社,2008.

[2]霍元义.电磁干扰及电磁干扰对医疗仪器设备的影响与对策[J].医疗卫生装备,2004,6:172–174.

[3]MatsG.Backstrom,KarlGunnarLovstrand.SusceptibilityofElectronicSystemstoHigh-PowerMicrowaves:SummaryofTestExperience[J].IEEETransactiononElectromagneticCompatibility,2004,3(46):396-403.

[4]刘勇波,樊祥，韩涛.高功率微波作用机理及影响条件分析[J].电子对抗技术,2003,4(18):41-45.

微波在有机合成中的应用篇5

项目介绍

自1967年N. H. Williams报道了利用微波辐射加快化学反应的实验后，人们从此开始重视利用微波加快和控制化学反应的研究。研究表明，大多数药物合成化学反应都需要外部供热（加热），传统的加热方式为蒸汽加热、油加热和电加热，这些加热方式均为分子外加热，存在温度场不均匀和加热时效滞后等缺点。采用微波加热不仅克服了温度场不均匀和加热时效滞后的缺点，而且加热时微波还可以与分子中的电子相互作用和耦合，从而可以有效催化、促进化学反应，提高收率和选择性，缩短反应时间，抑制副反应。因此微波不但在石油化工、食品化工等领域有着广泛的应用，而且近年来在医药化工领域也得到了青睐，并产生着巨大的经济效益。

从上个世纪80年代开始，化学家们在实验室中常常采用商用微波炉进行微波加快化学反应的实验并取得了可喜的成绩。然而，当化学家们把实验室中取得的成果应用于化学工业中却发现实际情况远比预料的复杂。主要存在的问题有：一、大功率微波作用下，化学反应系统通常产生强烈的非线性响应，这些非线性响应对于微波系统和反应物常常是有害的。例如：用微波加快橄榄油皂化过程中，随着反应的进行，系统的等效复介电常数突然变化，导致整个化学反应系统对微波的吸收突增，往往由于温升过度而将反应物烧毁；二、大容量的化学反应器很难获得均匀的微波加热；三、应用于化工生产的大功率微波化学反应器成本很高；四、有很多反应需要进行温度控制，然而能够进行微波辐射下在线测量温度与温度控制的微波化学反应器很少。

因此，以上存在的现实问题迫切需要解决，方能促进微波在化工领域的大规模推广应用，创造更多的经济价值。

“蓝田”系列大功率微波化学反应器由四川大学应用电磁研究所研制，产品主要应用于大功率有机合成，化工制药等行业。从1993年起，该项目的研究就受到国家杰出青年科学基金、面上基金和国家“十五”科技攻关计划的共同资助。十几年的时间里，研究所对不同应用的微波化学反应器进行了不断地探索与研究，逐渐积累经验，根据实验结果和实际情况不断改进，先后研制了多种微波化学反应器。目前,已发展到“蓝田－III”型。“蓝田－III”型产品采用微波加热方式，不仅克服了传统加热方式温度场不均匀和加热时效滞后等缺点，而且可以有效地催化促进化学反应，提高收率和选择性，缩短反应时间，抑制副反应；具有成本低、多模式、大容量、控温方便精准等特点。

具体特点与指标如下：

一、低成本：该系列产品采用非相干功率合成技术，根据模式正交理论合理选择了激励波导的位置和激励方式，不但大大提高了反应器内的总功率，而且避免了价格昂贵的大功率微波隔离器件的使用，从根本上大大降低了反应器的成本。

二、多模式：产品采用多个磁控管，既可以同时提供能量，也可以分别提供能量，满足了不同等级功率的需要。

三、大容量：一般微波炉的容量为20L，而本反应器的容量可达138L，甚至更大，因此既可用于实验室研究，也可用于微波化学工业生产。

四、精确控温：首次采用新型温度计加装光电开关技术，应用于微波场中化学反应温度的测量。装置不仅可防腐蚀，而且对微波场干扰小，同时具有可在线测量和控制温度均匀准确的特点。

五、专利多 ：系统包含多项国家专利技术，如多磁控管微波化学反应器主动功率控制方法(申请号 ：200610020305.4) ；多磁控管微波化学反应器（专利号 ：ZL 200410021986.7） ；微波化学反应器的温度测量和控制装置（专利号 ：ZL 2003 1 0110927.2） ；高灵敏度液体介电常数测量探头（专利号：ZL 03 1 35194.8 ） ；反射式介电常数直接测量方法及测量探头（专利号：ZL 01 1072067）；

六、技术指标高: 2006年1月，“蓝田－III”微波化学反应器顺利通过由教育部组织的鉴定专家委员会鉴定，并荣获2006年国家科技发明二等奖。经中国计量测试研究院的专家测试，系统指标为：总功率：3800W；温度测量范围：0～200℃；测量精度：±1℃；反应器内腔容积为：V =430 L；微波漏能指标：功率密度≤0.5mW/cm2。

技术专家点评

唐建华博士，教授。主要研究方向为化工新产品和新技术、化工分离过程、天然气化工、磷化工、等离子体化工、医药化工等，注重基础研究和应用研究的融合，主持研究完成或正在进行的科研项目有40余项。现为中国混凝土外加剂协会专家组成员，美国化学协会会员。

微波加热方式是一种全新的加热方式，与传统加热方式相比具有加热迅速均匀、节能高效、工艺先进、易控制、安全无害等诸多优点。目前不仅广泛应用于医药和化工行业，同时也可应用于食品的膨化、烘干、脱腥和保鲜处理；烟草的脱水、杀虫、灭菌处理；工业生产中的橡胶硫化、矿石脱硫、陶瓷烧结等许多行业等。

由四川大学应用电磁研究所黄卡玛教授领导的课题组经过十几年的研究开发出的“蓝田”系列微波化学反应器，不仅具有普通微波化学反应器加热迅速均匀、高效清洁的功能，而且更具有低成本、多模式的特点，同时在保证内部场分布均匀的情况下实现了大容量。就目前市场而言，一般微波炉的容量为20L，而“蓝田”反应器的容量可达138L，甚至更大到400多升，这无疑更接近于实际工业生产的需求。另外，实验表明，反应器工作中温度的均匀性直接关系到化学合成中产品的质量和收率。“蓝田”反应器加热区域温度均匀度可达到小于1℃，保证了化学合成中对温度均匀性的要求。此外现有的微波化学反应器大都存在对反应中的安全性考虑不足的缺陷，“蓝田－III”微波化学反应器中通过了主动微波功率控制技术等多项具有自主知识产权的国家发明专利技术，保证了合成反应中的安全性问题，而这恰恰是当前工业生产中最应考虑和关注的问题。

四川大学应用电磁研究所的该项技术对于提升我国微波化学反应器的整体水平，实现节能降耗，降低成本，尤其是实现微波化学合成中的安全生产，促进国内相关产业的发展具有重要的现实意义。

市场专家点评

麻林工程师，天水华圆制药设备科技有限责任公司副总工程师、技术部部长。

微波做为一种功率源，具有高效、环保、节能等诸多优势。微波用于化学反应中，可以大幅度提高某些物质的化学反应速度，使物质吸收微波能量后迅速升温，同时微波还可以与分子中的电子相互作用和耦合，有效催化、促进化学反应。所以在石油化工、冶金化工、食品化工、医药化工等领域有着极其广泛的应用。

“蓝田”系列微波化学反应器，就是微波能源应用的一种方式。这种反应器，在大功率有机合成，化工制药等行业已经得到应用。尤其是多磁控管微波化学反应器中的波导布置方式，采用非相干功率合成技术，为大功率反应器的制造提供了一种优选方法；在微波化学反应器中采用的温度测量和控制装置，为低成本、高精度的微波专用温度控制装置；多磁控管微波化学反应器的主动功率控制方法，实现了对微波功率的主动控制，等等。这些无疑在微波设备上，是技术领先的，代表着微波设备技术的方向。

做为一种利用微波能的设备，微波化学反应器是有着广泛的应用前景的。从世界各国研究动向来看，微波功率应用正处在向新领域发展的时期，研究重点已从传统的加热干燥、食品加工转向多个高新技术领域。目前主要研究的领域有：微波催化化学反应、新材料微波加工处理、微波气体放电的多种应用等。而微波化学的实验研究几乎遍及化学、化工所有领域，大量的文选报告显示了微波电磁场可以加速化学反应，可将反应时间缩短到原需时间的十分之一到千分之一，给化学工业引入了诱人的前景。“蓝田”系列微波化学反应器，紧追时代，已经做出了可喜的成绩。其下一步方向应朝着优化、多用途、大功率和大型化方面发展。同时要考虑微波设备与常规设备和工艺的配套，从而生产出为各个行业与领域所需求的多种系列化、高质量微波工程设备，这将能大大促进微波能应用技术的发展与设备的产业化进程。

对微波技术的关注，是在编辑四川大学应用电磁研究所黄卡玛教授研发的“蓝田”系列微波化学反应器项目后开始的。尽管在生活中天天使用微波炉，却因科技的日新月异对微波炉的出现似乎司空见惯，潜意识享受着高科技新产品给生活带来的便利，而从未考证过它的工作原理。今天黄卡玛教授的研发成果，因其技术的先进性引起我的好奇。在网上搜索后方知，微波技术是在第二次世界大战期间为了研制雷达而成熟起来的，早在70年代初期，我国就关注着国外微波功率应用技术的发展。

经过科学家们二十多年的努力，我国的微波功率设备不仅走在世界前列，而且已广泛运用于食品、木材和竹制品加工、制药、纸品、酿酒、橡胶、化工等工业生产中，多种微波等离子设备、微波高温设备、微波真空干燥设备和微波化学设备已成为多种学科的重要科研手段。

微波在有机合成中的应用篇6

[关键词]微波传输；链路系统分析；无源中继；解决方案

引言

微波传输是一种灵活、适应性强的通信是手段，具有建设快、投资小、应用灵活的特点，在移动电信运营商和各大专网的网络建设中均有广泛应用。但是微波传输也有其自身的缺点。由于地球表面是一个曲面，所以微波只能在视距范围内作直线传输。如果两个微波站点之间有障碍物阻挡，则需要在中间新增一个微波中继站。增加中继站首选是在用的基站中是否有合适的站点作中继传输。如果没有，则需要新建微波站点，这样作的成本是巨大的。需要综合考虑多方面的因素，包括机房建设、供电系统、交通、地理环境等各方面的因素。

因此，在微波传输过程中，适当的采用无源中继技术能有效的解决微波传输中的链路传输阻挡，降低建设成本等问题。

1.微波通信原理介绍

微波是一种频率为0.3-300GHz的电磁波，波长范围在毫米～厘米数量级，其波长比普通无线电波更短。微波传输是一种视距范围内的接力传输，要求两个微波站点之间没有阻挡。在微波传输的路径上，可能会受到诸如大气、海面、地面、高大建筑物或山峰的折射和绕射等的影响，从而造成信号的衰落和失真，甚至中断，此时就需要增加中继站以解决链路阻挡问题。

2.无源中继技术原理及应用场景

无源中继站是中继站的一种，能解决链路传输阻挡问题。无源中继站不同于一般的有源中继站，它是指不经过任何放大直接把接收到的微波信号转发到所需方向的站。

采用无源中继站将一条微波路径分成两段后，遭受到的多径衰落的概率比长度相同的一条路径要小，且无源站不需要维护，投资少，能在解决微波传输阻挡问题的同时有效的降低建设成本，特别是在通信路由复杂的山区，无源中继站更显示出了独有的优越性。

在人迹罕至的山头上建有源的微波中继站成本是高昂的，不但要解决供电、机房、设备、交通灯问题，还要考虑日常维护、运行可靠性、耐恶劣气候、抗雷击等方面的因素，其建设成本和运维成本都是巨大的。另外一方面，在山区建设机房还会受到地形条件的限制，能建机房的地点不一定适合微波信号的中继传输。

因此，无源中继站常用于地理环境等条件比较恶劣的山区丘陵地带，既能解决微波中继传输问题，也不需要花费基站建设费用。通过分析和实践，我认为，在一些不具备建设有源中继站的条件的山区是可以合理采用无源中继方式解决微波链路阻挡问题的。

3.无源中继技术在微波传输中几种解决方案

最常见的无源中继方式有反射型、折射型和绕射型3种。采用金属板或网，使入射电波产生反射的方式就是反射型接力方式；采用背靠背连接天线，是电波折射的方式就是折射型接力方式；采用屏蔽型或透过型绕射网使电波绕射的方式就是绕射型接力方式。

反射型接力方式有提高增益大、改善效果好的优点，但反射板计算繁琐，制作工艺要求高，实施难度大。绕射型接力方式除计算繁琐、制作工艺要求高、实施难度大外，安装调测耗时，很难操作实施。背靠背天线无源中继方式相对而言可操作性强，较容易实施，安装调测容易，只要安装调测固定好，基本无需维护。本文主要介绍折射型无源中继方式的原理及应用要求。

折射型无源中继方式是采用背靠背连接天线，通过电波折射的方式实现中继传输。

3.1无源中继链路原理及主要性能指标计算方法

典型的背靠背连接天线无源中继传输方式示意图如图1所示：

下面介绍背靠背天线方式无源中继站的链路传输计算方法。各参数说明如下：

d1－A站到c站的站距

d2－B站到c站的站距

L1－A站到c站的自由空间损耗

L2－B站到c站的自由空间损耗

Lcr——插入损耗，即背靠背天线之间的馈线及接头损耗

（馈线长度通常按5m考虑，综合考虑馈线及接头损耗后，Lcr通常按1dB考虑）

Gt——发射端天线增益

Gr——接收端天线增益

G1r、G2r——无源中继站的天线增益

Pt－A站发射功率（dBm）

Pr－B站接收电平（dBm）

f——微波电路使用的频率

（1）自由空间损耗

L1=92.4+201gf+20lgdl；

L2=92.4+201gf+201gd2；

带无源中继站的自由空间总损耗：

L=L1+L2+Lcr-G1r-G2r=185+401gf+201gdld2+Lcr-G1r-G2r

（2）接收电平

B站的接收电平Pr=Pt-L1-L2-Lcr+Gt+Gr+G1r+G2r

（3）电平衰落储备=接收电平－收信机门限电平

3.2无源中继站的站址选择

采用背靠背天线方式进行无源中继传输，对无源中继站的站址选择有一定的要求。

一方面，无源中继站点应尽量靠近两个有源站的其中一个站点，即两段电路之一要尽可能短。这样使得传输的两条链路段站距之和最小，两段电路的自由空间损耗也就最小，能更好的进行微波传输。根据工程经验，近端站距一般要求小于5km，工程应用时站距常为1－2km左右，能更好的保证链路传输质量。

另一方面，两面中继天线之间的转折角应在90°－160°之间。背靠背天线无源中继站只是直接将有源微波站的信号放大传输到另一个有源微波站，两面背靠背天线采用的是同一频率，如果背靠背天线的转折角太小或者太大，会使两端的有源微波站信号产生严重的干扰。

同时，无源中继站的通信方向近区应开阔，以免因附近障碍引起的发射增加两天线之间的耦合而形成干扰。

4.实际应用案例举例

某电台建设微波链路进行通信传输，其中发信部和收信部站距约为10.83km，电路中间有阻挡，无法视通。该电台通过采用背靠背天线无源中继站的方式解决了链路阻挡问题，实现了整条电路的微波通信传输。

发信部——收信部使用的微波设备及电路各项参数如下

微波设备：NEC　PDH微波设备；

设备配置：传输容量为40MB，使用频率为7GHz，中心频率为7.275GHz：

设备参数：发信功率为27dBm，门限电平为-84.5dBm；

发信部至无源中继站站距：3.26kin；

无源中继站至收信部站距：7.57kin；

天线口径：采用4面3.2m口径单极化高性能抛物面天线，G=45.3dB。

计算过程如下：

自由空间损耗：

L1=92.4+201g7.275+201g3.26=119.96dB

L2=92.4+201g7.275+201g7.57=127.29dB

L=L1+L2+Lcr-G1r-G2r=119.96+127.29+1-45.3-45.3=157.65dB

接收电平：

Pr=Pt-L1-L2-Lcr+Gt+Gr+G1r+G2r

=27-119.96-127.29-1+45.3+45.3+45.3+45.3

=40.5

电平衰落储备=接收电平

收信机门限电平

=40.5-（84.5）

=44dB

微波在有机合成中的应用篇7

关键词：高隔离度； 双工器； 注入实验； 插入损耗

中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04020503

Research on highisolation diplexer used in microwave injection experiment

HU Biao, LI Jiayin, WANG Haiyang

（High Power Radiation Laboratory, UESTC, Chengdu 610054, China）

Abstract： In the microwave injection experiment the insertion of the microwave injection circuit and the effect inspect circuit is required not to affect the work condition of the electrical devices. The injection circuit is required to have enough isolation. One microwave diplexer with high isolation was designed. Between 0~800 MHz and 1.4~4.5 GHz, the insertion loss of the microwave diplexer is less than 0.2 dB. The isolation between two channels is higher than 50 dB. The microwave diplexer owns the characteristics of compact structure, short developing cycle and steady performance. It works well in microwave effect injection experiment system.

Keywords： high isolation; diplexer; injection experiment; insertion loss

收稿日期：20110911

基金项目：武器装备预研基金资助课题（103.1.2E022050205）微波双工器是用来把一个信号频谱分开成2个频率范围的微波器件。它在微波毫米波通信、卫星通信、雷达、电子对抗、测试等系统中都有着广泛的应用。微带线型双工器是微波双工器的一个非常重要的分支［1］。微带线型双工器结构紧凑，研制周期短，性能稳定，此外微带线型双工器可以实现高隔离度的优点，已经在高功率效应注入实验系统中获得应用［2］。

1微波注入实验用双工器

微波注入效应实验是数字电路HPM效应机理研究的一个重要研究手段。效应机理研究注入实验系统设计如图1所示。微波脉冲经功率放大器后通过注入双工器与低频数字工作信号合路送入效应器件输入端口，数字电路输入、输出信号、微波脉冲输入和数字电路输出包含的微波脉冲信号由示波器监测，微波脉冲反射信号经检波后由示波器监测［3］。

数字电路效应机理注入实验研究系统是一个大功率在线测试系统，与侧重阈值效应注入电路实验设计方法有所不同，这里要求微波脉冲注入设计电路和效应监测电路的接入不影响正常的数字电路器件工作状态，如避免简单偏置电路对数字电路器件输入、输出电容加载效应；另外一点是要求注入电路隔离度足够大，即微波通道和数字逻辑电平信号通道之间具备很高隔离度，目的在于防止大功率微波脉冲泄漏功率对高精度测试仪器设备造成干扰甚至损伤。同时对于数字电路效应机理研究而言，需要更多观测输入、输出信号细节部分，如输出微波和数字低频信号的分离，输出微波信号频谱分析等，以便更好研究数字电路非线性效应过程与作用机理。

针对注入效应实验功率源0.8~4 GHz频段范围，自行设计与加工了0~100 MHz/1.5~4.4 GHz注入双工器。注入双工器由一个低通滤波器和带通滤波器构成，低通滤波器传输器件正常工作低频信号，而带通滤波器传输注入微波脉冲，设计时注意带通滤波器的功率容量指标以及插损尽量小。

微波双工器的设计方法大致有两种：一种是先设计好2个通道滤波器然后连接上T型或Y型结再对滤波器进行优化；另一种是设计好两通道滤波器再对T型或Y型结进行调整。不同的设计方法主要在于滤波器的结构和T型或Y型结的结构不同以及它们之间匹配的技术不同。本文设计的高隔离度微带线型双工器采用先分别设计高、低阻抗线低通滤波器和电容间隙耦合带通滤波器，然后连接T型结进行匹配调整。

图1数字电路注入实验系统1.1通道滤波器的设计

集总元件低通滤波器是现代网络综合法设计微波滤波器的基础。根据滤波器理论和一般的设计方法，在设计各种滤波器时，一般从归一化低通滤波器出发，通过函数关系可以变换为高通、带通或带阻滤波器［46］。

如图2所示是一种双终端低通滤波器的梯形电路，g0,g1,g2,…gn,gn+1是电路中个元件的数值,它们是由网络综合法得出的。简单说来，网络综合方法首先是把传输系数（或其转移函数）确定为复平面上的函数，由此求出复平面上的输入阻抗。然后把该输入阻抗表示成连分数或部分分式，从而得到电路元件的数值。

图2低通原型滤波器的电路不同近似特性的滤波器在通频带内和通频带外的幅度频响曲线的起伏性，过渡频带的下降速度，通频带内相位频率特性等有很大差异，设计中首先要做的就是根据使用条件选择滤波器的形式，即滤波器的近似特性，然后完成设计。为了实现好的阻带衰减特性和平坦的通带波纹，本文采用Chebyshev型滤波器来设计。Chebyshev低通原型滤波器的衰减特性，其数学表达式为：LA(ω′)=10lg{1+εcos2［ncos－1(ω′/ω1′)］}ω′

LA(ω′)=10lg{1+εcosh2［ncosh－1(ω′/ω1′)］}ω′≥ω1′（2）式中：ε=(10LAr10－1)12，LAr是通带内衰减最大值。这种特性滤波器同样可以用图2梯形电路来实现。上式中n就是该梯形电路的电抗元件数目。若n为偶数，则响应内LA=0的频率有n/2个；若n为奇数，则LA=0的频率有(n+1)/2个。对于两端都接电阻的双终端Chebyshev低通原型滤波器，设其通带波纹为LAr，g0=1，ω1′=1（归一化），则其他元件数值可用下式计算：g1=2a1γ；gk=4ak－1akbk－1gk－1,k=2,3,…,n；

gn+1=1,n为奇数

tanh2(β/4),n为偶数（3）式中:β=ln(cothLAr17.37)；γ=sinhβ2n；ak=sin［(2k－1)π2n］,k=1,2,…n；bk=γ2+sin2kπn,k=1,2,…n。

高、低阻抗线低通滤波器首先选定滤波器中的高、低阻抗值，设计出各高、低阻抗线中心导带宽度，在给定高、低阻抗值和两接地板的间距以及中心导带的厚度后，查表计算出各线段的宽度；根据滤波器实际元件数值和不连续阶梯的边缘电容值，可以计算出各高、低阻抗线的长度。最后修正两端阻抗的长度，以补偿它们与50 Ω传输线间的不连续性。带通滤波器可以由图2低通原型滤波器经阻抗变换器K和串联谐振器或导纳变换器J和并联谐振器转换而成。根据低通原型元件数值和相对带宽可以计算出各阻抗或导纳变换器参数，然后得到各电容间隙的电纳。由归一化电纳可以计算出各谐振器的实际长度。在给定两接地板的间距以及中心导带的厚度直接可以计算出各电容间隙，从而设计出电容间隙耦合带通滤波器。

1.2微波双工器T型接头设计

微波双工器T型接头不仅起到功率分配的作用，同时起到端口匹配作用。如图4所示为了使两个滤波器相互不影响，在端口2低通滤波器前还需要串联一段长度为λ1/4（λ1为端口3带通滤波器中心频率的介质波长）阻抗为50 Ω的特性阻抗微带传输线变换后接到公共输入端口1，使得带通滤波器的传输频率在低通滤波器端短路，经过λ1/4传输线阻抗后变成开路，从而不影响端口2的低通滤波器。

由于T型接头效应，实际的串联微带线长度要略小于λ1/4，其具体的长度可以先根据滤波器中心介质波长计算λ1/4变换微带线的长度来设定一个初始值，然后用ADS软件进行优化确定。同理，在端口3带通滤波器前也要串联一段λ2/4（λ2为端口2低通滤波器中心频率的介质波长）阻抗为50Ω的特性阻抗传输线，使低通滤波器的传输频率在带通滤波器端短路，经过λ2/4传输线阻抗后变成开路，从而不影响端口3的带通滤波器。

图3高隔离度微波双工器的原理图2微波双工器的设计

2.1微波双工器的仿真设计

本文设计的微波双工器是由上面分析的高、低阻抗线低通滤波器和电容间隙耦合带通滤波器通过T型接头并联构成［710］。微波双工器原理图3所示，设计的微波双工器的两信号通道分别为0~400 MHz和1.5~4.5 GHz。在设计过程中发现，由公式计算的尺寸和仿真的结果有一定的出入，这主要由于公式是在理想条件下简易模型计算出来的，没有考虑各个环节的互相影响，而仿真模拟尽可能的考虑到这方面的影响。实际影响器件频率响应的还有很多其它因数，如贴片的边缘电容对电磁波的影响，介质损耗等等，因此响应特性在频率上有一定的搬移。为了满足微波双工器小型化的要求，对其低通滤波器的高阻抗线部分进行了折弯倒角设计，同时在其带通滤波器的设计过程中采用了保留电容的设计，这种方法在频率不是很高的情况下能够进一步减小微波双工作器的尺寸（因为一般的电容在高频存在寄生通道，这将影响滤波器的频率特性）。实验中，采用陶瓷介质基板作为微波双工器的制作材料，介质的相对介电常数εr=3.5，介质衬底厚度为h=0.8 mm，微带金属导体厚度t=0.035 mm介质的损耗角正切tg δ=0.001 8。微波双工器结构如图4所示，利用ADS软件对连接构成的微波双工器进行优化仿真，最终实现高隔离度的微波双工器。

图4微波双工器的结构2.2微波双工器调试和测试结果

实验采用矢量网络分析仪对微波双工器进行调试。实验中带通滤波器通过调节并联微带线的长度来改变并联电感大小，从而可以改善带通滤波器的频率响应；低通滤波器通过调节微带线与地线之间的距离来改变耦合电容大小，从而可以改善低通滤波器的频率响应。实验分别对微波双工器的插入损耗和隔离度进行测试，测试结果如下图。

图5微波双工器的传输系数微波双工器传输特性曲线测试结果图5所示，在0~800 MHz和1.5~4.5 GHz频率范围内插入损耗小于0.2 dB。微波双工器双传输通道的隔离度测试结果图6所示，在0~400 MHz和1.5~4.5 GHz频率范围内隔离度大于50 dB，完全满足设计要求。

图6微波双工器的双通道隔离度3结语

本文由高、低阻抗线低通滤波器和电容间隙耦合带通滤波器通过T型接头并联合成微波双工器，充分利用微波仿真软件ADS强大的功能来提高微波双工器设计效率和可靠性，其仿真结果与测试结果符合很好。该微带型双工器隔离度高、结构紧凑、研制周期短、性能稳定已经在微波效应注入实验系统中获得良好的应用。

参考文献

［1］BAHL I，BHARTIA P. Microwave solid state circuit design \[M\]. 2nd ed. \[S.l.\]: WileyInterscience, 2003.

［2］周星,程二威,王书平.电磁脉冲对数字电路的辐照法与注入法比较［J］.河北大学学报,2010,30(5):594599.

［3］马延爽.微波双工器与多工器的设计［J］.无线电通信技术,1997(4):2125.

微波在有机合成中的应用篇8

关键词：中药材干燥微波技术，干燥设备

 

1 引言

我国历史悠久，土地辽阔，蕴藏着极丰富的中草药天然资源，在远古时代人们就已经开始利用各种中草药治病，如常山治疟疾，桦树皮止痛，都证明有很好的疗效。同时大量临床试验表明，相比人工合成药物，中草药的副作用小得多。免费论文。因此，传统药物尤其是中草药，在欧、亚、美等各洲越来越受到欢迎和重视。免费论文。

中药材一直是我国出口创汇的重要商品。目前我国中药材出口已扩展到世界130多个国家和地区，2008年出口金额为13.09亿美元,同比增长10.94%。但是在我国中药材出口贸易不断扩大、面临良好机遇的同时，也面对着一些随之而来的挑战，造成这种局面的主要原因之一就是中药材的质量问题。传统中药材干燥加工过程中所造成的性味劣变、生物活性物质(特别是药用有效成分)的损失以及安全性等问题，正是目前我国中药材面临的主要问题。在国际市场对中药材质量要求提高的同时，我国的中药材生产、产地加工相对不够规范，产品外观、色泽劣变、有效成分含量低。微波干燥由于具有干燥速度快、干燥均匀、产品质量好、可以选择性加热干燥、热效率高、反应灵敏等优点，而日益成为重要的中药材干燥方法之一。

2中药材干燥方法

我国对中药材干燥方法的研究已经有很长历史。早在公元1~2世纪左右，我国现存最早的中药材专著《神农百草经》中已有对中药材“阴干、曝干、采造时日、生熟土地所出”等有关干燥方面的记载[1]。唐代孙思邈著《千金翼方》一书中也有“夫药采取，不以阴干曝干，虽有药名，终无药实”等具体描述[2]。这是最经济的方法，成本较低。但是存在着许多工艺上的问题，如干燥时间长、有效成分破坏大、遇到阴雨天气容易霉烂变质、易被灰尘、蝇、鼠污染等缺点。

现代中药材干燥技术为了保证中药材药性及有效成分，在人工控制条件下，对中药材进行适当的干燥处理，包括常压或减压环境中以传导、对流、辐射方式或在高频电场内加热使之干燥，以促进水分蒸发，达到要求含水率，保持较高的产品品质，便于包装、储藏、运输。目前常采用干燥技术包括：烘房干燥、厢式烘干机、网带式干燥机、隧道式干燥机、翻版式干燥机、振动流化床干燥。上述几种方式多采用热风干燥原理，生产成本较低，因此广为采用，但有效成分损失也大，甚至有严重的品质衰退现象。另外，中药材干燥前需要适当的预处理，但由于程序较繁杂、费工时，实际干燥生产中往往不重视；干燥过程自动化程度不高，不能分时间段对中药材的含水率、水分活度，以及干燥介质的温度、湿度、流速进行自动监控，都造成干燥品质不佳、最终含水率不符合要求，严重地影响中药材产品的品质。

随着新型干燥技术及设备的开发及应用，人们对中药材干燥质量的提高、能量单耗的降低、操作的可靠性都提出了更高的要求，干燥将朝着提高产品质量、有效利用能源、减少环境影响、运用计算机提高自控水平、操作简单等方向发展。结合当前中药材的特性，正在开发研制的干燥技术主要有:真空冷冻干燥、微波干燥、远红外干燥、热泵以及太阳能干燥。真空冷冻干燥与其工艺相比，设备昂贵，加工成本高，但它是保证中药材干燥品质的较佳工艺，增值率高，将被十分广泛地应用到生产实际中去；微波干燥作为一门先进工艺，技术上是可行的，但生产成本较高，使用时还对监控手段和供电条件有苛刻的要求，所以尚未能大规模应用；远红外干燥设备简单，辐照均匀，干燥速度快，干燥时间为热风干燥的1/10左右，生产效率高，可连续操作，实现温度、风量、进料的自动控制 ，不会引起中药材物理结构的变化，较好地保持性味及有效成分，因此在实际干燥生产中普遍应用；热泵干燥能够很好地保障干燥产品的品质，中药材的颜色、外观形态和有效成分等在热泵干燥都能得到妥善的保护，其还有不污染环境、操作方便等优点，因此越来越受到中药材干燥行业的重视；太阳能干燥是取之不尽，用之不竭且无污染的能源，中药材采用太阳能干燥可以取得较好的经济效益。

3微波技术在中药材干燥的应用

随着微波技术的发展，微波干燥技术在中药领域的应用得到一系列的进展，尤其是在中药材干燥灭菌上。卢鹏伟等对六味地黄丸进行微波干燥与烘箱干燥比较，发现微波干燥时丹参酚含量损失率平均降低2.4%，灭菌率平均提高1.9倍[3]。鞠兴荣等对不同微波功率条件下银杏叶的干燥规律和对有效成分含量的影响进行了初步研究，结果不同的微波功率对干燥速率影响比较大，脱水恒速期结束时银杏叶的水分含量在10%左右，过高强度的微波辐射导致黄酮苷和萜类内脂等主要有效成分部分降解[4]。杨张渭等把微波干燥灭菌工艺试用于丸剂生产，用微波干燥灭菌工艺对水丸、水蜜丸、和浓缩水蜜丸3种丸剂类型的5种产品进行试验，结果表明成品的形状、溶散时限、水分、微生物限度检查等质量指标均符合标准规定。一般干燥250—300kg丸药，耗电仅83kw,能源利用率达到70%，将微波频率控制在2450 MHz,时间为1.5min,对5个批号的玄驹胶囊进行微波灭菌，细菌平均降低率为98.11%[5]。王茂学利用改进的实验室微波炉进行人参干燥，提出微波与热风干燥相结合，能有效地保护人参的干燥质量，有效成分总皂贰含量损失小，且在自然对流的情况下，干燥的时间仅为热风干燥的1/10~1/5[6]。王绍林认为采用微波——真空冷冻干燥人参，微波能量达到物料深层转换成热能，使深层水分迅速蒸发形成较高的内部蒸汽压，表里温升均匀，消除了干燥表层常见的皱皮萎缩现象[38]。免费论文。

4 基于微波技术的中药材干燥设备

采用微波进行中药材干燥是指利用微波能量使中药材内水分气化的过程。微波加热穿透性强，能使中药材表里温升均匀，微波能量达到中草药物料深层转化为热能，使深层水分迅速蒸发形成较高的内部蒸汽压，消除干燥表层常见的皱皮萎缩现象，较好的保护干燥品质，这是常规加热干燥所不及的。同时微波还对物料伴随着生物效应（非热效应），在较短时间内杀死虫卵和大肠杆菌等微生物。

微波干燥设备主要有直流电源、微波管、传输线或传导、微波炉及冷却系统等几个部分所组成。如图1-1所示：

5 结语

在中药材干燥质量方面，和其他技术相比，微波技术有明显的优势。但应用微波技术进行中药材干燥，也有很多不足之处且技术比较不完善。随着技术的发展，这些不足之处必会逐步被克服，或许会有更先进的技术将应用于中药材干燥。

参考文献：

[1] 陈重明. 本草书[M]. 南京：南京工业出版社，1994

[2] 孙思邈. 千金翼方(卷一)[M]. 北京：人民医生出版社，1982

[3] 卢鹏伟, 杨晨华, 何颖等. 浓缩六味地黄丸两种不同干燥方法的比较[J]. 河南大学学报，2002，21(4):21~22

[4] 鞠兴荣, 汪海峰. 微波干燥对银杏叶中有效成分的影响[J]. 食品科学, 2002, 23(12):56~58

[5] 杨张渭, 周定君, 任琦等. 微波干燥灭菌工艺在丸剂生产中的应用[J]. 中成药, 2000, 22(7): 468~469

[6] 王茂学. 人参干燥特性研究[D]. 北京农业大学硕士论文，1994