我國微波的應用現狀研究＊

劉 飛，韓思學，韓委吶，蘇智敏，白 靜，黃婧禹，楊大堅△

（1.重慶市中藥研究院大健康中心中藥健康學重慶市重點實驗室，重慶 400065；2.中國中醫科學院中藥資源中心重慶分中心，重慶 400065）

微波是一種頻率范圍在300MHz～300GHz 的電磁波[1]。由于微波頻譜寬，傳播時不易受環境影響，反應速度快、對公眾健康無顯著輻射危害等特點[2]，在人們日常生活和國民經濟發展中具有廣闊的應用前景。為系統掌握我國在微波領域的應用現狀，本研究通過Soopat 網站（http://www.soopat.com/）查詢我國以“微波”為關鍵詞的專利發明大數據。在此基礎上，根據微波的應用特征[3]，并以“微波加熱”“微波檢（探）測”和“微波通訊（信）”三大領域的相關專利和文獻研究內容為依據說明微波在我國的應用現狀。

1 研究方法

在Soopat 網站（http://www.soopat.com/）上輸入關鍵詞“微波”，以SooPAT 模式開展搜索（截止時間是2020 年2 月29 日14 點）。在此基礎上，繼續在Soopat 網站（http://www.soopat.com/）上輸入關鍵詞“微波加熱”；“微波檢測”“微波探測”；“微波通信”和“微波通訊”（截止時間是2020 年3 月6 日14點）。統計時，將“微波檢測”和“微波探測”的專利數相加獲得微波檢（探）測（簡稱“檢測”）的專利數；將“微波通信”和“微波通訊”的專利數相加獲得微波通信（訊）（簡稱“通訊”）的專利數。

2 結果與分析

2.1 有關微波的專利現狀

從表1 可見，關于微波的專利統計包括發明、實用新型、外觀設計和發明授權，總數高達133015 項。

其中發明最多，有76832 項；其次是實用新型，有26215 項；外觀設計最少，僅有4724 項。在眾多專利中，有權的專利有50020 項，占微波專利總數的37.6%，由此可見微波專利的有權率較低。處于公開階段和實審階段的專利分別有2538 項和25072 項，這兩個階段的專利數量之和占微波專利總數的20.8%，表明有關微波的內容也是專利申請的熱點。除有權的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數量約占專利總數的40%，這一結果表明，微波專利的有效率并不高。

2.2 微波在加熱領域的應用

從表2 可見，關于微波加熱的專利總數高達13340 項。其中發明專利最多，有7873 項，占專利總數的59.0%；實用新型和發明授權的專利數量分別為2637 項和2755 項，分別占專利總數的19.8%和20.7%；外觀設計的專利最少，僅有75 項，占專利總數的0.6%。在眾多微波加熱專利中，有權的專利有5105 項，占微波加熱專利總數的38.3%，由此可見微波加熱專利的有權率較低。處于公開階段和實審階段的專利分別有328 項和2689 項，這兩個階段的專利數量之和占微波加熱專利總數的22.6%，表明有關微波加熱方面的應用也是專利申請的熱點。除了有權的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數量約占微波加熱專利總數的40%。這一結果表明，微波加熱專利的有效率也并不高。

表1 有關微波總的專利情況

表2 有關微波在加熱、檢測和通訊三大領域的專利統計

在微波加熱的相關專利中，有關微波爐的專利較多，截止2020 年3 月5 日14 點共搜索到18569項。其中發明專利最多，為8596 項，占微波爐專利數量的46.3%；其次是實用新型專利，有3867 項，占微波爐專利數量的20.8%；外觀設計和發明授權專利分別為3075 項和3023 項，分別占微波爐專利數量的16.6%和16.3%。

微波是高頻電磁波。在微波的電磁場作用下，被加熱物質的分子運動由原來雜亂無章的狀態變成有序的高頻振動，分子動能轉變成熱能，達到均勻加熱的目的[4]，具有加熱的即時性、整體性、選擇性、高效性和安全性的特點。微波在加熱領域的應用主要反映在微波加熱與解凍，微波改性，微波干燥，微波滅菌與殺蟲等方面[5]。具體如下：

2.2.1 在食品加工方面的應用

微波滅菌是食品加工領域的前沿技術，有著廣泛的應用前景[6]。乳品加熱或滅菌時，與傳統方式相比，采用微波法更能保留乳品本來的風味和品質，而且能有效殺滅乳品中的微生物；另外，微波加熱還可以促進乳業廢物的降解[7]。張淼等[8]在研究芝麻醬的制作工藝時發現，以脫皮芝麻通過微波加熱、膠體磨碾磨制得的產品感官最好。楊登玲等[9]在加工鴨肉時發現微波加熱中低火檔環境下鴨肉的食鹽及水分擴散最佳。

2.2.2 在冶金工業方面的應用

利用微波加熱來熔煉金屬，不僅可以提高熔煉效率，節約能源，還可以減少原材料的浪費[10]。尤其是在粉末冶金領域中具有廣闊的應用前景[11-12]。不僅如此，通過微波冶煉后的金屬材料還會出現熱性能、工程性能、聲學性能等方面的性能優化，使材料具有更細致的微觀結構[13]。朱路路等[14]以黃鐵礦礦石、方解石為研究對象探究微波作用下礦石強度弱化的機理，結果表明，黃鐵礦為微波吸收型，內部溫度呈線性增長；方解石性質影響應力峰值以及初始裂紋的產生；黃鐵礦顆粒粒度大，礦石以剪切屈服為主，反之，以拉伸屈服為主。

2.2.3 在新材料制備方面的應用

微波高溫加熱技術被認為是本世紀最有可能取代傳統外部加熱技術而應用于材料制備的先進技術[15]。杜兆林等[16]通過微波加熱的方式來提高木質纖維素結構的改性效果，從而有利于提高木質纖維素對重金屬的吸附能力。楊繼年等[17-19]綜述了微波加熱技術在分子篩、分子篩膜、高分子泡沫材料、碳材料和金屬有機框架材料等方面的應用，與傳統加熱技術比較，微波加熱可以大幅度縮短制備時間，改善產品性能。賈榮仙等[20]采用微波加熱法將殼聚糖與氯乙酸發生醚化改性反應，得到可用于水果保鮮的羧甲基殼聚糖。李淑貞等[21]采用微波輔助加熱法成功制備鈦白產品，超越了在相同的水解和煅燒條件下，傳統工業堿中和法與稀釋水解法均只能得到銳鈦型鈦白的工藝效果。劉霄昱等[22]以球形石墨作為吸波升溫載體，微波加熱制備了一種具有兩層包覆空腔結構的Fe-Mn-Co-Cu 復合尖晶石相紅外輻射材料。楊博宇等[23]以包頭鐵尾礦、金礦尾礦為主要原料，以白云鄂博礦尾礦中含有的Fe2O3和CaF2為形核劑，采用玻璃熔制-微波熱處理方法制備出以輝石相為主晶相的尾礦微晶玻璃，并廣泛應用于化工、電力、建材等行業。

2.2.4 在生物質能源方面的應用

生物質能源是可替代石油和天然氣的新一代清潔能源[24]，而生物質的微波熱裂解又是該領域中具有超強發展前景的技術，包括生物質微波熱解制油技術、生物質微波熱解制取生物炭技術、生物質微波熱解制取合成氣技術等等[25]。在頁巖油的制備過程中，與常規熱解工藝相比，微波熱解生成的頁巖油組成更好，產率更高[26，27]。張彥軍等[28]使用碳基材料和金屬氧化物作為微波吸收劑進行強化微波熱解，不但可以提高煤焦油和煤氣有價組分(CO+CH4+H2)的產率，而且可以充分發揮微波加熱技術節能高效的優點。在此基礎上如果給予富氫條件，還可以改善產品結構，提高煤焦油產率。

2.2.5 在化學工藝方面的應用

微波在化學領域的應用十分廣泛[29]，李維新等[30]采用微波控溫輔助超聲波的方法提高了管萼山豆根莖中總生物堿的提取率。朱榮淑等[31]研究發現，微波加熱α-MnO2，不僅可以快速低耗地催化甲苯和O3的反應，而且具有很好的去除甲苯和O3的效果。張建兵等[32]采用微波免疫組化染色方法可明顯縮短乳癌雌、孕激素受體的免疫標記時間，提高檢測效率。同樣，微波法可以縮短在結核病患者血清中結素蛋白多肽抗體含量的時間[33]、縮短血吸蟲病血清抗體的檢測時間[34]、縮短豬瘟抗體的檢測時間[35]、縮短檢測獻血者的HBsAg[36]。在酶催化反應中，微波可以影響酶催化反應速度與轉化率或產率，影響酶促反應選擇性與專一性，還影響酶的結構和活性[37]。丁梁斌[38]研究發現在甘油處理的基礎上聯合微波加熱預處理可以明顯改善稻草粉的酶解效果。

另外，微波加熱可以治療腫瘤[39]；可以實現陶瓷材料的制備、加工及修復[40]等功能。

2.3 微波在檢測領域的應用

從表2 可見，關于微波檢測的專利總數高達1584 項。其中發明專利最多，有713 項，占微波檢測專利總數的45.0%；其次是實用新型的專利數，為662 項，占微波檢測專利總數的41.8%；外觀設計和發明授權的專利數量分別為31 項和178 項，分別占微波檢測專利總數的2.0%和11.2%。在眾多微波檢測專利中，有權的專利有684 項，占微波檢測專利總數的43.2%，由此可見微波檢測專利的有權率較高。處于公開階段和實審階段的專利分別有19項和251 項，處于這兩個階段的專利數量之和占微波檢測專利總數的17.0%，表明近年來有關微波檢測的專利申請并不是熱點。除了有權的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數量約占微波檢測專利總數的40%，這一結果表明，微波檢測專利的有效率也并不高。

微波檢測的基本原理綜合了微波與物質的相互作用。一方面微波在不連續界面處會產生反射等多種物理現象；另一方面微波還能與被檢材料產生相互作用，如產生極化等現象。由于材料的電磁參數是材料自身多個因素的函數，因此根據微波場的變化可以推斷出被檢材料的質量狀況[3，41]。微波遙感首先應用于國防工業領域[41]，目前已經滲透到國民經濟發展的多個領域。

2.3.1 在金屬檢測方面的應用

閏文輝等[42]發現采用36.75GHz 頻率的微波信號，可以獲得最佳的玻璃鋼抽油桿缺陷反射信號波和穿透信號波，從而實現玻璃鋼抽油桿破損的檢測。類似的檢測原理還用于汽車潤滑油中磨粒的監測[43]。王任玉等[44]在探測金屬表面不同的裂縫時發現，對同一深度（或寬度）的裂縫，介電顆粒諧振頻率隨著裂縫寬度（深度）增大向低頻移動，并且諧振頻率的變化率也隨裂縫寬度（深度）增大而減小。周在杞等[1]基于電磁導波原理測定長管中管壁厚薄的變化量，從而實現微波對金屬管較高精度的質量評價。

2.3.2 在醫療方面的應用

微波在醫療方面的應用主要是腫瘤檢測，其中又以乳腺腫瘤檢測為主[45、46]。與其他的組織相比，正常的乳房組織對微波具有更高的透明度；而且與其他癌癥不同，乳腺腫瘤在微波波段與健康的乳房組織之間有著明顯不同的電學特性，微波更容易穿透乳房。董夏晨等[47]在利用徽波近場檢測乳腺腫瘤的基礎上成功開發出一套數據處理系統，能夠完成采樣數據的反演計算并可輸出能被人眼辨別的組織圖像，這一成果提高了微波檢測乳腺癌的效率。李而周等[48]根據食管解剖位置和食管癌發病特點，發現微波檢測對食管癌的診斷有一定的幫助。另外在醫療救助時，救援人員可以從受災人體表面微動引起的回波信號判斷人體的生命參數[49]。

2.3.3 在農業方面的應用

微波在農業上的檢測應用也十分廣泛。在糧食害蟲檢測方面，胡麗華等[50]根據微波信號遇到移動物體反射后產生的多普勒效應來判斷害蟲的有無。劉豪等[51]根據電磁波在不同介質中的傳播路徑、波形和電磁場強度隨所通過介質的介電常數及幾何形態的差異而變化的特點來進行目標識別。針對微波透射過糧食后，其反射波的能量衰減，信號參數變化與介電常數及糧食水分含量之間的關系，不少學者[52-54]構建了儲糧水分的精準檢測模型。

2.3.4 在復合材料方面的應用

對復合材料的無損檢測，包括檢測其中的氣孔缺陷、粘脫以及厚度均勻性等。趙麗生[55]采用微波駐波法或反射波法測量了非金屬復合材料薄片的厚度。陸榮林等[56]以特定的微波頻率檢測出玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料中2mm 的氣孔缺陷，但對孔徑為1mm 的缺陷檢測精度不高。樊明捷等[57]研究發現多層復合材料的粘結缺陷空氣層厚度處于0～3mm 時，微波檢測到的相位平均變化為2.2°，據此可以測量多層粘合材料的層間脫粘厚度。波的傳播常數變化與復合材料的不均勻程度密切相關，通過透射波法檢測復合材料電磁參數的變化，從而判斷非金屬復合材料的不均勻性[57]。

另外，微波還在工業鍋爐燃燒中飛灰含碳量的檢測[58]、動靜車輛[59]的實時檢測、地下考古[60]、氣象預測預報[61]，以及海洋、冰雪、空間探測[62]等方面得到廣泛應用。

2.4 微波在通訊領域的應用

從表2 可見，關于微波通訊的專利總數為2040項。其中發明專利和實用新型專利數量相當，分別為802 項和803 項，分別占微波通訊專利總數的39.3%和39.4%；其次是發明授權的專利數，為299項，占微波通訊專利總數的14.7%；外觀設計的專利數量為136 項，占微波通訊專利總數的6.7%。在眾多微波通訊專利中，有權的專利有912 項，占微波通訊專利總數的44.7%，由此可見微波通訊專利的有權率較高。處于公開階段和實審階段的專利分別有25 項和214 項，處于這兩個階段的專利數量之和占微波通訊專利總數的11.7%，表明近年來有關微波通訊的專利申請并不是熱點。除了有權的專利和處于申請過程中的專利，其他包括撤回、未繳年費、屆滿等事項的專利數量約占微波通訊專利總數的43.6%。這一結果表明，微波通訊專利的有效率也并不高。

微波是在視距范圍內的直線傳播，40km～50km是其有效的通信距離。只有當發射地點和接收地點之間無阻擋時，微波信息才能成功接收。微波通信具有穿透性好、信息量大、經濟成本小、應用廣泛的特點；微波傳播在一定程度上也受到環境和天氣的影響，可以采用接力棒式的組網方式進行中繼傳輸[63]。

目前微波傳輸技術主要用于基站回傳和應急通信[64]。例如，在地面城市之間進行中短距離通信可以利用微波通信頻率寬的特點，在多個城市之間或者樓宇之間組建基于微波的局域網，實現地域內多單位實時通信。另外，由于微波通信設備供電靈活，受地面災害影響小等優勢，在應急通信的領域發揮了重要作用[65]。

除視距范圍內的微波通信外，微波超視距傳播具有較大的實際應用價值。它是基于對流層大氣超折射和散射機制，可實現數百千米的遠距離目標探測或無中繼微波超視距遠距離通信[66]，衛星通信也是微波通信的一種[65]。

3 結論

統計結果表明，微波是現階段專利申請的熱點；但是有關微波加熱方面專利的有權率和有效率都較低；而有關微波檢測和微波通訊方面專利的有權率都較高，但有效率都較低。通過文獻研究發現，微波在我國加熱領域、檢測領域和通訊領域的應用十分廣泛，但是微波在我國發展的約30 年時間里，雖然縮短了與國際上的發展距離，尚有許多應用的未知領域亟待研究與開發[62]。