我国微波的应用现状研究＊

刘 飞，韩思学，韩委呐，苏智敏，白 静，黄婧禹，杨大坚△

（1.重庆市中药研究院大健康中心中药健康学重庆市重点实验室，重庆 400065；2.中国中医科学院中药资源中心重庆分中心，重庆 400065）

微波是一种频率范围在300MHz～300GHz 的电磁波[1]。由于微波频谱宽，传播时不易受环境影响，反应速度快、对公众健康无显著辐射危害等特点[2]，在人们日常生活和国民经济发展中具有广阔的应用前景。为系统掌握我国在微波领域的应用现状，本研究通过Soopat 网站（http://www.soopat.com/）查询我国以“微波”为关键词的专利发明大数据。在此基础上，根据微波的应用特征[3]，并以“微波加热”“微波检（探）测”和“微波通讯（信）”三大领域的相关专利和文献研究内容为依据说明微波在我国的应用现状。

1 研究方法

在Soopat 网站（http://www.soopat.com/）上输入关键词“微波”，以SooPAT 模式开展搜索（截止时间是2020 年2 月29 日14 点）。在此基础上，继续在Soopat 网站（http://www.soopat.com/）上输入关键词“微波加热”；“微波检测”“微波探测”；“微波通信”和“微波通讯”（截止时间是2020 年3 月6 日14点）。统计时，将“微波检测”和“微波探测”的专利数相加获得微波检（探）测（简称“检测”）的专利数；将“微波通信”和“微波通讯”的专利数相加获得微波通信（讯）（简称“通讯”）的专利数。

2 结果与分析

2.1 有关微波的专利现状

从表1 可见，关于微波的专利统计包括发明、实用新型、外观设计和发明授权，总数高达133015 项。

其中发明最多，有76832 项；其次是实用新型，有26215 项；外观设计最少，仅有4724 项。在众多专利中，有权的专利有50020 项，占微波专利总数的37.6%，由此可见微波专利的有权率较低。处于公开阶段和实审阶段的专利分别有2538 项和25072 项，这两个阶段的专利数量之和占微波专利总数的20.8%，表明有关微波的内容也是专利申请的热点。除有权的专利和处于申请过程中的专利，其他包括撤回、未缴年费、届满等事项的专利数量约占专利总数的40%，这一结果表明，微波专利的有效率并不高。

2.2 微波在加热领域的应用

从表2 可见，关于微波加热的专利总数高达13340 项。其中发明专利最多，有7873 项，占专利总数的59.0%；实用新型和发明授权的专利数量分别为2637 项和2755 项，分别占专利总数的19.8%和20.7%；外观设计的专利最少，仅有75 项，占专利总数的0.6%。在众多微波加热专利中，有权的专利有5105 项，占微波加热专利总数的38.3%，由此可见微波加热专利的有权率较低。处于公开阶段和实审阶段的专利分别有328 项和2689 项，这两个阶段的专利数量之和占微波加热专利总数的22.6%，表明有关微波加热方面的应用也是专利申请的热点。除了有权的专利和处于申请过程中的专利，其他包括撤回、未缴年费、届满等事项的专利数量约占微波加热专利总数的40%。这一结果表明，微波加热专利的有效率也并不高。

表1 有关微波总的专利情况

表2 有关微波在加热、检测和通讯三大领域的专利统计

在微波加热的相关专利中，有关微波炉的专利较多，截止2020 年3 月5 日14 点共搜索到18569项。其中发明专利最多，为8596 项，占微波炉专利数量的46.3%；其次是实用新型专利，有3867 项，占微波炉专利数量的20.8%；外观设计和发明授权专利分别为3075 项和3023 项，分别占微波炉专利数量的16.6%和16.3%。

微波是高频电磁波。在微波的电磁场作用下，被加热物质的分子运动由原来杂乱无章的状态变成有序的高频振动，分子动能转变成热能，达到均匀加热的目的[4]，具有加热的即时性、整体性、选择性、高效性和安全性的特点。微波在加热领域的应用主要反映在微波加热与解冻，微波改性，微波干燥，微波灭菌与杀虫等方面[5]。具体如下：

2.2.1 在食品加工方面的应用

微波灭菌是食品加工领域的前沿技术，有着广泛的应用前景[6]。乳品加热或灭菌时，与传统方式相比，采用微波法更能保留乳品本来的风味和品质，而且能有效杀灭乳品中的微生物；另外，微波加热还可以促进乳业废物的降解[7]。张淼等[8]在研究芝麻酱的制作工艺时发现，以脱皮芝麻通过微波加热、胶体磨碾磨制得的产品感官最好。杨登玲等[9]在加工鸭肉时发现微波加热中低火档环境下鸭肉的食盐及水分扩散最佳。

2.2.2 在冶金工业方面的应用

利用微波加热来熔炼金属，不仅可以提高熔炼效率，节约能源，还可以减少原材料的浪费[10]。尤其是在粉末冶金领域中具有广阔的应用前景[11-12]。不仅如此，通过微波冶炼后的金属材料还会出现热性能、工程性能、声学性能等方面的性能优化，使材料具有更细致的微观结构[13]。朱路路等[14]以黄铁矿矿石、方解石为研究对象探究微波作用下矿石强度弱化的机理，结果表明，黄铁矿为微波吸收型，内部温度呈线性增长；方解石性质影响应力峰值以及初始裂纹的产生；黄铁矿颗粒粒度大，矿石以剪切屈服为主，反之，以拉伸屈服为主。

2.2.3 在新材料制备方面的应用

微波高温加热技术被认为是本世纪最有可能取代传统外部加热技术而应用于材料制备的先进技术[15]。杜兆林等[16]通过微波加热的方式来提高木质纤维素结构的改性效果，从而有利于提高木质纤维素对重金属的吸附能力。杨继年等[17-19]综述了微波加热技术在分子筛、分子筛膜、高分子泡沫材料、碳材料和金属有机框架材料等方面的应用，与传统加热技术比较，微波加热可以大幅度缩短制备时间，改善产品性能。贾荣仙等[20]采用微波加热法将壳聚糖与氯乙酸发生醚化改性反应，得到可用于水果保鲜的羧甲基壳聚糖。李淑贞等[21]采用微波辅助加热法成功制备钛白产品，超越了在相同的水解和煅烧条件下，传统工业碱中和法与稀释水解法均只能得到锐钛型钛白的工艺效果。刘霄昱等[22]以球形石墨作为吸波升温载体，微波加热制备了一种具有两层包覆空腔结构的Fe-Mn-Co-Cu 复合尖晶石相红外辐射材料。杨博宇等[23]以包头铁尾矿、金矿尾矿为主要原料，以白云鄂博矿尾矿中含有的Fe2O3和CaF2为形核剂，采用玻璃熔制-微波热处理方法制备出以辉石相为主晶相的尾矿微晶玻璃，并广泛应用于化工、电力、建材等行业。

2.2.4 在生物质能源方面的应用

生物质能源是可替代石油和天然气的新一代清洁能源[24]，而生物质的微波热裂解又是该领域中具有超强发展前景的技术，包括生物质微波热解制油技术、生物质微波热解制取生物炭技术、生物质微波热解制取合成气技术等等[25]。在页岩油的制备过程中，与常规热解工艺相比，微波热解生成的页岩油组成更好，产率更高[26，27]。张彦军等[28]使用碳基材料和金属氧化物作为微波吸收剂进行强化微波热解，不但可以提高煤焦油和煤气有价组分(CO+CH4+H2)的产率，而且可以充分发挥微波加热技术节能高效的优点。在此基础上如果给予富氢条件，还可以改善产品结构，提高煤焦油产率。

2.2.5 在化学工艺方面的应用

微波在化学领域的应用十分广泛[29]，李维新等[30]采用微波控温辅助超声波的方法提高了管萼山豆根茎中总生物碱的提取率。朱荣淑等[31]研究发现，微波加热α-MnO2，不仅可以快速低耗地催化甲苯和O3的反应，而且具有很好的去除甲苯和O3的效果。张建兵等[32]采用微波免疫组化染色方法可明显缩短乳癌雌、孕激素受体的免疫标记时间，提高检测效率。同样，微波法可以缩短在结核病患者血清中结素蛋白多肽抗体含量的时间[33]、缩短血吸虫病血清抗体的检测时间[34]、缩短猪瘟抗体的检测时间[35]、缩短检测献血者的HBsAg[36]。在酶催化反应中，微波可以影响酶催化反应速度与转化率或产率，影响酶促反应选择性与专一性，还影响酶的结构和活性[37]。丁梁斌[38]研究发现在甘油处理的基础上联合微波加热预处理可以明显改善稻草粉的酶解效果。

另外，微波加热可以治疗肿瘤[39]；可以实现陶瓷材料的制备、加工及修复[40]等功能。

2.3 微波在检测领域的应用

从表2 可见，关于微波检测的专利总数高达1584 项。其中发明专利最多，有713 项，占微波检测专利总数的45.0%；其次是实用新型的专利数，为662 项，占微波检测专利总数的41.8%；外观设计和发明授权的专利数量分别为31 项和178 项，分别占微波检测专利总数的2.0%和11.2%。在众多微波检测专利中，有权的专利有684 项，占微波检测专利总数的43.2%，由此可见微波检测专利的有权率较高。处于公开阶段和实审阶段的专利分别有19项和251 项，处于这两个阶段的专利数量之和占微波检测专利总数的17.0%，表明近年来有关微波检测的专利申请并不是热点。除了有权的专利和处于申请过程中的专利，其他包括撤回、未缴年费、届满等事项的专利数量约占微波检测专利总数的40%，这一结果表明，微波检测专利的有效率也并不高。

微波检测的基本原理综合了微波与物质的相互作用。一方面微波在不连续界面处会产生反射等多种物理现象；另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，如产生极化等现象。由于材料的电磁参数是材料自身多个因素的函数，因此根据微波场的变化可以推断出被检材料的质量状况[3，41]。微波遥感首先应用于国防工业领域[41]，目前已经渗透到国民经济发展的多个领域。

2.3.1 在金属检测方面的应用

闰文辉等[42]发现采用36.75GHz 频率的微波信号，可以获得最佳的玻璃钢抽油杆缺陷反射信号波和穿透信号波，从而实现玻璃钢抽油杆破损的检测。类似的检测原理还用于汽车润滑油中磨粒的监测[43]。王任玉等[44]在探测金属表面不同的裂缝时发现，对同一深度（或宽度）的裂缝，介电颗粒谐振频率随着裂缝宽度（深度）增大向低频移动，并且谐振频率的变化率也随裂缝宽度（深度）增大而减小。周在杞等[1]基于电磁导波原理测定长管中管壁厚薄的变化量，从而实现微波对金属管较高精度的质量评价。

2.3.2 在医疗方面的应用

微波在医疗方面的应用主要是肿瘤检测，其中又以乳腺肿瘤检测为主[45、46]。与其他的组织相比，正常的乳房组织对微波具有更高的透明度；而且与其他癌症不同，乳腺肿瘤在微波波段与健康的乳房组织之间有着明显不同的电学特性，微波更容易穿透乳房。董夏晨等[47]在利用徽波近场检测乳腺肿瘤的基础上成功开发出一套数据处理系统，能够完成采样数据的反演计算并可输出能被人眼辨别的组织图像，这一成果提高了微波检测乳腺癌的效率。李而周等[48]根据食管解剖位置和食管癌发病特点，发现微波检测对食管癌的诊断有一定的帮助。另外在医疗救助时，救援人员可以从受灾人体表面微动引起的回波信号判断人体的生命参数[49]。

2.3.3 在农业方面的应用

微波在农业上的检测应用也十分广泛。在粮食害虫检测方面，胡丽华等[50]根据微波信号遇到移动物体反射后产生的多普勒效应来判断害虫的有无。刘豪等[51]根据电磁波在不同介质中的传播路径、波形和电磁场强度随所通过介质的介电常数及几何形态的差异而变化的特点来进行目标识别。针对微波透射过粮食后，其反射波的能量衰减，信号参数变化与介电常数及粮食水分含量之间的关系，不少学者[52-54]构建了储粮水分的精准检测模型。

2.3.4 在复合材料方面的应用

对复合材料的无损检测，包括检测其中的气孔缺陷、粘脱以及厚度均匀性等。赵丽生[55]采用微波驻波法或反射波法测量了非金属复合材料薄片的厚度。陆荣林等[56]以特定的微波频率检测出玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料中2mm 的气孔缺陷，但对孔径为1mm 的缺陷检测精度不高。樊明捷等[57]研究发现多层复合材料的粘结缺陷空气层厚度处于0～3mm 时，微波检测到的相位平均变化为2.2°，据此可以测量多层粘合材料的层间脱粘厚度。波的传播常数变化与复合材料的不均匀程度密切相关，通过透射波法检测复合材料电磁参数的变化，从而判断非金属复合材料的不均匀性[57]。

另外，微波还在工业锅炉燃烧中飞灰含碳量的检测[58]、动静车辆[59]的实时检测、地下考古[60]、气象预测预报[61]，以及海洋、冰雪、空间探测[62]等方面得到广泛应用。

2.4 微波在通讯领域的应用

从表2 可见，关于微波通讯的专利总数为2040项。其中发明专利和实用新型专利数量相当，分别为802 项和803 项，分别占微波通讯专利总数的39.3%和39.4%；其次是发明授权的专利数，为299项，占微波通讯专利总数的14.7%；外观设计的专利数量为136 项，占微波通讯专利总数的6.7%。在众多微波通讯专利中，有权的专利有912 项，占微波通讯专利总数的44.7%，由此可见微波通讯专利的有权率较高。处于公开阶段和实审阶段的专利分别有25 项和214 项，处于这两个阶段的专利数量之和占微波通讯专利总数的11.7%，表明近年来有关微波通讯的专利申请并不是热点。除了有权的专利和处于申请过程中的专利，其他包括撤回、未缴年费、届满等事项的专利数量约占微波通讯专利总数的43.6%。这一结果表明，微波通讯专利的有效率也并不高。

微波是在视距范围内的直线传播，40km～50km是其有效的通信距离。只有当发射地点和接收地点之间无阻挡时，微波信息才能成功接收。微波通信具有穿透性好、信息量大、经济成本小、应用广泛的特点；微波传播在一定程度上也受到环境和天气的影响，可以采用接力棒式的组网方式进行中继传输[63]。

目前微波传输技术主要用于基站回传和应急通信[64]。例如，在地面城市之间进行中短距离通信可以利用微波通信频率宽的特点，在多个城市之间或者楼宇之间组建基于微波的局域网，实现地域内多单位实时通信。另外，由于微波通信设备供电灵活，受地面灾害影响小等优势，在应急通信的领域发挥了重要作用[65]。

除视距范围内的微波通信外，微波超视距传播具有较大的实际应用价值。它是基于对流层大气超折射和散射机制，可实现数百千米的远距离目标探测或无中继微波超视距远距离通信[66]，卫星通信也是微波通信的一种[65]。

3 结论

统计结果表明，微波是现阶段专利申请的热点；但是有关微波加热方面专利的有权率和有效率都较低；而有关微波检测和微波通讯方面专利的有权率都较高，但有效率都较低。通过文献研究发现，微波在我国加热领域、检测领域和通讯领域的应用十分广泛，但是微波在我国发展的约30 年时间里，虽然缩短了与国际上的发展距离，尚有许多应用的未知领域亟待研究与开发[62]。