微波爐 Microwave Oven 與 電磁學 Field and Wave Electromagnetics

        電磁學Field and Wave Electromagnetics, 一本讓學長學弟不分年級聚在一起的課程，之前在學校就覺得這本書到底在說什麼東東，但是一個RF工程師電磁學......說實在不會算也可以混下去，但生活中常常見到電磁學的理論應用，今天來介紹一個幾乎每個家庭廚房都有的設備，Microwave Oven微波爐。

微波爐與共振腔體與RF

        微波爐是最近20年發明的家電，現在你使用他幾乎變成理所當然，對應的微波食品與料理也變成一種理所當然的產品，從結構上就是一個把RF訊號打到一個矩形共振腔體，訊號會在腔體裡面共振形成駐波，但實際尺寸會激發TM模態還是TE模態。

        讓我們看一下書本，對X方向微分，貝索函函數 Bessel Function，特徵值Eigenvalue....................................................................................................................................................................恩跟我想的一樣，10年之前我不認識妳(電磁學) 你不屬於我。

    實在是很佩服以前沒有EDA輔助運作時候的工程師嗎?  這面是參考文獻[1]，這張圖可以看微波爐腔體內所形成的個種模態，但基本上還是可以無論哪一種模態，熱點與熱點之間的距離就維持一半波長的整數倍率。也就是說如果食物放在一個特定的位置，可以避開被微波能量打到。 
       

巧克力功率偵測器 Chocolate Power Detector

        之前看了一個Youtube影片How a Microwave Oven Works我就一直想要試試看，先準備一個紙箱(感謝AIROHA提供不要的紙箱)，稍微美工一下讓他可以放到微波爐裡面不會隨著圓盤轉動。
注意: 紙箱放在微波爐乾烤是會起火的，所以強烈不推薦大家在家自己玩，如果要玩請務必準備滅火器或每次不要超過1分鐘，人務必在場。

        然後準備小時候的回憶大波露巧巧克力整齊的排在紙箱裡面，然後稍微加熱一下，因為巧克力對溫度很敏感，可以在比較短的時間觀察這個行為，在加熱後用筷子戳一下巧克力標面，可以看到有幾個區域巧克力已經溶解。雖然這次巧克力買得不夠多，但可以看到能量在微波爐裡面的分布狀態。

為什麼是2.45GHz?

       之前最常聽到為什麼微波爐會選2.45GHz，這不是會干擾WIFI還有BT藍芽訊號? 有一種比較常聽到的說法[3] 是水分子對2.4GHz比較容易共振，換個電路觀點在2.4GHz的時候水會變成電阻，能量會消耗在它上面。
        這個說法聽起來很有道理，但我個人覺得比較真實的理由是頻譜的限制，大家要知道頻譜在每個國家是一個資產，每一個國家有著國防需求需要限制民間電器的輻射量不能落在特定的頻譜避免干擾重要的設備，但為了讓電子產品在世界各地都能夠通訊，所以大家有制定不用錢的頻譜ISM Band [4] The industrial, scientific and medical (ISM) radio bands，目前最常見的微波頻譜是900MHz 再來就是2.4GHz。

        一般的微波爐寬度大概是在30 ~ 40cm左右，如果用2.4GHz可以產生6個左右的熱點，900MHz就只有2個熱點，想想看如果要加熱一杯牛奶，那一杯牛奶會很不容易被加熱到。所以不要誤會微波爐為什麼要來干擾你，大家都只是在用ISM頻段阿。

        也因為微波爐的特性，所以一般烹煮的料理都是含水量多的，這樣在加熱過程才能夠把熱傳導到沒有被加熱的地方，另外在寫這篇文章的時候我查了一下其實現代的微波爐也一直在進化，例如Panasonic Cyclonic，感覺應該是一直在改變激發的模態達到食物均勻加熱的目的，但台灣目前好像沒有在賣。
https://www.panasonic.com/ca/consumer/home-appliances/microwave-ovens/countertop/nn-se796s.html

微波爐有沒有致癌風險?

        手機打久了會得腦癌，微波爐不要靠太近有致癌風險? 我相信這議題在這20年不斷的被討論，就連前陣子很火紅的AirPods也有說待久了有致癌風險。

        這問題說實在我不知道正確答案，但從微波爐加熱食物的原理其實就跟烤肉吃多了會得癌症一樣，烤肉過程食物變質會吃下去會有致癌風險，但火烤這動作只是單純加熱，但加熱到最後食物會變質吃下去會有致癌風險，就跟微波爐加熱食物一樣，交流電出現在人類文明也才不過100多年，大量的通訊產品出也是在這10年內出現，環境電磁波對人體的影響現在有人說他知道答案 .....他以為他在跑HTOL實驗嗎? 用 1000hrs來判斷一個元件的一生，哪群人要讓被加壓測試來驗證?

微波爐的演進 Solid State Microwave Heating 

        微波爐的訊號產生器Magnetron(磁控管?)其實跟我們熟知的電晶體放大器差異很大，但現在這幾年幾已經有在發展用Solid State RF Power也就是電子電機熟悉的功率放大器，只是這功率大很多100W to 250W, 這概念後面還有延伸無線電力傳輸，不是現在手機的無線充電，而是可以達數公尺距離的傳輸，再延伸其實也有太空電力傳輸到地表系統也是一樣的概念。

參考文獻 Reference

1. "Eigenvalue Analysis of Microwave Oven"
[https://pdfs.semanticscholar.org/92d9/7bf75d4918c6e20389c233bc7d4343841cbd.pdf]

2. How a Microwave Oven Works

3. Water and Microwaves
[http://www1.lsbu.ac.uk/water/microwave_water.html]

4. ISM Band WiKi
[https://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band]

5. High Q Capacitor for Solid State Microwave Oven
[https://rutronik-tec.com/high-q-capacitor-for-solid-state-microwave-oven/]