Mikrobølgestråling ( mikrobølger ) er et område af spektret af elektromagnetisk stråling med bølgelængder fra 1 m til 1 mm, svarende til frekvenser fra henholdsvis 300 MHz og op til 300 GHz [1] [2] [3] [4] [5 ] . Forskellige kilder bruger forskellige frekvensområder til mikrobølger; ovenstående brede definition omfatter UHF (decimeterbølge), mikrobølge (centimeterbølge) og EHF (millimeterbølge) båndene. En mere almindelig definition i radioteknik er området fra 1 til 100 GHz (bølgelængder fra 0,3 m til 3 mm). Mikrobølgefrekvenser omtales ofte med IEEE-radarbåndsudtrykkene S , C , X , Ku , K eller K a -bånd eller lignende NATO- eller EU - betegnelser .
Præfikset mikro- i udtrykket mikrobølgestråling er ikke beregnet til at bestemme bølgelængden i mikrometerområdet . Det indikerer snarere, at mikrobølger er "små" (med kortere bølgelængder) sammenlignet med radiobølger , som blev brugt før udbredelsen af mikrobølgeteknologi. Grænserne mellem fjerninfrarød, terahertz-stråling , mikrobølger og decimeterradiobølger er ret vilkårlige og bruges på forskellige måder inden for forskellige videnskabs- og teknologiområder.
Mikrobølger forplanter sig inden for synsvidde; i modsætning til lavfrekvente radiobølger, diffrakterer de ikke omkring bakker, følger jordens overflade som overfladebølger og reflekterer ikke fra ionosfæren , så jordbaserede mikrobølgeforbindelser er begrænset til den visuelle horisont til omkring 64 km. I den øvre ende af området absorberes de af gasser i atmosfæren, hvilket begrænser den praktiske kommunikationsafstand til omkring en kilometer. Mikrobølger er meget udbredt i moderne teknologi, fx punkt-til-punkt- forbindelser , trådløse netværk , mikrobølgeradiorelænetværk , radar , satellit- og rumkommunikation , medicinsk diatermi og kræftbehandling, jordfjernmåling , radioastronomi , partikelacceleratorer , spektroskopi , industriel opvarmning, kollisionsforebyggende systemer , garageportåbnere og nøglefri adgangssystemer og mikroovn madlavning .
Mikrobølgestråling af høj intensitet bruges til berøringsfri opvarmning af legemer (i husholdningsmikrobølgeovne - til opvarmning af produkter, i industrielle - til varmebehandling af metaller, i kirurgi - til radiofrekvensablation af vener [6] ; hovedelementet her er magnetronen ), såvel som for radar .
Mikrobølger optager et område i det elektromagnetiske spektrum med en frekvens over konventionelle radiobølger og under infrarødt lys:
| elektromagnetiske spektrum | ||||
|---|---|---|---|---|
| Navn | Bølgelængde | Frekvens Hz) | Fotonenergi ( eV ) _ | |
| gammastråle | <0,02 nm | > 15 E Hz | > 62,1 keV | |
| røntgen | 0,01 nm - 10 nm | 30 Hz - 30 P Hz | 124 keV - 124 eV | |
| UV | 10 nm - 400 nm | 30 PHZ - 750 THz | 124 eV - 3 eV | |
| synligt lys | 390 nm - 750 nm | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infrarød | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Mikrobølgeovn | 1 mm - 1 m | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 mikrokeV | |
| Radio | 1 m - 100 km | 300 MHz - 3 kHz | 1,24 µeV - 12,4 feV | |
I beskrivelser af det elektromagnetiske spektrum klassificerer nogle kilder mikrobølger som radiobølger, en delmængde af radiobølgebåndet; mens andre klassificerer mikrobølger og radiobølger som separate typer stråling. Dette er en fælles sondring.
Mikrobølgeunderbånd i forskellige notationssystemer er forskellige; brugt i satellitkommunikation er vist i tabellen.
| Frekvensbånd | ||
| Navn | Frekvensområde , G Hz | |
|---|---|---|
| Områdenavn | Radar frekvensområde | Frekvensområde i satellitkommunikation |
| L | 1,0-2,0 | |
| S | 2,0-4,0 | |
| C | 4,0-8,0 | 3,4-8,0 |
| x | 8,0-12,0 | 7,0-10,7 |
| Ku | 12.0-18.0 | 10.7-18.0 |
| K | 18.0-26.5 | 18,3-20,2; 27.5—31.5 |
| Ka | 26,5-40,0 | |
Mikrobølger forplanter sig kun inden for synsvidde; i modsætning til lavfrekvente radiobølger forplanter de sig ikke som overfladebølger, der følger Jordens kontur og reflekteres ikke fra ionosfæren (himmelbølger) [7] . Selvom de i den nederste ende af området kan passere gennem væggene i en bygning, mens de bevarer tilstrækkelig signalstyrke til modtagelse, kræver de normalt fri plads til det nære modtagelsesfelt. Følgelig er mikrobølgekommunikationskanaler på Jordens overflade begrænset af en visuel horisont på omkring 48-64 km. Mikrobølger absorberes af fugt i atmosfæren, og dæmpningen stiger med frekvensen, og bliver en væsentlig faktor ( aftagende regn ) i den øvre ende af området. Fra omkring 40 GHz begynder atmosfæriske gasser også at absorbere mikrobølger, så over denne frekvens er mikrobølgetransmission begrænset til nogle få kilometer. Den spektrale struktur af båndet forårsager absorptionstoppe ved visse frekvenser (se grafen til højre). Ved frekvenser over 100 GHz er absorptionen af elektromagnetisk stråling i Jordens atmosfære så stor, at den er reelt uigennemsigtig , indtil atmosfæren igen bliver transparent i det såkaldte infrarøde og optiske vindues frekvensområde .
I en mikrobølgestråle rettet i en vinkel mod himlen vil en lille mængde energi blive spredt tilfældigt, når strålen passerer gennem troposfæren [7] . En følsom modtager ud over horisonten med en højforstærkningsantenne fokuseret på denne region af troposfæren kan opfange signalet. Denne teknik er blevet brugt ved frekvenser mellem 0,45 og 5 GHz i troposcatter (troposcatter) kommunikationssystemer til kommunikation over horisonten på afstande op til 300 km.
De korte bølgelængder af mikrobølgestråling gør det muligt at lave rundstrålende antenner til bærbare enheder meget små, mellem 1 og 20 cm i længden, så mikrobølgefrekvenser er meget udbredt til trådløse enheder , såsom mobiltelefoner , trådløse telefoner og adgang til trådløst lokalområde netværk (Wi-Fi) til bærbare computere og Bluetooth - hovedtelefoner . Antenner i brug inkluderer korte piskeantenner , gummiand- antenner, Hertz-antenner , patch-antenner og i stigende grad de trykte kredsløb inverterede F (PIFA)-antenner, der bruges i mobiltelefoner.
Deres korte bølgelængde gør det også muligt at skabe smalle stråler af mikrobølgestråling med praktiske små højforstærkningsantenner fra en halv meter til 5 meter i diameter. Derfor bruges mikrobølger til punkt-til- punkt kommunikationsforbindelser og til radar . Fordelen ved smalle retningsstråler er, at de ikke forstyrrer udstyr i nærheden, der bruger den samme frekvens, hvilket tillader frekvensgenbrug af nabosendere. Parabolske (parabol) antenner er de mest udbredte retningsantenner ved mikrobølgefrekvenser, men hornantenner , slotantenner og dielektriske linseantenner bruges også. Flade mikrostrip-antenner bliver i stigende grad brugt i forbrugerapplikationer. En anden type retningsbestemt antenne, der bruges ved mikrobølgefrekvenser, er den fasede array-antenne , som er en computerstyret række af antenner, der skaber en stråle, der kan rettes på en kontrolleret måde i forskellige retninger.
Transmissionslinjer, der bruges til at transportere lavfrekvente radiobølger til og fra antenner, såsom koaksialkabel og parallelle ledninger, har for store effekttab ved mikrobølgefrekvenser, så når lav dæmpning er påkrævet, transmitteres mikrobølger gennem metalrør kaldet bølgeledere. På grund af de høje omkostninger og vedligeholdelseskravene til bølgeledersektionerne i mange mikrobølgeantenner, er senderens udgangstrin eller modtagerens RF-indgang placeret på antennen.
Udtrykket mikrobølger har også en mere teknisk betydning i elektromagnetisme og kredsløbsteori [8] [9] . Apparatur og metoder kan kvalitativt beskrives som "mikrobølge", når signalernes bølgelængder er omtrent det samme som dimensionerne af kredsløbet, således at teorien om lumped-element kredsløb ikke er anvendelig, og i stedet distribuerede element-modeller og transmissionslinjeteori er. mere nyttig til design og analyse. .
Som en konsekvens bevæger praktiske mikrobølgekredsløb sig typisk væk fra diskrete modstande , kondensatorer og induktorer , der bruges med lavfrekvente radiobølger . Åbne og koaksiale transmissionslinjer, der bruges ved lavere frekvenser, erstattes af bølgeledere og striplines, og kredsløb med klumpede element erstattes af hulrumsresonatorer eller resonansstubbe [8] . Til gengæld, ved endnu højere frekvenser, når bølgelængden af elektromagnetiske bølger bliver lille sammenlignet med størrelsen af de strukturer, der bruges til at behandle dem, bliver mikrobølgemetoder utilstrækkelige, og optiske metoder bruges .
Mikrobølgekilder med høj effekt bruger specielle vakuumrør til at generere mikrobølger. Disse enheder fungerer efter principper, der er forskellige fra lavfrekvente vakuumrør, ved at bruge elektronernes ballistiske bevægelse i et vakuum under kontrol af elektriske eller magnetiske felter, og inkluderer magnetronen (bruges i mikrobølgeovne ), klystronen , det rejsebølgerør (TWT) og gyrotronen . Disse enheder fungerer i tæthedsmodulationstilstand , ikke strømmodulationstilstand . Det betyder, at de opererer på basis af bundter af elektroner, der flyver gennem dem ballistisk (uden kollisioner), i stedet for at bruge en kontinuerlig strøm af elektroner.
Mikrobølgekilder med lav effekt bruger solid state-enheder såsom FET'er (i det mindste ved lavere frekvenser), tunneldioder , Gunn -dioder og lavinetransitdioder [10] . Lavstrømskilder er tilgængelige i formater på bænk-, rack-, plug-in- og kortniveau. En maser er en solid state-enhed, der forstærker mikrobølger ved hjælp af principper, der ligner dem for en laser , som forstærker højere frekvens lysbølger.
Alle varme objekter udsender lav-intensitet sort krops mikrobølgestråling afhængigt af deres temperatur , så i meteorologi og fjernmåling bruges mikrobølgeradiometre til at måle temperaturen på objekter eller terræn [11] . Solen [12] og andre astronomiske radiokilder såsom Cassiopeia A udsender mikrobølgestråling, der bærer information om deres sammensætning, som studeres af radioastronomer ved hjælp af modtagere kaldet radioteleskoper . Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMBR) er for eksempel den svage mikrobølgestøj, der fylder det tomme rum, som er den vigtigste informationskilde for Big Bang kosmologiske teori om universets oprindelse .
Mikrobølgeteknologi er meget udbredt til punkt-til-punkt- kommunikation (dvs. ikke udsendelse). Mikrobølger er særligt velegnede til denne brug, da de lettere fokuseres til smallere stråler end radiobølger, hvilket giver mulighed for frekvensgenbrug ; deres forholdsvis højere frekvenser giver mulighed for bred båndbredde og høje datahastigheder , og antennestørrelserne er mindre end ved lavere frekvenser, fordi størrelsen af antennen er omvendt proportional med den transmitterede frekvens. Mikrobølger bruges til kommunikation på rumfartøjer, og det meste af verdens data-, tv- og telefonkommunikation transmitteres over lange afstande af mikrobølger mellem jordstationer og kommunikationssatellitter . Mikrobølger bruges også i mikrobølgeovne og i radarteknologi .
Før fremkomsten af fiberoptisk transmission blev de fleste langdistancetelefonopkald foretaget over mikrobølgeradiorelænetværk drevet af operatører som AT&T Long Lines. Fra begyndelsen af 1950'erne blev frekvensdelingsmultipleksing brugt til at transmittere op til 5.400 telefonkanaler på hver mikrobølgeradiokanal, med op til ti radiokanaler kombineret i en enkelt antenne for at nå den næste node op til 70 km væk.
Trådløse LAN -protokoller såsom Bluetooth og 802.11 - specifikationerne , der bruges til Wi-Fi, bruger også mikrobølger i 2,4 GHz ISM-båndet, selvom 802.11a bruger ISM-båndet og U-NII-frekvenser i 5 GHz-båndet. Licenseret rækkevidde (op til ca. 25 km) til trådløse internetadgangstjenester er blevet brugt i næsten ti år i mange lande ved 3,5-4,0 GHz. FCC har allokeret frekvenser til operatører, der ønsker at tilbyde service på dette bånd i USA med fokus på 3,65 GHz. Dusinvis af tjenesteudbydere over hele landet er eller har fået licens af FCC til at drive dette bånd. De foreslåede WIMAX-tjenester, som kan implementeres på 3,65 GHz, vil give erhvervskunder en anden tilslutningsmulighed.
Metropolitan Area Network (MAN) protokoller, såsom WiMAX , er baseret på standarder såsom IEEE 802.16 , designet til at fungere fra 2 til 11 GHz. Kommercielle implementeringer er i 2,3 GHz-, 2,5 GHz-, 3,5 GHz- og 5,8 GHz-båndene.
Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)-protokoller baseret på standardspecifikationer såsom IEEE 802.20 eller ATIS/ANSI HC-SDMA (f.eks. iBurst ) fungerer i 1,6 til 2,3 GHz-båndet for at give mobilitets- og penetrationskarakteristika emissioner til bygninger, svarende til mobiltelefoner, men med meget større spektral effektivitet [13] .
Nogle mobilnetværk , såsom GSM , bruger lave VHF/høje UHF-frekvenser omkring 1,8 og 1,9 GHz i henholdsvis USA og andre lande. DVB-SH og S-DMB bruger 1,452 til 1,492 GHz-båndet, mens USA bruger proprietær eller ikke-kompatibel satellitradio omkring 2,3 GHz til DARS .
Mikrobølgeradio bruges i udsendelser og telekommunikation , fordi meget retningsbestemte antenner på grund af deres korte bølgelængde er mindre og derfor mere praktiske, end de ville være ved længere bølgelængder (lavere frekvenser). Derudover er en bredere båndbredde tilgængelig i mikrobølgespektret end i resten af radiospektret; nyttig båndbredde under 300 MHz er mindre end 300 MHz, mens mange GHz kan bruge mere end 300 MHz båndbredde. Mikrobølger bruges almindeligvis i tv-nyheder til at sende et signal fra et fjerntliggende sted til en tv-station fra en specialudstyret varevogn.
De fleste satellitkommunikationssystemer fungerer i C-, X-, Ka- eller Ku- båndene i mikrobølgespektret. Disse frekvenser giver en bred båndbredde, mens de undgår overfyldte UHF-frekvenser og holder sig under EHF-frekvenser, hvor atmosfærisk absorption er stærk. Satellit-tv fungerer enten i C-båndet for den traditionelle faste satellittjeneste med stor parabol eller i K u -båndet til direkte udsendelse fra satellit . Militær kommunikation er primært X- eller Ku-links, hvor K -båndet bruges til Milstar .
Global Navigation Satellite Systems (GNSS), inklusive Kinas Beidou , det amerikanske Global Positioning System (introduceret i 1978) og det russiske GLONASS-system , udsender navigationssignaler i forskellige bånd mellem omkring 1,2 GHz og 1,6 GHz.
Radar er en radarenhed , der bruger en stråle af radiobølger, der udsendes af en sender og måler signalet, der reflekteres fra et objekt, så du kan bestemme objektets placering, rækkevidde, hastighed og andre karakteristika. Mikrobølgernes korte bølgelængde forårsager stærke refleksioner fra genstande på størrelse med biler, skibe og fly. Også ved disse bølgelængder er højforstærkningsantenner, såsom parabolantenner , som er nødvendige for at opnå den smalle stråle, der kræves til nøjagtig positionering af objekter, små i størrelse, hvilket gør det muligt hurtigt at rotere dem for at scanne objekter. Derfor er mikrobølgefrekvenser de vigtigste frekvenser, der bruges i radarer. Mikrobølgeradar er meget udbredt i applikationer som flyvekontrol , vejrudsigt, skibsnavigation og håndhævelse af hastighedsgrænser. Langrækkende radarer bruger lavere mikrobølgefrekvenser, da atmosfærisk absorption i den øvre ende af rækkevidden begrænser rækkevidden, men millimeterbølger bruges til kortdistanceradarer såsom kollisionsundgåelsessystemer .
Mikrobølger udsendt af astronomiske radiokilder ; såsom planeter, stjerner, galakser og tåger studeres i radioastronomi ved hjælp af store parabolantenner kaldet radioteleskoper . Udover at modtage naturlig mikrobølgestråling blev radioteleskoper brugt i aktive radareksperimenter, til eksperimenter med reflektion af mikrobølger fra solsystemets planeter, hvor afstandene til Månen blev bestemt eller Venus ' usynlige overflade blev kortlagt gennem skyen dække over.
Det nyligt færdiggjorte mikrobølgeradioteleskop, Atacama Large Millimeter Array, placeret i en højde af mere end 5.000 meter i Chile, udforsker universet i millimeter- og submillimeterbølgelængder . I dag er det verdens største projekt inden for jordbaseret astronomi. Den består af over 66 bækkener og er bygget med internationalt samarbejde fra Europa, Nordamerika, Østasien og Chile [14] [15] .
Hovedfokus for mikrobølgeradioastronomi i nyere tid har været kortlægningen af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMBR), opdaget i 1964 af radioastronomerne Arno Penzias og Robert Wilson . Denne svage baggrundsstråling, som fylder universet og er næsten ens i alle retninger, er den "kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling", der er tilbage fra Big Bang og er en af de få kilder til information om forholdene i det tidlige univers. På grund af universets udvidelse og dermed afkøling er den oprindelige højenergistråling flyttet ind i radiospektrets mikrobølgeregion. Tilstrækkeligt følsomme radioteleskoper kan detektere CMB som et svagt signal, der ikke er forbundet med nogen stjerne, galakse eller noget andet objekt [16] .
En mikrobølgeovn transmitterer mikrobølgestråling med en frekvens på omkring 2,45 GHz gennem mad, hvilket forårsager dielektrisk opvarmning primært på grund af absorption af energi af vandmolekyler. Mikrobølgeovne blev almindeligt køkkenudstyr i vestlige lande i slutningen af 1970'erne, efter udviklingen af billigere resonatormagnetroner . Flydende vand har mange molekylære interaktioner, der udvider absorptionstoppen. I dampfasen absorberer isolerede vandmolekyler stråling omkring 22 GHz, hvilket er næsten ti gange frekvensen i en mikrobølgeovn.
Mikrobølgestråling bruges i industrielle processer til tørring og hærdning af produkter.
Mange halvlederbehandlingsteknologier bruger mikrobølger til at generere plasma til applikationer såsom reaktiv ionætsning og kemisk dampaflejring (PECVD).
Mikrobølger bruges i stellaratorer og eksperimentelle tokamak-fusionsreaktorer til at omdanne gas til plasma og opvarme det til meget høje temperaturer. Frekvensen er tunet til cyklotronresonansen af elektroner i et magnetfelt, et sted mellem 2-200 GHz, hvorfor det ofte omtales som elektroncyklotronresonansopvarmning (ECHR). ITER - fusionsreaktoren under opførelse [17] vil bruge 170 GHz-emittere med en effekt på op til 20 MW.
Mikrobølger kan bruges til at overføre strøm over lange afstande, og efter Anden Verdenskrig blev der forsket i denne mulighed. I 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne arbejdede NASA på at undersøge mulighederne for at bruge solcelledrevne satellitsystemer (SPS) med store solarrays , som ville transmittere energi til jordens overflade ved hjælp af mikrobølger.
Der er et mindre dødbringende våben, der bruger millimeterbølger til at opvarme et tyndt lag menneskehud til en uudholdelig temperatur for at tvinge personen til at gå. En to-sekunders burst af en fokuseret stråle ved en frekvens på 95 GHz opvarmer huden til en temperatur på 54 ° C i en dybde på 0,4 mm. Det amerikanske luftvåben og marinekorps bruger i øjeblikket denne type aktivt afvisningssystem i faste installationer [18] .
Mikrobølgestråling bruges i elektron paramagnetisk resonans (EPR eller EPR) spektroskopi, typisk i X-båndsområdet (ca. 9 GHz) i kombination med magnetiske felter på 0,3 T. Denne metode giver information om uparrede elektroner i kemiske forbindelser såsom frie radikaler eller overgangsmetalioner såsom Cu(II). Mikrobølgestråling bruges også til rotationsspektroskopi og kan kombineres med elektrokemi til mikrobølgeforstærket elektrokemi.
Frekvensbåndene i mikrobølgespektret er angivet med bogstaver. Der er dog flere inkompatible båndbetegnelsessystemer, og selv inden for systemet adskiller frekvensbåndene, der svarer til nogle bogstaver, sig noget mellem forskellige applikationer [19] [20] . Bogstavsystemet opstod under Anden Verdenskrig i en tophemmelig amerikansk klassifikation af bånd brugt i radarinstallationer; dette er kilden til det ældste bogstavsystem, IEEE-radarbåndene. Et sæt mikrobølgebånd udpeget af Radio Society of Great Britain (RSGB) er vist i tabellen nedenfor:
| Betegnelse | frekvensområde | Bølgelængdeområde | Typisk brug |
|---|---|---|---|
| L gruppe | 1-2 GHz | 15-30 cm | Militær telemetri, GPS, mobiltelefoner (GSM), amatørradio |
| Gruppe S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Vejrradar, overfladeskibsradar, nogle kommunikationssatellitter, mikrobølgeovne, mikrobølgeenheder/kommunikation, radioastronomi, mobiltelefoner, trådløst LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS, amatørradio |
| Gruppe C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | Langdistance radio |
| Gruppe X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Satellitkommunikation, radar, terrestrisk bredbånd, rumkommunikation, amatørradio, molekylær rotationsspektroskopi |
| Gruppe K U | 12-18 GHz | 16,7-25 mm | Satellitkommunikation, molekylær rotationsspektroskopi |
| Gruppe K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Radar, satellitkommunikation, astronomiske observationer, bilradar, molekylær rotationsspektroskopi |
| Gruppe K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Satellitkommunikation, molekylær rotationsspektroskopi |
| Q rækkevidde | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Satellitkommunikation, jordbaseret mikrobølgekommunikation, radioastronomi, bilradar, molekylær rotationsspektroskopi |
| Gruppe U | 40-60 GHz | 5,0-7,5 mm | |
| Gruppe V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Radarforskning i millimeterområdet, rotationsspektroskopi af molekyler og andre typer videnskabelig forskning |
| Gruppe W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Satellitkommunikation, millimeterbølgeradarforskning, militær radarstyrings- og sporingssystemer og nogle ikke-militære applikationer, bilradar |
| Gruppe F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Mikrobølgetransmissioner: radioastronomi, mikrobølgeenheder/kommunikation, trådløst LAN, avancerede radarer, kommunikationssatellitter, satellit-tv-udsendelse, DBS , amatørradio. |
| Gruppe D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | EHF-transmissioner: radioastronomi, højfrekvent mikrobølgeradiorelæ, mikrobølgefjernmåling, amatørradio, rettede energivåben, millimeterbølgescanner. |
Der er andre definitioner [21] .
For UHF-frekvenser under L-båndet bruges udtrykket P-bånd nogle gange, men er nu forældet i henhold til IEEE Std 521.
Da K-båndsradarer først blev udviklet under Anden Verdenskrig, vidste man ikke, at der var et tilstødende absorptionsbånd (på grund af vanddamp og ilt i atmosfæren). For at undgå dette problem blev det originale K-bånd opdelt i nedre Ku- og øvre Ka- bånd [22] .
Mikrobølgefrekvens kan måles elektronisk eller mekanisk.
Du kan bruge frekvenstællere eller højfrekvente lokale oscillatorer . Her sammenlignes den ukendte frekvens med harmoniske af en kendt lavere frekvens ved hjælp af en lavfrekvent oscillator, en harmonisk generator og en mixer. Målenøjagtigheden er begrænset af referencekildens nøjagtighed og stabilitet.
Mekaniske metoder kræver en afstemt resonator, såsom en bølgeabsorptionsmåler , hvor forholdet mellem fysisk størrelse og frekvens er kendt.
I laboratoriet kan Lecher-linjer bruges til direkte at måle bølgelængden på en parallel ledningstransmissionslinje, hvorefter frekvensen kan bestemmes. En lignende metode er at bruge en spaltet bølgeleder eller spaltet koaksial linje til direkte at måle bølgelængden. Disse enheder består af en sonde indsat i ledningen gennem en langsgående slids, så sonden kan bevæge sig frit op og ned ad linjen. Slidsede linjer er primært beregnet til måling af stående bølgeforhold fra linjespændingen . Men i nærvær af en stående bølge kan de også bruges til at måle afstanden mellem noder , som er lig med halvdelen af bølgelængden. Nøjagtigheden af denne metode er begrænset af placeringen af noder.
Mikrobølger er ikke- ioniserende stråling, hvilket betyder, at mikrobølgefotoner ikke indeholder nok energi til at ionisere molekyler eller bryde kemiske bindinger eller beskadige DNA, i modsætning til ioniserende stråling såsom røntgenstråler eller ultraviolet stråling [23] . Ordet "stråling" refererer til den energi, der kommer fra en kilde, ikke radioaktivitet . Hovedeffekten af mikrobølgeabsorption er opvarmning af materialer; elektromagnetiske felter får polære molekyler til at vibrere eller rotere. Mikrobølger (eller anden ikke-ioniserende elektromagnetisk stråling) vides ikke at have signifikante negative biologiske virkninger ved lave intensiteter. Nogle, men ikke alle, undersøgelser viser, at langtidseksponering kan have en kræftfremkaldende effekt [24] .
Under Anden Verdenskrig blev det bemærket, at folk i strålingens vej fra radarinstallationer hørte klik og summende lyde som følge af eksponering for mikrobølgestråling. NASA- forskning i 1970'erne viste, at det var forårsaget af termisk udvidelse af dele af det indre øre. I 1955 var Dr. James Lovelock i stand til at genoplive rotter afkølet til 0-1°C ved hjælp af mikrobølgediatermi [25] .
Når der opstår skade fra eksponering for mikrobølger, opstår det normalt som et resultat af dielektrisk opvarmning af kroppen. Udsættelse for mikrobølgestråling kan forårsage grå stær ved denne mekanisme [26] , fordi mikrobølgeopvarmning denaturerer proteinerne i øjets linse (ligesom varme gør en æggehvide uigennemsigtig). Øjets linse og hornhinde er særligt sårbare, fordi de mangler blodkar, der kan transportere varme væk. Udsættelse for høje doser af mikrobølgestråling (f.eks. fra en ovn, der er blevet pillet ved for at tillade drift, selv med døren åben) kan også forårsage varmeskader på andet væv, op til alvorlige forbrændinger , som måske ikke umiddelbart er synlige pga. til mikrobølgers tendens til at opvarme dybere væv, stoffer med et højere fugtindhold.
Eleanor R. Adair gennemførte en undersøgelse af hendes helbred, dyr og andre mennesker udsat for mikrobølger, hvorfra de følte sig varme eller endda begyndte at svede og føle sig ret ubehagelige. Hun fandt ingen negative helbredseffekter udover varme.
Mikrobølger blev først skabt i 1890'erne i nogle af de tidligste radioeksperimenter af fysikere, der betragtede dem som en form for "usynligt lys" [27] . James Clerk Maxwell forudsagde i sin teori om elektromagnetisme fra 1873 , som er baseret på Maxwells ligninger , at vekslende elektriske og magnetiske felter kunne rejse gennem rummet som elektromagnetiske bølger , og foreslog, at lys var sammensat af kortbølgelængde elektromagnetiske bølger. I 1888 var den tyske fysiker Heinrich Hertz den første til at demonstrere eksistensen af radiobølger ved hjælp af en primitiv radiosender med et gnistgab [28] . Hertz og andre tidlige radioforskere var interesserede i at studere lighederne mellem radiobølger og lysbølger for at teste Maxwells teori. De koncentrerede sig om at skabe kortbølgede radiobølger i UHF- og mikrobølgebåndene, hvormed de kunne duplikere klassiske optiske eksperimenter i deres laboratorier ved at bruge kvasi -optiske komponenter såsom paraffin , svovl og pitch - prismer og linser , og trådgitter til at bryde og sprede. radiobølgen., som lysstråler [29] . Hertz skabte bølger op til 450 MHz; dens 450 MHz retningsbestemte sender bestod af en 26 cm messingstang- dipolantenne med et gnistgab mellem enderne, ophængt fra brændpunktet på en parabolantenne , lavet af bøjet zinkplade, tilført af højspændingsimpulser fra en induktionsspole . Hans historiske eksperimenter viste, at radiobølger, som lys, udviser brydning , diffraktion , polarisering , interferens og stående bølger , hvilket beviser forbindelsen mellem radiobølger og lysbølger, som er Maxwells former for elektromagnetiske bølger .
Heinrich Hertz's 450 MHz gnistsender , 1888, bestod af en 23 cm dipol og et gnistgab i fokus for en parabolisk reflektor.
Jagadish Chandra Bose i 1894 var den første person, der skabte millimeterbølger; hans gnistgenerator (i boksen til højre) genererede 60 GHz (5 mm) bølger ved hjælp af en 3 mm diameter metalkugleresonator.
Et mikrobølgespektroskopi-eksperiment af John Ambrose Fleming i 1897 viste brydning af 1,4 GHz-mikrobølger på et paraffinprisme, hvilket kopierede tidligere eksperimenter af Bose og Righe.
Augusto Righi 12 GHz gnistgenerator og modtager, 1895
Begyndende i 1894 udførte den indiske fysiker Jagdish Chandra Bose de første eksperimenter med mikrobølger. Han var den første person, der skabte millimeterbølger , der genererede frekvenser op til 60 GHz (5 millimeter) ved hjælp af en gnistgenerator med en 3 mm metalkugle [30] [29] . Bose opfandt også bølgelederen , hornantennerne og halvlederkrystaldetektorerne til brug i sine eksperimenter. Uafhængigt i 1894 eksperimenterede Oliver Lodge og Augusto Righi med henholdsvis 1,5 og 12 GHz mikrobølger genereret af små metalkuglegnistresonatorer. Den russiske fysiker Pyotr Lebedev skabte 50 GHz millimeterbølger i 1895. I 1897 løste Lord Rayleigh det matematiske grænseproblem med elektromagnetiske bølger, der forplanter sig gennem ledende rør og dielektriske stænger af vilkårlig form [31] [32] [33] [34] , hvori han angav afskæringstilstande og frekvens for mikrobølger, der forplanter sig gennem en bølgeleder [28] .
Men da mikrobølgeudbredelsen er begrænset til sigtelinje, kunne de ikke bruges ud over den synlige horisont, og den lave effekt af de gnistsendere, der dengang var i brug, begrænsede deres praktiske rækkevidde til nogle få miles. Den efterfølgende udvikling af radiokommunikation efter 1896 brugte lavere frekvenser, som kunne forplante sig ud over horisonten som overfladebølger og reflektere fra ionosfæren som himmelbølger, mikrobølgefrekvenser blev ikke undersøgt nærmere på det tidspunkt.
Den praktiske anvendelse af mikrobølgefrekvenser fandt først sted i 1940'erne og 1950'erne på grund af manglen på passende kilder, da triode vakuumrør (rør) elektroniske oscillator brugt i radiosendere ikke kunne generere frekvenser over et par hundrede megahertz på grund af overdreven tid passage af elektroner og interelektrodekapacitans [28] . I 1930'erne blev de første laveffekt mikrobølgevakuumrør udviklet, som fungerede efter nye principper; Barkhausen-Kurtz rør og magnetron med aftagelig anode . De kunne generere adskillige watt strøm ved frekvenser op til adskillige gigahertz og blev brugt i tidlige mikrobølgekommunikationseksperimenter.
Antenner fra 1931 til eksperimenter med radiorelækommunikation over Den Engelske Kanal ved en frekvens på 1,7 GHz.
En eksperimentel 700 MHz-sender ved Westinghouse Laboratories i 1932 transmitterer stemme over en afstand på over en mile.
Southworth demonstrerer en bølgeleder på et møde i Institute of Radio Engineers i 1938, der viser 1,5 GHz-bølger, der passerer gennem en 7,5 m lang fleksibel metalslange, detekteret af en diodedetektor.
Første moderne hornantenne i 1938 af opfinderen Wilmer L. Barrow
I 1931 demonstrerede et engelsk-fransk konsortium ledet af André Clavier den første eksperimentelle mikrobølgerelæforbindelse over Den Engelske Kanal i 64 km mellem Dover og Calais [35] [36] . Systemet transmitterede telefon-, telegraf- og faxdata over en tovejs 1,7 GHz-kanal med en effekt på omkring en halv watt, skabt af miniature Barkhausen-Kurtz-rør i fokus for en 3-meter metalskål.
Et ord skulle opfindes for at skelne mellem disse nye kortere bølgelængder, som tidligere var blevet grupperet under " kortbølge "-området, hvilket betød alle bølger kortere end 200 m. Begreberne kvasi-optiske bølger og ultrakorte bølger blev brugt i en periode , men blev ikke udbredt. Den første brug af ordet mikrobølge synes at have fundet sted i 1931 [37] .
Udviklingen af radar , for det meste hemmelig, før og under Anden Verdenskrig , førte til teknologiske fremskridt, der gjorde mikrobølger praktiske [28] . Bølgelængder i centimeterområdet var nødvendige, så små radarantenner, som var kompakte nok til at passe på fly, havde en smal nok strålebredde til at lokalisere fjendtlige fly. Konventionelle transmissionslinjer, der blev brugt til at transmittere radiobølger, viste sig at have for store effekttab ved mikrobølgefrekvenser, og George Southworth fra Bell Labs og Wilmer Barrow fra MIT opfandt uafhængigt bølgelederen i 1936 [31] . Barrow opfandt hornantennen i 1938 som et middel til effektivt at udstråle mikrobølger ind i eller ud af en bølgeleder. En mikrobølgemodtager havde brug for en ikke-lineær komponent til at fungere som detektor og mixer ved disse frekvenser, fordi vakuumrørene havde for meget kapacitans. For at opfylde dette krav har forskere genoplivet en forældet teknologi, punktkrystaldetektoren (cat's whisker- detektor ), som blev brugt som demodulator i krystalradiomodtagere ved århundredeskiftet før fremkomsten af rørmodtagere [38] . Den lave kapacitans af halvlederforbindelser tillod dem at fungere ved ultrahøje frekvenser. De første moderne silicium- og germaniumdioder blev udviklet som mikrobølgedetektorer i 1930'erne, og de principper for halvlederfysik, der blev opdaget under halvlederudviklingen, førte til halvlederelektronik efter krigen.
Prototype resonatormagnetronrør af Randall og Booth ved University of Birmingham , 1940. Under brug blev røret installeret mellem polerne på en elektromagnet.
General Electrics første kommercielle klystron-rør, 1940, skåret for at vise intern konstruktion
AN/ APS-4 er en 10 GHz luftbåren aflytningsradar brugt af amerikanske og britiske fly under Anden Verdenskrig.
US Army Mobile Microwave Relay Station, 1945, demonstrerer relæsystemer, der bruger frekvenser fra 01 til 4,9 GHz, som kan bære op til 8 telefonopkald på strålen.
De første kraftige kilder til mikrobølgestråling blev opfundet i begyndelsen af Anden Verdenskrig: klystronen af Russell og Sigurd Varian fra Stanford University i 1937, og magnetronen af John Randall og Harry Booth fra University of Birmingham, UK i 1940 [28 ] . Ti centimeter (3 GHz) mikrobølgeradar blev brugt på britiske militærfly i slutningen af 1941 og viste sig at være en game changer. Storbritanniens beslutning i 1940 om at dele sin mikrobølgeteknologi med sin amerikanske allierede ( Tizard Mission ) forkortede krigen betydeligt. MIT Radiation Laboratory , hemmeligt oprettet på MIT i 1940 for at forske i radar, gav meget af den teoretiske viden, der var nødvendig for at bruge mikrobølger. De første mikrobølgerelæsystemer blev udviklet af de allierede styrker mod slutningen af krigen og blev brugt til sikre kommunikationsnetværk på slagmarken i det europæiske operationsteater.
Efter Anden Verdenskrig blev mikrobølger meget brugt til kommercielle formål [28] . På grund af deres høje frekvens har sendere baseret på dem en meget stor båndbredde ( båndbredde ) af information; en mikrobølgestråle kan sende titusindvis af telefonopkald. I 1950'erne og 1960'erne blev transkontinentale mikrobølgerelænetværk bygget i USA og Europa for at udveksle telefonopkald mellem byer og distribuere tv-programmer. I den nye tv-udsendelsesindustri , startede i 1940'erne, blev mikrobølgeskåle brugt til at transmittere transportkanaler af videokanaler fra mobile tv-stationer tilbage til studiet, hvilket gjorde det muligt at udsende fjernsynstransmissioner. De første kommunikationssatellitter blev opsendt i 1960'erne, som videresendte telefonopkald og fjernsyn mellem fjerne punkter på Jorden ved hjælp af mikrobølgestråler. I 1964 opdagede Arno Penzias og Robert Woodrow Wilson , mens de undersøgte støj i en satellithornantenne ved Bell Labs , Holmdel, New Jersey, kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling .
Mikrobølgeradar blev en central teknologi, der blev brugt i lufttrafikkontrol , maritim navigation , luftforsvar , ballistiske missildetektion og senere i mange andre områder. Radar- og satellitkommunikation har ansporet udviklingen af moderne mikrobølgeantenner; parabolantenne (den mest almindelige type), Cassegrain-antenne , linseantenne , slotantenne og phased array-antenne .
Kortbølgernes evne til hurtigt at opvarme materialer og tilberede mad blev undersøgt i 1930'erne af I.F. Muromtsev på Westinghouse, og på Chicago World's Fair i 1933 demonstrerede han madlavning ved hjælp af en 60 MHz radiosender [39] . I 1945 bemærkede Percy Spencer , en ingeniør, der arbejder på radar ved Raytheon , at mikrobølgestrålingen fra en magnetrongenerator havde smeltet en slikbar i hans lomme. Han forskede i madlavning med mikrobølger og opfandt mikrobølgeovnen , der består af en magnetron, der udsender mikrobølger ind i et lukket metalhulrum indeholdende mad, som blev patenteret af Raytheon den 8. oktober 1945. På grund af deres omkostninger blev mikrobølgeovne oprindeligt brugt i institutionskøkkener, men i 1986 havde cirka 25 % af amerikanske husholdninger en sådan. Mikrobølgeopvarmning er blevet meget brugt som en industriel proces i industrier som plastindustrien og som et terapeutisk middel til at dræbe kræftceller i mikrobølgehypertermi .
Det omrejsende bølgerør (TWT), udviklet i 1943 af Rudolf Kompfner og John Pearce , gav en kraftfuld, justerbar kilde til mikrobølger op til 50 GHz, og blev det mest udbredte mikrobølgerør udover magnetronen allestedsnærværende i mikrobølgeovne. En familie af gyrotronrør udviklet i Sovjetunionen kan generere megawatt-mikrobølger op til millimeterbølgefrekvenser og bruges i industriel opvarmning og plasmaforskning og til at drive partikelacceleratorer og kernefusionsreaktorer .
Udviklingen inden for halvlederelektronik i 1950'erne førte til de første solid-state mikrobølgeenheder, der fungerede efter det nye princip; negativ differentiel modstand (nogle af mikrobølgerørene fra før krigen brugte også negativ differentiel modstand) [28] . Feedbackoscillatoren og to - ports forstærkere, der blev brugt ved lavere frekvenser, blev ustabile ved mikrobølgefrekvenser, og negative differentialmodstandsbaserede oscillatorer og forstærkere baseret på enkeltportenheder såsom dioder klarede sig bedre.
Tunneldioden , opfundet i 1957 af den japanske fysiker Leo Esaki , kunne generere adskillige milliwatt mikrobølgeeffekt. Hans opfindelse indledte søgningen efter halvlederenheder med negativ differentialmodstand til brug som mikrobølgeoscillatorer, hvilket førte til opfindelsen af lavinedioden i 1956 af W. T. Reed og Ralph L. Johnston og Gunn-dioden i 1962 af J. B. Gunn [ 28] . Dioder er de mest udbredte mikrobølgekilder i dag. Der er udviklet to støjsvage halvledermikrobølgeforstærkere med negativ differentialmodstand ; rubinmaseren , opfundet i 1953 af Charles H. Townes , James P. Gordon og H. J. Zeiger, og den parametriske varaktorforstærker , udviklet i 1956 af Marion Hines. De er blevet brugt til støjsvage mikrobølgemodtagere i radioteleskoper og satellitjordstationer . Mather ledede udviklingen af atomuret , som holder tiden ved at bruge den præcise mikrobølgefrekvens, der udsendes af atomer, når en elektron skifter mellem to energiniveauer. Negative differensmodstandsforstærkerkredsløb krævede opfindelsen af nye ikke-reciprokke bølgelederkomponenter såsom cirkulatorer , isolatorer og retningskoblere . I 1969 udledte Kurokawa matematiske betingelser for stabiliteten af kredsløb med negativ differentialmodstand, som dannede grundlaget for designet af en mikrobølgegenerator [40] .
Før 1970'erne var mikrobølgeenheder og kredsløb voluminøse og dyre, så mikrobølgefrekvenser var normalt begrænset til sendernes udgangstrin og modtagernes RF-input, og signalerne blev heterodynet til en lavere mellemfrekvens til behandling. Mellem 1970'erne og i dag er der udviklet små, billige aktive solid-state mikrobølgekomponenter, som kan monteres på printplader, hvilket gør det muligt for kredsløb at udføre betydelig signalbehandling ved mikrobølgefrekvenser. Dette har muliggjort satellit-tv , kabel-tv , GPS-enheder og moderne trådløse enheder såsom smartphones , Wi-Fi og Bluetooth , som opretter forbindelse til netværk ved hjælp af mikrobølger.
Microstrip transmissionslinje , brugt ved mikrobølgefrekvenser, blev opfundet ved hjælp af trykte kredsløb i 1950'erne [28] . Evnen til at producere en bred vifte af PCB- former billigt har gjort det muligt at designe mikrostrip-versioner af kondensatorer , induktorer , resonansstuds, koblere , retningskoblere , dipleksere , filtre og antenner, hvilket muliggør design af kompakte mikrobølgekredsløb.
Transistorer , der fungerer ved mikrobølgefrekvenser, blev udviklet i 1970'erne. Halvleder galliumarsenid (GaAs) har en meget højere elektronmobilitet end silicium [28] , så enheder fremstillet af dette materiale kan fungere ved frekvenser op til 4 gange højere end tilsvarende enheder fremstillet af silicium. Fra 1970'erne blev GaAs brugt til at fremstille de første mikrobølgetransistorer, og siden da har det domineret mikrobølgehalvledere. MESFET'er ( metal-halvleder-felteffekttransistorer ), højfrekvente GaAs - baserede FET'er , der bruger Schottky gate junctions, er blevet udviklet siden 1968 og har nået en afskæringsfrekvens på 100 GHz og er i øjeblikket de mest udbredte aktive mikrobølgeenheder. En anden familie af transistorer med en højere frekvensgrænse er HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), en FET fremstillet af to forskellige halvledere, AlGaAs og GaAs, ved hjælp af heterojunction-teknologi og ligner HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
GaAs kan være semi-isolerende, hvilket gør det muligt at bruge det som et substrat , hvorpå elektroniske kredsløb indeholdende passive komponenter , samt transistorer, kan fremstilles ved litografi [28] . I 1976 førte dette til de første integrerede kredsløb (IC'er), der fungerede ved mikrobølgefrekvenser, kaldet mikrowon monolitiske integrerede kredsløb (MMIC'er). Ordet "monolitisk" blev tilføjet for at skelne dem fra printkort med mikrostrip, som blev kaldt "mikrobølgeintegrerede kredsløb" (MIC'er). Siden da er der også udviklet silicium MMIC'er. I dag er MMIC'er blevet arbejdshestene i både analog og digital højfrekvent elektronik, hvilket muliggør fremstilling af enkelt-chip mikrobølgemodtagere, bredbåndsforstærkere , modemer og mikroprocessorer .
| elektromagnetiske spektrum | |
|---|---|
| Synligt spektrum | |
| Mikrobølgeovn | |
| radiobølger | |
| Bølgelængder | |