Mikroaaltosäteily ( mikroaallot ) on sähkömagneettisen säteilyn spektrin alue, jonka aallonpituudet ovat 1 m - 1 mm ja jotka vastaavat taajuuksia 300 MHz ja enintään 300 GHz [1] [2] [3] [4] [5 ] . Eri lähteet käyttävät erilaisia taajuusalueita mikroaaltoille; yllä oleva laaja määritelmä sisältää UHF (desimetriaalto), mikroaalto (senttiaalto) ja EHF (millimetriaalto) kaistat. Yleisempi määritelmä radiotekniikassa on alue 1 - 100 GHz (aallonpituudet 0,3 m - 3 mm). Mikroaaltotaajuuksiin viitataan usein IEEE : n tutkakaistan termeillä S , C , X , Ku , K tai K a tai vastaavilla NATO - tai EU - nimityksillä .
Mikroaaltosäteilyn etuliite mikro- ei ole tarkoitettu määrittämään aallonpituutta mikrometrialueella . Pikemminkin se osoittaa, että mikroaallot ovat "pieniä" (lyhyemmillä aallonpituuksilla) verrattuna radioaaltoihin , joita käytettiin ennen mikroaaltotekniikan leviämistä. Kaukoinfrapuna-, terahertsisäteilyn , mikroaaltojen ja desimetriradioaaltojen väliset rajat ovat melko mielivaltaisia, ja niitä käytetään eri tavoin eri tieteen ja teknologian aloilla.
Mikroaallot leviävät näköetäisyydellä; Toisin kuin matalataajuiset radioaallot, ne eivät taivu kukkuloiden ympärillä, seuraavat maan pintaa pinta-aaltojen tavoin eivätkä heijastu ionosfääristä , joten maanpäälliset mikroaaltoyhteydet rajoittuvat näköhorisonttiin noin 64 kilometriin. Alueen yläpäässä ne imeytyvät ilmakehän kaasuihin, mikä rajoittaa käytännön viestintäetäisyyden noin kilometriin. Mikroaaltoja käytetään laajalti modernissa tekniikassa, kuten point-to-point -linkeissä , langattomissa verkoissa , mikroaaltoradiovälitteisissä verkoissa, tutka- , satelliitti- ja avaruusviestinnässä , lääketieteellisessä diatermiassa ja syövänhoidossa, maan kaukokartoinnissa , radioastronomiassa , hiukkaskiihdyttimissä , spektroskopiassa , teollisuudessa. lämmitys, törmäyksenestojärjestelmät , autotallin ovenavaajat ja avaimettomat sisäänkäyntijärjestelmät sekä mikroaaltouunissa ruoanlaitto .
Korkean intensiteetin mikroaaltosäteilyä käytetään kehon kosketuksettomaan lämmittämiseen (kotitalousmikroaaltouuneissa - tuotteiden lämmittämiseen, teollisissa - metallien lämpökäsittelyyn, kirurgiassa - suonien radiotaajuiseen ablaatioon [6] ; pääelementti täällä on magnetroni ) sekä tutkalle .
Mikroaallot vievät sähkömagneettisessa spektrissä alueen, jonka taajuus on tavanomaisten radioaaltojen yläpuolella ja infrapunavalon alapuolella :
| sähkömagneettinen spektri | ||||
|---|---|---|---|---|
| Nimi | Aallonpituus | Taajuus Hz) | Fotonienergia ( eV ) _ | |
| gammasäde | <0,02 nm | > 15 E Hz | > 62,1 keV | |
| röntgenkuvaus | 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 | |
| näkyvä valo | 390 nm - 750 nm | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infrapuna | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Mikroaaltouuni | 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 | |
Sähkömagneettisen spektrin kuvauksissa jotkin lähteet luokittelevat mikroaallot radioaalloiksi, radioaaltoalueen osajoukkoon; kun taas toiset luokittelevat mikroaallot ja radioaallot erillisiksi säteilytyypeiksi. Tämä on yleinen ero.
Mikroaaltoalakaistat eri merkintäjärjestelmissä ovat erilaisia; satelliittiviestinnässä käytetyt on esitetty taulukossa.
| Taajuuskaistat | ||
| Nimi | Taajuusalue , G Hz | |
|---|---|---|
| Alueen nimi | Tutkan taajuusalue | Taajuusalue satelliittiviestinnässä |
| 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 | |
Mikroaallot leviävät vain näköetäisyydellä; Toisin kuin matalataajuiset radioaallot, ne eivät leviä pinta-aaltoina, jotka seuraavat maan ääriviivaa eivätkä heijastu ionosfääristä (taivaan aallot) [7] . Vaikka kantaman alapäässä ne voivat kulkea rakennuksen seinien läpi säilyttäen riittävän signaalin voimakkuuden vastaanottoa varten, ne vaativat yleensä vapaata tilaa lähivastaanottokentälle. Näin ollen mikroaaltojen viestintäkanavia maan pinnalla rajoittaa noin 48-64 km:n näköhorisontti. Ilmakehän kosteus imee mikroaallot ja vaimennus lisääntyy taajuuden kasvaessa, jolloin siitä tulee merkittävä tekijä ( sateen häipyminen ) alueen yläpäässä. Noin 40 GHz:stä alkaen myös ilmakehän kaasut alkavat absorboida mikroaaltoja, joten tämän taajuuden yläpuolella mikroaaltojen lähetys on rajoitettu muutamaan kilometriin. Kaistan spektrirakenne aiheuttaa absorptiopiikkejä tietyillä taajuuksilla (katso kuvaaja oikealla). Yli 100 GHz:n taajuuksilla maapallon ilmakehän sähkömagneettisen säteilyn absorptio on niin suuri, että se on käytännössä läpinäkymätöntä , kunnes ilmakehä tulee jälleen läpinäkyväksi ns. infrapuna- ja optisen ikkunan taajuusalueella .
Mikroaaltosäteessä, joka on suunnattu kulmassa taivaalle, pieni määrä energiaa siroaa satunnaisesti säteen kulkiessa troposfäärin läpi [7] . Herkkä vastaanotin horisontin takana korkeavahvisteisella antennilla, joka on keskittynyt tälle troposfäärin alueelle, voi poimia signaalin. Tätä tekniikkaa on käytetty 0,45–5 GHz:n taajuuksilla troposcatter- (troposcatter) -viestintäjärjestelmissä horisontin yli tapahtuvaan viestintään jopa 300 km:n etäisyyksillä.
Mikroaaltosäteilyn lyhyet aallonpituudet mahdollistavat kannettavien laitteiden monisuuntaisten antennien tekemisen hyvin pieniksi, 1–20 cm:n pituisiksi, joten mikroaaltouunien taajuuksia käytetään laajalti langattomissa laitteissa , kuten matkapuhelimissa , langattomissa puhelimissa ja langattomassa lähialueella. verkot (Wi-Fi) kannettaville tietokoneille ja Bluetooth - kuulokkeille . Käytössä olevia antenneja ovat mm. lyhyet piiskaantennit , kumiankkaantennit , Hertz-antennit , patch-antennit ja yhä useammin matkapuhelimissa käytettävät painetut käänteiset F (PIFA) -antennit.
Niiden lyhyt aallonpituus mahdollistaa myös kapeiden mikroaaltosäteilysäteiden luomisen kätevillä pienillä suuritehoisilla antenneilla , joiden halkaisija on puolen metristä 5 metriin. Siksi mikroaaltoja käytetään point-to- point - viestintäyhteyksissä ja tutkassa . Kapeiden suuntasäteiden etuna on, että ne eivät häiritse lähellä olevia laitteita, jotka käyttävät samaa taajuutta, mikä mahdollistaa taajuuden uudelleenkäytön viereisille lähettimille. Paraboliset (lautasantennit) ovat yleisimmin käytettyjä suunta-antenneja mikroaaltotaajuuksilla, mutta käytetään myös torviantenneja , rakoantenneja ja dielektrisen linssin antenneja. Litteitä mikroliuska-antenneja käytetään yhä enemmän kuluttajasovelluksissa. Toinen mikroaaltotaajuuksilla käytettävä suunta-antennityyppi on vaiheistettu ryhmäantenni , joka on tietokoneohjattu antenniryhmä, joka luo säteen, jota voidaan ohjata hallitusti eri suuntiin.
Lähetyslinjoilla , joita käytetään siirtämään matalataajuisia radioaaltoja antenneihin ja antenneista, kuten koaksiaalikaapelit ja rinnakkaisjohdot, ovat liian suuria tehohäviöitä mikroaaltotaajuuksilla, joten kun alhaista vaimennusta vaaditaan, mikroaallot lähetetään metalliputkien kautta, joita kutsutaan aaltoputkiksi. Monissa mikroaaltoantenneissa aaltoputkiosien korkeiden kustannus- ja ylläpitovaatimusten vuoksi lähettimen lähtöaste tai vastaanottimen RF-tulo sijaitsee antennissa.
Termillä mikroaallot on myös teknisempi merkitys sähkömagnetismissa ja piiriteoriassa [8] [9] . Laitteita ja menetelmiä voidaan laadullisesti kuvata "mikroaaltoiksi", kun signaalien aallonpituudet ovat suunnilleen samat kuin piirin mitat, joten niputettu-elementtipiiriteoriaa ei voida soveltaa, vaan hajaelementtimallit ja siirtojohtoteoria ovat käyttökelpoisia. hyödyllisempi suunnittelussa ja analysoinnissa.
Tämän seurauksena käytännölliset mikroaaltopiirit ovat tyypillisesti siirtymässä pois diskreeteistä vastuksista , kondensaattoreista ja induktoreista , joita käytetään matalataajuisten radioaaltojen kanssa . Matalilla taajuuksilla käytettävät avoimet ja koaksiaaliset siirtojohdot korvataan aaltoputkilla ja liuskajohdoilla, ja niputetut elementtipiirit korvataan onteloresonaattoreilla tai resonanssistubilla [8] . Toisaalta vielä korkeammilla taajuuksilla, kun sähkömagneettisten aaltojen aallonpituus pienenee niiden käsittelyyn käytettävien rakenteiden kokoon verrattuna, mikroaaltomenetelmät tulevat riittämättömiksi ja optisia menetelmiä käytetään .
Tehokkaissa mikroaaltolähteissä käytetään erityisiä tyhjiöputkia mikroaaltojen tuottamiseen. Nämä laitteet toimivat periaatteilla, jotka poikkeavat matalataajuisista tyhjiöputkista ja käyttävät elektronien ballistista liikettä tyhjiössä hallittujen sähkö- tai magneettikenttien alaisena, ja niihin kuuluvat magnetroni (käytetään mikroaaltouunissa ), klystron , liikkuva aaltoputki (TWT) ja gyrotron . Nämä laitteet toimivat tiheysmodulaatiotilassa , eivät nykyisessä modulaatiotilassa . Tämä tarkoittaa, että ne toimivat niiden lävitse ballistisesti (ilman törmäyksiä) lentävien elektroninippujen perusteella sen sijaan, että ne käyttävät jatkuvaa elektronivirtaa.
Pienitehoiset mikroaaltolähteet käyttävät puolijohdelaitteita, kuten FET -laitteita (ainakin alemmilla taajuuksilla), tunnelidiodeja , Gunn -diodeja ja lumivyörydiodeja [10] . Matalavirtalähteitä on saatavana pöytä-, teline-, plug-in- ja korttitason muodossa. Maser on puolijohdelaite, joka vahvistaa mikroaaltoja käyttämällä samanlaisia periaatteita kuin laser , joka vahvistaa korkeataajuisia valoaaltoja.
Kaikki lämpimät esineet lähettävät matalan intensiteetin mustan kappaleen mikroaaltosäteilyä lämpötilastaan riippuen , joten meteorologiassa ja kaukokartoituksessa käytetään mikroaaltoradiometrejä esineiden tai maaston lämpötilan mittaamiseen [11] . Aurinko [12] ja muut tähtitieteelliset radiolähteet, kuten Cassiopeia A , lähettävät mikroaaltosäteilyä, joka välittää tietoa niiden koostumuksesta, jota radioastronomit tutkivat radioteleskoopeiksi kutsuttujen vastaanottimien avulla . Esimerkiksi kosminen mikroaaltotaustasäteily ( CMBR) on heikkoa, tyhjää tilaa täyttävää mikroaaltokohinaa, joka on pääasiallinen tietolähde maailmankaikkeuden alkuräjähdyksen kosmologiselle teorialle .
Mikroaaltotekniikkaa käytetään laajasti point-to-point- viestintään (eli ei lähetykseen). Mikroaallot sopivat erityisen hyvin tähän käyttöön, koska ne kohdistavat helpommin kapeampiin säteisiin kuin radioaallot, mikä mahdollistaa taajuuksien uudelleenkäytön . niiden suhteellisen korkeammat taajuudet mahdollistavat laajan kaistanleveyden ja suuret datanopeudet , ja antennikoot ovat pienempiä kuin alemmilla taajuuksilla, koska antennin koko on kääntäen verrannollinen lähetettyyn taajuuteen. Mikroaaltoja käytetään viestintään avaruusaluksissa, ja suurin osa maailman data-, televisio- ja puhelinviestinnästä välitetään pitkiä matkoja mikroaaltojen välityksellä maa-asemien ja viestintäsatelliittien välillä . Mikroaaltoja käytetään myös mikroaaltouunissa ja tutkatekniikassa .
Ennen kuituoptisen lähetyksen tuloa useimmat kaukopuhelut soitettiin AT&T Long Linesin kaltaisten operaattorien operoimien mikroaaltoradiovälitysverkkojen kautta . 1950-luvun alusta lähtien taajuusjakoista multipleksointia käytettiin lähettämään jopa 5 400 puhelinkanavaa kullakin mikroaaltoradiokanavalla, ja jopa kymmenen radiokanavaa yhdistettiin yhdeksi antenniksi seuraavan solmun saavuttamiseksi jopa 70 kilometrin päässä.
Langattomat LAN - protokollat , kuten Bluetooth ja Wi-Fi:ssä käytetyt 802.11 - spesifikaatiot , käyttävät myös mikroaaltoja 2,4 GHz ISM-kaistalla, vaikka 802.11a käyttää ISM-kaistaa ja U-NII-taajuuksia 5 GHz:n kaistalla. Lisensoitu kantama (noin 25 km asti) langattomille Internet-yhteyspalveluille on ollut käytössä lähes kymmenen vuoden ajan monissa maissa taajuudella 3,5-4,0 GHz. FCC on jakanut taajuuksia operaattoreille, jotka haluavat tarjota palvelua tällä kaistalla Yhdysvalloissa keskittyen 3,65 GHz:iin. Kymmeniä palveluntarjoajia eri puolilla maata ovat tai ovat saaneet FCC:n toimiluvan käyttää tätä kaistaa. Ehdotetut WIMAX-palvelut, jotka voidaan toteuttaa 3,65 GHz:llä, tarjoavat yritysasiakkaille toisen liitäntävaihtoehdon.
Metropolitan Area Network (MAN) -protokollat, kuten WiMAX , perustuvat standardeihin, kuten IEEE 802.16 , jotka on suunniteltu toimimaan 2–11 GHz:n taajuuksilla. Kaupalliset toteutukset ovat taajuuksilla 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz ja 5,8 GHz.
MBWA (Mobile Broadband Wireless Access) -protokollat, jotka perustuvat standardispesifikaatioihin, kuten IEEE 802.20 tai ATIS/ANSI HC-SDMA (esim. iBurst ), toimivat 1,6–2,3 GHz taajuudella tarjotakseen liikkuvuutta ja tunkeutumisominaisuuksia rakennuksiin, kuten matkapuhelimia, mutta paljon suuremmalla spektritehokkuudella [13] .
Jotkut matkapuhelinverkot , kuten GSM , käyttävät matalia VHF/korkeita UHF-taajuuksia noin 1,8 ja 1,9 GHz Yhdysvalloissa ja muissa maissa. DVB-SH ja S-DMB käyttävät taajuutta 1,452–1,492 GHz, kun taas Yhdysvallat käyttää patentoitua tai ei-yhteensopivaa satelliittiradiota noin 2,3 GHz:n taajuudella DARSissa .
Mikroaaltoradiota käytetään yleisradiotoiminnassa ja tietoliikenteessä , koska erittäin suuntaavat antennit ovat lyhyen aallonpituutensa vuoksi pienempiä ja siksi käytännöllisempiä kuin ne olisivat pitemmillä aallonpituuksilla (matalimmilla taajuuksilla). Lisäksi mikroaaltospektrissä on saatavilla laajempi kaistanleveys kuin muussa radiospektrissä; hyödyllinen kaistanleveys alle 300 MHz on alle 300 MHz, kun taas monet GHz voivat käyttää yli 300 MHz kaistanleveyttä. Mikroaaltoja käytetään yleisesti televisiouutisissa signaalin välittämiseen etäpaikasta televisioasemalle erityisesti varustetusta pakettiautosta.
Useimmat satelliittiviestintäjärjestelmät toimivat mikroaaltospektrin C-, X-, Ka- tai K u -kaistoilla. Nämä taajuudet tarjoavat laajan kaistanleveyden välttäen samalla ruuhkaisia UHF-taajuuksia ja pysyen EHF-taajuuksien alapuolella, kun ilmakehän absorptio on voimakasta. Satelliittitelevisio toimii joko C - kaistalla perinteisessä suurlautasessa kiinteässä satelliittipalvelussa tai K u - kaistalla suoralähetyksessä satelliitista . Sotilaallinen viestintä on ensisijaisesti X- tai K u -linkkiä , ja K-kaistaa käytetään Milstarille .
Global Navigation Satellite Systems (GNSS), mukaan lukien Kiinan Beidou , amerikkalainen Global Positioning System (otettu käyttöön vuonna 1978) ja venäläinen GLONASS-järjestelmä , lähettävät navigointisignaaleja eri taajuuksilla noin 1,2 GHz ja 1,6 GHz välillä.
Tutka on tutkalaite , joka käyttää lähettimen lähettämää radioaaltosädettä ja mittaa kohteesta heijastuvaa signaalia, jonka avulla voit määrittää kohteen sijainnin, kantaman, nopeuden ja muut ominaisuudet. Mikroaaltojen lyhyt aallonpituus aiheuttaa voimakkaita heijastuksia autojen, laivojen ja lentokoneiden kokoisista esineistä. Myös näillä aallonpituuksilla suuren vahvistuksen antennit, kuten paraboliset antennit , joita tarvitaan esineiden tarkan paikantamisen edellyttämän kapean säteen saamiseksi, ovat kooltaan pieniä, mikä mahdollistaa niiden nopean pyörittämisen kohteiden skannaamiseksi. Siksi mikroaaltotaajuudet ovat pääasialliset tutkataajuudet. Mikroaaltotutkaa käytetään laajalti sovelluksissa, kuten lennonjohdossa , sääennusteissa, laivojen navigoinnissa ja nopeusrajoitusten valvonnassa. Pitkän kantaman tutkat käyttävät matalampia mikroaaltotaajuuksia, koska alueen yläpäässä ilmakehän absorptio rajoittaa kantamaa, mutta millimetriaaltoja käytetään lyhyen kantaman tutkissa, kuten törmäyksenestojärjestelmissä .
Tähtitieteellisten radiolähteiden lähettämät mikroaallot ; kuten planeettoja, tähtiä, galakseja ja sumuja tutkitaan radioastronomiassa käyttämällä suuria lautasantenneja, joita kutsutaan radioteleskoopeiksi . Luonnollisen mikroaaltosäteilyn vastaanottamisen lisäksi radioteleskooppeja käytettiin aktiivisissa tutkakokeissa, mikroaaltojen heijastuksen kokeissa aurinkokunnan planeetoilta, joissa määritettiin etäisyydet Kuuhun tai kartoitettiin Venuksen näkymätön pinta pilven kautta. peite.
Hiljattain valmistunut Microwave Radio Telescope, Atacama Large Millimeter Array, joka sijaitsee yli 5000 metrin korkeudessa Chilessä, tutkii maailmankaikkeutta millimetrin ja submillimetrin aallonpituuksilla. Nykyään se on maailman suurin maanpäällisen tähtitieteen alan hanke. Se koostuu yli 66 symbaalista ja rakennettiin kansainvälisellä yhteistyöllä Euroopasta, Pohjois-Amerikasta, Itä-Aasiasta ja Chilestä [14] [15] .
Mikroaaltoradiotähtitieteen pääpaino viime aikoina on ollut kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn (CMBR) kartoittaminen, jonka radioastronomit Arno Penzias ja Robert Wilson löysivät vuonna 1964 . Tämä heikko taustasäteily, joka täyttää maailmankaikkeuden ja on lähes sama kaikkiin suuntiin, on alkuräjähdyksestä jäljelle jäänyt "kosminen mikroaaltotaustasäteily" ja on yksi harvoista tietolähteistä varhaisen universumin olosuhteista. Universumin laajenemisen ja siten jäähtymisen seurauksena alkuperäinen korkeaenerginen säteily on siirtynyt radiospektrin mikroaaltoalueelle. Riittävän herkät radioteleskoopit voivat havaita CMB:n heikkona signaalina, joka ei liity mihinkään tähteen, galaksiin tai mihinkään muuhun kohteeseen [16] .
Mikroaaltouuni lähettää mikroaaltosäteilyä noin 2,45 GHz:n taajuudella ruoan läpi, mikä aiheuttaa dielektristä kuumenemista ensisijaisesti vesimolekyylien energian imeytymisen vuoksi. Mikroaaltouuneista tuli yleisiä keittiölaitteita länsimaissa 1970-luvun lopulla halvempien resonaattorimagnetronien kehittämisen jälkeen . Nestemäisellä vedellä on monia molekyylivuorovaikutuksia, jotka laajentavat absorptiohuippua. Höyryfaasissa eristetyt vesimolekyylit absorboivat noin 22 GHz:n taajuutta, mikä on lähes kymmenen kertaa mikroaaltouunin taajuus.
Mikroaaltosäteilyä käytetään teollisissa prosesseissa tuotteiden kuivaamiseen ja kovetukseen .
Monet puolijohdekäsittelytekniikat käyttävät mikroaaltoja plasman tuottamiseen sellaisiin sovelluksiin kuin reaktiivinen ionisyövytys ja kemiallinen höyrypinnoitus (PECVD).
Mikroaaltoja käytetään stellaraattoreissa ja kokeellisissa tokamak-fuusioreaktoreissa kaasun muuttamiseksi plasmaksi ja sen lämmittämiseen erittäin korkeisiin lämpötiloihin. Taajuus on viritetty elektronien syklotroniresonanssiin magneettikentässä, jossain välillä 2-200 GHz, minkä vuoksi sitä kutsutaan usein elektronisyklotroniresonanssilämmitykseksi (ECHR). Rakenteilla oleva ITER - fuusioreaktori [17] käyttää 170 GHz:n emittereitä, joiden teho on enintään 20 MW.
Mikroaaltoja voidaan käyttää voiman siirtämiseen pitkiä matkoja, ja toisen maailmansodan jälkeen tutkittiin tätä mahdollisuutta. 1970-luvulla ja 1980-luvun alussa NASA työskenteli selvittääkseen mahdollisuuksia käyttää aurinkoenergialla toimivia satelliittijärjestelmiä (SPS) suurilla aurinkoryhmillä , jotka välittäisivät energiaa Maan pinnalle mikroaaltojen avulla.
On olemassa vähemmän tappava ase, joka lämmittää millimetriaaltojen avulla ohuen kerroksen ihmisen ihoa sietämättömään lämpötilaan pakottaakseen henkilön poistumaan. Tarkennetun säteen kahden sekunnin purske 95 GHz:n taajuudella lämmittää ihon 54 °C:n lämpötilaan 0,4 mm:n syvyydessä. Yhdysvaltain ilmavoimat ja merijalkaväki käyttävät tällä hetkellä tämän tyyppistä aktiivista hylkäysjärjestelmää kiinteissä asennuksissa [18] .
Mikroaaltosäteilyä käytetään elektroniparamagneettisessa resonanssispektroskopiassa (EPR tai EPR), tyypillisesti X-kaistan alueella (noin 9 GHz) yhdessä 0,3 T :n magneettikenttien kanssa. Tämä menetelmä tarjoaa tietoa parittomista elektroneista kemiallisissa yhdisteissä, kuten vapaissa radikaaleissa tai siirtymämetalli-ioneissa , kuten Cu(II). Mikroaaltosäteilyä käytetään myös rotaatiospektroskopiassa , ja se voidaan yhdistää sähkökemiaan mikroaaltotehostetussa sähkökemiassa.
Mikroaaltospektrin taajuuskaistat on merkitty kirjaimilla. Yhteensopimattomia kaistanmääritysjärjestelmiä on kuitenkin useita, ja jopa järjestelmän sisällä joitain kirjaimia vastaavat taajuuskaistat eroavat jonkin verran eri sovellusten välillä [19] [20] . Kirjainjärjestelmä sai alkunsa toisen maailmansodan aikana huippusalaisesta amerikkalaisesta tutka-asennuksissa käytettyjen taajuuksien luokittelusta; tästä on peräisin vanhin kirjainjärjestelmä, IEEE-tutkakaistat. Alla olevassa taulukossa on yksi Radio Society of Great Britainin (RSGB) määrittelemä mikroaaltouunien taajuusalue:
| Nimitys | taajuusalue | Aallonpituusalue | Tyypillinen käyttö |
|---|---|---|---|
| L ryhmä | 1-2 GHz | 15-30 cm | Sotilaallinen telemetria, GPS, matkapuhelimet (GSM), amatööriradio |
| Ryhmä S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Säätutka, pintalaivatutka, jotkin viestintäsatelliitit, mikroaaltouunit, mikroaaltouunit/viestintälaitteet, radioastronomia, matkapuhelimet, langaton lähiverkko, Bluetooth, ZigBee, GPS, amatööriradio |
| Ryhmä C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | Pitkän matkan radio |
| Ryhmä X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Satelliittiviestintä, tutka, maanpäällinen laajakaista, avaruusviestintä, radioamatööri, molekyylikiertospektroskopia |
| Ryhmä K U | 12-18 GHz | 16,7-25 mm | Satelliittiviestintä, molekyylin rotaatiospektroskopia |
| Ryhmä K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Tutka, satelliittiviestintä, tähtitieteelliset havainnot, autotutka, molekyylikiertospektroskopia |
| Ryhmä K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Satelliittiviestintä, molekyylin rotaatiospektroskopia |
| Q-alue | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Satelliittiviestintä, maanpäällinen mikroaaltoviestintä, radioastronomia, autotutka, molekyylikiertospektroskopia |
| Ryhmä U | 40-60 GHz | 5,0-7,5 mm | |
| Ryhmä V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Tutkatutkimus millimetrialueella, molekyylien rotaatiospektroskopia ja muun tyyppinen tieteellinen tutkimus |
| Ryhmä W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Satelliittiviestintä, millimetriaaltotutkatutkimus, sotilaallisen tutkan ohjaus- ja seurantajärjestelmät ja jotkin ei-sotilaalliset sovellukset, autotutka |
| Ryhmä F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Mikroaaltolähetykset: radioastronomia, mikroaaltolaitteet/viestintä, langaton LAN, huippuluokan tutkat, viestintäsatelliitit, satelliittitelevisiolähetykset, DBS , amatööriradio. |
| Ryhmä D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | EHF-lähetykset: radioastronomia, korkeataajuinen mikroaaltoradiorele, mikroaaltokukokartoitus, amatööriradio, suunnatun energian aseet, millimetriaaltoskanneri. |
On muitakin määritelmiä [21] .
L-kaistan alapuolella olevilla UHF-taajuuksilla termiä P-kaista käytetään joskus, mutta se on nyt vanhentunut IEEE Std 521:n mukaan .
Kun K-kaistatutkat kehitettiin ensimmäisen kerran toisen maailmansodan aikana, ei tiedetty, että niiden vieressä oli absorptiokaista (ilmakehän vesihöyryn ja hapen vuoksi). Tämän ongelman välttämiseksi alkuperäinen K-kaista jaettiin alempaan K u- ja ylempään K a -vyöhykkeisiin [22] .
Mikroaaltotaajuus voidaan mitata elektronisesti tai mekaanisesti.
Voit käyttää taajuuslaskuria tai suurtaajuisia paikallisoskillaattoria . Tässä tuntematonta taajuutta verrataan tunnetun alemman taajuuden harmonisiin käyttämällä matalataajuista oskillaattoria, harmonista generaattoria ja sekoitinta. Mittaustarkkuutta rajoittaa vertailulähteen tarkkuus ja vakaus.
Mekaaniset menetelmät vaativat viritetyn resonaattorin, kuten aaltoabsorptiomittarin , jossa fyysisen koon ja taajuuden välinen suhde tunnetaan.
Laboratoriossa Lecher-linjoilla voidaan mitata suoraan aallonpituus rinnakkaisjohdolla, jonka jälkeen taajuus voidaan määrittää. Samanlainen menetelmä on käyttää uritettua aaltoputkea tai uritettua koaksiaalilinjaa mittaamaan suoraan aallonpituus. Nämä laitteet koostuvat mittapäästä, joka on työnnetty linjaan pitkittäisraon kautta, jotta anturi voi liikkua vapaasti ylös ja alas linjaa pitkin. Urajohdot on tarkoitettu ensisijaisesti seisovan aallon suhteen mittaamiseen linjajännitteestä . Kuitenkin seisovan aallon läsnäollessa niitä voidaan käyttää myös solmujen välisen etäisyyden mittaamiseen , joka on yhtä suuri kuin puolet aallonpituudesta. Tämän menetelmän tarkkuutta rajoittaa solmujen sijainti.
Mikroaallot ovat ionisoimatonta säteilyä, mikä tarkoittaa, että mikroaaltofotonit eivät sisällä tarpeeksi energiaa ionisoimaan molekyylejä tai rikkomaan kemiallisia sidoksia tai vahingoittamaan DNA:ta, toisin kuin ionisoiva säteily, kuten röntgensäteet tai ultraviolettisäteily [23] . Sana "säteily" viittaa lähteestä lähtevään energiaan, ei radioaktiivisuuteen . Mikroaaltoabsorption päävaikutus on materiaalien lämmitys; sähkömagneettiset kentät saavat polaariset molekyylit värähtelemään tai pyörimään. Mikroaalloilla (tai muulla ionisoimattomalla sähkömagneettisella säteilyllä) ei tiedetä olevan merkittäviä haitallisia biologisia vaikutuksia alhaisella intensiteetillä. Jotkut, mutta eivät kaikki, tutkimukset osoittavat, että pitkäaikaisella altistuksella voi olla syöpää aiheuttava vaikutus [24] .
Toisen maailmansodan aikana havaittiin, että tutkalaitteistojen säteilyn tiellä olevat ihmiset kuulivat mikroaaltosäteilylle altistumisen seurauksena napsautuksia ja surinaa. NASAn 1970-luvulla tekemä tutkimus osoitti, että se johtui sisäkorvan osien lämpölaajenemisesta. Vuonna 1955 tohtori James Lovelock pystyi elvyttämään 0–1 °C:seen jäähdytetyt rotat käyttämällä mikroaaltodiatermiaa [25] .
Kun vamma tapahtuu altistumisesta mikroaaltoille, se tapahtuu yleensä kehon dielektrisen kuumennuksen seurauksena. Altistuminen mikroaaltosäteilylle voi aiheuttaa kaihia tällä mekanismilla [26] , koska mikroaaltokuumennus denaturoi silmän linssin proteiineja ( kuten lämpö tekee munanvalkuaisesta läpinäkymättömän). Silmän linssi ja sarveiskalvo ovat erityisen haavoittuvia, koska niistä puuttuu verisuonia, jotka voivat kuljettaa lämpöä pois. Altistuminen suurille mikroaaltosäteilyannoksille (esimerkiksi uunista, jota on peukaloitu niin, että se toimii myös luukun ollessa auki) voi aiheuttaa lämpövaurioita myös muille kudoksille, jopa vakavia palovammoja , jotka eivät välttämättä ole heti havaittavissa. mikroaaltojen taipumukseen lämmittää syvempiä kudoksia, kankaita, joiden kosteuspitoisuus on korkeampi.
Eleanor R. Adair suoritti tutkimuksen terveydestään, eläimistä ja muista mikroaaltoille altistuneista ihmisistä, joista he tunsivat lämpöä tai jopa alkoivat hikoilla ja tuntua melko epämukavalta. Hän ei löytänyt muita haitallisia terveysvaikutuksia kuin lämpö.
Mikroaallot luotiin ensimmäisen kerran 1890-luvulla joissakin varhaisimmista radiokokeista . Fyysikot pitivät niitä "näkymättömän valon" muodossa [27] . James Clerk Maxwell ennusti vuoden 1873 sähkömagnetismiteoriassaan , joka perustuu Maxwellin yhtälöihin , että vuorottelevat sähkö- ja magneettikentät voisivat kulkea avaruuden läpi sähkömagneettisina aaltoina , ja ehdotti, että valo koostuisi lyhytaaltoisista sähkömagneettisista aalloista. Vuonna 1888 saksalainen fyysikko Heinrich Hertz osoitti ensimmäisenä radioaaltojen olemassaolon käyttämällä primitiivistä radiolähetintä, jossa oli kipinäväli [28] . Hertz ja muut varhaiset radiotutkijat olivat kiinnostuneita tutkimaan yhtäläisyyksiä radioaaltojen ja valoaaltojen välillä testatakseen Maxwellin teoriaa. He keskittyivät luomaan lyhytaaltoisia radioaaltoja UHF- ja mikroaaltokaistoille, joilla he voisivat toistaa klassisia optisia kokeita laboratorioissaan käyttämällä näennäisoptisia komponentteja, kuten parafiinia , rikkiä ja pikiprismoja ja linssejä sekä lankaritilöitä taittaakseen ja sirotakseen . radioaalto. , kuten valonsäteet [29] . Hertz loi aaltoja jopa 450 MHz; sen 450 MHz:n suuntalähetin koostui 26 cm messinkitanko- dipoliantennista , jonka päiden välissä oli kipinäväli, joka oli ripustettu taivutetusta sinkkilevystä valmistetun parabolisen antennin polttolinjaan ja jota syötettiin induktiokelan korkeajännitepulsseilla . Hänen historialliset kokeensa osoittivat, että radioaallot, kuten valo, osoittavat taittumista , diffraktiota , polarisaatiota , interferenssiä ja seisovia aaltoja , mikä todistaa yhteyden radioaaltojen ja valoaaltojen välillä, jotka ovat Maxwellin sähkömagneettisten aaltojen muotoja .
Heinrich Hertzin 450 MHz kipinälähetin , 1888, koostui 23 cm:n dipolista ja kipinävälistä parabolisen heijastimen kohdalta.
Jagadish Chandra Bose vuonna 1894 oli ensimmäinen henkilö, joka loi millimetriaaltoja; hänen kipinägeneraattorinsa (oikealla laatikossa) synnytti 60 GHz (5 mm) aaltoja halkaisijaltaan 3 mm:n metallipalloresonaattorilla.
John Ambrose Flemingin vuonna 1897 tekemä mikroaaltospektroskopiakoe osoitti 1,4 GHz:n mikroaaltojen taittumista parafiiniprismassa, mikä toisti Bosen ja Righen aikaisemmat kokeet.
Augusto Righi 12 GHz kipinägeneraattori ja vastaanotin, 1895
Vuodesta 1894 lähtien intialainen fyysikko Jagdish Chandra Bose suoritti ensimmäiset kokeet mikroaaltouunilla. Hän oli ensimmäinen henkilö, joka loi millimetriaaltoja , jotka tuottivat jopa 60 GHz (5 millimetriä) taajuuksia käyttämällä kipinägeneraattoria, jossa on 3 mm metallipallo [30] [29] . Bose keksi myös aaltoputken , torviantennit ja puolijohdekideilmaisimet käytettäväksi kokeissaan . Riippumatta vuonna 1894 Oliver Lodge ja Augusto Righi kokeilivat 1,5 GHz:n ja 12 GHz:n mikroaaltoja, jotka tuotettiin pienten metallipallokipinäresonaattoreiden avulla. Venäläinen fyysikko Pjotr Lebedev loi 50 GHz:n millimetriaaltoja vuonna 1895. Vuonna 1897 lordi Rayleigh ratkaisi sähkömagneettisten aaltojen matemaattisen rajaongelman , joka etenee johtavien putkien ja mielivaltaisen muotoisten dielektristen sauvojen läpi [31] [32] [33] [34] , jossa hän osoitti mikroaaltojen katkaisumuodot ja taajuudet , jotka etenevät mikroaaltojen läpi. aaltoputki [28] .
Koska mikroaaltojen leviäminen rajoittuu kuitenkin näköetäisyydelle, niitä ei voitu käyttää näkyvän horisontin ulkopuolella, ja silloin käytössä olevien kipinälähettimien pieni teho rajoitti niiden käytännöllisen kantaman muutamaan mailiin. Radioviestinnän myöhemmässä kehityksessä vuoden 1896 jälkeen käytettiin matalampia taajuuksia, jotka pystyivät leviämään horisontin ulkopuolelle pinta-aaltoina ja heijastumaan ionosfääristä taivaanaaltoina, mikroaaltotaajuuksia ei tuolloin tutkittu tarkemmin.
Mikroaaltotaajuuksien soveltaminen käytännössä tapahtui vasta 1940- ja 1950-luvuilla sopivien lähteiden puutteen vuoksi, koska radiolähettimissä käytetty triodityhjiöputki ( putki ) elektroninen oskillaattori ei kyennyt muodostamaan yli muutaman sadan megahertsin taajuuksia liiallisen ajan vuoksi. elektronien kulku ja elektrodien välinen kapasitanssi [28] . 1930-luvulle mennessä kehitettiin ensimmäiset pienitehoiset mikroaaltouunityhjiöputket, jotka toimivat uusilla periaatteilla; Barkhausen-Kurtz putki ja magnetroni irrotettavalla anodilla . Ne pystyivät tuottamaan useita watteja tehoa useiden gigahertsien taajuuksilla ja niitä käytettiin varhaisissa mikroaaltoviestintäkokeissa.
Antennit vuodelta 1931 kokeisiin radioreleviestinnästä Englannin kanaalin yli taajuudella 1,7 GHz.
Westinghouse Laboratoriesin kokeellinen 700 MHz lähetin vuonna 1932 lähettää ääntä yli mailin etäisyydellä.
Southworth esitteli radioinsinöörien instituutin kokouksessa vuonna 1938 aaltoputkea, jossa 1,5 GHz:n aallot kulkevat diodiilmaisimen havaitseman 7,5 m pitkän joustavan metalliletkun läpi.
Ensimmäinen moderni torviantenni vuonna 1938, keksijä Wilmer L. Barrow
Vuonna 1931 André Clavierin johtama englantilais-ranskalainen konsortio esitteli ensimmäisen kokeellisen mikroaaltovälitteisen yhteyden Englannin kanaalin yli 64 kilometrin matkalla Doverin ja Calais'n välillä [35] [36] . Järjestelmä välitti puhelin-, lennätin- ja telekopiodataa kaksisuuntaisella 1,7 GHz:n kanavalla noin puolen watin teholla, jonka muodostivat miniatyyri Barkhausen-Kurtz-putket 3-metrisen metallilautasen keskipisteessä.
Piti keksiä sana näiden uusien lyhyempien aallonpituuksien erottamiseksi, jotka aiemmin oli ryhmitelty " lyhytaalto "-alueelle, mikä tarkoitti kaikkia alle 200 m:n aaltoja. Termejä kvasioptiset aallot ja ultralyhyet aallot käytettiin jonkin aikaa , mutta ei yleistynyt. Sanaa mikroaalto käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1931 [37] .
Useimmiten salaisen tutkan kehitys ennen toista maailmansotaa ja sen aikana johti teknologiseen kehitykseen, joka teki mikroaalloista käytännöllisiä [28] . Aallonpituudet senttimetrialueella olivat välttämättömiä, jotta pienillä tutka-antenneilla, jotka olivat riittävän kompakteja mahtumaan lentokoneisiin, olisi riittävän kapea keilanleveys vihollisen lentokoneiden paikantamiseksi. Perinteisissä radioaaltojen lähettämiseen käytetyissä siirtolinjoissa havaittiin olevan liian suuria tehohäviöitä mikroaaltotaajuuksilla, ja George Southworth Bell Labsista ja Wilmer Barrow MIT : stä keksivät itsenäisesti aaltoputken vuonna 1936 [31] . Barrow keksi torviantennin vuonna 1938 keinona lähettää tehokkaasti mikroaaltoja aaltoputkeen tai ulos aaltoputkesta. Mikroaaltovastaanotin tarvitsi epälineaarisen komponentin toimiakseen ilmaisimena ja sekoittimena näillä taajuuksilla, koska tyhjiöputkilla oli liian paljon kapasitanssia. Tämän vaatimuksen täyttämiseksi tutkijat ovat elvyttäneet vanhentuneen teknologian, pistekideilmaisimen (cat's whisker detector ), jota käytettiin demodulaattorina kristalliradiovastaanottimissa vuosisadan vaihteessa ennen putkivastaanottimien tuloa [ 38] . Puolijohdeliitosten alhainen kapasitanssi mahdollisti niiden toiminnan ultrakorkeilla taajuuksilla. Ensimmäiset modernit pii- ja germaniumdiodit kehitettiin mikroaaltoilmaisimina 1930-luvulla, ja puolijohdekehityksen aikana löydetyt puolijohdefysiikan periaatteet johtivat puolijohdeelektroniikkaan sodan jälkeen .
Randallin ja Boothin prototyyppiresonaattorimagnetroniputki Birminghamin yliopistosta , 1940. Käytössä putki asennettiin sähkömagneetin napojen väliin.
General Electricin ensimmäinen kaupallinen klystron-putki, 1940, leikattu näyttämään sisäistä rakennetta
AN/ APS-4 on 10 GHz:n kuuntelututka, jota amerikkalaiset ja brittiläiset lentokoneet käyttivät toisen maailmansodan aikana.
US Army Mobile Microwave Relay Station, 1945, esittelee relejärjestelmiä, jotka käyttävät taajuuksia 01–4,9 GHz ja jotka voivat välittää jopa 8 puhelua säteellä.
Ensimmäiset tehokkaat mikroaaltosäteilyn lähteet keksittiin toisen maailmansodan alussa: Russellin ja Sigurd Varianin Stanfordin yliopistosta vuonna 1937 valmistama klystron ja Birminghamin yliopiston, Iso-Britannian, John Randallin ja Harry Boothin magnetroni vuonna 1940 [28] . ] . Kymmenen senttimetrin (3 GHz) mikroaaltotutkaa käytettiin brittiläisissä sotilaslentokoneissa vuoden 1941 lopulla, ja se osoittautui pelin muuttajaksi. Ison-Britannian päätös vuonna 1940 jakaa mikroaaltouuniteknologiansa Yhdysvaltojen liittolaisensa ( Tizard Mission ) kanssa lyhensi sotaa huomattavasti. MIT :n säteilylaboratorio , joka perustettiin salaa MIT:hen vuonna 1940 tutkimaan tutkaa, tarjosi suuren osan mikroaaltojen käyttöön tarvittavasta teoreettisesta tiedosta. Ensimmäiset mikroaaltovälitteiset järjestelmät kehittivät liittoutuneiden joukot sodan loppupuolella, ja niitä käytettiin turvallisiin viestintäverkkoihin taistelukentällä Euroopan operaatioalueella.
Toisen maailmansodan jälkeen mikroaaltoja käytettiin laajalti kaupallisiin tarkoituksiin [28] . Korkeasta taajuudestaan johtuen niihin perustuvilla lähettimillä on erittäin suuri kaistanleveys ( kaistanleveys ); yksi mikroaaltouunin säde voi välittää kymmeniä tuhansia puheluita. 1950- ja 1960-luvuilla Yhdysvalloissa ja Euroopassa rakennettiin mannertenvälisiä mikroaaltovälitysverkkoja puhelujen vaihtamiseksi kaupunkien välillä ja televisio-ohjelmien jakeluun. Uudessa televisiolähetysteollisuudessa 1940-luvulta alkaen mikroaaltoastioita käytettiin videokanavien siirtokanavien siirtämiseen mobiilitelevisioasemilta takaisin studioon, mikä mahdollisti television etälähetyksen . Ensimmäiset viestintäsatelliitit laukaistiin 1960-luvulla, jotka välittivät puheluita ja televisiota maapallon kaukaisten pisteiden välillä mikroaaltosäteiden avulla. Vuonna 1964 Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson havaitsivat kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn tutkiessaan kohinaa satelliittitorviantennissa Bell Labsissa , Holmdelissa, New Jerseyssä .
Mikroaaltotutkasta tuli keskeinen tekniikka, jota käytettiin lennonjohdossa , merenkulussa , ilmapuolustuksessa , ballististen ohjusten havaitsemisessa ja myöhemmin monilla muilla aloilla. Tutka- ja satelliittiviestintä ovat vauhdittaneet nykyaikaisten mikroaaltouunien antennien kehittämistä; parabolinen antenni (yleisin tyyppi), Cassegrain-antenni , linssiantenni , rakoantenni ja vaiheistettu ryhmäantenni .
I. F. Muromtsev tutki 1930-luvulla lyhyiden aaltojen kykyä lämmittää nopeasti materiaaleja ja valmistaa ruokaa Westinghousessa, ja Chicagon maailmannäyttelyssä vuonna 1933 hän esitteli ruoanlaittoa 60 MHz:n radiolähettimellä [39] . Vuonna 1945 Percy Spencer , Raytheonin tutkan parissa työskentelevä insinööri , huomasi, että magnetronigeneraattorin mikroaaltosäteily oli sulattanut hänen taskussaan olevan makeispatukan. Hän tutki ruoanlaittoa mikroaaltouunilla ja keksi mikroaaltouunin , joka koostuu magnetronista, joka lähettää mikroaaltoja suljettuun metallionteloon, joka sisältää ruokaa ja jonka Raytheon patentoi 8. lokakuuta 1945. Mikroaaltouuneja käytettiin hintansa vuoksi alun perin laitoskeittiöissä, mutta vuoteen 1986 mennessä noin 25 prosentilla yhdysvaltalaisista kotitalouksista oli sellainen. Mikroaaltolämmitystä on käytetty laajalti teollisena prosessina teollisuudessa, kuten muoviteollisuudessa, ja terapeuttisena aineena tappamaan syöpäsoluja mikroaaltohypertermiassa .
Rudolf Kompfnerin ja John Pearcen vuonna 1943 kehittämä liikkuva aaltoputki (TWT) tarjosi tehokkaan, viritettävän mikroaaltolähteen jopa 50 GHz asti, ja siitä tuli yleisimmin käytetty mikroaaltoputki mikroaaltouuneissa kaikkialla esiintyvän magnetronin lisäksi. Neuvostoliitossa kehitetty gyrotroniputkiperhe voi tuottaa megawattitehoisia mikroaaltoja jopa millimetriaaltotaajuuksilla , ja sitä käytetään teollisessa lämmityksessä ja plasmatutkimuksessa sekä hiukkaskiihdyttimien ja ydinfuusioreaktorien voimanlähteenä .
Puolijohdeelektroniikan kehitys 1950-luvulla johti ensimmäisiin solid-state- mikroaaltolaitteisiin, jotka toimivat uudella periaatteella; negatiivinen differentiaaliresistanssi (joissakin sotaa edeltäneissä mikroaaltoputkissa käytettiin myös negatiivista differentiaaliresistanssia) [28] . Matalilla taajuuksilla käytetyt takaisinkytkentäoskillaattorit ja kaksiporttiset vahvistimet muuttuivat epävakaiksi mikroaaltotaajuuksilla, ja negatiiviseen differentiaalivastukseen perustuvat oskillaattorit ja vahvistimet, jotka perustuvat yksiporttisiin laitteisiin, kuten diodeihin , toimivat paremmin.
Japanilaisen fyysikon Leo Esakin vuonna 1957 keksimä tunnelidiodi pystyi tuottamaan useita milliwatteja mikroaaltotehoa. Hänen keksintönsä aloitti mikroaaltooskillaattorina käytettävien negatiivisen differentiaaliresistanssin puolijohdelaitteiden etsinnän, mikä johti W. T. Reedin ja Ralph L. Johnstonin vuonna 1956 keksimään lumivyörydiodin ja J. B. Gunnin vuonna 1962 Gunn-diodin [ 28] . Diodit ovat nykyään yleisimmin käytettyjä mikroaaltolähteitä. Kaksi matalakohinaista puolijohdemikroaaltovahvistinta , joilla on negatiivinen erovastus ; rubiinimaser , jonka keksivät vuonna 1953 Charles H. Townes , James P. Gordon ja H. J. Zeiger, ja varaktoriparametrinen vahvistin , jonka Marion Hines kehitti vuonna 1956. Niitä on käytetty hiljaisissa mikroaaltovastaanottimissa radioteleskooppeissa ja satelliittimaa-asemissa . Mather johti atomikellon kehittämistä , joka säilyttää ajan käyttämällä atomien lähettämää tarkkaa mikroaaltotaajuutta elektronin siirtymänä kahden energiatason välillä. Negatiivinen differentiaalivastusvahvistinpiirit vaativat uusien ei-resiprookisten aaltoputkikomponenttien, kuten kiertovesipumppujen , eristimien ja suuntakytkimien , keksimistä . Vuonna 1969 Kurokawa johti matemaattiset ehdot negatiivisten differentiaaliresistanssien piirien stabiiliudelle, jotka muodostivat perustan mikroaaltogeneraattorin suunnittelulle [40] .
Ennen 1970-lukua mikroaaltolaitteet ja -piirit olivat kookkaita ja kalliita, joten mikroaaltouunien taajuudet rajoittuivat yleensä lähettimien lähtöasteeseen ja vastaanottimien RF-tuloon, ja signaalit heterodynoitiin alemmalle välitaajuudelle prosessointia varten. 1970-luvun ja nykyajan välillä on kehitetty pieniä, edullisia aktiivisia puolijohde-mikroaaltokomponentteja, jotka voidaan asentaa painetuille piirilevyille, jolloin piirit voivat suorittaa merkittävää signaalinkäsittelyä mikroaaltotaajuuksilla. Tämä on mahdollistanut satelliittitelevision , kaapelitelevision , GPS-laitteet ja nykyaikaiset langattomat laitteet, kuten älypuhelimet , Wi-Fi ja Bluetooth , jotka muodostavat yhteyden verkkoihin mikroaaltojen avulla.
Mikroaaltotaajuuksilla käytettävä mikroliuskasiirtolinja keksittiin käyttämällä painettuja piirejä 1950-luvulla [28] . Mahdollisuus tuottaa erilaisia PCB -muotoja halvalla on mahdollistanut mikroliuskaversioiden suunnittelun kondensaattoreista , induktoreista , resonanssiliittimistä, kytkimistä, suuntakytkimistä , dipleksereistä , suodattimista ja antenneista , mikä mahdollistaa kompaktien mikroaaltopiirien suunnittelun.
Mikroaaltotaajuuksilla toimivat transistorit kehitettiin 1970-luvulla. Puolijohdegalliumarsenidilla ( GaAs ) on paljon suurempi elektronien liikkuvuus kuin piillä [28] , joten tästä materiaalista valmistetut laitteet voivat toimia jopa 4 kertaa suuremmilla taajuuksilla kuin vastaavat piistä valmistetut laitteet. 1970-luvulta lähtien GaAs:a käytettiin ensimmäisten mikroaaltotransistoreiden valmistukseen, ja siitä lähtien se on hallinnut mikroaaltopuolijohteita. MESFETejä ( metalli-semiconductor field effect transistors ), korkeataajuisia GaAs - pohjaisia Schottky - porttiliitoksia käyttäviä FETejä on kehitetty vuodesta 1968 lähtien ja ne ovat saavuttaneet 100 GHz:n rajataajuuden, ja ne ovat tällä hetkellä yleisimmin käytettyjä aktiivisia mikroaaltouunilaitteita. Toinen transistorien perhe, jolla on korkeampi taajuusraja, on HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), FET , joka on valmistettu kahdesta eri puolijohteesta, AlGaAs ja GaAs, käyttäen heteroliitostekniikkaa ja samanlainen kuin HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
GaAs voi olla puolieristävä, mikä mahdollistaa sen käytön substraattina , jolle voidaan valmistaa passiivisia komponentteja sisältäviä elektronisia piirejä sekä transistoreita litografialla [28] . Vuoteen 1976 mennessä tämä johti ensimmäisiin mikroaaltotaajuuksilla toimiviin integroituihin piireihin (IC:t), joita kutsutaan mikrowonin monoliteiksi integroiduiksi piireiksi (MMIC). Sana "monoliittinen" lisättiin erottamaan ne mikroliuskapainetuista piirilevyistä, joita kutsuttiin "mikroaaltointegroiduiksi piireiksi" (MIC). Sen jälkeen on kehitetty myös piin MMIC:itä. Nykyään MMIC:istä on tullut sekä analogisen että digitaalisen suurtaajuuselektroniikan työhevoset, jotka mahdollistavat yksisiruisten mikroaaltovastaanottimien, laajakaistavahvistimien , modeemien ja mikroprosessorien valmistuksen .
| sähkömagneettinen spektri | |
|---|---|
| Näkyvä spektri | |
| Mikroaaltouuni | |
| radioaallot | |
| Aallonpituudet | |