Mikrovlnné záření ( mikrovlny ) je oblast spektra elektromagnetického záření o vlnových délkách od 1 m do 1 mm, odpovídající frekvencím od 300 MHz, respektive do 300 GHz [1] [2] [3] [4] [5 ] . Různé zdroje používají pro mikrovlny různé frekvenční rozsahy; výše uvedená široká definice zahrnuje pásma UHF (decimetrová vlna), mikrovlnná (centimetrová vlna) a EHF (milimetrová vlna). Běžnější definice v radiotechnice - rozsah od 1 do 100 GHz (vlnové délky od 0,3 m do 3 mm). Mikrovlnné frekvence jsou často označovány IEEE radarovými pásmy termíny S , C , X , Ku , K nebo K a pásmo nebo podobná označení NATO nebo EU .
Předpona mikro- ve spojení mikrovlnné záření není určena k určení vlnové délky v rozsahu mikrometrů . Spíše to naznačuje, že mikrovlny jsou „malé“ (s kratšími vlnovými délkami) ve srovnání s rádiovými vlnami , které se používaly před rozšířením mikrovlnné technologie. Hranice mezi daleko infračerveným, terahertzovým zářením , mikrovlnami a decimetrovými rádiovými vlnami jsou zcela libovolné a používají se různými způsoby v různých oblastech vědy a techniky.
Mikrovlny se šíří v rámci viditelnosti; na rozdíl od nízkofrekvenčních rádiových vln se neohýbají kolem kopců, nesledují zemský povrch jako povrchové vlny a neodrážejí se od ionosféry , takže pozemská mikrovlnná spojení jsou omezena na vizuální horizont na asi 64 km. Na horní hranici dosahu jsou absorbovány plyny v atmosféře, což omezuje praktickou komunikační vzdálenost asi na kilometr. Mikrovlny jsou široce používány v moderní technologii, např. spojení point-to-point , bezdrátové sítě , mikrovlnné radioreléové sítě, radar , satelitní a kosmická komunikace , lékařská diatermie a léčba rakoviny, dálkový průzkum Země , radioastronomie , urychlovače částic , spektroskopie , průmyslová topení, systémy zabraňující kolizím , otvírače garážových vrat a systémy bezklíčového vstupu a vaření v mikrovlnné troubě .
Mikrovlnné záření vysoké intenzity se používá k bezdotykovému ohřevu těl (v domácích mikrovlnných troubách - k ohřevu výrobků, v průmyslových - k tepelnému zpracování kovů, v chirurgii - k radiofrekvenční ablaci žil [6] ; hlavní prvek zde je magnetron ), stejně jako pro radar .
Mikrovlny zabírají oblast v elektromagnetickém spektru s frekvencí nad konvenčními rádiovými vlnami a pod infračerveným světlem:
| elektromagnetické spektrum | ||||
|---|---|---|---|---|
| název | Vlnová délka | frekvence Hz) | Fotonová energie ( eV ) | |
| gama záření | <0,02 nm | > 15 E Hz | > 62,1 keV | |
| rentgen | 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 | |
| viditelné světlo | 390 nm - 750 nm | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infračervený | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Mikrovlnná trouba | 1 mm - 1 m | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 mikrokeV | |
| Rádio | 1 m - 100 km | 300 MHz - 3 kHz | 1,24 ueV - 12,4 feV | |
V popisech elektromagnetického spektra některé zdroje klasifikují mikrovlny jako rádiové vlny, což je podmnožina pásma rádiových vln; zatímco jiní klasifikují mikrovlny a rádiové vlny jako samostatné typy záření. Toto je běžné rozlišení.
Mikrovlnná subpásma v různých systémech zápisu jsou různá; používané v satelitní komunikaci jsou uvedeny v tabulce.
| Frekvenční pásma | ||
| název | Frekvenční rozsah, G Hz | |
|---|---|---|
| Název rozsahu | Frekvenční rozsah radaru | Kmitočtový rozsah v satelitní komunikaci |
| 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 | |
Mikrovlny se šíří pouze v přímé viditelnosti; na rozdíl od nízkofrekvenčních rádiových vln se nešíří jako povrchové vlny, které sledují obrys Země a neodrážejí se od ionosféry (nebeské vlny) [7] . Přestože na spodním konci dosahu mohou procházet zdmi budovy při zachování dostatečné síly signálu pro příjem, obvykle vyžadují volný prostor pro blízké pole příjmu. V důsledku toho jsou mikrovlnné komunikační kanály na zemském povrchu omezeny vizuálním horizontem asi 48-64 km. Mikrovlny jsou absorbovány vlhkostí v atmosféře a útlum se zvyšuje s frekvencí, což se stává významným faktorem ( dešťové slábnutí ) na horní hranici rozsahu. Počínaje asi 40 GHz začínají mikrovlny pohlcovat i atmosférické plyny, takže nad touto frekvencí je mikrovlnný přenos omezen na několik kilometrů. Spektrální struktura pásma způsobuje absorpční špičky na určitých frekvencích (viz graf vpravo). Při frekvencích nad 100 GHz je absorpce elektromagnetického záření zemskou atmosférou tak velká, že je účinně neprůhledná , dokud se atmosféra opět nestane průhlednou v tzv. frekvenčním rozsahu infračerveného a optického okna .
V mikrovlnném paprsku nasměrovaném pod úhlem k obloze bude malé množství energie náhodně rozptýleno, když paprsek prochází troposférou [7] . Citlivý přijímač za horizontem s anténou s vysokým ziskem zaměřenou na tuto oblast troposféry může zachytit signál. Tato technika byla použita na frekvencích mezi 0,45 a 5 GHz v komunikačních systémech troposcatter (troposcatter) pro komunikaci přes horizont na vzdálenosti až 300 km.
Krátké vlnové délky mikrovlnného záření umožňují , aby všesměrové antény pro přenosná zařízení byly velmi malé, mezi 1 a 20 cm na délku, takže mikrovlnné frekvence jsou široce používány pro bezdrátová zařízení , jako jsou mobilní telefony , bezdrátové telefony a přístup k bezdrátové místní oblasti . sítě (Wi-Fi) pro notebooky a sluchátka Bluetooth . Používané antény zahrnují krátké bičové antény , gumové kachní antény, Hertzovy antény , náplasti a stále častěji antény s invertovaným F obvodem (PIFA) používané v mobilních telefonech.
Jejich krátká vlnová délka také umožňuje vytvářet úzké paprsky mikrovlnného záření s pohodlnými malými anténami s vysokým ziskem o průměru od půl metru do 5 metrů. Proto se mikrovlny používají pro spojení bod- bod a pro radary . Výhodou úzkých směrových paprsků je, že neinterferují s blízkým zařízením používajícím stejnou frekvenci, což umožňuje opakované použití frekvence sousedními vysílači. Parabolické (miskové) antény jsou nejrozšířenějšími směrovými anténami na mikrovlnných frekvencích, ale používají se také rohové antény , štěrbinové antény a antény s dielektrickými čočkami . Ploché mikropáskové antény se stále více používají ve spotřebitelských aplikacích. Dalším typem směrové antény používané na mikrovlnných frekvencích je sfázovaná anténa , což je počítačem řízené pole antén, které vytváří paprsek, který lze řízeným způsobem směrovat do různých směrů.
Přenosová vedení , která se používají k přenosu nízkofrekvenčních rádiových vln do a z antén, jako je koaxiální kabel a paralelní drátová vedení, mají na mikrovlnných frekvencích nadměrné ztráty výkonu, takže když je vyžadován nízký útlum, jsou mikrovlny přenášeny kovovými trubkami nazývanými vlnovody. Vzhledem k vysokým nákladům a požadavkům na údržbu sekcí vlnovodu u mnoha mikrovlnných antén je výstupní stupeň vysílače nebo RF vstup přijímače umístěn na anténě.
Termín mikrovlny má také techničtější význam v elektromagnetismu a teorii obvodů [8] [9] . Přístroje a metody lze kvalitativně popsat jako „mikrovlnné“, když jsou vlnové délky signálů přibližně stejné jako rozměry obvodu, takže teorie koncentrovaných obvodů není použitelná a místo toho jsou modely s distribuovanými prvky a teorie přenosových linek. užitečnější pro návrh a analýzu. .
V důsledku toho se praktické mikrovlnné obvody typicky vzdalují od samostatných odporů , kondenzátorů a induktorů používaných s nízkofrekvenčními rádiovými vlnami . Otevřená a koaxiální přenosová vedení používaná na nižších frekvencích jsou nahrazována vlnovody a páskovými vedeními a obvody se soustředěnými prvky jsou nahrazovány dutinovými rezonátory nebo rezonančními pahýly [8] . Na druhé straně, při ještě vyšších frekvencích, kdy se vlnová délka elektromagnetických vln zmenší ve srovnání s velikostí struktur používaných k jejich zpracování, se mikrovlnné metody stávají nedostačujícími a používají se metody optiky .
Vysoce výkonné mikrovlnné zdroje využívají ke generování mikrovln speciální elektronky . Tato zařízení fungují na principech odlišných od nízkofrekvenčních elektronek, využívajících balistický pohyb elektronů ve vakuu pod kontrolou elektrických nebo magnetických polí a zahrnují magnetron (používaný v mikrovlnných troubách ), klystron , trubici s postupnou vlnou (TWT) . a gyrotron . Tato zařízení pracují v režimu modulace hustoty , nikoli v režimu aktuální modulace . To znamená, že fungují na základě shluků elektronů, které jimi prolétají balisticky (bez kolizí), spíše než pomocí nepřetržitého proudu elektronů.
Nízkoenergetické mikrovlnné zdroje používají polovodičová zařízení, jako jsou FET (alespoň na nižších frekvencích), tunelové diody , Gunnovy diody a diody lavinového přechodu [10] . Nízkoenergetické zdroje jsou k dispozici ve formátech pro stolní počítače, do racku, plug-in a na úrovni karet. Maser je polovodičové zařízení, které zesiluje mikrovlny pomocí principů podobných principům laseru , který zesiluje světelné vlny o vyšší frekvenci.
Všechny teplé objekty vyzařují mikrovlnné záření černého tělesa o nízké intenzitě v závislosti na své teplotě , takže v meteorologii a dálkovém průzkumu Země se k měření teploty objektů nebo terénu používají mikrovlnné radiometry [11] . Slunce [12] a další astronomické rádiové zdroje, jako je Cassiopeia A , vyzařují mikrovlnné záření, které nese informaci o jejich složení, které je studováno radioastronomy pomocí přijímačů nazývaných radioteleskopy . Například kosmické mikrovlnné záření na pozadí (CMBR) je slabý mikrovlnný šum, který vyplňuje prázdný prostor, což je hlavní zdroj informací pro kosmologickou teorii velkého třesku o původu vesmíru .
Mikrovlnná technologie je široce používána pro komunikaci z bodu do bodu (tedy ne pro vysílání). Mikrovlny jsou pro toto použití zvláště vhodné, protože se snáze soustředí do užších paprsků než rádiové vlny, což umožňuje opětovné použití frekvence ; jejich poměrně vyšší frekvence umožňují širokou šířku pásma a vysoké datové rychlosti a velikosti antén jsou menší než u nižších frekvencí, protože velikost antény je nepřímo úměrná vysílané frekvenci. Mikrovlny se používají pro komunikaci na kosmických lodích a většina světové datové, televizní a telefonní komunikace je přenášena na velké vzdálenosti pomocí mikrovln mezi pozemními stanicemi a komunikačními satelity . Mikrovlny se také používají v mikrovlnných troubách a v radarové technice.
Před příchodem přenosu optickými vlákny se většina dálkových telefonních hovorů uskutečňovala přes mikrovlnné radioreléové sítě provozované dopravci, jako je AT&T Long Lines. Počínaje počátkem 50. let se frekvenční multiplexování používalo k přenosu až 5 400 telefonních kanálů na každém mikrovlnném rádiovém kanálu, přičemž až deset rádiových kanálů bylo zkombinováno do jediné antény pro dosažení dalšího uzlu vzdáleného až 70 km.
Bezdrátové LAN protokoly , jako je Bluetooth a specifikace 802.11 používané pro Wi-Fi, také používají mikrovlny v pásmu 2,4 GHz ISM, ačkoli 802.11a používá pásmo ISM a frekvence U-NII v pásmu 5 GHz. Licencovaný dosah (až asi 25 km) pro služby bezdrátového přístupu k internetu se v mnoha zemích používá již téměř deset let na 3,5–4,0 GHz. FCC přidělila frekvence pro operátory, kteří chtějí nabízet službu v tomto pásmu v USA se zaměřením na 3,65 GHz. Desítky poskytovatelů služeb po celé zemi mají nebo získaly licenci FCC k provozování tohoto pásma. Navrhované služby WIMAX, které lze implementovat na 3,65 GHz, poskytnou firemním zákazníkům další možnost konektivity.
Protokoly Metropolitan Area Network (MAN), jako je WiMAX , jsou založeny na standardech, jako je IEEE 802.16 , navržených pro provoz v pásmu 2 až 11 GHz. Komerční implementace jsou v pásmech 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz a 5,8 GHz.
Protokoly pro mobilní širokopásmový bezdrátový přístup (MBWA) založené na specifikacích standardů, jako je IEEE 802.20 nebo ATIS/ANSI HC-SDMA (např. iBurst ) fungují v pásmu 1,6 až 2,3 GHz, aby poskytovaly přenosové a penetrační charakteristiky do budov, podobně jako mobilní telefony, ale s mnohem větší spektrální účinností [13] .
Některé mobilní sítě, jako je GSM , používají nízké frekvence VHF/vysoké UHF kolem 1,8 GHz a 1,9 GHz v USA a dalších zemích. DVB-SH a S-DMB používají pásmo 1,452 až 1,492 GHz, zatímco USA používají proprietární nebo nevyhovující satelitní rádio kolem 2,3 GHz pro DARS .
Mikrovlnné rádio se používá ve vysílání a telekomunikacích , protože díky své krátké vlnové délce jsou vysoce směrové antény menší, a proto praktičtější, než by byly na delších vlnových délkách (nižších frekvencích). Kromě toho je v mikrovlnném spektru k dispozici širší šířka pásma než ve zbytku rádiového spektra; užitečná šířka pásma pod 300 MHz je menší než 300 MHz, zatímco mnoho GHz může využívat více než 300 MHz šířku pásma. Mikrovlny se běžně používají v televizních zprávách k přenosu signálu ze vzdáleného místa do televizní stanice ze speciálně vybavené dodávky.
Většina satelitních komunikačních systémů pracuje v C, X, Ka nebo Ku pásmech mikrovlnného spektra. Tyto frekvence poskytují širokou šířku pásma a zároveň se vyhýbají přeplněným frekvencím UHF a zůstávají pod frekvencemi EHF, kde je silná absorpce atmosférou. Satelitní televize funguje buď v pásmu C pro tradiční pevnou satelitní službu velkých parabol , nebo v pásmu K u pro přímé vysílání ze satelitu . Vojenské komunikace jsou primárně X nebo Ku spojení , s K pásmem bytí užité na Milstar .
Global Navigation Satellite Systems (GNSS), včetně čínského Beidou , amerického globálního polohového systému (zavedeného v roce 1978) a ruského systému GLONASS , vysílají navigační signály v různých pásmech mezi asi 1,2 GHz a 1,6 GHz.
Radar je radarové zařízení , které využívá paprsek rádiových vln vysílaných vysílačem a měří signál odražený od objektu, což umožňuje určit polohu, dosah, rychlost a další charakteristiky objektu. Krátká vlnová délka mikrovln způsobuje silné odrazy od objektů velikosti aut, lodí a letadel. Také při těchto vlnových délkách jsou antény s vysokým ziskem, jako jsou parabolické antény , které jsou nutné k získání úzkého paprsku potřebného pro přesné umístění objektů, malé velikosti, což jim umožňuje rychle je otáčet za účelem skenování objektů. Proto jsou mikrovlnné frekvence hlavními frekvencemi používanými v radarech. Mikrovlnný radar je široce používán v aplikacích, jako je řízení letového provozu , předpověď počasí, navigace lodí a vymáhání omezení rychlosti. Radary dlouhého dosahu používají nižší mikrovlnné frekvence, protože na horním konci rozsahu omezuje rozsah atmosférická absorpce, ale milimetrové vlny se používají pro radary krátkého dosahu, jako jsou systémy zabraňující kolizím .
Mikrovlny vysílané astronomickými rádiovými zdroji ; jako jsou planety, hvězdy, galaxie a mlhoviny jsou studovány v radioastronomii pomocí velkých talířových antén nazývaných radioteleskopy . Kromě příjmu přirozeného mikrovlnného záření byly radioteleskopy využívány při aktivních radarových experimentech, pro experimenty s odrazem mikrovln od planet sluneční soustavy, kde se určovaly vzdálenosti k Měsíci nebo se mapoval neviditelný povrch Venuše přes oblak . Pokrýt.
Nedávno dokončený mikrovlnný radioteleskop Atacama Large Millimeter Array, který se nachází ve výšce více než 5000 metrů v Chile, zkoumá vesmír v milimetrových a submilimetrových vlnových délkách. Dnes jde o největší světový projekt v oblasti pozemní astronomie. Skládá se z více než 66 činelů a byl postaven v mezinárodní spolupráci z Evropy, Severní Ameriky, východní Asie a Chile [14] [15] .
Hlavním zaměřením mikrovlnné radioastronomie v poslední době bylo mapování kosmického mikrovlnného záření na pozadí (CMBR), objeveného v roce 1964 radioastronomy Arno Penziasem a Robertem Wilsonem . Toto slabé záření pozadí, které vyplňuje vesmír a je téměř stejné ve všech směrech, je "kosmickým mikrovlnným zářením pozadí", které zbylo z Velkého třesku a je jedním z mála zdrojů informací o podmínkách v raném vesmíru. Původní vysokoenergetické záření se vlivem rozpínání a tím ochlazování vesmíru posunulo do mikrovlnné oblasti rádiového spektra. Dostatečně citlivé radioteleskopy mohou detekovat CMB jako slabý signál, který není spojen s žádnou hvězdou, galaxií ani žádným jiným objektem [16] .
Mikrovlnná trouba přenáší mikrovlnné záření o frekvenci asi 2,45 GHz prostřednictvím jídla, což způsobuje dielektrický ohřev především v důsledku absorpce energie molekulami vody. Mikrovlnné trouby se staly běžným kuchyňským vybavením v západních zemích koncem 70. let po vývoji levnějších rezonátorových magnetronů . Kapalná voda má mnoho molekulárních interakcí, které rozšiřují absorpční vrchol. V parní fázi izolované molekuly vody absorbují záření kolem 22 GHz, což je téměř desetinásobek frekvence mikrovlnné trouby.
Mikrovlnné záření se používá v průmyslových procesech pro sušení a vytvrzování produktů.
Mnoho technologií zpracování polovodičů využívá mikrovlny k generování plazmatu pro aplikace, jako je reaktivní iontové leptání a chemické nanášení z plynné fáze (PECVD).
Mikrovlny se používají ve stelarátorech a experimentálních tokamakových fúzních reaktorech k přeměně plynu na plazmu a zahřívání na velmi vysoké teploty. Frekvence je naladěna na cyklotronovou rezonanci elektronů v magnetickém poli, někde mezi 2-200 GHz, proto se často označuje jako elektronový cyklotronový rezonanční ohřev (ECHR). Budovaný fúzní reaktor ITER [17] bude využívat 170 GHz zářiče s výkonem až 20 MW.
Mikrovlny mohou být použity k přenosu energie na velké vzdálenosti a výzkum byl proveden po druhé světové válce , aby prozkoumal tuto možnost. V 70. a na počátku 80. let NASA pracovala na prozkoumání možností využití solárně napájených satelitních systémů (SPS) s velkými solárními poli , které by přenášely energii na zemský povrch pomocí mikrovln.
Existuje méně smrtící zbraň, která pomocí milimetrových vln zahřeje tenkou vrstvu lidské kůže na nesnesitelnou teplotu, aby donutila člověka odejít. Dvousekundový záblesk zaostřeného paprsku o frekvenci 95 GHz zahřeje pokožku na teplotu 54 °C v hloubce 0,4 mm. Americké letectvo a námořní pěchota v současnosti používají tento typ systému aktivního odmítnutí v pevných instalacích [18] .
Mikrovlnné záření se používá ve spektroskopii elektronové paramagnetické rezonance (EPR nebo EPR), typicky v oblasti X-pásma (asi 9 GHz) v kombinaci s magnetickými poli 0,3 T. Tato metoda poskytuje informace o nepárových elektronech v chemických sloučeninách, jako jsou volné radikály nebo ionty přechodných kovů , jako je Cu(II). Mikrovlnné záření se také používá pro rotační spektroskopii a může být kombinováno s elektrochemií pro mikrovlnnou elektrochemii.
Kmitočtová pásma v mikrovlnném spektru jsou označena písmeny. Existuje však několik nekompatibilních systémů označování pásem a dokonce i v rámci systému se frekvenční pásma odpovídající některým písmenům mezi různými aplikacemi poněkud liší [19] [20] . Systém písmen vznikl během druhé světové války v přísně tajné americké klasifikaci pásem používaných v radarových instalacích; to je zdroj nejstaršího systému písmen, radarových pásem IEEE. Jedna sada mikrovlnných pásem určená Radio Society of Great Britain (RSGB) je uvedena v tabulce níže:
| Označení | frekvenční rozsah | Rozsah vlnových délek | Typické použití |
|---|---|---|---|
| L skupina | 1-2 GHz | 15-30 cm | Vojenská telemetrie, GPS, mobilní telefony (GSM), radioamatér |
| Skupina S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Povětrnostní radar, radar na hladině, některé komunikační satelity, mikrovlnné trouby, mikrovlnná zařízení/komunikace, radioastronomie, mobilní telefony, bezdrátové LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS, amatérské rádio |
| Skupina C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | Dálkové rádio |
| Skupina X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Satelitní komunikace, radar, pozemní širokopásmové připojení, kosmická komunikace, amatérské rádio, molekulární rotační spektroskopie |
| Skupina K U | 12-18 GHz | 16,7-25 mm | Satelitní komunikace, molekulární rotační spektroskopie |
| Skupina K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Radar, satelitní komunikace, astronomická pozorování, automobilový radar, molekulární rotační spektroskopie |
| Skupina K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Satelitní komunikace, molekulární rotační spektroskopie |
| Q rozsah | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Satelitní komunikace, pozemní mikrovlnná komunikace, radioastronomie, automobilový radar, molekulární rotační spektroskopie |
| Skupina U | 40-60 GHz | 5,0-7,5 mm | |
| Skupina V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Radarový výzkum v milimetrovém rozsahu, rotační spektroskopie molekul a další typy vědeckého výzkumu |
| Skupina W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Satelitní komunikace, výzkum radarů s milimetrovými vlnami, vojenské radarové naváděcí a sledovací systémy a některé nevojenské aplikace, automobilový radar |
| Skupina F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Mikrovlnné přenosy: radioastronomie, mikrovlnná zařízení/komunikace, bezdrátové sítě LAN, nejmodernější radary, komunikační satelity, satelitní televizní vysílání, DBS , amatérské rádio. |
| Skupina D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | EHF přenosy: radioastronomie, vysokofrekvenční mikrovlnné radiorelé, mikrovlnný dálkový průzkum Země, amatérské rádio, zbraně s řízenou energií, skener milimetrových vln. |
Existují i další definice [21] .
Pro UHF frekvence pod L-pásmem se někdy používá termín P-pásmo, ale podle IEEE Std 521 je nyní zastaralý.
Když byly radary v pásmu K poprvé vyvinuty během druhé světové války, nebylo známo, že existuje sousední absorpční pásmo (kvůli vodní páře a kyslíku v atmosféře). Aby se předešlo tomuto problému, bylo původní K pásmo rozděleno na spodní K u a horní K a pásma [22] .
Mikrovlnnou frekvenci lze měřit elektronicky nebo mechanicky.
Můžete použít frekvenční čítače nebo vysokofrekvenční lokální oscilátory . Zde je neznámá frekvence porovnána s harmonickými o známé nižší frekvenci pomocí nízkofrekvenčního oscilátoru, generátoru harmonických a směšovače. Přesnost měření je omezena přesností a stabilitou referenčního zdroje.
Mechanické metody vyžadují laděný rezonátor, jako je měřič absorpce vln , u kterého je znám vztah mezi fyzickou velikostí a frekvencí.
V laboratoři mohou být Lecherovy linky použity k přímému měření vlnové délky na paralelním drátovém přenosovém vedení, po kterém lze určit frekvenci. Podobnou metodou je použití štěrbinového vlnovodu nebo štěrbinového koaxiálního vedení k přímému měření vlnové délky. Tato zařízení se skládají ze sondy zasunuté do vedení podélnou štěrbinou tak, aby se sonda mohla volně pohybovat nahoru a dolů po vedení. Drážková vedení jsou určena především pro měření poměru stojatých vln od síťového napětí . V přítomnosti stojaté vlny je však lze použít také k měření vzdálenosti mezi uzly , která se rovná polovině vlnové délky. Přesnost této metody je omezena umístěním uzlů.
Mikrovlny jsou neionizující záření, což znamená, že mikrovlnné fotony neobsahují dostatek energie k ionizaci molekul nebo rozbití chemických vazeb nebo poškození DNA, na rozdíl od ionizujícího záření, jako je rentgenové nebo ultrafialové záření [23] . Slovo „záření“ označuje energii vycházející ze zdroje, nikoli radioaktivitu . Hlavním účinkem mikrovlnné absorpce je ohřev materiálů; elektromagnetická pole způsobují, že polární molekuly vibrují nebo rotují. Není známo, že by mikrovlny (nebo jiné neionizující elektromagnetické záření) měly při nízkých intenzitách významné nepříznivé biologické účinky. Některé, ale ne všechny studie ukazují, že dlouhodobá expozice může mít karcinogenní účinek [24] .
Během druhé světové války bylo zaznamenáno, že lidé v cestě záření z radarových zařízení slyšeli cvakání a bzučení v důsledku vystavení mikrovlnnému záření. Výzkum NASA v 70. letech ukázal, že to bylo způsobeno tepelnou roztažností částí vnitřního ucha. V roce 1955 byl Dr. James Lovelock schopen resuscitovat krysy ochlazené na 0-1 °C pomocí mikrovlnné diatermie [25] .
Když dojde ke zranění vystavením mikrovlnám, obvykle k němu dojde v důsledku dielektrického zahřátí těla. Vystavení mikrovlnnému záření může tímto mechanismem způsobit šedý zákal [26] , protože mikrovlnný ohřev denaturuje proteiny v oční čočce (podobně jako teplo činí vaječný bílek neprůhledným). Čočka a rohovka oka jsou obzvláště zranitelné, protože postrádají krevní cévy , které mohou odvádět teplo. Vystavení vysokým dávkám mikrovlnného záření (například z trouby, se kterou bylo manipulováno, aby umožnil provoz i při otevřených dvířkách) může způsobit tepelné poškození i jiných tkání, až po těžké popáleniny , které nemusí být okamžitě patrné. k tendenci mikrovln ohřívat hlubší tkáně.tkaniny s vyšším obsahem vlhkosti.
Eleanor R. Adair provedla studii svého zdraví, zvířat a dalších lidí vystavených mikrovlnám, ze kterých jim bylo teplo nebo se dokonce začali potit a cítili se dost nepříjemně. Kromě tepla nezjistila žádné nepříznivé zdravotní účinky.
Mikrovlny byly poprvé vytvořeny v 90. letech 19. století v některých z prvních rádiových experimentů fyziky, kteří je považovali za formu „neviditelného světla“ [27] . James Clerk Maxwell ve své teorii elektromagnetismu z roku 1873 , která je založena na Maxwellových rovnicích , předpověděl, že střídající se elektrická a magnetická pole by mohla cestovat vesmírem jako elektromagnetické vlny , a navrhl, že světlo je složeno z elektromagnetických vln s krátkou vlnovou délkou. V roce 1888 německý fyzik Heinrich Hertz jako první prokázal existenci rádiových vln pomocí primitivního rádiového vysílače s jiskřištěm [28] . Hertz a další ranní rádioví výzkumníci se zajímali o studium podobností mezi rádiovými vlnami a světelnými vlnami, aby mohli otestovat Maxwellovu teorii. Soustředili se na vytváření krátkovlnných rádiových vln v pásmech UHF a mikrovlnných vln, s nimiž mohli ve svých laboratořích duplikovat klasické optické experimenty pomocí kvazioptických komponentů, jako je parafín , síra a roztečné hranoly a čočky a drátěné mřížky k lomu a rozptylu. rádiové vlny, jako světelné paprsky [29] . Hertz vytvořil vlny až do 450 MHz; jeho směrový vysílač 450 MHz sestával z 26 cm mosazné tyčové dipólové antény s jiskřištěm mezi konci, zavěšené na ohnisku parabolické antény , vyrobené z ohýbaného zinkového plechu, napájené vysokonapěťovými impulsy z indukční cívky . Jeho historické experimenty ukázaly, že rádiové vlny, stejně jako světlo, vykazují lom , difrakci , polarizaci , interferenci a stojaté vlny , což dokazuje spojení mezi rádiovými vlnami a světelnými vlnami, což jsou Maxwellovy formy elektromagnetických vln .
Vysílač jisker Heinricha Hertze 450 MHz , 1888, sestával z 23 cm dipólu a jiskřiště v ohnisku parabolického reflektoru.
Jagadish Chandra Bose v roce 1894 byl prvním člověkem, který vytvořil milimetrové vlny; jeho generátor jisker (v poli vpravo) generoval vlny 60 GHz (5 mm) pomocí rezonátoru s kovovou kuličkou o průměru 3 mm.
Experiment mikrovlnné spektroskopie Johna Ambrose Fleminga v roce 1897 ukázal lom 1,4 GHz mikrovln na parafinovém hranolu, což kopíruje dřívější experimenty Bose a Righe.
Augusto Righi generátor a přijímač jisker 12 GHz, 1895
Počínaje rokem 1894 prováděl indický fyzik Jagdish Chandra Bose první experimenty s mikrovlnami. Byl prvním člověkem, který vytvořil milimetrové vlny , generující frekvence až 60 GHz (5 milimetrů) pomocí generátoru jisker s 3 mm kovovou kuličkou [30] [29] . Bose také vynalezl vlnovod , antény rohu a detektory polovodičových krystalů pro použití ve svých experimentech. Nezávisle na sobě v roce 1894 Oliver Lodge a Augusto Righi experimentovali s mikrovlnami 1,5 a 12 GHz, generovanými malými kovovými kuličkovými jiskrovými rezonátory. Ruský fyzik Pyotr Lebedev vytvořil v roce 1895 milimetrové vlny o frekvenci 50 GHz. V roce 1897 lord Rayleigh vyřešil matematický okrajový problém elektromagnetických vln šířících se vodivými trubicemi a dielektrickými tyčemi libovolného tvaru [31] [32] [33] [34] , ve kterém naznačil hraniční režimy a frekvenci pro mikrovlny šířící se vlnovod [28] .
Protože je však šíření mikrovln omezeno na přímku, nemohly být použity za viditelným horizontem a nízký výkon tehdy používaných jiskrových vysílačů omezoval jejich praktický dosah na několik mil. Následný rozvoj rádiové komunikace po roce 1896 využíval nižších frekvencí, které se mohly šířit za horizont jako povrchové vlny a odrážet se od ionosféry jako vlny nebeské, mikrovlnné frekvence se v té době podrobněji nezkoumaly.
Praktická aplikace mikrovlnných frekvencí se uskutečnila až ve 40. a 50. letech 20. století kvůli nedostatku vhodných zdrojů, protože elektronkový elektronkový oscilátor s triodou používaný v rádiových vysílačích nemohl kvůli nadměrnému času generovat frekvence nad několik stovek megahertzů . průchod elektronů a mezielektrodová kapacita [28] . Ve 30. letech 20. století byly vyvinuty první mikrovlnné elektronky s nízkým výkonem, fungující na nových principech; Barkhausen-Kurtzova trubice a magnetron s odnímatelnou anodou . Mohly generovat několik wattů energie při frekvencích až několika gigahertzů a byly použity v raných experimentech s mikrovlnnou komunikací.
Antény z roku 1931 pro experimenty s radioreléovou komunikací přes kanál La Manche na frekvenci 1,7 GHz.
Experimentální 700 MHz vysílač ve Westinghouse Laboratories v roce 1932 přenáší hlas na vzdálenost přes míli.
Southworth demonstruje vlnovod na setkání Institutu rádiových inženýrů v roce 1938 a ukazuje vlny 1,5 GHz procházející 7,5 m dlouhou ohebnou kovovou hadicí detekovanou diodovým detektorem.
První moderní rohová anténa v roce 1938 od vynálezce Wilmera L. Barrowa
V roce 1931 anglo-francouzské konsorcium vedené André Clavierem předvedlo první experimentální mikrovlnné reléové spojení přes kanál La Manche v délce 64 km mezi Doverem a Calais [35] [36] . Systém přenášel telefonní, telegrafní a faxová data přes obousměrný 1,7 GHz kanál s výkonem asi půl wattu, vytvořený miniaturními Barkhausen-Kurtzovými trubicemi v ohnisku 3metrové kovové paraboly.
Muselo být vynalezeno slovo, které by odlišilo tyto nové kratší vlnové délky, které byly dříve seskupeny pod rozsahem „ krátkých vln “, což znamenalo všechny vlny kratší než 200 m. Termíny kvazioptické vlny a ultrakrátké vlny se používaly po určitou dobu. , ale nerozšířilo se. Zdá se, že k prvnímu použití slova mikrovlnná trouba došlo v roce 1931 [37] .
Vývoj radaru , většinou tajný, před a během druhé světové války , vedl k technologickým pokrokům, které dělaly mikrovlny praktické [28] . Vlnové délky v rozsahu centimetrů byly nezbytné, aby malé radarové antény, které byly dostatečně kompaktní, aby se vešly na letadla, měly dostatečně úzkou šířku paprsku pro lokalizaci nepřátelských letadel. Bylo zjištěno, že konvenční přenosové linky používané k přenosu rádiových vln mají na mikrovlnných frekvencích nadměrné ztráty energie a George Southworth z Bellových laboratoří a Wilmer Barrow z MIT nezávisle vynalezli vlnovod v roce 1936 [31] . Barrow vynalezl rohovou anténu v roce 1938 jako prostředek k účinnému vyzařování mikrovln do nebo z vlnovodu. Mikrovlnný přijímač potřeboval nelineární součást, která by na těchto frekvencích fungovala jako detektor a směšovač , protože elektronky měly příliš velkou kapacitu. Aby tento požadavek splnili, vědci oživili zastaralou technologii, bodový krystalový detektor (detektor kočičích vousů), který se používal jako demodulátor v krystalových rádiových přijímačích na přelomu století před příchodem elektronkových přijímačů [38] . Nízká kapacita polovodičových přechodů jim umožnila pracovat na ultravysokých frekvencích. První moderní křemíkové a germaniové diody byly vyvinuty jako mikrovlnné detektory ve 30. letech 20. století a principy fyziky polovodičů objevené během vývoje polovodičů vedly po válce k polovodičové elektronice .
Prototyp rezonátorové magnetronové trubice od Randalla a Bootha na univerzitě v Birminghamu , 1940. Při použití byla trubice instalována mezi póly elektromagnetu.
První komerční klystronová trubice General Electric, 1940, řez, aby ukázal vnitřní konstrukci
AN/ APS-4 je 10 GHz vzdušný záchytný radar používaný americkými a britskými letadly během druhé světové války.
US Army Mobile Microwave Relay Station, 1945, demonstrující přenosové systémy využívající frekvence od 01 do 4,9 GHz, které mohou přenášet až 8 telefonních hovorů na paprsku.
První silné zdroje mikrovlnného záření byly vynalezeny na začátku druhé světové války: klystron Russell a Sigurd Varianovi ze Stanfordské univerzity v roce 1937 a magnetron John Randall a Harry Booth z University of Birmingham, Spojené království v roce 1940 [28 ] . Deseticentimetrový (3 GHz) mikrovlnný radar byl použit na britských vojenských letadlech na konci roku 1941 a ukázal se jako zásadní změna. Britské rozhodnutí v roce 1940 sdílet svou mikrovlnnou technologii se svým americkým spojencem ( misí Tizard ) výrazně zkrátilo válku. MIT Radiation Laboratory , tajně zřízená na MIT v roce 1940 za účelem výzkumu radaru, poskytovala většinu teoretických znalostí potřebných pro použití mikrovln. První mikrovlnné přenosové systémy byly vyvinuty spojeneckými silami na konci války a byly používány pro zabezpečené komunikační sítě na bojišti v evropském dějišti operací.
Po druhé světové válce se mikrovlny začaly široce využívat pro komerční účely [28] . Kvůli jejich vysoké frekvenci mají vysílače na nich založené velmi velkou šířku pásma ( bandwidth ) informací; jeden mikrovlnný paprsek dokáže přenést desítky tisíc telefonních hovorů. V 50. a 60. letech 20. století byly ve Spojených státech a Evropě vybudovány transkontinentální mikrovlnné přenosové sítě pro výměnu telefonních hovorů mezi městy a distribuci televizních programů. V novém odvětví televizního vysílání , počínaje 40. lety 20. století, byly mikrovlnné talíře používány k přenosu přenosových kanálů video kanálů z mobilních televizních stanic zpět do studia, což umožnilo vysílání dálkového televizního vysílání. V 60. letech byly vypuštěny první komunikační satelity , které přenášely telefonní hovory a televizi mezi vzdálenými body na Zemi pomocí mikrovlnných paprsků. V roce 1964 Arno Penzias a Robert Woodrow Wilson při zkoumání šumu v satelitní anténě v Bell Labs , Holmdel, New Jersey, objevili kosmické mikrovlnné záření na pozadí .
Mikrovlnný radar se stal ústřední technologií používanou v řízení letového provozu , námořní navigaci , protivzdušné obraně , detekci balistických střel a později v mnoha dalších oblastech. Radarová a satelitní komunikace podnítila vývoj moderních mikrovlnných antén; parabolická anténa (nejběžnější typ), Cassegrainova anténa , čočková anténa , štěrbinová anténa a sfázovaná anténa .
Schopnost krátkých vln rychle ohřívat materiály a vařit jídlo studoval ve 30. letech 20. století I. F. Muromtsev ve Westinghouse a na světové výstavě v Chicagu v roce 1933 předvedl vaření pomocí rádiového vysílače 60 MHz [39] . V roce 1945 si Percy Spencer , inženýr pracující na radaru v Raytheonu , všiml, že mikrovlnné záření z magnetronového generátoru roztavilo tyčinku v jeho kapse. Zkoumal vaření s mikrovlnami a vynalezl mikrovlnnou troubu , sestávající z magnetronu, který vysílá mikrovlny do uzavřené kovové dutiny obsahující jídlo, což bylo patentováno společností Raytheon 8. října 1945. Kvůli jejich ceně byly mikrovlnné trouby původně používány v institucionálních kuchyních, ale v roce 1986 ji mělo přibližně 25 % amerických domácností. Mikrovlnný ohřev se široce používá jako průmyslový proces v průmyslových odvětvích, jako je plastikářský průmysl, a jako terapeutické činidlo k zabíjení rakovinných buněk při mikrovlnné hypertermii .
Elektronka s pohyblivou vlnou (TWT), vyvinutá v roce 1943 Rudolfem Kompfnerem a Johnem Pearcem , poskytla výkonný, laditelný zdroj mikrovln až do 50 GHz a stala se nejrozšířenější mikrovlnnou trubicí vedle magnetronu všudypřítomného v mikrovlnných troubách. Skupina gyrotronových trubic vyvinutých v Sovětském svazu může generovat mikrovlny s megawattovým výkonem až do frekvencí milimetrových vln a používá se v průmyslovém ohřevu a výzkumu plazmy a k napájení urychlovačů částic a reaktorů pro jadernou fúzi .
Vývoj v polovodičové elektronice v 50. letech vedl k prvním mikrovlnným zařízením v pevné fázi , která fungovala na novém principu; záporný diferenciální odpor (některé z předválečných mikrovlnných elektronek také používaly záporný diferenciální odpor) [28] . Zpětnovazební oscilátor a dvouportové zesilovače, které byly použity na nižších frekvencích, se staly nestabilními na mikrovlnných frekvencích a oscilátory založené na záporném diferenciálním odporu a zesilovače založené na jednoportových zařízeních, jako jsou diody , fungovaly lépe.
Tunelová dioda , vynalezená v roce 1957 japonským fyzikem Leo Esakim , mohla generovat několik miliwattů mikrovlnné energie. Jeho vynález inicioval hledání polovodičových součástek s negativním diferenciálním odporem pro použití jako mikrovlnné oscilátory, což vedlo k vynálezu lavinové diody v roce 1956 W. T. Reedem a Ralphem L. Johnstonem a Gunnovy diody v roce 1962 J. B. Gunnem [ 28] . Diody jsou dnes nejpoužívanějším mikrovlnným zdrojem. Byly vyvinuty dva nízkošumové polovodičové mikrovlnné zesilovače se záporným diferenciálním odporem; rubínový maser , vynalezený v roce 1953 Charlesem H. Townesem , Jamesem P. Gordonem a H. J. Zeigerem, a varaktorový parametrický zesilovač , vyvinutý v roce 1956 Marion Hines. Byly použity pro nízkošumové mikrovlnné přijímače v radioteleskopech a satelitních pozemních stanicích . Mather vedl vývoj atomových hodin , které udržují čas pomocí přesné mikrovlnné frekvence emitované atomy při přechodu elektronů mezi dvěma energetickými hladinami. Zesilovací obvody se záporným diferenciálním odporem vyžadovaly vynález nových nerecipročních komponent vlnovodu, jako jsou cirkulátory , izolátory a směrové vazební členy . V roce 1969 Kurokawa odvodil matematické podmínky pro stabilitu obvodů se záporným diferenciálním odporem, které vytvořily základ pro návrh mikrovlnného generátoru [40] .
Před sedmdesátými léty byly mikrovlnná zařízení a obvody objemné a drahé, takže mikrovlnné frekvence byly obvykle omezeny na výstupní stupeň vysílačů a RF vstup přijímačů a signály byly pro zpracování heterodyny na nižší mezifrekvenci . Mezi sedmdesátými léty a současností byly vyvinuty drobné, levné aktivní polovodičové mikrovlnné součástky, které lze namontovat na desky s plošnými spoji, což umožňuje obvodům provádět významné zpracování signálu na mikrovlnných frekvencích. To umožnilo satelitní televizi , kabelovou televizi , GPS zařízení a moderní bezdrátová zařízení, jako jsou chytré telefony , Wi-Fi a Bluetooth , která se připojují k sítím pomocí mikrovln.
Mikropáskové přenosové vedení , používané na mikrovlnných frekvencích, bylo vynalezeno pomocí tištěných obvodů v 50. letech [28] . Schopnost vyrábět širokou škálu tvarů DPS levně umožnila navrhnout mikropáskové verze kondenzátorů , induktorů , rezonančních pahýlů, vazebních členů , směrových vazebních členů , diplexorů , filtrů a antén, což umožňuje návrh kompaktních mikrovlnných obvodů.
Tranzistory , které pracují na mikrovlnných frekvencích, byly vyvinuty v 70. letech 20. století. Polovodičový gallium arsenid (GaAs) má mnohem vyšší pohyblivost elektronů než křemík [28] , takže zařízení vyrobená z tohoto materiálu mohou pracovat na frekvencích až 4krát vyšších než podobná zařízení vyrobená z křemíku. Od 70. let 20. století byl GaAs používán k výrobě prvních mikrovlnných tranzistorů a od té doby dominuje mikrovlnným polovodičům. MESFETy ( metal-semiconductor field effect tranzistors ), vysokofrekvenční FET na bázi GaAs využívající Schottkyho hradlové přechody byly vyvíjeny od roku 1968 a dosáhly mezní frekvence 100 GHz a jsou v současnosti nejrozšířenějšími aktivními mikrovlnnými zařízeními. Další rodinou tranzistorů s vyšším kmitočtovým limitem je HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), FET vyrobený ze dvou různých polovodičů, AlGaAs a GaAs, využívající technologii heterojunction a podobný HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
GaAs může být poloizolační, což umožňuje jeho použití jako substrát , na kterém lze litograficky vyrábět elektronické obvody obsahující pasivní součástky a také tranzistory [28] . V roce 1976 to vedlo k prvním integrovaným obvodům (IC), které pracovaly na mikrovlnných frekvencích, nazývaných microwon monolitické integrované obvody (MMIC). Slovo „monolitický“ bylo přidáno, aby je odlišilo od mikropáskových desek s plošnými spoji, které se nazývaly „mikrovlnné integrované obvody“ (MIC). Od té doby byly vyvinuty také křemíkové MMIC. Dnes se MMIC staly tahouny analogové i digitální vysokofrekvenční elektroniky, což umožňuje výrobu jednočipových mikrovlnných přijímačů, širokopásmových zesilovačů , modemů a mikroprocesorů .
| elektromagnetické spektrum | |
|---|---|
| Viditelné spektrum | |
| Mikrovlnná trouba | |
| rádiové vlny |
|
| Vlnové délky | |