СВЧ

Телекоммуникационная вышка с множеством тарелочных антенн для микроволновых релейных линий на пике Фрейзер , округ Вентура, Калифорния . Отверстия посуды закрыты пластиковыми листами ( кожухами ) для защиты от влаги.

Атмосферное ослабление микроволн и дальнего инфракрасного излучения в сухом воздухе с уровнем водяного пара 0,001 мм. Нисходящие всплески на графике соответствуют частотам, на которых микроволны поглощаются сильнее. Этот график включает диапазон частот от 0 до 1 ТГц; микроволны - это подмножество в диапазоне от 0,3 до 300 гигагерц.

Микроволны - это форма электромагнитного излучения с длинами волн от одного метра до одного миллиметра, что соответствуетчастоты между 300 МГц и 300 ГГц соответственно. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Различные источники определяют разные диапазоны частот как микроволны; Вышеупомянутое широкое определение включает как диапазоны УВЧ, так и КВЧ ( миллиметровые волны ). Более распространенное определение в радиотехнике - это диапазон от 1 до 100 ГГц (длины волн от 0,3 м до 3 мм). ^[2] Во всех случаях микроволны включают как минимум весь СВЧ- диапазон (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см). Частоты в микроволновом диапазоне часто обозначаются их обозначениями диапазона радаров IEEE : S ,C , X , K _u , K или K _- диапазон или аналогичные обозначения НАТО или ЕС.

Приставка микро- в микроволновой печи не предназначено , чтобы предположить длину волны в микрометра диапазоне. Скорее, это указывает на то, что микроволны «маленькие» (с более короткими длинами волн) по сравнению с радиоволнами, которые использовались до микроволновой технологии. Границы между далекой инфракрасной области , терагерцового излучение , микроволновые печи, и ультра-высокочастотных радио волн достаточно произвольно и используются по- разному между различными полями исследования.

Микроволны распространяются в пределах прямой видимости ; в отличие от низкочастотных радиоволн, они не дифрагируют вокруг холмов, не следуют за земной поверхностью, как земные волны , и не отражаются от ионосферы , поэтому наземные микроволновые линии связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). В верхней части диапазона они поглощаются газами в атмосфере, ограничивая практическое расстояние связи примерно до километра. Микроволны широко используются в современных технологиях, например, в линиях связи точка-точка , беспроводных сетях , микроволновых радиорелейных сетях, радарах , спутниковой и космической связи , медицине.диаметрия и раки лечения, дистанционное зондирование , радиоастрономия , ускорители частиц , спектроскопия , промышленное отопление, система предупреждения столкновений , открывание гаражного ворота и системы доступа без ключа , а также для приготовления пищи в микроволновой печи .

Электромагнитный спектр

Микроволны занимают место в электромагнитном спектре с частотой выше обычных радиоволн и ниже инфракрасного света:

В описаниях электромагнитного спектра некоторые источники классифицируют микроволны как радиоволны, часть диапазона радиоволн; в то время как другие классифицируют микроволны и радиоволны как отдельные типы излучения. Это произвольное различие.

Распространение

Микроволны распространяются только по прямой прямой видимости ; в отличие от низкочастотных радиоволн, они не распространяются как наземные волны, которые повторяют контур Земли и не отражаются от ионосферы ( небесные волны ). ^[6] Хотя в нижнем конце диапазона они могут проходить через стены здания, достаточные для полезного приема, обычно требуются права проезда к первой зоне Френеля . Следовательно, на поверхности Земли микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно на 30–40 миль (48–64 км). Микроволны поглощаются влагой из атмосферы, и затухание увеличивается с увеличением частоты, становясь значительным фактором ( замирание при дожде) на верхнем конце диапазона. Начиная примерно с 40 ГГц атмосферные газы также начинают поглощать микроволны, поэтому выше этой частоты микроволновая передача ограничивается несколькими километрами. Спектральная структура полосы вызывает пики поглощения на определенных частотах (см. График справа). На частотах выше 100 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что оно фактически остается непрозрачным , пока атмосфера снова не станет прозрачной в так называемом диапазоне частот инфракрасного и оптического окна .

Тропосфер

В микроволновом луче, направленном под углом в небо, небольшое количество энергии будет случайным образом рассеиваться, когда луч проходит через тропосферу . ^[6] Чувствительный приемник за горизонтом с антенной с высоким коэффициентом усиления, сфокусированной на этой области тропосферы, может уловить сигнал. Этот метод использовался на частотах от 0,45 до 5 ГГц в системах связи с тропосферным рассеянием ( тропосферным рассеянием ) для связи за пределами горизонта на расстояниях до 300 км.

Антенны

Короткие длины волн микроволн позволяют делать всенаправленные антенны для портативных устройств очень маленькими, от 1 до 20 сантиметров в длину, поэтому микроволновые частоты широко используются для беспроводных устройств, таких как сотовые телефоны , беспроводные телефоны и доступ к беспроводным локальным сетям (Wi-Fi). для ноутбуков и наушников Bluetooth . Используемые антенны включают короткие штыревые антенны , резиновые антенны-утки , диполи втулки , патч-антенны и все более широко применяемые в сотовых телефонах перевернутые F-антенны с печатной схемой (PIFA).

Их короткая длина волны также позволяет создавать узкие пучки микроволн с помощью удобно небольших антенн с высоким коэффициентом усиления от полуметра до 5 метров в диаметре. Поэтому лучи микроволн используются для каналов связи точка-точка и для радара . Преимущество узких лучей заключается в том, что они не создают помех соседнему оборудованию, использующему ту же частоту, что позволяет повторно использовать частоту соседними передатчиками. Параболические ("тарелочные") антенны являются наиболее широко используемыми направленными антеннами на микроволновых частотах, но также используются рупорные антенны , щелевые антенны и диэлектрические линзовые антенны. ПлоскийМикрополосковые антенны все чаще используются в потребительских устройствах. Другой направленной антенной, применяемой на микроволновых частотах, является фазированная антенная решетка , матрица антенн, управляемая компьютером, которая создает луч, который можно направлять электронным способом в различных направлениях.

На микроволновых частотах линии передачи, которые используются для передачи низкочастотных радиоволн к антеннам и от них, такие как коаксиальный кабель и параллельные проводные линии , имеют чрезмерные потери мощности, поэтому, когда требуется низкое затухание, микроволны переносятся по металлическим трубам, называемым волноводами . Из - за высокую стоимость и требования к техническому обслуживанию волноводных трасс, во многой СВЧ - антеннах , выходной каскад из передатчика или РЧ переднего конца части приемника находится на антенне.

Дизайн и анализ

Термин микроволновая печь также имеет более техническое значение в электромагнетизме и теории цепей . ^{[7] [8]} Аппаратура и методы могут быть описаны качественно как «микроволновая печь», когда длины волн сигналов примерно такие же, как и размеры схемы, так что теория схем с сосредоточенными элементами является неточной, и вместо этого распределенные элементы схемы и передача Теория линий - более полезные методы для проектирования и анализа.

Как следствие, в практических микроволновых схемах, как правило, отказываются от дискретных резисторов , конденсаторов и катушек индуктивности, используемых с низкочастотными радиоволнами . Открытые и коаксиальные линии передачи, используемые на более низких частотах, заменяются волноводами и полосковыми линиями , а настроенные схемы с сосредоточенными элементами заменяются объемными резонаторами или резонансными шлейфами . ^[7] В свою очередь, на еще более высоких частотах, где длина волны электромагнитных волн становится мала по сравнению с размером структур, используемых для их обработки, микроволновые методы становятся неадекватными, и методыиспользуется оптика .

СВЧ источники

В мощных источниках микроволн используются специальные вакуумные лампы для генерации микроволн. Эти устройства работают на принципах, отличных от низкочастотных вакуумных ламп, используя баллистическое движение электронов в вакууме под действием управляющих электрических или магнитных полей, и включают в себя магнетрон (используемый в микроволновых печах ), клистрон , лампу бегущей волны ( ЛБВ) и гиротрон . Эти устройства работают в режиме модуляции плотности , а не в режиме модуляции тока . Это означает, что они работают на основе сгустков электронов, пролетающих через них баллистически, а не на использовании непрерывного потока электронов.

Маломощные микроволновые источники используют твердотельные устройства , такие как полевой транзистор ( по крайней мере , на более низких частотах), туннельные диоды , диоды Ганна и IMPATT диоды . ^[9] Источники с низким энергопотреблением доступны в виде настольных приборов, инструментов для монтажа в стойку, встраиваемых модулей и в форматах уровня карты. Мазера является твердотельным устройством , которое усиливает микроволновые печи с использованием аналогичных принципов для лазера , который усиливает более высокую частоту световых волн.

Все объекты излучают теплый низкий уровень СВЧ - излучение черного тела , в зависимости от их температуры , так что в области метеорологии и дистанционного зондирования , микроволновые радиометры используются для измерения температуры объектов или местности. ^[10] Солнце ^[11] и другие астрономические радиоисточники, такие как Кассиопея А, излучают низкоуровневое микроволновое излучение, которое несет информацию об их составе, что изучается радиоастрономами с помощью приемников, называемых радиотелескопами . ^[10] космическое микроволновое фоновое излучение(CMBR), например, является слабой СВЧ шумом заполнения пустого пространства , которое является основным источником информации о космологии «s Big Bang теории происхождения Вселенной .

Использование микроволновой печи

Микроволновая технология широко используется для связи точка-точка (т. Е. Не широковещательные виды использования). Микроволны особенно подходят для этого использования, поскольку они легче фокусируются в более узкие лучи, чем радиоволны, что позволяет многократно использовать частоту ; их сравнительно более высокие частоты обеспечивают широкую полосу пропускания и высокие скорости передачи данных , а размеры антенн меньше, чем на более низких частотах, поскольку размер антенны обратно пропорционален передаваемой частоте. Микроволны используются для связи космических кораблей, и большая часть мировых данных, телевидения и телефонной связи передается на большие расстояния с помощью микроволн между наземными станциями и спутниками связи.. Микроволны также используются в микроволновых печах и радиолокационной технике.

Коммуникация

До появления оптоволоконной передачи большинство междугородных телефонных звонков осуществлялось через сети микроволновых радиорелейных линий, которыми управляют такие операторы, как AT&T Long Lines . Начиная с начала 1950-х годов, мультиплексирование с частотным разделением использовалось для передачи до 5400 телефонных каналов на каждом микроволновом радиоканале, при этом до десяти радиоканалов объединялись в одну антенну для перехода к следующему узлу на расстоянии до 70 км.

Протоколы беспроводной локальной сети , такие как Bluetooth и спецификации IEEE 802.11, используемые для Wi-Fi, также используют микроволны в диапазоне ISM 2,4 ГГц , хотя 802.11a использует диапазон ISM и частоты U-NII в диапазоне 5 ГГц. Лицензированные услуги беспроводного доступа в Интернет на большие расстояния (до 25 км) уже почти десять лет используются во многих странах в диапазоне 3,5–4,0 ГГц. FCC недавно ^{[ когда? ]}выделенный спектр для операторов, которые хотят предлагать услуги в этом диапазоне в США - с акцентом на 3,65 ГГц. Десятки поставщиков услуг по всей стране получают или уже получили от FCC лицензии на работу в этом диапазоне. Предлагаемые услуги WIMAX, которые могут работать в диапазоне 3,65 ГГц, предоставят бизнес-клиентам еще один вариант подключения.

Протоколы городских сетей (MAN), такие как WiMAX (всемирная совместимость для микроволнового доступа), основаны на таких стандартах, как IEEE 802.16 , которые предназначены для работы в диапазоне от 2 до 11 ГГц. Коммерческие реализации находятся в диапазонах 2,3 ГГц, 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 5,8 ГГц.

Протоколы мобильного широкополосного беспроводного доступа (MBWA), основанные на спецификациях стандартов, таких как IEEE 802.20 или ATIS / ANSI HC-SDMA (например, iBurst ), работают в диапазоне от 1,6 до 2,3 ГГц, чтобы обеспечить характеристики мобильности и проникновения в здания, аналогичные мобильным телефонам, но с большим большая спектральная эффективность. ^[12]

Некоторые сети мобильной связи, такие как GSM , используют низкие частоты микроволнового / высокого диапазона УВЧ около 1,8 и 1,9 ГГц в Северной и Южной Америке и в других местах, соответственно. DVB-SH и S-DMB используют частоту от 1,452 до 1,492 ГГц, в то время как проприетарное / несовместимое спутниковое радио в США использует около 2,3 ГГц для DARS .

Микроволновое радио используется в радиовещании и телекоммуникациях, потому что из-за их короткой длины волны высоконаправленные антенны меньше и, следовательно, более практичны, чем они были бы на более длинных волнах (более низких частотах). Также имеется более широкая полоса в микроволновом спектре, чем в остальном радиоспектре; полезная полоса частот ниже 300 МГц составляет менее 300 МГц, в то время как многие ГГц могут использоваться выше 300 МГц. Обычно микроволны используются в телевизионных новостях для передачи сигнала из удаленного места на телевизионную станцию ​​из специально оборудованного фургона. См. Вспомогательную службу широковещательной передачи (BAS), устройство удаленного приема (RPU) исвязь студия / передатчик (STL).

Большинство систем спутниковой связи работают в диапазонах C, X, K _a или K _u микроволнового спектра. Эти частоты обеспечивают широкую полосу пропускания, избегая переполненных частот УВЧ и оставаясь ниже атмосферного поглощения частот КВЧ. Спутниковое телевидение работает либо в диапазоне C для традиционной фиксированной спутниковой службы с большой тарелкой, либо в диапазоне K _u для спутникового прямого вещания . Военная связь осуществляется в основном по каналам связи X или K _u , при _этом диапазон K используется для Milstar .

Навигация

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), включая китайскую Beidou , американскую систему глобального позиционирования (введена в 1978 г.) и российскую систему ГЛОНАСС, транслируют навигационные сигналы в различных диапазонах от 1,2 ГГц до 1,6 ГГц.

Радар

Радар - это метод радиолокации , при котором луч радиоволн, излучаемый передатчиком, отражается от объекта и возвращается к приемнику, позволяя определить местоположение, дальность, скорость и другие характеристики объекта. Короткая длина волны микроволн вызывает сильные отражения от объектов размером с автомобили, корабли и самолеты. Кроме того, на этих длинах волн антенны с высоким коэффициентом усиления, такие как параболические антенны, которые требуются для получения узких лучей, необходимых для точного определения местоположения объектов, удобно малы, что позволяет быстро поворачивать их для сканирования объектов. Следовательно, микроволновые частоты являются основными частотами, используемыми в радарах. Микроволновый радар широко используется в таких приложениях, как управление воздушным движением., прогнозирование погоды, навигация судов и соблюдение ограничений скорости . Радары дальнего действия используют более низкие микроволновые частоты, поскольку в верхнем конце диапазона атмосферное поглощение ограничивает дальность действия, но миллиметровые волны используются для радаров ближнего действия, таких как системы предотвращения столкновений .

Радиоастрономия

Микроволны, излучаемые астрономическими радиоисточниками ; планеты, звезды, галактики и туманности изучаются в радиоастрономии с помощью больших тарелочных антенн, называемых радиотелескопами . Помимо приема естественного микроволнового излучения, радиотелескопы использовались в активных радиолокационных экспериментах, чтобы отражать микроволны от планет Солнечной системы, определять расстояние до Луны или наносить на карту невидимую поверхность Венеры через облачный покров.

Недавно завершенный микроволновый радиотелескоп - Большая миллиметровая антенная решетка Атакама , расположенный на высоте более 5000 метров (16 597 футов) в Чили, наблюдает Вселенную в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. На сегодняшний день это крупнейший в мире проект в области наземной астрономии. Он состоит из более чем 66 тарелок и был построен в международном сотрудничестве Европы, Северной Америки, Восточной Азии и Чили. ^{[13] [14]}

Основным направлением микроволновой радиоастрономии в последнее время было нанесение на карту космического микроволнового фонового излучения (CMBR), открытого в 1964 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном . Это слабое фоновое излучение, которое заполняет Вселенную и почти одинаково во всех направлениях, является «реликтовым излучением» Большого взрыва и является одним из немногих источников информации об условиях в ранней Вселенной. Из-за расширения и, таким образом, охлаждения Вселенной первоначально высокоэнергетическое излучение сместилось в микроволновую область радиоспектра. Достаточно чувствительные радиотелескопы могут обнаруживать реликтовое излучение как слабый сигнал, не связанный с какой-либо звездой, галактикой или другим объектом.^[15]

Нагревательные и энергетические приложения

СВЧ - печь проходит СВЧ - излучения на частоте около 2,45 ГГц (12 см) , через пищу, в результате чего диэлектрический нагрев , прежде всего , за счет поглощения энергии в воде. Микроволновые печи стали обычным кухонным оборудованием в западных странах в конце 1970-х годов, после разработки менее дорогих магнетронов с резонатором . Вода в жидком состоянии обладает множеством молекулярных взаимодействий, которые расширяют пик поглощения. В паровой фазе изолированные молекулы воды поглощают на частоте около 22 ГГц, что почти в десять раз превышает частоту микроволновой печи.

Микроволновый нагрев используется в промышленных процессах сушки и отверждения продуктов.

Многие технологии обработки полупроводников используют микроволны для генерации плазмы для таких целей, как реактивное ионное травление и химическое осаждение из паровой фазы (PECVD).

Микроволны используются в стеллараторах и экспериментальных термоядерных реакторах токамаков, чтобы помочь превратить газ в плазму и нагреть ее до очень высоких температур. Частота настроена на циклотронный резонанс электронов в магнитном поле, где-то между 2–200 ГГц, поэтому его часто называют электронным циклотронным резонансным нагревом (ECRH). Предстоящий термоядерный реактор ITER ^[16] будет использовать до 20 МВт микроволн 170 ГГц.

Микроволны могут использоваться для передачи энергии на большие расстояния, и после Второй мировой войны были проведены исследования для изучения возможностей. В 1970-х и начале 1980-х годов НАСА работало над исследованием возможностей использования спутниковых систем на солнечной энергии (SPS) с большими солнечными батареями , которые передавали бы энергию на поверхность Земли с помощью микроволн.

Существует менее смертоносное оружие, использующее миллиметровые волны для нагрева тонкого слоя человеческой кожи до невыносимой температуры, чтобы заставить человека уйти. Двухсекундный взрыв 95 ГЦа сосредоточены луч нагревает кожу до температуры 54 ° C (129 ° F) на глубине 0,4 мм ( ¹ / ₆₄  дюйма). В настоящее время военно-воздушные силы и морская пехота США используют этот тип системы активного отказа в стационарных установках. ^[17]

Спектроскопия

Микроволновое излучение используется в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР или ЭПР), как правило, в диапазоне X-диапазона (~ 9 ГГц) в сочетании, как правило, с магнитными полями 0,3 Тл. Этот метод предоставляет информацию о неспаренных электронах в химических системах, таких как свободные радикалы или ионы переходных металлов , такие как Cu (II). Микроволновое излучение также используется для выполнения ротационной спектроскопии и может быть объединено с электрохимией, как в электрохимии, усиленной микроволновым излучением .

Полосы частот СВЧ

Полосы частот в микроволновом спектре обозначены буквами. К сожалению, существует несколько несовместимых систем обозначения диапазонов, и даже внутри системы частотные диапазоны, соответствующие некоторым буквам, несколько различаются между различными областями применения. ^{[18] [19]} Буквенная система возникла во время Второй мировой войны в сверхсекретной американской классификации диапазонов, используемых в радиолокационных установках; это источник самой старой системы букв, радиолокационных диапазонов IEEE. Один набор микроволновых диапазонов, обозначенных Радиосообществом Великобритании (RSGB), представлен в таблице ниже:

Существуют и другие определения. ^[20]

Термин P-диапазон иногда используется для частот UHF ниже L-диапазона, но в настоящее время устарел согласно IEEE Std 521.

Когда во время Второй мировой войны впервые были разработаны радары для диапазона K, не было известно, что поблизости есть полоса поглощения (из-за водяного пара и кислорода в атмосфере). Чтобы избежать этой проблемы, исходная полоса K была разделена на нижнюю полосу K _u и верхнюю полосу K _a . ^[21]

Измерение частоты микроволн

Частоту микроволн можно измерить электронными или механическими методами.

Счетчики частоты или высокочастотные гетеродинные могут быть использованы системы. Здесь неизвестная частота сравнивается с гармониками известной более низкой частоты с использованием генератора низкой частоты, генератора гармоник и смесителя. Точность измерения ограничивается точностью и стабильностью эталонного источника.

Механические методы требуют настраиваемого резонатора, такого как измеритель поглощения волны , у которого есть известная связь между физическим размером и частотой.

В лабораторных условиях линии Лечера можно использовать для прямого измерения длины волны на линии передачи, состоящей из параллельных проводов, а затем можно рассчитать частоту. Аналогичный метод заключается в использовании волновода с прорезями или коаксиальной линии с прорезями для прямого измерения длины волны. Эти устройства состоят из зонда, вводимого в линию через продольную прорезь, так что зонд может свободно перемещаться вверх и вниз по линии. Щелевые линии в первую очередь предназначены для измерения коэффициента стоячей волны напряжения на линии. Однако при наличии стоячей волны их также можно использовать для измерения расстояния между узлами., что равно половине длины волны. Точность этого метода ограничена определением узловых точек.

Влияние на здоровье

Микроволны - это неионизирующее излучение, а это означает, что микроволновые фотоны не содержат достаточной энергии для ионизации молекул или разрыва химических связей или повреждения ДНК, в отличие от ионизирующего излучения, такого как рентгеновские лучи или ультрафиолет . ^[22] Слово «излучение» относится к энергии, исходящей от источника, а не к радиоактивности . Основной эффект поглощения микроволн - нагрев материалов; электромагнитные поля заставляют полярные молекулы вибрировать. Не было окончательно доказано, что микроволны (или другие неионизирующиеэлектромагнитное излучение) оказывают значительное неблагоприятное биологическое воздействие на низких уровнях. Некоторые, но не все исследования показывают, что длительное воздействие может иметь канцерогенный эффект. ^[23]

Во время Второй мировой войны было замечено, что люди на пути излучения радарных установок слышали щелчки и жужжащие звуки в ответ на микроволновое излучение. Исследования НАСА в 1970-х годах показали, что это вызвано тепловым расширением в частях внутреннего уха. В 1955 году доктор Джеймс Лавлок смог реанимировать крыс, охлажденных до 0–1 ° C, с помощью микроволновой диатермии. ^[24]

Когда происходит травма от воздействия микроволн, это обычно происходит в результате диэлектрического нагрева тела. Воздействие микроволнового излучения может производить катаракты с помощью этого механизма, ^[25] , так как микроволнового нагрева денатурирует белки в хрусталике в глаза (таким же образом , что тепловые повороты яичные белки белый и непрозрачный). Хрусталик и роговица глаза особенно уязвимы, потому что в них нет кровеносных сосудов.которые могут уносить тепло. Воздействие высоких доз микроволнового излучения (например, от духовки, которая была взломана, чтобы можно было работать даже с открытой дверцей), может вызвать тепловое повреждение и других тканей, вплоть до серьезных ожогов, которые могут быть не сразу очевидны из-за склонность микроволн нагревать более глубокие ткани с более высоким содержанием влаги.

Элеонора Р. Адэр провела исследование здоровья с помощью микроволн, подвергая себя, животных и людей воздействию микроволн, от которых они чувствовали тепло или даже начинали потеть и чувствовать себя довольно неудобно. Она не обнаружила никаких неблагоприятных последствий для здоровья, кроме тепла.

История

Оптика Герца

Микроволны были впервые созданы в 1890-х годах в некоторых из самых ранних радиоэкспериментов физиками, которые считали их формой «невидимого света». ^[26] Джеймс Клерк Максвелл в своей теории электромагнетизма 1873 года , теперь называемой уравнениями Максвелла , предсказал, что связанное электрическое поле и магнитное поле могут перемещаться в пространстве как электромагнитная волна , и предположил, что свет состоит из коротковолновых электромагнитных волн. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц первым продемонстрировал существование радиоволн с помощью примитивногорадиопередатчик искрового разрядника . ^[27] Герц и другие ранние исследователи радио были заинтересованы в изучении сходства между радиоволнами и световыми волнами, чтобы проверить теорию Максвелла. Они сконцентрировались на производстве коротковолновых радиоволн в диапазонах УВЧ и СВЧ, с помощью которых они могли дублировать классические оптические эксперименты в своих лабораториях, используя квазиоптические компоненты, такие как призмы и линзы из парафина , серы и пека, и проволочные дифракционные решетки для преломления и рассеивать радиоволны, как световые лучи. ^[28] Герц производил волны до 450 МГц; Его направленный передатчик 450 МГц состоял из 26-сантиметровой латунной стержневой дипольной антенны с искровым промежутком между концами, подвешенной на фокальной линии параболической антенны, сделанной из изогнутого цинкового листа, питаемой импульсами высокого напряжения от индукционной катушки . ^[27] Его исторические эксперименты продемонстрировали, что радиоволны, такие как свет, демонстрируют преломление , дифракцию , поляризацию , интерференцию и стоячие волны , ^[28] доказывая, что радиоволны и световые волны были формами электромагнитных волн Максвелла .

• Искровой передатчик Генриха Герца 450 МГц, 1888 г., состоящий из диполя 23 см и искрового разрядника в фокусе параболического отражателя.

• Джагадиш Чандра Бос в 1894 году был первым человеком, который произвел миллиметровые волны ; его искровой генератор (в коробке справа) генерировал волны частотой 60 ГГц (5 мм) с использованием резонаторов с металлическими шариками 3 мм.

• Эксперимент по микроволновой спектроскопии, проведенный Джоном Амброузом Флемингом в 1897 году, показал преломление волн 1,4 ГГц парафиновой призмой, дублируя более ранние эксперименты Бозе и Риги.

• Искровой генератор и приемник Аугусто Риги на 12 ГГц, 1895 г.

Начиная с 1894 года индийский физик Джагадиш Чандра Бозе провел первые эксперименты с микроволнами. Он был первым человеком, который произвел миллиметровые волны , генерируя частоты до 60 ГГц (5 миллиметров) с помощью искрового генератора с металлическим шариком 3 мм. ^{[29] [28]} Бозе также изобрел волновод , рупорные антенны и полупроводниковые кристаллические детекторы для использования в своих экспериментах. Также в 1894 году Оливер Лодж и Аугусто Риги генерировали микроволны с частотой 1,5 и 12 ГГц соответственно с помощью небольших искровых резонаторов с металлическими шариками. ^[28] Российский физик Петр Лебедевв 1895 г. генерировал миллиметровые волны на частоте 50 ГГц. ^[28] В 1897 году лорд Рэлей решил математическую краевую задачу об электромагнитных волнах, распространяющихся через проводящие трубки и диэлектрические стержни произвольной формы. ^{[30] [31] [32] [33],} которые дали режимы и частоту отсечки микроволн, распространяющихся через волновод . ^[27]

Однако, поскольку микроволны были ограничены прямой видимостью , они не могли общаться за пределами видимого горизонта, а низкая мощность искровых передатчиков, которые использовались тогда, ограничивала их практический диапазон до нескольких миль. Последующее развитие радиосвязи после 1896 г. использовало более низкие частоты, которые могли распространяться за горизонт в виде наземных волн и отражаться от ионосферы в виде небесных волн , а микроволновые частоты в то время не исследовались.

Первые эксперименты по микроволновой связи

Практическое использование микроволновых частот не происходило до 1940-х и 1950-х годов из-за отсутствия соответствующих источников, поскольку электронный генератор на триодной лампе (лампе), используемый в радиопередатчиках, не мог генерировать частоты выше нескольких сотен мегагерц из-за чрезмерного времени прохождения электронов. и межэлектродная емкость. ^[27] К 1930-м годам первые микроволновые вакуумные лампы малой мощности были разработаны с использованием новых принципов; трубки Баркгаузена-Курца и сплит-анода магнетрона . ^[27] Они могли генерировать несколько ватт мощности на частотах до нескольких гигагерц и использовались в первых экспериментах по связи с микроволнами.

• Антенны экспериментальной микроволновой релейной линии 1,7 ГГц 1931 года через Ла-Манш.

• Экспериментальный передатчик 700 МГц 1932 года в лабораториях Вестингауз передает голос на расстояние более мили.

• Саутворт (слева) демонстрирует волновод на собрании IRE в 1938 году, демонстрируя микроволны с частотой 1,5 ГГц, проходящие через гибкий металлический шланг длиной 7,5 м, регистрируемые диодным детектором.

• Первая современная рупорная антенна в 1938 году изобретателем Уилмером Л. Барроу.

В 1931 году англо-французский консорциум во главе с Андре К. Клавье продемонстрировал первую экспериментальную микроволновую ретрансляционную линию через Ла-Манш в 40 милях (64 км) между Дувром , Великобритания и Кале , Франция. ^{[34] [35]} Система передавала телефонные, телеграфные и факсимильные данные по двунаправленным лучам 1,7 ГГц мощностью полуватта, создаваемым миниатюрными трубками Баркгаузена-Курца в фокусе 10-футовых (3 м) металлических тарелок.

Требовалось слово, чтобы отличить эти новые более короткие длины волн, которые ранее были объединены в « коротковолновый » диапазон, что означало все волны короче 200 метров. Термины квазиоптические волны и ультракороткие волны использовались кратко, но не получили широкого распространения. Первое использование слова « микроволна», по- видимому, произошло в 1931 году. ^{[35] [36]}

Радар

Разработка радара , в основном секретная, до и во время Второй мировой войны , привела к технологическим достижениям, которые сделали микроволновые печи практичными. ^[27] Длины волн в сантиметровом диапазоне были необходимы для того, чтобы маленькие радиолокационные антенны, которые были достаточно компактными, чтобы поместиться на самолетах, имели достаточно узкую ширину луча для локализации самолетов противника. Было обнаружено, что обычные линии передачи, используемые для передачи радиоволн, имеют чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, и Джордж Саутворт из Bell Labs и Уилмер Барроу из Массачусетского технологического института независимо изобрели волновод в 1936 году ^[30]. Бэрроу изобрел рупорную антенну в 1938 году как средство для эффективного излучения микроволн в волновод или из него. В микроволновом приемнике , A нелинейная компонент была необходима , что будет выступать в качестве детектора и смесителя на этих частотах, так как вакуумные трубки были слишком много емкости. Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи возродили устаревшую технологию, точечный кристаллический детектор ( детектор кошачьих усов), который использовался в качестве демодулятора в кристаллических радиоприемниках на рубеже веков до ламповых приемников. ^{[27] [37]} Малая емкость полупроводниковых переходов.позволяли им работать на микроволновых частотах. Первые современные кремниевые и германиевые диоды были разработаны как микроволновые детекторы в 1930-х годах, и принципы физики полупроводников, усвоенные во время их разработки, привели к созданию полупроводниковой электроники после войны. ^[27]

• Первая коммерческая клистронная трубка General Electric, 1940 г., разрезанная для демонстрации внутренней конструкции

• РЛС воздушного перехвата AN / APS-4 10 ГГц, использовавшаяся на американских и британских самолетах во время Второй мировой войны

• Мобильная микроволновая ретрансляционная станция армии США, 1945 год, демонстрирующая системы ретрансляции, использующие частоты от 100 МГц до 4,9 ГГц, которые могли передавать до 8 телефонных звонков по лучу.

Первые мощные источники микроволн были изобретены в начале Второй мировой войны: клистрона трубы по Рассел и Сигурд Вариан в Стэнфордском университете в 1937 году, и полость магнетронного трубы с Джоном Рэндалла и Гарри Ботинок в университете Бирмингема, Великобритания в 1940 году ^{[ 27]} Десятисантиметровый (3 ГГц) микроволновый радар использовался на британских военных самолетах в конце 1941 года и, как оказалось, изменил правила игры. Решение Великобритании в 1940 году поделиться своей микроволновой технологией со своим союзником из США ( Миссия Тизард ) значительно сократило войну. Радиационная Лаборатория MIT создана тайноМассачусетский технологический институт в 1940 году для исследования радара дал большую часть теоретических знаний, необходимых для использования микроволн. Первые микроволновые релейные системы были разработаны вооруженными силами союзников ближе к концу войны и использовались для защищенных сетей связи на поле боя на европейском театре военных действий.

После Второй мировой войны

После Второй мировой войны микроволновые печи стали быстро использоваться в коммерческих целях. ^[27] Из-за своей высокой частоты они обладали очень большой пропускной способностью ( пропускной способностью ); один микроволновый луч может передать десятки тысяч телефонных звонков. В 1950-х и 60-х годах в США и Европе были построены трансконтинентальные микроволновые ретрансляционные сети для обмена телефонными звонками между городами и распространения телевизионных программ. В новой телевизионном вещания промышленности, с 1940 - х микроволновых блюд были использованы для передачи транзитного видеопотока с мобильных производственными машин обратно в студию, позволяя первые дистанционные телевизионные передачи . ПервыйСпутники связи были запущены в 1960-х годах, которые ретранслировали телефонные звонки и телевидение между удаленными друг от друга точками на Земле с помощью микроволновых лучей. В 1964 год Арно Пензиас и Роберт Вильсон , исследуя шум в спутниковом рупорном антенном в Bell Labs , Холмделе, Нью - Джерси обнаружили космическое микроволновые фоновое излучение .

Микроволновая РЛС стала центральной технологией, используемой в управлении воздушным движением , морской навигации , противовоздушной обороне , обнаружении баллистических ракет , а позже и во многих других областях. Радиолокационная и спутниковая связь послужили стимулом для разработки современных микроволновых антенн; параболическая антенна (наиболее распространенный тип), антенны Кассегрена , объектив антенны , слот антенны и фазированной антенной решеткой .

Способность коротких волн быстро нагревать материалы и готовить пищу была исследована в 1930-х годах И.Ф. Муромцевым в Westinghouse, а на Всемирной выставке в Чикаго в 1933 году было продемонстрировано приготовление пищи с помощью радиопередатчика 60 МГц. ^[38] В 1945 году Перси Спенсер , инженер, работавший над радаром в Raytheon , заметил, что микроволновое излучение магнетронного генератора расплавило шоколадный батончик в его кармане. Он исследовал приготовление пищи с помощью микроволн и изобрел микроволновую печь., состоящий из магнетрона, подающего микроволны в закрытую металлическую полость, содержащую пищу, который был запатентован Raytheon 8 октября 1945 года. Из-за высокой стоимости микроволновые печи изначально использовались на кухнях в учреждениях, но к 1986 году примерно 25% домашних хозяйств в США владели один. Микроволновое нагревание стало широко использоваться в качестве промышленного процесса в таких отраслях, как производство пластмасс, а также в качестве лечебного средства для уничтожения раковых клеток в микроволновой гипертермии .

Л (Л) , разработанные в 1943 годе Рудольфом Kompfner и Джон Пирс предоставили источник высокой мощности перестраиваемых микроволн до 50 ГГц, и стали наиболее широко используемой микроволновой трубкой (кроме вездесущего магнетрона используется в микроволновых печах). Семейство гиротронных трубок, разработанное в России, может производить мегаватты энергии до частот миллиметрового диапазона и используется в промышленном нагреве и исследованиях плазмы , а также для питания ускорителей частиц и ядерных термоядерных реакторов .

Твердотельные микроволновые устройства

Развитие полупроводниковой электроники в 1950-х годах привело к появлению первых твердотельных микроволновых устройств, которые работали по новому принципу; отрицательное сопротивление (в некоторых довоенных микроволновых лампах также использовалось отрицательное сопротивление). ^[27] Генератор обратной связи и двухпортовые усилители, которые использовались на более низких частотах, стали нестабильными на микроволновых частотах, а генераторы отрицательного сопротивления и усилители на основе однопортовых устройств, таких как диоды, работали лучше.

Туннельный диод изобретен в 1957 году японский физик Лео Есаки может произвести несколько милливатт мощности СВЧ. Его изобретение положило начало поиску полупроводниковых устройств с отрицательным сопротивлением для использования в качестве микроволновых генераторов, что привело к изобретению IMPATT-диода в 1956 году У. Т. Ридом и Ральфом Л. Джонстоном и диода Ганна в 1962 году Дж . Б. Ганном . ^{[27] На} сегодняшний день наиболее широко используемыми микроволновыми источниками являются диоды. Были разработаны два малошумящих твердотельных усилителя СВЧ с отрицательным сопротивлением ; рубиновый мазер, изобретенный в 1953 году Чарльзом Х. Таунсом, Джеймс П. Гордон и Х. Дж. Зейгер , а также варакторный параметрический усилитель, разработанный в 1956 году Марион Хайнс. ^[27] Они использовались для малошумящих микроволновых приемников в радиотелескопах и наземных спутниковых станциях . Мазер привел к разработке атомных часов , которые отсчитывают время, используя точную микроволновую частоту, излучаемую атомами при переходе электрона между двумя энергетическими уровнями. Схемы усилителей с отрицательным сопротивлением потребовали изобретения новых невзаимных волноводных компонентов, таких как циркуляторы , изоляторы и направленные ответвители.. В 1969 году Курокава вывел математические условия устойчивости цепей с отрицательным сопротивлением, которые легли в основу конструкции микроволнового генератора. ^[39]

Микроволновые микросхемы

До 1970-х годов микроволновые устройства и схемы были громоздкими и дорогими, поэтому микроволновые частоты, как правило, ограничивались выходным каскадом передатчиков и входными радиочастотными входами приемников, а сигналы гетеродифицировались до более низкой промежуточной частоты для обработки. В период с 1970-х годов по настоящее время были разработаны крошечные недорогие активные твердотельные микроволновые компоненты, которые могут быть установлены на печатных платах, что позволяет схемам выполнять значительную обработку сигналов на микроволновых частотах. Это сделало возможным спутниковое телевидение , кабельное телевидение , устройства GPS и современные беспроводные устройства, такие как смартфоны., Wi-Fi и Bluetooth, которые подключаются к сетям с помощью микроволн.

Микрополосковый , тип линии передачи полезной в диапазоне сверхвысоких частотах, была изобретен с печатными платами в 1950 - х годах. ^[27] Возможность дешево изготавливать широкий спектр форм на печатных платах позволила изготавливать микрополосковые версии конденсаторов , катушек индуктивности , резонансных шлейфов , разветвителей , направленных ответвителей , диплексеров , фильтров и антенн, что позволяет создавать компактные микроволновые схемы. . ^[27]

Транзисторы , работающие на микроволновых частотах, были разработаны в 1970-х годах. Полупроводниковый арсенид галлия (GaAs) имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем кремний ^[27], поэтому устройства, изготовленные из этого материала, могут работать в 4 раза чаще, чем аналогичные устройства из кремния. Начиная с 1970-х годов GaAs использовался для создания первых СВЧ-транзисторов ^[27], и с тех пор он доминирует в СВЧ-полупроводниках. ПТШ ( металл-полупроводник полевых транзисторов ), быстро GaAs полевые транзисторы эффекта с использованием Шоттками переходовдля затвора, были разработаны начиная с 1968 года и достигли частоты отсечки 100 ГГц, и в настоящее время являются наиболее широко используемыми активными микроволновыми устройствами. ^[27] Еще одно семейство транзисторов с более высоким пределом частоты - HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов ), полевой транзистор, изготовленный из двух разных полупроводников, AlGaAs и GaAs, с использованием технологии гетероперехода , и аналогичный HBT ( биполярный транзистор с гетеропереходом ). ^[27]

GaAs может быть полуизолирующим, что позволяет использовать его в качестве подложки, на которой схемы, содержащие пассивные компоненты, а также транзисторы, могут быть изготовлены методом литографии. ^[27] К 1976 году это привело к появлению первых интегральных схем (ИС), которые работали на микроволновых частотах, названных монолитными СВЧ интегральными схемами (MMIC). ^[27] Слово «монолитный» было добавлено, чтобы отличить их от микрополосковых печатных плат, которые назывались «микроволновыми интегральными схемами» (MIC). С тех пор были также разработаны кремниевые MMIC. Сегодня MMIC стали рабочими лошадками как аналоговой, так и цифровой высокочастотной электроники, позволяя производить однокристальные микроволновые приемники, широкополосные усилители , модемы и микропроцессоры .

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме микроволн (радио) .

• EM Talk, Учебники и инструменты для СВЧ-техники
• Таблица размеров волноводов миллиметрового и микроволнового диапазона.