Микроволны — это форма электромагнитного излучения с длинами волн короче, чем у других радиоволн ( как было первоначально обнаружено ), но длиннее, чем инфракрасные волны. Длина их волн составляет от одного метра до одного миллиметра, что соответствуетчастоты от 300 МГц до 300 ГГц, в широком смысле. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Более распространенное определение в радиочастотной технике — это диапазон от 1 до 100 ГГц (длины волн от 30 см до 3 мм), [2] или от 1 до 3000 ГГц (от 30 см до 0,1 мм). [7] [8] Префикс микро- в слове « микроволны» не подразумевает длину волны в микрометровом диапазоне; скорее, он указывает на то, что микроволны малы (имеют более короткие длины волн) по сравнению с радиоволнами, которые использовались в предыдущих радиотехнологиях .
Границы между дальним инфракрасным , терагерцовым излучением , микроволнами и ультравысокой частотой (УВЧ) довольно условны и используются по-разному в разных областях изучения. Во всех случаях микроволны включают весь диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) (от 3 до 30 ГГц или от 10 до 1 см) как минимум. Более широкое определение включает также диапазоны УВЧ и крайне высоких частот (КВЧ) ( миллиметровые волны ; от 30 до 300 ГГц).
Частоты в микроволновом диапазоне часто обозначаются по обозначениям их радиолокационных диапазонов IEEE : S , C , X , Ku , K или Ka , или по аналогичным обозначениям НАТО или ЕС.
Микроволны распространяются по линии прямой видимости ; в отличие от радиоволн более низкой частоты , они не преломляются вокруг холмов, не следуют за поверхностью земли как земные волны или не отражаются от ионосферы , поэтому наземные микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). На верхнем конце 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, радиолокации , спутниковой и космической связи , медицинской диатермии и лечении рака, дистанционном зондировании , радиоастрономии , ускорителях частиц , спектроскопии , промышленном отоплении, системах предотвращения столкновений , устройствах открывания гаражных ворот и системах бесключевого доступа , а также для приготовления пищи в микроволновых печах .
Микроволны занимают место в электромагнитном спектре с частотой выше обычных радиоволн и ниже инфракрасного света:
При описании электромагнитного спектра некоторые источники классифицируют микроволны как радиоволны, подмножество диапазона радиоволн, в то время как другие классифицируют микроволны и радиоволны как отдельные типы излучения. [ необходима ссылка ] Это произвольное различие.
Диапазоны частот в микроволновом спектре обозначаются буквами. К сожалению, существует несколько несовместимых систем обозначения диапазонов, и даже внутри одной системы диапазоны частот, соответствующие некоторым буквам, несколько различаются в разных областях применения. [9] [10] Буквенная система берет свое начало во Второй мировой войне в совершенно секретной классификации диапазонов, используемых в радиолокационных установках; это происхождение старейшей буквенной системы, радиолокационных диапазонов IEEE. Один из наборов обозначений диапазонов микроволновых частот Радиообщества Великобритании (RSGB) представлен в таблице ниже:
Существуют и другие определения. [11]
Термин «диапазон P» иногда используется для частот УВЧ ниже диапазона L, но в настоящее время он устарел согласно стандарту IEEE Std 521.
Когда во время Второй мировой войны впервые были разработаны радары в диапазоне K, не было известно, что поблизости есть полоса поглощения (из-за водяного пара и кислорода в атмосфере). Чтобы избежать этой проблемы, исходный диапазон K был разделен на нижнюю полосу, Ku , и верхнюю полосу, K a . [12]
.svg/1280px-Atmospheric_Microwave_Transmittance_at_Mauna_Kea_(simulated).svg.png){kind=spacer}
Микроволны распространяются исключительно по линиям прямой видимости ; в отличие от радиоволн более низкой частоты, они не распространяются как земные волны , которые следуют контуру Земли или отражаются от ионосферы ( небесные волны ). [13] Хотя на нижнем конце диапазона они могут проходить через стены зданий достаточно для полезного приема, обычно требуются права прохода, расчищенные до первой зоны Френеля . Поэтому на поверхности Земли микроволновые линии связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 30–40 миль (48–64 км). Микроволны поглощаются влагой в атмосфере, и затухание увеличивается с частотой, становясь существенным фактором ( затухание из-за дождя ) на верхнем конце диапазона. Начиная примерно с 40 ГГц, атмосферные газы также начинают поглощать микроволны, поэтому выше этой частоты передача микроволн ограничена несколькими километрами. Структура спектральной полосы вызывает пики поглощения на определенных частотах (см. график справа). Выше 100 ГГц поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько эффективно, что она фактически становится непрозрачной , пока атмосфера снова не станет прозрачной в так называемых инфракрасном и оптическом диапазонах частот.
В микроволновом луче, направленном под углом в небо, небольшое количество мощности будет случайным образом рассеиваться, когда луч проходит через тропосферу . [13] Чувствительный приемник за горизонтом с антенной с высоким коэффициентом усиления, сфокусированной на этой области тропосферы, может уловить сигнал. Эта техника использовалась на частотах от 0,45 до 5 ГГц в системах связи с тропосферным рассеянием (тропосферным рассеиванием) для связи за горизонтом на расстояниях до 300 км.
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 беспроводные локальные сети (Wi-Fi) для ноутбуков и наушники Bluetooth . Используемые антенны включают короткие штыревые антенны , антенны-уточки , рукавные диполи , патч-антенны и все чаще печатную перевернутую F-антенну (PIFA), используемую в сотовых телефонах.
Их короткая длина волны также позволяет создавать узкие пучки микроволн с помощью удобно небольших антенн с высоким коэффициентом усиления диаметром от полуметра до 5 метров. Поэтому пучки микроволн используются для линий связи точка-точка и для радаров . Преимущество узких пучков заключается в том, что они не мешают соседнему оборудованию, использующему ту же частоту, что позволяет повторно использовать частоту соседним передатчикам. Параболические («тарелочные») антенны являются наиболее широко используемыми направленными антеннами на микроволновых частотах, но также используются рупорные антенны , щелевые антенны и линзовые антенны . Плоские микрополосковые антенны все чаще используются в потребительских устройствах. Другой направленной антенной, практичной на микроволновых частотах, является фазированная решетка , управляемая компьютером решетка антенн, которая создает луч, который можно электронным образом направлять в разных направлениях.
На микроволновых частотах линии передачи , которые используются для переноса 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 передаются по металлическим трубам, называемым волноводами . Из-за высокой стоимости и требований к обслуживанию волноводных трасс во многих микроволновых антеннах выходной каскад передатчика или входной радиочастотный каскад приемника расположены на антенне.
Термин «микроволновая печь» также имеет более техническое значение в электромагнетизме и теории цепей . [14] [15] Аппараты и методы можно качественно описать как «микроволновые», когда длины волн сигналов примерно совпадают с размерами цепи, поэтому теория цепей с сосредоточенными элементами неточна, а вместо этого более полезными методами проектирования и анализа являются распределенные элементы цепи и теория линий передачи.
В результате этого практические микроволновые схемы имеют тенденцию отходить от дискретных резисторов , конденсаторов и индукторов , используемых с низкочастотными радиоволнами . Открытые провода 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 . [14] В свою очередь, на еще более высоких частотах, где длина волны электромагнитных волн становится малой по сравнению с размером структур, используемых для их обработки, микроволновые методы становятся неадекватными, и используются методы оптики .
Высокомощные источники микроволн используют специализированные вакуумные трубки для генерации микроволн. Эти устройства работают на иных принципах, чем низкочастотные вакуумные трубки, используя баллистическое движение электронов в вакууме под воздействием 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 с использованием непрерывного потока электронов.
Источники микроволн малой мощности используют твердотельные устройства, такие как полевые транзисторы (по крайней мере, на более низких частотах), туннельные диоды , диоды Ганна и диоды IMPATT . [16] Источники малой мощности доступны в виде настольных приборов, стоечных приборов, встраиваемых модулей и в форматах на уровне карт. Мазер — это твердотельное устройство, которое усиливает микроволны, используя принципы, аналогичные принципам лазера , который усиливает световые волны более высокой частоты.
Все теплые объекты испускают низкоуровневое микроволновое излучение черного тела в зависимости от их температуры , поэтому в метеорологии и дистанционном зондировании микроволновые радиометры используются для измерения температуры объектов или местности. [17] Солнце [18] и другие астрономические радиоисточники, такие как Кассиопея А, испускают низкоуровневое микроволновое излучение, которое несет информацию об их составе, которая изучается радиоастрономами с помощью приемников, называемых радиотелескопами . [17] Например, космическое микроволновое фоновое излучение (CMBR) представляет собой слабый микроволновый шум, заполняющий пустое пространство, который является основным источником информации о космологической теории Большого взрыва о происхождении Вселенной .
Микроволновая технология широко используется для двухточечной телекоммуникации (т. е. не вещательного использования). Микроволны особенно подходят для этого использования, поскольку они легче фокусируются в более узкие лучи, чем радиоволны, что позволяет повторно использовать частоты ; их сравнительно более высокие частоты обеспечивают широкую полосу пропускания и высокую скорость передачи данных, а размеры антенн меньше, чем на более низких частотах, поскольку размер антенны обратно пропорционален передаваемой частоте. Микроволны используются в космической связи, 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 в радиолокационной технике.
До появления волоконно-оптической передачи большинство междугородних телефонных звонков осуществлялось через сети микроволновых радиорелейных линий связи, которыми управляли такие операторы, как AT&T Long Lines . Начиная с начала 1950-х годов, частотное разделение каналов использовалось для передачи до 5400 телефонных каналов на каждом микроволновом радиоканале, причем до десяти радиоканалов объединялись в одну антенну для перехода на следующий участок 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 (примерно до 25 км) используются уже почти десятилетие во многих странах в диапазоне 3,5–4,0 ГГц. Недавно FCC [ когда? ] выделила спектр для операторов, желающих предлагать услуги в этом диапазоне в США — с упором на 3,65 ГГц. Десятки поставщиков услуг по всей стране получают или уже получили лицензии от FCC на работу в этом диапазоне. Предложения услуг WIMAX, которые могут осуществляться в диапазоне 3,65 ГГц, предоставят корпоративным клиентам еще одну возможность подключения.
Протоколы городской сети (MAN), такие как WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), основаны на таких стандартах, как IEEE 802.16 , и 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, обеспечивая мобильность и проникновение в здания, аналогичные характеристикам мобильных телефонов, но с гораздо большей спектральной эффективностью. [19]
Некоторые сети мобильной связи , такие как GSM , используют низкие микроволны/высокие УВЧ-частоты около 1,8 и 1,9 ГГц в Америке и других странах соответственно. DVB-SH и S-DMB используют от 1,452 до 1,492 ГГц, в то время как фирменное/несовместимое спутниковое радио в США использует около 2,3 ГГц для DARS .
Микроволновое радио используется в вещании и телекоммуникационных передачах, поскольку из-за своей короткой длины волны высоконаправленные антенны меньше и, следовательно, более практичны, чем они были бы на более длинных волнах (более низких частотах). В микроволновом спектре также больше пропускной способности , чем в остальной части радиоспектра; полезная полоса пропускания 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. вспомогательная служба вещания (BAS), удаленный приемопередатчик (RPU) и связь студия/передатчик (STL).
Большинство систем спутниковой связи работают в диапазонах C, X, K a или K u микроволнового спектра. Эти частоты обеспечивают большую полосу пропускания, избегая при этом переполненных частот UHF и оставаясь ниже атмосферного поглощения частот EHF. Спутниковое телевидение работает либо в диапазоне C для традиционной фиксированной спутниковой службы с большой антенной , либо в диапазоне K u для спутникового вещания напрямую . Военные коммуникации работают в основном по каналам X или K u -диапазона, при этом диапазон K a используется для Milstar .
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), включая китайскую Beidou , американскую Глобальную систему позиционирования (введена в эксплуатацию в 1978 году) и российскую ГЛОНАСС, передают навигационные сигналы в различных диапазонах примерно от 1,2 ГГц до 1,6 ГГц.
Радар — это метод радиолокации , при котором луч радиоволн, излучаемый передатчиком, отражается от объекта и возвращается к приемнику, что позволяет определить местоположение, дальность, скорость и другие характеристики объекта. Короткая длина волны микроволн вызывает большие 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 создания узкой ширины луча, необходимой для точного определения местоположения объектов, удобно малы, что позволяет быстро поворачивать их для сканирования объектов. Поэтому микроволновые частоты являются основными частотами, используемыми в радарах. Микроволновые радары широко используются для таких приложений, как управление воздушным движением , прогнозирование погоды, навигация судов и обеспечение соблюдения ограничений скорости . Радары дальнего действия используют более низкие микроволновые частоты, поскольку на верхнем конце диапазона атмосферное поглощение ограничивает диапазон, но миллиметровые волны используются для радаров ближнего действия, таких как системы предотвращения столкновений .
Микроволны, излучаемые астрономическими радиоисточниками ; планеты, звезды, галактики и туманности изучаются в радиоастрономии с помощью больших антенн-тарелок, называемых радиотелескопами . Помимо приема естественного микроволнового излучения, радиотелескопы использовались в активных радиолокационных экспериментах для отражения микроволн от планет в Солнечной системе, для определения расстояния до Луны или картирования невидимой поверхности Венеры через облачный покров.
Недавно [ когда? ] завершенный микроволновый радиотелескоп — Atacama Large Millimeter Array , расположенный на высоте более 5000 метров (16 597 футов) в Чили, который наблюдает за вселенной в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Крупнейший в мире наземный астрономический проект на сегодняшний день, он состоит из более чем 66 тарелок и был построен в международном сотрудничестве Европы, Северной Америки, Восточной Азии и Чили. [20] [21]
Недавним [ когда? ] крупным направлением микроволновой радиоастрономии стало картирование 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» от Большого взрыва и является одним из немногих источников информации об условиях в ранней Вселенной. Из-за расширения и, таким образом, охлаждения Вселенной, изначально высокоэнергетическое излучение было смещено в микроволновую область радиоспектра. Достаточно чувствительные радиотелескопы могут обнаружить CMBR как слабый сигнал, который не связан ни с одной звездой, галактикой или другим объектом. [22]
Микроволновая печь пропускает микроволновое излучение на частоте около 2,45 ГГц (12 см) через пищу, вызывая диэлектрический нагрев, в первую очередь, за счет поглощения энергии в воде. Микроволновые печи стали обычным кухонным оборудованием в западных странах в конце 1970-х годов после разработки менее дорогих резонаторных магнетронов . 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 больше частоты микроволновой печи.
Микроволновое нагревание используется в промышленных процессах для сушки и консервирования продуктов.
Во многих технологиях обработки полупроводников для генерации плазмы используются микроволны , например, для реактивного ионного травления и плазменно- химического осаждения из паровой фазы (PECVD).
Микроволны используются в стеллараторах и экспериментальных термоядерных реакторах токамак , чтобы помочь разбить газ на плазму и нагреть ее до очень высоких температур. Частота настроена на циклотронный резонанс электронов в магнитном поле, где-то между 2–200 ГГц, поэтому ее часто называют электронно-циклотронным резонансным нагревом (ECRH). Будущий термоядерный реактор ITER [23] будет использовать до 20 МВт микроволн с частотой 170 ГГц.
Микроволны можно использовать для передачи энергии на большие расстояния, и после Второй мировой войны проводились исследования для изучения возможностей. В 1970-х и начале 1980-х годов НАСА работало над исследованием возможностей использования систем спутниковой солнечной энергии (SPS) с большими солнечными батареями , которые передавали бы энергию на поверхность Земли с помощью микроволн.
Существует менее чем летальное оружие, которое использует миллиметровые волны для нагрева тонкого слоя человеческой кожи до невыносимой температуры, чтобы заставить человека, на которого направлено воздействие, отстраниться. Двухсекундный импульс сфокусированного луча частотой 95 ГГц нагревает кожу до температуры 54 °C (129 °F) на глубине 0,4 миллиметра ( 1 ⁄ 64 дюйма). ВВС и морская пехота США в настоящее время используют этот тип системы активного отчуждения в стационарных установках. [24]
Микроволновое излучение используется в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР или ЭПР), как правило, в области X-диапазона (~9 ГГц) в сочетании, как правило, с магнитными полями 0,3 Тл. Этот метод обеспечивает информацию о неспаренных электронах в химических системах, таких как свободные радикалы или ионы переходных металлов, таких как Cu(II). Микроволновое излучение также используется для выполнения вращательной спектроскопии и может быть объединено с электрохимией, как в электрохимии, усиленной микроволнами .
Частоту микроволн можно измерить как электронными, так и механическими методами.
Могут использоваться частотомеры или высокочастотные гетеродинные системы. Здесь неизвестная частота сравнивается с гармониками известной более низкой частоты с помощью низкочастотного генератора, генератора гармоник и смесителя. Точность измерения ограничена точностью и стабильностью опорного источника.
Механические методы требуют настраиваемого резонатора, такого как абсорбционный волномер , который имеет известную связь между физическим размером и частотой.
В лабораторных условиях линии Лехера можно использовать для прямого измерения длины волны на линии передачи, состоящей из параллельных проводов, затем можно рассчитать частоту. Похожая техника заключается в использовании щелевого волновода или щелевой коаксиальной линии для прямого измерения длины волны. Эти устройства состоят из зонда, введенного в линию через продольную щель, 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 можно также использовать для измерения расстояния между узлами , которое равно половине длины волны. Точность этого метода ограничена определением узловых положений.
Микроволны являются неионизирующим излучением, что означает, что микроволновые фотоны не содержат достаточно энергии, чтобы ионизировать молекулы или разрывать химические связи, или вызывать повреждение ДНК, как это может делать ионизирующее излучение, такое как рентгеновские лучи или ультрафиолет . [25] Слово «излучение» относится к энергии, излучаемой источником, а не к радиоактивности . Основной эффект поглощения микроволн заключается в нагревании материалов; электромагнитные поля заставляют полярные молекулы вибрировать. Не было окончательно показано, что микроволны (или другое неионизирующее электромагнитное излучение) оказывают значительные неблагоприятные биологические эффекты на низких уровнях. Некоторые, но не все, исследования показывают, что длительное воздействие может иметь канцерогенный эффект. [26]
Во время Второй мировой войны было замечено, что люди, находившиеся на пути излучения радиолокационных установок, испытывали щелчки и жужжащие звуки в ответ на микроволновое излучение. Исследования NASA в 1970-х годах показали, что это было вызвано тепловым расширением в частях внутреннего уха. В 1955 году доктор Джеймс Лавлок смог реанимировать крыс, охлажденных до 0 и 1 °C (32 и 34 °F), с помощью микроволновой диатермии. [27]
Когда происходит травма от воздействия микроволн, она обычно является результатом диэлектрического нагрева, индуцированного в организме. Хрусталик и роговица глаза особенно уязвимы, поскольку они не содержат кровеносных сосудов , которые могут переносить тепло. Воздействие микроволнового излучения может вызвать катаракту по этому механизму, поскольку микроволновое нагревание денатурирует белки в хрусталике глаза [ 28 ] ( так же , как тепло делает яичные белки белыми и непрозрачными). Воздействие больших доз микроволнового излучения (например, от печи, которую вскрыли, чтобы она работала даже с открытой дверцей) может вызвать тепловое повреждение и в других тканях, вплоть до серьезных ожогов , которые могут быть не сразу заметны из-за тенденции микроволн нагревать более глубокие ткани с более высоким содержанием влаги.
Микроволны были впервые получены в 1890-х годах в некоторых из самых ранних экспериментов с радиоволнами физиками, которые считали их формой «невидимого света». [29] Джеймс Клерк Максвелл в своей теории электромагнетизма 1873 года , которая теперь называется уравнениями Максвелла , предсказал, что связанное электрическое поле и магнитное поле могут перемещаться в пространстве как электромагнитная волна , и предположил, что свет состоит из электромагнитных волн с короткой длиной волны. В 1888 году немецкий физик Генрих Герц первым продемонстрировал существование электромагнитных волн, генерируя радиоволны с помощью примитивного радиопередатчика с искровым зазором . [30]
Герц и другие ранние исследователи радио интересовались изучением сходства между радиоволнами и световыми волнами, чтобы проверить теорию Максвелла. Они сосредоточились на создании коротковолновых радиоволн в диапазонах УВЧ и СВЧ, с помощью которых они могли бы дублировать классические оптические эксперименты в своих лабораториях, используя квазиоптические компоненты, такие как призмы и линзы, сделанные из парафина , серы и пека , и проволочные дифракционные решетки , чтобы преломлять и дифрагировать радиоволны, как световые лучи. [31] Герц создавал волны до 450 МГц; его направленный передатчик на 450 МГц состоял из 26-сантиметровой латунной стержневой дипольной антенны с искровым зазором между концами, подвешенной на фокальной линии параболической антенны, сделанной из изогнутого цинкового листа, питаемой импульсами высокого напряжения от индукционной катушки . [30] Его исторические эксперименты продемонстрировали, что радиоволны, как и свет, демонстрируют преломление , дифракцию , поляризацию , интерференцию и стоячие волны , [31] доказав, что радиоволны и световые волны являются формами электромагнитных волн Максвелла .
Начиная с 1894 года индийский физик Джагадиш Чандра Бозе проводил первые эксперименты с микроволнами. Он был первым человеком, который создал миллиметровые волны , генерируя частоты до 60 ГГц (5 миллиметров) с помощью 3-миллиметрового металлического шарового искрового генератора. [32] [31] Бозе также изобрел волновод , рупорные антенны и полупроводниковые кристаллические детекторы для использования в своих экспериментах. Независимо в 1894 году Оливер Лодж и Аугусто Риги экспериментировали с микроволнами 1,5 и 12 ГГц соответственно, генерируемыми небольшими металлическими шаровыми искровыми резонаторами. [31] Русский физик Петр Лебедев в 1895 году создал миллиметровые волны 50 ГГц. [31] В 1897 году лорд Рэлей решил математическую граничную задачу электромагнитных волн, распространяющихся через проводящие трубки и диэлектрические стержни произвольной формы [33] [34] [35] [36], что дало моды и граничную частоту микроволн, распространяющихся через волновод . [30]
Однако, поскольку микроволны были ограничены прямой видимостью , они не могли общаться за пределами визуального горизонта, а малая мощность искровых передатчиков, которые тогда использовались, ограничивала их практический диапазон несколькими милями. Последующее развитие радиосвязи после 1896 года использовало более низкие частоты, которые могли распространяться за горизонт как земные волны и, отражаясь от ионосферы как небесные волны , и микроволновые частоты в то время не были более изучены.
Практическое использование микроволновых частот началось лишь в 1940-х и 1950-х годах из-за отсутствия адекватных источников, поскольку электронный генератор на триодной вакуумной лампе (ламповый генератор), используемый в радиопередатчиках, не мог производить частоты выше нескольких сотен мегагерц из-за чрезмерного времени прохождения электронов и межэлектродной емкости. [30] К 1930-м годам были разработаны первые маломощные микроволновые вакуумные лампы с использованием новых принципов: лампа Баркгаузена-Курца и магнетрон с разделенным анодом . [30] Они могли генерировать несколько ватт мощности на частотах до нескольких гигагерц и использовались в первых экспериментах по связи с помощью микроволн.
В 1931 году англо-французский консорциум во главе с Андре К. Клавье продемонстрировал первую экспериментальную микроволновую релейную линию связи через Ла-Манш протяженностью 40 миль (64 км) между Дувром , Великобритания, и Кале , Франция. [38] [39] Система передавала телефонные, телеграфные и факсимильные данные по двунаправленным лучам частотой 1,7 ГГц мощностью полватта, создаваемым миниатюрными трубками Баркгаузена-Курца в фокусе 10-футовых (3-метровых) металлических тарелок.
Для различения этих новых более коротких длин волн, которые ранее были объединены в диапазон « коротких волн », что означало все волны короче 200 метров, требовалось слово. Термины «квазиоптические волны» и «ультракороткие волны» использовались недолго [37], но не прижились. Первое использование слова «микроволна» произошло, по-видимому, в 1931 году. [39] [40]
Развитие радаров , в основном в тайне, до и во время Второй мировой войны , привело к технологическим достижениям, которые сделали микроволны практичными. [30] Длины волн в сантиметровом диапазоне были необходимы, чтобы дать небольшим радиолокационным антеннам, которые были достаточно компактны, чтобы поместиться на самолете, достаточно узкую ширину луча , чтобы локализовать вражеские самолеты. Было обнаружено, что обычные линии передачи, используемые для передачи радиоволн, имели чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, и Джордж Саутворт из Bell Labs и Уилмер Барроу из MIT независимо друг от друга изобрели волновод в 1936 году. [ 33] Барроу изобрел рупорную антенну в 1938 году как средство эффективного излучения микроволн в волновод или из него. В микроволновом приемнике требовался нелинейный компонент, который действовал бы как детектор и смеситель на этих частотах, поскольку электронные лампы имели слишком большую емкость. Чтобы удовлетворить эту потребность, исследователи возродили устаревшую технологию, точечный контактный кристаллический детектор (детектор с кошачьими усами), который использовался в качестве демодулятора в кристаллических радиоприемниках на рубеже веков до появления электронных ламповых приемников. [30] [41] Низкая емкость полупроводниковых переходов позволяла им работать на микроволновых частотах. Первые современные кремниевые и германиевые диоды были разработаны как микроволновые детекторы в 1930-х годах, а принципы физики полупроводников, изученные во время их разработки, привели к полупроводниковой электронике после войны. [30]
Первые мощные источники микроволн были изобретены в начале Второй мировой войны: клистронная трубка Расселом и Сигурдом Варианом в Стэнфордском университете в 1937 году и резонаторная магнетронная трубка Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Бирмингемском университете, Великобритания, в 1940 году. [30] Десятисантиметровый (3 ГГц) микроволновый радар использовался на британских военных самолетах в конце 1941 года и оказался переломным моментом. Решение Великобритании в 1940 году поделиться своей микроволновой технологией со своим союзником США ( миссия Тизарда ) значительно сократило войну. Радиационная лаборатория Массачусетского технологического института , тайно созданная в Массачусетском технологическом институте в 1940 году для исследования радаров, произвела большую часть теоретических знаний, необходимых для использования микроволн. Первые микроволновые релейные системы были разработаны союзными военными ближе к концу войны и использовались для защищенных сетей связи на поле боя на европейском театре военных действий.
После Второй мировой войны микроволны быстро стали использоваться в коммерческих целях. [30] Благодаря своей высокой частоте они обладали очень большой пропускной способностью ( полосой пропускания ); один микроволновый луч мог переносить десятки тысяч телефонных звонков. В 1950-х и 60-х годах в США и Европе были построены трансконтинентальные микроволновые релейные сети для обмена телефонными звонками между городами и распространения телевизионных программ. В новой индустрии телевизионного вещания с 1940-х годов микроволновые антенны использовались для передачи видеосигналов с мобильных производственных грузовиков обратно в студию, что позволило проводить первые удаленные телевизионные трансляции . Первые спутники связи были запущены в 1960-х годах, которые ретранслировали телефонные звонки и телевидение между далеко разнесенными точками на Земле с помощью микроволновых лучей. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон , исследуя шум в спутниковой рупорной антенне в Bell Labs , Холмдел, Нью-Джерси, обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение .
Микроволновый радар стал центральной технологией, используемой в управлении воздушным движением , морской навигации , противовоздушной обороне , обнаружении баллистических ракет и позже во многих других областях. Радар и спутниковая связь побудили к разработке современных микроволновых антенн; параболическая антенна (наиболее распространенный тип), антенна Кассегрена , линзовая антенна , щелевая антенна и фазированная решетка .
Способность коротких волн быстро нагревать материалы и готовить пищу была исследована в 1930-х годах Ильей Э. Муромцевым в Westinghouse, а на Всемирной выставке в Чикаго в 1933 году было продемонстрировано приготовление пищи с помощью радиопередатчика на частоте 60 МГц. [42] В 1945 году Перси Спенсер , инженер, работавший над радаром в Raytheon , заметил, что микроволновое излучение от магнетронного генератора расплавило шоколадный батончик в его кармане. Он исследовал приготовление пищи с помощью микроволн и изобрел микроволновую печь , состоящую из магнетрона, подающего микроволны в закрытую металлическую полость, содержащую пищу, которая была запатентована Raytheon 8 октября 1945 года. Из-за своей дороговизны микроволновые печи изначально использовались на кухнях учреждений, но к 1986 году примерно 25% домохозяйств в США владели одной. Микроволновое нагревание стало широко использоваться как промышленный процесс в таких отраслях, как производство пластмасс, и как медицинская терапия для уничтожения раковых клеток при микроволновой гипертермии .
Лампа бегущей волны (ЛБВ), разработанная в 1943 году Рудольфом Компфнером и Джоном Пирсом, обеспечила мощный перестраиваемый источник микроволн до 50 ГГц и стала наиболее широко используемой микроволновой лампой (помимо повсеместно используемого магнетрона в микроволновых печах). Семейство гиротронных трубок, разработанное в России, могло производить мегаватты мощности вплоть до частот миллиметровых волн и использовалось в промышленном отоплении и плазменных исследованиях, а также для питания ускорителей частиц и термоядерных реакторов .
Развитие полупроводниковой электроники в 1950-х годах привело к появлению первых твердотельных микроволновых приборов, которые работали по новому принципу: отрицательное сопротивление (некоторые из довоенных микроволновых ламп также использовали отрицательное сопротивление). [30] Генератор с обратной связью и двухпортовые усилители, которые использовались на более низких частотах, стали нестабильными на микроволновых частотах, а генераторы с отрицательным сопротивлением и усилители, основанные на однопортовых устройствах, таких как диоды , работали лучше.
Туннельный диод, изобретенный в 1957 году японским физиком Лео Эсаки, мог производить несколько милливатт микроволновой мощности. Его изобретение положило начало поиску лучших полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением для использования в качестве микроволновых генераторов, что привело к изобретению диода IMPATT в 1956 году У. Т. Ридом и Ральфом Л. Джонстоном и диода Ганна в 1962 году Дж. Б. Ганном . [30] Диоды являются наиболее широко используемыми источниками микроволн сегодня.
Были разработаны два малошумящих твердотельных микроволновых усилителя с отрицательным сопротивлением : рубиновый мазер, изобретенный в 1953 году Чарльзом Х. Таунсом , Джеймсом П. Гордоном и Х. Дж. Зейгером, и параметрический усилитель варактора , разработанный в 1956 году Мэрион Хайнс. [30] Они использовались для малошумящих микроволновых приемников в радиотелескопах и наземных станциях спутниковой связи . Мазер привел к разработке атомных часов , которые отсчитывают время, используя точную микроволновую частоту, излучаемую атомами, претерпевающими электронный переход 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 Канеюки Курокава вывел математические условия для устойчивости в схемах с отрицательным сопротивлением, которые легли в основу конструкции микроволнового генератора. [43]
До 1970-х годов микроволновые устройства и схемы были громоздкими и дорогими, поэтому микроволновые частоты, как правило, ограничивались выходным каскадом передатчиков и входным радиочастотным интерфейсом приемников, а сигналы гетеродинировались на более низкую промежуточную частоту для обработки. В период с 1970-х годов по настоящее время были разработаны крошечные недорогие активные твердотельные микроволновые компоненты, которые можно монтировать 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.
Микрополосковая линия , тип линии передачи , используемый на микроволновых частотах, был изобретен вместе с печатными схемами в 1950-х годах. [30] Возможность дешевого изготовления широкого спектра форм на печатных платах позволила изготавливать микрополосковые версии конденсаторов , индукторов , резонансных шлейфов , разветвителей , направленных ответвителей , диплексеров , фильтров и антенн, что позволило создавать компактные микроволновые схемы. [30]
Транзисторы , работающие на микроволновых частотах, были разработаны в 1970-х годах. Полупроводниковый арсенид галлия (GaAs) имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем кремний, [30] поэтому устройства, изготовленные с использованием этого материала, могут работать на частоте, в 4 раза превышающей частоту аналогичных устройств из кремния. Начиная с 1970-х годов GaAs использовался для изготовления первых микроволновых транзисторов, [30] и с тех пор он доминирует среди микроволновых полупроводников. MESFET ( металл-полупроводниковые полевые транзисторы ), быстрые полевые транзисторы GaAs, использующие переходы Шоттки для затвора, были разработаны, начиная с 1968 года, и достигли граничных частот 100 ГГц, и в настоящее время являются наиболее широко используемыми активными микроволновыми устройствами. [30] Другое семейство транзисторов с более высоким пределом частоты — это HEMT ( транзистор с высокой подвижностью электронов ), полевой транзистор, изготовленный из двух различных полупроводников, AlGaAs и GaAs, с использованием технологии гетероперехода , и похожий HBT ( биполярный транзистор с гетеропереходом ). [30]
GaAs можно сделать полуизолирующим, что позволяет использовать его в качестве подложки , на которой можно изготавливать схемы, содержащие пассивные компоненты , а также транзисторы, методом литографии. [30] К 1976 году это привело к появлению первых интегральных схем (ИС), которые работали на сверхвысокочастотных частотах и назывались монолитными сверхвысокочастотными интегральными схемами (MMIC). [30] Слово «монолитный» было добавлено, чтобы отличать их от микрополосковых схем на печатных платах, которые назывались «микроволновыми интегральными схемами» (MIC). С тех пор были разработаны также кремниевые MMIC. Сегодня MMIC стали рабочими лошадками как аналоговой, так и цифровой высокочастотной электроники, позволяя производить однокристальные сверхвысокочастотные приемники, широкополосные усилители , модемы и микропроцессоры .
![Экспериментальный передатчик 3,3 ГГц (9 см) 1933 года в лабораториях Вестингауза [37] передает голос на расстояние в милю.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/da/Experimental_Westinghouse_3GHz_microwave_transmitter_1933.jpg/1280px-Experimental_Westinghouse_3GHz_microwave_transmitter_1933.jpg)
