Mikrowelle

Ein Telekommunikations -Turm mit einer Vielzahl von Schüsselantennen für Mikrowellenrelais Links on Frazier Peak, Ventura County, Kalifornien. Die Öffnungen der Gerichte sind von Plastikblättern bedeckt (Radomen) Feuchtigkeit fernzuhalten.

Mikrowelle ist eine Form von elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa einem Meter bis zu einem Millimeter, der entspricht Frequenzen Zwischen 300 MHz bzw. 300 GHz.[1][2][3][4][5] Verschiedene Quellen definieren unterschiedliche Frequenzbereiche als Mikrowellen; Die obige breite Definition umfasst beide Uhf und EHF (Millimeterwelle) Bands. Eine häufigere Definition in Funkfrequenztechnik ist der Bereich zwischen 1 und 100 GHz (Wellenlängen zwischen 0,3 m und 3 mm).[2] In allen Fällen enthalten Mikrowellen das gesamte SHF Bande (3 bis 30 GHz oder 10 bis 1 cm) mindestens. Frequenzen im Mikrowellenbereich werden häufig von ihren bezeichnet IEEE Radar Band Bezeichnungen: S, C, X, Ku, K, oder Ka Band, oder durch ähnliche NATO- oder EU -Bezeichnungen.

Das Präfix Mikro- in Mikrowelle soll nicht eine Wellenlänge in der vorschlagen Mikrometer Angebot. Vielmehr zeigt es an, dass Mikrowellen "klein" sind (mit kürzeren Wellenlängen) im Vergleich zum Radiowellen Wird vor der Mikrowellentechnologie verwendet. Die Grenzen zwischen weit infrarot, Terahertz Strahlung, Mikrowellen und Ultrahochfrequenz Radio Wellen sind ziemlich willkürlich und werden unterschiedlich zwischen verschiedenen Studienfeldern verwendet.

Mikrowellen reisen vorbei Sichtlinie; Im Gegensatz zu niedrigerer Frequenz Radiowellen Sie unterscheiden sich nicht um Hügel, folgen der Erdoberfläche als Bodenwellen, oder reflektieren von der IonosphäreDie Kommunikationsverbindungen der terrestrischen Mikrowellen werden durch den visuellen Horizont auf 64 km begrenzt. Am oberen Ende des Bandes werden sie von Gasen in der Atmosphäre absorbiert, was die praktischen Kommunikationsabstände auf etwa einen Kilometer beschränkt. Mikrowellen werden beispielsweise in der modernen Technologie häufig in der modernen Technologie eingesetzt Punkt zu Punkt Kommunikationsverbindungen, drahtlose Netzwerke, Mikrowellen -Radio -Staffel Netzwerke, Radar, Satelliten- und Raumfahrzeugkommunikation, medizinisch Diathermie und Krebsbehandlung, Fernerkundung, Radioastronomie, Partikelbeschleuniger, Spektroskopie, industrielle Heizung, Kollisionsvermeidungssysteme, Garagentoröffner und Schlüssellose Einstiegssystemeund zum Kochen von Essen in Mikrowellen.

Elektromagnetisches Spektrum

Mikrowellen belegen einen Platz in der elektromagnetisches Spektrum mit Häufigkeit über normal Radiowellen, und darunter Infrarot hell:

Elektromagnetisches Spektrum
Name Wellenlänge Frequenz (Hz) Photon Energie (ev))
Gamma Ray < 0.01 nm > 30 EHz > 124 keV
Röntgen 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 kev - 124 eV
Ultraviolett 10 nm - 400 nm 30 PHZ - 750 THZ 124 ev - 3 ev
Sichtbares Licht 400 nm - 750 nm 750 THz - 400 THz 3 ev - 1,7 ev
Infrarot 750 nm - 1 mm 400 THz - 300 GHz 1,7 ev - 1,24 michV
Mikrowelle 1 mm - 1 m 300 GHz - 300 MHz 1,24 MeV - 1,24 µeV
Radio ≥ 1 m ≤ 300 MHz ≤ 1,24 µev

In Beschreibungen der elektromagnetisches Spektrum, einige Quellen klassifizieren Mikrowellen als Radiowellen, eine Teilmenge des Radiowellenbandes; während andere Mikrowellen und Funkwellen als unterschiedliche Strahlungsarten klassifizieren. Dies ist eine willkürliche Unterscheidung.

Vermehrung

Die Atmosphäre Dämpfung von Mikrowellen und weit Infrarotstrahlung in trockener Luft mit einem ausfällbaren Wasserdampfspiegel von 0,001 mm. Die Abwärtsspitzen in der Grafik entsprechen Frequenzen, bei denen Mikrowellen stärker absorbiert werden. Diese Grafik enthält einen Frequenzbereich von 0 bis 1 THz; Die Mikrowellen sind die Teilmenge im Bereich zwischen 0,3 und 300 Gigahertz.

Mikrowellen reisen ausschließlich durch Sichtlinie Wege; Im Gegensatz zu Radiowellen mit niedrigerer Frequenz reisen sie nicht als Bodenwellen die der Kontur der Erde folgen oder von der nachdenken Ionosphäre (Skywellen).[6] Obwohl sie am unteren Ende des Bandes durch den nützlichen Empfang ausreichen können, um die Wände ausreichend zu bauen Fresnel Zone sind erforderlich. Auf der Erdoberfläche werden die Mikrowellenkommunikationsverbindungen daher durch den visuellen Horizont auf 48–64 km (etwa 30–40 Meilen) begrenzt. Mikrowellen werden in der Atmosphäre von Feuchtigkeit absorbiert, und die Dämpfung nimmt mit der Frequenz zu und wird zu einem signifikanten Faktor (Regen verblasst) am oberen Ende der Band. Ab etwa 40 GHz beginnen atmosphärische Gase auch Mikrowellen aufzunehmen, sodass über dieser Frequenz -Mikrowellenübertragung auf einige Kilometer begrenzt ist. Eine Spektralbandstruktur verursacht Absorptionspeaks bei bestimmten Frequenzen (siehe Grafik rechts). Über 100 GHz ist die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch Erdatmosphäre so groß, dass sie wirksam ist undurchsichtig, bis die Atmosphäre im sogenannten wieder transparent wird Infrarot und Optisches Fenster Frequenzbereiche.

Troposcatter

In einem Mikrowellenstrahl, der auf einen Winkel in den Himmel gerichtet ist Troposphäre.[6] Ein empfindlicher Empfänger, der über den Horizont hinausgeht und eine hohe Verstärkungsantenne auf diesen Bereich der Troposphäre konzentriert, kann das Signal aufnehmen. Diese Technik wurde bei Frequenzen zwischen 0,45 und 5 GHz in verwendet Troposphärische Streuung (Troposcatter) Kommunikationssysteme, um über den Horizont hinaus zu kommunizieren, in Entfernungen von bis zu 300 km.

Antennen

Wellenleiter werden zum Tragen von Mikrowellen verwendet. Beispiel von Wellenleiter und ein Diplexer in einem (n Luftraumüberwachung Radar

Der kurze Wellenlängen von Mikrowellen erlauben omnidirektionale Antennen Damit tragbare Geräte sehr klein werden, von 1 bis 20 Zentimetern lang, sodass Mikrowellenfrequenzen weit verbreitet sind Kabellose Geräte wie zum Beispiel Handys, Schnurlose Telefone, und drahtlose Lans (Wi-Fi) Zugang für Laptops, und Bluetooth Ohrhörer. Die verwendeten Antennen umfassen kurz Peitschenantennen, Gummi -Entenantennen, Ärmel Dipole, Patchantennenund zunehmend die gedruckte Schaltung Inverted f Antenne (PIFA), das in Mobiltelefonen verwendet wird.

Ihr kurz Wellenlänge Ermöglicht auch, schmal Hoher Gewinn Antennen von einem halben Meter bis 5 Meter im Durchmesser. Daher werden Strahlen von Mikrowellen verwendet Punkt zu Punkt Kommunikationsverbindungen und für Radar. Ein Vorteil von schmalen Balken besteht darin, dass sie die in der Nähe der gleichen Frequenz nicht stehenden Geräte nicht stören, was zulässt Frequenzwiederverwendung von nahe gelegenen Sendern. Parabol ("Dish") Antennen sind die am häufigsten verwendeten Richtlinienantennen bei Mikrowellenfrequenzen, aber aber Hornantennen, Schlitzantennen und Linsenantennen werden auch verwendet. Eben Microstrip -Antennen werden zunehmend in Verbrauchergeräten eingesetzt. Eine weitere Richtlinienantenne, die bei Mikrowellenfrequenzen praktisch ist, ist die Phased Array, eine computergesteuerte Antennenantennen, die einen Strahl erzeugt, der elektronisch in verschiedene Richtungen gesteuert werden kann.

Bei Mikrowellenfrequenzen die Übertragungsleitungen die verwendet werden, um niedrigere Funkwellen zu und nach Antennen zu tragen, wie z. Koaxialkabel und Paralleldrahtleitungen, haben übermäßige Stromverluste. Wenn also eine geringe Dämpfung erforderlich ist Wellenleiter. Aufgrund der hohen Kosten- und Wartungsanforderungen von Wellenläufen läuft in vielen Mikrowellenantennen die Ausgangsstufe der Sender oder der RF Frontend des Empfänger befindet sich an der Antenne.

Design und Analyse

Der Begriff Mikrowelle hat auch eine technischere Bedeutung in Elektromagnetik und Kreistheorie.[7][8] Geräte und Techniken können qualitativ als "Mikrowelle" beschrieben werden Theorie der Lumped-Element Circuit ist ungenau und stattdessen verteilte Schaltungselemente und Übertragungsleitungstheorie sind nützlichere Methoden für Design und Analyse.

Infolgedessen neigen praktische Mikrowellenschaltungen dazu, sich vom Diskreten zu entfernen Widerstände, Kondensatoren, und Induktoren verwendet mit niedrigerer Frequenz Radiowellen. Offen und koaxial Übertragungsleitungen Bei niedrigeren Frequenzen werden durch ersetzt durch Wellenleiter und Striplineund abgestimmte Schaltkreise mit Lumpenelementen werden durch Hohlraum ersetzt Resonatoren oder Resonanzstummel.[7] Wiederum bei noch höheren Frequenzen, wobei die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen im Vergleich zur Größe der Strukturen, die zur Verarbeitung verwendet werden Optik werden verwendet.

Mikrowellenquellen

Cutaway View in a Hohlraummagnetron wie in a verwendet Mikrowelle (links). Antennensplitter: Microstrip Techniken werden bei höheren Frequenzen immer notwendiger (Rechts).
Zerlegt Radargeschwindigkeitswaffe. Die graue Baugruppe am Ende des kupferfarbenen Farbens befestigt Hornantenne ist der Gunn Diode Dies erzeugt die Mikrowellen.

Hochleistungsmikrowellenquellen verwenden spezialisiert Vakuumröhren Mikrowellen erzeugen. Diese Geräte arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien von niederfrequenten Vakuumröhrchen, wobei die ballistische Bewegung von Elektronen in einem Vakuum unter dem Einfluss der Steuerung von elektrischen oder magnetischen Feldern verwendet wird, und umfassen die Magnetron (benutzt in Mikrowellen), Klystron, Reisewellrohr (Twt) und Gyrotron. Diese Geräte funktionieren in der Dichte modulierter Modus eher als der aktuell Modulierter Modus. Dies bedeutet, dass sie auf der Grundlage von Elektronenklumpen arbeiten, die ballistisch durch sie fliegen, anstatt einen kontinuierlichen Elektronenstrom zu verwenden.

Mikrowellenquellen mit geringer Leistung verwenden Festkörpergeräte wie die Feldeffekttransistor (zumindest bei niedrigeren Frequenzen), Tunneldioden, Gunn -Dioden, und Impattdioden.[9] Quellen mit geringer Leistung sind als Benchtop-Instrumente, Rackmount-Instrumente, eingebettbare Module und in Formaten auf Kartenebene erhältlich. EIN Maser ist ein Festkörpergerät, das Mikrowellen unter Verwendung ähnlicher Prinzipien wie der verstärkt Laser-, was leichte Wellen mit höherer Frequenz verstärkt.

Alle warmen Objekte emittieren niedrige Mikrowelle Schwarzkörperstrahlung, abhängig von ihren Temperaturso in Meteorologie und Fernerkundung, Mikrowellenradiometer werden verwendet, um die Temperatur von Objekten oder Gelände zu messen.[10] Die Sonne[11] und andere astronomische Radioquellen wie z. Cassiopeia a Machen Sie eine Mikrowellenstrahlung mit niedriger Ebene aus, die Informationen über ihr Make -up enthält, das von untersucht wird RadioAstronomen Verwenden von Empfängern aufgerufen Radioteleskope.[10] Das kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR) ist beispielsweise ein schwaches Mikrowellengeräusch, der leeren Raum füllt, der eine wichtige Informationsquelle ist Kosmologie's Urknall Theorie des Ursprungs der Universum.

Mikrowelle verwendet

Die Mikrowellentechnologie wird ausgiebig verwendet Point-to-Point-Telekommunikation (d. H. Nicht-Broadcast-Verwendungen). Mikrowellen sind besonders für diese Verwendung geeignet, da sie sich leichter auf engere Strahlen als auf Funkwellen konzentrieren, was zulässt Frequenzwiederverwendung; Ihre vergleichsweise höheren Frequenzen ermöglichen breite Bandbreite und hohe Datenübertragungsraten und Antennengrößen sind kleiner als bei niedrigeren Frequenzen, da die Antennengröße umgekehrt proportional zur übertragenen Frequenz ist. Mikrowellen werden in der Kommunikation über Raumfahrzeuge verwendet, und ein Großteil der Daten, Fernseher und Telefonkommunikation der Welt werden durch Mikrowellen zwischen Bodenstationen und übertragene lange Entfernungen übertragen Kommunikationssatelliten. Mikrowellen werden auch in verwendet Mikrowellen und in Radar Technologie.

Kommunikation

A Satellitenschüssel in einer Residenz, die empfängt Satelliten Fernsehen über ein Ku Band 12–14 GHz Mikrowellenstrahl aus einer direkten Sendung Kommunikationssatelliten in einem Geostationäre Umlaufbahn 35.700 Kilometer 22.000 Meilen über der Erde

Vor dem Aufkommen von Glasfaser Übertragung, die meisten Fern Anrufe wurden über Netzwerke von getragen Mikrowellen -Radio -Staffel Links von Fluggesellschaften wie wie AT & T Long Lines. Ab den frühen 1950er Jahren, Frequenz-Division-Multiplexing wurde verwendet, um bis zu 5.400 Telefonkanäle auf jedem Mikrowellen -Funkkanal zu senden, wobei bis zu zehn Funkkanäle zu einer Antenne für die hüpfen Zum nächsten Standort, bis zu 70 km entfernt.

WLAN Protokolle, wie zum Beispiel Bluetooth und die IEEE 802.11 Für Wi-Fi verwendete Spezifikationen verwenden auch Mikrowellen im 2,4 GHz ISM Band, obwohl 802.11a Verwendet ISM Band und U-nii Frequenzen im 5 -GHz -Bereich. In vielen Ländern im Bereich von 3,5 bis 4,0 GHz werden seit fast einem Jahrzehnt lizenzierte Langstrecken- (bis zu 25 km) drahtlose Internetzugangsdienste verwendet. Die FCC kürzlich[wenn?] Geschnitztes Spektrum für Fluggesellschaften, die Dienstleistungen in diesem Bereich in den USA anbieten möchten - mit Schwerpunkt auf 3,65 GHz. Dutzende Dienstleister im ganzen Land sichern oder haben bereits Lizenzen von der FCC für den Betrieb in dieser Band erhalten oder haben bereits Lizenzen erhalten. Die Wimax -Serviceangebote, die im 3,65 -GHz -Band übernommen werden können, bieten Geschäftskunden eine weitere Option für die Konnektivität.

Metropolitan Area Network (Mann) Protokolle, wie z. WiMAX (Die weltweite Interoperabilität für den Mikrowellenzugriff) basieren auf Standards wie z. IEEE 802.16, entwickelt, um zwischen 2 und 11 GHz zu arbeiten. Kommerzielle Implementierungen liegen in 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz und 5,8 GHz.

Mobiles Breitband MBWA -Protokolle (MBWA) IEEE 802.20 oder Atis/Ansi HC-SDMA (wie zum Beispiel ich platze) Betätigen Sie zwischen 1,6 und 2,3 GHz, um Mobilitäts- und Einbaudurchdringungseigenschaften zu ermöglichen, die Mobiltelefonen ähneln, jedoch mit weitaus größerer spektraler Effizienz.[12]

Etwas Handy Netzwerke wie GSMVerwenden Sie die Frequenzen mit niedriger Microwave/High-UHF-Frequenzen bei 1,8 bzw. 1,9 GHz in Amerika bzw. anderswo. DVB-sh und S-DMB Verwenden Sie 1,452 bis 1,492 GHz, während proprietär/inkompatibel Satellitenradio in den USA verwendet etwa 2,3 GHz für Darren.

Mikrowellenradio wird in verwendet Rundfunk- und Telekommunikation Übertragungen, weil aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge hoch Richtungsantennen sind kleiner und daher praktischer als bei längeren Wellenlängen (niedrigere Frequenzen). Es gibt auch mehr Bandbreite im Mikrowellenspektrum als im Rest des Funkspektrums; Die nutzbare Bandbreite unter 300 MHz ist weniger als 300 MHz, während viele GHz über 300 MHz verwendet werden können. Typischerweise werden Mikrowellen in verwendet Fernsehnachrichten Um ein Signal von einem abgelegenen Ort von einem speziell ausgestatteten Van an einen Fernsehsender zu übertragen. Sehen Sendung Hilfsdienst (Bas), Remote -Pickup -Einheit (RPU) und Studio/Senderverbindung (STL).

Die meisten Satellitenkommunikation Systeme arbeiten in der C, X, ka, oder ku Bänder des Mikrowellenspektrums. Diese Frequenzen ermöglichen eine große Bandbreite, während sie die überfüllten UHF -Frequenzen vermeiden und unter der atmosphärischen Absorption von EHF -Frequenzen bleiben. Satelliten Fernsehen Beides arbeitet im C -Band für das Traditionelle Großes Gericht fester Satellitenservice oder ku Band für Direktbroadcast-Satelliten. Militärkommunikation läuft hauptsächlich über X oder K.u-Band -Links mit ka Band wird verwendet für Milstar.

Navigation

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) einschließlich der Chinesen Beidou, die Amerikaner Global Positioning System (1978 eingeführt) und der Russisch Glonass Sendung Navigationssignale in verschiedenen Bands zwischen etwa 1,2 GHz und 1,6 GHz.

Radar

Das Parabolantenne (untere gekrümmte Oberfläche) eines ASR-9 Flughafenüberwachungsradar was einen schmalen vertikalen fächerförmigen Strahl von 2,7–2,9 GHz ausstrahlt (S Band) Mikrowellen, um Flugzeuge im Luftraum um einen Flughafen zu lokalisieren.

Radar ist ein Strahlung Technik, bei der ein von einer Sender emittierter Strahl von Funkwellen von einem Objekt abspringt und zu einem Empfänger zurückkehrt, sodass Ort, Bereich, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften des Objekts bestimmt werden können. Die kurze Wellenlänge der Mikrowellen verursacht große Reflexionen von Objekten in der Größe von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Auch bei diesen Wellenlängen die hohen Gewinnantennen wie Parabolantennen die erforderlich sind, um die schmalen Strahlbreiten zu erzeugen, die zur genauen Lokalisierung von Objekten erforderlich sind, sind bequem gering, sodass sie schnell nach Objekten scannen können. Daher sind Mikrowellenfrequenzen die Hauptfrequenzen, die im Radar verwendet werden. Mikrowellenradar wird häufig für Anwendungen wie z. Luftraumüberwachung, Wettervorhersage, Navigation von Schiffen und Durchsetzung der Geschwindigkeitsbegrenzung. Langstreckenradare verwenden die unteren Mikrowellenfrequenzen, da am oberen Ende der bandatmosphärischen Absorptionsabsorption den Bereich begrenzt, aber jedoch Millimeterwellen werden für Kurzstreckenradar verwendet, wie z. Kollisionsvermeidungssysteme.

Einige der Schalenantennen der Atacama Large Millimeter Array (Alma) Ein Radio -Teleskop in Nordchile. Es erhält Mikrowellen in der Millimeterwelle Reichweite 31 - 1000 GHz.
Karten der kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR), der die verbesserte Auflösung zeigt, die mit besseren Mikrowellen -Radioteleskopen erreicht wurde

Radioastronomie

Mikrowellen emittiert von Astronomische Radioquellen; Planeten, Sterne, Galaxien, und Nebel sind in Radioastronomie mit großen Schalenantennen genannt Radioteleskope. Zusätzlich zum Empfang von natürlich vorkommenden Mikrowellenstrahlung wurden Radio -Teleskope in aktiven Radarversuche verwendet, um Mikrowellen von Planeten im Sonnensystem abzuprallen, um den Abstand zum Abstand zu bestimmen Mond oder kartieren Sie die unsichtbare Oberfläche von Venus durch Wolkendecke.

Ein kürzlich fertiggestelltes Mikrowellen -Radio -Teleskop ist das Atacama Large Millimeter Array, befindet Universum in dem Millimeter und Submillimeter Wellenlängenbereiche. Das bisher größte astronomische Astronomieprojekt der Welt besteht aus mehr als 66 Gerichten und wurde in einer internationalen Zusammenarbeit von Europa, Nordamerika, Ostasien und Chile gebaut.[13][14]

Ein wichtiger Schwerpunkt der Mikrowellen -Radio -Astronomie lag die Kartierung der kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR) 1964 von RadioAstronomen entdeckt Arno Penzias und Robert Wilson. Diese schwache Hintergrundstrahlung, die das Universum erfüllt und in allen Richtungen fast gleich ist, ist "Reliktstrahlung" aus dem Urknallund ist eine der wenigen Informationsquellen über Bedingungen im frühen Universum. Aufgrund der Ausdehnung und damit Kühlung des Universums wurde die ursprünglich energiereiche Strahlung in die Mikrowellenregion des Funkspektrums verschoben. Ausreichend empfindlich Radioteleskope Kann das CMBR als schwaches Signal erkennen, das keinem Stern, Galaxie oder anderem Objekt zugeordnet ist.[15]

Heiz- und Leistungsanwendung

Klein Mikrowelle auf einer Küchentheke
Mikrowellen werden häufig zum Erwärmen in industriellen Prozessen eingesetzt. Ein Mikrowellen -Tunnelofen zum Erweichen von Plastikstäben vor der Extrusion.

A Mikrowelle Pässt die Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz in der Nähe 2,45 GHz (12 cm) durch Lebensmittel, Ursache dielektrische Erwärmung vor allem durch Absorption der Energie in Wasser. Mikrowellenöfen wurden in den späten 1970er Jahren in westlichen Ländern zu gemeinsam Hohlraummagnetrone. Wasser im flüssigen Zustand besitzt viele molekulare Wechselwirkungen, die den Absorptionspeak erweitern. In der Dampfphase absorbieren isolierte Wassermoleküle bei etwa 22 GHz, fast das Zehnfache der Frequenz des Mikrowellenofens.

Mikrowellenheizung wird in industriellen Prozessen zum Trocknen verwendet und wird Heilung Produkte.

Viele Halbleiterverarbeitung Techniken verwenden Mikrowellen, um zu generieren Plasma für solche Zwecke wie Reaktive Ionenätzung und Plasma verstärkt chemische Gasphasenabscheidung (Pecvd).

Mikrowellen werden in verwendet Stellaratoren und Tokamak Experimentelle Fusionsreaktoren, um das Gas in ein Plasma zu zerlegen und auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen. Die Frequenz ist auf die abgestimmt Cyclotron -Resonanz von den Elektronen im Magnetfeld zwischen 200 und 200 GHz, daher wird es häufig als Elektronencyclotron -Resonanzheizung (ECRH) bezeichnet. Das bevorstehende Iter Thermonuklearreaktor[16] Verwendet bis zu 20 MW von 170 GHz Mikrowellen.

Mikrowellen können verwendet werden Sendeleistung über lange Strecken und nach-2. Weltkrieg Die Untersuchung wurde durchgeführt, um Möglichkeiten zu untersuchen. NASA arbeitete in den 1970er und frühen 1980er Jahren, um die Möglichkeiten der Verwendung zu erforschen Solarenergie -Satellit (SPS) Systeme mit groß Solaranordnungen Das würde über Mikrowellen auf die Erdoberfläche strahlen.

Weniger als tödlich Es gibt eine Waffe, bei der Millimeterwellen eine dünne Schicht menschlicher Haut auf eine unerträgliche Temperatur erwärmen, um die gezielte Person zu entfernen. Ein Zwei-Sekunden-Ausbruch des 95-GHz-fokussierten Strahls erhitzt die Haut auf eine Temperatur von 54 ° C (129 ° F) in einer Tiefe von 0,4 Millimeter (164in). Das Luftwaffe der Vereinigten Staaten und Marinesoldaten verwenden derzeit diese Art von Aktive Ablehnungssystem in festen Installationen.[17]

Spektroskopie

Mikrowellenstrahlung wird in verwendet elektronen paramagnetische Resonanz (EPR oder ESR) -Spektroskopie, typischerweise in der X-Band-Region (~ 9 GHz) in Verbindung Magnetfelder von 0,3 T. Diese Technik liefert Informationen zu ungepaarten Elektronen in chemischen Systemen, wie z. freie Radikale oder Übergangsmetall Ionen wie Cu (II). Mikrowellenstrahlung wird ebenfalls verwendet, um durchzuführen Rotationsspektroskopie und kann mit miteinander kombiniert werden Elektrochemie wie in Mikrowelle verbesserte Elektrochemie.

Mikrowellenfrequenzbänder

Frequenzbänder im Mikrowellenspektrum werden durch Buchstaben bezeichnet. Leider gibt es mehrere inkompatible Bandbezeichnungssysteme, und selbst innerhalb eines Systems variieren die Frequenzbereiche, die einigen Buchstaben entsprechen, zwischen verschiedenen Anwendungsfeldern etwas.[18][19] Das Buchstabensystem hatte seinen Ursprung im Zweiten Weltkrieg in einer hoch geheimen US -Klassifizierung von Bändern, die in Radar -Sets verwendet wurden. Dies ist der Ursprung des ältesten Buchstabensystems, der IEEE -Radarbänder. Ein Satz von Mikrowellenfrequenzbändern bezeichneten von der Radiogesellschaft von Großbritannien (RSGB) ist unten tabellarisch:

Mikrowellenfrequenzbänder
Bezeichnung Frequenzbereich Wellenlängenbereich Typische Verwendungen
L Band 1 bis 2 GHz 15 cm bis 30 cm Militärtelemetrie, GPS, Mobiltelefone (GSM), Amateur -Radio
S Band 2 bis 4 GHz 7,5 cm bis 15 cm Wetterradar, Oberflächenschiffradar, einige Kommunikationssatelliten, Mikrowellenöfen, Mikrowellengeräte/Kommunikation, Radioastronomie, Mobiltelefone, drahtlose LAN, Bluetooth, Zigbee, GPS, Amateur -Radio
C Bande 4 bis 8 GHz 3,75 cm bis 7,5 cm Langstrecken-Radio-Telekommunikation
X Band 8 bis 12 GHz 25 mm bis 37,5 mm Satellitenkommunikation, Radar, terrestrisches Breitband, Weltraumkommunikation, Amateurfunk, molekulare Rotationsspektroskopie
Ku Band 12 bis 18 GHz 16,7 mm bis 25 mm Satellitenkommunikation, molekulare Rotationsspektroskopie
K Band 18 bis 26,5 GHz 11,3 mm bis 16,7 mm Radar, Satellitenkommunikation, astronomische Beobachtungen, Automobilradar, molekulare Rotationsspektroskopie
Ka Band 26,5 bis 40 GHz 5,0 mm bis 11,3 mm Satellitenkommunikation, molekulare Rotationsspektroskopie
Q Band 33 bis 50 GHz 6,0 mm bis 9,0 mm Satellitenkommunikation, terrestrische Mikrowellenkommunikation, Funkastronomie, Automobilradar, molekulare Rotationsspektroskopie
U Band 40 bis 60 GHz 5,0 mm bis 7,5 mm
V Band 50 bis 75 GHz 4,0 mm bis 6,0 mm Millimeter -Wellenradarforschung, molekulare Rotationsspektroskopie und andere Arten von wissenschaftlicher Forschung
W Band 75 bis 110 GHz 2,7 mm bis 4,0 mm Satellitenkommunikation, Millimeter-Wellen-Radarforschung, militärisches Radar-Targeting- und Tracking-Anwendungen sowie einige nicht-militärische Anwendungen, Automobilradar
F Band 90 bis 140 GHz 2,1 mm bis 3,3 mm SHF -Übertragungen: Radioastronomie, Mikrowellengeräte/Kommunikation, drahtlose LAN, die meisten modernen Radare, Kommunikationssatelliten, Satellitenfernsehsendung, Dbs, Amateurradio
D Band 110 bis 170 GHz 1,8 mm bis 2,7 mm EHF-Übertragungen: Radioastronomie, Hochfrequenzmikrowellen-Radio-Relais, Mikrowellen-Fernerkundung, Amateur-Radio, Waffe mit Regie-Energie, Millimeter-Wellenscanner

Andere Definitionen existieren.[20]

Der Begriff p -Band wird manchmal für verwendet Uhf Frequenzen unter dem L -Band, sind aber jetzt per IEEE STD 521 veraltet.

Als im K -Band im Zweiten Weltkrieg Radare zum ersten Mal entwickelt wurden, war nicht bekannt, dass es in der Nähe ein Absorptionsband in der Nähe gab (aufgrund von Wasserdampf und Sauerstoff in der Atmosphäre). Um dieses Problem zu vermeiden, wurde die ursprüngliche K -Band in eine untere Bande aufgeteilt, K.uund obere Band, ka.[21]

Mikrowellenfrequenzmessung

Absorptionswavemeter zur Messung im ku Band.

Die Mikrowellenfrequenz kann entweder durch elektronische oder mechanische Techniken gemessen werden.

Frequenzzähler oder Hochfrequenz Heterodyne Systeme können verwendet werden. Hier wird die unbekannte Frequenz mit Harmonischen einer bekannten niedrigeren Frequenz unter Verwendung eines Niederfrequenzgenerators, eines harmonischen Generators und eines Mixers verglichen. Die Genauigkeit der Messung ist durch die Genauigkeit und Stabilität der Referenzquelle begrenzt.

Mechanische Methoden erfordern einen einstellbaren Resonator wie eine Absorptionswavemeter, was eine bekannte Beziehung zwischen einer physikalischen Dimension und Frequenz hat.

In einem Laborumfeld, Lecher Linien Kann verwendet werden, um die Wellenlänge einer Übertragungsleitung aus parallelen Drähten direkt zu messen, die Frequenz kann dann berechnet werden. Eine ähnliche Technik besteht darin, einen Schlitz zu verwenden Wellenleiter oder geschlitzte Koaxiallinie, um die Wellenlänge direkt zu messen. Diese Geräte bestehen aus einer Sonde, die durch einen Längsschlitz in die Linie eingeführt wird, so dass die Sonde frei ist, auf der Linie auf und ab zu fahren. Slotted -Linien sind hauptsächlich zur Messung des Spannungswellenverhältnis an der Leitung. Bereitstellten jedoch a stehende Welle ist vorhanden, sie können auch verwendet werden, um den Abstand zwischen dem zu messen Knoten, was gleich der Hälfte der Wellenlänge ist. Die Präzision dieser Methode ist durch die Bestimmung der Knotenstellen begrenzt.

Auswirkungen auf die Gesundheit

Mikrowellen sind nicht ionisierend Strahlung, was diese Mikrowelle bedeutet Photonen enthalten nicht genügend Energie zu ionisieren Moleküle oder brechen chemische Bindungen oder verursachen DNA -Schäden als ionisierende Strahlung wie z. Röntgenaufnahmen oder Ultraviolett kann.[22] Das Wort "Strahlung" bezieht sich auf Energie, die von einer Quelle ausstrahlt und nicht auf Radioaktivität. Der Haupteffekt der Absorption von Mikrowellen besteht darin, Materialien zu erhitzen. Die elektromagnetischen Felder führen dazu, dass polare Moleküle vibrieren. Es wurde nicht schlüssig gezeigt, dass Mikrowellen (oder andere nicht ionisierend Elektromagnetische Strahlung) haben signifikante nachteilige biologische Wirkungen bei niedrigen Niveaus. Einige, aber nicht alle Studien legen nahe, dass eine langfristige Exposition eine haben kann krebserregend Wirkung.[23]

Während Zweiter WeltkriegEs wurde beobachtet, dass Personen im Strahlungsweg der Radarinstallationen Klicks und summende Geräusche als Reaktion auf die Mikrowellenstrahlung erlebten. Forschung von NASA In den 1970er Jahren hat sich gezeigt, dass dies durch die thermische Ausdehnung in Teilen des Innenohrs verursacht wird. 1955 konnte Dr. James Lovelock unter Verwendung von Mikrowellendiathermie auf 0 und 1 ° C (32 und 34 ° F) nachgekühlt.[24]

Bei einer Verletzung durch Mikrowellen erfolgt dies normalerweise aus der im Körper induzierten dielektrischen Erwärmung. Die Exposition gegenüber Mikrowellenstrahlung kann erzeugen Katarakte durch diesen Mechanismus, weil die Mikrowellenheizung Denaturen Proteine in dem Krystalllinse des Auge[25] (genauso wie sich die Hitze dreht Eiweiß weiß und undurchsichtig). Das Objektiv und Hornhaut des Auges sind besonders anfällig, weil sie nein enthalten Blutgefäße Das kann Hitze weg tragen. Die Exposition gegenüber schweren Dosen von Mikrowellenstrahlung (wie aus einem Ofen, der manipuliert wurde, um den Betrieb auch mit offener Tür zu ermöglichen), kann auch in anderen Geweben Wärmeschäden verursachen, bis hin zu ernsthaften und einschließlich schwerwiegender brennt Dies ist möglicherweise nicht sofort ersichtlich, da Mikrowellen tendenziell tiefere Gewebe mit höherem Feuchtigkeitsgehalt erhitzen.

Geschichte

Hertzsche Optik

Mikrowellen wurden erstmals in den 1890er Jahren in einigen der frühesten erzeugt Radio Experimente von Physikern, die sie als eine Form von "unsichtbarem Licht" betrachteten.[26] James Clerk Maxwell in seiner 1873 Theorie von 1873 Elektromagnetismus, jetzt genannt Maxwells Gleichungen, hatte vorhergesagt, dass eine gekoppelte elektrisches Feld und Magnetfeld könnte als Raum als Raum reisen Elektromagnetische Welleund vorgeschlagen, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen mit kurzer Wellenlänge bestand. Im Jahr 1888 der deutsche Physiker Heinrich Hertz war der erste, der die Existenz von demonstrierte Radiowellen mit einem primitiven Funkengap -Funksender.[27]

Hertz und die anderen frühen Radioforscher waren daran interessiert, die Ähnlichkeiten zwischen Radiowellen und Lichtwellen zu untersuchen, um die Theorie von Maxwell zu testen. Sie konzentrierten sich darauf, kurze Wellenlängen -Funkwellen in der zu erzeugen Uhf und Mikrowellenbereiche, mit denen sie Klassiker duplizieren konnten Optik Experimente in ihren Labors verwenden quasioptisch Komponenten wie Prismen und Linsen gemacht aus Paraffin, Schwefel und Tonhöhe und Draht Beugungsgitter, um Funkwellen wie Lichtstrahlen zu brechen und zu beenden.[28] Hertz produzierte Wellen bis zu 450 MHz; Sein Richtungs -450 -MHz -Sender bestand aus einer 26 -cm -Messingstange Dipolantenne mit einer Funkenlücke zwischen den Enden, die an der Brennlinie von a aufgehängt ist Parabolantenne aus einem gekrümmten Zinkblatt, das von Hochspannungsimpulsen aus einem angetrieben wird Induktionsspule.[27] Seine historischen Experimente zeigten, dass Radiowellen wie Licht gezeigt wurden Brechung, Beugung, Polarisation, Interferenz und stehende Wellen,[28] Beweis, dass Radiowellen und Lichtwellen beide Formen von Maxwells waren Elektromagnetische Wellen.

1,2 GHz Mikrowellenfunken -Sender (links) und Kohärer Empfänger (Rechts) benutzt von Guglielmo Marconi Während seiner Experimente von 1895 hatten eine Reichweite von 4,5 km (4,0 mi)

Ab 1894 indischer Physiker Jagadisch Chandra Bose führte die ersten Experimente mit Mikrowellen durch. Er war die erste Person, die produziert wurde MillimeterwellenErzeugen Sie Frequenzen von bis zu 60 GHz (5 Millimeter) mit einem 3 -mm -Oszillator mit Metallkugel -Funken.[29][28] Bose auch erfunden Wellenleiter, Hornantennen, und Halbleiter Kristalldetektoren Für die Verwendung in seinen Experimenten. Unabhängig im Jahr 1894, Oliver Lodge und Augusto Righi experimentiert mit 1,5 bzw. 12 -GHz -Mikrowellen, die von kleinen Metallkugel -Funkenresonatoren erzeugt werden.[28] Russischer Physiker Pyotr Lebedev 1895 erzeugte 50 GHz Millimeter -Wellen.[28] 1897 Lord Rayleigh löste die Mathematik Grenzwertproblem von elektromagnetischen Wellen, die sich durch leitende Röhrchen und dielektrische Stäbe in willkürlicher Form ausbreiten.[30][31][32][33] was die Modi gab und Grenzfrequenz von Mikrowellen, die sich durch a ausbreiten Wellenleiter.[27]

Da jedoch Mikrowellen beschränkt waren auf Sichtlinie Wege, sie konnten nicht über den visuellen Horizont hinaus kommunizieren, und die geringe Leistung der Funkensender begrenzte dann ihre praktische Reichweite auf einige Meilen. Die anschließende Entwicklung der Funkkommunikation nach 1896 verwendete niedrigere Frequenzen, die über den Horizont hinausgehen könnten Bodenwellen und durch Reflektieren der Ionosphäre wie Skywellenund Mikrowellenfrequenzen wurden zu diesem Zeitpunkt nicht weiter untersucht.

Erste Mikrowellenkommunikationsexperimente

Die praktische Verwendung von Mikrowellenfrequenzen trat erst in den 1940er und 1950er Jahren aufgrund mangelnder Quellen auf Triode Vakuumröhre (Ventil) elektronischer Oszillator In Funksendern verwendet konnten keine Frequenzen über wenigen hundert produzieren Megahertz Aufgrund der übermäßigen Elektronentransitzeit und der Interelektrodenkapazität.[27] In den 1930er Jahren wurden die ersten mikrowellen-Vakuumröhrchen mit geringer Leistung unter Verwendung neuer Prinzipien entwickelt. das Barkhausen -Kurz -Röhre und die Split-Anode-Magnetron.[27] Diese könnten einige Watt mit Frequenzen bis zu einigen Gigahertz erzeugen und wurden in den ersten Experimenten in der Kommunikation mit Mikrowellen verwendet.

1931 zeigte ein anglo-französisches Konsortium unter der Leitung von Andre C. Clavier das erste experimentelle Mikrowellenrelais Link über die Englisch-Kanal 40 Meilen (64 km) zwischen Dover, Großbritannien und Calais, Frankreich.[34][35] Das System übertragene Telefonie, Telegraph und Faksimile Daten über bidirektionale 1,7-GHz Barkhausen -Kurz -Röhrchen im Fokus von 3 m Metallschalen.

Es wurde ein Wort benötigt, um diese neuen kürzeren Wellenlängen zu unterscheiden, die zuvor in das "in das" eingelassen worden waren "kurze Welle"Band, was alle Wellen kürzer als 200 Meter bedeutete. Die Begriffe Quasi-optische Wellen und Ultrashort -Wellen wurden kurz benutzt, aber nicht weitergefangen. Die erste Verwendung des Wortes Mikrowelle anscheinend 1931 aufgetreten.[35][36]

Radar

Die Entwicklung von Radarvor und während hauptsächlich in der Geheimhaltung Zweiter Weltkrieg, führte zu den technologischen Fortschritten, die Mikrowellen praktisch machten.[27] Wellenlängen im Zentimeterbereich waren erforderlich, um die kleinen Radarantennen zu verleihen, die kompakt genug waren, um in das Flugzeug schmal genug zu passen Strahlbreite feindliche Flugzeuge lokalisieren. Es wurde festgestellt, dass konventionell Übertragungsleitungen Zum Tragen von Radiowellen hatten übermäßige Stromverluste bei Mikrowellenfrequenzen, und George Southworth bei Bell Labs und Wilmer Barrow bei MIT unabhängig erfunden Wellenleiter 1936.[30] Barrow erfand die Hornantenne 1938 als Mittel, um Mikrowellen effizient in oder aus einem Wellenleiter auszustrahlen. In einer Mikrowelle Empfänger, a nichtlinear Komponente wurde benötigt, die als a wirken würden Detektor und Rührgerät Bei diesen Frequenzen hatten Vakuumröhrchen zu viel Kapazität. Um diesen Bedarf zu erfüllen, wurden Forscher eine veraltete Technologie wiederbelebt, die Punktkontakt Kristalldetektor (Katzen Whisker -Detektor), der als a verwendet wurde Demodulator in Kristallradios um die Jahrhundertwende vor den Empfängern der Vakuumröhre.[27][37] Die niedrige Kapazität von Halbleiterverbindungen erlaubte ihnen, bei Mikrowellenfrequenzen zu funktionieren. Die erste moderne Silizium und Germanium Dioden wurden in den 1930er Jahren als Mikrowellendetektoren und die Prinzipien von entwickelt Halbleiterphysik gelernt während ihrer Entwicklung führte zu Halbleiterelektronik nach dem Krieg.[27]

Die ersten mächtigen Quellen von Mikrowellen wurden zu Beginn des Zweiten Weltkriegs erfunden: die Klystron Röhrchen von Russell and Sigurd Varian bei Universität in Stanford im Jahr 1937 und die Hohlraummagnetron Röhrchen von John Randall und Harry Boot 1940 an der Birmingham University, Großbritannien.[27] Das 3 -GHz -Mikrowellenradar von zehn Zentimeter wurde Ende 1941 bei britischen Kampfflugzeugen verwendet und erwies sich als Game Changer. Großbritanniens 1940er Entscheidung, seine Mikrowellentechnologie mit seinem US -Verbündeten zu teilen (die Tizard Mission) den Krieg erheblich verkürzt. Das MIT Strahlungslabor heimlich bei Massachusetts Institute of Technology Im Jahr 1940 produzierte das Radar einen Großteil des theoretischen Wissens, das für die Verwendung von Mikrowellen erforderlich ist. Die ersten Mikrowellen -Relaissysteme wurden vom Allied Military gegen Ende des Krieges entwickelt und für sichere Kommunikationsnetzwerke des Schlachtfeldes im europäischen Theater verwendet.

Nach dem Zweiten Weltkrieg II.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden Mikrowellen schnell kommerziell ausgenutzt.[27] Aufgrund ihrer hohen Häufigkeit hatten sie eine sehr große Informationstransportkapazität (Bandbreite); Ein einzelner Mikrowellenstrahl könnte Zehntausende von Telefonanrufen tragen. In den 1950er und 60er Jahren transkontinental Mikrowellenrelais In den USA und in Europa wurden Netzwerke gebaut, um Telefonanrufe zwischen Städten auszutauschen und Fernsehprogramme zu verteilen. Im neuen Fernseh-Übertragung Die Industrie aus den 1940er Jahren wurde zum Senden verwendet Backhaul Video -Feeds vom Handy Produktionslastwagen Zurück ins Studio, um das erste zu erlauben Fernsehsendungen. Der Erste Kommunikationssatelliten wurden in den 1960er Jahren gestartet, die Telefonanrufe und Fernsehen zwischen weit getrennten Punkten auf der Erde unter Verwendung von Mikrowellenstrahlen weiterleiteten. Im Jahr 1964, Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson Während der Untersuchung von Geräuschen in einer Satellithornantenne bei untersucht Bell Labs, Holmdel, New Jersey entdeckte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.

C-Band Hornantennen In einem Telefon -Switching -Center in Seattle, das zu dem in den 1960er Jahren gebauten Microwave Relay -Netzwerk von AT & T gehört.
Mikrowellenlinsenantenne, die im Radar für die 1954 verwendet wird Nike Ajax Flugabwehrrakete
Der erste kommerzielle Mikrowellenofen, Amana's Radarange, in der Küche der US -Flugzeugträger Savannah im Jahr 1961

Mikrowellenradar wurde zur Zentral -Technologie in Luftraumüberwachung, maritime Navigation, Luftschutz, ballistische Rakete Erkennung und später viele andere Verwendungen. Radar- und Satellitenkommunikation motivierte die Entwicklung moderner Mikrowellenantennen; das Parabolantenne (der häufigste Typ), Cassegrain -Antenne, Linsenantenne, Schlitzantenne, und Phased Array.

Die Fähigkeit von kurze Wellen In den 1930er Jahren wurden in den 1930er Jahren von I. F. Mouromtseff in Westinghouse und in der 1933 Chicago Worlds Fair Demonstrierte Kochmahlzeiten mit einem 60 -MHz -Funksender.[38] 1945 Percy Spencer, ein Ingenieur, der am Radar arbeitet Raytheonstellte fest, dass die Mikrowellenstrahlung eines Magnetronoszillators einen Süßwarenstange in der Tasche schmolz. Er untersuchte das Kochen mit Mikrowellen und erfand das Mikrowelle, bestehend aus einem Magnetron -Fütterungsmikrowellen in eine geschlossene Metallhöhle, die Lebensmittel enthielt, die am 8. Oktober 1945 von Raytheon patentiert wurde eines. Die Erwärmung der Mikrowellen wurde häufig als industrielles Prozess in Branchen wie Kunststoffherstellung und als medizinische Therapie zum Abtöten von Krebszellen in verwendet Mikrowellenhyperthermie.

Das Wanderwellenrohr (TWT) entwickelt 1943 von Rudolph Kompfner und John Pierce bildete eine stimmbare Hochleistungsquelle von Mikrowellen von bis zu 50 GHz und wurde zum am häufigsten verwendeten Mikrowellenröhrchen (neben dem allgegenwärtigen Magnetron, der in Mikrowellenöfen verwendet wurde). Das Gyrotron In Russland entwickelte Röhrenfamilie könnte Megawatt von Power Up in produzieren Millimeterwelle Frequenzen und werden in der industriellen Heizung verwendet und Plasma Forschung und Macht Partikelbeschleuniger and nuclear Fusionsreaktoren.

Festkörpermikrowellengeräte

Mikrowellenoszillator, bestehend aus a Gunn Diode in einem Hohlraumresonator, 1970er Jahre
Modern Radargeschwindigkeitswaffe. Am rechten Ende des Kupfers Hornantenne ist der Gunn Diode (graue Baugruppe) Dies erzeugt die Mikrowellen.

Die Entwicklung von Halbleiterelektronik in den 1950er Jahren führte zum ersten fester Zustand Mikrowellengeräte, die nach einem neuen Prinzip funktionierten; negativer Widerstand (Einige der Mikrowellenröhrchen der Vorkriegszeit hatten ebenfalls einen negativen Widerstand).[27] Das Feedback -Oszillator und Zwei-Port Verstärker, die bei niedrigeren Frequenzen verwendet wurden, wurden bei Mikrowellenfrequenzen instabil, und negativer Widerstand Oszillatoren und Verstärker basieren auf Ein-Port Geräte wie Dioden arbeitete besser.

Das Tunneldiode 1957 vom japanischen Physiker erfunden Leo Esaki Könnte ein paar Milliwatt Mikrowellenleistung produzieren. Seine Erfindung löste eine Suche nach besseren Halbleitergeräten für negative Widerstandsempfänger zur Verwendung als Mikrowellenozillatoren aus, was zur Erfindung des Impattdiode 1956 von W.T. Read und Ralph L. Johnston und die Gunn Diode im Jahr 1962 von J. B. Gunn.[27] Dioden sind heute die am häufigsten verwendeten Mikrowellenquellen.

Zwei niedrige Nutzern fester Zustand Negative Resistenzmikrowelle Verstärker wurden entwickelt; der Rubin Maser 1953 erfunden von Charles H. Townes, James P. Gordonund H. J. Zeiger und die Varaktor parametrischer Verstärker Entwickelt 1956 von Marion Hines.[27] Diese wurden für mikrowellenrausch -Empfänger in Funkeleskopen verwendet und Satelliten -Bodenstationen. Der Maser führte zur Entwicklung von Atomuhren, die die Zeit mit einer präzisen Mikrowellenfrequenz halten, die durch Atome emittiert wird Elektronenübergang zwischen zwei Energieniveaus. Negative Widerstandsverstärkerschaltungen erforderten die Erfindung neuer Nicht reciprocal Wellenleiterkomponenten wie z. Kreislauf, Isolatoren, und Richtungskoppler. 1969 leitete Kurokawa die mathematischen Bedingungen für Stabilität in negativen Widerstandskreisen ab, die die Grundlage für das Design der Mikrowellenoszillator bildeten.[39]

Mikrowellen -integrierte Schaltkreise

ku Band Microstrip Schaltkreis in Satelliten Fernsehen Gericht.

Vor den 1970er Jahren waren Mikrowellengeräte und -schaltungen sperrig und teuer, sodass die Mikrowellenfrequenzen im Allgemeinen auf die Ausgangsstufe der Sender und die RF Frontend von Empfängern und Signale waren heterodyed bis zu einem niedrigeren Zwischenfrequenz zum Bearbeiten. In der Periode von den 1970er Jahren bis zur Gegenwart wurden winzige kostengünstige aktive Festkörpermikrowellenkomponenten entwickelt, die auf Leiterplatten montiert werden können Signalverarbeitung Bei Mikrowellenfrequenzen. Dies hat ermöglicht Satelliten Fernsehen, Kabelfernsehen, Geographisches Positionierungs System Geräte und moderne drahtlose Geräte, wie z. Smartphones, W-lan, und Bluetooth mit Mikrowellen verbinden sich zu Netzwerken.

Microstrip, Eine Art von Übertragungsleitung Nutzbar bei Mikrowellenfrequenzen, wurde mit erfunden Leiterplatte in den 1950ern.[27] Die Fähigkeit, eine breite Palette von Formen billig herzustellen Leiterplatten erlaubte Microstrip -Versionen von Kondensatoren, Induktoren, Resonanzstummel, Splitter, Richtungskoppler, Diplexer, Filter und Antennen zu erfolgen, wodurch kompakte Mikrowellenschaltungen konstruiert werden können.[27]

Transistoren Das bei Mikrowellenfrequenzen wurde in den 1970er Jahren entwickelt. Der Halbleiter Galliumarsenid (Gaas) hat viel höher Elektronenmobilität als Silizium,[27] Mit diesem Material hergestellte Geräte können also 4 -fache der Häufigkeit ähnlicher Siliziumgeräte funktionieren. Ab den 1970er Jahren wurde GaAs verwendet, um die ersten Mikrowellentransistoren herzustellen,[27] Und seitdem dominiert es Mikrowellen -Halbleiter. Mesfets (Metall-Semiconductor-Feldeffekttransistoren), schneller Gaas Feldeffekttransistoren Verwendung Schottky Junctions Für das Tor wurden ab 1968 entwickelt und haben Cutoff -Frequenzen von 100 GHz erreicht und sind heute die am häufigsten verwendeten aktiven Mikrowellengeräte.[27] Eine andere Transistorenfamilie mit höherer Frequenzgrenze ist der Hemt (Transistor mit hoher Elektronenmobilität), a Feldeffekttransistor hergestellt mit zwei verschiedenen Halbleitern, Algaas und Gaas, verwendet Heteroübergang Technologie und das ähnliche HBT (Bipolarer Transistor für Heteroübergang).[27]

GaAs können semi-inselend gemacht werden, sodass es als verwendet werden kann Substrat auf welchen Schaltungen enthalten Passive Bauteilesowie Transistoren können durch Lithographie hergestellt werden.[27] 1976 führte dies zum ersten integrierte Schaltkreise (ICS), die bei Mikrowellenfrequenzen funktionierten, genannt Monolithische Mikrowellen -integrierte Schaltkreise (MMIC).[27] Das Wort "monolithisch" wurde hinzugefügt, um diese von Microstrip -PCB -Schaltungen zu unterscheiden, die als "integrierte Mikrowellenschaltungen" (MIC) bezeichnet wurden. Seitdem wurden auch Silizium -MMICs entwickelt. Heute sind MMICs die Arbeitspferde sowohl der analogen als auch der digitalen Hochfrequenzelektronik geworden und ermöglichen die Produktion von Einzelchip-Mikrowellenempfängern, Breitband Verstärker, Modems, und Mikroprozessoren.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links