Микроволново́е излуче́ние (микроволны) — область спектра электромагнитного излучения с длинами волн от 1 м до 1 мм, соответствующими частотам от 300 МГц и до 300 ГГц соответственно Sorrentino, R. and Bianchi, Giovanni (2010) Microwave and RF Engineering , John Wiley & Sons, p. 4, .. Различные источники используют разные диапазоны частот для микроволн; вышеупомянутое широкое определение включает диапазоны: УВЧ (дециметровые волны), СВЧ (сантиметровые волны) и КВЧ (миллиметровые волны). Более распространённое определение в радиотехнике — диапазон от 1 до 100 ГГц (длины волн от 0,3 м до 3 мм). Частоты микроволнового излучения часто обозначаются терминами IEEE для радиолокационных диапазонов: S, C, X, Ku, K или Ka диапазон или аналогичными обозначениями НАТО или ЕС.
Приставка микро- в словосочетании микроволновое излучение не предназначено для определения длины волны в микрометровом диапазоне. Скорее, это указывает на то, что микроволны «маленькие» (с более короткими длинами волн) по сравнению с радиоволнами, которые использовались до распространения микроволновой технологии. Границы между дальним инфракрасным диапазоном, областью терагерцового излучения, микроволнами и дециметровых радиоволн достаточно произвольна и используется по-разному в различных областях науки и технологии.
Микроволны распространяются в пределах прямой видимости; в отличие от низкочастотных радиоволн, они не дифрагируют вокруг холмов, не следуют за земной поверхностью, как поверхностные волны, и не отражаются от ионосферы, поэтому наземные микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 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, медицинской диатермии и лечении рака, дистанционном зондировании Земли, радиоастрономии, ускорителях частиц, спектроскопии, промышленном отоплении, системах предотвращения столкновений, устройствах открывания гаражных ворот и системы входа без ключа, а также для приготовления пищи в микроволновых печах.
Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел (в бытовых микроволновых печах — для разогрева продуктов, в промышленных — для термообработки металлов, в хирургии — при радиочастотной абляции вен; основным элементом здесь служит магнетрон), а также для радиолокации.
Электромагнитный спектр Микроволны занимают область в электромагнитном спектре с частотой выше обычных радиоволн и ниже инфракрасного света:
Электромагнитный спектр Имя Длина волны Частота (Гц) Энергия фотона (эВ) Гамма-луч <0,02 нм > 15 ЭГц > 62,1 кэВ Рентгеновский 0,01 нм — 10 нм 30 ЭГц — 30 ПГц 124 кэВ — 124 эВ Ультрафиолетовый 10 нм — 400 нм 30 ПГц — 750 ТГц 124 эВ — 3 эВ Видимый свет 390 нм — 750 нм 770 ТГц — 400 ТГц 3,2 эВ — 1,7 эВ Инфракрасный 750 нм — 1 мм 400 ТГц — 300 ГГц 1,7 эВ — 1,24 мэВ Микроволны 1 мм — 1 м 300 ГГц — 300 МГц 1,24 мэВ — 1,24 мкэВ Радио 1 м — 100 км 300 МГц — 3 кГц 1,24 мкэВ — 12,4 фэВ
В описаниях электромагнитного спектра некоторые источники классифицируют микроволны как радиоволны, подмножество диапазона радиоволн, в то время как другие классифицируют микроволны и радиоволны как раздельные типы излучения. Это распространённое различие.
Поддиапазоны Поддиапазоны СВЧ в различных системах обозначений различаются; используемые в спутниковой связи приведены в таблице.
Распространение
Микроволны распространяются только в прямой видимости, в отличие от низкочастотных радиоволн, они не распространяются как поверхностные волны, которые повторяют контур Земли и не отражаются от ионосферы (небесные волны). Хотя в нижнечастотном конце диапазона они могут проходить сквозь стены здания, сохраняя достаточную мощность сигнала для приёма, обычно требуют свободное пространство для ближней зоны приёма. Следовательно, на поверхности Земли микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно Микроволны поглощаются водяным паром и туманом в атмосфере и затухание увеличивается с увеличением частоты, становясь значительным фактором (поглощение излучения в дождевых каплях) на высокочастотном конце диапазона. Начиная примерно с газы, входящие в состав воздуха, также начинают поглощать микроволны, поэтому выше этой частоты связь ограничивается несколькими километрами. Спектр поглощения в атмосфере имеет пики поглощения на определённых частотах (см. График справа). На частотах свыше поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли настолько велико, что она фактически непрозрачна, и становится прозрачной в диапазоне частот инфракрасного и оптического окон прозрачности.
Тропосферное рассеяние В пучке микроволнового излучения направленном под углом в небо, небольшое количество энергии будет хаотически рассеиваться, когда луч проходит через тропосферу . Чувствительный приёмник за горизонтом с узконаправленной антенной, направленной на эту область тропосферы, может принять сигнал. Этот метод связи использовался на частотах от 0,45 до в системах связи с тропосферным рассеянием (тропосферное рассеяние) для связи за горизонтом на расстояниях до
Антенны
Короткие длины волн микроволнового излучения позволяют делать всенаправленные антенны для портативных устройств очень маленькими, от 1 до 20 см 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, антенны «резиновая утка», антенны Герца, патч-антенны и всё чаще используются инвертированные F-антенны с печатной схемой (PIFA), используемые в сотовых телефонах.
Их короткая длина волны также позволяет создавать узкие пучки микроволнового излучения с помощью удобных небольших антенн с высоким коэффициентом усиления от полуметра до 5 м в диаметре. Поэтому микроволны используются для каналов связи точка-точка и для радаров. Преимущество узких направленных лучей состоит 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. Плоские микрополосковые антенны всё чаще используются в потребительских устройствах. Другим типом направленной антенны, применяемой на микроволновых частотах, является фазированная антенная решётка, которая представляет собой матрицу антенн, управляемую компьютером, создающая луч, который можно направлять управляемым способом в разных направлениях.
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 на микроволновых частотах, поэтому, когда требуется низкое затухание, микроволны передаются по металлическим трубам, называемым волноводами. Из-за высокой стоимости и требований к техническому обслуживанию волноводных участков во многих СВЧ-антеннах выходной каскад передатчика или ВЧ-вход приёмника расположен на антенне.
Устройство и анализ Термин микроволны также имеет более техническое значение в электромагнетизме и теории цепей . Аппаратура и методы можно качественно описать как «микроволновые», когда длины волн сигналов примерно такие же, как и размеры схемы, так что теория схем с сосредоточенными элементами неприменима, и вместо этого более полезны модели с распределёнными элементами и теория линий передачи для проектирования и анализа.
Как следствие, в практических СВЧ-схемах обычно отходят 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 схемы с сосредоточенными элементами заменяются объёмными резонаторами или резонансными шлейфами. В свою очередь, на ещё более высоких частотах, когда длина волны электромагнитных волн становится мала по сравнению с размером структур, используемых для их обработки, микроволновые методы становятся неадекватными, и используются методы оптики.
СВЧ-источники
В мощных микроволновых источниках 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 (без столкновений), а не на использовании непрерывного потока электронов.
В источниках микроволнового излучения малой мощности используются твердотельные устройства, такие, как полевой транзистор (по крайней мере, на более низких частотах), туннельные диоды, диоды Ганна и лавинно-пролётные диодыMicrowave Oscillator notes by Herley General Microwave. Источники с низким энергопотреблением доступны в виде настольных инструментов, инструментов для монтажа в стойку, встраиваемых модулей и в формате на уровне карты. Мазер — твердотельное устройство, которое усиливает микроволны, используя принципы, аналогичные принципам лазера, который усиливает световые волны более высокой частоты.
Все тёплые объекты излучают малоинтенсивное микроволновое излучение чёрного тела в зависимости от их температуры, поэтому в метеорологии и дистанционном зондировании микроволновые радиометры используются для измерения температуры объектов или местности . Солнце и другие астрономические радиоисточники, такие как Кассиопея А, излучают микроволновое излучение, которое несёт информацию об их составе, который изучается радиоастрономами с помощью приёмников, называемых радиотелескопами. Космическое микроволновое фоновое излучение (CMBR), например, представляет собой слабый микроволновый шум, заполняющий пустое пространство, который является основным источником информации по космологической теории происхождения Вселенной, касающейся Большого взрыва.
Использование микроволнового излучения Микроволновая технология широко используется для связи точка-точка (то есть не радиовещания). Микроволны особенно подходят для этого использования, поскольку они легче фокусируются в более узкие лучи, чем радиоволны, что позволяет повторно 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 на космических кораблях, и большая часть мировых данных, телевидения и телефонной связи передаётся на большие расстояния с помощью микроволн между наземными станциями и спутниками связи. Микроволны также используются в микроволновых печах и в радиолокационной технике.
Коммуникация
До появления оптоволоконной передачи большинство междугородних 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 по каждому микроволновому радиоканалу, при этом до десяти радиоканалов объединялись в одну антенну для перехода к следующему узлу, расположенному на расстоянии до 70 км.