電子レンジ

ウィキペディアから、無料の百科事典
ナビゲーションにジャンプ 検索にジャンプ

カリフォルニア州ベンチュラ郡のフレイジャーピークにあるマイクロ波中継リンク用のさまざまな衛星アンテナを備えた通信塔食器の開口部は、湿気を防ぐためにプラスチックシート(レドーム)で覆われています。

マイクロ波は、波長が約1メートルから1ミリメートルの範囲の電磁放射一種です。それぞれ300MHzと300GHzの間の周波数。 [1] [2] [3] [4] [5] さまざまなソースが、さまざまな周波数範囲をマイクロ波として定義します。上記の広い定義には、UHF帯域とEHFミリ波)帯域の両方が含まれます。無線周波数工学でのより一般的な定義は、1〜100 GHzの範囲(0.3 m〜3 mmの波長)です。[2]すべての場合において、マイクロ波には少なくともSHF帯域 全体(3〜30 GHz、または10〜1 cm)が含まれます。マイクロ波範囲の周波数は、IEEEレーダー帯域の指定で呼ばれることがよくあります:SCXK uK、またはKバンドまたは同様のNATOまたはEUの指定による。

マイクロ接頭辞 micro- inは、マイクロメートル範囲の波長を示唆するものではありません。むしろ、マイクロ波技術以前に使用されていた電波と比較して、マイクロ波が「小さい」(波長が短い)ことを示しています。遠赤外線テラヘルツ放射、マイクロ極超短波の境界はかなり恣意的であり、さまざまな研究分野でさまざまに使用されています。

マイクロ波は見通し内を移動します。低周波の電波とは異なり、丘の周りで回折したり、地上波として地表を追跡したり、電離層で反射したりすることはありません。そのため、地上のマイクロ波通信リンクは、視界によって約40マイル(64 km)に制限されます。帯域の上限では、それらは大気中のガスに吸収され、実際の通信距離は約1キロメートルに制限されます。マイクロ波は、ポイントツーポイント通信リンク、無線ネットワークマイクロ波無線中継ネットワーク、レーダー衛星および宇宙船通信、医療など、現代の技術で広く使用されています。ジアテルミーと癌治療、リモートセンシングラジオ天文学粒子加速器分光法、工業用暖房、衝突回避システムガレージドア開閉装置キーレスエントリーシステム、および電子レンジでの食品の調理用

電磁スペクトル

マイクロ波は、通常の電波より上で、赤外より下の周波数で電磁スペクトルの場所を占めます。

電磁スペクトル
名前 波長 周波数(Hz) 光子 エネルギーeV
ガンマ線 <0.01 nm > 30 E Hz > 124 ke V
X線 0.01 nm – 10 nm 30 EHz – 30 P Hz 124 keV – 124 eV
紫外線 10 nm – 400 nm 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3 eV
可視光 400 nm – 750 nm 750 THz – 400 THz 3 eV – 1.7 eV
赤外線 750 nm – 1 mm 400 THz – 300 GHz 1.7 eV – 1.24 me V
電子レンジ 1 mm – 1 m 300 GHz – 300 MHz 1.24 meV – 1.24 µe V
無線 ≥1m ≤300MHz ≤1.24µeV

電磁スペクトルの説明では、一部の情報源はマイクロ波を電波帯域のサブセットである電波として分類しています。他の人はマイクロ波と電波を異なる種類の放射線として分類します。これは恣意的な区別です。

伝搬

可降水量が0.001mmの乾燥空気中のマイクロ波と遠赤外線の大気減衰。グラフの下向きのスパイクは、マイクロ波がより強く吸収される周波数に対応しています。このグラフには、0〜1THzの周波数範囲が含まれています。マイクロ波は、0.3〜300ギガヘルツの範囲のサブセットです。

マイクロ波は見通し内経路のみで移動します。低周波の電波とは異なり、地球の輪郭に沿った地上波として伝わったり、電離層で反射したりすることはありません(スカイウェーブ)。[6] バンドの下端では、有用な受信のために十分に建物の壁を通過できますが、通常、最初のフレネルゾーンへの通行権が必要です。したがって、地球の表面では、マイクロ波通信リンクは、視覚的な地平線によって約30〜40マイル(48〜64 km)に制限されます。マイクロ波は大気中の水分に吸収され、周波​​数とともに減衰が大きくなり、重要な要素になります(降雨フェージング)バンドのハイエンド。約40GHzから、大気ガスもマイクロ波を吸収し始めるため、この周波数を超えると、マイクロ波の伝送は数キロメートルに制限されます。スペクトルバンド構造により、特定の周波数で吸収ピークが発生します(右のグラフを参照)。100 GHzを超えると、地球の大気による電磁放射の吸収が非常に大きくなるため、大気がいわゆる赤外線および光学の窓の周波数範囲 で再び透明になるまで、事実上不透明になります。

Troposcatter

空に斜めに向けられたマイクロ波ビームでは、ビームが対流圏を通過するときに、少量のパワーがランダムに散乱されます。[6] 対流圏のその領域に焦点を合わせた高利得アンテナを備えた、地平線を越​​えた高感度の受信機は、信号を拾うことができます。この手法は、対流圏散乱(troposcatter)通信システムで0.45〜5 GHzの周波数で使用され、最大300kmの距離で地平線を越​​えて通信します。

アンテナ

導波管はマイクロ波を運ぶために使用されます。航空交通管制レーダーの導波管ダイプレクサー

マイクロ波の波長が短いため、ポータブルデバイス用の無指向性アンテナを1〜20センチメートルと非常に小さくすることができるため、マイクロ波周波数は、携帯電話コードレス電話無線LAN(Wi-Fi)アクセスなどのワイヤレスデバイスに広く使用されています。ラップトップ、およびBluetoothイヤホン用使用されるアンテナには、ショートホイップアンテナラバーダッキーアンテナ、スリーブダイポールパッチアンテナ、および携帯電話で使用される プリント回路逆Fアンテナ(PIFA)が含まれます。

それらの短波はまた、直径0.5メートルから5メートルまでの便利な小型の高利得 アンテナによってマイクロ波の細いビームを生成することを可能にします。したがって、マイクロ波のビームは、ポイントツーポイント通信リンクおよびレーダーに使用されます。狭いビームの利点は、同じ周波数を使用する近くの機器と干渉しないため、近くの送信機 で周波数を再利用できることです。パラボリック(「ディッシュ」)アンテナは、マイクロ波周波数で最も広く使用されている指向性アンテナですが、ホーンアンテナスロットアンテナ誘電体レンズアンテナも使用されます。平らなマイクロストリップアンテナは、民生用デバイスでますます使用されています。マイクロ波周波数で実用的なもう1つの指向性アンテナは、フェーズドアレイです。これは、さまざまな方向に電子的に操作できるビームを生成する、コンピューター制御のアンテナアレイです。

マイクロ波周波数では、同軸ケーブル平行線などのアンテナとの間で低周波の電波を伝送するために使用される伝送線路は、過度の電力損失があるため、低減衰が必要な場合、マイクロ波は導波路と呼ばれる金属パイプによって伝送されます。導波管の実行には高いコストとメンテナンス要件があるため、多くのマイクロ波アンテナでは、送信機の出力段または受信機のRFフロントエンドアンテナに配置されています。

設計と分析

マイクロ波という用語は、電磁気学および回路理論においてもより技術的な意味を持っています[7] [8] 信号の波長が回路の寸法とほぼ同じであるため、集中定数回路理論が不正確であり、代わりに分散回路要素と伝送である場合、装置と技術は定性的に「マイクロ波」として説明される場合があります。 -ライン理論は、設計と分析のためのより有用な方法です。

結果として、実際のマイクロ波回路は、低周波の電波で使用される個別の抵抗コンデンサ、およびインダクタから離れる傾向があります。低周波数で使用されるオープンワイヤおよび同軸伝送ラインは、導波管ストリップラインに置き換えられ、集中定数同調回路は、キャビティ共振器または共振スタブに置き換えられます。[7] 次に、電磁波の波長がそれらを処理するために使用される構造のサイズと比較して小さくなるさらに高い周波数では、マイクロ波技術は不十分になり、光学系を使用しています。

マイクロ波源

電子レンジで使用されるキャビティマグネトロン内の断面図(左)アンテナスプリッター:マイクロストリップ技術は、より高い周波数でますます必要になります(右)
分解されたレーダースピードガン銅色のホーンアンテナの端に取り付けられている灰色のアセンブリは、マイクロ波を生成するガンダイオードです。

高出力マイクロ波源は、特殊な真空管を使用してマイクロ波を生成します。これらのデバイスは、低周波真空管とは異なる原理で動作し、電界または磁界の制御の影響下で真空中の電子の弾道運動を使用します。マグネトロン電子レンジで使用)、クライストロン進行波管( TWT)、およびジャイロトロン。これらのデバイスは、現在の変調モードではなく、密度変調モードで動作します。これは、電子の連続的な流れを使用するのではなく、弾道的に飛んでいく電子の塊に基づいて機能することを意味します。

低電力マイクロ波源は、電界効果トランジスタ(少なくとも低周波数)、トンネルダイオードガンダイオードIMPATTダイオードなどのソリッドステートデバイスを使用します。[9]低電力電源は、ベンチトップ機器、ラックマウント機器、埋め込み型モジュール、およびカードレベルの形式で利用できます。メーザーは、より高い周波数の光波を増幅 するレーザーと同様の原理を使用してマイクロ波を増幅するソリッドステートデバイスです。

すべての暖かい物体は、温度に応じて低レベルのマイクロ波黒体放射を放出するため、気象学やリモートセンシングでは、マイクロ波放射計を使用して物体や地形の温度を測定します。[10] 太陽[11]やカシオペアAなどの他の天文電波源は、電波望遠鏡と呼ばれる受信機を使用 して電波天文学者によって研究されている、その構成に関する情報を運ぶ低レベルのマイクロ波放射を放出します。[10]宇宙マイクロ波背景 放射(CMBR)は、例えば、情報の主な原因であるノイズ空の空間を満たす弱いマイクロ波で宇宙ビッグバンの起源の理論宇宙

電子レンジの用途

マイクロ波技術は、ポイントツーポイント通信(つまり、非放送用途)に広く使用されています。マイクロ波は、電波よりも狭いビームに集束しやすく、周波数の再利用が可能であるため、この用途に特に適しています。それらの比較的高い周波数は、広い帯域幅と高いデータ伝送速度を可能にし、アンテナサイズは送信周波数に反比例するため、アンテナサイズは低い周波数よりも小さくなります。マイクロ波は宇宙船の通信に使用されており、世界のデータ、テレビ、電話の通信の多くは、地上局と通信衛星の間でマイクロ波によって長距離を送信されます。電子レンジは、電子レンジレーダー技術 にも採用されています。

コミュニケーション

住宅の衛星放送受信アンテナ。地球から35,700km(22,000マイル)の静止軌道にある直接放送通信衛星から、K u帯域の12〜14GHzマイクロ波ビームで衛星テレビを受信します。

光ファイバ伝送が登場する前は、ほとんどの長距離 電話は、 AT&T LongLinesなどの通信事業者が運営するマイクロ波無線中継リンクのネットワークを介して行われていました。 1950年代初頭から、周波数分割多重化を使用して、各マイクロ波無線チャネルで最大5,400の電話チャネルを送信し、最大70km離れた次のサイトに ホップするために最大10の無線チャネルを1つのアンテナに結合しました。

BluetoothWi-Fiに使用されるIEEE802.11仕様などの無線LANプロトコルも、2.4 GHz ISM帯域のマイクロ波を使用します802.11a5GHz範囲ISM帯域とU-NII周波数を使用ます。ライセンスされた長距離(最大約25 km)ワイヤレスインターネットアクセスサービスは、3.5〜4.0GHzの範囲の多くの国でほぼ10年間使用されてきました。最近のFCC [いつ? ] 米国でこの範囲のサービスを提供したい通信事業者のために、3.65GHzに重点を置いてスペクトルを切り分けました。全国の数十のサービスプロバイダーが、この帯域で動作するためにFCCからライセンスを確保しているか、すでにライセンスを取得しています。3.65 GHz帯域で伝送できるWIMAXサービスは、ビジネス顧客に接続の別のオプションを提供します。

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)などのメトロポリタンエリアネットワーク(MAN)プロトコルは、 2〜11GHzで動作するように設計されたIEEE802.16などの標準に基づいています。商用実装は、2.3 GHz、2.5 GHz、3.5 GHz、および5.8GHzの範囲です。

IEEE802.20やATIS / ANSI HC-SDMAiBurstなど)などの標準仕様に基づくモバイルブロードバンドワイヤレスアクセス(MBWA)プロトコルは、1.6〜2.3 GHzで動作し、携帯電話と同様のモビリティと建物内の浸透特性を提供します。より優れたスペクトル効率。[12]

GSMなどの一部の携帯電話ネットワークでは、南北アメリカとその他の地域でそれぞれ1.8GHzと1.9GHz付近の低マイクロ波/高UHF周波数を使用しています。 DVB-SHおよびS-DMBは1.452〜1.492 GHzを使用しますが、米国の独自仕様/互換性のない衛星ラジオはDARSに約2.3GHzを使用します。

マイクロ波無線は、波長が短いために指向性の高いアンテナが小型であり、長波長(低周波数)のアンテナよりも実用的であるため、放送電気通信の伝送に使用されます。また、マイクロ波スペクトルには、他の無線スペクトルよりも多くの帯域幅があります。 300MHz未満で使用可能な帯域幅は300MHz未満ですが、300MHzを超えると多くのGHzを使用できます。通常、マイクロ波はテレビのニュースで使用され、遠隔地から特別に装備されたバンからテレビ局に信号を送信します。ブロードキャスト補助サービス(BAS)、リモートピックアップユニット(RPU)、およびを参照してください。スタジオ/トランスミッターリンク(STL)。

ほとんどの衛星通信システムは、マイクロ波スペクトルのC、X、K a、またはKuバンドで動作します。これらの周波数は、混雑したUHF周波数を回避し、EHF周波数の大気吸収を下回ったまま、広い帯域幅を可能にします。 衛星テレビは、従来の大型 衛星固定衛星サービスの場合はCバンドで、直接放送衛星の場合はKuバンドで動作します。軍事通信は主にXまたはKuバンドリンクを介して実行され KバンドはMilstarに使用されます

ナビゲーション

中国の北斗、アメリカの全地球測位システム(1978年に導入)、ロシアのGLONASSを含む全地球航法衛星システム(GNSS)は、約1.2 GHz〜1.6GHzのさまざまな帯域で航法信号を放送します。

レーダー

ASR-9空港監視レーダーパラボラアンテナ(下部曲面)は、 2.7〜2.9 GHz( Sバンド)マイクロ波の狭い垂直扇形ビームを放射して、空港周辺の空域に航空機を配置します。

レーダーは、送信機から放射された電波のビームが物体に当たって跳ね返り、受信機に戻る電波ロケーション技術であり、物体の位置、範囲、速度、およびその他の特性を特定できますマイクロ波の波長が短いと、自動車、船、航空機のサイズの物体から大きな反射が発生します。また、これらの波長では、オブジェクトを正確に特定するために必要な狭いビーム幅を生成するために必要なパラボラアンテナなどの高ゲインアンテナは便利に小さく、オブジェクトをスキャンするためにすばやく回転させることができます。したがって、マイクロ波周波数はレーダーで使用される主な周波数です。マイクロ波レーダーは、航空交通管制などのアプリケーションに広く使用されています、天気予報、船のナビゲーション、および制限速度の施行長距離レーダーは、帯域の上限で大気吸収が範囲を制限するため、より低いマイクロ波周波数を使用しますが、衝突回避システムなどの短距離レーダーにはミリ波が使用されます。

チリ北部にある電波望遠鏡、アタカマ大型ミリ波アレイ(ALMA)の衛星アンテナの一部。31〜1000GHzのミリ波範囲のマイクロ波を受信します。
宇宙マイクロ波背景放射(CMBR)のマップ。これは、より優れたマイクロ波電波望遠鏡で達成された解像度の向上を示しています。

電波天文学

天文電波源から放出されるマイクロ波; 惑星、星、銀河星雲は、電波望遠鏡と呼ばれる大きな皿のアンテナを使って電波天文学で研究されています。自然に発生するマイクロ波放射を受信することに加えて、電波望遠鏡は、太陽系の惑星からマイクロ波を跳ね返らせ、までの距離を決定したり、雲の覆いを通して 金星の見えない表面をマッピングしたりするために、アクティブレーダー実験で使用されてきました。

最近完成したマイクロ波電波望遠鏡は、チリの標高5,000メートル(16,597フィート)以上にあるアタカマ大型ミリ波アレイで、ミリ波とサブミリ波の波長範囲で宇宙を観測します。これまでに世界最大の地上天文学プロジェクトであり、66を超える料理で構成され、ヨーロッパ、北アメリカ、東アジア、チリの国際協力により建設されました。[13] [14]

マイクロ波電波天文学の最近の主な焦点は、電波天文学者のアルノペンジアスロバートウィルソンによって1964年に発見された宇宙マイクロ波背景放射(CMBR)のマッピングです。宇宙を満たし、すべての方向でほぼ同じであるこのかすかなバックグラウンド放射は、ビッグバンからの「遺物放射」であり、初期の宇宙の状態に関する数少ない情報源の1つです。宇宙の膨張とそれによる冷却のために、元々高エネルギーの放射は電波スペクトルのマイクロ波領域にシフトされました。十分に感度の高い電波望遠鏡は、CMBRを、星、銀河、またはその他の物体に関連付けられていないかすかな信号として検出できます。[15]

暖房および電力アプリケーション

キッチンカウンターの小さな電子レンジ
マイクロ波は、工業プロセスでの加熱に広く使用されています。押し出し前にプラスチックロッドを軟化させるための電子レンジオーブン。

電子レンジは、 2.45 GHz(12 cm)に近い周波数のマイクロ波放射を食品に通し、主に水中のエネルギーの吸収によって誘電加熱を引き起こします。電子レンジは、より安価なキャビティマグネトロンの開発に続いて、1970年代後半に西洋諸国で一般的なキッチン家電になりました。液体状態の水は、吸収ピークを広げる多くの分子相互作用を持っています。気相では、孤立した水分子は約22 GHzで吸収します。これは、電子レンジのほぼ10倍の周波数です。

マイクロ波加熱は、製品を乾燥および硬化させるための工業プロセスで使用されます。

多くの半導体処理技術では、マイクロ波を使用して、反応性イオンエッチングやプラズマ化学気相成長法(PECVD) などの目的でプラズマを生成します。

マイクロ波は、ガスをプラズマに分解し、それを非常に高温に加熱するのを助けるために、ステラレーターとトカマク実験核融合炉で使用されます。周波数は、2〜200 GHzの範囲で、磁場内の電子のサイクロトロン共鳴に合わせて調整されます。したがって、電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)と呼ばれることがよくあります。今後のITER熱核反応炉[16]は、最大20MWの170GHzマイクロ波を使用します。

マイクロ波は長距離で電力を伝送するために使用でき、第二次世界大戦後の研究は可能性を調べるために行われました。 NASAは、1970年代から1980年代初頭にかけて、マイクロ波を介して地球の表面に電力をビームダウンする 大型ソーラーアレイを備えた太陽光発電衛星(SPS)システムを使用する可能性を研究しました。

ミリ波を使用して人間の皮膚の薄層を耐えられない温度に加熱し、標的となる人を遠ざける、致死性に満たない兵器が存在します。95 GHzの集束ビームの2秒間のバーストにより、皮膚が0.4ミリメートル(1⁄64インチ深さで54°C(129°F)の温度に加熱さ れます。米国空軍海兵隊は現在、固定設備でこのタイプのアクティブ拒否システムを使用しています。[17]

分光法

マイクロ波放射は、電子常磁性共鳴(EPRまたはESR)分光法で、通常はXバンド領域(〜9 GHz)で、通常は0.3 Tの磁場と組み合わせて使用​​されます。この手法は、次のような化学システムの不対電子に関する情報を提供します。フリーラジカルまたはCu(II)などの遷移金属イオン。マイクロ波放射は、回転分光法の実行にも使用され、マイクロ波で強化された電気化学のように電気化学と組み合わせることができます

マイクロ波周波数帯

マイクロ波スペクトルの周波数帯域は文字で示されます。残念ながら、互換性のない帯域指定システムがいくつかあり、システム内でさえ、一部の文字に対応する周波数範囲は、異なるアプリケーション分野間で多少異なります。[18] [19] レターシステムは、第二次世界大戦でレーダーセットで使用されるバンドの極秘米国分類に端を発しました。これが最も古い文字システムであるIEEEレーダー帯域の起源です。イギリス無線協会(RSGB) によるマイクロ波周波数帯の指定の1つのセットを以下に示します。

マイクロ波周波数帯
指定 周波数範囲 波長範囲 典型的な使用法
Lバンド 1〜2 GHz 15cmから30cm 軍事テレメトリ、GPS、携帯電話(GSM)、アマチュア無線
Sバンド 2〜4 GHz 7.5cmから15cm 気象レーダー、水上艦レーダー、一部の通信衛星、マイクロ波オーブン、マイクロ波デバイス/通信、無線天文学、携帯電話、無線LAN、Bluetooth、ZigBee、GPS、アマチュア無線
Cバンド 4〜8 GHz 3.75cmから7.5cm 長距離無線通信
Xバンド 8〜12 GHz 25mmから37.5mm 衛星通信、レーダー、地上ブロードバンド、宇宙通信、アマチュア無線、分子回転分光法
Kuバンド_ 12〜18 GHz 16.7mmから25mm 衛星通信、分子回転分光法
Kバンド 18〜26.5 GHz 11.3 mm〜16.7 mm レーダー、衛星通信、天文観測、自動車レーダー、分子回転分光法
Kバンド_ 26.5〜40 GHz 5.0mmから11.3mm 衛星通信、分子回転分光法
Qバンド 33〜50 GHz 6.0mmから9.0mm 衛星通信、地上マイクロ波通信、電波天文学、自動車レーダー、分子回転分光法
Uバンド 40〜60 GHz 5.0mmから7.5mm
Vバンド 50〜75 GHz 4.0mmから6.0mm ミリ波レーダー研究、分子回転分光法および他の種類の科学的研究
Wバンド 75〜110 GHz 2.7mmから4.0mm 衛星通信、ミリ波レーダー研究、軍事レーダーのターゲティングおよび追跡アプリケーション、および一部の非軍事アプリケーション、自動車レーダー
Fバンド 90〜140 GHz 2.1mmから3.3mm SHF送信:ラジオ天文学、マイクロ波デバイス/通信、ワイヤレスLAN、最新のレーダー、通信衛星、衛星テレビ放送、DBS、アマチュアラジオ
Dバンド 110〜170 GHz 1.8mmから2.7mm EHF送信:電波天文学、高周波マイクロ波無線リレー、マイクロ波リモートセンシング、アマチュアラジオ、指向性エネルギー兵器、ミリ波スキャナー

他の定義が存在します。[20]

Pバンドという用語は、Lバンドより下のUHF周波数に使用されることがありますが、IEEE Std521では廃止されました。

第二次世界大戦中にレーダーが最初にKバンドで開発されたとき、近くに吸収帯があることは知られていませんでした(大気中の水蒸気と酸素のため)。この問題を回避するために、元のKバンドを下位バンドKuと上位バンドKaに分割しまし[21]

マイクロ波周波数測定

Kuバンドで測定するための吸収波長計。

マイクロ波周波数は、電子的または機械的手法のいずれかで測定できます。

周波数カウンターまたは高周波ヘテロダインシステムを使用できます。ここでは、未知の周波数が、低周波発生器、高調波発生器、およびミキサーを使用して、既知の低周波数の高調波と比較されます。測定の精度は、リファレンスソースの精度と安定性によって制限されます。

機械的方法には、物理的寸法と周波数の間に既知の関係がある 吸収波長計などの調整可能な共振器が必要です。

実験室の設定では、レッヘル線を使用して、平行線で作られた伝送線路の波長を直接測定し、周波数を計算することができます。同様の手法は、スロット付き導波管またはスロット付き同軸線を使用して波長を直接測定することです。これらのデバイスは、プローブがラインを自由に上下に移動できるように、縦方向のスロットを介してラインに導入されたプローブで構成されています。スロットラインは、主にラインの電圧定在波比の測定を目的としています。ただし、定在波が存在する場合は、ノード間の距離を測定するために使用することもできます。、これは波長の半分に相当します。この方法の精度は、節点の位置の決定によって制限されます。

健康への影響

マイクロ波は非電離放射線です。つまり、マイクロ波光子には、 X線紫外線などの電離放射線のように、分子を電離したり、化学結合を切断したり、DNA損傷を引き起こしたりするのに十分なエネルギーが含まれていません[22] 「放射線」という言葉は、放射能ではなく、線源から放射されるエネルギーを指します。マイクロ波の吸収の主な効果は、材料を加熱することです。電磁界により極性分子が振動します。マイクロ波(または他の非電離)が決定的に示されていません電磁放射)は、低レベルで重大な生物学的悪影響を及ぼします。すべてではありませんが、いくつかの研究は、長期暴露が発がん性の影響を与える可能性があることを示唆しています。[23]

第二次世界大戦、レーダー設備の放射経路にいる個人がマイクロ波放射に反応してカチッという音やブーンという音を経験したことが観察されました。1970年代のNASAの調査によると、これは内耳の一部の熱膨張が原因であることがわかっています。1955年、ジェームズ・ラブロック博士は、マイクロ波ジアテルミーを使用して、0-1°Cに冷却されたラットを蘇生させることができました。[24]

マイクロ波への曝露による傷害が発生した場合、それは通常、体内で誘発された誘電加熱に起因します。マイクロ波加熱目の結晶レンズのタンパク質変性させるため[25](熱が卵白を白く不透明にするのと同じように) 、マイクロ波放射への曝露はこのメカニズムによって白内障を引き起こす可能性があります。目の水晶体と角膜は血管がないため、特に脆弱です。 それは熱を運び去ることができます。大量のマイクロ波放射(ドアが開いていても操作できるように改ざんされたオーブンから)にさらされると、他の組織にも熱による損傷が生じる可能性があります。マイクロ波がより高い水分含有量のより深い組織を加熱する傾向。

エレノア・R・アデアは、自分自身、動物、人間をマイクロ波レベルにさらすことでマイクロ波の健康調査を実施しました。彼女は熱以外の健康への悪影響を発見しませんでした。[要出典]

歴史

ヘルツ光学

マイクロ波は、1890年代に、それらを「不可視の光」の形と考えた物理学者による初期の無線実験のいくつかで最初に生成されました。 [26] ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、1873年の電磁気理論(現在はマクスウェルの方程式と呼ばれている)で、電場磁場の結合が電磁波として空間を伝わると予測し、光は短波長の電磁波で構成されると提案しました。 1888年、ドイツの物理学者ハインリヒヘルツは、プリミティブを使用して電波の存在を最初に示しました。火花ギャップ無線送信機[27] ヘルツと他の初期のラジオ研究者は、マクスウェルの理論をテストするために、電波と光波の類似点を調査することに興味を持っていました。彼らは、 UHFおよびマイクロ波範囲の短波長電波の生成に集中しました。これにより、パラフィン硫黄ピッチ、ワイヤー回折格子で作られたプリズムレンズなどの準光学部品を使用して、実験室で古典的な光学実験を複製し、屈折させ、光線のように電波を回折します。[28] ヘルツは最大450MHzの波を生成しました。彼の指向性450MHz送信機は、両端間にスパークギャップを備えた26 cmの真ちゅう製ロッドダイポールアンテナで構成され、誘導コイルからの高電圧パルスによって電力が供給される、湾曲した亜鉛シートで作られたパラボラアンテナの焦点線に吊り下げられています。[27] 彼の歴史的な実験は、光のような電波が屈折回折分極干渉、および定常波を示すことを示し[28]電波と光波の両方がマクスウェルの電磁波の形態であることを証明しました。

グリエルモマルコーニが1895年の実験中に使用した1.2GHzマイクロ波火花送信機(左)コヒーラ受信機(右)の範囲は6.5 km(4.0マイル)でした。

1894年から、インドの物理学者Jagadish ChandraBoseがマイクロ波を使った最初の実験を行いました。彼は、3 mmの金属ボールスパーク発振器を使用して最大60GHz(5ミリメートル)の周波数を生成するミリ波を生成した最初の人物でした。 [29] [28] ボーズはまた、彼の実験で使用するための導波管ホーンアンテナ、および半導体 鉱石検波器を発明しました。 1894年に独立して、オリバーロッジアウグストリーギは、小さな金属製のボールスパーク共振器によって生成された1.5GHzと12GHzのマイクロ波をそれぞれ実験しました。[28] ロシアの物理学者ピョートルレベデフ1895年に50GHzミリ波を生成しました。[28] 1897年、レイリー卿は、任意の形状の導電性チューブと誘電体ロッドを伝搬する電磁波の数学的境界値問題を解決しました。 [30] [31] [32] [33]は、導波管を伝搬するマイクロ波のモードとカットオフ周波数を示しています。[27]

ただし、マイクロ波は見通し内の経路に限定されていたため、視界を超えて通信することはできず、使用中の火花送信機の低電力により、実際の範囲は数マイルに制限されていました。1896年以降の無線通信のその後の開発では、地平線を越​​えて地上波として伝わり、電離層で空波として反射する可能性のある低周波数が採用され、マイクロ波周波数は現時点ではこれ以上調査されませんでした。

最初のマイクロ波通信実験

無線送信機で使用される三極 真空管(バルブ)電子発振器は、過度の電子通過時間のために数百メガヘルツを超える周波数を生成できなかったため、マイクロ波周波数の実用的な使用は、適切なソースがないために1940年代と1950年代まで発生しませんでしたおよび電極間容量。[27] 1930年代までに、最初の低出力マイクロ波真空管が新しい原理を使用して開発されました。Barkhausen-Kurzチューブスプリットアノードマグネトロン[27] これらは、数ギガヘルツまでの周波数で数ワットの電力を生成する可能性があり、マイクロ波との通信における最初の実験で使用されました。

1931年、Andre C. Clavierが率いる英仏コンソーシアムは、英国のドーバーフランスのカレーのイギリス海峡を越えて、最初の実験的なマイクロ波リレーリンクを実証しました[34] [35] このシステムは、10フィート(3 m)の金属皿に焦点を合わせた小型のBarkhausen-Kurz管によって生成された、0.5ワットの電力で双方向1.7 GHzビームを介して電話、電信、およびファクシミリデータを送信しました

以前は「短波」帯域にまとめられていたこれらの新しい短波長を区別するために一言が必要でした。これは、200メートルより短いすべての波を意味していました。準光波超短波という用語は簡単に使用されましたが、理解されませんでした。マイクロ波という言葉の最初の使用は、1931年に明らかに発生しました。[35] [36]

レーダー

第二次世界大戦前と第二次世界大戦中の主に秘密のレーダーの開発は、マイクロ波を実用化する技術的進歩をもたらしました。[27]センチメートル範囲の波長は、敵の航空機を特定するのに十分狭いビーム幅を 航空機に収めるのに十分コンパクトな小型レーダーアンテナを提供するために必要でした。電波を運ぶために使用される従来の伝送線路はマイクロ波周波数で過度の電力損失があることがわかり、ベル研究所のジョージ・サウスワースMITのウィルマー・バロウ1936年に独自に導波管を発明しました。[30] バローは、マイクロ波を導波管に効率的に放射したり、導波管から効率的に放射したりする手段として、1938年にホーンアンテナを発明しました。マイクロ波受信機では、真空管の静電容量が大きすぎるため、これらの周波数で検出器およびミキサーとして機能する非線形コンポーネントが必要でした。このニーズを満たすために、研究者たちは、真空管受信機の前の世紀の変わり目に鉱石ラジオの復調器として使用されていた、時代遅れの技術である点接触結晶検出器(キャットウィスカー検出器)を復活させました。 [27] [37]半導体接合 の低静電容量 それらがマイクロ波周波数で機能することを可能にしました。最初の最新のシリコンおよびゲルマニウム ダイオードは、1930年代にマイクロ波検出器として開発され、その開発中に学んだ半導体物理学の原理は、戦後の半導体エレクトロニクスにつながりました。[27]

最初の強力なマイクロ波源は、第二次世界大戦の初めに発明されました。1937年にスタンフォード大学のラッセルシグルドバリアンによってクライストロン管が、1940年に英国バーミンガム大学のジョンランドールハリーブートによって空洞マグネトロン管が発明されました。 [ 27] 10センチメートル(3 GHz)のマイクロ波レーダーは、1941年後半に英国の戦闘機で使用され、ゲームチェンジャーであることが証明されました。マイクロ波技術を米国の同盟国(ティザードミッション)と共有するという英国の1940年の決定は、戦争を大幅に短縮しました。に密かに設立されMIT放射線研究所1940年にマサチューセッツ工科大学がレーダーを研究するために、マイクロ波を使用するために必要な理論的知識の多くを生み出しました。最初のマイクロ波中継システムは、戦争の終わり近くに連合軍によって開発され、ヨーロッパの劇場で安全な戦場通信ネットワークに使用されました。

第二次世界大戦後

第二次世界大戦後、マイクロ波は急速に商業的に利用されました。[27] 周波数が高いため、非常に大きな情報伝達能力(帯域幅)を持っていました。 1つのマイクロ波ビームで数万件の電話をかけることができます。 1950年代と60年代に、都市間で電話を交換し、テレビ番組を配信するために、大陸横断マイクロ波リレーネットワークが米国とヨーロッパに構築されました。新しいテレビ放送業界では、1940年代から、マイクロ波ディッシュを使用して、モバイル中継からスタジオにバックホールビデオフィードを送信し、最初のリモートTV放送を可能にしました。最初通信衛星は1960年代に打ち上げられ、マイクロ波ビームを使用して地球上の広く離れた地点間で電話やテレビを中継しました。1964年、ニュージャージー州ホルムデルのベルラボ衛星ホーンアンテナのノイズを調査しているときに、アルノペンジアスロバートウッドロウウィルソンが宇宙マイクロ波背景放射を発見しました。

シアトルの電話交換センターにあるCバンドホーンアンテナ。1960年代に構築されたAT&TのLongLinesマイクロ波リレーネットワークに属しています。
1954年のNikeAjax対空ミサイルのレーダーに使用されたマイクロ波レンズアンテナ
1961年に米国の空母サバンナの厨房に設置された最初の業務用電子レンジAmana'sRadarange

マイクロ波レーダーは、航空交通管制、海上航行対空防衛弾道ミサイル検出、およびその後の多くの他の用途で使用される中心的な技術になりました。レーダーと衛星通信は、最新のマイクロ波アンテナの開発を動機付けました。パラボラアンテナ(最も一般的なタイプ)、 カセグレンアンテナレンズアンテナスロットアンテナフェーズドアレイ

ウェスティングハウスのIFMouromtseffは、1930年代に短波で材料をすばやく加熱して食品を調理する能力を調査し、1933のシカゴ万国博覧会で60MHzの無線送信機を使った調理を実演しました。[38] 1945年、レイセオンでレーダーに取り組んでいるエンジニアのパーシー・スペンサーは、マグネトロン発振器からのマイクロ波放射がポケットのキャンディーバーを溶かしていることに気づきました。彼は電子レンジで調理することを調査し、電子レンジを発明しましたは、1945年10月8日にレイセオンが特許を取得した食品を含む閉じた金属製の空洞に電子レンジを供給するマグネトロンで構成されています。 1。マイクロ波加熱は、プラスチック製造などの産業における産業プロセスとして、およびマイクロ波ハイパーサーミーで癌細胞を殺すための医学的治療として広く使用されるようになりました。

ルドルフ・コンフナージョン・ピアスによって1943年に開発された進行波管(TWT)は、最大50 GHzの高出力の調整可能なマイクロ波源を提供し、(電子レンジで使用される遍在するマグネトロンを除いて)最も広く使用されるマイクロ波管になりました。ロシアで開発されたジャイロトロン管ファミリーは、ミリ波周波数までメガワットの電力を生成する可能性があり、産業用暖房やプラズマ研究、粒子加速器や核融合炉に電力を供給するために使用されます。

ソリッドステートマイクロ波デバイス

空洞共振器内のガンダイオードからなるマイクロ波発振器、1970年代
現代のレーダースピードガン。銅ホーンアンテナの右端にはマイクロ波を生成するガンダイオード (灰色のアセンブリ)があります。

1950年代の半導体エレクトロニクスの開発により、新しい原理で動作する最初のソリッドステートマイクロ波デバイスが生まれました。負性抵抗(戦前のマイクロ波管のいくつかは負性抵抗も使用していました)。[27]低周波数で使用されてい たフィードバック発振器2ポート増幅器はマイクロ波周波数で不安定になり、負性抵抗発振器とダイオードなどの1ポートデバイスに基づく増幅器の方がうまく機能しました。

1957年に日本の物理学者江崎玲華奈によって発明されたトンネルダイオードは、数ミリワットのマイクロ波電力を生成することができました。その発明は、マイクロ波発振器として使用するためのより優れた負性抵抗半導体デバイスの探求を開始し、1956年にWTReadとRalphL。JohnstonによってIMPATTダイオード発明され、1962年にJBGunnによってGunnダイオードが発明されました。[27] ダイオードは、今日最も広く使用されているマイクロ波源です。

2つの低ノイズソリッドステート負性抵抗マイクロ波増幅器が開発されました。 1953年にチャールズH.タウンズジェームズP.ゴードンHJツァイガーによって発明されたルビーメーザー、1956年にマリオンハインズによって開発されたバラクターパラメトリックアンプ。 [27] これらは、電波望遠鏡や衛星地上局の低ノイズマイクロ波受信機に使用されていました。メーザーは、電子遷移を受ける原子によって放出される正確なマイクロ波周波数を使用して時間を維持する原子時計の開発につながりました 2つのエネルギーレベルの間。負性抵抗増幅回路は、新規の本発明に必要な非可逆ような導波管部品、サーキュレータアイソレータ、および方向性結合器1969年、黒川はマイクロ波発振器の設計の基礎となった負性抵抗回路の安定性に関する数学的条件を導き出しました。[39]

マイクロ波集積回路

1970年代以前は、マイクロ波デバイスと回路はかさばり、高価であったため、マイクロ波周波数は一般に送信機の出力段と受信機のRFフロントエンドに限定され、信号は処理のために低い中間周波数にヘテロダインされていました。 1970年代から現在に至るまで、回路基板に搭載できる小型で安価なアクティブソリッドステートマイクロ波コンポーネントが開発され、回路はマイクロ波周波数で重要な信号処理を実行できるようになりました。これにより、衛星テレビケーブルテレビGPSデバイス、およびスマートフォンなどの最新のワイヤレスデバイスが可能になりました。Wi-FiBluetoothは、マイクロ波を使用してネットワークに接続します。

マイクロ波周波数で使用できる伝送線路の一種であるマイクロストリップは、1950年代にプリント回路で発明されました。[27]プリント回路基板 上にさまざまな形状を安価に製造できるため、マイクロストリップバージョンのコンデンサインダクタ共振スタブスプリッタ方向性結合器ダイプレクサフィルタ、アンテナを作成できるため、コンパクトなマイクロ波回路を構築できます。 。[27]

マイクロ波周波数で動作するトランジスタは、1970年代に開発されました。半導体ガリウムヒ素(GaAs)は、シリコンよりもはるかに高い電子移動度を持っているため[27]、この材料で製造されたデバイスは、同様のシリコンデバイスの4倍の周波数で動作できます。 1970年代から、GaAsは最初のマイクロ波トランジスタの製造に使用され[27]、それ以来、マイクロ波半導体を支配してきました。 MESFET(金属-半導体電界効果トランジスタ)、ショットキー接合を使用した高速GaAs電界効果トランジスタゲート用に、1968年に開発され、100 GHzのカットオフ周波数に達し、現在最も広く使用されているアクティブマイクロ波デバイスです。[27] より高い周波数制限を持つトランジスタの別のファミリは、HEMT(高電子移動度トランジスタ)、ヘテロ接合技術を使用した2つの異なる半導体AlGaAsとGaAsで作られた電界効果トランジスタ、および同様のHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)です。[27]

GaAsは半絶縁性にすることができるため、トランジスタだけでなく受動部品を含む回路をリソグラフィで製造できる基板として使用することができます。 [27] 1976年までに、これはモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)と呼ばれるマイクロ波周波数で機能する最初の集積回路(IC)につながりました。 [27] これらを「マイクロ波集積回路」(MIC)と呼ばれるマイクロストリップPCB回路と区別するために、「モノリシック」という言葉が追加されました。それ以来、シリコンMMICも開発されてきました。今日、MMICはアナログとデジタルの両方の高周波電子機器の主力製品になり、シングルチップマイクロ波受信機、ブロードバンドアンプモデム、およびマイクロプロセッサの製造を可能にしています。

も参照してください

参考文献

  1. ^ ヒッチコック、R。ティモシー(2004)。無線周波数およびマイクロ波放射アメリカの産業衛生Assn。p。1.ISBN _ 978-1931504553
  2. ^ a b Kumar、Sanjay; Shukla、Saurabh(2014)。マイクロ波工学の概念と応用PHIラーニングPvt。株式会社p。3. ISBN 978-8120349353
  3. ^ ジョーンズ、グラハムA。; レイヤー、David H。; Osenkowsky、Thomas G.(2013)。全米放送事業者協会エンジニアリングハンドブック、第10版テイラーアンドフランシス。p。6. ISBN 978-1136034107
  4. ^ Pozar、David M.(1993)。マイクロ波工学アディソン-ウェスリー出版社。ISBN0-201-50418-9 _ 
  5. ^ Sorrentino、R。and Bianchi、Giovanni(2010) Microwave and RF Engineering、John Wiley&Sons、p。4ISBN047066021X 
  6. ^ a b Seybold、John S.(2005)。RF伝搬の概要ジョン・ワイリーとサンズ。pp。55–58。ISBN 978-0471743682
  7. ^ a b ゴリオ、マイク; ゴリオ、ジャネット(2007)。RFおよびマイクロ波パッシブおよびアクティブテクノロジーCRCプレス。pp。I.2–I.4。ISBN 978-1420006728
  8. ^ Karmel、Paul R。; コレフ、ガブリエルD。; カミサ、レイモンドL.(1998)。電磁およびマイクロ波工学入門ジョン・ワイリーとサンズ。p。1.ISBN _ 9780471177814
  9. ^ Herley GeneralMicrowaveによるWaybackMachineノート2013-10-30にアーカイブされたマイクロ波発振器
  10. ^ a b Sisodia、ML(2007)。マイクロ波:回路、デバイス、アンテナの紹介ニューエイジインターナショナル。pp。1.4–1.7。ISBN 978-8122413380
  11. ^ Liou、Kuo-Nan(2002)。大気放射の紹介アカデミックプレス。p。2. ISBN 978-0-12-451451-52010年7月12日取得
  12. ^ 「IEEE802.20:モバイルブロードバンドワイヤレスアクセス(MBWA)」公式サイト2011年8月20日取得
  13. ^ 「ALMAウェブサイト」2011年9月21日取得
  14. ^ 「アルマへようこそ!」2011年5月25日取得
  15. ^ ライト、EL(2004)。「宇宙マイクロ波背景放射の理論的概観」。WL Freedman(ed。)宇宙の測定とモデリングカーネギー天文台天体物理学シリーズ。ケンブリッジ大学出版局p。291. arXivastro-ph / 0305591Bibcode2004mmu..symp..291WISBN  978-0-521-75576​​-4
  16. ^ 「新しいエネルギーへの道」ITER。2011-11-04 2011年11月8日取得
  17. ^ サイレントガーディアン保護システム。非致死性指向性エネルギー保護raytheon.com
  18. ^ 「周波数文字バンド」マイクロ波百科事典Microwaves101 Webサイト、米国電気電子技術者協会(IEEE)。2016年5月14日2018年7月1日取得
  19. ^ ゴリオ、マイク; ゴリオ、ジャネット(2007)。RFおよびマイクロ波アプリケーションおよびシステムCRCプレス。pp。1.9–1.11。ISBN 978-1420006711
  20. ^ 「eEngineer–無線周波数帯域の指定」を参照してくださいRadioing.com 2011年11月8日取得PC Mojo –アリゾナ州ケーブクリークのMOJOを使用したWeb(2008-04-25)。「周波数文字バンド–マイクロ波百科事典」Microwaves101.com。2014-07-14にオリジナルからアーカイブされました2011年11月8日取得マイクロ波帯の文字指定
  21. ^ Skolnik、Merrill I.(2001) Radar Systemsの紹介、第3版、p。522、マグロウヒル。1962年版全文
  22. ^ ネイブ、ロッド。「放射線と物質の相互作用」HyperPhysics 2014年10月20日取得
  23. ^ ゴールドスミス、JR(1997年12月)。「レーダー(マイクロ波)効果に関連する疫学的証拠」環境衛生の展望105(Suppl。6):1579–1587。土井10.2307 / 3433674JSTOR3433674_ PMC1469943_ PMID9467086_   
  24. ^ Andjus、RK; ラブロック、JE(1955)。「マイクロ波ジアテルミーによる0〜1°Cの体温からのラットの蘇生」生理学ジャーナル128(3):541–546。土井10.1113 /jphysiol.1955.sp005323PMC1365902_ PMID13243347_  
  25. ^ リップマン、リチャードM。; Tripathi、Brenda J。; Tripathi、Ramesh C.(1988年11月〜12月)。「マイクロ波および電離放射線によって誘発される白内障」。眼科の調査33(3):206–207。土井10.1016 / 0039-6257(88)90088-4PMID3068822_ 
  26. ^ Hong、Sungook(2001)。ワイヤレス:マルコーニのブラックボックスからオーディオンまでMITプレス。pp。5–9、22。ISBN _ 978-0262082983
  27. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u Roer、TG(2012)。マイクロ波電子デバイスシュプリンガーサイエンスアンドビジネスメディア。pp。1–12。ISBN 978-1461525004
  28. ^ a b c d e Sarkar、TK; Mailloux、Robert; Oliner、Arthur A.(2006)。ワイヤレスの歴史ジョン・ワイリーとサンズ。pp。474–486。ISBN 978-0471783015
  29. ^ エマーソン、DT(1998年2月)。「ジャガディッシュチャンドラボースの仕事:MM波研究の100年」国立電波天文台。
  30. ^ a b パッカード、カールS.(1984年9月)。「導波管の起源:複数の再発見の事例」(PDF)マイクロ波の理論と技術に関するIEEEトランザクションMTT-32(9):961–969。Bibcode1984ITMTT..32..961PCiteSeerX10.1.1.532.8921_ 土井10.1109 /tmtt.1984.1132809 2015年3月24日取得  
  31. ^ ストラット、ウィリアム(レイリー卿)(1897年2月)。「電磁波が管を通過すること、または誘電体シリンダーの振動について」フィロソフィカルマガジン43(261):125–132。土井10.1080 / 14786449708620969
  32. ^ Kizer、George(2013)。デジタルマイクロ波通信:エンジニアリングポイントツーポイントマイクロ波システムジョン・ワイリーとサンズ。p。7. ISBN 978-1118636800
  33. ^ リー、トーマスH.(2004)。平面マイクロ波工学:理論、測定、および回路の実用ガイド、Vol。1ケンブリッジ大学出版局。pp。18、118。ISBN _ 978-0521835268
  34. ^ 「マイクロ波はイギリス海峡にまたがる」(PDF)短波クラフト6、いいえ。5.ニューヨーク:Popular Book Co. 1935年9月。pp。262、310 2015年3月24日取得
  35. ^ a b 無料、EE(1931年8月)。「新しい7インチの波を備えたサーチライトラジオ」(PDF)ラジオニュース8、いいえ。2.ニューヨーク:Radio SciencePublications。pp。107–109 2015年3月24日取得
  36. ^ Ayto、John(2002)。20世紀の言葉p。269. ISBN 978-7560028743
  37. ^ リオーダン、マイケル; リリアンホドソン(1988)。クリスタルファイア:トランジスタの発明と情報化時代の誕生米国:WWノートンアンドカンパニー。pp。89–92。ISBN 978-0-393-31851-7
  38. ^ 「短波で調理する」(PDF)短波クラフト4(7):394. 1933年11月2015年3月23日取得
  39. ^ 黒川健一(1969年7月)。「広帯域負性抵抗発振器回路のいくつかの基本的な特性」ベルシステムテック。J。 _ 48(6):1937–1955。土井10.1002 /j.1538-7305.1969.tb01158.x 2012年12月8日取得

外部リンク