Microundele

Realizator: Strinu Narcis AdelinClasa: a XI-a AProf. Îndrumător: Mihai Vîlceanu

Microundele sunt unde radio cu lungimi de undă variînd de la 1m la 1mm, sau echivalent, cu frecvențe cuprinse între 300Mhz (0,3 Ghz) și 300 Ghz. Această definiție largă include de asemenea atât undele UHF cât și EHF (unde milimetrice) , iar surse diferite folosesc limite diferite. În toate cazurile, microundele cuprind toată banda SHF (3-30 Ghz sau 10-1 cm).

Aparatele și tehnicile pot fi descrise calitativ ca ”microunde” cât timp lungimile de undă ale semnalelor generate sunt aproximativ egale cu dimensiunile echipamentului utilizat. Ca și consecință, tehnici practice legate de microunde tind să se indepărteze de rezistorii, capacitorii și inductorii folosiți pentru undele radio de frecvență joasă. În schimb, teoria elementelor de circuit distribuite și teoria liniei de transmisie sunt tehnici mult mai utile pentru design și analiză.

Liniile de transmisie tip fir deschis sau coaxial fac loc ghidurilor de undă și liniilor de transmisie tip bandă, iar circuitele optimizate conform teoriei elementului catalogat sunt înlocuite de rezonatori de cavitate sau linii rezonante.

Efectele reflexiei, polarizării, răspândirii, difracției și absorbției atmosferice, de obicei asociate cu lumina vizibilă, au o mare importanță practică în studiul propagării microundelor. La toate frecvențele se aplică aceleași ecuații ale teoriei electromagnetismului.

Prefixul ”micro-” din ”microunde” nu sugerează că lungimea de undă este în limita micrometrilor, ci indică faptul că microundele sunt ”mici” (prin lungimea de undă) în comparație cu undele folosite în comunicațiile radio uzuale. Limitele dintre lumina infraroșie, radiația terahertz, microunde și undele radio de frecvențe ultra-înalte sunt alese destul de arbitrar și sunt folosite în diverse domenii de studiu.

Undele electromagnetice mai lungi (cu frecvențe mai mici) decat microundele sunt numite ”unde radio”. Radiațiile electromagnetice cu lungimi de undă mai scurte pot fi numite ”unde milimetrice”, radiații terahertz sau chiar unde T. Definițiile diferă pentru banda undelor milimetrice, pe care IEEE o definește ca fiind de la 110 Ghz la 300 Ghz.

Peste 300 Ghz, absorbția radiației electromagnetice de către atmosfera Pământului este așa mare încât este ca efect opacă, până când atmosfera devine iarăși transparentă în așa numitele ferestre de frecvențe optice și infraroșii.

Comparații de unde

Nume Lungime de undă Frecvență(Hz)Energie

fotonică(eV)Raze Gamma <0.01 nm >10 EHz 100keV – 300+

GeVRaze X 0.01 nm – 10 nm 30 Ehz – 30 PHz 120eV – 120 keVUltraviolete 10 nm – 400 nm 30 PHz – 790

THz3 eV – 124 eV

Vizibile 390 nm – 750 nm 790 THz – 405 THz

1.7 eV – 3.3 eV

Infraroșu 750 nm – 1mm 405 THz – 300 GHz

1.24 meV – 17 eV

Microunde 1 mm – 1 m 300 GHz – 300 MHz

1.2µeV – 1.24 meV

Radio 1 mm – 100.000 km 300 GHz – 3 Hz 12.4 feV – 1.24 meV

Surse de microunde

Sursele de microunde de putere mare folosesc tuburi vidate specializate pentru a genera microunde. Aceste dispozitive funcționează pe principii diferite de cele ale tuburilor vidate de frecvențe joase, folosind mișcarea balistică a electronilor sub influența câmpurilor electrice sau magnetice de control. Tipuri de astfel de dispozitive sunt:

- Magnetronul (folosit în cuptoarele cu microunde)- Klistronul- Tubul undei călătoare (TWT)- Girotronul

Aceste dispozitive funcționează în modul densității modulate în locul modului curentului modulat. Acest lucru înseamnă că acestea funcționează pe baza unor grămezi de electroni ce zboară balistic unul prin altul în locul unui curs continuu de electroni.

Magnetron utilizat în cuptoarele cu microunde

Surse de microunde de putere mică folosesc dispozitive solid-state precum tranzistorul cu efect de câmp (cel puțin la frecvențe mai joase), diode tunel, diode Gunn și diode IMPATT.

Un maser este un dispozitiv similar cu un laser, ce amplifică energia luminoasă prin stimularea fotonilor. Maser-ul, în loc să amplifice energia luminoasă, amplifică microundele de frecvență mai joasă și lungime de undă mai lungă și emisiile de radio-frecvență.

Soarele emite de asemenea microunde, însă majoritatea acestora sunt blocate de atmosfera Pământului.

Radiația Cosmică de Microunde de Fundal (CMBR) este o sursă de microunde ce susține științific teoria cosmologică a Big Bang-ului, teorie a originii universului.

Comunicații

Înaintea avântului transmisiilor prin intermediul fibrei optice, majoritatea apelurilor telefonice de lungă distanță erau transmise prin rețele de relee radio pe bază de microunde, conexiuni administrate de furnizori de servicii precum AT&T Long Lines. Incepând în anii ’50, multiplexul divizării frecvențelor a fost folosit pentru a trimite pana la 5400 de canale telefonice pe fiecare canal radio de microunde cu pana la 10 canale combinate într-o antenă pentru a fi transmise până la 70 km distanță.

Protocoalele Wireless LAN precum Bluethoot și IEEE 802.11 folosesc de asemenea microunde în banda 2.4GHz ISM, deși 802.11a folosește banda ISM și frecvențe U-NII în gama 5GHz. Servicii licențiate pentru acces wireless la internet pe

distanțe lungi (până la 25km) au fost folosite pentru aproape un deceniu în multe țări în gama 3.5 – 4 GHz. FCC a delimitat recent spectrul de frecvențe pentru

Diodă tunel Diodă Gunn

furnizorii ce doresc să ofere servicii în cadrul SUA, cu accent pe 3.65 GHz. O mulțime de furnizori de servicii de pe teritoriul țării securizează sau deja au primit licențe de la FCC pentru a opera în această bandă. Serviciile WIMAX ce pot fi transmise pe banda 3.65 GHz vor oferii clienților bussiness încă o opțiune pentru conectivitate.

Protocoalele de rețele metropolitate (MAN) precum WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) sunt bazate pe standarde precum IEEE 802.16, proiectate pentru a opera între 2 și 11 GHz. Implementarea comercială se desfășoară în gamele 2.3 Ghz, 2.5 Ghz, 3.5 Ghz și 5.8 GHz.

Protocoalele Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) bazate pe specificații standard precum IEEE 802.20 sau ATIS/ANSI HC-SDMA (precum iBurst) operează între 1.6 și 2.3 GHz pentru a da mobilitate și caracteristici de penetrare în interiorul clădirilor similare cu cele ale telefoanelor mobile, dar cu o eficiență spectrală mult mai mare.

Unele rețele de telefonie mobilă, precum GSM, folosesc microunde de frecvență joasă / frecvențe UHF de frecvență mare în jurul 1.8 și 1.9 GHz în America și oriunde altundeva, respectiv. DVB-SH și S-DMB folosesc 1.452 până la 1.492 GHz, în timp ce comunicațiile radio proprietare / incompatibile din SUA folosesc în jur de 2.3 GHz pentru DARS.

Undele radio microunde sunt folosite în transmisii și radiodifuziune datorită lungimii scurte de undă, antenele direcționale fiind mult mai mici și astfel mult mai practice decât ar fi pe lungimi de undă mai lungi (frecvențe mai joase). De asemenea, există mai multă lățime de bandă în cadrul spectrului microundelor decât în restul spectrului radio; lățimea de bandă sub 300 MHz utilizabilă este mult mai mică, în timp ce peste 300 MHz pot fi folosiți mulți GHz.

În general, microundele sunt folosite în cadrul transmisiilor de știri dintr-o locație îndepărtată de la o furgonetă specializată către o stație de televiziune.

Majoritatea sistemelor de comunicații satelitare operează în benzile C, X, Ka sau Ku, benzi ale spectrului microundelor. Aceste frecvențe permit lățimi de

bandă mari, evitând frecvențele UHF aglomerate și stând sub absorbția atmosferică a frecvențelor EHF.

Televiziunea prin satelit fie operează în banda C pentru serviciul uzual cu antenă parabolică fixată sau în banda Ku pentru transmisie satelitară directă. Comunicaţiile militare se desfăşoară în primul rând pe banda X sau Ku, banda Ka

fiind utilizată pentru Milstar.

Radarul

Radarul foloseste radiația de microunde pentru a detecta distanța, viteza și alte caracteristici ale obiectelor îndepărtate. Dezvoltarea radarului a fost accelerată în timpul celui de-al doilea Război Mondial datorită utilității militare. Acum radarul este folosit pe scară largă pentru aplicații precum controlul traficului aerian, predicția vremii, navigația navelor și implementarea limitelor de viteză.

Un oscilator cu diodă Gunn și un ghid de undă sunt folosite ca senzor de mișcare la ușile cu deschidere automată.

Radio Astronomie

Radio astronomia folosește în general microundele. De obicei, radiația naturală de microunde este observată, dar experimente active cu radar au fost realizate cu pe obiecte din sistemul solar, precum determinarea distanței până la Lună sau cartografierea suprafeței invizibila a planetei Venus prin stratul de nori.

Navigație

Sistemele satelitare de navigație globală (GNSS) incluzând Beidou (China), Sistemul American de poziționare globală (GPS) și GLONASS (Rusia) transmit semnale navigaționale în benzi diferite, între 1.2 GHz și 1.6 GHz.

Aplicații de putere

Un cuptor de microunde trece radiații microunde (neionizante, la o frecvență de aprox. 2.45 GHz) prin mâncare, determinând încălzirea dielectrică, produsă în primul rând de absorbția energiei de către apa din mâncare.

Cuptoarele cu microunde au devenit electrocasnice comune în țările vestice încă din anii 70, urmând dezvoltarea magnetroanelor de cavitate ieftine. Apa în stare lichidă posedă multe interacțiuni moleculare ce măresc rata de absorbție. În stare de vapori, moleculele de apă izolate absorb până la 22GHZ, aproape de 10 ori frecvența cuptorului cu microunde.

Microundele sunt folosite în procesele industriale pentru uscarea și tratarea produselor.

Multe tehnici de procesare cu semiconductori folosesc microundele pentru a genera plasmă în scopuri precum gravura cu ioni reactivi și depozitare prin vapori chimici îmbunătățită cu plasmă (PECVD).

Microundele cu frecvențe între 110 – 140 GHz sunt folosite în stelaratori și mai notabil în reactoare tokamak de fuziune experiementale pentru a ajuta încălzirea combustibilului până la starea de plasmă.

Microundele pot fi folosite pentru a transmite curent pe distanțe lungi, iar cercetări după cel de-al doilea Război Mondial au fost conduse pentru a examina posibilitățile. NASA a lucrat în anii 70 și 80 pentru a cerceta posibilitățile folosirii sistemelor SPS (sateliți de putere solară) cu matrici solare mari ce ar fi transmis curent pe suprafața Pământului prin intermediul microundelor.

Există arme neletale ce folosesc unde milimetrice pentru a încălzi un strat subțire de piele umană la o temperatură insuportabilă în scopul convingerii persoanei vizate să se îndepărteze. O expunere concentrată de două secunde la 95GHz încălzește pielea la o temperatură de 54° la o adâncime de 0.44 mm. Forțele Aeriene ale SUA folosesc curent acest tip de armă neletală.

Spectroscopie

Radiația microundelor este folosită în spectroscopia cu rezonanța paramagnetică electronică (EPR sau ESR), de obicei în banda X(~9GHz) în conjuncție cu câmpuri magnetice de 0.3 T. Această tehnică furnizează informații despre electroni nepereche în sistemele chimice, precum radicalii liberi sau ionii metalelor de tranziție precum Cu(II). Radiația microundelor poate fi de asemenea combinată cu electrochimia.

Benzile de frecvență ale microundelor

Spectrul microundelor este de obicei definit ca energia electromagnetică ce variază de la aprox. 1GHz la 100GHz în frecvență, dar utilizări mai vechi includ și frecvențe mai joase. Cele mai comune aplicații sunt între 1 și 40 GHz. Un set de benzi de frecvențe definite de Societatea Radio a Marii Britanii (RSGB) este prezentat mai jos:

Litera Atribuită Gama de frecvențeL 1 – 2 GHzS 2 – 4 GHzC 4 – 8 GHzX 8 – 12 GHzKU 12 – 18 GHzK 18 – 26.5GHzKA 26.5 – 40 GHz

Q 33 – 50 GHzU 40 – 60 GHzV 50 – 75 GHzE 60 – 90 GHzW 75 – 110 GHzF 90 – 140 GHzD 110 – 170 GHz

Masurarea frecvențelor microundelor

Frecvența microundelor poate fi măsurată fie prin tehnici electronice fie mecanice.

Contoare de frecvență sau sisteme heterodină de frecvență mare pot fi folosite. Aici, frecvența necunoscută este comparată cu armonicele unei frecvențe mai joase cunoscute prin utilizarea unui generator de frecvențe joase, a unui generator armonic și a unui mixer. Precizia masurătorii este limitată de precizia și stabilitatea sursei de referință.

Metodele mecanice necesită un rezonator reglabil precum un metru de absorbție a undelor, ce are o relație ăntre dimensiunea fizică și frecvență.

În mediu de laborator, liniile Lecher pot fi folosite pentru măsurarea directă a lungimii de undă pe o linie de transmisie creată din cabluri paralele, determinând astfel frecvența. O tehnică similară este folosirea unui ghid de undă cu fante sau a unei linii coaxiale cu fante pentru măsurarea directă a lungimii de undă. Aceste dispozitive constau în o probă introdusă printr-o fantă longitudinală, astfel încât proba să poată circula liber în jos și în sus, pe linie.

Liniile cu fantă au rolul principal de a măsura distanța dintre noduri, care este egală cu jumătate din lungimea de undă. Precizia acestei metode este limitată de determinarea locațiilor nodale.

Aparat de măsură a absorbției undelor

Efecte asupra sănătății

Microundele nu conțin suficientă energoe pentru a schimba structura chimică a substanțelor prin ionizare, deci sunt un exemplu de radiație neionizantă. Cuvântul ”radiație” se referă la energia ce radiază de la sursă și nu la radioactivitate. Nu s-a demonstrat concludent că microundele sau alte unde neionizante ar avea vreun efect biologic la nivele scăzute, însă unele studii sugerează că expunerea pe termen lung ar avea efect cancerigen. Acesta este separat de riscul asociat cu expunerii la intensități mari, ce ar provoca încălziri și arsuri ca orice altă sursă, nefiind o proprietate unică și specifică a microundelor.

În timpul celui de-al doilea Război Mondial, s-a observat că anumiți indivizi ce se aflau în calea radiației instalațiilor radar experimentau click-uri și sunete parazit ca reacție la radiația microundelor. Acest efect auditiv a fost explicat ca fiind cauzat de curentul indus de microunde la nivelul centrilor acustici din creier, însă cercetările NASA din 1970 au demonstrat că acest efect este cauzat de expansiunea termică a componentelor urechii interne.

Cand apar răni datorate expunerii la microunde, acestea rezultă de obicei datorită încălzirii dielectrice induse în corp. Expunerea la microunde poate produce cataractă prin acest mecanism, deoarece încălzirea datorată microundelor denaturează proteinele din cristalin (în același mod în care căldura face albușul de ou opac și alb). Cristalinul și corneea sunt în special vulnerabile deoarece nu conțin vase de sânge care să transporte căldura. Expunerea la doze masive de microunde (precum un cuptor cu microunde modificat să funcționeze cu ușa deschisă) poate produce daune provocate de căldură și în alte țesuturi, până la arsuri serioase ce nu vor fi imediat evidente datorită tendinței microundelor să încălzească țesuturile interne, cu mai mult conținut umed.