Mikrohullám

A mikrohullámok olyan elektromágneses hullámok, amelyeknek a frekvenciája nagyjából 0,3–300 GHz közötti, ennek megfelelően a hullámhosszuk 1 m–1 mm között van.^[1]

Ez az oldal a mikrohullámú sugárzásról szól. Az eszköz, ami ezt használja, például a mikrohullámú sütő

A határok nem szigorúak, és a nemrégiben kialakuló terahertzes tudományok megjelenésével módosultak is a korábbi értelmezésekhez képest. A mikrohullámok a rádióhullámok nagyobb frekvenciájú területét is jelentik egyben, a terahertzes sugárzást pedig a mikrohullámok és a korábban inkább távoli infravörösnek nevezett tartomány között értelmezzük.

A saját nagyságrendjén belül értelmezhető elnevezésekkel a mikrohullámokat az alábbi tartományokra osztjuk:

• nagyon magas frekvencia: ultrarövidhullámok (VHF) (30 – 300 MHz) (P-sáv)
• ultramagas frekvencia: ultra-high frequency (UHF) (0,3–3 GHz)
• szupermagas frekvencia: super high frequency (SHF) (3–30 GHz)
• extrém-magas frekvencia: extremely high frequency (EHF) (30-300 GHz)

A mikrohullámú sávok felosztása

A mikrohullámú sávok felosztása[2][3]
sáv	alsávok	frekvencia (GHz)	hullámhossz (cm)	megjegyzés
P-sáv	2	0,225 – 0,390	133,3 -76,9
L-sáv	10 (p,c,l,y,t,s,x,k,f,z)	0,390 – 1,550	76,9 – 19,3
S-sáv	13 (e,f,t,c,q,y,g,s,a,w,h,z,d)	1,55 – 5,20	19,3 -5,77
C-sáv	5 (Sz,Sd,Xa,Xq,Xy)	3,90 – 6,20	7,69 – 4,84
X-sáv	12 (a,q,y,d,b,r,c,l,s,x,f,k)	5,20 – 10,90	5,77 – 2,75
K-sáv	12 (p,s,e,c,u,t,q,r,m,n,l,a)	10,90 – 36,00	2,75 – 0,834
Ku-sáv	1 (Ku)	15,35 – 17,25	1,95 – 1,74	K-alsáv
K1-sáv	3	15,35 – 24,5	1,74 – 1,22	K-alsáv
Ka-sáv	1 (Ka)	33,0 – 36,0	0,909-0,834	K-alsáv
Q-sáv	5 (a,b,c,d,e)	36,0 – 46,0	0,834-0,652
V-sáv	5 (a,b,c,d,e)	46,0 – 56,0	0,652-0,536
W-sáv	2	56,00 - 100,0	0,536-0,300
F-sáv		90 – 140
D-sáv		110 – 170

Történelem és kutatás

Az elektromágneses hullámok létét James Clerk Maxwell jósolta meg 1864-ben híres egyenleteiben. Kísérletileg 1888-ban Heinrich Hertz bizonyította be, hogy a rádióhullámok és a fény egyaránt elektromágneses hullámok. Hertz állított elő először rádióhullámokat, megmérte a hullámhosszukat, és a frekvencia ismeretében megmutatta, hogy a terjedési sebességük megegyezik a fényével.

A mikrohullám kifejezés talán első előfordulása 1931-ben:

„Amikor nyilvánosságra hozták az eredményeket az olyan rövid hullámhosszú hullámokról, mint a 18 cm-es, leplezetlen öröm öntött el minket afelől, hogy a mikrohullám problémáját ilyen hamar megoldották.” Telegraph & Telephone Journal XVII. 179/1

A csillagászathoz kapcsolódóan a mikrohullám kifejezés első előfordulása 1946-ból Robert Dicke-től és Robert Beringertől származik.^[4][5]

Előfordulása és mesterséges előállítása

Felmetszett magnetron (a mágnes nem látható)

Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás

Kozmikus eredetű háttérsugárzás formájában a mikrohullámú sugárzás természetes módon jelen van a környezetünkben, az egész világegyetemet kitölti. Energiaeloszlása a 2,725 K hőmérsékletű feketetest-sugárzásának felel meg, ennek maximuma 160,4 GHz-nél, azaz 1,9 mm-es hullámhossznál található és ez éppen a mikrohullámú frekvenciatartományba esik.

A Föld légköre a mikrohullámú frekvenciáknál nagyobb, azaz 300 GHz fölött gyakorlatilag minden elektromágneses sugárzást elnyel, kivéve az úgynevezett optikai (ezen belül is a látható), illetve bizonyos infravörös frekvenciatartományokat.

Előállítása

Mikrohullámú sugárzást mesterségesen többféleképpen is elő lehet állítani, a módszerek két kategóriába sorolhatók: vákuumcsövekkel és szilárd halmazállapotú eszközökkel. A nagy teljesítményű sugárzás előállítására alkalmas vákuumcsöves eszközökben elektromos és/vagy mágneses mezővel gyorsítják az elektronnyalábot, így hozva létre mikrohullámú sugárzást. Ilyen eszköz a magnetron, klisztron, girotron, turbátor (interdigitális magnetron). A félvezető eszközök – ilyenek például a szilíciumból vagy gallium-arzenidból készültek – elsősorban kisebb teljesítményű sugárzás előállítására használatosak. De léteznek speciális félvezető változatok – mint például a HBT, a MESFET, a HEMT és az LMOS tranzisztorok –, amiket kifejezetten nagyobb teljesítményű mikrohullámú alkalmazásokra fejlesztettek ki.

Alkalmazások

• A mikrohullámú sütő egy magnetron mikrohullámú generátort használ arra hogy egy körülbelül 2,5 GHz-es mikrohullámú sugárzást hozzon létre főzés céljából. A mikrohullámok a főzendő ételben a víznek és egyéb vegyületeknek a dipólusos molekuláit rezegtetik, illetve forgatják. A molekulák ilyen rendezetlen rezgéseit a statisztikus fizika hőmérsékletként értelmezi. Tehát minél jobban rezegnek ezek a molekulák, annál melegebbnek érezzük az ételt. Mivel a szerves anyagok többnyire vízből állnak, így az ételt is könnyű ilyen módszerrel melegíteni.
• A mikrohullámokat műsorszórásban is használják, mivelhogy a mikrohullámok könnyebben hatolnak át a föld atmoszféráján, kisebb zajjal, mint a hosszabb hullámhosszak. Ráadásul sokkal nagyobb a mikrohullámú spektrum sávszélessége, mint más rádiófrekvenciás tartományoké. Egy tipikus alkalmazása például a híradós kocsikból szórt műsor, amelyet különleges földi állomásoknak továbbíthatják a híreket.
• A radar szintén mikrohullámokat használ arra hogy meghatározza tárgyak távolságát, sebességét és egyéb tulajdonságait.
• WLAN protokollok, mint a Bluetooth, és az IEEE 802.11g és b is a szabadon felhasználható 2,4 GHz–es frekvenciát használják. A 802.11a szabvány az 5 GHz–es tartományban működik. A korlátozott, hosszútávú (akár 25 km) vezeték nélküli internet-hozzáférési szolgáltatások is sok országban megtalálhatóak (az USA-ban nem) ezek a 3,5 – 4 GHz tartományban működnek.
• A MAN hálózati protokollok, mint például a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is az IEEE 802.16-os specifikáció alapján működnek. Az IEEE 802.16 szabvány eredetileg 2-től 11 GHz-ig működik de a forgalomba került implementációk 2,5, 3,5 és 5,8 GHz-es tartományban működnek.
• A koaxiális kábelen továbbított kábeltévé és internetszolgáltatások és a felszíni televízió műsorszórás is az alacsonyabb mikrohullámú frekvenciát használják. Bizonyos telefonhálózatok mint például a GSM is az alacsony mikrohullám tartományt használják.
• Sok félvezető gyártási eljárás is mikrohullámot használ hogy plazmát generáljanak a reaktív-ion maratáshoz illetve a plazmával fokozott kémiai rétegleválasztáshoz.
• Mikrohullámokkal energiát is lehet átvinni nagy távolságokra, a második világháború utáni kutatások ennek lehetőségeit kutatták. A NASA az 1970-es években dolgozott egy olyan rendszeren, ami orbitális napkollektorok energiáját gyűjtené össze, és küldené le a földre mikrohullámok segítségével.
• A mézer egy a lézerhez hasonlító eszköz, ami mikrohullámú frekvenciákban működik.

Kapcsolódó szócikkek

A modern korra is alkalmazható elektromágneses elmélet fejlődéséről lásd a következő cikkeket:

• Jagdish Chandra Bose
• Michael Faraday
• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Nikola Tesla
• Guglielmo Marconi
• Samuel Morse
• Sir William Thomson, később Lord Kelvin
• Oliver Heaviside
• Lord Rayleigh
• Oliver Lodge