المعرفة

ميكروويڤ

هذا المقال هو عن الموجة الكهرومغناطيسية. إذا كنت تريد جهاز الطهي، انظر فرن الميكروويڤ. إذا كنت تريد استخدامات أخرى، انظر ميكروويڤ (توضيح).

الميكروويڤ (إنگليزية: Microwave)، هو أحد أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بأطوال موجية تتراوح من حوالي 30 سنتيمتر إلى واحد مليمتر، وترددات بين 100 ميگاهرتز إل 300 گيگاهرتز على التوالي.[1][2][3][4][5][6] تحدد المصادر المختلفة نطاقات ترددية مختلفة على أنها موجات ميكروويڤ؛ يتضمن التعريف الواسع أعلاه نطاقات UHF، SHF وEHF (موجة ملليمترية). التعريف الأكثر شيوعًا في هندسة الترددات الراديوية هو النطاق بين 1 و100 گيگاهرتز (الأطوال الموجية بين 0.3 متر و3 ملم).[2] في جميع الحالات، تشتمل أجهزة الميكروويڤ على نطاق SHF بالكامل (3 إلى 30 گيگاهرتز ، أو 10 إلى 1 سم) كحد أدنى. غالبًا ما يُشار إلى الترددات الموجودة في نطاق الموجات الدقيقة بتسمياتها نطاق رادار IEEE: نطاق S، C، X، Ku، K، أو Ka band، أو بواسطة تعينات مشابهة لتعيينات الناتو أو الاتحاد الأوروپي.

برج اتصالات به مجموعة متنوعة من هوائيات الأطباق لوصلات إرسال الميكروويڤ على قمة فرايزر، مقاطعة ڤنتورا، كاليفورنيا. فتحات الأطباق مغطاة بأغطية بلاستيكية (قباب الرادار) لمنع الرطوبة.

السابقة ميكرو- في ميكروويڤ ليس المقصود منها اقتراح طول موجي في نطاق الميكرومتر. بل تشير إلى أن الموجات الدقيقة "صغيرة" (ذات أطوال موجية أقصر)، مقارنة بموجات الراديو المستخدمة قبل تكنولوجيا الموجات الدقيقة. الحدود بين الأشعة تحت الحمراء البعيدة، إشعاع تيراهيرتز، والميكروويڤ، وموجات الراديو ذات التردد العالي للغاية هي حدود عشوائية إلى حد ما وتستخدم بشكل مختلف بين المجالات المختلفة من الدراسة.

تنتقل أشعة الميكروييڤ عبر خط البصر؛ على عكس موجات الراديو منخفضة الترددات، فإنها لا تنحرف حول التلال، أو تتبع سطح الأرض على هيئة موجات أرضية، أو تنعكس من الغلاف الأيوني، لذا فإن وصلات الاتصالات الأرضية بالموجات الدقيقة محدودة بالمرئية الأفق إلى حوالي 64 كم. وفي الطرف العلوي من النطاق، تمتصها الغازات الموجودة في الغلاف الجوي، مما يحد من مسافات الاتصال العملية بحوالي واحد كيلومتر. يستخدم الميكروويڤ على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة، على سبيل المثال في روابط الاتصالات من نقطة إلى نقطة، والشبكات اللاسلكية، وشبكات انتقال راديو الميكروويڤ، و[ [الرادار]]، الاتصالات الساتلية وبين المركبات الفضائية، الإنفاذ الحراري الطبي وعلاج السرطان، الاستشعار عن بعد، علم الفلك الراديوي، مسرع الجسيمات، التحليل الطيفي، والتدفئة الصناعية، ونظم تجنب الاصطدام، وأجهزة فتح باب المرآب ونظم الدخول بندون مفتاح، ولطهي الطعام في أفران الميكروويڤ.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الطيف الكهرومغناطيسي

يشغل الميكروويڤ مكانًا في الطيف الكهرومغناطيسي بتردد أعلى من الموجات الراديوية العادية، وأقل من ضوء الأشعة تحت الحمراء:

الطيف الكهرومغناطيسي
الاسم الطول الموجي التردد (Hz) طاقة الفوتون (eV)
آشعة گاما < 0.01 ن.م. > 30 EHz > 124 keV
الأشعة السينية 0.01 ن.م.– 10 ن.م. 30 EHz – 30 PHz 124 keV – 124 eV
الأشعة الفوق بنفسجية 10 ن.م.– 400 ن.م. 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3 eV
الضوء المرئي 400 ن.م.– 750 ن.م. 750 THz – 400 THz 3 eV – 1.7 eV
الأشعة تحت الحمراء 750 ن.م.– 1 ملم 400 THz – 300 GHz 1.7 eV – 1.24 meV
الميكروويڤ 1 ملم– 1 m 300 GHz – 300 MHz 1.24 meV – 1.24 µeV
الراديو ≥ 1 m ≤ 300 MHz ≤ 1.24 µeV

في وصف الطيف الكهرومغناطيسي، تصنف بعض المصادر الميكروويڤ كموجات راديوية، وهي مجموعة فرعية من نطاق الموجات الراديوية، بينما يصنف البعض الآخر الميكروويڤ والموجات الراديوية كأنواع متميزة من الإشعاع. وهذا تمييز تعسفي.[بحاجة لمصدر]


الانتشار

المقالة الرئيسية: انتشار راديوي
 
التوهين الأتموسفيري للميكروويڤ والأشعة تحت الحمراء البعيدة في الهواء الجاف مع مستوى بخار الماء المترسب يبلغ 0.001 مم. تتوافق الارتفاعات الهبوطية في الرسم البياني مع الترددات التي تمتص الميكروويڤ بقوة أكبر. يتضمن هذا الرسم البياني نطاقًا من الترددات من 0 إلى 1 تيراهيرتز؛ الميكروويڤ هي المجموعة الفرعية التي تتراوح بين 0.3 و300 گيگاهرتز.

ينتقل الميكروويڤ فقط عبر مسارات خط البصر؛ على عكس الموجات الراديوية ذات التردد المنخفض، فإنها لا تنتقل كموجات أرضية تتبع محيط الأرض، أو تنعكس عن الغلاف الأيوني (موجات سماوية).[7]

على الرغم من أنه في الطرف المنخفض من النطاق، يمكنه المرور عبر جدران المبنى بما يكفي لاستقبال ذي فائدة، وعادة ما تكون حقوق الطريق الممهدة إلى منطقة فرسنل مطلوبة. لذلك، على سطح الأرض، يقتصر نطاق اتصالات الميكروويڤ بالأفق البصري على حوالي 30-40 ميلاً. تمتص الرطوبة الموجودة في الغلاف الجوي الميكروويڤ، ويزداد التوهين مع التردد، ليصبح عاملاً هاماً (rain fade) عند الطرف العلوي من النطاق. بدءًا من حوالي 40 گيگاهرتز، تبدأ غازات الغلاف الجوي أيضًا في امتصاص الميكروويڤ، لذلك يقتصر إرسال الميكروويڤ فوق هذا التردد على بضعة كيلومترات.

يتسبب هيكل النطاق الطيفي في حدوث ذروة الامتصاص عند ترددات محددة (انظر الرسم البياني على اليمين). فوق 100 گيگاهرتز، يكون امتصاص الغلاف الجوي للأرض للإشعاع الكهرومغناطيسي فعالاً للغاية لدرجة أنه يصبح معتماً، حتى يصبح الغلاف الجوي شفافًا مرة أخرى فيما يسمى الأشعة تحت الحمراء ونطاقات تردد النافذة البصرية.

الانتثار التروپوسفيري

المقالة الرئيسية: انتثار تروپوسفيري

في شعاع الميكروويڤ الموجه بزاوية نحو السماء، ستتشتت كمية صغيرة من الطاقة بشكل عشوائي أثناء مرور الشعاع عبر التروپوسفير.[7] يمكن لجهاز استقبال حساس خلف الأفق بهوائي عالي الالتقاط يركز على تلك المنطقة من طبقة التروبوسفير أن يلتقط الإشارة. استخدمت هذه التقنية عند ترددات تتراوح بين 0.45 و5 گيگاهرتز في أنظمة الاتصالات التشتت التروپوسفيري للتواصل خارج الأفق، على مسافات تصل إلى 300 كيلومتر.

الهوائيات

 
يستخدم قائد الموجة لحمل الميكروويڤ. مثال لقائد الموجة وديپلكسر في رادار المراقبة الجوية.

تسمح الأطوال الموجية القصيرة للميكروويڤ بتصنيع الهوائيات الغير موجهة للأجهزة المحمولة الصغيرة للغاية، يتراوح طوله من 1 إلى 20 سم، لذلك تُستخدم ترددات الميكروويڤ على نطاق واسع في الأجهزة اللاسلكية مثل الوصول إلى الهواتف الخلوية، والهواتف اللاسلكية، والشبكات المحلية اللاسلكية (الواي-فاي) لسماعات الحواسب المحمولة، وسماعات الأذن البلوتوث. تشتمل الهوائيات المستخدمة على هوائيات سوطية قصيرة، وهوائيات مطاطة، هوائيات ثنائية القطب، وهوائيات التصحيح، وبشكل متزايد الدائرة المطبوعة inverted F antenna (PIFA) المستخدمة في الهواتف المحمولة.

كما يسمح طولها الموجي القصير بإنتاج حزم ضيقة من الميكروويڤ بواسطة هوائيات الكسب العالي هوائي التي يتراوح قطرها من نصف متر إلى 5 أمتار. لذلك، تستخدم حزم الميكروويڤ لوصلات الاتصالات من نقطة إلى نقطة، والرادار. تتمثل ميزة الحزم الضيقة في أنها لا تتداخل مع المعدات القريبة التي تستخدم نفس التردد، مما يسمح إعادة استخدام التردد بواسطة أجهزة الإرسال القريبة. الهوائيات المكافئة ("الطبق") هي الهوائيات التوجيهية الأكثر استخدامًا على ترددات الميكروويڤ، لكن تستخدم أيضاً هوائيات البوق، وهوائيات الفتحة، وهوائيات العدسة. تستخدم هوائيات الشريط الصغير المسطحة بشكل متزايد في الأجهزة الاستهلاكية.

عند ترددات الميكروويڤ ، فإن خطوط نقل الكهرباء المستخدمة لنقل الموجات الراديوية ذات التردد المنخفض من وإلى الهوائيات، مثل الكبل المحوري وخطوط الأسلاك المتوازية، تعاني من فقدان مفرط للطاقة، لذلك عندما يكون التوهين المنخفض مطلوبًا، يُحمل الميكروويڤ بواسطة أنابيب معدنية تسمى قائد الموجة. نظرًا للتكلفة العالية ومتطلبات الصيانة لتشغيل الدليل الموجي، في العديد من هوائيات الميكروويڤ، تقع مرحلة الإخراج جهاز الإرسال أو الواجهة الأمامية للتردد الراديوي الخاصة بجهاز الاستقبال عند الهوائي.

التصميم والتحليل

لمصطلح الميكروويڤ أيضًا معنى أكثر تقنية في الكهرومغناطيسية ونظرية الدوائر.[8][9] يمكن وصف الأجهزة والتقنيات نوعيًا بأنها "ميكروويڤ" عندما تكون الأطوال الموجية للإشارات تقريبًا نفس أبعاد الدائرة، بحيث تكون نظرية الدائرة ذات العناصر المجمعة غير دقيقة، وبدلاً من ذلك عناصر الدائرة الموزعة ونظرية خط النقل هي طرق أكثر فائدة للتصميم والتحليل.

نتيجة لذلك، تميل دوائر الميكروويڤ العملية إلى الابتعاد عن المقاومات، والمكثفات، والمستحثات المنفصلة المستخدمة مع الموجات الراديوية ذات التردد المنخفض. تستبدل خطوط نقل الكهرباء ذات الأسلاك المفتوحة والمحورية المستخدمة في الترددات المنخفضة بقائد الموجة والخطوط الشريطية، وتستبدل الدوائر المضبوطة ذات العناصر المجمعة بتجويف مرنان أو resonant stubs.[8] في المقابل، عند الترددات الأعلى، حيث يصبح الطول الموجي للموجات الكهرومغناطيسية صغيرًا مقارنة بحجم الهياكل المستخدمة لمعالجتها، تصبح تقنيات الميكروويڤ غير كافية، وتستخدم طرق البصريات.

مصادر الميكروويڤ

 
 
منظر مستقطع داخل تجويف مغناطيسي مثل المستخدم في فرن الميكروويڤ (يسار). مقسم الهوائي: أصبحت تقنيات الشريط الصغير ضرورية بشكل متزايد عند الترددات الأعلى (يمين).
 
مسدس سرعة الرادار مفكك. المجموعة الرمادية الملحقة بنهاية الهوائي البوقي ذو اللون النحاسي هي الصمام ثنائي القن الذي يولد الميكروويڤ.

تستخدم مصادر الميكروويڤ عالية الطاقة صمامات مفرغة متخصصة لتوليد الميكروويڤ. تعمل هذه الأجهزة بمبادئ مختلفة عن الصمامات المفرغة ذات التردد المنخفض، وذلك باستخدام الحركة الباليستية للإلكترونات في الفراغ تحت تأثير التحكم بالمجالات الكهربائية أو المغناطيسية، وتشمل المغنطرون (المستخدم في فرن الميكروويڤ)، الكليسترون، أنبوب الموجة المتنقلة (TWT)، والجيروترون.

تستخدم مصادر الميكروويڤ منخفضة الطاقة أجهزة الحالة الصلبة مثل ترانزستور تأثير المجال (على الأقل عند الترددات المنخفضة)، والصمام الثنائي المساري النفقي، والصمام الثنائي القن، وIMPATT diode.[10] تتوفر مصادر الطاقة المنخفضة كأدوات توضع على الطاولة، وأدوات مثبتة على حامل، ووحدات قابلة للتضمين وفي تنسيقات على مستوى البطاقة. الميزر هو جهاز ذو حالة صلبة يعمل على تضخيم الموجات الدقيقة باستخدام مبادئ تشبه الليزر، الذي يعمل على تضخيم موجات الضوء ذات التردد العالي.

تنبعث جميع الأجسام الدافئة من إشعاع الجسم الأسود الميكروويڤي منخفضة المستوى، اعتمادًا على درجة حرارتها، لذلك في الأرصاد الجوية والاستشعار عن بعد، يستخدم مقياس الميكروويڤ لقياس درجة حرارة الأشياء أو التضاريس،[11] The sun[12] والمصادر الراديوية الفلكية الأخرى مثل كاسيوپيا أ تنبعث منها إشعاعات ميكروويڤ منخفضة المستوى تحمل معلومات حول تركيبها، والتي تتم دراستها بواسطة علماء الفلك الراديوي باستخدام أجهزة استقبال تسمى التلسكوبات الراديوية.[11] إشعاع الخلفية المكروية الكوني (CMBR)، على سبيل المثال، عبارة عن ضجيج ميكروويڤ ضعيف يملأ الفضاء الفارغ وهو مصدر رئيسي للمعلومات حول نظرية الانفجار العظيم الكونية عن أصل الكون.

استخدامات الميكروويڤ

تُستخدم تكنولوجيا الميكروويڤ على نطاق واسع في الاتصالات من نقطة إلى نقطة (أي الاستخدامات غير الإذاعية). تعتبر أشعة الميكروويڤ مناسبة بشكل خاص لهذا الاستخدام حيث يتم تركيزها بسهولة أكبر في حزم أضيق من الموجات الراديوية، مما يسمح بإعادة استخدام التردد؛ تسمح تردداتها الأعلى نسبيًا سعة الاتصال ومعدل نقل البيانات العالي، وأحجام الهوائي أصغر من الترددات المنخفضة لأن حجم الهوائي يتناسب عكسيًا مع التردد المرسل. يستخدم الميكروويڤ في اتصالات المركبات الفضائية، وتُنقل الكثير من بيانات العالم والاتصالات التلفزيونية والهاتفية لمسافات طويلة بواسطة الميكروويڤ بين المحطات الأرضية وسواتل الاتصالات. يُستخدم الميكروويڤ أيضًا في أفران الميكروويڤ وفي تكنولوجيا الرادار.


الاتصالات

 
طبق ساتل على مسكن، حيث يستقبل التلفزيون الساتلي على شعاع ميكروويڤ حزمة Ku 12–14 گيگاهرتز من ساتل اتصالات بث مباشر في المدار الثابت بالنسبة للأرض على بعد 35.700 كيلومتر فوق الأرض.
المقالة الرئيسية: من نقطة-إلى-نقطة (اتصالات), الإرسال عبر الميكروويڤ, and اتصالات ساتلية

قبل ظهور نقل الألياف البصرية، كانت معظم المكالمات الهاتفية على مسافات بعيدة تُنقل عبر شبكات روابط الإرسال الراديوي عبر الميكروويڤ التي تديرها شركات النقل مثل إيه تي أند تي لونگ لاينز. بدءًا من أوائل الخمسينيات، استخدم الإرسال المتعدد المقسم حسب التردد لإرسال ما يصل إلى 5400 قناة هاتفية على كل قناة راديوية تعمل بالميكروويڤ مع ما يصل إلى عشر قنوات راديوية مدمجة في هوائي واحد للانتقال إلى الموقع التالي، على بعد يصل إلى 70 كم.

پروتوكولات الشبكات المحلية اللاسلكية مثل البلوتوث ومواصفات IEEE 802.11 المستخدمة للواي-فاي، تستخدم الميكروويڤ أيضاً في حزمة ISM 2.4 گيگاهرتز، على الرغم من أن 802.11a تستخدم ترددات حزمة ISM وU-NII في نطاق 5 گيگاهرتز. قامت لجنة الاتصالات الفيدرالية مؤخرًا بتخصيص نطاق التردد لشركات الاتصالات التي ترغب في تقديم خدمات في هذا النطاق في الولايات المتحدة - مع التركيز على 3.65 گيگاهرتز. يقوم العشرات من مقدمي الخدمة في جميع أنحاء البلاد بتأمين أو حصلوا بالفعل على تراخيص من لجنة الاتصالات الفيدرالية للعمل في هذا النطاق. إن عروض خدمة وايماكس التي يمكن حملها على نطاق 3.65 جيجا هرتز ستمنح عملاء الأعمال خيارًا آخر للاتصال.

تعتمد پروتوكولات الشبكة المدينية (MAN)، مثل وايماكس (قابلية التشغيل البيني العالمية للوصول إلى الميكروويڤ) على معايير مثل IEEE 802.16، المصممة للعمل بين 2 و11 گيگاهرتز. تقع التطبيقات التجارية في نطاقات 2.3 گيگاهرتز و2.5 گيگاهرتز و3.5 گيگاهرتز و5.8 گيگاهرتز.

پروتوكولات الوصول اللاسلكي المستندة على المواصفات القياسية للنطاق العريض للأجهزة المحمولة مثل IEEE 802.20 أو ATIS/ANSI HC-SDMA (مثل iBurst) بين 1.6 و2.3 گيگاهرتز لتوفير خصائص التنقل والاختراق داخل المباني المشابهة للهواتف المحمولة، لكن مع كفاءة طيفية أكبر بكثير.[13]

تستخدم بعض شبكات الهاتف المحمول، مثل GSM، ترددات الميكروويڤ ذات الترددات المنخفضة/العالية جدًا (UHF) حوالي 1.8 و1.9 گيگاهرتز في الأمريكتين وأماكن أخرى، على التوالي. يستخدم DVB-SH وS-DMB نطاقًا من 1.452 إلى 1.492 گيگاهرتز، بينما يستخدم الراديو الساتلي الخاص/غير المتوافق في الولايات المتحدة حوالي 2.3 گيگاهرتز لخدمة الراديو الصوتي الرقمي.

يستخدم راديو الميكروويڤ في البث والاتصالات لأنه نظرًا لطول موجته القصير، فإن الهوائي الموجه العالي أصغر وبالتالي أكثر عملية مما قد يكون عليه في الأطوال الموجية الأطول (الترددات المنخفضة). يوجد أيضًا عرض النطاق الترددي في طيف الميكروويڤ أكبر من بقية الطيف الراديوي؛ عرض النطاق الترددي القابل للاستخدام أقل من 300 ميگاهرتز أقل من 300 ميگاهرتز بينما يمكن استخدام العديد فوق 300 ميگاهرتز. عادة ما يستخدم الميكروويڤ في الأخبار التلفزيونية لنقل الإشارة من مكان بعيد إلى محطة التلفزيون من على شاحنة مجهزة خصيصًا. انظر خدمة البث المساعدة (BAS)، وحدة الالتقاط عن بعد (RPU)، ورابط الاستوديو/المرسل (STL).

تعمل معظم أنظمة الاتصالات الساتلية في حزم C أو X أو Ka أو Ku من طيف الميكروويڤ. تتيح هذه الترددات عرض نطاق ترددي كبير مع تجنب ترددات UHF المزدحمة والبقاء تحت مستوى الامتصاص الجوي لترددات EHF. يعمل التلفزيون الساتلي يعمل إما في الحزمة C للتلفزيون التقليدي على الأطباق الكبيرة للخدمة الساتلية الثابتة أو الحزمة Ku لساتل البث المباشر. تعمل الاتصالات العسكرية على روابط الحزمة X أو Ku، حيث تستخدم الحزمة Ka للميلستار.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الملاحة

للمزيد من المعلومات: ملاحة ساتلية and ملاحة

النظام العالمي للملاحة الساتلية (GNSS) بما في ذلك نظام بـِيْ‌دو الصيني، ونظام تحديد المواقع العالمي الأمريكي (الذي طُرح عام 1978) ونظام گلوناس الروسي يبث إشارات ملاحية في نطاقات مختلفة تتراوح بين حوالي 1.2 گيگاهرتز و1.6 گيگاهرتز.

الرادار

 
الهوائي المكافئ (السطح المنحني السفلي) لرادار مراقبة المطار ASR-9 الذي الذي يصدر شعاعًا عموديًا ضيقًا على شكل مروحة يبلغ تردده 2.7–2.9 گيگاهرتز (الحزمة S) لتحديد موقع الطائرة في المجال الجوي المحيط بالمطار.
المقالة الرئيسية: رادار

الرادار هي تقنية لتحديد الموقع الراديوي حيث ترتد حزمة من الموجات الراديوية المنبعثة من جهاز الإرسال عن جسم ما وتعود إلى جهاز الاستقبال، مما يسمح بتحديد موقع الجسم ومداه وسرعته وخصائصه الأخرى. عازم. يتسبب الطول الموجي القصير لأشعة الميكروويڤ في انعكاسات كبيرة من أجسام بحجم السيارات والسفن والطائرات. أيضًا، عند هذه الأطوال الموجية، تكون الهوائيات ذات الكسب العالي مثل الهوائي المكافئ المطلوبة لإنتاج عروض الحزمة الضيقة اللازمة لتحديد موقع الأجسام بدقة صغيرة بشكل ملائم، مما يسمح بتدويرها بسرعة للبحث عن الأشياء.

ولذلك فإن ترددات الميكروويڤ هي الترددات الرئيسية المستخدمة في الرادار. يستخدم رادار الميكروويڤ على نطاق واسع لتطبيقات مثل مراقبة الحركة الجوية، والتنبؤ بالطقس، وملاحة السفن، وإنفاذ حدود السرعة. تستخدم رادارات المسافات الطويلة ترددات الميكروويڤ المنخفضة نظرًا لأن الامتصاص الجوي في الطرف العلوي للنطاق يحد من النطاق، ولكن تُستخدم الموجة المليمترية للرادار قصير المدى مثل نظم تفادي الاصطدام.

 
بعض هوائيات الأطباق الخاصة بـ مصفوفة أتاكاما المليمترية الكبرى (ALMA) وهو تلسكوب راديوي يقع في شمال تشيلي. يستقبل الميكروويڤ في نطاق الموجة المليمترية، 31-1000 گيگاهرتز.
 
خرائط إشعاع الخلفية المكروي الكوني (CMBR)، توضح الدقة المحسنة التي تم تحقيقها باستخدام التلسكوبات الراديوية المكروية الأفضل.

علم الفلك الراديوي

المقالة الرئيسية: علم الفلك الراديوي

إشعاعات الميكروويڤ من المصادر الراديوية الفلكية، النجوم، المجرات، السدم يتم دراستها في علم الفلك الراديوي باستخدام أطباق هوائية كبيرة تسمى التلسكوبات الراديوية. بالإضافة إلى استقبال إشعاعات الميكروويڤ التي تحدث بشكل طبيعي، تم استخدام التلسكوبات الراديوية في تجارب الرادار النشطة لترتد موجات الميكروويڤ عن الكواكب في النظام الشمسي، لتحديد المسافة إلى القمر أو رسم خريطة للسطح غير المرئي لكوكب الزهرة من خلال الغطاء السحابي.

التلسكوب الراديوي المكروي الذي تم الانتهاء منه مؤخرًا هو مصفوفة أتاكاما المليمترية الكبيرة، الواقع على ارتفاع أكثر من 5000 متر في تشيلي، والذي يراقب الكون في نطاقات أطوال موجية مليمتر ودون المليمتر. يعد هذا المشروع أكبر مشروع فلكي أرضي في العالم حتى الآن، ويتكون من أكثر من 66 طبقًا وتم بناؤه بالتعاون الدولي بين أوروپا وأمريكا الشمالية وشرق آسيا وتشيلي.[14][15]

كان التركيز الرئيسي الأخير لعلم الفلك الراديوي المكروي هو رسم خرائط إشعاع الخلفية الصغروي الكوني (CMBR) الذي اكتشفه عالما الفلك الراديوي عام 1964 أرنو پنزياس وروبرت ولسون. هذا الإشعاع الخلفي الخافت، الذي يملأ الكون وهو تقريبًا نفسه في جميع الاتجاهات، هو "إشعاع مندثر" من الانفجار الكبير، وهو أحد المصادر القليلة للمعلومات حول الظروف في الكون المبكر. بسبب توسع الكون وبالتالي تبريده، تم تحويل الإشعاع عالي الطاقة في الأصل إلى منطقة الميكروويڤ من الطيف الراديوي. يمكن للتلسكوب الراديوي الحساس بدرجة كافية اكتشاف إشعاع الخلفية الصغروي الكوني كإشارة باهتة غير مرتبطة بأي نجم أو مجرة أو أي جرم آخر.[16]

تطبيقات التدفئة والطاقة

 
فرن ميكروويڤ صغير على رف مطبخ.
 
يستخدم ميكروويڤ على نطاق واسع للتسخين في العمليات الصناعية. فرن ميكروويڤ نفقي لتليين القضبان البلاستيكية قبل البثق.

يمرر فرن الميكروويڤ إشعاعات الميكروويڤ بتردد يقارب 2.45 GHz (12 cm) خلال الطعام، مما يسبب إنفاذاً حرارياً بصفة رئيسية عن طريق امتصاص الطاقة في المياه. أصبحت أفران الميكروويڤ أجهزة منزلية شائعة في البلدان الغربية منذ أواخر السبعينيات، في أعقاب تطوير الأنابيب المغناطيسية الإلكترونية الأقل تكلفة. يمتلك الماء في الحالة السائلة العديد من التفاعلات الجزيئية التي تزيد من ذروة الامتصاص. في مرحلة البخار، تمتص جزيئات الماء المعزولة حوالي 22 گيگاهرتز، أي ما يقرب من عشرة أضعاف تردد فرن الميكروويڤ.

يستخدم التسخين بالميكروويڤ في العمليات الصناعية لتجفيف المنتجات الغير لدنة.

تستخدم العديد من تقنيات معالجة أشباه الموصلات الميكروويڤ لتوليد الپلازما لأغراض مثل الحفر الأيوني التفاعلي والترسيب الكيميائي للبخار (PECVD) المعزز بالپلازما.

يستخدم الميكروويڤ في مفاعلات الاندماج التجريبية الستيلاراتور والتوكاماك للمساعدة في تحلل الغاز إلى پلازما وتسخينه إلى درجات حرارة عالية جدًا. يضبط التردد على رنين السيكلوترون للإلكترونات الموجودة في المجال المغناطيسي، في أي مكان بين 2-200 گيگاهرتز، ومن ثم يشار إليه غالبًا باسم تسخين الرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECRH). المفاعل النووي الحراري القادم ITER[17] سيستخدم ميكروويڤ يصل إلى 20 م.و. بتردد 170 گيگاهرتز.

يمكن استخدام الميكروويڤ في نقل الطاقة عبر مسافات طويلة، وقد أجريت أبحاث ما بعد الحرب العالمية الثانية لفحص الاحتمالات. عملت ناسا في السبعينيات وأوائل الثمانينيات على البحث في إمكانيات استخدام أنظمة سواتل الطاقة الشمسية (SPS) ذات المصفوفة الشمسية التي من شأنها إرسال الطاقة إلى سطح الأرض عن طريق الميكروويڤ.

هناك أسلحة أقل فتكاً تستخدم موجات ملليمترية لتسخين طبقة رقيقة من جلد الإنسان إلى درجة حرارة لا تطاق وذلك لجعل الشخص المستهدف يتحرك بعيدًا. يعمل انفجار مدته ثانيتان من الشعاع المركز بتردد 95 گيگاهرتز على تسخين الجلد إلى درجة حرارة 54 درجة مئوية على عمق 0.4 ملم. يستخدم القوات الجوية ومشاة البحرية الأمريكية حاليًا هذا النوع من نظام الرفض النشط في المنشآت الثابتة.[18]

المطيافية

يُستخدم إشعاع الميكروويڤ في مطيافية الرنين المغنطيسي الإلكتروني (EPR أو ESR)، عادةً في منطقة النطاق X (~9 گيگاهرتز) بالتزامن عادةً مع المجال المغناطيسي بمقدار 0.3 تسلا. توفر هذه التقنية معلومات عن الإلكترونات الغير متزاوجة في الأنظمة الكيميائية، مثل الجذور الحرة أو أيونات الفلز الانتقالي مثل Cu(II). يستخدم إشعاع الميكروويڤ أيضًا لإجراء التحليل الطيفي الدوراني ويمكن دمجه مع الكيمياء الكهربية كما في الكيمياء الكهربية المعززة بالميكروويڤ.

حزم تردد الميكروويڤ

تُحدد حزم الترددات في طيف الميكروويڤ بأحرف. ولسوء الحظ، هناك العديد من أنظمة تعيين الحزم غير المتوافقة، وحتى داخل النظام فإن حزم التردد المقابلة لبعض الحروف تختلف بعض الشيء بين مجالات التطبيق المختلفة.[19][20]

يعود أصل نظام الحروف إلى الحرب العالمية الثانية في مجموعة أمريكية سرية للغاية من الحزم المستخدمة في مجموعات الرادار؛ وهذا هو أصل أقدم نظام حروف، وهو حزم الرادار IEEE. مجموعة واحدة من تسميات حزم تردد الموجات الدقيقة من قبل جمعية بريطانيا العظمى للراديو (RSGB)، مدرجة أدناه:

أرقام حزم الراديو حسب ITU

4 5 6 7 8 9 10 11 12

رموز حزم الراديو حسب ITU

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

NATO Radio bands

A B C D E F G H I J K L M

حـِزم الرادار حسب IEEE

HF VHF UHF L S C X Ku K Ka V W

edit

حزم تردد الميكروويڤ
التعيين نطاق التردد نطاق الطول الموجي الاستخدامات التقليدية
الحزمة L 1 إلى 2 ج.هرتز 15 سم إلى 30 سم القياس عن بعد في المجال العسكري، GPS، الهواتف الخلوية (GSM)، راديو الهواة
الحزمة S 2 إلى 4 ج.هرتز 7.5 سم إلى 15 سم رادار الطقس، رادار السفن السطحية، بعض سواتل الاتصالات، أفران الميكروويڤ، أجهزة/اتصالات الميكروويڤ، علم الفلك الراديوي، الهواتف الخلوية، LAN اللاسلكي، البلوتوث، ZigBee GPS، راديو الهواة
الحزمة C 4 إلى 8 ج.هرتز 3.75 سم إلى 7.5 سم اتصالات الراديو للمسافات الطويلة، LAN اللاسلكي، راديو الهواة
الحزمة X 8 إلى 12 ج.هرتز 25 ملم إلى 37.5 ملم الاتصالات الساتلية، النطاق العريض الأرضي، الاتصالات الفضائية، راديو الهواة، المطيافية الدورانية الجزيئية
الحزمة Ku 12 إلى 18 ج.هرتز 16.7 ملم إلى 25 ملم الاتصالات الساتلية، المطيافية الدورانية الجزيئية
الحزمة K 18 إلى 26.5 ج.هرتز 11.3 ملم إلى 16.7 ملم الرادار، الاتصالات الساتلية، عمليات الرص الفلكي، رادار السيارات، المطيافية الدورانية الجزيئية
الحزمة Ka 26.5 إلى 40 ج.هرتز 5.0 ملم إلى 11.3 ملم الاتصالات الساتلية، المطيافية الدورانية الجزيئية
الحزمة Q 33 إلى 50 ج.هرتز 6.0 ملم إلى 9.0 ملم الاتصالات الساتلية، اتصالات الميكروويڤ الأرضية، علم الفلك الراديوي، رادار السيارات، المطيافية الدورانية الجزيئية
الحزمة U 40 إلى 60 ج.هرتز 5.0 ملم إلى 7.5 ملم
الحزمة V 50 إلى 75 ج.هرتز 4.0 ملم إلى 6.0 ملم أبحاث رادار الموجات المليمترية، المطيافية الدورانية الجزيئية وبعض أنواع البحث العلمي
الحزمة W 75 إلى 110 ج.هرتز 2.7 ملم إلى 4.0 ج.هرتز الاتصالات الساتلية، أبحاث رادار الموجات المليمترية، تطبيقات استهداف وتتبع الرادار العسكري، وبعض التطبيقات الغير عسكرية، رادار السيارات
الحزمة F 90 إلى 140 ج.هرتز 2.1 ملم إلى 3.3 ملم إرسال SHF: علم الفلك الراديوي، أجهزة/اتصالات الميكروويڤ، LAN اللاسلكي، معظم أجهزة الرادار الحديثة، سواتل الاتصالات، البث التلفزيوني الساتلي، ساتل البث المباشر، راديو الهواة
الحزمة D 110 إلى 170 ج.هرتز 1.8 ملم إلى 2.7 ملم إرسال EHF: علم الفلك الراديوي، الانتقال الراديوي الميكروويڤي عالي التردد، الاستشعار الميكروويڤي عن بعد، راديو الهواة، السلاح ذو الطاقة الموجهة، الماسح الضوئي للموجات المليمترية

هناك تعريفات أخرى قائمة.[21]

يستخدم مصطلح الحزمة P أحياناً لترددات UHF أقل من الحزمة L لكنه لم يعد مستخدماً حالياً بحسب IEEE Std 521.

عند تطوير الرادارات لأول مرة في الحزمة K أثناء الحرب العالمية الثانية، لم يكن معروفًا وجود حزمة امتصاص قريبة (بسبب بخار الماء والأكسجين في الغلاف الجوي). ولتجنب هذه المشكلة، تم تقسيم الحزمة K الأصلية إلى الحزمة Ku الأقل، والحزمة a الأعلى.[22]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

قياس تردد الميكروويڤ

 
مقياس موجة الامتصاص للقياس في الحزمة Ku.

يمكن قياس تردد الميكروويڤ إما بالتقنيات الإلكترونية أو الميكانيكية.

يمكن استخدام أنظمة مقياس التردد أو أنظمة الهترديون ذات التردد العالي. هنا تتم مقارنة التردد المجهول مع التوافقيات ذات التردد الأقل المعروف باستخدام مولد منخفض التردد ومولد توافقي وخلاط. دقة القياس محدودة بدقة واستقرار المصدر المرجعي.

تتطلب الطرق الميكانيكية مرنانًا قابلاً للضبط مثل مقياس موجة الامتصاص، والذي له علاقة معروفة بين البعد المادي والتردد.

في بيئة المختبر، يمكن استخدام خطوط ليشر لقياس الطول الموجي مباشرة على خط نقل مصنوع من أسلاك متوازية، ويمكن بعد ذلك حساب التردد. هناك تقنية مماثلة تتمثل في استخدام قائد الموجة أو خط محوري مشقوق لقياس الطول الموجي مباشرة. تتكون هذه الأجهزة من مسبار يتم إدخاله في الخط من خلال فتحة طولية بحيث يكون المسبار حرًا في التحرك لأعلى ولأسفل الخط. تهدف الخطوط المشقوقة في المقام الأول إلى قياس نسبة موجة الجهد المستقرة على الخط. ومع ذلك، في حالة وجود موجة مستقرة، يمكن استخدامها أيضًا لقياس المسافة بين العقد، والتي تساوي نصف طول الموجة. دقة هذه الطريقة محدودة بتحديد المواقع العقدية.

التأثيرات الصحية

للمزيد من المعلومات: الإشعاع الكهرومغناطيسي والصحة and حرق الميكروويڤ

إشعاعات الميكروويڤ هي إشعاعات غير مؤينة، مما يعني أن فوتونات الميكروويڤ لا تحتوي على طاقة كافية لتأيين الجزيئات أو كسر الروابط الكيميائية، أو التسبب في تلف الحمض النووي، على غرار الإشعاعات المؤينة مثل الأشعة السينية أو الأشعة فوق البنفسجية.[23] تشير كلمة "الإشعاع" إلى الطاقة المشعة من مصدر ما وليس إلى النشاط الاشعاعي. التأثير الرئيسي لامتصاص الميكروويڤ هو تسخين المواد؛ تتسبب المجالات الكهرومغناطيسية في اهتزاز الجزيئات القطبية. لم يثبت بشكل قاطع أن إاشعاع الميكروويڤ (أو غيرها من الإشعاع الكهرومغناطيسي غير المؤين) لها آثار بيولوجية ضارة كبيرة عند المستويات المنخفضة. تشير بعض الدراسات، وليس جميعها، إلى أن التعرض طويل الأمد قد يكون له تأثير مسرطن.[24]

أثناء الحرب العالمية الثانية، لوحظ أن الأفراد الموجودين في المسار الإشعاعي لمنشآت الرادار تعرضوا لنقرات وأصوات طنين استجابة لإشعاع الميكروويڤ. أظهرت الأبحاث التي أجرتها ناسا في السبعينيات أن هذا يحدث بسبب التمدد الحراري في أجزاء من الأذن الداخلية. عام 1955، تمكن الدكتور جيمس لڤلوك من إعادة إحياء الفئران المبردة إلى درجة حرارة 0-1 درجة مئوية باستخدام الإنفاذ الحراري بالميكروويڤ.[25]

عندما تحدث الإصابة نتيجة التعرض لأشعة الميكروويڤ، فإنها عادة ما تنتج عن التسخين العازل المستحث في الجسم. تعد عدسة العين والقرنية معرضة للخطر بشكل خاص لأنها لا تحتوي على أوعية دموية يمكنها حمل الحرارة بعيدًا. التعرض لإشعاع الميكروويڤ يمكن أن ينتج المياه البيضاء (إعتام عدسة العين) من خلال هذه الآلية، لأن تسخين الميكروويڤ يفسد پروتينات في العدسة البلورية بالعين[26] (بنفس الطريقة التي تحول بها الحرارة بياض البيض الشفاف إلى اللون الأبيض غير الشفاف). إن التعرض لجرعات كبيرة من إشعاع الميكروويڤ (كما هو الحال عند فتح باب الفرن أثناء التشغيل) يمكن أن يؤدي إلى تلف حراري في الأنسجة الأخرى أيضًا، بما في ذلك الحروق الخطرة التي قد لا تحدث تأثيراً واضحاً على الفور بسبب ميل أجهزة الميكروويڤ إلى تسخين الأنسجة العميقة ذات المحتوى العالي من الرطوبة.

التاريخ

البصريات الهرتزية

وُلدت إشعاعات الميكروويڤ لأول مرة في تسعينيات القرن التاسع عشر ضمن بعض تجارب الراديو الأولى التي أجراها الفيزيائيون الذين اعتقدوا أنها شكل من أشكال "الضوء غير المرئي".[27] جيمس كلرك ماكسويل في نظريته عن الكهرومغناطيسية عام 1873، والتي تسمى الآن معادلات ماكسويل، توقع أن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي يمكن أن ينتقلا عبر الفضاء. كموجة كهرومغناطيسية، واقترح أن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي قصير. عام 1888، كان الفيزيائي الألماني هاينريش هرتس أول من أثبت وجود الموجات الكهرومغناطيسية، حيث قام بتوليد موجات راديوية باستخدام جهاز إرسال راديوي ذي فجوة الشرارة.[28]

كان هرتس وغيره من الباحثين الراديويين الأوائل مهتمين باستكشاف أوجه التشابه بين الموجات الراديوية وموجات الضوء، لاختبار نظرية ماكسويل. ركز هؤلاء الباحثين على إنتاج موجات راديوية قصيرة الطول في نطاقات UHF والميكروويڤ، والتي يمكنهم من خلالها تكرار تجارب البصريات الكلاسيكية في مختبراتهم، باستخدام مكونات شبه بصرية مثل الموشورات والعدسات المصنوعة من الپرافين، الكبريت والقار وسلك محزز الحيود، لكسر وحيود الموجات الراديوية مثل أشعة الضوء.[29] أنتج هرتس موجات تصل إلى 450 ميجا هرتز؛ يتكون جهاز الإرسال الاتجاهي الخاص به بتردد 450 ميگاهرتز من هوائي ثنائي القطب مصنوع من قضيب نحاس بقياس 26 سم مع فجوة شرارة بين الأطراف، معلق عند الخط البؤري لهوائي مكافئ مصنوع من صفيحة زنك منحنية، مدعوم بواسطة نبضات الجهد العالي من ملف الحث.[28] تجاربه التاريخية أن الموجات الراديوية مثل الضوء أظهرت الانكسار، الحيود، الاستقطاب، التداخل والموجات المستقرة،[29] مما يثبت أن الموجات الراديوية والموجات الضوئية كانتا شكلين من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية الخاصة بماكسويل.


  • جهاز استقبال هاينريش هرتس ذي الفجوة الشرارية بتردد 450 ميگاهرتز، 1888، يتالف من فجوة ثنائية القطب وفجوة شرارية بقياس 23 سم عند بؤرة العاكس المكافئ.

  • جاگديش تشاندرا بوس عام 1894 كان أول شخص يُنتج موجات مليمترية؛ مذبذبه الشراري (في الصندوق، إلى اليمين) تمكن من توليد موجات بتردد 60 گيگاهرتز (5 ملم) باستخدام مجسات كروية معدنية بقياس 3 ملم.

  • أظهرت تجربة التحليل الطيفي بالميكروويڤ التي أجراها جون أمبروز فلمنگ عام 1897 انكسار موجات الميكروويڤ بتردد 1.4 گيگاهرتز بواسطة موشور الپارافين، مما يكرر التجارب السابقة التي أجراها بوس وريگي.

  • مذبذب ومستقبل أوگوستو ريگي بتردد 12 گيگاهرتز، 1895.

 
ناقل ميكروويڤ شراري بتردد 1 گيگاهرتز (يسار) ومستقبل coherer (يمين) استخدمهما گول‌يلمو ماركوني أثناء تجاربه عام 1895، بنطاق 6.5 كيلومتر.

بدءاً من عام 1894، أجرى الفيزيائي الهندي جاگديش تشاندرا بوس التجارب الأولى باستخدام الميكروويڤ. لقد كان أول شخص ينتج موجة ملليمترية، وتولد ترددات تصل إلى 60 گيگاهرتز (5 ملليمتر) باستخدام مذبذب شرارة كروي معدني بقياس 3 ملم.[30][29] كما اخترع بوس قائد موجة، هوائيات بوق، وكاشف بلوري شبه موصل لاستخدامهم في تجاربه. بشكل مستقل عام 1894، أجرى أوليڤر لودج وأوگستو ريگي تجارب على ميكروويڤ بتردد 1.5 و12 گيگاهرتز على التوالي، مولدة من مرنانات شرارة كروية معدنية صغيرة.[29] عام 1895 قام الفيزيائي الروسي پيوتور لبديڤ بتوليد موجات ملليمترية بتردد 50 گيگاهرتز.[29] عام 1897 تمكن اللورد ريلي من حل مسألة القيمة الحدية للموجات الكهرومغناطيسية المنتشرة من خلال أنابيب التوصيل والقضبان العازلة ذات الشكل التعسفي.[31][32][33][34] والتي أعطت الأوضاع وتردد القطع لأشعة الميكروويڤ التي تنتشر من خلال قائد الموجة.[28]

ومع ذلك، نظرًا لأن أشعة الميكروويڤ كانت مقتصرة على مسارات خط البصر، لم تتمكن من التواصل خارج الأفق البصري، كما أن الطاقة المنخفضة لمرسلات الشرارة المستخدمة آنذاك حدت من نطاقها العملي إلى عدد قليل اميال. استخدم التطور اللاحق للاتصالات الراديوية بعد عام 1896 ترددات أقل، والتي يمكن أن تنتقل إلى ما وراء الأفق على شكل موجات أرضية ومن خلال الانعكاس عن الأيونوسفير على شكل موجات سماوية، ولم تكن ترددات الموجات الدقيقة أبعد من ذلك. استكشافها في هذا الوقت.

أولى تجارب اتصالات الميكروويڤ

لم يحدث الاستخدام العملي لترددات الميكروويڤ حتى الأربعينيات والخمسينيات بسبب نقص المصادر الكافية، حيث أن المذبذب الإلكتروني ذو الصمام المفرغ الثلاثي المستخدم في أجهزة إرسال الراديو لا يمكنه إنتاج ترددات أعلى من بضع مئات ميگاهرتز بسبب وقت عبور الإلكترون المفرط والسعة بين الأقطاب الكهربائية.[28] بحلول الثلاثينيات، تم تطوير أول صمامات مفرغة تعمل بالميكروويڤ منخفض الطاقة باستخدام مبادئ جديدة؛ أنبوب باركهاوزن–كورز ومغنطرون الأنود المنفصل.[28] يمكن لهذه الأجهزة أن تولد بضعة واط من الطاقة بترددات تصل إلى بضعة گيگاهرتز، وقد استخدمت في التجارب الأولى في التواصل مع الميكروويڤ.

  • هوائيات من عام 1931 وصلة ترحيل الميكروويڤ التجريبية بتردد 1.7 گيگاهرتز عبر القنال الإنگليزي.

  • جهاز إرسال تجريبي بتردد 700 ميگاهرتز من عام 1932 في مختبرات وستنگهاوس ينقل الصوت لمسافة تزيد عن ميل.

  • ساوثوورث (على اليسار) يعرض الدليل الموجي في اجتماع معهد مهندسي الراديو عام 1938، ويظهر موجات ميكروويڤ بتردد 1.5 گيگاهرتز تمر عبر خرطوم معدني مرن بطول 7.5 متر مسجل على كاشف الصمام الثنائي.

  • أول هوائي بوق حديث عام 1938 مع المخترع ويلمر بارو.

عام 1931، استعرض كونسورتيوم أنجلو-فرنسي برئاسة أندريه كلاڤيه أول وصلة ترحيل تجريبية بالميكروويڤ، عبر القنال الإنگليزي لمسافة 64 كم بين دوڤر في المملكة المتحدة ومدينة كاليه الفرنسية.[35][36] ينقل النظام بيانات الهاتف والتلغراف والفاكس عبر حزم ثنائية الاتجاه بتردد 1.7 گيگاهرتز بقوة نصف واط، يتم إنتاجها بواسطة أنابيب باركهاوزن-كورتز المصغرة عند تركيز أطباق معدنية بطول 3 متر.

كانت هناك حاجة إلى كلمة لتمييز هذه الأطوال الموجية الأقصر الجديدة، والتي تم تجميعها سابقًا في نطاق "الموجة القصيرة"، مما يعني أن جميع الموجات أقصر من 200 متر. استخدم مصطلحي "الموجات شبه الضوئية" و"الموجات فائقة القصر" لفترة وجيزة لكن لم ينتشرا. من الواضح أن أول استخدام لكلمة "ميكروويڤ" حدث عام 1931.[36][37]

الرادار

أدى تطوير الرادار، بشكل سري، قبل وأثناء الحرب العالمية الثانية، إلى التقدم التكنولوجي الذي جعل الميكروويڤ عملياً.[28] كانت الأطوال الموجية في نطاق السنتيمترات مطلوبة لإعطاء هوائيات الرادار الصغيرة التي كانت مدمجة على الطائرات بعرض حزمة ضيق بما يكفي لتحديد موقع طائرات العدو. لقد وجد أن خط النقل التقليدي المستخدم لنقل موجات الراديو يعاني من فقدان مفرط للطاقة عند ترددات الميكروويڤ. بشكل مستقل، قام جورج ساوثوورث في مختبرات بل وويلمر بارو في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا باختراع دليل الموجة عام 1936.[31]

عام 1938 اخترع بارو الهوائي البوق كوسيلة لبث الميكروويڤ بكفاءة داخل أو خارج دليل الموجة. في جهاز استقبال الميكروويڤ، كان هناك حاجة إلى مكون غير خطي من شأنه أن يعمل بمثابة كاشف وخلاط في هذه الترددات، لأن الصمامات المفرغة لديها سعة كبيرة جدًا.

لسد هذه الحاجة، قام الباحثون بإحياء تقنية قديمة، وهي كاشف كريستال (كاشف شارب القط) لنقطة الاتصال والذي استخدم demodulator في الراديو البلوري في مطلع القرن الماضي قبل أجهزة الاستقبال ذات الصمامات المفرغة.[28][38]

سمحت السعة المنخفضة لوصلات أشباه الموصلات بالعمل عند ترددات الميكروويڤ. في الثلاثينيات تم تطوير أول صمامات ثنائية من السيليكون والجرمانيوم ككاشفات للميكروويڤ، وأدت مبادئ فيزياء أشباه الموصلات التي تم تعلمها أثناء تطويرها إلى إلكترونيات أشباه الموصلات بعد الحرب.[28]

  • نموذج راندال وبوت الأولي لأنبوب المغنطرون المجوف في جامعة برمنگهام، عام 1940. قيد الاستخدام، تم تركيب الصمام بين قطبي المغناطيس الكهربائي.

  • أول أنبوب كليسترون تجاري، من إنتاج شركة جنرال إلكتريك، عام 1940، مقطع لإظهار البناء الداخلي.

  • British Mk. VIII، أول رادار اعتراض جوي يعمل بالميكروويڤ في مقدمة مقاتلة بريطانية.

  • محطة ترحيل الميكروويڤ المتنقلة التابعة للجيش الأمريكي عام 1945 توضح أنظمة الترحيل التي تستخدم ترددات من 100 ميگاهرتز إلى 4.9 گيگاهرتز والتي يمكنها إرسال ما يصل إلى 8 مكالمات هاتفية على الحزمة.

اخترعت أول مصادر قوية لأشعة الميكروويڤ في بداية الحرب العالمية الثانية: أنبوب كليسترون بواسطة راسل وسيجورد فاريان في جامعة ستانفورد عام 1937، والمغنطرون المجوف بواسطة جون راندال وهاري بوت في جامعة برمنگهام، المملكة المتحدة عام 1940.[28] استخدم رادار الميكروويڤ الذي يبلغ طوله الموجي عشرة سنتيمترات (3 گيگاهرتز) في الطائرات الحربية البريطانية أواخر عام 1941 وأثبت أنه غير قواعد اللعبة. أدى قرار بريطانيا عام 1940 بمشاركة تكنولوجيا الميكروويڤ مع حليفتها الولايات المتحدة (مهمة تيزارد) إلى تقصير مدة الحرب بشكل كبير. تأسس مختبر الإشعاع سرًا في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا عام 1940 لأبحاث الرادار، وأنتج الكثير من المعرفة النظرية اللازمة لاستخدام الميكروويڤ. تطورت أنظمة ترحيل الميكروويڤ الأولى بواسطة قوات الحلفاء قرب نهاية الحرب واستخدمت لشبكات الاتصالات الآمنة في ساحة المعركة على مسرح العمليات الأوروپي.

قبل الحرب العالمية الثانية

في أعقاب الحرب العالمية الثانية، سرعان من استغلت موجات الميكروويڤ تجاريًا.[28] نظرًا لترددها العالي، كانت لديها قدرة كبيرة جدًا على حمل المعلومات (عرض النطاق الترددي)؛ يمكن لشعاع ميكروويڤ واحد أن يحمل عشرات الآلاف من المكالمات الهاتفية. في الخمسينيات والستينيات، بُنيت شبكات نقل الميكروويڤ العابرة للقارات في الولايات المتحدة وأوروپا لتبادل المكالمات الهاتفية بين المدن وبث البرامج التلفزيونية.

في صناعة البث التلفزيوني الجديدة، استخدمت أطباق الميكروويڤ منذ الأربعينيات لنقل backhaul video feeds من شاحنة الإنتاج المتنقلة إلى الاستوديو، مما سمح بأول بث تلفزيوني [البث عن بعد|عن بعد]]. في الستينيات أُطلق أول سواتل الاتصالات، والتي كانت تنقل المكالمات الهاتفية والتلفزيون بين نقاط منفصلة على نطاق واسع على الأرض باستخدام أشعة الميكروويڤ. عام 1964، اكتشف أرنو بنزياس وروبرت ولسون أثناء فحص الضوضاء في هوائي بوق ساتلي في مختبرات بل، هولمدل، نيوجرزي إشعاع الخلفية الصغروي الكوني.


 
هوائيات بوق تعمل على الحزمة-C في مركز تبديل الهاتف في سياتل، التابع لشبكة لونگ لاينز لنقل الميكروويڤ التابعة لشركة إيه تي أند تي التي تم بناؤها في الستينيات.
 
هوائي عدسة الميكروويڤ المستخدم في رادار الصاروخ نايك أجاكس المضاد للطائرات عام 1954.
 
أول فرن ميكروويڤ تجاري، راداررينج من أمانا، تم تركيبه في مطبخ السفينة التجارية الأمريكية ساڤانا عام 1961.

أصبح رادار الميكروويڤ التكنولوجيا المركزية المستخدمة في مراقبة الحركة الجوية، والملاحة البحرية، والدفاع المضاد للطائرات، والصواريخ الباليستية، والعديد من الاستخدامات الأخرى لاحقاً. حفزت الاتصالات الرادارية والفضائية على تطوير هوائيات الميكروويڤ الحديثة؛ الهوائي المكافئ (النوع الأكثر شيوعًا)، هوائي كاسيگرين، هوائي العدسة، هوائي الفتحة، والمصفوفة المرحلية.

تم التحقق في قدرة الموجة القصيرة على تسخين المواد وطهي الطعام بسرعة في الثلاثينيات بواسطة إ. ف. مورومتسيف في وستنگهاوس، وفي معرض شيكاغو العالمي 1933 استعرض طهي وجبات الطعام باستخدام جهاز إرسال لاسلكي بتردد 60 ميگاهرتز.[39] في عام 1945، لاحظ پرسي سپنسر، وهو مهندس يعمل على الرادار في ريثيون، أن إشعاع الميكروويڤ الصادر عن مذبذب المغنطرون أدى إلى إذابة قطعة حلوى في جيبه. قام بالتحقق في الطهي باستخدام أفران الميكروويڤ واخترع فرن الميكروويڤ، الذي يتكون من مغنطرون يغذي أفران الميكروويڤ في تجويف معدني مغلق يحتوي على الطعام، والذي حصلت شركة ريثيون على براءة اختراعه في 8 أكتوبر 1945. نظرًا لتكاليفها العالية، استخدمت أفران الميكروويڤ في البداية في المطابخ المؤسسية، لكن بحلول عام 1986، كان ما يقرب من 25٪ من الأسر في الولايات المتحدة تمتلك واحدًا. أصبح تسخين الميكروويڤ يستخدم على نطاق واسع كعملية صناعية في صناعات مثل تصنيع البلاستيك، وكعلاج طبي لقتل الخلايا السرطانية في فرط حرارة الميكروويڤ.

أنبوب الموجة المتنقلة (TWT) الذي تم تطويره عام 1943 بواسطة رودولف كوپفنر وجون پيرس قدم مصدرًا عالي الطاقة قابل للضبط لأفران الميكروويڤ يصل إلى 50 گيگاهرتز وأصبح المصدر أنبوب الميكروويڤ الأكثر استخدامًا على نطاق واسع (إلى جانب المغنطرون الموجود في كل مكان المستخدم في أفران الميكروويڤ). يمكن لعائلة أنابيب الگيروترون التي تم تطويرها في روسيا إنتاج ميجاوات من الطاقة تصل إلى ترددات موجة ملليمترية وتستخدم في التدفئة الصناعية وأبحاث الپلازما، وفي تشغيل معجلات الجسيمات ومفاعلات الاندماج النووية.

أجهزة ميكروويڤ الحالة الصلبة

 
مذبذب ميكروويڤ يتكون من صمام گن الثنائي داخل مرنان مجوف، السبعينيات.
 
مدفع سرعة رادارية حديث. في الطرف الأيمن للهوائي البوق نحاسي يوجد صمام گن الثنائي (التجميع الرمادي) الذي يولد موجات الميكروويڤ.

أدى تطور إلكترونيات أشباه الموصلات في الخمسينيات إلى ظهور أول أجهزة ميكروويڤ الحالة الصلبة التي تعمل بمبدأ جديد؛ المقاومة السلبية (بعض أنابيب الميكروويڤ قبل الحرب استخدمت أيضًا مقاومة سلبية).[28] أصبحت مضخمات مذبذب التغذية الراجعة والمضخمات ذات المنفذين المستخدمة في الترددات المنخفضة غير مستقرة عند ترددات الميكروويڤ، ومذبذبات المقاومة السلبية المذبذبات والمضخمات الصوت ذات المنفذ الواحد مثل الصمامات الثنائية تعمل بشكل أفضل.

يمكن للصمام الثنائي النفقي الذي اخترعه الفيزيائي الياباني ليو إساكي عام 1957 أن ينتج بضعة ملي واط من طاقة الميكروويڤ. أدى اختراعه إلى إطلاق بحث عن أجهزة أشباه الموصلات ذات المقاومة السلبية الأفضل لاستخدامها كمذبذبات بالميكروويڤ، مما أدى إلى اختراع IMPATT diode عام 1956 بواسطة و. ريد ورالف جونستون وصمام گن الثنائي عام 1962 بواسطة ج. ب. گن.[28] الصمامات الثنائية هي مصادر الميكروويڤ الأكثر استخدامًا اليوم.

تم تطوير اثنين من مضخمات ميكروويڤ الحالة الصلبة منخفضة الضوضاء ذات المقاومة السلبية؛ عام 1953 اخترع تشارلز هارد تاونز وجيمس جوردون وهـ. ج. زيگر الميزر الياقوتي، وقام ماريون هاينز عام 1956 بتطوير المضخم البارامتري الثنائي متغير السعة.[28]

وقد استخدمت لأجهزة استقبال الميكروويڤ منخفض الضوضاء في التلسكوبات الراديوية والمحطات الأرضية الساتلية. أدى الميزر إلى تطوير الساعة الذرية، والتي تحافظ على الوقت باستخدام تردد الميكروويڤ المنبعثة من الذرات التي تمرر الإلكترون بين مستويين من الطاقة. تطلبت دوائر مضخمات المقاومة السالبة اختراع مكونات دليل جديد للموجة الغير متبادلة، مثل أجهزة التدوير، والمعزل، وقارنات التوصيل المتجهية. عام 1969، اشتق كانيوكي كوروكاوا الشروط الرياضية لتحقيق الاستقرار في دوائر المقاومة السلبية والتي شكلت أساس تصميم مذبذب الميكروويڤ.[40]

دوائر الميكروويڤ المتكاملة

 
دائرة microstrip تعمل على الحزمة ku تستخدم في أطباق التلفزيون الساتلي.

قبل السبعينيات، كانت أجهزة ودوائر الميكروويڤ ضخمة ومكلفة، لذلك كانت ترددات الميكروويڤ مقتصرة عمومًا على مرحلة إخراج أجهزة الإرسال والواجهة الأمامية للتردد الراديوي لأجهزة الاستقبال، وكانت الإشارات متغايرى إلى مستوى أقل نت التردد المتوسط للمعالجة.

شهدت الفترة من السبعينيات وحتى الوقت الحاضر تطوير مكونات ميكروويڤ نشطة وغير مكلفة صغيرة الحجم يمكن تركيبها على لوحات الدوائر، مما يسمح للدوائر بأداء معالجة الإشارات بشكل كبير عند ترددات الميكروويڤ. لقد أتاح ذلك إمكانية التلفزيون الساتلي، التلفزيون الكبلي، وأجهزة الجي پي إس، والأجهزة اللاسلكية الحديثة، مثل الهواتف الذكية، والواي فاي، والبلوتوث التي تتصل بالشبكات باستخدام الميكروويڤ.

Microstrip، وهو نوع من خطوط النقل يمكن استخدامه في ترددات الميكروويڤ، اخترع باستخدام لوحات الدارات المطبوعة في الخمسينيات.[28] القدرة على تصنيع مجموعة واسعة من الأشكال بتكلفة زهيدة على لوحة دارات مطبوعة تسمح بإصدارات شرائح دقيقة من المكثفات، المستحثات، عقب مرنان، المقسمات، المقرنات الاتجاهية، diplexers، [مرشح إلكتروني|المرشحات]] والهوائيات، مما يسمح ببناء دوائر الميكروويڤ المدمجة.[28]

تم تطوير الترانزستورات التي تعمل بترددات الميكروويڤ في السبعينيات. يتمتع زرنيخيد الگاليوم (GaAs) شبه الموصل بقدرة أعلى بكثير على حركية الإلكترون من السيليكون،[28] لذلك يمكن للأجهزة المصنعة من هذه المادة أن تعمل بتردد 4 أضعاف تردد الأجهزة المماثلة المصنوعة من السيليكون. بدءاً من السبعينيات، استخدم زرنيخيد الگاليوم لصنع أول ترانزستورات الميكروويڤ،[28] وهيمنت على أشباه الموصلات الميكروويڤ منذ ذلك الحين. تم تطوير MESFETs (ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية)، ترانزستورات تأثير المجال السريعة من GaAs باستخدام وصلات شوتكي للبوابة، بدءًا من عام 1968 ووصلت إلى ترددات القطع من 100 گيگاهرتز، وهي الآن أكثر أجهزة الميكروويڤ النشطة استخدامًا على نطاق واسع.[28] عائلة أخرى من الترانزستورات ذات حد تردد أعلى هي HEMT (ترانزستور حركة الإلكترون العالي)، وهو ترانزستور تأثير المجال مصنوع من اثنين من أشباه الموصلات المختلفة، AlGaAs وGaAs، باستخدام تقنية نقطة التواصل المغاير، وHBT المماثل (الترانزستور ثنائي القطب المغاير).[28]

يمكن جعل GaAs شبه عازل، مما يسمح باستخدامه كركيزة يمكن تصنيع الدوائر التي تحتوي على مكونات سلبية، بالإضافة إلى الترانزستورات، بواسطة الطباعة الحجرية.[28] بحلول عام 1976، أدى ذلك إلى ظهور أول دوائر متكاملة (ICs) تعمل بترددات الميكروويڤ، تسمى دوائر متكاملة متجانسة للميكروويڤ (MMIC).[28] تمت إضافة كلمة "متجانسة" لتمييزها عن دوائر PCB ذات الشرائح الدقيقة، والتي كانت تسمى "دوائر الميكروويڤ المتكاملة" (MIC). منذ ذلك الحين، تم أيضًا تطوير MMICs المصنوعة من السيليكون. اليوم أصبحت MMICs بمثابة العمود الفقري لكل من الإلكترونيات التناظرية والرقمية عالية التردد، مما يتيح إنتاج أجهزة استقبال الميكروويڤ ذات الشريحة الواحدة، والمضخمات واسع النطاق، والمودمات، والمعالجات الدقيقة.

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ Hitchcock, R. Timothy (2004). Radio-frequency and Microwave Radiation. American Industrial Hygiene Assn. p. 1. ISBN 978-1931504553.
  2. ^ أ ب Kumar, Sanjay; Shukla, Saurabh (2014). Concepts and Applications of Microwave Engineering. PHI Learning Pvt. Ltd. p. 3. ISBN 978-8120349353.
  3. ^ Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2013). National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 10th Ed. Taylor & Francis. p. 6. ISBN 978-1136034107.
  4. ^ Pozar, David M. (1993). Microwave Engineering Addison–Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-50418-9.
  5. ^ Sorrentino, R. and Bianchi, Giovanni (2010) Microwave and RF Engineering, John Wiley & Sons, p. 4, ISBN 047066021X.
  6. ^ "Electromagnetic radiation - Microwaves, Wavelengths, Frequency | Britannica". www.britannica.com (in الإنجليزية). Retrieved 2023-08-15.
  7. ^ أ ب Seybold, John S. (2005). Introduction to RF Propagation. John Wiley and Sons. pp. 55–58. ISBN 978-0471743682.
  8. ^ أ ب Golio, Mike; Golio, Janet (2007). RF and Microwave Passive and Active Technologies. CRC Press. pp. I.2–I.4. ISBN 978-1420006728.
  9. ^ Karmel, Paul R.; Colef, Gabriel D.; Camisa, Raymond L. (1998). Introduction to Electromagnetic and Microwave Engineering. John Wiley and Sons. p. 1. ISBN 9780471177814.
  10. ^ Microwave Oscillator Archived 2013-10-30 at the Wayback Machine notes by Herley General Microwave
  11. ^ أ ب Sisodia, M. L. (2007). Microwaves : Introduction To Circuits, Devices And Antennas. New Age International. pp. 1.4–1.7. ISBN 978-8122413380.
  12. ^ Liou, Kuo-Nan (2002). An introduction to atmospheric radiation. Academic Press. p. 2. ISBN 978-0-12-451451-5. Retrieved 12 July 2010.
  13. ^ "IEEE 802.20: Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)". Official web site. Retrieved August 20, 2011.
  14. ^ "ALMA website". Retrieved 2011-09-21.
  15. ^ "Welcome to ALMA!". Retrieved 2011-05-25.
  16. ^ Wright, E.L. (2004). "Theoretical Overview of Cosmic Microwave Background Anisotropy". In W. L. Freedman (ed.). Measuring and Modeling the Universe. Carnegie Observatories Astrophysics Series. Cambridge University Press. p. 291. arXiv:astro-ph/0305591. Bibcode:2004mmu..symp..291W. ISBN 978-0-521-75576-4.
  17. ^ "The way to new energy". ITER. 2011-11-04. Retrieved 2011-11-08.
  18. ^ Silent Guardian Protection System. Less-than-Lethal Directed Energy Protection. raytheon.com
  19. ^ "Frequency Letter bands". Microwave Encyclopedia. Microwaves101 website, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 14 May 2016. Retrieved 1 July 2018.
  20. ^ Golio, Mike; Golio, Janet (2007). RF and Microwave Applications and Systems. CRC Press. pp. 1.9–1.11. ISBN 978-1420006711.
  21. ^ See "eEngineer – Radio Frequency Band Designations". Radioing.com. Retrieved 2011-11-08., PC Mojo – Webs with MOJO from Cave Creek, AZ (2008-04-25). "Frequency Letter bands – Microwave Encyclopedia". Microwaves101.com. Archived from the original on 2014-07-14. Retrieved 2011-11-08., Letter Designations of Microwave Bands.
  22. ^ Skolnik, Merrill I. (2001) Introduction to Radar Systems, Third Ed., p. 522, McGraw Hill. 1962 Edition full text
  23. ^ Nave, Rod. "Interaction of Radiation with Matter". HyperPhysics. Retrieved 20 October 2014.
  24. ^ Goldsmith, JR (December 1997). "Epidemiologic evidence relevant to radar (microwave) effects". Environmental Health Perspectives. 105 (Suppl. 6): 1579–1587. doi:10.2307/3433674. JSTOR 3433674. PMC 1469943. PMID 9467086.
  25. ^ Andjus, R.K.; Lovelock, J.E. (1955). "Reanimation of rats from body temperatures between 0 and 1 °C by microwave diathermy". The Journal of Physiology. 128 (3): 541–546. doi:10.1113/jphysiol.1955.sp005323. PMC 1365902. PMID 13243347.
  26. ^ Lipman, Richard M.; Tripathi, Brenda J.; Tripathi, Ramesh C. (November–December 1988). "Cataracts Induced by Microwave and Ionizing Radiation". Survey of Ophthalmology. 33 (3): 206–207. doi:10.1016/0039-6257(88)90088-4. PMID 3068822.
  27. ^ Hong, Sungook (2001). Wireless: From Marconi's Black-box to the Audion. MIT Press. pp. 5–9, 22. ISBN 978-0262082983.
  28. ^ أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق Roer, T.G. (2012). Microwave Electronic Devices. Springer Science and Business Media. pp. 1–12. ISBN 978-1461525004.
  29. ^ أ ب ت ث ج Sarkar, T. K.; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A. (2006). History of Wireless. John Wiley and Sons. pp. 474–486. ISBN 978-0471783015.
  30. ^ Emerson, D.T. (February 1998). "The work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of MM-wave research". National Radio Astronomy Observatory.
  31. ^ أ ب Packard, Karle S. (September 1984). "The Origin of Waveguides: A Case of Multiple Rediscovery" (PDF). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. MTT-32 (9): 961–969. Bibcode:1984ITMTT..32..961P. CiteSeerX 10.1.1.532.8921. doi:10.1109/tmtt.1984.1132809. Retrieved March 24, 2015.
  32. ^ Strutt, William (Lord Rayleigh) (February 1897). "On the passage of electric waves through tubes, or the vibrations of dielectric cylinders". Philosophical Magazine. 43 (261): 125–132. doi:10.1080/14786449708620969.
  33. ^ Kizer, George (2013). Digital Microwave Communication: Engineering Point-to-Point Microwave Systems. John Wiley and Sons. p. 7. ISBN 978-1118636800.
  34. ^ Lee, Thomas H. (2004). Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits, Vol. 1. Cambridge University Press. pp. 18, 118. ISBN 978-0521835268.
  35. ^ "Microwaves span the English Channel" (PDF). Short Wave Craft. Vol. 6, no. 5. New York: Popular Book Co. September 1935. pp. 262, 310. Retrieved March 24, 2015.
  36. ^ أ ب Free, E.E. (August 1931). "Searchlight radio with the new 7 inch waves" (PDF). Radio News. Vol. 8, no. 2. New York: Radio Science Publications. pp. 107–109. Retrieved March 24, 2015.
  37. ^ Ayto, John (2002). 20th century words. Foreign Language Teaching and Research Press. p. 269. ISBN 978-7560028743.
  38. ^ Riordan, Michael; Lillian Hoddeson (1988). Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age. US: W. W. Norton & Company. pp. 89–92. ISBN 978-0-393-31851-7.
  39. ^ "Cooking with Short Waves" (PDF). Short Wave Craft. 4 (7): 394. November 1933. Retrieved 23 March 2015.
  40. ^ Kurokawa, Kaneyuki (July 1969). "Some Basic Characteristics of Broadband Negative Resistance Oscillator Circuits". Bell System Tech. J. 48 (6): 1937–1955. doi:10.1002/j.1538-7305.1969.tb01158.x. Retrieved December 8, 2012.

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=ميكروويڤ&oldid=3022563"