Mikrowellen
Mikrowellen sind eine Form der elektromagnetischen Strahlung mit Wellenlängen von etwa einem Meter bis zu einem Millimeter, was Frequenzen zwischen 300 MHz und 300 GHz entspricht. Verschiedene Quellen definieren unterschiedliche Frequenzbereiche als Mikrowellen; die obige breite Definition umfasst sowohl UHF- als auch EHF-Bänder (Millimeterwellen). Eine in der Hochfrequenztechnik üblichere Definition ist der Bereich zwischen 1 und 100 GHz (Wellenlängen zwischen 0,3 m und 3 mm). In jedem Fall umfasst der Mikrowellenbereich mindestens das gesamte SHF-Band (3 bis 30 GHz oder 10 bis 1 cm). Die Frequenzen im Mikrowellenbereich werden häufig mit ihren IEEE-Radarbandbezeichnungen bezeichnet: S-, C-, X-, Ku-, K- oder Ka-Band, oder durch ähnliche NATO- oder EU-Bezeichnungen. ⓘ
Die Vorsilbe Mikro- in Mikrowellen soll nicht auf eine Wellenlänge im Mikrometerbereich hinweisen. Vielmehr weist es darauf hin, dass Mikrowellen im Vergleich zu den vor der Mikrowellentechnologie verwendeten Radiowellen "klein" sind (kürzere Wellenlängen haben). Die Abgrenzung zwischen Ferninfrarot, Terahertz-Strahlung, Mikrowellen und ultrahochfrequenten Radiowellen ist ziemlich willkürlich und wird in den verschiedenen Fachgebieten unterschiedlich gehandhabt. ⓘ
Mikrowellen breiten sich auf der Sichtlinie aus; anders als niederfrequente Radiowellen beugen sie sich nicht an Hügeln, folgen der Erdoberfläche als Bodenwellen oder werden von der Ionosphäre reflektiert, so dass terrestrische Mikrowellen-Kommunikationsverbindungen durch den visuellen Horizont auf etwa 64 km (40 Meilen) begrenzt sind. Am oberen Ende des Bandes werden sie von den Gasen in der Atmosphäre absorbiert, was die praktische Kommunikationsentfernung auf etwa einen Kilometer begrenzt. Mikrowellen sind in der modernen Technik weit verbreitet, z. B. in Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen, drahtlosen Netzen, Mikrowellen-Funkrelaisnetzen, Radar, Satelliten- und Raumfahrtkommunikation, medizinischer Diathermie und Krebsbehandlung, Fernerkundung, Radioastronomie, Teilchenbeschleunigern, Spektroskopie, Industrieheizungen, Kollisionsvermeidungssystemen, Garagentoröffnern und schlüssellosen Zugangssystemen sowie beim Kochen von Speisen in Mikrowellenöfen. ⓘ
Elektromagnetisches Spektrum
Mikrowellen nehmen im elektromagnetischen Spektrum einen Platz ein, dessen Frequenz oberhalb der gewöhnlichen Radiowellen und unterhalb des Infrarotlichts liegt:
| Elektromagnetisches Spektrum ⓘ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Name | Wellenlänge | Frequenz (Hz) | Photonenenergie (eV) | |
| Gammastrahl | < 0,01 nm | > 30 eHz | > 124 keV | |
| Röntgenstrahlung | 0,01 nm - 10 nm | 30 EHz - 30 PHz | 124 keV - 124 eV | |
| Ultraviolett | 10 nm - 400 nm | 30 PHz - 750 THz | 124 eV - 3 eV | |
| Sichtbares Licht | 400 nm - 750 nm | 750 THz - 400 THz | 3 eV - 1,7 eV | |
| Infrarot | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Mikrowelle | 1 mm - 1 m | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 µeV | |
| Radio | ≥ 1 m | ≤ 300 MHz | ≤ 1,24 µeV | |
In Beschreibungen des elektromagnetischen Spektrums werden Mikrowellen in einigen Quellen als Radiowellen, einer Untergruppe des Radiowellenbandes, eingestuft, während andere Quellen Mikrowellen und Radiowellen als unterschiedliche Strahlungsarten einstufen. Dies ist eine willkürliche Unterscheidung. ⓘ
Ausbreitung
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Mikrowellen verbreiten sich ausschließlich auf dem Luftlinienweg; im Gegensatz zu niederfrequenten Radiowellen folgen sie nicht als Bodenwellen den Konturen der Erde oder werden von der Ionosphäre reflektiert (Himmelswellen). Obwohl sie am unteren Ende des Frequenzbandes Gebäudewände durchdringen können, um einen brauchbaren Empfang zu ermöglichen, sind in der Regel Wegerechte erforderlich, die bis zur ersten Fresnel-Zone frei sind. Daher sind Mikrowellen-Kommunikationsverbindungen auf der Erdoberfläche durch den visuellen Horizont auf etwa 30-40 Meilen (48-64 km) begrenzt. Mikrowellen werden von der Feuchtigkeit in der Atmosphäre absorbiert, und die Dämpfung nimmt mit der Frequenz zu und wird am oberen Ende des Bandes zu einem bedeutenden Faktor (Regenschwund). Ab etwa 40 GHz beginnen auch atmosphärische Gase, Mikrowellen zu absorbieren, so dass die Mikrowellenübertragung oberhalb dieser Frequenz auf einige Kilometer begrenzt ist. Eine spektrale Bandstruktur verursacht Absorptionsspitzen bei bestimmten Frequenzen (siehe Grafik rechts). Oberhalb von 100 GHz ist die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch die Erdatmosphäre so groß, dass sie faktisch undurchsichtig ist, bis die Atmosphäre im so genannten Infrarot- und optischen Fensterfrequenzbereich wieder transparent wird. ⓘ
Troposcatter
Bei einem Mikrowellenstrahl, der schräg in den Himmel gerichtet ist, wird ein kleiner Teil der Leistung zufällig gestreut, wenn der Strahl die Troposphäre durchquert. Ein empfindlicher Empfänger jenseits des Horizonts mit einer Antenne mit hohem Gewinn, die auf diesen Bereich der Troposphäre ausgerichtet ist, kann das Signal auffangen. Diese Technik wurde bei Frequenzen zwischen 0,45 und 5 GHz in Kommunikationssystemen mit troposphärischer Streuung (Troposcatter) eingesetzt, um über den Horizont hinaus in Entfernungen von bis zu 300 km zu kommunizieren. ⓘ
Antennen
Die kurzen Wellenlängen der Mikrowellen ermöglichen es, Rundstrahlantennen für tragbare Geräte sehr klein zu bauen, von 1 bis 20 Zentimeter Länge, so dass Mikrowellenfrequenzen für drahtlose Geräte wie Mobiltelefone, Schnurlostelefone und drahtlose LANs (Wi-Fi) für Laptops und Bluetooth-Kopfhörer weit verbreitet sind. Zu den verwendeten Antennen gehören kurze Peitschenantennen, Gummientenantennen, Sleeve-Dipole, Patch-Antennen und in zunehmendem Maße die gedruckte invertierte F-Antenne (PIFA), die in Handys verwendet wird. ⓘ
Aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge lassen sich mit kleinen Antennen mit hohem Gewinn von einem halben bis zu 5 Metern Durchmesser schmale Mikrowellenstrahlen erzeugen. Daher werden Mikrowellenstrahlen für Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen und für Radar verwendet. Ein Vorteil von schmalen Strahlen ist, dass sie nicht mit Geräten in der Nähe interferieren, die dieselbe Frequenz verwenden, so dass die Frequenz von benachbarten Sendern wiederverwendet werden kann. Parabolantennen ("Dish") sind die am häufigsten verwendeten Richtantennen für Mikrowellenfrequenzen, aber auch Hornantennen, Schlitzantennen und Linsenantennen werden verwendet. Flache Mikrostreifenantennen werden zunehmend in Verbrauchergeräten eingesetzt. Eine weitere praktische Richtantenne für Mikrowellenfrequenzen ist das Phased Array, eine computergesteuerte Antennengruppe, die einen Strahl erzeugt, der elektronisch in verschiedene Richtungen gelenkt werden kann. ⓘ
Bei Mikrowellenfrequenzen haben die Übertragungsleitungen, die zur Übertragung von Funkwellen niedrigerer Frequenzen zu und von den Antennen verwendet werden, wie z. B. Koaxialkabel und parallele Drahtleitungen, übermäßige Leistungsverluste, so dass Mikrowellen, wenn eine geringe Dämpfung erforderlich ist, durch Metallrohre, so genannte Hohlleiter, übertragen werden. Wegen der hohen Kosten und des hohen Wartungsaufwands für Hohlleiterleitungen befindet sich bei vielen Mikrowellenantennen die Ausgangsstufe des Senders oder das HF-Frontend des Empfängers an der Antenne. ⓘ
Entwurf und Analyse
Der Begriff Mikrowelle hat auch eine eher technische Bedeutung in der Elektromagnetik und Schaltungstheorie. Geräte und Techniken können qualitativ als "Mikrowellen" bezeichnet werden, wenn die Wellenlängen der Signale in etwa den Abmessungen der Schaltung entsprechen, so dass die Schaltungstheorie mit vereinzelten Elementen ungenau ist und stattdessen verteilte Schaltungselemente und die Theorie der Übertragungsleitungen nützlichere Methoden für Entwurf und Analyse darstellen. ⓘ
Infolgedessen entfernen sich praktische Mikrowellenschaltungen immer mehr von den diskreten Widerständen, Kondensatoren und Induktoren, die bei Funkwellen niedrigerer Frequenzen verwendet werden. Offene Draht- und Koaxialübertragungsleitungen, die bei niedrigeren Frequenzen verwendet werden, werden durch Hohlleiter und Streifenleitungen ersetzt, und abgestimmte Schaltkreise aus Stabelementen werden durch Hohlraumresonatoren oder resonante Stichleitungen ersetzt. Bei noch höheren Frequenzen, bei denen die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen im Vergleich zur Größe der zu ihrer Verarbeitung verwendeten Strukturen klein wird, sind die Mikrowellentechniken unzureichend, und es werden die Methoden der Optik eingesetzt. ⓘ
Mikrowellenquellen
Hochleistungs-Mikrowellenquellen verwenden spezielle Vakuumröhren zur Erzeugung von Mikrowellen. Diese Geräte arbeiten nach anderen Prinzipien als Niederfrequenz-Vakuumröhren, indem sie die ballistische Bewegung von Elektronen in einem Vakuum unter dem Einfluss steuernder elektrischer oder magnetischer Felder nutzen. Zu ihnen gehören das Magnetron (das in Mikrowellenöfen verwendet wird), das Klystron, die Wanderfeldröhre (TWT) und das Gyrotron. Diese Geräte arbeiten im dichtemodulierten Modus und nicht im strommodulierten Modus. Das bedeutet, dass sie auf der Grundlage von Elektronenklumpen arbeiten, die ballistisch durch sie hindurchfliegen, anstatt einen kontinuierlichen Elektronenstrom zu verwenden. ⓘ
Mikrowellenquellen mit geringer Leistung verwenden Festkörperbauelemente wie Feldeffekttransistoren (zumindest bei niedrigen Frequenzen), Tunneldioden, Gunn-Dioden und IMPATT-Dioden. Quellen geringer Leistung sind als Tischgeräte, Rackmount-Geräte, einbaubare Module und in Kartenformaten erhältlich. Ein Maser ist ein Festkörpergerät, das Mikrowellen nach ähnlichen Prinzipien verstärkt wie ein Laser, der Lichtwellen höherer Frequenz verstärkt. ⓘ
Alle warmen Objekte senden je nach ihrer Temperatur eine schwache Mikrowellenstrahlung aus, so dass in der Meteorologie und Fernerkundung Mikrowellenradiometer zur Messung der Temperatur von Objekten oder des Geländes eingesetzt werden. Die Sonne und andere astronomische Radioquellen wie Cassiopeia A senden schwache Mikrowellenstrahlung aus, die Informationen über ihren Aufbau enthält und von Radioastronomen mit Hilfe von Empfängern, den Radioteleskopen, untersucht wird. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR) beispielsweise ist ein schwaches Mikrowellenrauschen, das den leeren Raum ausfüllt und eine wichtige Informationsquelle für die kosmologische Urknalltheorie über die Entstehung des Universums darstellt. ⓘ
Anwendungen von Mikrowellen
Die Mikrowellentechnologie wird in großem Umfang für die Punkt-zu-Punkt-Telekommunikation (d. h. nicht für den Rundfunk) eingesetzt. Mikrowellen eignen sich hierfür besonders gut, da sie sich leichter in schmalere Strahlen bündeln lassen als Radiowellen, was die Wiederverwendung von Frequenzen ermöglicht; ihre vergleichsweise höheren Frequenzen ermöglichen eine große Bandbreite und hohe Datenübertragungsraten, und die Antennen sind kleiner als bei niedrigeren Frequenzen, da sich die Antennengröße umgekehrt proportional zur Sendefrequenz verhält. Mikrowellen werden in der Raumfahrtkommunikation eingesetzt, und ein Großteil der weltweiten Daten-, Fernseh- und Telefonkommunikation wird über große Entfernungen zwischen Bodenstationen und Kommunikationssatelliten mit Mikrowellen übertragen. Mikrowellen werden auch in Mikrowellenherden und in der Radartechnik eingesetzt. ⓘ
Kommunikation
Vor der Einführung der Glasfaserübertragung wurden die meisten Ferngespräche über Richtfunknetze geführt, die von Betreibern wie AT&T Long Lines betrieben wurden. Ab den frühen 1950er Jahren wurde das Frequenzmultiplexverfahren eingesetzt, um bis zu 5.400 Telefonkanäle auf jedem Mikrowellen-Funkkanal zu übertragen, wobei bis zu zehn Funkkanäle in einer Antenne für den Sprung zum nächsten, bis zu 70 km entfernten Standort kombiniert wurden. ⓘ
Drahtlose LAN-Protokolle wie Bluetooth und die für Wi-Fi verwendeten IEEE 802.11-Spezifikationen nutzen ebenfalls Mikrowellen im 2,4-GHz-ISM-Band, obwohl 802.11a ISM-Band- und U-NII-Frequenzen im 5-GHz-Bereich verwendet. Lizenzierte drahtlose Internetzugangsdienste mit großer Reichweite (bis zu etwa 25 km) werden in vielen Ländern seit fast einem Jahrzehnt im Bereich 3,5-4,0 GHz genutzt. Die FCC hat vor kurzem Frequenzen für Betreiber freigegeben, die in den USA Dienste in diesem Bereich anbieten wollen - mit Schwerpunkt auf 3,65 GHz. Dutzende von Dienstanbietern im ganzen Land bemühen sich um Lizenzen der FCC für den Betrieb in diesem Frequenzbereich oder haben diese bereits erhalten. Die WIMAX-Dienstangebote, die auf dem 3,65-GHz-Band übertragen werden können, bieten Geschäftskunden eine weitere Option für Konnektivität. ⓘ
MAN-Protokolle (Metropolitan Area Network) wie WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) basieren auf Standards wie IEEE 802.16, die für den Betrieb zwischen 2 und 11 GHz ausgelegt sind. Kommerzielle Implementierungen liegen in den Bereichen 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz und 5,8 GHz. ⓘ
Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Protokolle, die auf Standardspezifikationen wie IEEE 802.20 oder ATIS/ANSI HC-SDMA (z. B. iBurst) beruhen, arbeiten zwischen 1,6 und 2,3 GHz, um ähnliche Mobilitäts- und Durchdringungseigenschaften wie Mobiltelefone zu erreichen, jedoch mit einer wesentlich höheren spektralen Effizienz. ⓘ
Einige Mobilfunknetze, wie GSM, nutzen in Amerika und anderswo die niedrigen Mikrowellen-/Hoch-UHF-Frequenzen um 1,8 bzw. 1,9 GHz. DVB-SH und S-DMB verwenden 1,452 bis 1,492 GHz, während proprietärer/inkompatibler Satellitenfunk in den USA etwa 2,3 GHz für DARS verwendet. ⓘ
Der Mikrowellenfunk wird für Rundfunk- und Telekommunikationsübertragungen verwendet, da aufgrund der kurzen Wellenlänge stark gerichtete Antennen kleiner und damit praktischer sind als bei längeren Wellenlängen (niedrigeren Frequenzen). Außerdem hat das Mikrowellenspektrum eine größere Bandbreite als das übrige Funkspektrum; die nutzbare Bandbreite unter 300 MHz beträgt weniger als 300 MHz, während oberhalb von 300 MHz viele GHz genutzt werden können. In der Regel werden Mikrowellen in den Fernsehnachrichten eingesetzt, um ein Signal von einem entfernten Standort zu einem Fernsehsender aus einem speziell ausgerüsteten Wagen zu übertragen. Siehe Broadcast Auxiliary Service (BAS), Remote Pickup Unit (RPU) und Studio/Transmitter Link (STL). ⓘ
Die meisten Satellitenkommunikationssysteme arbeiten in den C-, X-, Ka- oder Ku-Bändern des Mikrowellenspektrums. Diese Frequenzen ermöglichen eine große Bandbreite und vermeiden gleichzeitig die überfüllten UHF-Frequenzen und bleiben unterhalb der atmosphärischen Absorption der EHF-Frequenzen. Das Satellitenfernsehen arbeitet entweder im C-Band für den traditionellen festen Satellitendienst mit großen Schüsseln oder im Ku-Band für die direkte Satellitenübertragung. Die militärische Kommunikation läuft hauptsächlich über X- oder Ku-Band-Verbindungen, wobei das Ka-Band für Milstar verwendet wird. ⓘ
Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie das chinesische Beidou, das amerikanische Global Positioning System (eingeführt 1978) und das russische GLONASS senden Navigationssignale in verschiedenen Bändern zwischen etwa 1,2 GHz und 1,6 GHz. ⓘ
Radar
Radar ist eine Funkortungstechnik, bei der ein von einem Sender ausgesandter Strahl von Radiowellen an einem Objekt abprallt und zu einem Empfänger zurückkehrt, so dass Standort, Entfernung, Geschwindigkeit und andere Merkmale des Objekts bestimmt werden können. Die kurze Wellenlänge von Mikrowellen führt zu starken Reflexionen an Objekten von der Größe von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Außerdem sind bei diesen Wellenlängen die Antennen mit hohem Gewinn, wie z. B. Parabolantennen, die zur Erzeugung der schmalen Strahlenbreiten erforderlich sind, die zur genauen Ortung von Objekten benötigt werden, sehr klein, so dass sie schnell gedreht werden können, um nach Objekten zu suchen. Daher werden beim Radar hauptsächlich Mikrowellenfrequenzen verwendet. Mikrowellenradar wird häufig für Anwendungen wie Flugsicherung, Wettervorhersage, Navigation von Schiffen und Überwachung von Geschwindigkeitsbegrenzungen eingesetzt. Für Langstreckenradare werden die niedrigeren Mikrowellenfrequenzen verwendet, da die Reichweite am oberen Ende des Bandes durch die atmosphärische Absorption begrenzt ist, während für Kurzstreckenradare wie Kollisionsvermeidungssysteme Millimeterwellen verwendet werden. ⓘ
Radioastronomie
Mikrowellen, die von astronomischen Radioquellen wie Planeten, Sternen, Galaxien und Nebeln ausgesendet werden, werden in der Radioastronomie mit großen Schüsselantennen, den Radioteleskopen, untersucht. Zusätzlich zum Empfang der natürlich vorkommenden Mikrowellenstrahlung wurden Radioteleskope in aktiven Radarexperimenten eingesetzt, um Mikrowellen von Planeten im Sonnensystem abprallen zu lassen, die Entfernung zum Mond zu bestimmen oder die unsichtbare Oberfläche der Venus durch die Wolkendecke hindurch abzubilden. ⓘ
Ein kürzlich fertig gestelltes Mikrowellen-Radioteleskop ist das Atacama Large Millimeter Array, das sich in mehr als 5.000 Metern Höhe in Chile befindet und das Universum im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich beobachtet. Es ist das bisher größte bodengestützte Astronomieprojekt der Welt, besteht aus mehr als 66 Schüsseln und wurde in internationaler Zusammenarbeit von Europa, Nordamerika, Ostasien und Chile errichtet. ⓘ
Ein wichtiger Schwerpunkt der Mikrowellen-Radioastronomie ist die Kartierung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR), die 1964 von den Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt wurde. Diese schwache Hintergrundstrahlung, die das Universum ausfüllt und in allen Richtungen nahezu gleich ist, ist eine "Reliktstrahlung" aus dem Urknall und eine der wenigen Quellen, die Aufschluss über die Bedingungen im frühen Universum geben. Durch die Expansion und damit Abkühlung des Universums hat sich die ursprünglich hochenergetische Strahlung in den Mikrowellenbereich des Radiospektrums verschoben. Ausreichend empfindliche Radioteleskope können die CMBR als schwaches Signal nachweisen, das keinem Stern, keiner Galaxie oder einem anderen Objekt zugeordnet werden kann. ⓘ
Heizung und Energieanwendung
Ein Mikrowellenherd lässt Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 2,45 GHz (12 cm) durch Lebensmittel hindurch, wobei eine dielektrische Erwärmung hauptsächlich durch Absorption der Energie im Wasser erfolgt. Mikrowellenherde wurden in den späten 1970er Jahren in westlichen Ländern zu gängigen Küchengeräten, nachdem kostengünstigere Hohlraummagnetrons entwickelt worden waren. Wasser in flüssigem Zustand weist viele molekulare Wechselwirkungen auf, die den Absorptionspeak verbreitern. In der Dampfphase absorbieren isolierte Wassermoleküle bei etwa 22 GHz, was fast dem Zehnfachen der Frequenz des Mikrowellenofens entspricht. ⓘ
Die Mikrowellenerwärmung wird in industriellen Prozessen zum Trocknen und Aushärten von Produkten eingesetzt. ⓘ
Bei vielen Verfahren der Halbleiterherstellung werden Mikrowellen zur Erzeugung von Plasma eingesetzt, z. B. beim reaktiven Ionenätzen und der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD). ⓘ
Mikrowellen werden in Stellaratoren und experimentellen Tokamak-Fusionsreaktoren eingesetzt, um das Gas in ein Plasma zu zerlegen und es auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen. Die Frequenz ist auf die Zyklotronresonanz der Elektronen im Magnetfeld abgestimmt und liegt zwischen 2 und 200 GHz, weshalb sie oft als Elektronen-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) bezeichnet wird. Der künftige thermonukleare Reaktor ITER wird bis zu 20 MW an 170-GHz-Mikrowellen nutzen. ⓘ
Mikrowellen können zur Übertragung von Energie über große Entfernungen eingesetzt werden, und nach dem Zweiten Weltkrieg wurden Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Möglichkeiten zu untersuchen. Die NASA arbeitete in den 1970er und frühen 1980er Jahren an der Erforschung der Möglichkeiten des Einsatzes von Solarenergiesatellitensystemen (SPS) mit großen Solaranlagen, die Strom über Mikrowellen auf die Erdoberfläche strahlen würden. ⓘ
Es gibt bereits weniger tödliche Waffen, die Millimeterwellen verwenden, um eine dünne Schicht der menschlichen Haut auf eine unerträgliche Temperatur zu erhitzen, so dass die Zielperson weglaufen muss. Ein Zwei-Sekunden-Burst des fokussierten 95-GHz-Strahls erhitzt die Haut in einer Tiefe von 0,4 Millimetern auf 54 °C (129 °F). Die US-Luftwaffe und die Marineinfanterie verwenden derzeit diese Art von aktivem Abwehrsystem in festen Anlagen. ⓘ
Spektroskopie
Mikrowellenstrahlung wird in der paramagnetischen Elektronenresonanzspektroskopie (EPR oder ESR) eingesetzt, typischerweise im X-Band-Bereich (~9 GHz) in Verbindung mit Magnetfeldern von 0,3 T. Diese Technik liefert Informationen über ungepaarte Elektronen in chemischen Systemen wie freien Radikalen oder Übergangsmetallionen wie Cu(II). Mikrowellenstrahlung wird auch für die Rotationsspektroskopie verwendet und kann mit der Elektrochemie kombiniert werden, wie bei der mikrowellenverstärkten Elektrochemie. ⓘ
Mikrowellen-Frequenzbänder
Die Frequenzbänder im Mikrowellenspektrum werden mit Buchstaben bezeichnet. Leider gibt es mehrere inkompatible Bandbezeichnungssysteme, und selbst innerhalb eines Systems unterscheiden sich die Frequenzbereiche, die einigen der Buchstaben entsprechen, je nach Anwendungsbereich etwas. Das Buchstabensystem hatte seinen Ursprung im Zweiten Weltkrieg in einer streng geheimen US-Klassifizierung von Bändern, die in Radargeräten verwendet wurden; dies ist der Ursprung des ältesten Buchstabensystems, der IEEE-Radarbänder. Eine Reihe von Mikrowellenfrequenzbändern, die von der Radio Society of Great Britain (RSGB) benannt wurden, sind im Folgenden tabellarisch aufgeführt:
| Funkbänder ⓘ | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ITU | ||||||||||||||||
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| EU / NATO / US ECM | ||||||||||||||||
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| IEEE | ||||||||||||||||
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| Sonstiges TV und Radio | ||||||||||||||||
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| Bezeichnung | Frequenzbereich | Wellenlängenbereich | Typische Anwendungen ⓘ |
|---|---|---|---|
| L-Band | 1 bis 2 GHz | 15 cm bis 30 cm | militärische Telemetrie, GPS, Mobiltelefone (GSM), Amateurfunk |
| S-Band | 2 bis 4 GHz | 7,5 cm bis 15 cm | Wetterradar, Schiffsradar, einige Kommunikationssatelliten, Mikrowellenherde, Mikrowellengeräte/Kommunikation, Radioastronomie, Mobiltelefone, Wireless LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS, Amateurfunk |
| C-Band | 4 bis 8 GHz | 3,75 cm bis 7,5 cm | Langstrecken-Funkkommunikation |
| X-Band | 8 bis 12 GHz | 25 mm bis 37,5 mm | Satellitenkommunikation, Radar, terrestrisches Breitband, Weltraumkommunikation, Amateurfunk, Molekularrotationsspektroskopie |
| Ku-Band | 12 bis 18 GHz | 16,7 mm bis 25 mm | Satellitenkommunikation, Molekularrotationsspektroskopie |
| K-Band | 18 bis 26,5 GHz | 11,3 mm bis 16,7 mm | Radar, Satellitenkommunikation, astronomische Beobachtungen, Autoradar, Molekülrotationsspektroskopie |
| Ka-Band | 26,5 bis 40 GHz | 5,0 mm bis 11,3 mm | Satellitenkommunikation, Molekularrotationsspektroskopie |
| Q-Band | 33 bis 50 GHz | 6,0 mm bis 9,0 mm | Satellitenkommunikation, terrestrische Mikrowellenkommunikation, Radioastronomie, Fahrzeugradar, Molekülrotationsspektroskopie |
| U-Band | 40 bis 60 GHz | 5,0 mm bis 7,5 mm | |
| V-Band | 50 bis 75 GHz | 4,0 mm bis 6,0 mm | Millimeterwellen-Radarforschung, molekulare Rotationsspektroskopie und andere wissenschaftliche Forschung |
| W-Band | 75 bis 110 GHz | 2,7 mm bis 4,0 mm | Satellitenkommunikation, Millimeterwellen-Radarforschung, militärische Radaranwendungen zur Zielerfassung und -verfolgung sowie einige nicht-militärische Anwendungen, Fahrzeugradar |
| F-Band | 90 bis 140 GHz | 2,1 mm bis 3,3 mm | SHF-Übertragungen: Radioastronomie, Mikrowellengeräte/Kommunikation, Wireless LAN, die meisten modernen Radare, Kommunikationssatelliten, Satellitenfernsehen, DBS, Amateurfunk |
| D-Band | 110 bis 170 GHz | 1,8 mm bis 2,7 mm | EHF-Übertragungen: Radioastronomie, Hochfrequenz-Mikrowellen-Relaisfunk, Mikrowellen-Fernerkundung, Amateurfunk, gerichtete Energiewaffen, Millimeterwellen-Scanner |
Es gibt auch andere Definitionen. ⓘ
Der Begriff P-Band wird manchmal für UHF-Frequenzen unterhalb des L-Bandes verwendet, ist aber gemäß IEEE Std 521 inzwischen überholt. ⓘ
Als während des Zweiten Weltkriegs die ersten Radargeräte im K-Band entwickelt wurden, war nicht bekannt, dass es in der Nähe ein Absorptionsband gab (aufgrund von Wasserdampf und Sauerstoff in der Atmosphäre). Um dieses Problem zu vermeiden, wurde das ursprüngliche K-Band in ein unteres Band, Ku, und ein oberes Band, Ka, aufgeteilt. ⓘ
Messung von Mikrowellenfrequenzen
Die Mikrowellenfrequenz kann entweder mit elektronischen oder mechanischen Verfahren gemessen werden. ⓘ
Es können Frequenzzähler oder Hochfrequenz-Heterodynsysteme verwendet werden. Hier wird die unbekannte Frequenz mit Oberwellen einer bekannten niedrigeren Frequenz unter Verwendung eines Niederfrequenzgenerators, eines Oberwellengenerators und eines Mischers verglichen. Die Genauigkeit der Messung wird durch die Genauigkeit und Stabilität der Referenzquelle begrenzt. ⓘ
Mechanische Methoden erfordern einen abstimmbaren Resonator wie z. B. ein Absorptionswellenmessgerät, bei dem die Beziehung zwischen einer physikalischen Größe und der Frequenz bekannt ist. ⓘ
In einer Laborumgebung können Lecher-Linien verwendet werden, um die Wellenlänge auf einer aus parallelen Drähten bestehenden Übertragungsleitung direkt zu messen, woraus sich dann die Frequenz berechnen lässt. Eine ähnliche Technik ist die Verwendung eines geschlitzten Wellenleiters oder einer geschlitzten Koaxialleitung zur direkten Messung der Wellenlänge. Diese Geräte bestehen aus einer Sonde, die durch einen Längsschlitz in die Leitung eingeführt wird, so dass sich die Sonde frei in der Leitung auf und ab bewegen kann. Schlitzleitungen sind in erster Linie für die Messung des Stehwellenverhältnisses auf der Leitung vorgesehen. Sofern eine stehende Welle vorhanden ist, können sie jedoch auch zur Messung des Abstands zwischen den Knotenpunkten verwendet werden, der der halben Wellenlänge entspricht. Die Genauigkeit dieser Methode ist durch die Bestimmung der Knotenpunkte begrenzt. ⓘ
Auswirkungen auf die Gesundheit
Mikrowellen sind nicht-ionisierende Strahlung, d. h. Mikrowellenphotonen enthalten nicht genügend Energie, um Moleküle zu ionisieren, chemische Bindungen aufzubrechen oder die DNA zu schädigen, wie dies bei ionisierender Strahlung wie Röntgen- oder Ultraviolettstrahlen der Fall ist. Das Wort "Strahlung" bezieht sich auf Energie, die von einer Quelle ausgeht, und nicht auf Radioaktivität. Die Hauptwirkung der Absorption von Mikrowellen ist die Erwärmung von Materialien; die elektromagnetischen Felder versetzen polare Moleküle in Schwingung. Es ist nicht schlüssig bewiesen, dass Mikrowellen (oder andere nicht-ionisierende elektromagnetische Strahlung) bei niedrigen Werten signifikante negative biologische Auswirkungen haben. Einige, aber nicht alle Studien deuten darauf hin, dass eine langfristige Exposition eine krebserregende Wirkung haben kann. ⓘ
Während des Zweiten Weltkriegs wurde beobachtet, dass Personen, die sich im Strahlengang von Radaranlagen befanden, als Reaktion auf die Mikrowellenstrahlung Klick- und Summgeräusche wahrnahmen. Forschungen der NASA in den 1970er Jahren haben gezeigt, dass dies auf die thermische Ausdehnung von Teilen des Innenohrs zurückzuführen ist. 1955 gelang es Dr. James Lovelock, Ratten, die auf 0 und 1 °C abgekühlt waren, mit Hilfe der Mikrowellendiathermie zu reanimieren. ⓘ
Wenn eine Schädigung durch die Einwirkung von Mikrowellen auftritt, ist sie in der Regel auf eine dielektrische Erwärmung des Körpers zurückzuführen. Die Exposition gegenüber Mikrowellenstrahlung kann durch diesen Mechanismus Katarakte hervorrufen, weil die Mikrowellenerwärmung die Proteine in der Augenlinse denaturiert (so wie das Eiweiß durch Hitze weiß und undurchsichtig wird). Die Linse und die Hornhaut des Auges sind besonders empfindlich, da sie keine Blutgefäße enthalten, die die Wärme ableiten können. Die Exposition gegenüber hohen Dosen von Mikrowellenstrahlung (z. B. von einem Ofen, der so manipuliert wurde, dass er auch bei offener Tür betrieben werden kann) kann auch in anderen Geweben zu Hitzeschäden führen, bis hin zu schweren Verbrennungen, die möglicherweise nicht sofort erkennbar sind, da Mikrowellen dazu neigen, tiefer liegendes Gewebe mit höherem Feuchtigkeitsgehalt zu erhitzen. ⓘ
Geschichte
Hertz'sche Optik
Mikrowellen wurden erstmals in den 1890er Jahren in einigen der frühesten Radioexperimente von Physikern erzeugt, die sie als eine Form von "unsichtbarem Licht" betrachteten. James Clerk Maxwell hatte in seiner Theorie des Elektromagnetismus aus dem Jahr 1873, den so genannten Maxwellschen Gleichungen, vorhergesagt, dass sich ein gekoppeltes elektrisches und magnetisches Feld als elektromagnetische Welle durch den Raum ausbreiten kann, und vorgeschlagen, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen kurzer Wellenlänge besteht. 1888 wies der deutsche Physiker Heinrich Hertz als Erster die Existenz von Radiowellen mit einem primitiven Funkenstrecken-Radiosender nach. ⓘ
Hertz und die anderen frühen Radioforscher waren daran interessiert, die Ähnlichkeiten zwischen Radiowellen und Lichtwellen zu erforschen, um Maxwells Theorie zu überprüfen. Sie konzentrierten sich auf die Erzeugung kurzwelliger Radiowellen im UHF- und Mikrowellenbereich, mit denen sie in ihren Laboratorien klassische optische Experimente nachstellen konnten, indem sie quasioptische Komponenten wie Prismen und Linsen aus Paraffin, Schwefel und Pech sowie Drahtbeugungsgitter verwendeten, um Radiowellen wie Lichtstrahlen zu brechen und zu beugen. Hertz erzeugte Wellen bis zu 450 MHz; sein gerichteter 450-MHz-Sender bestand aus einer 26 cm langen Messingstab-Dipolantenne mit einer Funkenstrecke zwischen den Enden, die in der Brennlinie einer Parabolantenne aus gebogenem Zinkblech aufgehängt war und durch Hochspannungsimpulse von einer Induktionsspule gespeist wurde. Seine historischen Experimente zeigten, dass Radiowellen wie Licht Brechung, Beugung, Polarisation, Interferenz und stehende Wellen aufweisen, was beweist, dass Radiowellen und Lichtwellen beide Formen der elektromagnetischen Wellen von Maxwell sind. ⓘ
Heinrich Hertz' 450-MHz-Funkensender, 1888, bestehend aus einem 23-cm-Dipol und einer Funkenstrecke im Brennpunkt eines parabolischen Reflektors
Jagadish Chandra Bose war 1894 der erste, der Millimeterwellen erzeugte; sein Funkenoszillator (in der Box rechts) erzeugte 60 GHz (5 mm) mit Hilfe von 3 mm großen Metallkugelresonatoren.
Mikrowellenspektroskopie-Experiment von John Ambrose Fleming aus dem Jahr 1897, das die Brechung von 1,4-GHz-Mikrowellen an einem Paraffinprisma zeigte und frühere Experimente von Bose und Righi wiederholte.
Augusto Righis 12-GHz-Funkenoszillator und Empfänger, 1895 ⓘ
Ab 1894 führte der indische Physiker Jagadish Chandra Bose die ersten Experimente mit Mikrowellen durch. Er war der erste, der Millimeterwellen erzeugte, indem er mit einem 3-mm-Metallkugel-Funkenoszillator Frequenzen von bis zu 60 GHz (5 Millimeter) erzeugte. Bose erfand auch Hohlleiter- und Hornantennen sowie Halbleiterkristalldetektoren, die er für seine Experimente verwendete. Unabhängig voneinander experimentierten Oliver Lodge und Augusto Righi 1894 mit 1,5 bzw. 12 GHz-Mikrowellen, die von kleinen Metallkugel-Funkenresonatoren erzeugt wurden. Der russische Physiker Pjotr Lebedew erzeugte 1895 Millimeterwellen mit 50 GHz. 1897 löste Lord Rayleigh das mathematische Randwertproblem elektromagnetischer Wellen, die sich durch leitende Rohre und dielektrische Stäbe beliebiger Form ausbreiten, was die Moden und die Grenzfrequenz von Mikrowellen ergab, die sich durch einen Wellenleiter ausbreiten. ⓘ
Da sich Mikrowellen jedoch nur auf Sichtlinien ausbreiteten, konnten sie nicht über den visuellen Horizont hinaus kommunizieren, und die geringe Leistung der damals verwendeten Funksender beschränkte ihre praktische Reichweite auf einige Kilometer. Bei der späteren Entwicklung der Funkkommunikation nach 1896 wurden niedrigere Frequenzen verwendet, die sich als Bodenwellen über den Horizont hinaus ausbreiten und als Himmelswellen von der Ionosphäre reflektiert werden konnten; Mikrowellenfrequenzen wurden zu dieser Zeit nicht weiter erforscht. ⓘ
Erste Experimente zur Mikrowellenkommunikation
Die praktische Nutzung von Mikrowellenfrequenzen fand erst in den 1940er und 1950er Jahren statt, da es an geeigneten Quellen mangelte, da der in Rundfunksendern verwendete elektronische Trioden-Vakuumröhren-Oszillator (Röhrenoszillator) wegen der zu langen Elektronenlaufzeit und der Kapazität zwischen den Elektroden keine Frequenzen über einigen hundert Megahertz erzeugen konnte. In den 1930er Jahren wurden mit der Barkhausen-Kurz-Röhre und dem Spaltanoden-Magnetron die ersten Mikrowellenröhren mit geringer Leistung entwickelt, die auf neuen Prinzipien beruhten. Diese konnten einige Watt Leistung bei Frequenzen bis zu einigen Gigahertz erzeugen und wurden bei den ersten Experimenten zur Kommunikation mit Mikrowellen eingesetzt. ⓘ
Antennen der experimentellen 1,7-GHz-Mikrowellen-Relaisverbindung über den Ärmelkanal von 1931.
Experimenteller 700-MHz-Sender 1932 in den Westinghouse-Labors überträgt Sprache über eine Meile.
Southworth (links) demonstriert auf der IRE-Tagung 1938 einen Wellenleiter, der 1,5-GHz-Mikrowellen durch einen 7,5 m langen flexiblen Metallschlauch leitet und auf einem Diodendetektor registriert.
Die erste moderne Hornantenne im Jahr 1938 mit dem Erfinder Wilmer L. Barrow ⓘ
1931 demonstrierte ein anglo-französisches Konsortium unter der Leitung von Andre C. Clavier die erste experimentelle Mikrowellen-Relaisverbindung über den Ärmelkanal (40 Meilen (64 km)) zwischen Dover, Großbritannien, und Calais, Frankreich. Das System übertrug Telefonie-, Telegrafen- und Faksimiledaten über bidirektionale 1,7-GHz-Strahlen mit einer Leistung von einem halben Watt, die von Miniatur-Barkhausen-Kurz-Röhren im Brennpunkt von 3 m (10 Fuß) großen Metallschüsseln erzeugt wurden. ⓘ
Man brauchte ein Wort, um diese neuen, kürzeren Wellenlängen zu unterscheiden, die bisher unter dem Begriff "Kurzwelle" zusammengefasst wurden, d. h. alle Wellen, die kürzer als 200 m waren. Die Begriffe quasi-optische Wellen und Ultrakurzwellen wurden kurz verwendet, setzten sich aber nicht durch. Die erste Verwendung des Wortes Mikrowelle erfolgte offenbar im Jahr 1931. ⓘ
Radar
Die Entwicklung des Radars, die vor und während des Zweiten Weltkriegs hauptsächlich im Verborgenen stattfand, führte zu den technologischen Fortschritten, die die Mikrowellen praktisch werden ließen. Man benötigte Wellenlängen im Zentimeterbereich, um den kleinen Radarantennen, die kompakt genug waren, um in Flugzeuge eingebaut zu werden, eine ausreichend schmale Abstrahlbreite zu geben, um feindliche Flugzeuge zu lokalisieren. Man stellte fest, dass herkömmliche Übertragungsleitungen, die zur Übertragung von Funkwellen verwendet wurden, bei Mikrowellenfrequenzen zu große Leistungsverluste aufwiesen, und George Southworth von den Bell Labs und Wilmer Barrow vom MIT erfanden 1936 unabhängig voneinander den Wellenleiter. Barrow erfand 1938 die Hornantenne als Mittel zur effizienten Abstrahlung von Mikrowellen in oder aus einem Hohlleiter. In einem Mikrowellenempfänger wurde ein nichtlineares Bauteil benötigt, das bei diesen Frequenzen als Detektor und Mischer fungieren konnte, da Vakuumröhren eine zu hohe Kapazität hatten. Um diesen Bedarf zu decken, griffen die Forscher auf eine veraltete Technologie zurück, den Punktkontakt-Kristalldetektor (Cat-Whisker-Detektor), der um die Jahrhundertwende vor den Vakuumröhrenempfängern als Demodulator in Kristallradios verwendet wurde. Die niedrige Kapazität von Halbleiterübergängen ermöglichte es ihnen, bei Mikrowellenfrequenzen zu funktionieren. Die ersten modernen Silizium- und Germaniumdioden wurden in den 1930er Jahren als Mikrowellendetektoren entwickelt, und die bei ihrer Entwicklung erlernten Prinzipien der Halbleiterphysik führten nach dem Krieg zur Halbleiterelektronik. ⓘ
Der Prototyp der Hohlraummagnetronröhre von Randall und Boot an der Universität von Birmingham, 1940. Im Einsatz wurde die Röhre zwischen den Polen eines Elektromagneten installiert
Erste kommerzielle Klystronröhre von General Electric, 1940, mit Schnittdarstellung des inneren Aufbaus
British Mk. VIII, das erste Mikrowellen-Luftabfangradar, in der Nase eines britischen Jagdflugzeugs. Das Mikrowellenradar, das von der neuen Magnetronröhre angetrieben wird, verkürzt den Zweiten Weltkrieg erheblich.
Mobile Mikrowellen-Relaisstation der US-Armee 1945 zur Demonstration von Relaissystemen mit Frequenzen von 100 MHz bis 4,9 GHz, die bis zu acht Telefongespräche auf einem Strahl übertragen konnten. ⓘ
Die ersten leistungsstarken Mikrowellenquellen wurden zu Beginn des Zweiten Weltkriegs erfunden: die Klystron-Röhre von Russell und Sigurd Varian an der Stanford University im Jahr 1937 und die Hohlraum-Magnetron-Röhre von John Randall und Harry Boot an der Birmingham University, Großbritannien, im Jahr 1940. Das Zehn-Zentimeter-Mikrowellenradar (3 GHz) wurde Ende 1941 in britischen Kampfflugzeugen eingesetzt und erwies sich als bahnbrechend. Die Entscheidung Großbritanniens aus dem Jahr 1940, seine Mikrowellentechnologie mit seinem amerikanischen Verbündeten zu teilen (Tizard-Mission), verkürzte den Krieg erheblich. Das MIT Radiation Laboratory, das 1940 heimlich am Massachusetts Institute of Technology gegründet wurde, um Radar zu erforschen, lieferte einen Großteil des theoretischen Wissens, das für die Nutzung von Mikrowellen notwendig war. Die ersten Mikrowellen-Relais-Systeme wurden von den alliierten Streitkräften gegen Ende des Krieges entwickelt und für sichere Kommunikationsnetze auf dem Schlachtfeld in Europa eingesetzt. ⓘ
Nach dem Zweiten Weltkrieg
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die Mikrowellen rasch kommerziell genutzt. Aufgrund ihrer hohen Frequenz hatten sie eine sehr große Informationsübertragungskapazität (Bandbreite); ein einziger Mikrowellenstrahl konnte Zehntausende von Telefongesprächen übertragen. In den 1950er und 60er Jahren wurden in den USA und Europa transkontinentale Mikrowellenrelaisnetze aufgebaut, um Telefongespräche zwischen Städten auszutauschen und Fernsehprogramme zu verbreiten. In der neuen Fernsehindustrie wurden ab den 1940er Jahren Mikrowellenschüsseln eingesetzt, um Videobilder von mobilen Produktionsfahrzeugen zurück ins Studio zu übertragen, wodurch die ersten Fernsehsendungen aus der Ferne möglich wurden. In den 1960er Jahren wurden die ersten Kommunikationssatelliten gestartet, die Telefongespräche und Fernsehen zwischen weit voneinander entfernten Punkten auf der Erde mit Hilfe von Mikrowellenstrahlen übermittelten. 1964 entdeckten Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson bei der Untersuchung des Rauschens in einer Satelliten-Hornantenne in den Bell Labs in Holmdel, New Jersey, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.
Das Mikrowellenradar wurde zur zentralen Technologie für die Luftverkehrskontrolle, die Seeschifffahrt, die Flugabwehr, die Erkennung ballistischer Raketen und später auch für viele andere Anwendungen. Radar und Satellitenkommunikation motivierten die Entwicklung moderner Mikrowellenantennen: die Parabolantenne (der gängigste Typ), die Cassegrain-Antenne, die Linsenantenne, die Schlitzantenne und die phasengesteuerte Anordnung. ⓘ
Die Fähigkeit von Kurzwellen, Materialien schnell zu erwärmen und Speisen zu kochen, war in den 1930er Jahren von I. F. Mouromtseff bei Westinghouse untersucht worden, und auf der Weltausstellung 1933 in Chicago wurde das Kochen von Speisen mit einem 60-MHz-Radiosender demonstriert. 1945 bemerkte Percy Spencer, ein Ingenieur, der bei Raytheon an einem Radargerät arbeitete, dass die Mikrowellenstrahlung eines Magnetron-Oszillators einen Schokoriegel in seiner Tasche zum Schmelzen brachte. Er untersuchte das Kochen mit Mikrowellen und erfand den Mikrowellenherd, der aus einem Magnetron besteht, das Mikrowellen in einen geschlossenen Metallhohlraum leitet, der Lebensmittel enthält. Aufgrund ihrer hohen Kosten wurden Mikrowellenherde zunächst in Großküchen eingesetzt, aber 1986 besaßen etwa 25 % der Haushalte in den USA einen solchen Ofen. Die Mikrowellenerwärmung wurde als industrielles Verfahren in Branchen wie der Kunststoffherstellung und als medizinische Therapie zur Abtötung von Krebszellen in der Mikrowellenhyperthermie weit verbreitet. ⓘ
Die 1943 von Rudolph Kompfner und John Pierce entwickelte Wanderfeldröhre (TWT) stellte eine abstimmbare Hochleistungs-Mikrowellenquelle mit einem Frequenzbereich von bis zu 50 GHz zur Verfügung und wurde zur am weitesten verbreiteten Mikrowellenröhre (neben dem allgegenwärtigen Magnetron in Mikrowellenherden). Die in Russland entwickelte Gyrotron-Röhrenfamilie kann eine Leistung von mehreren Megawatt bis in den Millimeterwellenbereich hinein erzeugen und wird in der industriellen Heizungs- und Plasmaforschung sowie zum Betrieb von Teilchenbeschleunigern und Kernfusionsreaktoren eingesetzt. ⓘ
Festkörpermikrowellengeräte
Die Entwicklung der Halbleiterelektronik in den 1950er Jahren führte zu den ersten Festkörpermikrowellengeräten, die nach einem neuen Prinzip funktionierten: dem negativen Widerstand (einige Mikrowellenröhren aus der Vorkriegszeit hatten ebenfalls einen negativen Widerstand). Die Oszillatoren mit Rückkopplung und die Verstärker mit zwei Anschlüssen, die bei niedrigeren Frequenzen verwendet wurden, wurden bei Mikrowellenfrequenzen instabil, und die Oszillatoren und Verstärker mit negativem Widerstand, die auf Bauteilen mit einem Anschluss wie Dioden basierten, funktionierten besser. ⓘ
Die 1957 von dem japanischen Physiker Leo Esaki erfundene Tunneldiode konnte einige Milliwatt Mikrowellenleistung erzeugen. Ihre Erfindung löste eine Suche nach besseren Halbleiterbauelementen mit negativem Widerstand für den Einsatz als Mikrowellenoszillatoren aus, die 1956 zur Erfindung der IMPATT-Diode durch W.T. Read und Ralph L. Johnston und 1962 zur Erfindung der Gunn-Diode durch J. B. Gunn führte. Dioden sind heute die am häufigsten verwendeten Mikrowellenquellen. ⓘ
Zwei rauscharme Festkörpermikrowellenverstärker mit negativem Widerstand wurden entwickelt: der 1953 von Charles H. Townes, James P. Gordon und H. J. Zeiger erfundene Rubinmaser und der 1956 von Marion Hines entwickelte parametrische Varaktorverstärker. Diese wurden für rauscharme Mikrowellenempfänger in Radioteleskopen und Satellitenbodenstationen eingesetzt. Der Maser führte zur Entwicklung von Atomuhren, die die Zeit mit Hilfe einer präzisen Mikrowellenfrequenz halten, die von Atomen ausgesendet wird, die einen Elektronenübergang zwischen zwei Energieniveaus durchlaufen. Verstärkerschaltungen mit negativem Widerstand erforderten die Erfindung neuer nichtreziproker Wellenleiterkomponenten wie Zirkulatoren, Isolatoren und Richtungskoppler. 1969 leitete Kurokawa mathematische Bedingungen für die Stabilität von Schaltungen mit negativem Widerstand ab, die die Grundlage für das Design von Mikrowellenoszillatoren bildeten. ⓘ
Integrierte Mikrowellenschaltungen
Vor den 1970er Jahren waren Mikrowellengeräte und -schaltungen sperrig und teuer, so dass Mikrowellenfrequenzen im Allgemeinen auf die Ausgangsstufe von Sendern und das HF-Frontend von Empfängern beschränkt waren und die Signale zur Verarbeitung auf eine niedrigere Zwischenfrequenz überlagert wurden. In den 1970er Jahren bis heute wurden winzige, preiswerte aktive Festkörper-Mikrowellenkomponenten entwickelt, die auf Leiterplatten montiert werden können und es den Schaltkreisen ermöglichen, eine umfangreiche Signalverarbeitung bei Mikrowellenfrequenzen durchzuführen. Dies hat Satellitenfernsehen, Kabelfernsehen, GPS-Geräte und moderne drahtlose Geräte wie Smartphones, Wi-Fi und Bluetooth ermöglicht, die sich über Mikrowellen mit Netzwerken verbinden. ⓘ
Microstrip, eine für Mikrowellenfrequenzen geeignete Art von Übertragungsleitung, wurde in den 1950er Jahren zusammen mit gedruckten Schaltungen erfunden. Die Möglichkeit, eine Vielzahl von Formen kostengünstig auf gedruckten Schaltungen herzustellen, ermöglichte die Herstellung von Kondensatoren, Induktivitäten, Resonanzstäben, Verteilern, Richtkopplern, Diplexern, Filtern und Antennen in Mikrostreifenbauweise und damit den Bau kompakter Mikrowellenschaltungen. ⓘ
In den 1970er Jahren wurden Transistoren entwickelt, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten. Der Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) hat eine viel höhere Elektronenbeweglichkeit als Silizium, so dass mit diesem Material hergestellte Bauelemente bei der vierfachen Frequenz von ähnlichen Bauelementen aus Silizium arbeiten können. In den 1970er Jahren wurde GaAs für die Herstellung der ersten Mikrowellentransistoren verwendet und dominiert seither die Mikrowellenhalbleiter. MESFETs (Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), schnelle GaAs-Feldeffekttransistoren, die Schottky-Übergänge für das Gate verwenden, wurden ab 1968 entwickelt und haben Grenzfrequenzen von 100 GHz erreicht und sind heute die am häufigsten verwendeten aktiven Mikrowellenbauelemente. Eine weitere Transistorfamilie mit einer höheren Grenzfrequenz ist der HEMT (High Electron Mobility Transistor), ein Feldeffekttransistor, der mit zwei verschiedenen Halbleitern, AlGaAs und GaAs, in Heterojunction-Technologie hergestellt wird, sowie der ähnliche HBT (Heterojunction Bipolar Transistor). ⓘ
GaAs kann halbisolierend gemacht werden, so dass es als Substrat verwendet werden kann, auf dem Schaltungen mit passiven Komponenten sowie Transistoren durch Lithographie hergestellt werden können. Dies führte 1976 zu den ersten integrierten Schaltungen (ICs), die bei Mikrowellenfrequenzen funktionierten, den so genannten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC). Das Wort "monolithisch" wurde hinzugefügt, um sie von den Mikrostreifen-Leiterplattenschaltungen zu unterscheiden, die als "integrierte Mikrowellenschaltungen" (MIC) bezeichnet wurden. Seitdem sind auch Silizium-MMICs entwickelt worden. Heute sind MMICs die Arbeitspferde sowohl der analogen als auch der digitalen Hochfrequenzelektronik und ermöglichen die Herstellung von Ein-Chip-Mikrowellenempfängern, Breitbandverstärkern, Modems und Mikroprozessoren. ⓘ
Eigenschaften
Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Ähnlich wie sichtbares Licht können sie reflektiert und gebrochen werden und auch interferieren. Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Geeignete Isolatoren (z. B. einige Thermoplaste, insbesondere Teflon), Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig (transparent) für diese Wellen und absorbieren sie nur wenig – daher können z. B. auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden. Wie Licht kann auch bei Mikrowellen kohärente Strahlung mittels stimulierter Emission erzeugt werden. Solche Mikrowellen-Laser werden entsprechend Maser genannt. ⓘ
Wechselwirkung mit Materie
Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle richten sich als Dipole ständig nach dem elektromagnetischen Wechselfeld aus, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz liegt bei 2,45 GHz. Damit erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508 GHz. ⓘ
Der dielektrische Verlustfaktor, der spezifische elektrische Widerstand sowie magnetische Verluste bestimmen die frequenzabhängige Absorption der Mikrowellen an oder in Stoffen und somit deren Erwärmung. ⓘ
Mikrowellentransport in technischen Anlagen
Elektromagnetische Wellen oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter mit einem Koaxialkabel übertragen werden, da die Verluste im Dielektrikum mit der Frequenz zunehmen. Die Übertragungweise ändert sich grundsätzlich, wenn der innere Umfang der Koaxabschirmung kleiner ist als die zu übertragende Wellenlänge, weil dann unerwünschte Hohlleitermoden auftreten. Deshalb werden Mikrowellen hinreichend kurzer Wellenlänge in Hohlleitern geführt, da diese verlustärmer sind. Zum möglichst reflexionsfreien Abschluss von Hohlleitern dienen spezielle Abschlussstücke, sogenannte Wellensümpfe. ⓘ
Spezielles zum Mikrowellenherd
Das Eintrittsfenster für Mikrowellen oben in den Garraum eines Mikrowellenherds wird typischerweise durch ein nur optisch opakes Fenster aus sehr hitzebeständigem Glimmer gebildet. Umgekehrt soll die Herdtür für guten Einblick möglichst optisch durchsichtig sein und die Mikrowellen doch dicht einschließen. Das wird erreicht durch ein schwarz lackiertes Lochblech (innen wasserdampfdicht mit einer hitzebeständigen Kunststofffolie beklebt) mit ausreichend feiner Lochung mit typisch 2 mm Rastermaß plus einer transparenten Platte in etwa 2 cm Abstand außen davor. Die Dichtheit der Tür gegenüber der Türöffnung wird über einen planen Spalt mit weniger als 1 mm Breite und mehr als 1 cm Tiefe erzielt. Mikrowellen mit 12 cm Wellenlänge (bei 2,45 GHz) können diese feinen Poren oder schmalen Spalte nicht durchdringen. Die Andichtung des Magnetrons an den Hohlleiter im Blechgehäuse erfolgt durch einen flachen Ring aus feinem gekräuselten Metalldraht und Pressung. ⓘ
Erzeugung und Absorption
Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren wie Klystrons, Wanderfeldröhren oder Magnetrons erzeugt. Bei geringen Leistungen bevorzugt man Gunndioden für Festfrequenzen und Backward-wave Oszillatoren für große Frequenzbereiche. ⓘ
Mikrowellen werden durch Ferrite sehr gut absorbiert, weshalb diese sich quasi als Wellensumpf verwenden lassen. Manche militärische Flugzeuge, Schiffe oder gepanzerte Landfahrzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen. ⓘ
Wasserhaltige Substanzen absorbieren Mikrowellen erheblich besser als trockene Substanzen. Das wird im Mikrowellenherd ausgenutzt. ⓘ
Einsatzgebiete
Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenrundfunk, WLAN, Amateurfunk), Sensorsystemen (zum Beispiel Radar, dem Mikrowellen-Resonatorverfahren) oder Leuchtmitteln (Schwefelkugellampe) zum Einsatz. ⓘ
Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen in Teilchenbeschleunigern sind Hohlraumresonatoren für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, dass sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen, das fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, in die nächste Zelle eintritt. ⓘ
In Kernfusionsreaktoren mit magnetisch eingeschlossenen Plasmen kommen Mikrowellen zum Einsatz, um dem Plasma mittels Zyklotron-Resonanzheizung Energie zuzuführen. ⓘ
Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in Frequenzbänder, die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere Amateurfunkbänder, unter anderem zwischen 1240 und 1300 MHz das 23-Zentimeter-Band, zwischen 2320 und 2450 MHz das 13-Zentimeter-Band und zwischen 10 und 10,5 GHz das 3-Zentimeter-Band. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke sind die Frequenzen der ISM-Bänder freigegeben. ⓘ