مایکروویو (Microwave) یا ریز موج – به زبان ساده

در مقاله «امواج رادیویی -- به زبان ساده» با ناحیه رادیویی و فرکانس‌های مربوطه آشنا شدیم. دیدیم که فرکانس‌های ناحیه رادیویی شامل محدوده $$3\ kHz \sim 300\ GHz$$ می‌شوند. همان‌طور که در مقاله مذکور اشاره شد، برخی از مراجع فرکانس‌های بالای ناحیه امواج رادیویی، یعنی باند UHF (فرکانس $$300\ MHz$$) تا آخر باند EHF (فرکانس $$300\ GHz$$) را ناحیه‌ای جداگانه موسوم به مایکروویو (Microwave) یا میکروویو یا ریز موج به حساب می‌آورند.

در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده بیشتر به ناحیه مایکروویو یا ریز موج بپردازیم. اگر به تحلیل مدارهای مایکروویو و دیگر مدارهای مخابراتی علاقه‌مند هستید، فیلم‌های مجموعه آموزش ای دی اس ADS – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس را مشاهده کنید.

مایکروویو (Microwave) یا ریز موج

همان‌طور که می‌دانید، امواج مایکروویو یا امواج ریز موج ماهیتی الکترومغناطیسی دارند. به عبارت دیگر امواج مذکور از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان عمود بر یکدیگر ساخته شده‌اند. امواج مایکروویو همانند دیگر امواج الکترومغناطیسی به راحتی با معادلات انتگرالی یا دیفرانسیلی ماکسول تحلیل و بررسی می‌شوند.

فیلم آموزش آنتن 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

امواج مایکروویو در انتهای ناحیه امواج رادیویی در طیف الکترومغناطیسی قرار داشته که در شکل و جدول زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که در مقدمه مقاله بیان شد، امواج مذکور امواجی با محدوده فرکانسی 300 مگاهرتز (طول موج ۱ متر) تا 300 گیگاهرتز (طول موج ۱ میلی‌متر) هستند. این ناحیه فرکانسی شامل دو باند UHF و EHF در فرکانس‌های رادیویی است. لازم به ذکر است که ناحیه فرکانسی مذکور به عنوان یک استاندارد در جهان برای معرفی امواج مایکروویو یا امواج ریز موج مطرح نبوده و مراجع مختلف ناحیه‌های متفاوتی را معرفی می‌کنند. به عنوان مثال برخی مراجع فرکانس‌های ۱ گیگاهرتز تا 100 گیگاهرتز را امواج مایکروویو به حساب می‌آورند. نکته‌ای که در اینجا حائز اهمیت بوده، این است که همه تعریف‌های موج مایکروویو (Microwave)، شامل باند فرکانسی ($$3\ GHz \sim 30\ GHz$$) یعنی باند SHF می‌شوند.

جدا از تعاریف فوق، فرکانس‌های امواج مایکروویو یا ریز موج، غالباً بر اساس استاندارد‌های سازمان IEEE برای کاربردهای راداری تعریف می‌شوند. باند‌های فرکانسی راداری IEEE در شکل زیر نشان داده شده‌اند. جهت آشنایی بیشتر با ساختار رادارها به مقاله «رادار (Radar) -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

دقت داشته باشید که پیشوند Micro (مایکرو یا میکرو) در کلمه Microwave به این معنی نیست که امواج مذکور دارای طول موج‌هایی در مرتبه میکرون ($$10^{-6}\ m$$) هستند. همان‌طور که در شکل (۲) نیز مشخص است، این امواج دارای محدوده طول موجی ۱ میلی‌متر تا ۱ متر هستند. انتخاب پیشوند Micro شاید بیشتر جنبه تاریخی داشته و صرفاً بیانگر کمتر بودن طول موج نسبت به امواج رادیویی (ناحیه VHF به پایین) است.

امواج مایکروویو یا ریز موج بین دو ناحیه رادیویی و مادون قرمز دور (Far Infrared) قرار دارند. البته بعد از امواج مایکروویو، امواج میلی‌متری (Millimetre Waves) و تراهرتز (Terahertz) قبل از ناحیه مادون قرمز دور قرار دارند. جهت آشنایی با زیرناحیه‌های مختلف امواج مادون قرمز، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقاله «مادون قرمز (Infrared) -- به زبان ساده» داشته باشید.

همان‌طور که در مقاله «امواج رادیویی» دیدیم، امواج رادیویی می‌توانند از سه طریق زیر در فضای آزاد منتشر شوند:

• انتشار در خط مستقیم (Line of Sight)
• امواج زمین (Ground Waves)
• امواج آسمان (Skywaves) یا بازتاب از یونوسفر

اما امواج رادیویی فرکانس بالا یا مایکروویو تنها به صورت (Line of Sight) منتشر می‌شوند.

لازم به ذکر است که امواج مایکروویو (فرکانس بالا - انتهای باند) توسط لایه‌های مختلف جو جذب می‌شوند که این امر باعث محدودیت در انتشار آن‌ها و ارتباطات مایکروویو می‌شود. امواج مایکروویو کاربردهای بسیار زیادی در حوزه‌های مختلف نظیر ارتباطات مستقیم Point to Point، شبکه‌های بی‌سیم و موبایل 4G\5G، رادار، طیف‌سنجی، اجاق مایکروویو و ... دارند.

یکی از روش‌های تولید امواج مایکروویو با فرکانس بالا، استفاده از روش گسیل القایی (تحریکی) در قالب میزرها است. میزر (MASER) از حروف اول عبارت “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” نتیجه شده و به معنی تابش میکروویو تقویت شده حاصل از گسیل القایی است. به طور مثال، نمونه اولیه میزر آمونیاک، می‌توانست امواج مایکروویو را در فرکانس ۲۴ گیگاهرتز تولید کند. جهت آشنایی با اصول کار میزرها (Maser)‌ به مقاله «میزر (Maser) -- به زبان ساده» مراجعه کنید.

باندهای فرکانسی مایکروویو

باند‌ یا محدوده‌های فرکانسی امواج مایکروویو توسط حروف بزرگ لاتین مشخص می‌شوند. همان‌طور که در شکل (3) مشاهده کردید، ناحیه‌بندی امواج میکروویو توسط IEEE امروزه به عنوان استانداردی جهانی پذیرفته شده و غالباً در گزارشات و مقالات علمی از همین نمادگذاری استفاده می‌کنند.

فیلم آموزش آنتن های مایکرواستریپ و طراحی آن با نرم افزار CST سی اس تی در فرادرس

کلیک کنید

در جدول زیر باند‌های موجود در شکل به همراه برخی کاربردها به تفکیک آمده است.

انتشار امواج مایکروویو

همان‌طور که بخش قبل اشاره کردیم، امواج مایکروویو برخلاف امواج رادیویی (باند VHF به پایین)، تنها می‌توانند به صورت Line of Sight منتشر شوند. از این حیث ارتباطات فرکانس بالای مایکروویو علی‌رغم پهنای‌باند بالا، از لحاظ مسافت با محدودیت مواجه هستند. به طور میانگین، فاصله لینک‌های مخابراتی مایکروویو در حدود 48 الی 64 کیلومتر است.

فیلم آموزش الکترومغناطیس 2 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

جدا از بحث مسافت، رطوبت موجود در هوا باعث جذب امواج مایکروویو می‌شود. امواج مایکروویو به راحتی جذب مولکول‌های دوقطبی نظیر آب شده و باعث ارتعاش و گرم شدن آن‌ها می‌شوند. اساس کار اجاق‌های مایکروویو نیز همین امر است. با این اوصاف در روزهای بارانی و یا شهرهای مرطوب، انتشار امواج مایکروویو با محدودیت مواجه است. لازم به ذکر است که میرایی امواج مذکور با افزایش فرکانس، افزایش می‌یابد. منظور از میرایی، این است که دامنه موج با انتشار رفته رفته کم شده و در نهایت از بین برود. البته طبق قوانین فیزیک، امواج مذکور دارای انرژی بوده و انرژی از بین نمی‌رود، بلکه به فرم دیگری نظیر گرمایی بدل می‌شود.

همچنین در فرکانس‌های بالاتر از 40 گیگاهرتز، امواج مایکروویو جذب گازهای جوی شده که این امر نیز انتشار مستقیم امواج مذکور را به چند کیلومتر محدود می‌کند. در فرکانس‌های بالا‌تر از 100 گیگاهرتز نیز  پدیده جذب مطابق با شکل زیر با سرعت خیلی زیادی افزایش پیدا می‌کند.

البته امواج مایکروویو با محدوده فرکانسی باریک $$0.45\ GHz \sim 5\ GHz$$ را می‌توان از طریق بازتاب از تروپوسفر (tropospheric scatter : troposcatter) تا فاصله‌های حدود 300 کیلومتر نیز، به شرط زاویه ارسال درست و آنتن‌های فرستنده و گیرنده با بهره بالا ارسال کرد.

آنتن‌

در مقاله «آنتن و فرستنده -- به زبان ساده» دیدیم که با افزایش فرکانس یا کاهش طول موج، اندازه آنتن کوچکتر می‌شود. از این حیث، آنتن‌هایی که برای ارسال و دریافت امواج مایکروویو توسعه پیدا کرده‌اند، اندازه‌های کوچکی دارند.

فیلم آموزش آنتن 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

آنتن‌های کوچک کاربردهای بسیار زیادی در دستگاه‌های قابل حمل نظیر لپتاپ، تلفن همراه، مودم‌های شبکه‌های بی‌سیم (Wi-Fi) دارند. لازم به ذکر است که آنتن‌های مایکروویو قابلیت استفاده به صورت مدار چاپی را نیز دارند (شکل 8).

طول موج کوتاه و یا فرکانس‌ بالای امواج مایکروویو این امکان را به ما می‌دهند که امواج را به صورت بیم (Beam) یا پرتو‌هایی باریک تولید و ارسال کنیم. پرتو‌های باریک از این حیث که پاشندگی کمی دارند در دنیای مخابرات حائز اهمیت هستند. به عبارت دیگر می‌توانیم خواصی مشابه پرتو لیزر (با اغراق) داشته باشیم.

استفاده از پرتوهای مایکروویو (باریک) به دلیل تمرکز روی فرکانسی خاص، در ارتباطات Point to Point بسیار مفید بوده و کمتر با امواج موجود در محیط تداخل فرکانسی انجام می‌دهند. آنتن‌های ظرف شکل یا پارابولیک (Parabolic antenna) پرکاربردترین آنتن‌های مورد استفاده در مخابرات مایکروویو هستند. جدا از این، ساختارهای دیگر نظیر آنتن‌های Horn، آنتن‌های شکافی (Slot antenna)، لنزهای دی‌الکتریک و مایکرواستریپ (Microstrip) نیز در تجهیزات مایکروویو استفاده می‌شوند. آنتن‌های آرایه‌ای نیز که در کاربردهای راداری بسیار اهمیت دارند، در باندهای فرکانسی مایکروویو کار می‌کنند.

برای انتقال امواج مایکروویو دریافت شده از آنتن (یا ارسال به آنتن) می‌توان از خطوط انتقال نظیر کابل‌های کواکسیال (coaxial cable) یا خطوط سیم‌های موازی (parallel wire lines) استفاده کرد. البته به دلیل تلفات بیش از حد انرژی در خطوط انتقال مذکور، استفاده از آن‌ها در کاربردهای خاص و حساس توصیه نمی‌شود.

جهت اینکه امواج میکروویو کمترین میرایی را داشته باشند، بهتر است که جهت انتقال آن‌ها از ساختارهای موجبری (Waveguide) استفاده کرد. به بیانی ساده، همان‌طور که از نام موجبر بر می‌آید، ساختاری است که موج الکترومغناطیسی می‌تواند به درون آن کوپل شده و منتقل شود. موجبرها می‌توانند ساختارهای متفاوتی داشته باشند. در ناحیه فرکانس‌های مایکروویو بیشتر موجبرها غالباً مستطیل شکل هستند. در فرکانس‌های بالاتر نظیر فرکانس‌های ناحیه اپتیکی، بیشتر ساختارهای استوانه‌ای شکل (فیبر نوری) به کار می‌روند. لازم به ذکر است که طراحی موجبر مناسب با افت کم، یکی از مهم‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی فیزیک الکترومغناطیس است.

اثرات زیستی

امواج مایکروویو دارای انرژی فوتونی در محدوده $$1.24\ meV\ \sim\ 1.24\ \mu eV$$ هستند. این امواج انرژی لازم جهت ایجاد تغییرات شیمیایی به واسطه عمل یونیزاسیون را ندارند. به عبارت دیگر فوتون وابسته به امواج مایکروویو با ریز موج، انرژی کافی جهت کندن الکترون‌ها و شکستن پیوندها را نداشته و اشعه‌ای غیر یونیزه کننده به حساب می‌آیند.

تا به امروز به طور قطعی، در خصوص تاثیرات مخرب بیولوژیکی پرتوهای غیر یونیزه کننده، نظیر امواج رادیویی و مایکروویو، اظهار نظری نشده است. با این حال، برخی مطالعات قرار گرفتن تحت تابش طولانی مدت امواج مایکروویو را سرطان‌زا می‌دانند. همان‌طور که می‌دانید امواج مایکروویو باعث گرم شدن مولکول‌های قطبی نظیر آب می‌شود.

در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد افسرانی که در نزدیکی سیستم‌های راداری کار می‌کردند، صدای کلیک و یا وزوز کردن ناراحت کننده‌ای را می‌شنیدند. سال‌ها بعد تحقیقات ناسا نشان داد که این امر ناشی از انبساط حرارتی قسمت‌های داخلی گوش است. در سال 1955 دکتر جیمز لاولاک (Dr. James Lovelock) توانست موش‌هایی که در دمای 0 درجه مرده بودند را تحت تابش مایکروویو دوباره زنده کند.

همان‌طور که بارها اشاره کردیم، اصلی‌ترین تاثیر زیستی که امواج مایکروویو در بدن ما ایجاد می‌کنند، تاثیرات ناشی از ایجاد گرما هستند. یکی از تاثیرات منفی این امواج، ایجاد آب مروارید در چشم است. الینور ادیار (Eleanor R. Adair) با انجام تحقیقات فراوان در خصوص تاثیر امواج مایکروویو روی انسان‌ها و حیوانات عوارضی جز تاثیرات ناشی از گرما گزارش نکرد.

سلاح A.D.S

سلاح غیرکشنده ای.دی.اس که مخفف عبارت Active Denial System است (تولید شده توسط آمریکا)، جزء سلاح‌های غیرکشنده بوده و بر اساس تابش امواج مایکروویو با فرکانس بسیار بالای حدود 75 تا 110 گیگاهرتز کار می‌کند. این سلاح با تابش انرژی امواج مایکروویو باعث ایجاد گرما و ایجاد حس ناخوشایند در انسان‌ها شده که بسته به مدت تابش و قدرت سلاح حتی‌ می‌تواند کشنده باشد. امواج مایکروویو نه تنها روی پوست انسان اثر می‌گذارند، بلکه می‌توانند به باعث گرم شدن بافت‌های داخلی حساس شوند. در مقام مقایسه، لازم به ذکر است که فرکانس امواج اجاق‌های مایکروویو در حدود 2.45 گیگاهرتز است.

مروری بر کاربردهای امواج مایکروویو

امواج مایکروویو، همانند دیگر امواج الکترومغناطیسی کاربردهای مفید و خاص خود را دارند. اما مهم‌ترین کاربرد این امواج، در صنعت مخابرات است. امواج مایکروویو در ارتباطات نقطه به نقطه ($$P2P$$) به جهت پرتوهای باریک‌تر (Narrower Beams) نسبت به امواج رادیویی، بسیار پرکاربرد هستند. همچنین به دلیل فرکانس بالاتر، پهنای‌باند بیشتری دارند.

آنتن‌های کوچک و پهنای‌باند بالا سبب شده است که در بسیاری از حوزه‌های مخابرات نظیر رادار، پخش تلویزیونی، شبکه‌های پرسرعت موبایل (4G/5G)، ارتباطات ماهواره‌ای و ... از امواج مایکروویو استفاده شود. به طور خلاصه در زمینه‌های مخابراتی زیر، امواج مذکور بسیار پرکاربرد هستند.

• شبکه‌های پرسرعت تلفن همراه، ارتباطات $$P2P$$، وایمکس (WIMAX) و ...
• GPS و ناوبری
• رادار
• نجوم رادیویی

جدا از کاربردهای فوق، چند دهه‌ای است که از اجاق‌های مایکروویو، جهت پخت‌ و‌ پز مواد غذایی استفاده می‌شود. همچنین در برخی کاربردهای مهندسی پلاسما به جهت انتقال توان به محیط پلاسمایی از امواج مایکروویو استفاده می‌شود. همچنین در بخش قبل با کاربرد نظامی این امواج در غالب سلاح A.D.S نیز آشنا شدیم. در علم شناسایی مواد که به اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) نیز موسوم است، این امواج کاربردهای خاص خود را دارند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• امپدانس ذاتی محیط -- به زبان ساده
• فرم دیفرانسیلی معادلات ماکسول -- به زبان ساده
• FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد

^^