Mikrovlnné inženýrství: 5 důležitých faktorů s tím souvisejících

Body diskuse

Úvod do mikrovlnného inženýrství

Rozsah mikrovlnné frekvence je typicky 100 Mega Hertz až 1000 Giga Hertz. Rozsah pokrývá nejen mikrovlnnou doménu, ale také radiofrekvenční doménu. Typická mikrovlnná doména má frekvenční rozsah 3 MHz až 300 GHz. Odpovídající elektrická vlnová délka leží mezi 10 cm až 1 mm. Signály s milimetrovými vlnovými délkami se často označují jako milimetrové vlny. Typické kvůli vysokofrekvenčnímu rozsahu teorie obvodů problémy nemohou vyřešit problémy mikrovlnného inženýrství.

Mikrovlnné komponenty obecně fungují jako distribuované prvky. K jevům dochází, když se mění proudová a napěťová fáze. Při nižších frekvencích se vlnová délka zvětšuje. Proto v celé dimenzi zařízení dochází k nevýznamným fázovým změnám.

Maxwellovy věty jsou jednou z nejpoužívanějších vět v této doméně.

Mikrovlnné inženýrství

Radary detektorů letadel,

Kredit: BukvoedRadar-hatzerim-1-1CC BY-SA 3.0

Stručná historie mikrovlnného inženýrství

Mikrovlnné inženýrství je jednou z mladých a prosperujících oblastí strojírenství. Vývoj začal téměř před 50 lety. Pokrok v této digitální éře v různých oblastech pomáhá žít mikrovlnné a RF doméně.

V roce 1873 přišel James Clerk Maxwell se základy elektromagnetické teorie. Ve Spojených státech byla na Massachusettském technologickém institutu zřízena jedinečná laboratoř s názvem - Radiační laboratoř ke studiu, výzkumu a vývoji teorie radaru. Pro vývoj v oblasti RF a mikrovlny tam byli v té době různí renomovaní vědci včetně HA Bethe, RH Dicke, II Rabi, JS Schwinger a několika významných vědců.

Komunikační technologie využívající mikrovlnné systémy se začaly vyvíjet brzy po vynálezu radaru. Široká šířka pásma, přímé šíření mikrovlnných technologií se ukázaly jako nezbytné pro pozemní i satelitní komunikaci. V současné době probíhají výzkumy vývoje ekonomických miniaturizovaných mikrovlnných komponent.

Mikrovlnné inženýrství
Komerční námořní radarová anténa, kredit obrázku: Amada44Rotující námořní radar - rotující anténa vlnovoduCC BY-SA 3.0

Vlastnosti mikrovln

Společnost Microwave Engineering se zabývá mikrovlnnými signály. Pojďme analyzovat některé z charakteristik mikrovlnné domény. 

  1. Mikrovlnné signály mají kratší vlnové délky.
  2. Ionosféra nemůže odrážet mikrovlnnou troubu.
  3. Mikrovlnné signály se odrážejí od vodivých povrchů.
  4. Mikrovlnné signály se na kratší vzdálenosti snadno utlumí.
  5. Pro přenos mikrovlnných signálů stačí tenká vrstva kabelu.

Vědět o přenosových vedeních. Klikněte zde!

Výhody a nevýhody mikrovlnného inženýrství

Mikrovlnné inženýrství přichází se svými výhodami i nevýhodami. Jsou diskutovány v dalších částech.

Výhody mikrovlnného inženýrství

Mikrovlny mají oproti jiným doménám několik výhod. Pojďme si o některých z nich promluvit.

  1. Mikrovlnná trouba má širší šířku pásma. Lze tedy přenášet více dat. Pro tuto výhodu se mikrovlnné signály používají v komunikaci bod-bod.
  2. Mikrovlnné antény mají vyšší zisk.
  3. Velikost antény se zmenšuje, protože frekvence jsou vyšší a vlnová délka je kratší.
  4. Protože mikrovlnná trouba leží v pásmu VF až VHF, spotřebovává se velmi malé množství energie.
  5. Mikrovlnné signály umožňují efektivní odrazovou plochu pro radarové systémy.
  6. Šíření přímého vidění pomáhá snížit účinek blednutí.

Nevýhody mikrovln

Mikrovlnná technika má také určitá omezení. Pojďme o některých diskutovat.

  1. Mikrovlnné zdroje jsou výrazně nákladnější. U několika typů zařízení jsou také vysoké instalační poplatky.
  2. Mikrovlnná zařízení a systémy jsou významné a zabírají více místa. Výzkumy však probíhají u zařízení s menší spotřebou místa.
  3. Mikrovlnné systémy po určitou dobu trpí elektromagnetickým rušením.
  4. Může dojít k neúčinnosti způsobené elektrickou energií.

Aplikace mikrovlnného inženýrství

Mikrovlnné inženýrství
Měření počasí pomocí radaru; Image Credit: Regionální meteorologické centrum Kalkata
Meteorologické oddělení Indie, ministerstvo věd o Zemi
Vláda Indie

Vysoké frekvence a kratší vlnové délky mikrovlnných systémů způsobují potíže analýza obvodu. Tyto jedinečné vlastnosti však poskytují příležitosti pro použití mikrovlnného systému. Níže uvedené úvahy by mohly být užitečné pro praxi.

  • Anténa má tu vlastnost, že zisk antény úměrně souvisí s velikostí antény. Nyní je pro vyšší operační frekvenci zisk antény relativně větší pro danou fyzickou velikost antény. Má to také významné důsledky při implementaci mikrovlnného systému.
  • Větší šířka pásma (která opět přímo souvisí s datovou rychlostí) je získána na vyšších frekvencích. 1% BW 500 Mega Hertz znamená 5 Mega Hertz. Může poskytnout datovou rychlost kolem 5 megabajtů za sekundu.
  • Mikrovlnná trouba má vlastnost přímého vidění a ionosféra je nemůže odrážet.
  • Jedna z vlastností mikrovlnných signálů, spojená se ziskem antény, dělá to jedinečným a preferovaným.
  • Dochází k různým typům rezonancí, jako jsou molekulární, atomové a jaderné MV frekvenční rozsahy. To otevírá pole pro několik aplikací v základní vědě, dálkovém průzkumu Země, lékařské vědě atd.
  1. Primární aplikace RF a mikrovln v dnešním světě je v bezdrátových technologiích. Technologie jako - bezdrátová komunikace, bezdrátové sítě, bezdrátové bezpečnostní systémy, radarové systémy, lékařské inženýrství a dálkový průzkum Země.
    • Moderní telefonní systém je vyvíjen s konceptem opětovného použití celulárních frekvencí, který byl navržen v roce 1947 v laboratořích Bell. Ale byla prakticky implementována v roce 1970. Mezitím vzrostla poptávka po bezdrátové komunikaci a byla vyvinuta miniaturizace zařízení. Později byly pomocí mikrovlnného systému vyvinuty různé komunikace jako - 2G, 2.5G, 3G, 3.5G, 3.75G, 4G.
  2. Satelitní komunikace závisí také na RF a mikrovlnných technologiích. Byly vyvinuty satelity pro poskytování celulárních dat, videí a datových připojení pro celý svět. Malé satelitní systémy jako GPS a DBS si vedou skvěle.
  3. Bezdrátové místní sítě nebo sítě WLAN propojují počítače na krátkou vzdálenost a poskytují vysokorychlostní sítě. Je to také aplikace mikrovln. Poptávka po sítích WLAN každým dnem roste a bude mít i v budoucnu vysoké nároky.
  4. Další aplikací mikrovln je ultra širokopásmové rádio. Zde má vysílací signál obrovské frekvenční pásmo, ale má nízkou úroveň výkonu. Jedná se o preventivní opatření k zabránění interference s jinými systémy.
  5. Radarové a vojenské aplikace: Radarové systémy mají v systému několik aplikací Obranné a militantní oblasti, rovněž v oblastech výnosných a založených na výzkumu. Radar se obvykle používá k detekci a označení jakýchkoli cizích předmětů na území uživatele ve vzduchu a na zemi. Používá se také při navádění raket a řízení palby.
  6. V komerčních oblastech se radarové systémy používají v ATC (řízení letového provozu), detekci pohybu (jako - otevírání a zavírání dveří, bezpečnostní alarmy), vyhýbání se kolizím vozidel, měření vzdálenosti od bodu.
  7. Mikrovlnná radiometrie je další aplikace.

Mikropáskový obvod pro satelitní televizi

Kredit:SatmapaLNB rozebrán, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons

Nejčastější dotazy týkající se mikrovlnného inženýrství

1. Jaký je frekvenční rozsah pro RF a mikrovlnné trouby?

  • Odpověď: Vysokofrekvenční rozsahy se pohybují od 30 MHz do 300 MHz a mikrovlny se pohybují od 300 MHz do 300 GHz.

2. Jaká jsou frekvenční pásma mikrovln?

  • Odpověď: V mikrovlnném rozsahu je 13 různých frekvenčních pásem. Níže uvedený seznam je ilustruje.
Název kapelyRozsah frekvenceRozsah vlnové délky
L pásmo1 gigahertz - 2 gigahertz15 cm až 30 cm
D pásmo110 gigahertz- 170 gigahertz1.8 mm až 2.7 mm
Ku Band12 gigahertz - 18 gigahertz16.7 mm až 25 mm
K Band18 gigahertz - 26.5 gigahertz11.3 mm až 16.7 mm
S-pásmo2 gigahertz - 4 gigahertz7.5 cm až 15 cm
Ka-Band26.5 gigahertz - 40 gigahertz5 mm až 11.3 mm
Q pásmo33 gigahertz - 50 gigahertz6 mm až 9 mm
C pásmo4 gigahertz - 8 gigahertz3.75 cm až 7.5 cm
U pásmo40 gigahertz - 60 gigahertz5 mm až 7.5 mm
V pásmu50 gigahertz - 75 gigahertz4 mm až 6 mm
W pásmo75 gigahertz - 110 gigahertz2.7 mm až 4.0 mm
X pásmo8 gigahertz - 12 gigahertz25 cm až 37.5 cm
F pásmo90 gigahertz - 110 gigahertz2.1 mm až 3.3 mm

3. Uveďte některé nevýhody mikrovln.

  • Odpověď: Mikrovlnná technika má také určitá omezení. Pojďme o některých diskutovat.
  1. Mikrovlnné zdroje jsou výrazně nákladnější. U několika typů zařízení jsou také vysoké instalační poplatky.
  2. Mikrovlnná zařízení a systémy jsou významné a zabírají více místa. Výzkumy však probíhají u zařízení s menší spotřebou místa.
  3. Mikrovlnné systémy po určitou dobu trpí elektromagnetickým rušením.
  4. Může dojít k neúčinnosti způsobené elektrickou energií.

Titulní obrázek podle: Přizpůsobení oken

Přejděte na začátek