Μηχανική μικροκυμάτων | 7+ Σημαντικές εφαρμογές | Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε

Μηχανική μικροκυμάτων

Σημεία Συζήτησης

Εισαγωγή στη Μηχανική Μικροκυμάτων

Το εύρος συχνοτήτων μικροκυμάτων είναι συνήθως 100 Mega Hertz έως 1000 Giga Hertz. Το εύρος καλύπτει όχι μόνο τον τομέα μικροκυμάτων αλλά και τον τομέα ραδιοσυχνοτήτων. Ο τυπικός τομέας μικροκυμάτων έχει εύρος συχνοτήτων από 3 MHz έως 300 GHz. Το αντίστοιχο μήκος ηλεκτρικού κύματος κυμαίνεται μεταξύ 10 cm έως 1 mm. Τα σήματα που έχουν μήκος κύματος χιλιοστών αναφέρονται συχνά ως κύματα χιλιοστών. Λόγω του εύρους υψηλής συχνότητας, τα τυπικά προβλήματα θεωρίας κυκλώματος δεν μπορούν να λύσουν τα προβλήματα μηχανικής μικροκυμάτων.

Τα εξαρτήματα μικροκυμάτων λειτουργούν γενικά ως κατανεμημένα στοιχεία. Τα φαινόμενα συμβαίνουν όταν η φάση ρεύματος και τάσης ποικίλλει. Σε χαμηλότερες συχνότητες, το μήκος κύματος μεγαλώνει. Γι 'αυτό υπάρχουν ασήμαντες αλλαγές φάσης σε όλες τις διαστάσεις της συσκευής.

Τα θεωρήματα του Maxwell είναι ένα από τα πιο δημοφιλή θεωρήματα σε αυτόν τον τομέα.

Μηχανική μικροκυμάτων

Ραντάρ ανιχνευτή αεροσκαφών,

Image Credit: BukvoedΡαντάρ-hatzerim-1-1CC BY-SA 3.0

Μια σύντομη ιστορία της Μηχανικής Μικροκυμάτων

Η μηχανική μικροκυμάτων είναι ένας από τους νέους και ευημερούμενους τομείς της μηχανικής. Η ανάπτυξη ξεκίνησε πριν από σχεδόν 50 χρόνια. Η πρόοδος σε αυτήν την ψηφιακή εποχή σε διάφορους τομείς βοηθά τον τομέα μικροκυμάτων και RF να είναι ζωντανός.

Το 1873, ο James Clerk Maxwell ήρθε με τις βασικές αρχές της Ηλεκτρομαγνητικής Θεωρίας. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, δημιουργήθηκε ένα μοναδικό εργαστήριο με το όνομα - Εργαστήριο Ακτινοβολίας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης για τη μελέτη, την έρευνα και την ανάπτυξη της Θεωρίας Ραντάρ. Διάφοροι διάσημοι επιστήμονες, όπως οι HA Bethe, RH Dicke, II Rabi, JS Schwinger και αρκετοί εξέχοντες επιστήμονες ήταν εκεί για την ανάπτυξη στον τομέα των RF και των μικροκυμάτων εκείνη την εποχή.

Οι τεχνολογίες επικοινωνίας που χρησιμοποιούν συστήματα μικροκυμάτων άρχισαν να αναπτύσσονται αμέσως μετά την εφεύρεση του ραντάρ. Το ευρύ εύρος ζώνης, η οπτικοακουστική διάδοση των τεχνολογιών μικροκυμάτων αποδείχθηκε απαραίτητη τόσο για τις επίγειες όσο και για τις δορυφορικές επικοινωνίες. Σήμερα οι έρευνες συνεχίζουν την ανάπτυξη οικονομικών μικροσκοπικών συστατικών μικροκυμάτων.

Ιδιότητες μικροκυμάτων

Η Microwave Engineering ασχολείται με σήματα μικροκυμάτων. Ας αναλύσουμε μερικά από τα χαρακτηριστικά του τομέα μικροκυμάτων. 

  1. Τα σήματα μικροκυμάτων έχουν μικρότερα μήκη κύματος.
  2. Η ιονόσφαιρα δεν μπορεί να αντανακλά το φούρνο μικροκυμάτων.
  3. Τα σήματα μικροκυμάτων αντανακλώνται από τις αγώγιμες επιφάνειες.
  4. Τα σήματα μικροκυμάτων εξασθενίζονται εύκολα σε μικρότερες αποστάσεις.
  5. Ένα λεπτό στρώμα καλωδίου είναι αρκετό για μετάδοση σημάτων μικροκυμάτων.

Μάθετε για τις γραμμές μετάδοσης. Κάνε κλικ εδώ!

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μηχανικής μικροκυμάτων

Η μηχανική μικροκυμάτων διαθέτει τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματά της. Συζητούνται στις επόμενες ενότητες.

Πλεονεκτήματα της μηχανικής μικροκυμάτων

Τα μικροκύματα έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τομείς. Ας συζητήσουμε μερικά από αυτά.

  1. Το φούρνο μικροκυμάτων έχει ευρύτερο εύρος ζώνης. Έτσι, περισσότερα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν. Για αυτό το πλεονέκτημα, τα σήματα μικροκυμάτων χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες από σημείο σε σημείο.
  2. Οι κεραίες μικροκυμάτων έχουν υψηλότερο κέρδος.
  3. Το μέγεθος της κεραίας μειώνεται καθώς οι συχνότητες είναι υψηλότερες και το μήκος κύματος είναι μικρότερο.
  4. Καθώς τα μικροκύματα βρίσκονται σε HF έως VHF, καταναλώνεται πολύ μικρή ποσότητα ισχύος.
  5. Τα σήματα μικροκυμάτων επιτρέπουν την αποτελεσματική περιοχή ανάκλασης για τα συστήματα ραντάρ.
  6. Η διάδοση της οπτικής όρασης βοηθά στη μείωση της επίδρασης της εξασθένισης.

Μειονεκτήματα των μικροκυμάτων

Η μηχανική μικροκυμάτων έχει επίσης ορισμένους περιορισμούς. Ας συζητήσουμε μερικά από αυτά.

  1. Οι πόροι μικροκυμάτων είναι σημαντικά ακριβότεροι. Επίσης, οι χρεώσεις εγκατάστασης είναι υψηλές για διάφορους τύπους εξοπλισμού.
  2. Οι συσκευές και τα συστήματα μικροκυμάτων είναι σημαντικές και καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο. Ωστόσο, διεξάγονται έρευνες για συσκευές που καταναλώνουν λιγότερο χώρο.
  3. Τα συστήματα μικροκυμάτων υποφέρουν κάποια στιγμή ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.
  4. Μπορεί να προκληθεί ανεπάρκεια λόγω ηλεκτρικής ενέργειας.

Εφαρμογές μηχανικής μικροκυμάτων

Οι υψηλές συχνότητες και τα μικρότερα μήκη κύματος των συστημάτων μικροκυμάτων δημιουργούν δυσκολίες στην ανάλυση κυκλώματος. Αλλά αυτά τα μοναδικά χαρακτηριστικά παρέχουν ευκαιρίες για την εφαρμογή του συστήματος μικροκυμάτων. Οι παρακάτω σκέψεις θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες για πρακτικές.

  • Η κεραία έχει μια ιδιότητα ότι το κέρδος της κεραίας σχετίζεται αναλογικά με το μέγεθος της κεραίας. Τώρα, για υψηλότερη λειτουργική συχνότητα, το κέρδος κεραίας είναι συγκριτικά μεγαλύτερο για ένα δεδομένο φυσικό μέγεθος κεραίας. Έχει επίσης σημαντικές συνέπειες κατά την εφαρμογή ενός συστήματος μικροκυμάτων.
  • Περισσότερο εύρος ζώνης (το οποίο σχετίζεται πάλι άμεσα με το ρυθμό δεδομένων) αποκτάται σε υψηλότερες συχνότητες. 1% BW 500 Mega Hertz σημαίνει 5 Mega Hertz. Μπορεί να δώσει ρυθμό δεδομένων περίπου 5 Megabyte ανά δευτερόλεπτο.
  • Το φούρνο μικροκυμάτων έχει την ιδιότητα της οπτικής όρασης και η ιονόσφαιρα δεν μπορεί να τα αντανακλά.
  • Μία από τις ιδιότητες των σημάτων μικροκυμάτων, σε συνδυασμό με το κέρδος των κεραιών, το καθιστά μοναδικό και προτιμότερο.
  • Διαφορετικοί τύποι συντονισμών όπως μοριακοί, ατομικοί και πυρηνικοί συμβαίνουν σε περιοχές συχνοτήτων μικροκυμάτων. Αυτό ανοίγει το πεδίο για πολλές εφαρμογές στη βασική επιστήμη, την τηλεπισκόπηση, την ιατρική επιστήμη κ.λπ.
  1. Η κύρια εφαρμογή RF και μικροκυμάτων στον σημερινό κόσμο είναι στις ασύρματες τεχνολογίες. Τεχνολογίες όπως - ασύρματες επικοινωνίες, ασύρματη δικτύωση, ασύρματα συστήματα ασφαλείας, συστήματα ραντάρ, ιατρική μηχανική και τηλεπισκόπηση.
    • Το σύγχρονο σύστημα τηλεφωνίας εξελίσσεται με την έννοια της επαναχρησιμοποίησης κυτταρικής συχνότητας, που προτάθηκε το 1947 στα εργαστήρια Bell. Αλλά εφαρμόστηκε πρακτικά το 1970. Εν τω μεταξύ, η ζήτηση για ασύρματη επικοινωνία αυξήθηκε και αναπτύχθηκε η μικρογραφία των συσκευών. Αργότερα, διάφορες επικοινωνίες όπως - 2G, 2.5G, 3G, 3.5G, 3.75G, 4G αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας το σύστημα μικροκυμάτων.
  2. Οι δορυφορικές επικοινωνίες εξαρτώνται επίσης από τις τεχνολογίες RF και μικροκυμάτων. Οι δορυφόροι έχουν αναπτυχθεί για την παροχή κυψελοειδών δεδομένων, βίντεο, συνδέσεων δεδομένων για ολόκληρο τον κόσμο. Μικρά δορυφορικά συστήματα όπως το GPS και το DBS έχουν πάει πολύ καλά.
  3. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα ή WLAN συνδέουν υπολογιστές σε μικρή απόσταση και παρέχουν δικτύωση υψηλής ταχύτητας. Είναι επίσης μια εφαρμογή μικροκυμάτων. Η ζήτηση για WLAN αυξάνεται μέρα με τη μέρα και θα έχει υψηλές απαιτήσεις και στο μέλλον.
  4. Μια άλλη εφαρμογή μικροκυμάτων είναι το ραδιόφωνο εξαιρετικά ευρείας ζώνης. Εδώ το σήμα εκπομπής παίρνει μια τεράστια ζώνη συχνοτήτων αλλά έχει χαμηλό επίπεδο ισχύος. Αποτελεί προφύλαξη για την αποφυγή παρεμβολών με άλλα συστήματα.
  5. Ραντάρ & Στρατιωτικές Εφαρμογές: Τα συστήματα ραντάρ έχουν πολλές εφαρμογές στο Άμυνας και στρατιωτικοί τομείς, επίσης σε επικερδείς και ερευνητικούς τομείς. Το ραντάρ χρησιμοποιείται συνήθως για τον εντοπισμό και τη σήμανση τυχόν ξένων αντικειμένων εντός της επικράτειας του χρήστη στον αέρα και το έδαφος. Χρησιμοποιείται επίσης στην καθοδήγηση πυραύλων και στους ελέγχους πυρκαγιάς
  6. Στα εμπορικά πεδία, τα συστήματα ραντάρ χρησιμοποιούνται σε ATC (έλεγχος εναέριας κυκλοφορίας), ανίχνευση κίνησης (όπως - άνοιγμα και κλείσιμο της πόρτας, συναγερμοί ασφαλείας), αποφυγή σύγκρουσης οχήματος, μέτρηση της απόστασης από ένα σημείο.
  7. Η ραδιομετρία μικροκυμάτων είναι μια άλλη εφαρμογή.

Κύκλωμα Microstrip για δορυφορική τηλεόραση

Image Credit:SatmapΤο LNB αποσυναρμολογήθηκε, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Συχνές ερωτήσεις σχετικά με το Microwave Engineering

1. Ποιο είναι το εύρος συχνοτήτων για RF και μικροκύματα;

  • Απάντηση: Η συχνότητα RF κυμαίνεται από 30 MHz έως 300 MHz και τα μικροκύματα κυμαίνονται από 300 MHz έως 300 GHz.

2. Ποιες είναι οι ζώνες συχνοτήτων των μικροκυμάτων;

  • Απάντηση: Υπάρχουν 13 διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων στην περιοχή μικροκυμάτων. Η παρακάτω λίστα τους απεικονίζει.
Όνομα μπάνταςΕύρος συχνότηταςΕύρος μήκους κύματος
L μπάντα1 Γκίγκα Χερτζ - 2 Γκίγκα Χερτζ15 cm έως 30 cm
D μπάντα110 Γκίγκα Χερτζ- 170 Γκίγκα Χερτζ1.8 mm έως 2.7 mm
Κου Μπάντα12 Γκίγκα Χερτζ - 18 Γκίγκα Χερτζ16.7 mm έως 25 mm
Κ μπάντα18 Γκίγκα Χερτζ - 26.5 Γκίγκα Χερτζ11.3 mm έως 16.7 mm
S-Band2 Γκίγκα Χερτζ - 4 Γκίγκα Χερτζ7.5 cm έως 15 cm
Ka-Band26.5 Γκίγκα Χερτζ - 40 Γκίγκα Χερτζ5 mm έως 11.3 mm
Q Band33 Γκίγκα Χερτζ - 50 Γκίγκα Χερτζ6 mm έως 9 mm
Γ ζώνη4 Γκίγκα Χερτζ - 8 Γκίγκα Χερτζ3.75 cm έως 7.5 cm
Μπάντα U40 Γκίγκα Χερτζ - 60 Γκίγκα Χερτζ5 mm έως 7.5 mm
V ζώνη50 Γκίγκα Χερτζ - 75 Γκίγκα Χερτζ4 mm έως 6 mm
Μπάντα75 Γκίγκα Χερτζ - 110 Γκίγκα Χερτζ2.7 mm έως 4.0 mm
Χ ζώνη8 Γκίγκα Χερτζ - 12 Γκίγκα Χερτζ25 cm έως 37.5 cm
F ζώνη90 Γκίγκα Χερτζ - 110 Γκίγκα Χερτζ2.1 mm έως 3.3 mm

3. Αναφέρετε ορισμένα μειονεκτήματα των μικροκυμάτων.

  • Απάντηση: Η μηχανική μικροκυμάτων έχει επίσης ορισμένους περιορισμούς. Ας συζητήσουμε μερικά από αυτά.
  1. Οι πόροι μικροκυμάτων είναι σημαντικά ακριβότεροι. Επίσης, οι χρεώσεις εγκατάστασης είναι υψηλές για διάφορους τύπους εξοπλισμού.
  2. Οι συσκευές και τα συστήματα μικροκυμάτων είναι σημαντικές και καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο. Ωστόσο, διεξάγονται έρευνες για συσκευές που καταναλώνουν λιγότερο χώρο.
  3. Τα συστήματα μικροκυμάτων υποφέρουν κάποια στιγμή ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.
  4. Μπορεί να προκληθεί ανεπάρκεια λόγω ηλεκτρικής ενέργειας.

Εξώφυλλο από: WINDOWS ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ

Σχετικά με τη Sudipta Roy

Είμαι ενθουσιώδης των ηλεκτρονικών και επί του παρόντος αφιερώνω στον τομέα των ηλεκτρονικών και των επικοινωνιών.
Έχω έντονο ενδιαφέρον για την εξερεύνηση σύγχρονων τεχνολογιών όπως η AI & Machine Learning.
Τα γραπτά μου είναι αφιερωμένα στην παροχή ακριβών και ενημερωμένων δεδομένων σε όλους τους μαθητές.
Βοηθώντας κάποιον να αποκτήσει γνώση μου δίνει μεγάλη χαρά.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Lambda Geeks