Mikroaallot

Mikroaallot ovat korkeataajuisia (korkeaenergisiä)  eli nopeasti värähteleviä sähkömagneettisia radioaaltoja, jotka muodostuvat sähkö- ja magneettikentästä. Mikroaaltosäteilyn energiakvantti, eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välttäjähiukkanen on fotoni. Mikroaallot värähtelevät tuhansia kertoja nopeammin kuin ääniradiolähetyksiin käytettävät radioaallot, mutta hitaammin kuin lämpösäteily.

Avaruudesta tuleva luontainen taustasäteily muodostuu äärimmäisen heikosta mikroaaltosäteilystä, jonka aallonpituus vaihtelee noin millimetristä noin senttimetriin. Ihmisperäisen mikroaaltosäteilyn määrä on moninkertainen luonnon taustasäteilyyn verrattuna. Langaton viestintäteknologia tuottaa kehittyneissä maissa suurimman osan ympäristön mikroaaltosäteilystä. Matkapuhelinverkko ja päätelaitteet lähettävät ympäristöön jatkuvakestoista mikroaaltosäteilyä synnyttäen laajan mikroaaltoradiokentän, jonka eri osien voimakkuus vaihtelee sen mukaan, kuinka paljon mikroaaltoihin koodattua informaatiota eli niin sanottua mobiilidataa ilmassa kulkee. Tuotetun mikroaaltokentän voimakkuus kasvaa tyypillisesti väestötiheyden, liikennemäärien ja langattoman internetin käyttöasteen kasvaessa. 

Myös televisio- ja WLAN-verkko sekä lyhyemmän kantaman Bluetooth-yhteys toimivat mikroaalloilla. Mikroaaltosäteilyä lähettäviä laitteita ovat esimerkiksi tutkat, satelliitit, mikroaaltouunit ja langattomat mikrofonit.

Mikroaallot Suomen ympäristössä 
Ympäristön mikroaaltosäteilyn määrä on monikertaistunut etenkin 2010-luvulla mobiililaajakaistan käytön lisääntyessä. Mobiilidatan käytön vuotuinen kasvu oli 70-82 % vuosina 2010-2015. Vuonna 2015 ennustettiin, että mobiililiikenne kaksinkertaistuu seuraavien vuosien aikana muun muassa videoiden suosion kasvaessa. Matkaviestinverkon tiedonsiirtomäärä oli joulukuussa 2017 jo 20 gigatavua henkeä kohti, mikä oli enemmän kuin missään muussa maassa. Suomessa käytettiin vuonna 2018 langatonta internettiä enemmän kuin kaikissa muissa Pohjoismaissa yhteensä. 

Tutkimuksiin perustuvien ennusteiden mukaan langaton viestiliikenne tulee kasvamaan Suomessa vähintään kahdeksankertaiseksi vuoteen 2024 mennessä. Kasvu johtuu etenkin lisääntyvästä videoiden katselusta mobiililaitteiden kautta. 

Myös säteilyn voimakkuus on kasvanut, kun korkeaenergisempiä taajuuksia on otettu käyttöön. Suomen ensimmäinen matkapuhelinjärjestelmä ARP toimi 150 megahertsin taajuisilla mikroaalloilla. NMT-teknologiaan perustuva matkapuhelinverkko käytti aluksi 450:n megahertsin taajuutta. Kun vähäenergiseen 450 megahertsin säteilyyn ei mahtunut enää niin paljon analogista informaatiota, että sillä oltaisiin kyetty vastaamaan häiriöttömästi matkapuheluiden lisääntyneeseen kysyntään, alettiin tuottaa myös korkeaenergisempää 900 megahertsin mikroaaltosäteilyä. Vuonna 2018 Suomen matkapuhelinverkoissa lähetettiin 700:n, 800:n, 900:n, 1 800:n, 2 100:n ja 2 600:n megahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.

Monilla Suomen alueilla alkoi toimia vuonna 2019 entistä tehokkaammilla, niin sanotuilla superkorkeilla eli millimetritaajuuksilla (SHF) toimiva 5G-verkko, jossa lähetetään aluksi 3 500 megahertsin taajuista ja muutaman vuoden päästä todennäköisesti 26–28 gigahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.

Mikroaaltojen tuottaminen 

Mikroaaltojen tuottamiseen käytetään puolijohdeosillaattoreita ja  puolijohdevahvistimia tai elektroniputkioskillaattoreita kuten magnetronia tai heijastinklystonia, tai puolijohdeoskillaattoria ja sen vahvistimena lineaariklystonia tai kulkuaaltoputkea (TWT). Sekä puolijohdevahvistimissa että putkivahvistimissa elektroneja kiihdytetään sähkökentän avulla. Resonaattori määrää halutun taajuuden. Resonoivassa komponentissa elektronit kiihtyvät ja hidastuvat luovuttaen samalla energiaa sähkömagneettiselle kentälle.

Mikroaaltoja siirretään aaltoputkea pitkin. Aaltoputkella on pienemmät siirtohäviöt kuin koaksiaalikaapelilla, ja se kestää suurempien tehojen siirtämistä.

Mikroaaltojen eteneminen ilmakehässä 
Mikroaaltojen etenemistä ilmakehässä häiritsee niiden sironta ja absorptio, jota aiheuttavat kaasumolekyylit (lähinnä vesihöyry ja happi) sekä sadepisarat. Vaimeneminen on sitä suurempaa, mitä korkeampi taajuus (lyhyempi aallonpituus). Mikroaaltojen sironta sadepisaroista on säätutkan toiminnan ydin, mutta myös tiedonsiirtoon tarkoitettujen mikroaaltolinkkien kokemaa vaimenemista käytetään sateen arviointiin.

Mikroaaltojen aallonpituus ja taajuusalueet 

Mikroaaltojen aallonpituus vaihtelee yhdestä millimetristä kymmeneen senttimetriin. Mikroaaltosäteilyn taajuus eli värähtelynopeus on kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Lyhytaaltoisten eli korkeataajuisten mikroaaltojen fotonit ovat energisempiä kuin pitkäaaltoisten. 
Mikroaaltotaajuudet 1–300 gigahertsiä värähtelevät 1–300 miljardia kertaa sekunnissa vastaten 30 cm:n–1 mm:n aallonpituuksia. 

Mikroaallot ovat korkeataajuisimpia radioaaltoja. Mikroaaltojen (siis radioaaltojen) ja kaukoinfrapunan raja on liukuva ja rajaalueen (THF-alue) taajuuksilla onkin sekä radioaaltojen, että infrapuna-aaltojen piirteitä. Mikroaallot kuuluvat  radiotaajuusalueisiin joita merkitään kirjaimilla. Mikroaaltoiset (aallonpituudeltaan pienimmät) radiotaajuusalueet (1–300 GHz) ovat UHF (0,3–3 GHz), SHF (3–30 GHz) ja EHF (30–300 GHz).

Mikroaaltoalueen tutkataajuudet 
Tutkatekniikassa ensimmäiset yritykset mikroaaltotutkiksi tehtiin L- ja S-alueella (L = long, pitkä ja S = short, lyhyt). X-aluetta kehitettiin sotilastarkoituksiin ”salaisena” projektina. Kun X ja S olivat käytössä, niiden väliin otettiin C (, kompromissi). Saksassa kehitettiin erittäin lyhyet K-aallot (, lyhyt). Kirjaimissa on jonkun verran kansallisia eroja. P-alue lienee brittien ”previous” (edellinen; alue jonka tutkakäytöstä luovuttiin varhaisessa vaiheessa).

Mikroaaltojen terveysvaikutukset 

Pohjoismaiset säteilyturvaviranomaiset julkaisivat vuonna 2013 kannanoton, jonka mukaan tieteelliset tutkimukset eivät olleet kyenneet näyttämään radiotaajuuksisen säteilyn aiheuttavan terveyshaittoja, jos altistus jää Pohjoismaissa käytetyn EU:n komission suosituksen alle. Kannanotossa todettiin myös, etteivät tutkimukset olleet onnistuneet osoittamaan laajemmassa skaalassa aivokasvainten ja mobiililaitteiden käytön yhteyttä. Tutkimustietoa oli kuitenkin olemassa varsin rajallisesti pitkäaikaisesti eli yli 13–15 vuotta jatkuneeseen laitteiden käyttöön liittyen. Muita kuin aivokasvainten aiheuttamia terveysriskejä selvittäneissä tutkimuksissa oli löydetty yksittäisiä linkkejä, mutta menetelmien rajoitteet estivät lopullisten päätelmien tekemisen syy-yhteyksistä. Kannanotto totesi lisäksi mobiililaitteiden tuottamien radioaaltojen pitkäaikaisten vaikutusten olevan edelleen epäselvät etenkin lasten ja nuorten osalta.

Maailman terveysjärjestö WHO toteaa edelleen kotisivuillaan, etteivät 0–300 GHz sähkömagneettisen säteilyn terveysvaikutuksista tehdyt metatutkimukset ole osoittaneet minkäänlaista yhteyttä terveyshaittoihin, kun altistus on jäänyt ICNIRP:in suositusarvojen alle.

Katso myös
 Aaltoloukku
 HPM
 Infrapuna
 Mikroaaltolinkki
 Mikroaaltouuni
 Radioaalto
 Sähkömagneettinen spektri
 Tutka
 Tutkataajuusalueet
 Maser

Lähteet

Aiheesta muualla

 Jukka K. Korpelan taulukko sähkömagneettisesta spektristä

Seulonnan keskeiset artikkelit