마이크로파

마이크로파(micro波, )는 다른 전파보다는 파장이 짧지만 적외선보다는 긴 전자기파의 한 형태이다. 그 파장은 약 1미터에서 1밀리미터 사이이며, 광의의 의미로는 300 MHz에서 300 GHz 사이의 진동수에 해당한다. 무선주파수 공학에서 더 일반적인 정의는 1에서 100 GHz(파장 30 cm에서 3 mm 사이), 또는 1에서 3000 GHz(30 cm에서 0.1 mm 사이) 범위이다. 모든 경우에 마이크로파는 최소한 전체 초고주파(SHF) 대역(3~30 GHz 또는 10~1 cm)을 포함한다. 원적외선, 테라헤르츠파, 마이크로파 및 극초단파(UHF) 사이의 경계는 상당히 자의적이며 연구 분야마다 다르다.

마이크로파에서 접두사 는 이전의 무선 통신 기술에 사용된 전파에 비해 마이크로파가 작음(짧은 파장을 가짐)을 나타낸다. 마이크로파 범위의 주파수는 종종 S, C, X, Ku, K 또는 Ka 밴드와 같은 IEEE 레이더 대역 명칭이나 유사한 NATO 또는 EU 명칭으로 지칭된다.

마이크로파는 가시선 전파를 통해 이동한다. 더 낮은 주파수의 전파와 달리 언덕 주변에서 회절되지 않고, 지표파로 지구 표면을 따라가지 않으며, 전리층에서 반사되지 않으므로 지상 마이크로파 통신 링크는 시각적 지평선에 의해 약 로 제한된다. 대역의 높은 쪽 끝에서는 대기 중의 가스에 의해 흡수되어 실질적인 통신 거리가 약 1킬로미터로 제한된다.

마이크로파는 현대 기술에서 널리 사용되는데, 예를 들어 점대점 통신 링크, 무선망, 마이크로파 전송 네트워크, 레이더, 위성 및 우주선 통신, 의료용 열요법 및 암 치료, 원격탐사, 전파천문학, 입자 가속기, 분광학, 산업용 가열, 자동긴급제동장치, 차고 문 개폐 장치 및 키리스 엔트리 시스템, 그리고 전자레인지에서 음식을 조리하는 데 사용된다.

 전자기 스펙트럼 
마이크로파는 전자기 스펙트럼에서 일반적인 전파보다는 높고 적외선보다는 낮은 주파수 위치를 차지한다.
 전자기 스펙트럼 이름  파장  진동수 (Hz)  광자 에너지 (eV) 감마선      < 0.01 nm         > 30 EHz  > 124 keV 엑스선          0.01 nm – 10 nm    30 EHz – 30 PHz  124 keV – 124 eV 자외선      10 nm – 400 nm   30 PHz – 750 THz    124 eV – 3 eV 가시광선   400 nm – 750 nm  750 THz – 400 THz    3 eV – 1.7 eV 적외선        750 nm – 1 mm    400 THz – 300 GHz    1.7 eV – 1.24 meV       1 mm – 1 m     300 GHz – 300 MHz  1.24 meV – 1.24 μeV 전파  ≥ 1 m  ≤ 300 MHz  ≤ 1.24 μeV
전자기 스펙트럼의 설명에서 일부 자료는 마이크로파를 전파의 하위 집합인 전파로 분류하는 반면, 다른 자료는 마이크로파와 전파를 별개의 방사선 유형으로 분류한다. 이것은 자의적인 구분이다.

 주파수 대역 
마이크로파 스펙트럼의 주파수 대역은 문자로 지정된다. 불행히도 호환되지 않는 여러 대역 지정 시스템이 존재하며, 한 시스템 내에서도 일부 문자에 해당하는 주파수 범위는 응용 분야에 따라 다소 차이가 있다. 문자 시스템은 제2차 세계 대전 중 레이더 세트에 사용되는 대역의 미국 기밀 분류에서 기원했다. 이것이 가장 오래된 문자 시스템인 IEEE 레이더 대역의 유래이다. Radio Society of Great Britain(RSGB)에 의한 마이크로파 주파수 대역 지정 세트 중 하나가 아래 표에 정리되어 있다.

+ 마이크로파 주파수 대역 지정  주파수 범위  파장 범위  전형적인 용도 L 밴드  1 ~ 2 GHz  15 cm ~ 30 cm 군용 원격 측정, GPS, 휴대 전화(GSM), 아마추어 무선 S 밴드  2 ~ 4 GHz  7.5 cm ~ 15 cm 기상 레이더, 수상함 레이더, 일부 통신 위성, 전자레인지, 마이크로파 장치/통신, 전파천문학, 휴대 전화, 무선랜, 블루투스, ZigBee, GPS, 아마추어 무선 C 밴드  4 ~ 8 GHz  3.75 cm ~ 7.5 cm 장거리 무선 전기 통신, 무선랜, 아마추어 무선 X 밴드  8 ~ 12 GHz  25 mm ~ 37.5 mm 위성 통신, 레이더, 지상 광대역, 우주 통신, 아마추어 무선, 분자 회전 분광학 Ku 밴드  12 ~ 18 GHz  16.7 mm ~ 25 mm 위성 통신, 분자 회전 분광학 K 밴드  18 ~ 26.5 GHz  11.3 mm ~ 16.7 mm 레이더, 위성 통신, 천문 관측, 차량용 레이더, 분자 회전 분광학 Ka 밴드  26.5 ~ 40 GHz  5.0 mm ~ 11.3 mm 위성 통신, 분자 회전 분광학 Q 밴드  33 ~ 50 GHz  6.0 mm ~ 9.0 mm 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 전파천문학, 차량용 레이더, 분자 회전 분광학 U 밴드  40 ~ 60 GHz  5.0 mm ~ 7.5 mm V 밴드  50 ~ 75 GHz  4.0 mm ~ 6.0 mm 밀리미터파 레이더 연구, 분자 회전 분광학 및 기타 과학 연구 W 밴드  75 ~ 110 GHz  2.7 mm ~ 4.0 mm 위성 통신, 밀리미터파 레이더 연구, 군용 레이더 표적 지정 및 추적 응용, 일부 비군용 응용, 차량용 레이더 F 밴드  90 ~ 140 GHz  2.1 mm ~ 3.3 mm SHF 전송: 전파천문학, 마이크로파 장치/통신, 무선랜, 대부분의 현대 레이더, 통신 위성, 위성 텔레비전 방송, DBS, 아마추어 무선 D 밴드  110 ~ 170 GHz  1.8 mm ~ 2.7 mm EHF 전송: 전파천문학, 고주파 마이크로파 전송, 마이크로파 원격탐사, 아마추어 무선, 지향성 에너지 무기, 밀리미터파 스캐너

다른 정의들도 존재한다.참조: , , Letter Designations of Microwave Bands.

P 밴드라는 용어는 가끔 L 밴드 아래의 UHF 주파수에 사용되지만, IEEE Std 521에 따라 현재는 사용되지 않는다.

제2차 세계 대전 중 K 밴드에서 레이더가 처음 개발되었을 때, 근처에 (대기 중의 수증기와 산소로 인한) 흡수 대역이 있다는 사실이 알려지지 않았다. 이 문제를 피하기 위해 원래의 K 밴드는 하위 대역인 Ku와 상위 대역인 Ka로 나뉘었다.Skolnik, Merrill I. (2001) Introduction to Radar Systems, Third Ed., p. 522, McGraw Hill. 1962 Edition full text

 전파 


 대류권 산란 

하늘을 향해 비스듬히 발사된 마이크로파 빔에서, 빔이 대류권을 통과할 때 소량의 전력이 무작위로 산란된다. 대류권의 해당 영역에 초점을 맞춘 고이득 안테나를 가진 지평선 너머의 민감한 수신기는 이 신호를 포착할 수 있다. 이 기술은 최대 300 km 거리까지 지평선 너머로 통신하기 위해 대류권 산란 통신 시스템에서 0.45~5 GHz 사이의 주파수에서 사용되어 왔다.

 안테나 
섬네일|upright|도파관은 마이크로파를 전달하는 데 사용된다. 항공 교통 관제 레이더에 사용되는 도파관과 다이플렉서의 예.

마이크로파의 짧은 파장 덕분에 휴대용 장치용 무지향성 안테나를 1~20cm 길이로 매우 작게 만들 수 있다. 따라서 마이크로파 주파수는 휴대 전화, 무선 전화, 랩톱용 무선랜(Wi-Fi) 접속, 블루투스 이어폰과 같은 무선 장치에 널리 사용된다. 사용되는 안테나에는 짧은 휩 안테나, 러버덕 안테나, 슬리브 다이폴 안테나, 패치 안테나, 그리고 휴대 전화에 점차 많이 사용되는 인쇄 회로 인버티드 F 안테나(PIFA)가 포함된다.

또한 짧은 파장은 0.5미터에서 5미터 지름의 편리하게 작은 고이득 안테나로 좁은 마이크로파 빔을 생성할 수 있게 한다. 따라서 마이크로파 빔은 점대점 통신 링크와 레이더에 사용된다. 좁은 빔의 장점은 동일한 주파수를 사용하는 근처 장비와 간섭을 일으키지 않아 근처 송신기들이 주파수 재사용을 할 수 있다는 점이다. 파라볼라 안테나("접시" 안테나)는 마이크로파 주파수에서 가장 널리 사용되는 지향성 안테나이지만, 혼 안테나, 슬롯 안테나 및 렌즈 안테나도 사용된다. 평면 마이크로스트립 안테나는 소비자 장치에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 마이크로파 주파수에서 실용적인 또 다른 지향성 안테나는 위상배열로, 컴퓨터로 제어되는 안테나 배열을 통해 빔을 전자적으로 다른 방향으로 조종할 수 있다.

마이크로파 주파수에서는 동축 케이블이나 평행선과 같이 낮은 주파수의 전파를 안테나로 주고받는 데 사용되는 전송선로의 전력 손실이 과도하다. 따라서 낮은 감쇠가 필요할 때는 도파관이라 불리는 금속 파이프로 마이크로파를 전달한다. 도파관 설치의 높은 비용과 유지 관리 요구 사항 때문에 많은 마이크로파 안테나에서는 송신기의 출력 단계나 수신기의 RF 프런트엔드가 안테나에 직접 위치한다.

 설계 및 분석 
마이크로파라는 용어는 전자기학 및 회로 이론에서 더 기술적인 의미를 갖기도 한다. 신호의 파장이 회로의 치수와 대략 비슷하여 집중 상수 모델 회로 이론이 부정확해지고 대신 분포 정수 모델 및 전송선로 이론이 설계와 분석에 더 유용한 방법이 될 때, 장치와 기술을 질적으로 "마이크로파"라고 설명할 수 있다.

결과적으로 실제 마이크로파 회로는 저주파 전파에 사용되는 개별 저항기, 축전기, 유도자를 사용하지 않는 경향이 있다. 저주파에서 사용되는 개방형 전선 및 동축 전송선로는 도파관 및 마이크로스트립으로 대체되며, 집중 상수 동조 회로는 공동 공명기나 공명 스터브로 대체된다. 이어서 전자기파의 파장이 이를 처리하는 구조물의 크기에 비해 작아지는 훨씬 더 높은 주파수에서는 마이크로파 기술이 부적절해지며 광학의 방법이 사용된다.

 소스 

섬네일|upright=1.2|분해된 스피드 건. 구리색 혼 안테나 끝에 부착된 회색 조립체는 마이크로파를 생성하는 건 다이오드이다.

고출력 마이크로파 소스는 마이크로파를 생성하기 위해 특수 진공관을 사용한다. 이 장치들은 제어용 전기장 또는 자기장의 영향 아래 진공 상태에서 전자의 탄도 운동을 이용한다는 점에서 저주파 진공관과 다른 원리로 작동하며, 자전관(전자레인지에 사용), 속도변조관, 진행파관(TWT), 교차장 증폭기 및 자이로트론을 포함한다. 이 장치들은 전류 변조 모드가 아닌 밀도 변조 모드에서 작동한다. 이는 연속적인 전자 흐름을 사용하는 대신 탄도적으로 비행하는 전자 덩어리를 기반으로 작동함을 의미한다.

저출력 마이크로파 소스는 장효과 트랜지스터(최소한 낮은 주파수에서), 터널 다이오드, 건 다이오드 및 IMPATT 다이오드와 같은 고체 소자를 사용한다.Microwave Oscillator  notes by Herley General Microwave 저출력 소스는 벤치탑 기기, 랙마운트 기기, 내장형 모듈 및 카드 레벨 형식으로 제공된다. 메이저는 고주파 빛을 증폭하는 레이저와 유사한 원리를 사용하여 마이크로파를 증폭하는 고체 소자이다.

모든 따뜻한 물체는 온도에 따라 낮은 수준의 마이크로파 흑체 방사를 방출하므로 기상학 및 원격탐사에서 물체나 지형의 온도를 측정하기 위해 마이크로파 복사계가 사용된다. 태양과 카시오페이아자리 A와 같은 다른 천체 전파원은 구성 성분에 대한 정보를 담고 있는 낮은 수준의 마이크로파 복사를 방출하며, 이는 전파천문학자들이 전파망원경이라 불리는 수신기를 사용하여 연구한다. 예를 들어 우주 마이크로파 배경(CMBR)은 빈 공간을 채우고 있는 약한 마이크로파 노이즈로, 물리 우주론의 대폭발 우주 탄생 이론에 대한 주요 정보원이다.

 응용 

마이크로파 기술은 점대점 전기 통신(즉, 비방송용)에 광범위하게 사용된다. 마이크로파는 전파보다 좁은 빔으로 더 쉽게 집중될 수 있어 주파수 재사용이 가능하고, 상대적으로 높은 주파수는 넓은 대역폭과 높은 데이터 전송 속도를 가능하게 하며, 안테나 크기가 전송 주파수에 반비례하기 때문에 저주파보다 작아진다는 점에서 이 용도에 특히 적합하다. 마이크로파는 우주선 통신에 사용되며, 전 세계 데이터, TV 및 전화 통신의 상당 부분이 지상국과 통신 위성 사이의 마이크로파를 통해 장거리에 걸쳐 전송된다. 마이크로파는 전자레인지와 레이더 기술에서도 사용된다.

 통신 

섬네일|지구 상공 35,700km(22,000마일)의 정지 궤도에 있는 방송 위성으로부터 Ku 밴드 12~14 GHz 마이크로파 빔을 통해 위성방송을 수신하는 주택의 파라볼라 안테나

광섬유 전송이 등장하기 전에는 대부분의 장거리 전화 통화가 AT&T 롱 라인스와 같은 통신사가 운영하는 마이크로파 무선 중계 링크 네트워크를 통해 이루어졌다. 1950년대 초부터 각 마이크로파 무선 채널에 최대 5,400개의 전화 채널을 보내기 위해 주파수 분할 다중화가 사용되었으며, 다음 지점까지 최대 70km 거리를 위해 최대 10개의 무선 채널이 하나의 안테나로 결합되었다.

블루투스나 와이파이에 사용되는 IEEE 802.11 사양과 같은 무선랜 프로토콜도 2.4 GHz ISM 대역의 마이크로파를 사용하지만, 802.11a는 5 GHz 범위의 ISM 대역 및 U-NII 주파수를 사용한다. 허가된 장거리(최대 약 25km) 무선 인터넷 접속 서비스는 많은 국가에서 3.5~4.0 GHz 범위에서 거의 10년 동안 사용되어 왔다. FCC는 최근 미국에서 이 범위의 서비스를 제공하고자 하는 통신사들을 위해 3.65 GHz를 중심으로 스펙트럼을 할당했다. 전국의 수십 개 서비스 제공업체가 이 대역에서 운영하기 위해 FCC로부터 면허를 확보했거나 이미 받았다. 3.65 GHz 대역에서 운영될 수 있는 와이맥스 서비스는 비즈니스 고객에게 또 다른 연결 옵션을 제공할 것이다.

와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access)와 같은 도시권 통신망(MAN) 프로토콜은 2~11 GHz 사이에서 작동하도록 설계된 IEEE 802.16과 같은 표준을 기반으로 한다. 상업적 구현은 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz 및 5.8 GHz 범위에 있다.

IEEE 802.20이나 ATIS/ANSI HC-SDMA(예: iBurst)와 같은 표준 사양에 기반한 모바일 브로드밴드 무선 접속(MBWA) 프로토콜은 1.6~2.3 GHz 사이에서 작동하여 휴대 전화와 유사한 이동성 및 건물 투과 특성을 제공하면서도 훨씬 더 큰 스펙트럼 효율성을 제공한다.

GSM과 같은 일부 휴대 전화 네트워크는 미주 지역 등에서 각각 1.8 및 1.9 GHz 주변의 낮은 마이크로파/높은 UHF 주파수를 사용한다. DVB-SH 및 S-DMB는 1.452~1.492 GHz를 사용하며, 미국의 독자적인 위성 라디오는 DARS를 위해 약 2.3 GHz를 사용한다.

마이크로파 무선은 짧은 파장 덕분에 고지향성 안테나를 더 길은 파장(낮은 주파수)에서보다 더 작고 실용적으로 만들 수 있기 때문에 점대점 전기 통신 전송에 사용된다. 또한 나머지 무선 스펙트럼보다 마이크로파 스펙트럼에 더 많은 대역폭이 존재한다. 300 MHz 이하의 사용 가능한 대역폭은 300 MHz 미만인 반면, 300 MHz 이상에서는 수 GHz를 사용할 수 있다. 일반적으로 마이크로파는 뉴스나 스포츠 행사의 현장 중계에서 특별히 장비가 갖춰진 밴 차량으로부터 텔레비전 방송국으로 신호를 전송하는 백홀 링크로 사용된다. 방송 보조 서비스(BAS), 원격 픽업 유닛(RPU) 및 스튜디오/송신기 링크(STL)를 참조하라.

대부분의 통신 위성 시스템은 마이크로파 스펙트럼의 C, X, Ka 또는 Ku 대역에서 작동한다. 이 주파수들은 혼잡한 UHF 주파수를 피하면서 넓은 대역폭을 허용하고 EHF 주파수의 대기 흡수 이하로 유지된다. 위성방송은 전통적인 대형 접시 고정 위성 서비스를 위해 C 대역에서 작동하거나 방송위성을 위해 Ku 대역에서 작동한다. 군사 통신은 주로 X 또는 Ku 대역 링크를 통해 이루어지며, 밀스타에는 Ka 대역이 사용된다.

 항법 

중국의 베이두, 미국의 GPS(1978년 도입) 및 러시아의 글로나스를 포함한 범지구 위성 항법 시스템(GNSS)은 약 1.2 GHz에서 1.6 GHz 사이의 다양한 대역에서 항법 신호를 방송한다.

 레이더 

섬네일|공항 주변 공역의 항공기 위치를 찾기 위해 2.7~2.9 GHz(S 밴드) 마이크로파의 좁은 수직 부채꼴 모양 빔을 방사하는 ASR-9 공항 감시 레이더의 파라볼라 안테나(하단 곡면)

레이더는 송신기에서 발사된 전파 빔이 물체에 부딪혀 수신기로 돌아오는 것을 이용하여 물체의 위치, 거리, 속도 및 기타 특성을 결정하는 무선 측위 기술이다. 마이크로파의 짧은 파장은 자동차, 선박 및 항공기 크기의 물체로부터 큰 반사를 일으킨다. 또한 이 파장에서는 물체의 위치를 정확히 파악하는 데 필요한 좁은 빔폭을 생성하기 위한 파라볼라 안테나와 같은 고이득 안테나가 편리하게 작아서 물체를 스캔하기 위해 빠르게 회전시킬 수 있다. 따라서 마이크로파 주파수는 레이더에 사용되는 주요 주파수이다. 마이크로파 레이더는 항공 교통 관제, 기상 예보, 선박 항해 및 과속 단속과 같은 응용 분야에 널리 사용된다. 장거리 레이더는 대역의 상단에서 대기 흡수가 범위를 제한하기 때문에 낮은 마이크로파 주파수를 사용하지만, 밀리미터파는 자동긴급제동장치와 같은 단거리 레이더에 사용된다.

 전파천문학 

행성, 별, 은하 및 성운과 같은 천체 전파원에서 방출되는 마이크로파는 전파망원경이라 불리는 대형 접시 안테나를 통해 전파천문학에서 연구된다. 자연적으로 발생하는 마이크로파 복사를 수신하는 것 외에도, 전파망원경은 태양계의 행성에 마이크로파를 쏘아 반사시키는 능동 레이더 실험에 사용되어 달까지의 거리를 측정하거나 구름 덮개 너머 금성의 보이지 않는 표면 지도를 그리는 데 사용되어 왔다.

최근에 완공된 마이크로파 전파망원경인 아타카마 대형 밀리미터 간섭계는 칠레의 고도 5,000미터(16,597피트) 이상에 위치하며, 밀리미터 및 서브밀리미터 파장 범위에서 우주를 관측한다. 현재까지 세계 최대의 지상 천문학 프로젝트로, 66개 이상의 접시로 구성되어 있으며 유럽, 북미, 동아시아 및 칠레의 국제 협력을 통해 건설되었다.

마이크로파 전파천문학의 최근 주요 초점 중 하나는 1964년 전파천문학자 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨이 발견한 우주 마이크로파 배경(CMBR)의 지도를 그리는 것이었다. 우주를 채우고 있으며 모든 방향에서 거의 동일한 이 희미한 배경 복사는 대폭발의 "유물 방사선"이며 초기 우주 상태에 대한 몇 안 되는 정보원 중 하나이다. 우주의 팽창과 그에 따른 냉각으로 인해 원래 고에너지였던 복사는 무선 스펙트럼의 마이크로파 영역으로 이동했다. 충분히 민감한 전파망원경은 어떤 별이나 은하, 다른 물체와도 관련이 없는 희미한 신호로서 CMBR을 감지할 수 있다.

 가열 및 전력 응용 
섬네일|주방 카운터 위의 소형 전자레인지
섬네일|마이크로파는 산업 공정에서 가열용으로 널리 사용된다. 압출 전 플라스틱 막대를 부드럽게 만들기 위한 마이크로파 터널 오븐.
전자레인지는 주로 물에서의 에너지 흡수에 의한 유전 가열을 유발하여 음식을 통해  근처 주파수의 마이크로파 복사를 통과시킨다. 전자레인지는 저렴한 자전관의 개발에 힘입어 1970년대 후반 서구 국가에서 일반적인 주방 가전제품이 되었다. 액체 상태의 물은 흡수 피크를 넓히는 많은 분자 상호 작용을 가지고 있다. 증기 단계에서 고립된 물 분자는 전자레인지 주파수의 거의 10배인 약 22 GHz에서 흡수한다.

마이크로파 가열은 제품의 건조 및 경화를 위한 산업 공정에서 사용된다.

많은 반도체 공정 기술은 반응성 이온 식각 및 플라스마 강화 화학기상증착(PECVD)과 같은 목적을 위해 플라스마를 생성하는 데 마이크로파를 사용한다.

마이크로파는 스텔라레이터 및 토카막 실험용 핵융합로에서 가스를 플라스마로 분해하고 매우 높은 온도로 가열하는 데 사용된다. 주파수는 자기장 내 전자의 전자 사이클로트론 공명에 맞춰 2~200 GHz 사이의 어느 곳으로나 조정되므로, 종종 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)이라고 불린다. 곧 가동될 국제열핵융합실험로(ITER) 원자로는 170 GHz 마이크로파를 최대 20 MW까지 사용할 예정이다.

마이크로파는 장거리에 걸쳐 전력을 전송하는 데 사용될 수 있으며, 제2차 세계 대전 이후 그 가능성을 검토하기 위한 연구가 수행되었다. 미국 항공 우주국(NASA)은 1970년대와 1980년대 초에 대형 태양광 어레이를 갖춘 태양광 발전 위성(SPS) 시스템을 사용하여 마이크로파를 통해 지구 표면으로 전력을 쏘아 보내는 가능성을 연구했다.

밀리미터파를 사용하여 인간의 피부 층을 견딜 수 없는 온도로 가열하여 표적이 된 사람이 멀어지게 만드는 비살상 무기가 존재한다. 95 GHz 집중 빔의 2초간 발사는  깊이에서 피부를 의 온도로 가열한다. 미국 공군과 미국 해병대는 현재 고정 시설에서 이러한 유형의 능동 거부 시스템을 사용하고 있다.Silent Guardian Protection System. Less-than-Lethal Directed Energy Protection. raytheon.com

 분광학 

마이크로파 복사는 전자 스핀 공명(EPR 또는 ESR) 분광학에서 사용되며, 일반적으로 0.3 T의 자기장과 결합하여 X-밴드 영역(~9 GHz)에서 사용된다. 이 기술은 자유 라디칼이나 Cu(II)와 같은 전이 금속 이온과 같은 화학 시스템의 홀전자에 대한 정보를 제공한다. 마이크로파 복사는 또한 회전 분광학을 수행하는 데 사용되며, 마이크로파 강화 전기화학에서와 같이 전기화학과 결합될 수 있다.

 주파수 측정 

섬네일|upright=0.75|Ku 대역 측정을 위한 흡수 파장계
마이크로파 주파수는 전자적 또는 기계적 기술로 측정할 수 있다.

주파수 카운터나 고주파 헤테로다인 시스템을 사용할 수 있다. 여기서 알려지지 않은 주파수는 저주파 발생기, 고조파 발생기 및 믹서를 사용하여 알려진 낮은 주파수의 고조파와 비교된다. 측정의 정확도는 기준 소스의 정확도와 안정성에 의해 제한된다.

기계적 방법은 물리적 치수와 주파수 사이에 알려진 관계가 있는 흡수 파장계와 같은 가변 공명기를 필요로 한다.

실험실 환경에서는 평행선으로 만들어진 전송선로에서 파장을 직접 측정하기 위해 레허 선(Lecher lines)을 사용할 수 있으며, 그 후 주파수를 계산할 수 있다. 유사한 기술로 슬롯 도파관이나 슬롯 동축 선을 사용하여 파장을 직접 측정하는 것이 있다. 이 장치들은 종방향 슬롯을 통해 선로에 도입된 프로브로 구성되어 프로브가 선로를 따라 자유롭게 이동할 수 있다. 슬롯 선로는 주로 선로상의 전압 정해파비를 측정하기 위한 것이다. 그러나 정상파가 존재하는 경우, 파장의 절반인 마디 사이의 거리를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 이 방법의 정밀도는 마디 위치 결정에 의해 제한된다.

 건강에 미치는 영향 

마이크로파는 비이온화 방사선이며, 이는 마이크로파 광자가 엑스선이나 자외선과 같은 이온화 방사선처럼 분자를 이온화하거나 화학 결합을 끊거나 DNA 손상을 일으키기에 충분한 에너지를 포함하지 않음을 의미한다. "방사선"이라는 단어는 소스에서 방출되는 에너지를 의미하며 방사성을 의미하는 것이 아니다. 마이크로파 흡수의 주요 효과는 물질을 가열하는 것이다. 전자기장은 극성 분자를 진동시킨다. 마이크로파(또는 다른 비이온화 전자기파)가 낮은 수준에서 유의미한 유해한 생물학적 효과를 미친다는 것은 결정적으로 입증되지 않았다. 모든 연구가 그런 것은 아니지만, 일부 연구는 장기 노출이 발암 효과를 가질 수 있음을 시사한다.

제2차 세계 대전 동안 레이더 시설의 방사선 경로에 있는 개인들이 마이크로파 복사에 반응하여 클릭 소리와 윙윙거리는 소리를 경험한다는 것이 관찰되었다. 1970년대 NASA의 연구는 이것이 내이 일부의 열팽창에 의해 발생한다는 것을 보여주었다. 1955년 제임스 러브록 박사는 마이크로파 열요법을 사용하여 로 냉각된 쥐를 소생시킬 수 있었다.

마이크로파 노출로 인한 부상이 발생하면 대개 신체 내에서 유도된 유전 가열로 인해 발생한다. 눈의 수정체와 각막은 열을 운반할 수 있는 혈관이 없기 때문에 특히 취약하다. 마이크로파 노출은 이 메커니즘에 의해 백내장을 유발할 수 있는데, 이는 마이크로파 가열이 눈의 수정체에 있는 단백질을 변성시키기 때문이다 (열이 흰자를 하얗고 불투명하게 만드는 것과 같은 방식이다). 다량의 마이크로파 복사에 노출되면(문이 열린 상태에서도 작동하도록 개조된 오븐 등에서) 다른 조직에도 열 손상을 일으킬 수 있으며, 마이크로파가 수분 함량이 높은 깊은 조직을 가열하는 경향 때문에 즉시 분명하게 나타나지 않을 수 있는 심각한 화상을 포함한다.

 역사 
마이크로파 주파수를 활용하려는 동기는 낮은 주파수 대역의 혼잡이 심해지고, 높은 주파수에서 더 작은 안테나를 사용할 수 있는 능력 때문이었다.

 헤르츠 광학 
마이크로파는 1890년대에 이를 "보이지 않는 빛"의 한 형태로 생각한 물리학자들에 의한 초기 전파 실험에서 처음으로 생성되었다. 제임스 클러크 맥스웰은 현재 맥스웰 방정식이라 불리는 1873년 전자기학 이론에서 결합된 전기장과 자기장이 전자기파로서 공간을 이동할 수 있다고 예측했으며, 빛이 짧은 파장의 전자기파로 구성되어 있다고 제안했다. 1888년 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 원시적인 불꽃 간격 무선 송신기를 사용하여 전파를 생성함으로써 전자기파의 존재를 처음으로 입증했다.

헤르츠와 다른 초기 무선 연구자들은 맥스웰의 이론을 시험하기 위해 전파와 빛의 유사성을 탐구하는 데 관심이 있었다. 그들은 UHF 및 마이크로파 범위의 짧은 파장 전파를 생성하는 데 집중했으며, 이를 통해 파라핀, 황 및 피치로 만든 프리즘 및 렌즈와 와이어 회절격자와 같은 준광학 부품을 사용하여 전파를 빛처럼 굴절시키고 회절시키는 고전적인 광학 실험을 실험실에서 재현할 수 있었다. 헤르츠는 마이크로파 영역의 문턱인 50, 100, 430 MHz 주파수를 사용했다. 그의 지향성 430 MHz 송신기는 끝단 사이에 불꽃 간격이 있는 26 cm 황동 막대 다이폴 안테나로 구성되었으며, 유도 코일의 고전압 펄스로 전력을 공급받아 아연 시트로 만든 파라볼라 안테나의 초점선에 매달려 있었다. 그의 역사적인 실험은 전파가 빛처럼 굴절, 회절, 편광, 간섭 및 정상파를 나타냄을 보여주었으며, 전파와 빛이 모두 맥스웰의 전자기파의 형태임을 증명했다. 그는 또한 개방형 전선과 동축 전송선로를 실험했다.

1894년부터 자가디시 찬드라 보스는 마이크로파로 첫 실험을 수행했다. 그는 3 mm 금속구 불꽃 발진기를 사용하여 최대 60 GHz(5 밀리미터)의 주파수를 생성하여 밀리미터파를 생성한 최초의 인물이었다. 보스는 또한 실험에 사용하기 위해 도파관, 혼 안테나 및 반도체 광석 검파기를 발명했다. 이와 독립적으로 1894년 올리버 로지와 아우구스토 리기는 각각 작은 금속구 불꽃 공명기에 의해 생성된 1.5 및 12 GHz 마이크로파를 실험했다. 러시아 물리학자 표트르 레베데프는 1895년에 50 GHz 밀리미터파를 생성했다. 1897년 레일리 경은 임의의 모양의 전도성 튜브와 유전체 막대를 통해 전파되는 전자기파의 수학적 경계값 문제를 해결했으며, 이는 도파관을 통해 전파되는 마이크로파의 모드와 차단 주파수를 제공했다.

그러나 마이크로파는 가시선 전파 경로로 제한되어 시각적 지평선 너머로 통신할 수 없었고, 당시 사용된 불꽃 송신기의 낮은 출력으로 인해 실질적인 범위가 몇 마일로 제한되었다. 1896년 이후의 무선 통신 발전은 지표파로 지평선 너머로 이동할 수 있고 전리층에서 공중파로 반사될 수 있는 낮은 주파수를 채택했으며, 마이크로파 주파수는 이 시기에 더 이상 탐구되지 않았다.

 첫 마이크로파 통신 실험 
무선 송신기에 사용되는 3극 진공관 전자 발진기가 과도한 전자 주행 시간과 전극 간 정전 용량으로 인해 수백 메가헤르츠 이상의 주파수를 생성할 수 없었기 때문에, 적절한 소스의 부족으로 마이크로파 주파수의 실용적인 사용은 1940년대와 1950년대가 되어서야 이루어졌다. 1930년대에 새로운 원리를 이용한 최초의 저출력 마이크로파 진공관인 바크하우젠-쿠르츠 관과 분할 양극 자전관이 개발되었다. 이것들은 수 기가헤르츠까지의 주파수에서 몇 와트의 전력을 생성할 수 있었으며 마이크로파 통신의 첫 실험에 사용되었다.

1931년 안드레 C. 클라비에가 이끄는 영불 컨소시엄은 영국 도버와 프랑스 칼레 사이의  영국 해협을 가로지르는 최초의 실험적인 마이크로파 중계 링크를 시연했다. 이 시스템은  금속 접시의 초점에 있는 소형 바크하우젠-쿠르츠 관에서 생성된 0.5와트 출력의 1.7 GHz 양방향 빔을 통해 전화, 전신 및 팩시밀리 데이터를 전송했다.

이전에는 200미터보다 짧은 모든 파장을 의미하는 "단파" 대역으로 묶여 있던 이 새로운 더 짧은 파장들을 구별할 단어가 필요했다. 준광학파(quasi-optical waves)와 초단파(ultrashort waves)라는 용어가 잠시 사용되었지만 널리 퍼지지는 않았다. 마이크로파(micro-wave)라는 단어의 첫 사용은 1931년 클라비에의 영불 마이크로파 링크 보도에서 나타났다.

 레이더 개발 
제2차 세계 대전 전후로 주로 비밀리에 진행된 레이더 개발은 마이크로파를 실용적으로 만든 기술적 진보를 가져왔다. 적 항공기의 위치를 파악하기 위해 항공기에 장착할 수 있을 만큼 소형이면서 충분히 좁은 빔폭을 가진 작은 레이더 안테나를 만들기 위해 센티미터 범위의 마이크로파 파장이 필요했다. 무선 전송에 사용되던 기존의 전송선로가 마이크로파 주파수에서 과도한 전력 손실을 보인다는 사실이 발견되었고, 1936년 벨 연구소의 조지 사우스워스와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 윌머 배로가 독립적으로 도파관을 발명했다. 배로는 1938년 마이크로파를 도파관 내부나 외부로 효율적으로 방사하는 수단으로 혼 안테나를 발명했다. 마이크로파 수신기에서는 진공관의 정전 용량이 너무 컸기 때문에 이 주파수에서 검파기 및 주파수 믹서 역할을 할 비선형 소자가 필요했다. 이 필요를 채우기 위해 연구자들은 진공관 수신기 이전 세기 전환기에 광석 라디오에서 변조기로 사용되었던 구식 기술인 점 접촉 광석 검파기(캣 위스커 검파기)를 부활시켰다. 반도체 접합의 낮은 정전 용량은 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있게 해주었다. 최초의 현대적 규소 및 저마늄 다이오드는 1930년대에 마이크로파 검파기로 개발되었으며, 개발 과정에서 배운 반도체 물리학의 원리는 전후 반도체 전자공학으로 이어졌다.

마이크로파의 첫 번째 강력한 소스는 제2차 세계 대전 초기에 발명되었다. 1937년 스탠퍼드 대학교의 러셀 및 시구르드 바리안 형제에 의한 속도변조관 관, 그리고 1940년 영국 버밍엄 대학교의 존 랜달과 해리 부트에 의한 공동 자전관 관이 그것이다. 자전관 관으로 작동하는 10센티미터(3 GHz) 마이크로파 레이더는 1941년 말 영국 군용기에서 사용되어 게임 체인저임이 입증되었다. 1940년 영국의 마이크로파 기술을 미국 동맹국과 공유하기로 한 결정(티자드 미션)은 전쟁을 크게 단축시켰다. 레이더 연구를 위해 1940년 매사추세츠 공과대학교에 비밀리에 설립된 MIT 방사선 연구소는 마이크로파를 사용하는 데 필요한 이론적 지식의 상당 부분을 생산했다. 마이크로파 중계 시스템은 전쟁 중 연합군에 의해 개발되었으며 유럽 전역에서 안전한 전장 통신 네트워크를 위해 사용되었다. 최초는 1942년 영국의 신호 연구 개발국에서 개발한 5 GHz, 8개 전화선, 시분할 다중화 시스템인 British Wireless Set No. 10이었다.

 제2차 세계 대전 이후의 활용 
제2차 세계 대전 이후 마이크로파는 상업적으로 빠르게 활용되었다. 높은 주파수 덕분에 매우 큰 정보 전달 능력(대역폭)을 가졌다. 단일 마이크로파 빔은 수만 건의 전화 통화를 전달할 수 있었다. 1950년대와 60년대에 미국과 유럽에서 도시 간 전화 통화를 교환하고 텔레비전 프로그램을 배포하기 위해 대륙 횡단 마이크로파 중계 네트워크가 구축되었다. 새로운 텔레비전 방송 산업에서 1940년대부터 마이크로파 접시 안테나는 모바일 방송차로부터 스튜디오로 백홀 비디오 피드를 전송하는 데 사용되어 최초의 원거리 TV 생중계를 가능하게 했다. 최초의 통신 위성은 1960년대에 발사되어 마이크로파 빔을 사용하여 지구상의 멀리 떨어진 지점들 사이에 전화 통화와 텔레비전을 중계했다. 1964년 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨은 뉴저지주 홀름델에 있는 벨 연구소에서 위성 혼 안테나의 노이즈를 조사하던 중 우주 마이크로파 배경을 발견했다.

마이크로파 레이더는 항공 교통 관제, 해상 항법, 대공 방어, 탄도 미사일 탐지 및 기타 많은 용도에 사용되는 중심 기술이 되었다. 레이더와 위성 통신은 현대적인 마이크로파 안테나의 개발을 촉진했다. 파라볼라 안테나(가장 일반적인 유형), 카세그레인 안테나, 렌즈 안테나, 슬롯 안테나 및 위상배열 등이 그것이다.

단파가 물질을 빠르게 가열하고 음식을 익히는 능력은 1930년대에 웨스팅하우스의 일리아 E. 무롬체프에 의해 조사되었으며, 1933년 시카고 세계 박람회에서 60 MHz 무선 송신기로 식사를 조리하는 시연이 있었다. 1945년 레이시온에서 레이더 작업을 하던 엔지니어 퍼시 스펜서는 자전관 발진기에서 나오는 마이크로파 복사가 그의 주머니에 있던 사탕 바를 녹인 것을 발견했다. 그는 마이크로파 조리를 연구하여 음식이 담긴 폐쇄된 금속 공동에 마이크로파를 공급하는 자전관으로 구성된 전자레인지를 발명했으며, 이는 1945년 10월 8일 레이시온에 의해 특허를 받았다. 비싼 가격 때문에 전자레인지는 처음에 집단 급식소에서 사용되었지만, 1986년경에는 미국 가구의 약 25%가 이를 소유하게 되었다. 마이크로파 가열은 플라스틱 제조와 같은 산업 공정에서 널리 사용되었으며, 암세포를 죽이기 위한 마이크로파 열요법과 같은 의료 치료법으로도 널리 사용되었다.

1943년 루돌프 콤프너와 존 피어스에 의해 개발된 진행파관(TWT)은 최대 50 GHz까지 튜닝 가능한 고출력 마이크로파 소스를 제공했으며, 전자레인지에 사용되는 유비쿼터스 자전관 다음으로 가장 널리 사용되는 마이크로파 관이 되었다. 러시아에서 개발된 자이로트론 관 제품군은 밀리미터파 주파수까지 메가와트급 전력을 생산할 수 있으며 산업용 가열, 플라스마 연구, 입자 가속기 및 핵핵융합로 전력 공급에 사용된다.

 고체 마이크로파 소자 

1950년대 반도체 전자공학의 발전은 새로운 원리인 부저항으로 작동하는 최초의 고체 마이크로파 소자로 이어졌다(전전의 일부 마이크로파 관들도 부저항을 사용했었다). 저주파에서 사용되던 피드백 발진기와 2포트 증폭기는 마이크로파 주파수에서 불안정해졌고, 다이오드와 같은 1포트 소자에 기반한 부저항 발진기와 증폭기가 더 잘 작동했다.

1857년 일본 물리학자 에사키 레오나가 발명한 터널 다이오드는 수 밀리와트의 마이크로파 전력을 생산할 수 있었다. 그 발명은 마이크로파 발진기로 사용하기 위한 더 나은 부저항 반도체 소자 탐색을 촉발시켰으며, 그 결과 1956년 W.T. 리드와 랠프 L. 존스턴에 의한 IMPATT 다이오드와 1962년 J. B. 건에 의한 건 다이오드가 발명되었다. 다이오드는 오늘날 가장 널리 사용되는 마이크로파 소스이다.

두 가지 저잡음 고체 부저항 마이크로파 증폭기가 개발되었다. 1953년 찰스 하드 타운스, 제임스 P. 고든, H. J. 자이거에 의해 발명된 메이저, 그리고 1956년 매리언 하인즈에 의해 개발된 바랙터 파라메트릭 증폭기이다. 파라메트릭 증폭기와 1958년 벨 연구소의 H.E.D. 스코빌이 이끄는 팀에 의해 발명된 루비 메이저는 전파망원경과 위성 지상국의 저잡음 마이크로파 수신기에 사용되었다. 메이저는 두 에너지 수준 사이에서 전자 전이를 겪는 원자가 방출하는 정밀한 마이크로파 주파수를 사용하여 시간을 맞추는 원자 시계의 개발로 이어졌다. 부저항 증폭기 회로는 서큘레이터, 아이솔레이터 및 방향성 결합기와 같은 새로운 비가역 도파관 부품의 발명을 필요로 했다. 1969년 쿠로카와 카네유키는 마이크로파 발진기 설계의 기초를 형성하는 부저항 회로의 안정성을 위한 수학적 조건을 도출했다.

 마이크로파 집적 회로 
섬네일|upright=0.7|위성방송 접시 안테나에 사용되는 Ku 밴드 마이크로스트립 회로
1980년대 이전에는 마이크로파 소자와 회로가 부피가 크고 비쌌기 때문에 마이크로파 주파수는 일반적으로 송신기의 출력 단계와 수신기의 RF 프런트엔드로 제한되었으며, 신호는 처리를 위해 더 낮은 중간 주파수로 변환되었다. 1970년대부터 현재까지 회로 기판에 장착할 수 있는 아주 작고 저렴한 능동 고체 마이크로파 부품들이 개발되어 마이크로파 주파수에서 상당한 신호 처리를 수행할 수 있게 되었다. 이것이 마이크로파를 사용하여 네트워크에 연결되는 위성방송, 케이블 텔레비전, GPS 장치, 그리고 스마트폰, 와이파이, 블루투스와 같은 현대 무선 장치들을 가능하게 했다.

마이크로파 주파수에서 사용 가능한 전송선로의 일종인 마이크로스트립은 1950년대에 인쇄 회로 기판과 함께 발명되었다. 인쇄 회로 기판 위에 다양한 모양을 저렴하게 제조할 수 있는 능력은 축전기, 유도자, 공명 스터브, 분배기, 방향성 결합기, 다이플렉서, 전자 필터 및 안테나의 마이크로스트립 버전을 만들 수 있게 하여 콤팩트한 마이크로파 회로 구축을 가능하게 했다.

마이크로파 주파수에서 작동하는 트랜지스터는 1970년대에 개발되었다. 반도체 비소화 갈륨(GaAs)은 규소보다 훨씬 높은 전자 이동도를 가지고 있어, 이 재료로 제작된 소자는 규소의 유사한 소자보다 4배 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 1970년대부터 GaAs는 최초의 마이크로파 트랜지스터를 만드는 데 사용되었으며, 이후 마이크로파 반도체 분야를 지배해 왔다. 게이트에 쇼트키 접합을 사용하는 빠른 GaAs 장효과 트랜지스터인 MESFET(금속 반도체 장효과 트랜지스터)은 1968년부터 개발되어 차단 주파수 100 GHz에 도달했으며 현재 가장 널리 사용되는 능동 마이크로파 소자이다. 더 높은 주파수 한계를 가진 또 다른 트랜지스터 제품군은 AlGaAs와 GaAs 두 가지 다른 반도체로 만들어진 이종접합 기술을 이용한 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)와 유사한 HBT이다.

GaAs는 반절연성으로 만들어질 수 있어 리소그래피를 통해 트랜지스터뿐만 아니라 수동 소자를 포함하는 회로를 제조할 수 있는 웨이퍼 기판으로 사용될 수 있다. 이는 1976년에 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)라고 불리는 마이크로파 주파수에서 작동하는 최초의 집적 회로(IC)로 이어졌다. "모놀리식"이라는 단어는 마이크로파 집적 회로(MIC)라고 불리던 마이크로스트립 PCB 회로와 구별하기 위해 추가되었다. 그 이후로 규소 MMIC도 개발되었다. 오늘날 MMIC는 아날로그 및 디지털 고주파 전자공학의 핵심이 되어 단일 칩 마이크로파 수신기, 광대역 증폭기, 모뎀 및 마이크로프로세서의 생산을 가능하게 하고 있다.

 같이 보기 
 우주 마이크로파 배경
 로우 노이즈 블록 다운컨버터
 메이저 (광학 기기)
 마이크로파 전송

 각주 

 외부 링크 


분류:전자기 스펙트럼