Microwave - Microwave

Japanese: マイクロ波 - まいくろは（英語表記）microwave

A classification of radio waves by wavelength for the convenience of use. The wavelength range is approximately 1 meter to 1 millimeter, and the frequency range is 300 megahertz to 300 gigahertz, but this range includes all of the UHF (decimeter wave), SHF (centimeter wave), and EHF (millimeter wave) bands determined by the Radio Communication Regulations of the Charter of the International Telecommunication Union (ITU) and the Enforcement Regulations of the Radio Law of Japan. In other words, the classification of microwaves was not determined by these regulations, but has been used by people around the world since around 1930.

Researchers and engineers who succeeded in oscillating frequencies higher than ultra-high frequency waves and achieved broadband and multiplexing of communication lines, in their pride, named this wavelength band with an inappropriate unit and proudly called it microwave. Most of the waves referred to as microwaves in domestic and foreign documents are in the range from UHF to SHF, and it seems that the EHF band was not expected to be used at the time of naming. This frequency band, which was the shortest wavelength band that could be realized at the time, was applied to all kinds of wireless communication technologies. Examples include radar, microwave landing system (MLS), microwave relay, broadcast program relay, satellite communication, satellite broadcasting, radio astronomy, weather satellites, remote sensing, and wireless LAN, and it is a name worthy of its name in the sense that it is the highest frequency available. In a 2012 document from the Ministry of Internal Affairs and Communications, the range from 3 GHz to 30 GHz, that is, the range equivalent to SHF, is called microwave.

[Iwao Ishijima]

Microwave Tube

For transmitting and receiving antennas, Yagi-Uda antennas and small parabolic antennas (rotating parabolic mirror antennas), which have good directivity and efficiency, can be used, so there is no need to increase the transmission power too much. The oscillators that make it possible to use these wavelengths are electron tubes such as magnetrons, klystrons, and traveling wave tubes (TWTs, or TW tubes).

A rudimentary bipolar magnetron was invented by A. W. Hull of General Electric (GE) in 1921, and a practical multi-segment anode magnetron was invented by Kinjiro Okabe of Tohoku Imperial University (now Tohoku University) in 1927. This element is suitable for oscillations of 3 GHz to 10 GHz, and is essential for generating powerful radar transmission pulses (9,375 MHz for ships).

The klystron was invented in 1935 by the German couple Oskar Heil (1908-1994 and Agnesa Arsenjewa Heil, 1901-1991). As a low-power, low-noise continuous wave oscillator in this frequency band, it was widely used as a local oscillator in radar receivers. Later, it was successfully enlarged and used as a transmitter for microwave relay circuits (1950-1960) as well as a UHF transmitter for television relay stations.

The TWT was invented in 1943 by the British Rudolf Kompfner (1909-1977). It was used as an electron tube with a low failure rate mounted on satellites for television satellite relay (1960s), and is still in use as the only electron tube mounted on broadcasting satellites in the 2010s.

A cooking appliance called a microwave oven is called a microwave in America. As the name suggests, the source of heat in a microwave oven is a magnetron of several hundred watts that generates microwaves. The standard frequency for microwave ovens is 2450 MHz worldwide, but in America it is 915 MHz. The powerful microwaves act on the water contained in the food being cooked, heating it efficiently.

[Iwao Ishijima]

Practical application of millimeter wave band

Around 1980, millimeter wave frequencies gradually became oscillating and low-noise amplification elements were developed, so the concept of microwaves came to include millimeter wave frequencies. Magnetrons and klystrons can be used up to about 40 gigahertz, but for frequencies above that, oscillators such as Gunn diodes, YIG, and IMPATT diodes, or large devices such as gyrotrons are required.

(1) Gunn diode. Invented in 1963 in the United States by the British John Battiscombe Gunn (1928-2008). A diode made of an n-type semiconductor using gallium arsenide (GaAs), it can oscillate up to 100 GHz. By multiplying this (converting it into an integer multiple by tuning it to a harmonic of the input frequency), it can be used up to about 150 GHz. An output of about 30 milliwatts can be obtained.

(2) YIG oscillator YIG stands for yttrium, iron, and garnet. When a small sphere is made from these materials and placed in a magnetic field, it oscillates at a high frequency. The oscillation frequency can be changed by the strength of the magnetic field, and it oscillates in the range of 3.6 GHz to 8.4 GHz. The output is about 30 milliwatts, and by multiplication, millimeter wave frequencies of 90 GHz to 105 GHz can be obtained.

Papers on the resonance of magnetized spherical ferrites related to YIG were published by JF Dillon Jr. in 1957 and by Fletcher and Bell in 1959, but the inventors are unclear. As of 2013, the product itself is produced and widely used in countries around the world, and is also used as an oscillator in mobile phones.

(3) IMPATT diode (impact ionization avalanche transit time diode). An oscillator that uses the electron avalanche phenomenon to produce negative resistance characteristics. Oscillation frequencies can range from 3 GHz to over 100 GHz, with high output ranging from several hundred milliwatts to several watts. The avalanche phenomenon was discovered by W. B. Shockley in 1954. Research into IMPATT diodes using this phenomenon was conducted by WT Read of Bell Laboratories in 1958, and it is said that CA Lee confirmed and completed the device in 1966.

(4) Gyrotron. Soviet researchers improved the performance of the Cyclotron-resonance maser (CRM) by using a magnetron injection gun (MIG) (around 1958), and succeeded in generating high-power microwaves using the motion of electrons rotating at high speed along a magnetic field as an energy source. Japan, the United States, the EU (European Union), China, South Korea, Russia, and India have cooperated to develop a powerful millimeter-wave high-power oscillator as the main heating device for the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), and it is currently being constructed in Cadarache in the south of France (scheduled for completion in 2019). The development goal is an oscillation frequency of 170 gigahertz and a maximum output of 2 megawatts. Research is also being conducted in various countries to miniaturize gyrotrons, and development of a device to propel rockets using powerful microwaves is also underway in Japan.

[Iwao Ishijima]

[References] | EHF | SHF | MLS | Radio waves | Microwave communication | Microwave therapy | UHF

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

電波を利用上の便宜から波長によって分類したものの一つ。波長の範囲はおおよそ1メートルから1ミリメートル、周波数では300メガヘルツから300ギガヘルツまでの電波の範囲をさすが、この範囲は国際電気通信連合（ITU）憲章の無線通信規則や国内法の電波法施行規則で決められたUHF（デシメートル波）、SHF（センチメートル波）、EHF（ミリメートル波）のすべてを含む帯域にあたる。つまりマイクロ波という分類は、これらの法規によって決められたものではなく、世界中の関係者によって1930年ころから呼び習わされてきたものなのである。

　超短波を上回る高い周波数の発振に成功し、通信回線の広帯域化、多重化を達成した研究者や技術者たちが、その晴れがましさから、この波長帯を表すには不適当な単位で命名し、誇り高くマイクロ波とよんでしまったものである。内外の文献でマイクロ波とよばれているのは、ほとんどがUHFからSHFの範囲であり、命名当時、EHF帯が実用になることは予想外であったと思われる。当時、実現できた最短の波長帯であったこの周波数帯は、あらゆる無線通信技術に応用された。一例を示せば、レーダー、マイクロ波着陸システム（MLS）、マイクロ波中継、放送番組中継、衛星通信、衛星放送、電波天文学、気象衛星、リモート・センシング（遠隔探査）、無線LANなどであり、利用可能な最高の周波数という意味でその名にふさわしい活躍ぶりである。なお、2012年（平成24）の総務省の文書では、3ギガヘルツから30ギガヘルツの範囲、すなわち、SHFに相当する範囲をマイクロ波とよんでいる。

［石島　巖］

マイクロ波電子管

送受信のアンテナも、指向性がよく効率も良好な八木‐宇田アンテナや小型のパラボラアンテナ（回転放物鏡アンテナ）が使用できるため、送信電力をあまり大きくする必要はない。これらの波長の利用を可能にした発振素子は、マグネトロン（磁電管）、クライストロン（速度変調管）、進行波管（TWT：traveling wave tube、またはTW管）などの電子管である。

　初歩的な二極マグネトロンはゼネラル・エレクトリック（GE）社のA・W・ハルによって1921年に発明され、実用になる多分割陽極型マグネトロンは東北帝国大学（現、東北大学）の岡部金治郎が1927年に発明した。この素子は3ギガヘルツから10ギガヘルツの発振に適し、強力なレーダーの送信パルス（船舶用は9375メガヘルツ）の発生に必需である。

　クライストロンはドイツのハイル夫妻（オスカーOskar Heil、1908―1994およびアグニェッサ・アルセーニェバAgnesa Arsenjewa Heil、1901―1991）によって1935年に発明された。この周波数帯における低電力、低雑音の連続波発振器として、レーダー受信部の局部発振器として重用された。その後、大型化に成功してマイクロ波中継回線用の送信機（1950～1960）として活躍したほか、テレビの中継放送局用のUHF送信機としても活躍した。

　TWTはイギリスのコンフナーRudolf Kompfner（1909―1977）が1943年に発明した。テレビ衛星中継（1960年代）における衛星側に搭載される低故障率の電子管として使用され、2010年代においても放送衛星に搭載される唯一の電子管として活躍している。

　電子レンジという調理器具はアメリカではマイクロウェーブとよばれる。その名のとおり電子レンジの熱の発生源は、マイクロ波を発生する数百ワットのマグネトロンである。電子レンジの周波数は世界的に2450メガヘルツが標準であるが、アメリカでは915メガヘルツが標準となっている。強力なマイクロ波が被調理食品に含まれる水に作用して効率よく加熱することができる。

［石島　巖］

ミリ波帯の実用化

1980年ころには、ミリ波帯の周波数もしだいに発振可能となり、低雑音の増幅素子も開発されるようになったので、マイクロ波という概念にはミリ波帯も含むようになってきた。40ギガヘルツ程度まではマグネトロンやクライストロンが使用できるが、それ以上になるとガンダイオード、YIG、インパットダイオードなどの発振器やジャイロトロンのような大型装置が必要になる。

(1)ガンダイオード　Gunn diode。イギリスのガンJohn Battiscombe Gunn（1928―2008）がアメリカで1963年に発明した。ヒ化ガリウム（ガリウムヒ素ともいう）GaAsを用いたn形半導体によるダイオードで、100ギガヘルツまでの発振が可能。これを逓倍(ていばい)（入力周波数の高調波に同調させることによって整数倍に変換すること）150ギガヘルツ程度まで使用できる。出力は30ミリワット程度が得られる。

(2)YIG発振器　YIGはイットリウムyttrium、鉄iron、ざくろ石garnetの略。これらの材料で小さな真球をつくり磁界のなかに置くと高い周波数で発振する。発振周波数を磁界の強さで変化させることができ、3.6ギガから8.4ギガヘルツの範囲で発振する。出力は30ミリワット程度であり、逓倍により90ギガから105ギガヘルツのミリ波の周波数が得られる。

　YIGに関連する磁化球形フェライトの共振についての論文が1957年にディロンJ. F. Dillon Jr. によって、また1959年にフレッチャーFletcherとベルBellによって発表されているが、発明者についてはさだかではない。2013年の時点では、製品自体は世界各国で生産され有効に普及しており、携帯電話の発振素子としても使用されている。

(3)インパットダイオード　IMPATT diode（impact ionization avalanche transit time diode）。電子雪崩(なだれ)現象を用いて負性抵抗特性を出現させる発振器である。発振周波数は3ギガから100ギガヘルツ以上が得られ、数百ミリワットのものから数ワットの大出力のものもある。アバランシェavalanche（雪崩）現象は1954年にW・B・ショックレーが発見。それを用いたインパットダイオードの研究が、1958年にベル研究所のリードW. T. Readによってなされ、1966年にリーC. A. Leeが確認し完成したとされている。

(4)ジャイロトロン　gyrotron。ソ連の研究者達がマグネトロンの入射電子銃（MIG：Magnetron Injection Gun）を使ってサイクロトロン・レゾナンス・メザー（CRM：Cyclotron-resonance maser）の性能を向上させた（1958年ころ）もので、磁場に沿って高速度で回転する電子の運動をエネルギー源として、大出力のマイクロ波を発生させることに成功した。国際熱核融合実験炉（ITER(イーター)：International Thermonuclear Experimental Reactor）の主加熱装置として、日本、アメリカ、EU（ヨーロッパ連合）、中国、韓国、ロシア、インドが協力して強力なミリ波帯の大電力発振器を開発し、フランス南部のカダラッシュに建設中である（2019年に完成の予定）。その開発の目標は、発振周波数170ギガヘルツ、最大出力2メガワットである。ジャイロトロンの小型化も各国で研究されており、強力なマイクロ波によってロケットを推進する装置の開発が日本においても進められている。

［石島　巖］

[参照項目] | EHF | SHF | MLS | 電波 | マイクロ波通信 | マイクロ波療法 | UHF

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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