Mikrouhinak irrati-uhinen maiztasun tartearen (3 Hz eta 300 GHz) barruan daude, eta barne hartzen ditu UHF (ultra-high frequency, 0,3-3 GHz), SHF (super-high frequency, 3-30 GHz) eta EHF (extremely-high frequency, 30-300 GHz) maiztasun-bandak. Definizio hau nahiko zabala da, eta badaude bestelako definizio murriztaileagoak. Nolanahi ere, guztiek hartzen dute barnean gutxienez SHF banda osoa. Uhin infragorrien, terahertz erradiazioaren, mikrouhinen eta irrati-uhin luzeen arteko mugak arbitrarioak dira, eta desberdinak izan daitezke ezagutza-arlo batetik bestera.
Mikrouhin hitzaren "mikro-" aurrizkiak ez du esan nahi mikrometroen ordenako uhin-luzera dutenik edo oso txikia denik, baizik eta beren uhin-luzera txikiagoa dela irrati komunikaziorako erabili ohi diren irrati-uhin luzeen aldean. Aitzitik, espektro elektromagnetikoaren barruan mikrouhinen uhin-luzera ez da hain txikia ere; uhin-luzera txikiagoa dute infragorriek, argi ikusgaiak, ultramoreek, X izpiek eta gamma izpiek.
Mikrouhinek 1,24 meV eta 1,24 µeV arteko energia dute. Energia hori ez da aski lotura kimiko bat hausteko, hau da, ez da gai substantzia batean ionizazio bidez aldaketa kimikoa eragiteko. Horregatik, erradiazio ez ionizatzaileen barruan daude mikrouhinak.
1888an, Heinrich Hertzek irrati-uhinen existentzia frogatu zuen, txinparta elektriko bidezko irrati transmisorea eraikitzean, zeinak 450 MHzko mikrouhinak sortu baitzituen. Saiakeran erabilitako tresneria oso sinplea eta oinarrizkoa zen: aska bat, txinparta elektrikorako burdinurtuzko punta bat eta Leyden ontzi bat. Lehenbiziko antena parabolikoa ere erabili zuen horretarako, erreten batetatik hartutako zink xaflekin egindakoa.
1894an, Jagadish Chandra Bose zientzialari indiarrak mikrouhinen erabileraren lehenbiziko erakustaldi publikoa egin zuen, urruneko kanpai bat joarazi eta bolbora karga bat leherrarazteko, milimetrotako uhin-luzeradun uhinen bidez.[3] Ondorengo urteetan, uhin elektromagnetikoei buruzko ikerketak egiten jarraitu zuen. Handik gutxira iritsiko ziren Aleksandr Popoven eta Marconiren esperimentuak eta aurrerakuntzak, zeintzuei esker asmatu baitzen irratia.
Askorik ez bada ere, beren tenperaturaren arabera objetu bero guztiek igortzen dituzte mikrouhinak, eta meteorologian eta mikrouhin-radiometroetan urruneko objektuen tenperatura neurtzeko erabiltzen dira. Eguzkiak eta beste iturri astronomiko batzuek mikrouhinak igortzen dituzte intentsitate txikian, baina oso baliagarriak dira astronomian, informazio asko ematen baitute.
Magnetroi bat zeharka ebakita eta barrualdea agerian duela. Mikrouhin labeek magnetroia erabiltzen dute mikrouhinak sortzeko.
Aipagarria da hondoko mikrouhinen erradiazio kosmikoa, intentsitate oso txikiko seinalea, baina unibetso osoa bustitzen duena eta unibertsoaren sorrerari buruzko Big Bang teoriaren frogatzat hartzen dena.
Artifizialak
Potentzia handiko mikrouhin iturriek balbula termoioniko espezializatuak erabiltzen dituzte mikrouhinak sortzeko. Gailu hauek, eremu elektrikoen edo magnetikoen kontrolpean, hutsean elektroien mugimenduan oinarritzen dira; gailu horien artean daude magnetroia (mikrouhin labeek erabiltzen dutena), klistroia, TWT hodiak (uhin progresiboko hodiak) eta girotroia.
Maserrak, laserraren antzeko printzipioak erabiliz, mikrouhinak anplifikatzen ditu. Hainbat mota daude, balbula termoionikoekin funtzionatzen dutenak edo teknologia solidoz dabiltzanak. Gailu hauek dentsitate modulatu moduan funtzionatzen dute gehiago, korronte modulatu moduan baino.
Bluetooth-ak eta Wi-Fi-ak mikrouhinen bidez funtzionatzen dute.
Zuntz optikoaren erabileraren aurretik, urruneko telefono-dei gehienak mikrouhin seinaleak hedatzen zituzten irrati-errepikagailuen bidez egiten ziren.
IEEE 802.11 estandarra eta Bluetooth-a bezalako haririk gabeko LAN protokoloek 2,4 GHz-ko mikrouhinak erabiltzen dituzte ISM bandan, nahiz eta 802.11a-k U-NII maiztasunak erabiltzen dituen 5 GHz inguruan.
MAN protokoloak (adibidez, WiMAX) IEEE 802.16 bezalako estandarretan oinarritzen dira, 20-11 GHz artean lan egiteko diseinatuta dagoena. Inplementazio komertzialak 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz eta 5,8 GHz-ko maiztasunetan daude.
Banda zabal mugikorraren (igelesez MBWA, Mobile Broadband Wireless Access) protokoloak IEEE 802.20 estandarrean oinarritzen dira eta 1,6-2,3 GHz artean egiten dute lan.
Irratia bezalako telekomunikazio transmisioetan mikrouhinak erabiltzen dira zeren, beren uhin-luzera laburra dela eta, antena direkzionalen kasuan uhin-luzera handigoekin beharko liratekeen baino antena txikiagoak eta erabil baitaitezke. Gainera, mikrouhinen espektroan banda zabalera gehiago dago gainerako irrati-espektroan baino.
Satelite bidezko komunikaziokazio sistema gehienek C, X, Ka edo Ku bandetan egiten dute lan. Maiztasun horiek banda zabalera handia ematen dute, UHF maiztasun erabilienak eta atmosferak xurgatzen dituen EHF maiztasunak saihestuz. Satelite bidezko telebistak C edo Ku bandetan egiten du lan.
Radarrak mikrouhinak igortzen ditu, uhinak objetu bat jo eta radarrera itzultzen da oihartzun bat bezala. Radarrak bueltan datorren uhina neurtzen du.
Radarra
Radarrak mikrouhinak erabiltzen ditu urruneko objetuen tamaina, abiadura eta bestelako ezaugarriak antzemateko. Radarraren garapena Bigarren Mundu Gerran indartu zen, jarduera militarrean zuen baliagarritasun handia zela eta. Gaur egun, radarrak beste aplikazio asko ditu, hala nola hegazkin trafikoaren kontrola, eguraldi iragarpena, itsasontzien nabigazioa eta errepideetan autoen abiadura neurketa.
Radarraren beste aplikazio bat ate automatikoena da; noiz zabaldu behar duen jakiteko detektore moduan Gunn diodo bat erabiltzen da.
Irrati-astronomian batez ere mikrouhinak erabiltzen dira unibertsoko objektuak aztertzeko, eta mikrouhin igorpen naturala duten objektuak aztertzen dira. Irrati-astronomiari esker beste uhin-luzera batzuetan nekez ikus daitezkeen hainbat objetu azter daitezke, hala nola irrati galaxiak, quasarrak, pulsarrak eta maser astrofisikoak; eta beste uhin-luzeretan ikus daitezkeen izar eta galaxien informazio gehigarria ere ematen du. Irrati-astronomiaren abantailetako bat zera da, irrati-uhinek, maiztasun tarte jakin batean (tartean mikrouhinen zati handi batek), ia inolako oztoporik gabe zeharkatzen dutela Lurreko atmosfera, eta lurrazaletik azter daitekeela unibertsoa. Beste uhin-luzera batzuentzat, aldiz, atmosfera ia opakua da, adibidez ultramoreentzat; unibertsoa ultramorean aztertu ahal izateko ezinbestekoa da atmosferatik kanpo (edo atmosferako kanpoko geruzetan) orbitan teleskopioak ipintzea.
Diagrama honek Lurreko atmosferak daukan erradiazio elektromagnetikoaren xurgapen gradua edo opakutasuna agertzen du, uhin-luzeraren menpe.
Zehazki, 20 GHz arte atmosfera mikrouhinentzat erabat gardena da, eta hortik aurrera maiztasuna handitu heinean gardentasuna galtzen du, hasieran erradiazioa ur lurrunak xurgatzen duelako eta maiztasun handiagoetan oxigenoak; maiztasun jakin batzuetan xurgapena handiagoa da (ikus eskuineko irudia), eta 100 GHz inguruan xurgapena hain da handia, ezen guztiz opakua baita infragorrien eta argi ikusgaiaren maiztasunetara heldu arte.
Irrati-teleskopio gisa antena handiak erabili ohi dira. Hauek bakarka erabil daitezke edo hainbat antena elkar lotuz, interferometria izeneko teknikaren bidez. Interferometriari esker zehaztasun handiko informazioa bil daiteke.[4]
Radar astronomia gertuko objektu astronomikoak objektu hauen mikrouhinak islatuz eta oihartzunak aztertuz behatzeko teknika bat da. Ez du balio Eguzki-sistemaz kanpoko objetuak aztertzeko. Radar astronomia eta irrati astronomiaren arteko ezberdintasuna lehena behaketa aktibo bat dela da, seinaleak igorriz eta jasoz, bigarrena pasiboa den bitartean, soilik seinaleak jasoz. Radar igorpena pultsatua edo jarraitua izan daiteke.
Radar astronomia Eguzki-sistemari buruzko ikerketa mota askotarako erabili izan da, hala nola Ilargirainoko distantzia neurtzeko edo Artizarraren alde estalia aztertzeko.
GPS sarearen 24 sateliteak Lurraren inguruan. Animazioan, uneoro lurrazaleko puntu jakin bat aldiberean ikusten duen satelite kopurua agertzen da.
Satelite bidezko nabigazio sistemak
GNSS (Global Navigation Satellite Systems; euskaraz, satelite bidezko nabigazio sistema globala) satelite sare baten bidez munduko edozein puntutan momentuko kokapena ematen diguten sistemak dira, lurrazalean, itsasoan nahiz airean. Sistema hauek, orbitan dauden satelite artifizialetatik jasotako mikrouhin seinaleei esker, puntu baten koordenatu geografikoak eta garaiera doitasun handiz zehaztea ahalbidetzen du, edozein une eta eguraldi baldintzatan. Hasiera batean aplikazio militarrerako sortu baziren ere, gaur egun batez ere nabigaziorako eta garraiorako erabiltzen dira, baina baita beste hainbat esparrutan ere, adibidez topografian eta geodesian.
Sistema horien artean honakoak daude: GPS (American Global Positioning System; euskaraz, Kokapen Sistema Globala), Errusiako GLONASS eta Txinako BeiDou. Horiez gain, Galileo sistema europarra aurki ipiniko da martxan.
Sistema horiek guztiek 1,2 GHz eta 1,6 GHz arteko maiztasuneko mikrouhinekin egiten dute lan.
Bero eta energia aplikazioak
Aplikazio ezagunena mikrouhin labea da. Mikrouhin labeak 2,45 GHz inguruko maiztasuneko mikrouhinak igortzen ditu, eta elikagaien barneko ura (eta maila apalagoan gantza ere bai) berotuz. Urak mikrouhinen energia xurgatzen du: ur molekulak polarizatuta daude eta eremu elektromagnetiko aldakorrarekin bat orientatzeko joera du, bibrazioa sortuz. Likido egoeran dagoen urak 2,45 GHzko maiztasun horretan du energia xurgapen handiena, ur lurrunak aldiz 22 GHztan.[5]
1970ko hamarkadan, mikrouhin labea etxetresna arrunta bihurtu zen mendebaldeko herrialdeetako sukaldeetan.
Bestalde, mikrouhin bidezko berotzea industrian ere erabiltzen da, produktuen lehortze eta ontze prozesuetan. Erdieroaleen prozesaketa teknika askok mikrouhinak erabiltzen dituzte plasma sortzeko, adibidez grabatze ioniko erreaktiborako.
Erreaktore termonuklearretan (batez ere Tokamak motakoetan, baina baita stellarator motakoetan ere) 110 GHz eta 140 GHz arteko maiztasuneko mikrouhinak erabiltzen dira erregaia plasma egoraraino berotzen laguntzeko. ITER erreaktoreak 110 GHz eta 170 GHz arteko mikrouhinak izago ditu.
Arma ez hilgarri gisa ere badute aplikazioa: milimetrotako uhinak erabiliz pertsonen larruazaleko kanpoaldeko geruza mehe bat tenperatura jasanezin bat arte berotu eta pertsona hori urrunarazteko. 95 GHztan bi segundoko uhin-sorta batek larruazala 54 °C-raino berotzen du 0,4 mmko sakoneran. Gaur egun, AEBetako aireko eta itsas armadek erabiltzen dute arma mota hau.[6][7]
Mikrouhin-erradiazioa elektroi-espin erresonantzian (edo erresonantzia paramagnetikoa elektronikoa; ingelesezko siglak: EPR edo ESR) erabiltzen da X bandan (~ 9 GHz), 0,3 T-ko eremu magnetikoekin batera. Teknika honek sistema kimikoetan pareak osatzen ez dituzten elektroiei buruzko informazioa ematen du, adibidez erradikal libreei buruz edo trantsizio-metaletako ioiei buruz. Mikrouhin-erradiazioa errotazio-espektroskopia burutzeko ere erabiltzen da, eta elektrokimikarekin konbina daiteke.
Seinaleen interferentziak saihesteko eta irrati espektroaren erabilera eraginkorra ahalbidetzeko, antzeko erabilera duten zerbitzuei bandak esleitzen zaizkie. Adibidez, irrati-hedabideei, irrati mugikorrei edo nabigazio-sistemei, gainjarriko ez diren maiztasun-tarteak ematen zaizkie.
Banden erabilera Telekomunikazioen Batasun Internazionalak (ingelesez ITU, International Telecommunication Union) arautzen du, eta leku batetik bestera desberdina izan daiteke.
Mikrouhinen maiztasuna bai teknika elektronikoekin bai mekanikoekin neur daiteke.
Maiztasun kontagailuak edo maiztasun altuko heterodino sistemak erabil daitezke. Ezagutzen ez dugun maiztasuna, maiztasun baxuago baten harmonikoekin alderatzen da, maiztasun baxuko sorgailu bat, harmoniko-sorgailu bat eta nahasgailu bat erabiliz. Neurketaren zehaztasuna erreferentzia moduan erebili dugun maiztasunaren zehaztasunaren eta egonkortasunaren menpekoa da.
Metodo mekanikoek erresonagailu sintonizagarri bat behar dute, xurgatze-uhinmetro bat, esaterako, zeinak dimentsio fisikoaren eta maiztasunaren arteko erlazio ezaguna baitu.
Laborategiko baldintzatan, Lecher lerroak erabil daitezke metalezko hariz eginiko transimisio lerro batean zuzenean uhin-luzera kalkulatzeko, eta hortik maiztasuna kalkula daiteke. Antzeko teknika bat izango litzateke artekatutako uhin-gida bat erabiltzea.
Mikrouhinak erradiazio ez ionizatzaileak direnez ez dira gai aldaketa kimikoak eragiteko. "Erradiazio" hitzak ez du zerikusirik erradiaktibitatearekin, erradiazio elektromagnetikoarekin baizik. Denbora luzean zehar mikrouhinen pean egoteak ondorio kaltegarriak dituela dioten ikerketak badaude ere (zenbait ikerketak minbizia eragin dezaketela diote), ez dago froga sendorik intentsitate baxuan mikrouhinek osasunean efektu kaltegarri nabarmenik eragiten dutenik.[8][9][10]
Guztiz bestelako kontua da intentsitate handiko erradiaziopean egotea, berotzea eta erredurak eragin baititzake, beste edozein bero iturrik bezala. Mikrouhinen erradiazioak begi-lausoa sor dezake, begiko kristalinoa berotuz gero proteinakdesnaturalizatu egiten baitira, opakotuz (arrautza egostean beroak zuringoa opakotzen duen era berean); begiko lenteak eta kornea bereziki sentiberak dira beroaren aurrean, ez baitute beroa garraituko duen odol-hodirik. Intentsitate oso altuen esposizioak (atea irekita funtzionatzeko prestatuta dauden mikrouhin labeak erabiltzean, adibidez) gorputzeko beste ehun batzuetan ere lesioak eragin ditzake, erredura larrietaraino. Erredurez berehala ez konturatzea gerta liteke, mikrouhinek barneko ehun urtsuenak berotzeko duten joera dela eta.
