מיקרוגל

הספקטרום האלקטרומגנטי. גלי קרינת מיקרו הם בעלי אורך גל הנע בין 1 מילימטר עד 1 מטר, ותדירות של 300 מגה-הרץ עד 300 גיגה-הרץ.

תנור מיקרוגל שימושו בקרינת המיקרו

גלי מיקרו הקרויים גם מיקרוגלים, הם גלים אלקטרומגנטיים בעלי אורך גל הנע בין 1 מילימטר עד 1 מטר, ותדירות של 300 מגה-הרץ עד 300 גיגה-הרץ. בתחומים הנדסיים מסוימים מקובלת הגדרה צרה במקצת של גבולות הספקטרום האלקטרומגנטי של מיקרוגלים, בין 1 גיגה-הרץ ל-300 גיגה-הרץ. רוב השימושים המעשיים של מיקרוגל נמצאים גם בהגדרה הצרה.

קרינת מיקרוגל היא קרינה בלתי מייננת ויש לה שימושים רבים בטכנולוגיה, בהם תנור מיקרוגל, טלפון סלולרי ומכ"ם. באסטרונומיה יש שימוש רב ברדיו-טלסקופ בתחום המיקרוגל, המאפשר כושר הפרדה טוב יותר משאר ספקטרום הרדיו, ומסוגל לעבור דרך ענני גז ואבק המסתירים אזורים רבי עניין בחלל, כגון חורים שחורים במרכזי גלקסיות.

הגדרה וסיווג

בשם "גלי מיקרו" מכונים גלים בעלי אורך גל בתחום שבין 1 מ"מ ל-30 ס"מ (תדירות של עד 300 גיגה הרץ). אולם, גבולות התחום המוזכרים לעיל שרירותיים למדי. לכן, בתחומים מדעיים והנדסיים שונים נעשית אבחנה שונה בין גל מיקרו לאור תת-אדום מרוחק ובין גל מיקרו לגל רדיו בתדירות אולטרה-גבוהה. כלומר, גל בעל אורך גל הקרוב ל-1 מ"מ יכול להחשב בתחום אחד לגל תת-אדום ובתחום אחר לגל רדיו בעל תדירות אולטרה-גבוהה.

נהוג לסווג את גלי המיקרו לשלושה תחומים לפי התדירויות שלהם (שקול לאורכי הגל שלהם):

• תדירות אולטרה-גבוהה, באנגלית: Ultra-High Frequency (UHF)‎, גלים שתדירותם בתחום 0.3–3 גיגה הרץ.
• תדירות סופר-גבוהה, באנגלית: Super High Frequency (SHF)‎, גלים שתדירותם בתחום 3–30 גיגה הרץ.
• תדירות גבוהה קיצונית, באנגלית: Extremely High Frequency (EHF)‎, גלים שתדירותם בתחום 30–300 ג'יגה הרץ.

באורכי גל קטנים ממילימטר, בליעת הקרינה האלקטרומגנטית על ידי אטמוספירת כדור הארץ היא כה גדולה עד כי נהוג לומר שהאטמוספירה אטומה לתדרים אלו. כלומר, גלים שמקורם בכוכבים אינם מסוגלים לחדור את האטמוספירה ולהגיע לכדור הארץ. האטמוספירה נעשית "שקופה" מחדש עבור גלים שתדירויותיהם מצויות במה שמכונה תת-אדום ו"החלון האופטי".

חלוקת משנה של התדרים בתחום המיקרוגל

גורמי תקינה שונים כ-IEEE, נאט"ו, FCC ו-Radio Society of Great Britain) RSGB) חילקו את תחום תדרי המיקרו למספר תתי-טווחים, לשימושים שונים. ההגדרות של הגופים השונים אמנם לא חופפות לחלוטין, אך ההבדלים ביניהן קטנים.

כינוי	תחום תדר	הרחבה
L	1–2 GHz	Long wave
S	2–4 GHz	Short wave
C	4–8 GHz	Compromise between S and X
X	8–12 GHz	ככל הנראה קיצור לכינוי של סימון המטרות במערכת לבקרת אש, אשר בעבר השתמשו בתחום זה.
Ku	12–18 GHz	Kurz-under
K	18–27 GHz	Kurz (בגרמנית: קצר)
Ka	27–40 GHz	Kurz-above
V	40–75 GHz	לפי RSGB, קיים תחום U המוגדר בין 40 ל-60. V מוגדר לרוב בין 50 ל-75
W	75–110 GHz
mm	110–300 GHz	‏IEEE מגדירים את תחום D בין 110 ל-170

יצירת גלי מיקרו

גלי מיקרו ניתן ליצור במספר דרכים, נהוג לחלק דרכים אלו לפי סוג המכשיר בו נעשה השימוש: מכשיר מצב מוצק או מכשיר מבוסס שפופרת ריק.

מכשירי מצב מוצק

מכשירי מצב מוצק מבוססים על מוליכים למחצה כמו צורן וגליום-ארסניד, ומכילים טרנזיסטורי FET‏, טרנזיסטורי BJT‏, דיודות גאן ודיודות IMPATT. לשם השגת מהירויות גבוהות יותר, פותחו טרנזיסטורים המותאמים במיוחד לשימושים הקשורים בגלי מיקרו. גרסה מותאמת של טרנזיסטור ה-BJT היא ה-heterojunction bipolar transistor‏ (HBT). גרסאות מותאמות של טרנזיסטור ה-FET כוללות את טרנזיסטורי ה-MESFET, ה-HEMT (נקרא גם HFET) וה-LMDOS.

ניתן לייצר גלי מיקרו באמצעות מעגלים משולבים הנקראים MMIC‏ (Monolithic Microwave Integrated Circuits). מעגלים אלה מיוצרים לרב תוך שימוש בפרוסות גליום-ארסניד, אך קיימת כיום מגמה של החלפת הגליום-ארסניד בצורן-גרמניום (שילוב של צורן וגרמניום) או צורן עם אילוח רב.

מכשירים מבוססי שפופרת ריק

מכשירים מבוססי שפופרות ריק פועלים בהסתמך על תנועתם הבליסטית של אלקטרונים בריק תחת השפעתם של שדות חשמליים או שדות מגנטיים. עם מכשירים אלו נמנים המגנטרון, שפופרת קלייסטרון, הגיירוטון ושפופרת הגל הנע (traveling wave tube או TWT). מכשירים אלו עובדים על ידי ויסות צפיפות ולא ויסות זרם. משמעות הדבר היא שפעולתם מתבססת על תעופה בליסטית של קבוצות אלקטרונים דרכם, ולא על מעברו של זרם אלקטרונים רציף.

שימושים בגלי מיקרו

מגדל תקשורת בגלי מיקרו

השימוש המוכר ביותר בגלי מיקרו כיום הוא בתנור המיקרוגל, מכשיר מטבח, המפעיל קרינת מיקרו לצורך חימום או בישול מזון. עם זאת, הטכנולוגיה של יצירת גלי מיקרו פותחה במקור לשימושים צבאיים, בעיקר מכ"ם לגילוי מיקום מטוסים. אורך הגל הקצר איפשר שידור אלומה צרה הדרושה לגילוי מדויק של הכיוון בו נמצא המטוס, עם אנטנה בגודל סביר לשימוש צבאי. טכנולוגיית המיקרוגל הייתה אחד היתרונות האסטרטגיים שהביאו לניצחון בעלות הברית במלחמת העולם השנייה.

גלי מיקרו עוברים בקלות יחסית דרך אטמוספירת כדור הארץ. היכולת ליצור אלומה מכוונת מאפשרת תקשורת נל"נ בין נקודות שביניהן יש קו ראייה, בניגוד לגלים בעלי אורכי גל ארוכים יותר המשמשים לשידור רדיו לא כיווני. כמו כן, ניתן ליצור אנטנות לא-כינווניות קטנות ויעילות לשידור וקליטה בתדרי מיקרוגל, אשר ניתנות לשימוש במכשירים ניידים. בנוסף, התחום הרחב של גלי מיקרו מאפשר איפנון של יותר ערוצי שידור ברוחב סרט קבוע מאשר בגלי הרדיו הארוכים יותר.

מסיבות אלו נעשה שימוש נרחב בגלי מיקרו לצורכי שידור והעברת מידע. לדוגמה:

• טלפונים אלחוטיים – מכשיר טלפון נייד המחובר בקשר אלחוטי אל בסיס המחובר לקו טלפון חוטי.
• Wi-Fi ובלוטות' (Bluetooth) – תקשורת נתונים לטווחים קצרים מבוססת על תדרי מיקרוגל בעוצמות נמוכות.
• מכ"ם (Radar) – העושה שימוש באלומה צרה של מיקרוגל לגילוי טווח, מהירות וכיוון של עצמים מרוחקים.
• טלוויזיה בכבלים ואינטרנט בכבלים – האות המועבר בכבל משתמש בתדירויות גלי המיקרו הנמוכות שעליהן מאופננים ערוצי טלוויזיה ותקשורת נתונים.
• טלפונים סלולריים עושים שימוש בתדירויות הנמוכות של גלי המיקרו לתקשורת עם תחנות בסיס.

ניתן לייצר אלומת מיקרוגל צרה מאוד באמצעות מייזר – מכשיר הדומה ללייזר אך פולט קרינה באורכי גל ארוכים יותר (מיקרוגל במקום אור).

היסטוריה ומחקר

קיומם של גלים אלקטרומגנטים נחזה לראשונה בשנת 1864 על ידי ג'יימס קלרק מקסוול, לאחר שניסח את המשוואות הקרויות כיום על שמו. הראשון שהוכיח ממש את קיומם של הגלים הללו היה היינריך רודולף הרץ, כאשר בשנת 1888 בנה מכשיר שייצר וגילה גלי מיקרו בתחום התא"ג (תדר אולטרה-גבוה, או UHF).

השימוש הראשון במינוח "מיקרוגל" נעשה כנראה בשנת 1931:

כשניסיונות עם אורכי גל באורכים קטנים עד כדי 18 ס"מ התפרסמו, הובעה הפתעה גלויה מכך שבעיית המיקרו-גל נפתרה מהר כל-כך.

— ג'ורנל הטלגרף והטלפון XVII‏, 179/1

השימוש הראשון במינוח, בהקשר אסטרונומי, נעשה, ככל הנראה, בשנת 1946 במאמרם של רוברט דיק ורוברט ברינגר, "קרינת מיקרוגל מהשמש והירח" ("Microwave Radiation from the Sun and Moon").

מחקר גלי המיקרו שזור במחקר תאוריית הקרינה האלקטרומגנטית מסיבות ברורות. היסטוריה נוספת בנוגע לתיאורית הקרינה האלקטרומגנטית ובייחוד חלקיה הקשורים לשימושים מודרניים בגלי מיקרו, ניתן לקרוא בערכי האישים שתרמו למחקר. הבולטים שביניהם:

• הנס כריסטיאן ארסטד
• ג'אגדיש צ'נדרה בוס
• מייקל פאראדיי
• ג'יימס קלרק מקסוול
• היינריך רודולף הרץ
• ניקולה טסלה
• גוליילמו מרקוני
• סמואל מורס
• ויליאם תומסון, כונה מאוחר יותר "לורד קלווין"
• אוליבר הביסייד
• ג'ון ויליאם סטראט ריילי
• אוליבר ג'וזף לודג'

בין המחקרים והעבודות שהתמקדו בגלי המיקרו ניתן למצוא:

• בארקהאוסן וקורץ – מתנד מבוסס טריודה בתדרי מיקרוגל
• אלברט האל – מגנטרון בעל אנודה מפוצלת
• האחים וריאן – קרן אלקטרונים מווסתת על ידי מהירות (שפופרת קלייסטרון)
• רנדל ובוט – מגנטרון חללים לתדרי מיקרוגל

השפעות בריאותיות

עם כניסתם של טלפונים סלולריים לשימוש נרחב בשנות ה-90 של המאה ה-20 הועלו חששות שחשיפה לגלי מיקרו, בעיקר מאנטנות סלולריות באזורים מאוכלסים בצפיפות, יכולה לגרום לבעיות בריאותיות קשות, כפי שנמצא בעבר במשדרים חזקים כגון מכ"ם צבאי. אולם למרות הגידול העצום בשימוש בטלפונים סלולריים בעולם כולו לאורך השנים, העלייה המשוערת בתפוצת מחלות אלו לא נצפתה בפועל.

גלי מיקרו בעוצמות נמוכות הנחשבות לבטוחות משמשים כיום במכשירים וטכנולוגיות בתפוצה נרחבת מאוד, כגון נקודות גישה לרשתות אלחוטיות, התקני בלוטות', גלאי מרחק במכוניות, ועוד.

בציבור הרחב נפוץ עדיין חשש מקרינת מיקרוגל שמקורה בטלפונים סלולריים ותנורי מיקרוגל. אף שגלי מיקרו הם קרינה בלתי-מייננת (כלומר אינם גורמים לשינויים כימיים כלשהם, שלא כמו אור על-סגול למשל), יש החוששים שהשפעתם הפיזיקלית (בפרט, חימום חומרים אורגניים) עשויה לגרום לנזקים כתוצאה ממנגנונים שלא התגלו עדיין. משרד הבריאות בישראל, כמו רשויות בריאות במדינות רבות בעולם, מפרסם הנחיות בטיחות הנוגעות לקרינת מיקרוגל מטלפונים סלולריים. גם חברות הסלולר הישראליות מפרסמות מידע בנושא זה.

ראו גם

• Ku-band
• תנור מיקרוגל

קישורים חיצוניים

• גליליאו צעיר, ‏הגל של המיקרו, באתר "הידען", 19 ביולי 2017
• מיקרוגלים, דף שער בספרייה הלאומית