Micro-ondas

Bandas de frequência

As bandas de frequência das micro-ondas recebem designações por letras. Há sistemas de nomenclatura incompatíveis entre si e, mesmo dentro de um único sistema, os intervalos de frequência de algumas letras variam um pouco conforme a aplicação. O sistema de letras surgiu durante a Segunda Guerra Mundial, em uma classificação ultrassecreta dos Estados Unidos para as bandas usadas em radares. Dele vieram as bandas de radar do IEEE, o mais antigo desses sistemas. A tabela apresenta um conjunto de designações de bandas de micro-ondas da Radio Society of Great Britain, ou RSGB.

Existem outras definições, como a que situa o limite inferior da banda K_a em 26 GHz.

A designação banda P às vezes é usada para frequências UHF abaixo da banda L, mas está obsoleta na norma IEEE 521.

Quando os primeiros radares de banda K foram desenvolvidos, durante a Segunda Guerra Mundial, ainda não se conhecia a faixa de absorção próxima, causada sobretudo pela absorção do vapor de água em torno de 22 GHz. Para evitar esse problema, a banda K original foi dividida em uma banda inferior, K_u, e outra superior, K_a.

Tropodifusão

Quando um feixe de micro-ondas é direcionado obliquamente para o céu, uma pequena parte de sua potência se dispersa aleatoriamente ao atravessar a troposfera. Um receptor sensível além do horizonte, com uma antena de alto ganho apontada para essa região da troposfera, pode captar o sinal. Essa técnica é usada em sistemas de tropodifusão, em frequências entre 0,45 e 5 GHz, para estabelecer comunicações além do horizonte a distâncias de até 300 km.

Comunicação

Antes da transmissão por fibra óptica, a maioria das chamadas telefônicas de longa distância passava por redes de enlaces de micro-ondas de operadoras como a AT&T Long Lines. Desde o início da década de 1950, a multiplexação por divisão de frequência permitia enviar até 5.400 canais telefônicos em cada canal de rádio de micro-ondas. Até dez canais de rádio podiam ser combinados em uma antena para alcançar a próxima estação, a até 70 km.

Protocolos de redes sem fio, como Bluetooth e as especificações 802.11 do IEEE, usadas pelo Wi-Fi, também usam micro-ondas na faixa ISM de 2,4 GHz. O padrão 802.11a usa as faixas ISM e U-NII em torno de 5 GHz. Em países que permitem seu uso, serviços licenciados de acesso à internet sem fio de longo alcance, de até cerca de 25 km, usam a faixa de 3,5 a 4,0 GHz. Nos Estados Unidos, a Comissão Federal de Comunicações, ou FCC, abriu a faixa de 3.650 a 3.700 MHz para banda larga terrestre sem fio em 2005. Os pedidos de licenças nacionais não exclusivas começaram a ser aceitos em 15 de novembro de 2007. Esse regime permitiu a entrada de prestadores de serviços na faixa e a oferta de alternativas de conexão, inclusive com WiMAX.

Protocolos de redes de área metropolitana, ou MAN, como o WiMAX, sigla de Worldwide Interoperability for Microwave Access, seguem normas como a IEEE 802.16, projetada para operar entre 2 e 11 GHz. As implementações comerciais usam as faixas de 2,3, 2,5, 3,5 e 5,8 GHz.

Protocolos de acesso móvel sem fio em banda larga, ou MBWA, baseados em normas como IEEE 802.20 ou ATIS/ANSI HC-SDMA, usada pelo iBurst, operam entre 1,6 e 2,3 GHz. Oferecem mobilidade e penetração em edifícios semelhantes às da telefonia celular, com eficiência espectral muito maior.

Algumas redes de telefonia celular, como o GSM, usam frequências na parte inferior das micro-ondas e superior da UHF, em torno de 1,8 e 1,9 GHz. O DVB-SH foi projetado para frequências abaixo de 3 GHz, em geral na banda S. O S-DMB sul-coreano usava de 2,630 a 2,655 GHz para transmitir aos terminais. Nos Estados Unidos, os sistemas proprietários e incompatíveis de rádio por satélite usam cerca de 2,3 GHz para o serviço de rádio digital por áudio, ou DARS.

As micro-ondas são usadas em transmissões de telecomunicações ponto a ponto porque seu pequeno comprimento de onda permite fabricar antenas altamente direcionais menores e mais práticas que as necessárias para comprimentos de onda maiores. A faixa de micro-ondas também oferece mais largura de banda que o restante do espectro de rádio. A largura de banda utilizável abaixo de 300 MHz é inferior a 300 MHz, enquanto acima dessa frequência há muitos gigahertz disponíveis. Em coberturas externas de notícias ou eventos esportivos, as micro-ondas costumam transmitir o sinal de uma unidade móvel equipada para esse fim até uma emissora de televisão. Essas aplicações abrangem os serviços auxiliares de radiodifusão, ou BAS, as unidades de captação remota, ou RPU, e os enlaces entre estúdio e transmissor, ou STL.

A maioria dos sistemas de comunicação por satélite opera nas bandas C, X, K_a ou K_u. Essas frequências oferecem grande largura de banda, evitam as frequências UHF congestionadas e ficam abaixo das frequências EHF mais afetadas pela absorção atmosférica. A televisão por satélite usa a banda C no serviço fixo tradicional, com antenas de grande diâmetro, ou a banda K_u na transmissão direta ao público. As comunicações militares usam principalmente enlaces nas bandas X ou K_u. O sistema Milstar usa a banda K_a.

As frequências mais baixas dessa faixa também são usadas em transmissões por cabo coaxial. Nas redes híbridas de fibra óptica e cabo coaxial, o sinal óptico é convertido em radiofrequência para levar os dados até o modem do assinante. O padrão DOCSIS 3.1 utiliza espectro até cerca de 1,2 GHz.

Navegação

Os sistemas globais de navegação por satélite, ou GNSS, como o chinês BeiDou, o norte-americano GPS, introduzido em 1978, e o russo GLONASS, transmitem sinais de navegação em bandas entre cerca de 1,2 e 1,6 GHz.

Radar

O radar é uma técnica de radiolocalização em que um feixe de ondas de rádio emitido por um transmissor é refletido por um objeto e retorna a um receptor. Isso permite determinar a posição, a distância, a velocidade e outras características do objeto. O pequeno comprimento de onda das micro-ondas favorece reflexões intensas em objetos do tamanho de veículos, navios e aeronaves. Nessas frequências, antenas de alto ganho, como as parabólicas, podem ser pequenas o suficiente para girar rapidamente em busca de objetos e ainda produzir os feixes estreitos necessários para localizá-los com precisão. Por isso, as micro-ondas são as frequências mais usadas em radares. Suas aplicações abrangem controle de tráfego aéreo, previsão do tempo, navegação de embarcações e fiscalização de limites de velocidade. Radares de longo alcance usam as frequências mais baixas das micro-ondas, pois a absorção atmosférica nas frequências mais altas limita o alcance. As ondas milimétricas são usadas em radares de curto alcance, como os de sistemas anticolisão.

Parte das antenas parabólicas do ALMA, radiotelescópio no norte do Chile com receptores para bandas de ondas milimétricas e submilimétricas entre 35 e 950 GHz.

Mapas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, com a melhora de resolução obtida pelo aperfeiçoamento dos radiotelescópios de micro-ondas.

Radioastronomia

As micro-ondas emitidas por fontes de rádio astronômicas, como planetas, estrelas, galáxias e nebulosas, são estudadas pela radioastronomia com grandes antenas parabólicas chamadas radiotelescópios. Esses instrumentos recebem emissões naturais de micro-ondas e também são usados em experimentos ativos de radar, que enviam micro-ondas para serem refletidas por corpos do Sistema Solar. Com essa técnica é possível medir a distância até a Lua ou mapear a superfície de Vênus, oculta por nuvens.

O Atacama Large Millimeter Array, ou ALMA, foi inaugurado em 13 de março de 2013. Instalado a cerca de 5.000 m de altitude no Chile, observa o Universo em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos. Com 66 antenas, foi construído em uma colaboração internacional entre a Europa, a América do Norte, o Leste Asiático e o Chile. Em sua inauguração, era o maior projeto astronômico terrestre.

O mapeamento da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, descoberta em 1964 pelos radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson, tornou-se uma das linhas de trabalho da radioastronomia de micro-ondas. A missão WMAP, por exemplo, produziu mapas detalhados dessa radiação no início do século XXI. Esse fraco fundo de radiação preenche o Universo e tem intensidade quase igual em todas as direções. É uma radiação remanescente do Big Bang e uma das poucas fontes de informação sobre as condições do Universo primordial. A expansão e o resfriamento do Universo deslocaram essa radiação, originalmente muito energética, para a região de micro-ondas do espectro de rádio. Radiotelescópios suficientemente sensíveis podem captá-la como um sinal fraco que não vem de uma estrela, galáxia ou outro objeto específico.

Aquecimento e aplicações de potência

Um forno de micro-ondas faz passar pelos alimentos radiação com frequência próxima de 2,45 GHz. Isso produz aquecimento dielétrico, principalmente pela absorção de energia pela água. Esses fornos se tornaram aparelhos de cozinha comuns nos países ocidentais no fim da década de 1970, após o desenvolvimento de magnétrons de cavidade mais baratos. Na água líquida, os dipolos moleculares tentam acompanhar as mudanças do campo elétrico. O atraso dessa resposta dissipa energia como calor, por relaxação dielétrica. A frequência de 2,45 GHz permite que a energia penetre no alimento antes de ser absorvida, sem coincidir com o máximo de perdas dielétricas da água.

O aquecimento por micro-ondas é usado em processos industriais de secagem e cura de produtos.

Muitas técnicas de fabricação de dispositivos semicondutores usam micro-ondas para gerar plasma, empregado em processos como a corrosão por íons reativos e a deposição química em fase vapor assistida por plasma, ou PECVD.

As micro-ondas são usadas em reatores experimentais de fusão do tipo stellarator e tokamak para ajudar a ionizar o gás, formar o plasma e aquecê-lo a temperaturas muito altas. A frequência é ajustada à ressonância ciclotrônica dos elétrons no campo magnético, entre 2 e 200 GHz. Por isso, o processo costuma ser chamado de aquecimento por ressonância ciclotrônica de elétrons, ou ECRH. O plano revisto em 2024 para o reator termonuclear ITER prevê aquecimento por micro-ondas a 170 GHz, com 40 MW na fase inicial de operação e até 67 MW nas fases seguintes.

As micro-ondas podem transmitir energia a longas distâncias. Após a Segunda Guerra Mundial, foram feitas pesquisas sobre essa possibilidade. Nas décadas de 1970 e 1980, a NASA estudou sistemas de satélites de energia solar, com grandes conjuntos de painéis solares que enviariam energia à superfície terrestre por feixes de micro-ondas.

Há armas não letais que usam ondas milimétricas para aquecer uma fina camada da pele humana até uma temperatura intolerável e fazer a pessoa atingida se afastar. Um pulso de dois segundos de um feixe concentrado de 95 GHz aquece a pele a 54 °C, a uma profundidade de 0,4 mm. Essa tecnologia foi desenvolvida para sistemas de negação ativa, inclusive em versões destinadas à proteção de instalações.

Pulsos de micro-ondas de alta potência também são usados em sistemas experimentais para desativar drones. Em 5 de abril de 2023, o protótipo THOR derrubou drones de um enxame durante uma demonstração do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos, na Base Aérea de Kirtland.

Espectroscopia

A radiação de micro-ondas é usada na espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica, conhecida pelas siglas EPR e ESR. Em geral, empregam-se frequências da banda X, próximas de 9 GHz, com campos magnéticos de 0,3 T. A técnica fornece informações sobre elétrons desemparelhados em sistemas químicos, como radicais livres ou íons de metais de transição, a exemplo do Cu²⁺. As micro-ondas também são usadas na espectroscopia rotacional e podem ser combinadas com a eletroquímica, em processos de eletroquímica assistida por micro-ondas.

Óptica hertziana

As micro-ondas foram geradas pela primeira vez na década de 1890, em alguns dos primeiros experimentos com ondas de rádio. Os físicos que as estudavam as entendiam como uma forma de "luz invisível". Em sua teoria do eletromagnetismo de 1873, formulada nas equações de Maxwell, James Clerk Maxwell previu que um campo elétrico e um campo magnético acoplados poderiam se propagar pelo espaço como uma onda eletromagnética. Ele também propôs que a luz era composta de ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda.^:832 Em 1888, o físico Heinrich Hertz comprovou pela primeira vez a existência dessas ondas, ao gerar ondas de rádio com um transmissor de faísca rudimentar.^:830

Hertz e os primeiros pesquisadores do rádio queriam explorar as semelhanças entre as ondas de rádio e a luz para testar a teoria de Maxwell. Concentraram-se em produzir ondas curtas nas faixas UHF e de micro-ondas, com as quais podiam repetir experimentos clássicos de óptica em laboratório. Usavam componentes quase ópticos, como prismas e lentes de parafina, enxofre e breu, além de redes de difração feitas de fios, para refratar e difratar ondas de rádio como raios de luz. Hertz usou frequências próximas do limiar das micro-ondas, de 50, 100 e 430 MHz.^:831 Seu transmissor direcional de 430 MHz tinha uma antena dipolo de haste de latão de 26 cm, com um centelhador entre as extremidades, suspensa na linha focal de uma antena parabólica feita de uma chapa curva de zinco. Pulsos de alta tensão de uma bobina de indução alimentavam o conjunto.^:845 Seus experimentos comprovaram que as ondas de rádio apresentavam refração, difração, polarização, interferência e ondas estacionárias, como a luz.^:845–846 Com isso, ficou comprovado que as ondas de rádio e a luz eram formas das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell. Hertz também fez experimentos com linhas de transmissão de fios abertos e coaxiais.^:841

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  Transmissor de faísca de 430 MHz de Heinrich Hertz, de 1888, com dipolo de 23 cm e centelhador no foco de um refletor parabólico.
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  Em 1894, Jagadish Chandra Bose foi o primeiro a produzir ondas milimétricas. Seu oscilador de faísca, dentro da caixa à direita, gerava ondas de 60 GHz, ou 5 mm, com ressonadores de esferas metálicas de 3 mm.
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  Oscilador de faísca com esferas de 3 mm usado por Bose para gerar ondas de 60 GHz.
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  Experimento de espectroscopia de micro-ondas de John Ambrose Fleming, de 1897, com refração de micro-ondas de 1,4 GHz por um prisma de parafina, repetindo experimentos anteriores de Bose e Righi.
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  Oscilador de faísca e receptor de 12 GHz de Augusto Righi, de 1895.
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  Esfera osciladora de 12,7 cm usada por Oliver Lodge para gerar micro-ondas de 1,2 GHz em 1894.
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  Transmissor de faísca de micro-ondas de 1,2 GHz, à esquerda, e receptor com coesor, à direita, usados por Guglielmo Marconi em seus experimentos de 1895, com alcance de 6,5 km.

A partir de 1894, Jagadish Chandra Bose realizou os primeiros experimentos com micro-ondas. Foi o primeiro a produzir ondas milimétricas, com frequências de até 60 GHz, ou 5 mm, usando um oscilador de faísca com esferas metálicas de 3 mm. Bose também inventou guias de ondas, antenas de corneta e detectores de cristal semicondutor para seus experimentos. De forma independente, em 1894, Oliver Lodge e Augusto Righi fizeram experimentos com micro-ondas de 1,5 e 12 GHz, respectivamente, geradas por pequenos ressonadores de faísca com esferas metálicas. Em 1895, o físico russo Pyotr Lebedev gerou ondas milimétricas de 50 GHz. Em 1897, Lorde Rayleigh resolveu o problema de valor de contorno das ondas eletromagnéticas que se propagam em tubos condutores e hastes dielétricas de forma arbitrária. A solução permitiu determinar os modos e a frequência de corte das micro-ondas que se propagam em um guia de ondas.

Como as micro-ondas se propagavam em linha de visada, não permitiam a comunicação além do horizonte visual. A baixa potência dos transmissores de faísca também restringia seu alcance prático a poucos quilômetros. Após 1896, o desenvolvimento das radiocomunicações passou a empregar frequências mais baixas, que podiam ultrapassar o horizonte por ondas de superfície e por reflexão na ionosfera. As frequências de micro-ondas deixaram de ser exploradas nessa fase.

Primeiros experimentos de comunicação por micro-ondas

O uso prático das micro-ondas só se tornou possível nas décadas de 1940 e 1950, por falta de fontes adequadas. Os osciladores eletrônicos com válvulas tríodo, usados nos transmissores de rádio, não conseguiam produzir frequências acima de algumas centenas de megahertz devido ao tempo de trânsito dos elétrons e à capacitância entre os eletrodos. Na década de 1930, já haviam sido desenvolvidas as primeiras válvulas de micro-ondas de baixa potência baseadas em novos princípios, como a válvula de Barkhausen–Kurz e o magnétron de ânodo dividido.^:849–850 Elas geravam alguns watts em frequências de até poucos gigahertz e foram usadas nos primeiros experimentos de comunicação por micro-ondas.

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  Antenas do enlace experimental de micro-ondas de 1,7 GHz que atravessava o Canal da Mancha em 1931.
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  Transmissor experimental de 3,3 GHz, ou 9 cm, com magnétron de ânodo dividido, nos laboratórios da Westinghouse, em 1933.
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  Southworth, à esquerda, apresenta um guia de ondas em uma reunião do IRE, em 1938. Micro-ondas de 1,5 GHz atravessam uma mangueira metálica flexível de 7,5 m e são captadas por um detector de diodo.
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  A primeira antena de corneta moderna, em 1938, com seu inventor, Wilmer L. Barrow.

Em 1931, um consórcio anglo-francês liderado por Andre C. Clavier apresentou o primeiro enlace experimental de micro-ondas através do Canal da Mancha, em um percurso de cerca de 64 km entre Dover, no Reino Unido, e Calais, na França. O sistema transmitia telefonia, telegrafia e fac-símile por feixes bidirecionais de 1,7 GHz, com potência de meio watt. Válvulas miniaturizadas de Barkhausen–Kurz no foco de antenas parabólicas metálicas de cerca de 3 m geravam os sinais.

Era preciso um termo para distinguir esses novos comprimentos de onda, até então reunidos na faixa de "ondas curtas", que abrangia todas as ondas menores que 200 m. As expressões ondas quase ópticas e ondas ultracurtas foram usadas por algum tempo, mas não se firmaram. O primeiro uso da palavra inglesa micro-wave ocorreu em 1931, em notícias sobre o enlace anglo-francês de Clavier.^:849

Desenvolvimento do radar

O desenvolvimento do radar, em grande parte sob sigilo, antes e durante a Segunda Guerra Mundial, produziu os avanços técnicos que permitiram o uso prático das micro-ondas.^:851 Eram necessários comprimentos de onda da ordem de centímetros para que antenas pequenas o suficiente para caber em aeronaves produzissem feixes estreitos capazes de localizar aviões inimigos. As linhas de transmissão convencionais apresentavam perdas excessivas de potência nessas frequências. Em 1936, George Southworth, dos Laboratórios Bell, e Wilmer Barrow, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, ou MIT, inventaram de forma independente o guia de ondas. Em 1938, Barrow inventou a antena de corneta para irradiar micro-ondas de modo eficiente para dentro ou para fora de um guia. Os receptores de micro-ondas precisavam de um componente não linear que operasse como detector e misturador nessas frequências, pois as válvulas eletrônicas tinham capacitância excessiva. Para atender a essa necessidade, os pesquisadores retomaram o detector de cristal de contato pontual, chamado "bigode de gato", que havia sido usado como demodulador nos rádios de galena na virada do século, antes dos receptores a válvula. A baixa capacitância das junções semicondutoras permitia seu funcionamento em frequências de micro-ondas. Os primeiros diodos modernos de silício e germânio foram desenvolvidos como detectores de micro-ondas na década de 1930. Os conhecimentos de física dos semicondutores obtidos nesse trabalho abriram caminho para a eletrônica de semicondutores após a guerra.

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  Protótipo de válvula magnétron de cavidade de Randall e Harry Boot, na Universidade de Birmingham, em 1940. Em operação, a válvula ficava entre os polos de um eletroímã.
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  Primeira válvula klystron comercial, da General Electric, de 1940, cortada para mostrar sua construção interna.
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  Radar britânico Mk. VIII, o primeiro radar de interceptação aérea por micro-ondas, instalado no nariz de um caça britânico.
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  Estação móvel de retransmissão por micro-ondas do Exército dos Estados Unidos, em 1945. Os sistemas usavam frequências de 100 MHz a 4,9 GHz e podiam transmitir até oito chamadas telefônicas por feixe.

As primeiras fontes potentes de micro-ondas foram inventadas nos anos que cercaram o início da Segunda Guerra Mundial. Russell e Sigurd Varian desenvolveram a válvula klystron na Universidade Stanford, em 1937.^:852–853 John Randall e Harry Boot desenvolveram o magnétron de cavidade na Universidade de Birmingham, no Reino Unido, em 1940.^:853–855 No fim de 1941, aviões militares britânicos já usavam radares de micro-ondas de 10 cm, ou 3 GHz, alimentados por magnétrons, que mudaram as condições de combate. A decisão britânica de compartilhar sua tecnologia de micro-ondas com os Estados Unidos, na Missão Tizard de 1940,^:852 encurtou a guerra. O Laboratório de Radiação do MIT, criado secretamente em 1940 para pesquisar radares, produziu grande parte do conhecimento teórico necessário ao uso das micro-ondas.^:852 As forças aliadas desenvolveram sistemas de retransmissão por micro-ondas para redes seguras de comunicação nos campos de batalha da Europa. O primeiro foi o britânico Wireless Set No. 10, de 5 GHz, com oito linhas telefônicas e multiplexação por divisão de tempo, desenvolvido pelo Signals Research and Development Establishment em 1942.^:855

Uso após a Segunda Guerra Mundial

Após a Segunda Guerra Mundial, as micro-ondas passaram rapidamente ao uso comercial. Sua alta frequência oferecia grande capacidade de transmissão de informação, ou largura de banda. Um único feixe podia transportar dezenas de milhares de chamadas telefônicas. Nas décadas de 1950 e 1960, foram construídas redes transcontinentais de retransmissão por micro-ondas nos Estados Unidos e na Europa para ligar cidades por telefone e distribuir programas de televisão. Desde a década de 1940, a indústria da televisão usava antenas parabólicas de micro-ondas para enviar imagens de unidades móveis de produção aos estúdios, permitindo as primeiras transmissões externas de TV. Os primeiros satélites de comunicação, lançados na década de 1960, retransmitiam chamadas telefônicas e televisão entre pontos distantes da Terra por feixes de micro-ondas. Em 1964, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson descobriram a radiação cósmica de fundo em micro-ondas ao investigar o ruído de uma antena de corneta para comunicações por satélite nos Laboratórios Bell, em Holmdel, Nova Jérsia.

Antenas de corneta de banda C em uma central telefônica de Seattle, integrantes da rede de retransmissão por micro-ondas Long Lines, da AT&T, construída na década de 1960.

Primeiro maser e seu inventor, Charles Townes, em 1955.

Antena de lente de micro-ondas usada no radar do míssil antiaéreo Nike Ajax, de 1954.

Forno de micro-ondas da Raytheon na cozinha do navio mercante norte-americano NS Savannah.

Telstar 1, lançado em 10 de julho de 1962, o primeiro satélite a retransmitir sinais de televisão. O anel de antenas de cavidade recebia o sinal de subida de 6,39 GHz e transmitia o sinal de descida de 4,17 GHz.

O radar de micro-ondas tornou-se a principal tecnologia usada no controle de tráfego aéreo, na navegação marítima, na defesa antiaérea e na detecção de mísseis balísticos, além de ganhar outras aplicações. O radar e as comunicações por satélite estimularam o desenvolvimento das antenas modernas de micro-ondas, como a parabólica, o tipo mais comum, a Cassegrain, a de lente, a de fenda e a matriz faseada.

Na década de 1930, Ilia E. Mouromtseff, da Westinghouse, estudou a capacidade das ondas curtas de aquecer materiais e cozinhar alimentos rapidamente. Na Exposição Universal de Chicago de 1933, apresentou o preparo de refeições com um transmissor de rádio de 60 MHz. Em 1945, Percy Spencer, engenheiro que trabalhava com radares na Raytheon, percebeu que a radiação de micro-ondas de um oscilador magnétron havia derretido uma barra de doce em seu bolso. Ele investigou o cozimento por micro-ondas e inventou o forno de micro-ondas, no qual um magnétron envia radiação a uma cavidade metálica fechada que contém os alimentos. A Raytheon patenteou o aparelho em 8 de outubro de 1945. Devido ao preço, os primeiros fornos eram usados em cozinhas institucionais. Em 1986, cerca de 25% dos domicílios dos Estados Unidos tinham um. O aquecimento por micro-ondas passou a ser amplamente usado em processos industriais, como a fabricação de plásticos, e na destruição de células cancerosas por hipertermia por micro-ondas.

O tubo de ondas viajantes, ou TWT, desenvolvido em 1943 por Rudolph Kompfner e John Pierce, ofereceu uma fonte sintonizável de micro-ondas de alta potência até 50 GHz. Tornou-se a válvula de micro-ondas mais usada depois do magnétron dos fornos. A família de válvulas girotron, desenvolvida na Rússia, permitiu gerar megawatts de potência até nas frequências de ondas milimétricas. Esses dispositivos são usados no aquecimento industrial, em pesquisas de plasma e na alimentação de aceleradores de partículas e reatores de fusão nuclear.

Dispositivos de micro-ondas de estado sólido

Primeiro relógio atômico de césio e seu inventor, Louis Essen, à esquerda, em 1955.

Maser experimental de rubi, na extremidade inferior da haste, em 1961.

Oscilador de micro-ondas com um diodo Gunn dentro de um ressonador de cavidade, na década de 1970.

Medidor de velocidade por radar. Na extremidade direita da antena de corneta de cobre, o conjunto cinza contém o diodo Gunn que gera as micro-ondas.

O desenvolvimento da eletrônica de semicondutores na década de 1950 levou aos primeiros dispositivos de micro-ondas de estado sólido. Eles operavam por um novo princípio, a resistência negativa, já usada em algumas válvulas de micro-ondas anteriores à guerra. Os osciladores com realimentação e os amplificadores de duas portas usados em frequências mais baixas tornavam-se instáveis na faixa de micro-ondas. Osciladores e amplificadores de resistência negativa baseados em dispositivos de uma porta, como diodos, funcionavam melhor.

O diodo túnel, inventado em 1957 pelo físico japonês Leo Esaki, podia produzir alguns miliwatts de potência de micro-ondas. A busca por dispositivos semicondutores de resistência negativa mais adequados à geração de micro-ondas também produziu o diodo IMPATT, inventado em 1956 por W. T. Read e Ralph L. Johnston, e o diodo Gunn, inventado em 1962 por J. B. Gunn. Os diodos tornaram-se as fontes de micro-ondas mais usadas.

O maser e o amplificador paramétrico permitiram a amplificação de micro-ondas com baixo ruído. O primeiro maser, desenvolvido por Charles H. Townes, James P. Gordon e H. J. Zeiger, usava moléculas de amônia e entrou em funcionamento em 1954. O amplificador paramétrico com varicap foi desenvolvido em 1956 por Marion Hines. O amplificador paramétrico e o maser de rubi, inventado em 1958 por uma equipe dos Laboratórios Bell liderada por H. E. D. Scovil, foram usados em receptores de micro-ondas de baixo ruído de radiotelescópios e estações terrestres de satélites. O maser permitiu desenvolver relógios atômicos, que medem o tempo com uma frequência precisa de micro-ondas emitida por átomos durante uma transição eletrônica entre dois níveis de energia. Os circuitos amplificadores de resistência negativa exigiram novos componentes não recíprocos de guia de ondas, como circuladores, isoladores e acopladores direcionais. Em 1969, Kaneyuki Kurokawa deduziu condições matemáticas de estabilidade para circuitos de resistência negativa que passaram a fundamentar o projeto de osciladores de micro-ondas.

Circuitos integrados de micro-ondas

Antes da década de 1980, os dispositivos e circuitos de micro-ondas eram volumosos e caros. Por isso, essas frequências eram geralmente usadas apenas no estágio de saída dos transmissores e no estágio de entrada de radiofrequência dos receptores. Os sinais eram convertidos por heterodinagem para uma frequência intermediária menor antes do processamento. A partir da década de 1970, surgiram componentes ativos de micro-ondas de estado sólido pequenos e baratos, que podiam ser montados em placas de circuito. Isso permitiu realizar grande parte do processamento de sinais nas próprias frequências de micro-ondas e viabilizou a televisão por satélite, a televisão a cabo, os aparelhos de GPS e dispositivos sem fio como smartphones, Wi-Fi e Bluetooth, que se conectam a redes por micro-ondas.

A microfita, um tipo de linha de transmissão adequado às frequências de micro-ondas, foi inventada com os circuitos impressos na década de 1950. A fabricação barata de formas diferentes nas placas permitiu criar versões em microfita de capacitores, indutores, trechos ressonantes de linha, divisores de potência, acopladores direcionais, diplexadores, filtros e antenas. Com isso, tornou-se possível construir circuitos compactos de micro-ondas.

Os transistores capazes de operar em frequências de micro-ondas foram desenvolvidos na década de 1970. O arsenieto de gálio, ou GaAs, tem mobilidade eletrônica muito maior que a do silício. Os dispositivos feitos desse material podem operar em frequências quatro vezes maiores que as de dispositivos semelhantes de silício. A partir da década de 1970, o GaAs foi usado nos primeiros transistores de micro-ondas e passou a predominar nesse tipo de semicondutor. Os MESFETs, transistores de efeito de campo metal-semicondutor, são transistores rápidos de GaAs que usam junções Schottky na porta. Seu desenvolvimento começou em 1968, e eles atingiram frequências de corte de 100 GHz, tornando-se os dispositivos ativos de micro-ondas mais usados. Outra família com limite de frequência mais alto é a dos transistores de alta mobilidade eletrônica, ou HEMTs. São transistores de efeito de campo feitos de dois semicondutores diferentes, AlGaAs e GaAs, com tecnologia de heterojunção. Os transistores bipolares de heterojunção, ou HBTs, são semelhantes.

O GaAs pode ser fabricado com propriedades semi-isolantes, o que permite usá-lo como substrato para produzir por litografia circuitos que contêm componentes passivos e transistores. Em 1976, essa técnica já havia levado aos primeiros circuitos integrados capazes de funcionar nas frequências de micro-ondas, chamados circuitos integrados monolíticos de micro-ondas, ou MMICs. A palavra "monolítico" foi acrescentada para distingui-los dos circuitos de microfita em placas, chamados circuitos integrados de micro-ondas, ou MICs. Também foram desenvolvidos MMICs de silício. Esses circuitos passaram a ser amplamente usados na eletrônica analógica e digital de alta frequência, permitindo produzir em um único chip receptores de micro-ondas, amplificadores de banda larga, modems e microprocessadores.