Micro-ondes

Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique dont les longueurs d'onde sont plus courtes que celles des autres ondes radio mais plus longues que celles des ondes infrarouges . Leur longueur d'onde varie d'environ un mètre à un millimètre, ce qui correspond àfréquences comprises entre 300 MHz et 300 GHz, au sens large. Une définition plus courante en ingénierie des radiofréquences est la plage comprise entre 1 et 100 GHz (longueurs d'onde comprises entre 30 cm et 3 mm), ou entre 1 et 3000 GHz (30 cm et 0,1 mm). Le préfixe micro- dans micro-ondes n'est pas censé suggérer une longueur d'onde de l' ordre du micromètre ; il indique plutôt que les micro-ondes sont petites (ayant des longueurs d'onde plus courtes), par rapport aux ondes radio utilisées dans la technologie radio antérieure .

Les limites entre l'infrarouge lointain , le rayonnement térahertz , les micro-ondes et les ultra-hautes fréquences (UHF) sont assez arbitraires et sont utilisées de manière variable selon les domaines d'étude. Dans tous les cas, les micro-ondes incluent au minimum toute la bande des super hautes fréquences (SHF) (3 à 30 GHz, ou 10 à 1 cm). Une définition plus large inclut également les bandes UHF et extrêmement hautes fréquences (EHF) ( ondes millimétriques ; 30 à 300 GHz).

Les fréquences dans la gamme des micro-ondes sont souvent désignées par leurs désignations de bande radar IEEE : _bande S , C , X , Ku , _K ou Ka , ou par des désignations similaires de l'OTAN ou de l'UE.

Les micro-ondes se propagent en visibilité directe . Contrairement aux ondes radio de basse fréquence , elles ne se diffractent pas autour des collines, ne suivent pas la surface de la terre comme des ondes de sol et ne se réfléchissent pas sur l' ionosphère . Les liaisons de communication terrestres par micro-ondes sont donc limitées par l'horizon visuel à environ 64 km. À l'extrémité supérieure de la bande, elles sont absorbées par les gaz de l'atmosphère, ce qui limite les distances de communication pratiques à environ un kilomètre.

Les micro-ondes sont largement utilisées dans les technologies modernes, par exemple dans les liaisons de communication point à point , les réseaux sans fil , les réseaux de relais radio micro-ondes , les radars , les communications par satellite et par engins spatiaux , la diathermie médicale et le traitement du cancer, la télédétection , la radioastronomie , les accélérateurs de particules , la spectroscopie , le chauffage industriel, les systèmes anti-collision , les ouvre-portes de garage et les systèmes d'entrée sans clé , ainsi que pour la cuisson des aliments dans les fours à micro-ondes .

Les micro-ondes occupent une place dans le spectre électromagnétique avec une fréquence supérieure à celle des ondes radio ordinaires et inférieure à celle de la lumière infrarouge :

Spectre électromagnétique
Nom	Longueur d'onde	Fréquence (Hz)	Énergie des photons ( eV )
Rayon gamma	< 0,01 nm	> 30 Hz	> 124 ke V
radiographie	0,01 nm – 10 nm	30 Hz – 30 Hz	124 keV – 124 eV
Ultra-violet	10 nm – 400 nm	30 PHz – 750 THz	124 eV – 3 eV
Lumière visible	400 nm – 750 nm	750 THz – 400 THz	3 eV – 1,7 eV
Infrarouge	750 nm – 1 mm	400 THz – 300 GHz	1,7 eV – 1,24 meV
Micro-ondes	1 mm – 1 m	300 GHz – 300 MHz	1,24 meV – 1,24 μeV
Radio	≥ 1 m	≤ 300 MHz	≤ 1,24 μeV

Dans les descriptions du spectre électromagnétique , certaines sources classent les micro-ondes comme des ondes radio, un sous-ensemble de la bande des ondes radio, tandis que d'autres classent les micro-ondes et les ondes radio comme des types de rayonnement distincts. Il s'agit d'une distinction arbitraire.

Les bandes de fréquences du spectre des micro-ondes sont désignées par des lettres. Malheureusement, il existe plusieurs systèmes de désignation de bandes incompatibles, et même au sein d'un système, les plages de fréquences correspondant à certaines lettres varient quelque peu selon les domaines d'application. Le système de lettres trouve son origine dans la Seconde Guerre mondiale, dans une classification américaine top secrète des bandes utilisées dans les radars ; c'est l'origine du plus ancien système de lettres, les bandes radar IEEE. Un ensemble de désignations de bandes de fréquences micro-ondes par la Radio Society of Great Britain (RSGB) est présenté dans le tableau ci-dessous :

Bandes de fréquences micro-ondes

Désignation	Gamme de fréquences	Gamme de longueurs d'onde	Utilisations typiques
Bande L	1 à 2 GHz	15 cm à 30 cm	télémétrie militaire, GPS, téléphonie mobile (GSM), radio amateur
Bande S	2 à 4 GHz	7,5 cm à 15 cm	radar météorologique, radar de surface, certains satellites de communication, fours à micro-ondes, appareils/communications à micro-ondes, radioastronomie, téléphones portables, réseau local sans fil, Bluetooth, ZigBee, GPS, radio amateur
Bande C	4 à 8 GHz	3,75 cm à 7,5 cm	télécommunications radio longue distance, réseau local sans fil, radio amateur
Bande X	8 à 12 GHz	25 mm à 37,5 mm	communications par satellite, radar, large bande terrestre, communications spatiales, radio amateur, spectroscopie de rotation moléculaire
Bande K u	12 à 18 GHz	16,7 mm à 25 mm	communications par satellite, spectroscopie de rotation moléculaire
Bande K	18 à 26,5 GHz	11,3 mm à 16,7 mm	radar, communications par satellite, observations astronomiques, radar automobile, spectroscopie de rotation moléculaire
K une bande	26,5 à 40 GHz	5,0 mm à 11,3 mm	communications par satellite, spectroscopie de rotation moléculaire
Bande Q	33 à 50 GHz	6,0 mm à 9,0 mm	communications par satellite, communications terrestres par micro-ondes, radioastronomie, radar automobile, spectroscopie de rotation moléculaire
Bande U	40 à 60 GHz	5,0 mm à 7,5 mm
Bande V	50 à 75 GHz	4,0 mm à 6,0 mm	Recherche sur les radars à ondes millimétriques, spectroscopie de rotation moléculaire et autres types de recherche scientifique
Bande W	75 à 110 GHz	2,7 mm à 4,0 mm	communications par satellite, recherche sur les radars à ondes millimétriques, applications de ciblage et de suivi radar militaires et certaines applications non militaires, radar automobile
Bande F	90 à 140 GHz	2,1 mm à 3,3 mm	Transmissions SHF : radioastronomie, appareils/communications micro-ondes, réseau local sans fil, radars les plus modernes, satellites de communication, diffusion de télévision par satellite, DBS , radio amateur
Bande D	110 à 170 GHz	1,8 mm à 2,7 mm	Transmissions EHF : radioastronomie, relais radio micro-ondes haute fréquence, télédétection micro-ondes, radio amateur, arme à énergie dirigée, scanner à ondes millimétriques

D’autres définitions existent.

Le terme bande P est parfois utilisé pour les fréquences UHF inférieures à la bande L, mais il est désormais obsolète selon la norme IEEE 521.

Lorsque les radars ont été développés pour la première fois dans la bande K pendant la Seconde Guerre mondiale, on ne savait pas qu'il existait une bande d'absorption à proximité (due à la vapeur d'eau et à l'oxygène dans l'atmosphère). Pour éviter ce problème, la bande K d'origine a été divisée en une bande inférieure, K _u , et une bande supérieure, K _a .

Les micro-ondes se déplacent uniquement par des chemins de visibilité directe ; contrairement aux ondes radio de fréquence inférieure, elles ne se déplacent pas sous forme d'ondes de sol qui suivent le contour de la Terre ou se réfléchissent sur l' ionosphère ( ondes célestes ). Bien qu'à l'extrémité inférieure de la bande, elles puissent traverser suffisamment les murs des bâtiments pour une réception utile, des droits de passage dégagés jusqu'à la première zone de Fresnel sont généralement nécessaires. Par conséquent, à la surface de la Terre, les liaisons de communication par micro-ondes sont limitées par l'horizon visuel à environ 48 à 64 km. Les micro-ondes sont absorbées par l'humidité de l'atmosphère et l'atténuation augmente avec la fréquence, devenant un facteur important ( atténuation due à la pluie ) à l'extrémité supérieure de la bande. À partir d'environ 40 GHz, les gaz atmosphériques commencent également à absorber les micro-ondes, de sorte qu'au-dessus de cette fréquence, la transmission par micro-ondes est limitée à quelques kilomètres. Une structure de bande spectrale provoque des pics d'absorption à des fréquences spécifiques (voir graphique à droite). Au-dessus de 100 GHz, l'absorption du rayonnement électromagnétique par l'atmosphère terrestre est si efficace qu'elle devient en fait opaque , jusqu'à ce que l'atmosphère redevienne transparente dans les gammes de fréquences dites infrarouges et de fenêtre optique .

Dans un faisceau micro-ondes dirigé en biais vers le ciel, une petite quantité de puissance sera dispersée de manière aléatoire lorsque le faisceau traversera la troposphère . Un récepteur sensible au-delà de l'horizon avec une antenne à gain élevé focalisée sur cette zone de la troposphère peut capter le signal. Cette technique a été utilisée à des fréquences comprises entre 0,45 et 5 GHz dans les systèmes de communication par diffusion troposphérique (troposcatter) pour communiquer au-delà de l'horizon, à des distances allant jusqu'à 300 km.

Les courtes longueurs d'onde des micro-ondes permettent de fabriquer des antennes omnidirectionnelles pour appareils portables de très petite taille, de 1 à 20 centimètres de long. Les fréquences micro-ondes sont donc largement utilisées pour les appareils sans fil tels que les téléphones portables , les téléphones sans fil et les réseaux locaux sans fil (Wi-Fi) pour les ordinateurs portables et les écouteurs Bluetooth . Les antennes utilisées comprennent les antennes fouet courtes , les antennes canard en caoutchouc , les dipôles à manchon , les antennes patch et, de plus en plus, l' antenne en F inversé à circuit imprimé (PIFA) utilisée dans les téléphones portables.

Leur courte longueur d'onde permet également de produire des faisceaux étroits de micro-ondes à l'aide d'antennes à gain élevé de petite taille , d'un demi-mètre à 5 mètres de diamètre. Par conséquent, les faisceaux de micro-ondes sont utilisés pour les liaisons de communication point à point et pour les radars . L'un des avantages des faisceaux étroits est qu'ils n'interfèrent pas avec les équipements proches utilisant la même fréquence, ce qui permet la réutilisation de la fréquence par les émetteurs proches. Les antennes paraboliques ("paraboles") sont les antennes directives les plus utilisées aux fréquences micro-ondes, mais les antennes à cornet , les antennes à fente et les antennes à lentille sont également utilisées. Les antennes microruban plates sont de plus en plus utilisées dans les appareils grand public. Une autre antenne directive pratique aux fréquences micro-ondes est le réseau phasé , un réseau d'antennes contrôlé par ordinateur qui produit un faisceau qui peut être dirigé électroniquement dans différentes directions.

Aux fréquences micro-ondes, les lignes de transmission utilisées pour transporter les ondes radio de basse fréquence vers et depuis les antennes, telles que les câbles coaxiaux et les lignes à fils parallèles , ont des pertes de puissance excessives. Ainsi, lorsqu'une faible atténuation est requise, les micro-ondes sont transportées par des tubes métalliques appelés guides d'ondes . En raison du coût élevé et des exigences de maintenance des guides d'ondes, dans de nombreuses antennes micro-ondes, l'étage de sortie de l' émetteur ou l' extrémité avant RF du récepteur est situé au niveau de l'antenne.

Le terme micro-onde a également une signification plus technique en électromagnétisme et en théorie des circuits . Les appareils et les techniques peuvent être décrits qualitativement comme « micro-ondes » lorsque les longueurs d'onde des signaux sont à peu près les mêmes que les dimensions du circuit, de sorte que la théorie des circuits à éléments localisés est inexacte, et à la place les éléments de circuit distribués et la théorie des lignes de transmission sont des méthodes plus utiles pour la conception et l'analyse.

En conséquence, les circuits micro-ondes pratiques ont tendance à s'éloigner des résistances discrètes , des condensateurs et des inducteurs utilisés avec les ondes radio à basse fréquence. Les lignes de transmission à fil ouvert et coaxiales utilisées à des fréquences plus basses sont remplacées par des guides d'ondes et des lignes à ruban , et les circuits accordés à éléments localisés sont remplacés par des résonateurs à cavité ou des stubs résonants . À leur tour, à des fréquences encore plus élevées, où la longueur d'onde des ondes électromagnétiques devient petite par rapport à la taille des structures utilisées pour les traiter, les techniques micro-ondes deviennent inadéquates et les méthodes de l' optique sont utilisées.