Mikroaallot
Mikroaallot ovat korkeataajuisia (korkeaenergisiä) eli nopeasti värähteleviä sähkömagneettisia radioaaltoja, jotka muodostavat ympärilleen sähkö- ja magneettikentän. Mikroaaltosäteily lähettää energiaa fotoneina eli kvantteina eli sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasina, mitä kutsutaan värähtelyksi. Mikroaallot värähtelevät tuhansia kertoja nopeammin kuin ääniradiolähetyksiin käytettävät radioaallot[1], mutta hitaammin kuin lämpösäteily.
Mikroaaltojen kantama on sitä lyhyempi, mitä nopeammin ne värähtelevät, koska aallot menettävät osan energiastaan fotonin irrotessa.
Avaruudesta tuleva luontainen taustasäteily muodostuu äärimmäisen heikosta mikroaaltosäteilystä, jonka aallonpituus vaihtelee noin millimetristä noin senttimetriin.[2] Ihmisperäisen mikroaaltosäteilyn määrä on moninkertainen luonnon taustasäteilyyn verrattuna. Langaton viestintäteknologia tuottaa länsimaissa suurimman osan ympäristön mikroaaltosäteilystä. Matkapuhelinverkko lähettää ympäristöön jatkuvakestoista mikroaaltosäteilyä synnyttäen laajan mikroaaltoradiokentän, jonka eri osien voimakkuus vaihtelee sen mukaan, kuinka paljon mikroaaltoihin koodattua informaatiota eli niin sanottua mobiilidataa ilmassa on tarkoitus kuljettaa. Tuotetun mikroaaltokentän voimakkuus kasvaa tyypillisesti väestötiheyden, liikennemäärien ja langattoman internetin käyttöasteen kasvaessa.
Myös televisio- ja WLAN-verkko sekä lyhyemmän kantaman Bluetooth-yhteys toimivat mikroaalloilla. Mikroaaltosäteilyä lähettäviä laitteita ovat esimerkiksi tutkat, satelliitit, mikroaaltouunit, videotykit ja langattomat mikrofonit sekä GPS-paikannusta hyödyntävät laitteet kuten navigaattorit, aktiivisuusrannekkeet ja älypannat.
Mikroaallot Suomen ympäristössä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Ympäristön mikroaaltosäteilyn määrä on monikertaistunut etenkin 2010-luvulla mobiililaajakaistan käytön lisääntyessä. Mobiilidatan käytön vuotuinen kasvu oli 70-82 % vuosina 2010-2015. Vuonna 2015 ennustettiin, että mobiililiikenne kaksinkertaistuu seuraavien vuosien aikana muun muassa videoiden suosion kasvaessa[3]. Matkaviestinverkon tiedonsiirtomäärä oli joulukuussa 2017 jo 20 gigabittiä henkeä kohti, mikä oli enemmän kuin missään muussa maassa.[4] Suomessa käytettiin vuonna 2018 langatonta internettiä enemmän kuin kaikissa muissa Pohjoismaissa yhteensä.[5]
Tutkimuksiin perustuvien ennusteiden mukaan langaton viestiliikenne tulee kasvamaan Suomessa vähintään kahdeksankertaiseksi vuoteen 2024 mennessä. Kasvu johtuu etenkin lisääntyvästä videoiden katselusta mobiililaitteiden kautta.[6]
Myös säteilyn voimakkuus on kasvanut, kun korkeaenergisempiä taajuuksia on otettu käyttöön. Suomen ensimmäinen matkapuhelinjärjestelmä ARP toimi 150 megahertsin taajuisilla mikroaalloilla. NMT-teknologiaan perustuva matkapuhelinverkko käytti aluksi 450:n megahertsin taajuutta. Kun vähäenergiseen 450 megahertsin säteilyyn ei mahtunut enää niin paljon analogista informaatiota, että sillä oltaisiin kyetty vastaamaan häiriöttömästi matkapuheluiden lisääntyneeseen kysyntään, alettiin tuottaa myös korkeaenergisempää 900 megahertsin mikroaaltosäteilyä. Vuonna 2018 Suomen matkapuhelinverkoissa lähetettiin 700:n, 800:n, 900:n, 1 800:n, 2 100:n ja 2 600:n megahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.[7]
Monilla Suomen alueilla alkaa toimia vuonna 2019 entistä tehokkaammilla, niin sanotuilla superkorkeilla eli millimetritaajuuksilla (SHF) toimiva 5G-verkko, jossa lähetetään aluksi 3 500 megahertsin taajuista ja muutaman vuoden päästä todennäköisesti 26–28 gigahertsin taajuista mikroaaltosäteilyä.[8]
Mikroaaltojen tuottaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Mikroaaltojen tuottamiseen käytetään kiinteitä puolijohdevahvistimia tai onteloresonaattoreita eli putkivahvistimia kuten magnetronia, klystronia, tai kulkuaaltoputkea (TWT). Sekä puolijohdevahvistimissa että putkivahvistimissa elektroneja kiihdytetään sähkökentän avulla resonaattorissa, joka saadaan resonoimaan halutulla resonanssitaajuudella. Resonoivassa komponentissa elektronit kiihtyvät ja hidastuvat (pulssittuvat) luovuttaen samalla energiaa sähkömagneettiselle kentälle.[9][10][11]
Mikroaaltoja siirretään aaltoputkea pitkin.[9] Aaltoputkessa on pienemmät häviöt kuin mikroaaltoja siirrettäessä koaksiaalikaapelia pitkin, ja se kestää suurempien tehojen siirtämistä.[12]
Mikroaaltojen eteneminen ilmakehässä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Mikroaaltojen etenemistä ilmakehässä häiritsee niiden sironta ja absorptio, jota aiheuttavat kaasumolekyylit (lähinnä vesihöyry ja happi) sekä sadepisarat. Vaimeneminen on sitä suurempaa, mitä korkeampi taajuus (lyhyempi aallonpituus).[13] Mikroaaltojen sironta sadepisaroista on säätutkan toiminnan ydin,[14] mutta myös tiedonsiirtoon tarkoitettujen mikroaaltolinkkien kokemaa vaimenemista käytetään sateen arviointiin.[15]
Mikroaaltojen pituus ja taajuuskaistat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Mikroaaltojen pituus vaihtelee yhdestä millimetristä kymmeneen senttimetriin. Mikroaaltosäteilyn taajuus eli värähtelynopeus on kääntäen verrannollinen mikroaaltojen pituuteen, eli lyhyet aallot luovuttavat enemmän energiaa eli fotoneita. Mikroaaltotaajuudet 1–300 gigahertsiä värähtelevät 1–300 miljardia kertaa sekunnissa eli niistä irtoaa 1–300 miljardia fotonia sekunnissa vastaten 30 cm:n–1 mm:n aallonpituuksia.
Mikroaaltojen ja radioaaltojen raja on liukuva, samoin mikroaaltojen ja kaukoinfrapunan. Mikroaallot luokitellaan taajuusalueisiin joita merkitään kirjaimilla[16]. Mikroaaltojen taajuusalueet ovat UHF (0,3–3 GHz), SHF (3–30 GHz) EHF (30–300 GHz) ja (300–3 000 GHz).
Tutkatekniikassa ensimmäiset yritykset mikroaaltotutkiksi tehtiin L- ja S-alueella (L = long, pitkä ja S = short, lyhyt). X-aluetta kehitettiin sotilastarkoituksiin ”salaisena” projektina. Kun X ja S olivat käytössä, niiden väliin otettiin C (engl. compromise, kompromissi). Saksassa kehitettiin erittäin lyhyet K-aallot (saks. kurz, lyhyt). Kirjaimissa on jonkun verran kansallisia eroja. P-alue lienee brittien ”previous” (edellinen; alue jonka tutkakäytöstä luovuttiin varhaisessa vaiheessa).[17]
| Nimitys | Taajuusalue |
|---|---|
| L-kaista | 1–2 GHz |
| S-kaista | 2–4 GHz |
| C-kaista | 4–8 GHz |
| X-kaista | 8–12 GHz |
| Ku-kaista | 12–18 GHz |
| K-kaista | 18–26,5 GHz |
| Ka-kaista | 26,5–40 GHz |
| Q-kaista | 30–50 GHz |
| U-kaista | 40–60 GHz |
| V-kaista | 50–75 GHz |
| E-kaista | 60–90 GHz |
| W-kaista | 75–110 GHz |
| F-kaista | 90–140 GHz |
| D-kaista | 110–170 GHz |
Mikroaaltojen terveysvaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pohjoismaiset säteilyturvaviranomaiset julkaisivat vuonna 2013 kannanoton, jonka mukaan tieteelliset tutkimukset eivät olleet kyenneet näyttämään radiotaajuuksisen säteilyn aiheuttavan terveyshaittoja, jos altistus jää Pohjoismaissa käytetyn EU:n komission suosituksen alle. Kannanotossa todettiin myös, etteivät tutkimukset olleet onnistuneet osoittamaan laajemmassa skaalassa aivokasvainten ja mobiililaitteiden käytön yhteyttä. Tutkimustietoa oli kuitenkin olemassa varsin rajallisesti pitkäaikaisesti eli yli 13–15 vuotta jatkuneeseen laitteiden käyttöön liittyen. Muita kuin aivokasvainten aiheuttamia terveysriskejä selvittäneissä tutkimuksissa oli löydetty yksittäisiä linkkejä, mutta menetelmien rajoitteet estivät lopullisten päätelmien tekemisen syy-yhteyksistä. Kannanotto totesi lisäksi mobiililaitteiden tuottamien radioaaltojen pitkäaikaisten vaikutusten olevan edelleen epäselvät etenkin lasten ja nuorten osalta.[18]
Maailman terveysjärjestö WHO toteaa edelleen kotisivuillaan, etteivät 0–300 GHz sähkömagneettisen säteilyn terveysvaikutuksista tehdyt metatutkimukset ole osoittaneet minkäänlaista yhteyttä terveyshaittoihin, kun altistus on jäänyt ICNIRP:in suositusarvojen alle.[19]
Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
- Aaltoloukku
- HPM
- Infrapuna
- Mikroaaltolinkki
- Mikroaaltouuni
- Radioaalto
- Sähkömagneettinen spektri
- Tutka
- Tutkataajuusalueet
- Maser
Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
- ↑ Lajunen, Marja: Mikroaallot – näkymätön apulainen Kaleva.fi. 15.5.2005. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ Linnaluoto, Seppo: Kosminen taustasäteily (Hannu Kurki-Suonion esitelmä) Kirkkonummen komeetta. 2008. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ Esiselvitys matkaviestinverkkojen tukiasemien sähkön käytöstä ja energiatehokkuudesta. https://cris.vtt.fi/en/publications/esiselvitys-matkaviestinverkkojen-tukiasemien-s%C3%A4hk%C3%B6n-k%C3%A4yt%C3%B6st%C3%A4-ja-
- ↑ Robitzski, Dan: Finland Is the Mobile Data Capital of the World IEEE Spectrum. 22.1.2018. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ Laine-Lassila, Sari: Langattomat sukupolvet 1G, 2G, 3G, 4G, 5G… FiCom. 15.06.2018. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ 5G-teknologia mahdollistaa hyvälaatuisen videomateriaalin laajan jakelun mobiiliverkossa. Digitan tiedote 22.11.2018. https://www.digita.fi/medialle/tiedotteet/5g-teknologia_mahdollistaa_hyvalaatuisen_videomateriaalin_laajan_jakelun_mobiiliverkossa.5624.news
- ↑ Korhonen, Suvi: Suomen 5g:stä voi tulla parempi kuin muualla TiVi. 25.1.2018. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ Kallio, Antti: Telia toi 5g-verkon Helsingin keskustaan – ”Kuluttaja ei vielä tarvitse lyhyttä latenssia, eikä varmasti vielä lähitulevaisuudessakaan" Kauppalehti. 5.9.2018. Viitattu 29.11.2018.
- ↑ 9,0 9,1 Mikroaallot Jyväskylän yliopisto. Viitattu 24.2.2017.
- ↑ Microwave Tubes Microwaves 101. Viitattu 21.2.2017.
- ↑ Microwave tubes RF Wireless World. Viitattu 21.2.2017.
- ↑ difference between waveguide and coaxial line RF wireless World. Viitattu 25.2.2017.
- ↑ Kestwal et al.: Prediction of Rain Attenuation and Impact of Rain in Wave Propagation at Microwave Frequency for Tropical Region (Uttarakhand, India) Int. J. Microwave Sci. Tech. 2014. Viitattu 22.2.2017.
- ↑ Yuter S.: Precipitation radars Washington uni.. Viitattu 22.2.2017.
- ↑ Lejnse, H.: Microwave link rainfall estimation: Effects of link length and frequency, temporal sampling, power resolution, and wet antenna attenuation Advances in Water Resources. 2008. Viitattu 22.2.2017.
- ↑ Letter Designations of Microwave Bands jneuhaus.com.
- ↑ Frequency Letter bands Microwaves 101. Viitattu 21.2.2017.
- ↑ Exposure from mobile phones, base stations and wireless networks: A statement by the Nordic radiation safety authorities (PDF) 17.12.2013. Suomen, Ruotsin, Norjan, Tanskan ja Islannin säteilyturvallisuusviranomaiset. Viitattu 20.12.2018. (englanniksi)
- ↑ Electromagnetic fields (EMF): Research who.int. Maailman terveysjärjestö. Viitattu 20.12.2018. (englanniksi)