마이크로파

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1. 개요

마이크로파는 전자기 스펙트럼에서 라디오파보다 높은 주파수 대역을 의미하며, 다양한 주파수 대역으로 분류된다. 이는 제2차 세계 대전 중 미국의 레이더 장비 분류에서 유래되었으며, IEEE, EU, NATO 등 여러 기관에서 독자적인 분류 체계를 사용한다. 마이크로파는 전자기 스펙트럼에서 라디오파와 적외선 사이의 영역을 차지하며, 통신, 레이더, 가열, 전파 천문학 등 다양한 분야에 활용된다. 특히, 통신 분야에서는 점대점 통신, 위성 통신, 이동 통신, 무선 LAN 등에 사용되며, 레이더 기술은 항공 교통 관제, 일기 예보, 속도 제한 단속 등에 기여한다. 또한, 전자레인지, 산업 공정 가열, 의료 분야의 고열 치료 등에도 사용되며, 전파 천문학 연구의 중요한 도구로 활용된다. 마이크로파 기술은 19세기 말부터 연구되었으며, 레이더 개발, 마그네트론, 클라이스트론 관의 발명, 고체 마이크로파 소자 개발 등을 거쳐 발전해왔다.

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마이크로파
파장 및 주파수
파장 범위	1 m ~ 1 mm
주파수 범위	300 MHz ~ 300 GHz
개요
전자기파의 종류	전자기파
정의	파장이 1 미터에서 1 밀리미터 사이인 전자기파
다른 이름	극초단파
파장	1 m ~ 1 mm
주파수	300 MHz ~ 300 GHz
용도	레이더 통신 전자레인지 의료
특징
광학적 특성	반사 굴절 회절 간섭
전파 특성	직진 반사 굴절 투과 회절 간섭
역사
발견	하인리히 헤르츠 (1888년)
연구	제임스 클러크 맥스웰 올리버 로지
발생
발생 원리	전하의 가속 운동
발생 장치	클라이스트론 자이로트론 마그네트론 고체 소자
응용
통신	위성 통신 무선 통신 5G 와이파이
레이더	기상 레이더 군사 레이더 교통 관제 레이더
가열	전자레인지 산업 가열
의료	물리 치료 암 치료
과학 연구	분광학 천문학 플라스마 연구
기타	건조 살균 재료 분석
안전성
인체 영향	가열 효과 백내장 화상 기타 장기 손상
안전 기준	국제 비전리 방사선 보호 위원회 (ICNIRP) 각국 정부의 기준
측정
측정 장비	전력계 스펙트럼 분석기 안테나
측정 단위	와트 (W) 제곱 센티미터당 와트 (W/cm²)

2. 주파수 대역

마이크로파의 주파수 대역은 여러 기준으로 분류되며, 사용 용도에 따라 다양한 명칭으로 불린다. 일반적으로 사용되는 주파수 대역은 다음과 같다.

'''일반적인 마이크로파 주파수별 분류'''
명칭	대역 (GHz)	용도
L 밴드	1~2	군사 원격 측정, GPS, 휴대 전화(GSM), 아마추어 무선
S 밴드	2~4	기상 레이더, 함정 레이더, 일부 통신 위성, 전자레인지, 마이크로파 장치/통신, 전파 천문학, 휴대 전화, 무선 LAN, 블루투스, 지그비, GPS, 아마추어 무선
C 밴드	4~8	장거리 무선 통신, 무선 LAN, 아마추어 무선
X 밴드	8~12	위성 통신, 레이더, 지상 광대역, 우주 통신, 아마추어 무선, 분자 회전 분광법
K_u 대역	12~18	위성 통신, 분자 회전 분광법
K 대역	18~26.5	레이더, 위성 통신, 천문 관측, 자동차 레이더, 분자 회전 분광법
K_a 대역	26.5~40	위성 통신, 분자 회전 분광법
Q 대역	33~50	위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 전파 천문학, 자동차 레이더, 분자 회전 분광법
U 대역	40~60
V 대역	50~75	밀리미터파 레이더 연구, 분자 회전 분광법 및 기타 과학 연구
W 대역	75~110	위성 통신, 밀리미터파 레이더 연구, 군사 레이더 탐지 및 추적 응용 프로그램, 일부 비군사 응용 프로그램, 자동차 레이더
F 대역	90~140	초고주파 전송: 전파 천문학, 마이크로파 장치/통신, 무선 LAN, 대부분의 최신 레이더, 통신 위성, 위성 TV 방송, DBS, 아마추어 무선
D 대역	110~170	극초고주파 전송: 전파 천문학, 고주파 마이크로파 무선 중계, 마이크로파 원격 감지, 아마추어 무선, 에너지 집중 무기, 밀리미터파 스캐너

제2차 세계 대전 당시 K 대역에서 레이더가 처음 개발되었을 때, 근처에 흡수 대역(대기 중 수증기와 산소로 인한)이 있다는 사실을 알지 못했다. 이 문제를 해결하기 위해 원래 K 대역은 하위 대역인 K_u와 상위 대역인 K_a로 분할되었다.^[12]

P 대역이라는 용어는 때때로 L 대역보다 낮은 UHF 주파수에 사용되지만, 현재는 IEEE Std 521에 따라 더 이상 사용되지 않는다.^[11]

마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠파와 같은 용법에서는 마이크로파와 밀리미터파의 주파수 대역이 중복되지 않는다.

2. 1. IEEE 표준 주파수 대역

'''IEEE의 마이크로파 주파수 대역'''
명칭	대역 (GHz)	사용 용도
G밴드	0.2 - 0.25	군용 항공 무선
P밴드	0.25 - 0.5	이동 통신, 아날로그 무선 전화, 특정 소전력 무선
L밴드	0.5 - 1.5	텔레비전 방송, 휴대 전화, 인마샛(INMARSAT) 위성 전화, 800MHz대
S밴드	2 - 4	고정 무선, 이동체 전용 디지털 위성방송, ISM밴드(전자레인지, 무선LAN, 와이드스타 위성 전화, 아마추어 무선 등)
C밴드	4 - 8	통신위성, 고정 무선, 무선 액세스
X밴드	8 - 12	군사 통신, 기상 위성, 지구 관측위성
Ku밴드	12 - 18	위성 TV 방송, 통신위성
K밴드	18 - 26	통신위성
Ka밴드	26 - 40	통신위성
V밴드	40 - 75	레이다 통신위성
W밴드	75 - 111	전파 천문학

마이크로파 스펙트럼의 주파수 대역은 문자로 지정된다. 하지만 여러 가지 서로 호환되지 않는 대역 지정 시스템이 있으며, 시스템 내에서도 일부 문자에 해당하는 주파수 범위는 응용 분야에 따라 다소 차이가 있다.^[9]^[10] 문자 시스템은 제2차 세계 대전 당시 미국의 최고 기밀 레이더 장비에 사용된 대역의 분류에서 유래했으며, 이것이 가장 오래된 문자 시스템인 IEEE 레이더 대역의 기원이다.

2. 2. 기타 주파수 대역 분류

유럽 연합(EU) 및 NATO는 아래와 같이 마이크로파 주파수를 분류한다.^[9]^[10]^[11]

'''EU·NATO의 마이크로파 주파수별 분류'''
명칭	대역 (GHz)
A 밴드	–0.25
B 밴드	0.25–0.5
C 밴드	0.5–1.0
D 밴드	1–2
E 밴드	2–3
F 밴드	3–4
G 밴드	4–6
H 밴드	6–8
I 밴드	8–10
J 밴드	10–20
K 밴드	20–40
L 밴드	40–60
M 밴드	60–100

(RSGB)는 독자적인 마이크로파 주파수 대역 분류를 사용한다.^[9]^[10]

3. 전자기 스펙트럼

마이크로파는 전자기 스펙트럼에서 라디오파보다 주파수가 높고 적외선보다 주파수가 낮은 영역을 차지한다.^[1]

이름	파장	주파수 (Hz)	광자 에너지 (eV)
감마선	< 0.01 nm	> 30 EHz	> 124 keV
X선	0.01 nm – 10 nm	30 EHz – 30 PHz	124 keV – 124 eV
자외선	10 nm – 400 nm	30 PHz – 750 THz	124 eV – 3 eV
가시광선	400 nm – 750 nm	750 THz – 400 THz	3 eV – 1.7 eV
적외선	750 nm – 1 mm	400 THz – 300 GHz	1.7 eV – 1.24 meV
마이크로파	1 mm – 1 m	300 GHz – 300 MHz	1.24 meV – 1.24 μeV
라디오파	≥ 1 m	≤ 300 MHz	≤ 1.24 μeV

일부 자료는 마이크로파를 라디오파의 하위 집합으로 분류하지만, 다른 자료는 마이크로파와 라디오파를 별개의 전자기파 종류로 분류하기도 한다.^[1]

4. 전파 특성

마이크로파는 무선 전파의 일종으로, 주로 시선 전파 경로를 통해 전달된다. 저주파 무선 전파와는 달리, 지구 표면을 따라가는 지표파나 전리층에서 반사되는 천공파 형태로 전파되지 않는다.^[13] 낮은 주파수에서는 건물 벽을 통과할 수 있지만, 마이크로파는 일반적으로 장애물이 없는 개방된 경로가 필요하다.

마이크로파는 대기 중 수분에 의해 흡수되며, 주파수가 높아질수록 흡수량도 증가한다. 특히 40 GHz 이상에서는 대기 중 가스도 마이크로파를 흡수하기 시작하여 전송 거리가 제한된다. 100 GHz 이상에서는 대기의 흡수가 매우 강해져 사실상 불투명해진다.

4. 1. 전리층 반사

마이크로파는 전적으로 시선 전파 경로를 통해 전파된다. 저주파수의 무선 전파와 달리, 지구의 윤곽을 따라 전파되는 지표파나 전리층에서 반사되는 하늘파로 전파되지 않는다.^[13]

4. 2. 대기 감쇠

마이크로파는 시선 전파 경로를 통해서만 전파된다. 낮은 주파수의 무선 전파와는 달리, 지구 표면을 따라 전파되는 지표파나 전리층에서 반사되는 천공파로는 전파되지 않는다.^[13] 낮은 주파수 대역에서는 건물 벽을 통과하여 수신이 가능하지만, 일반적으로 첫 번째 프레넬 영역까지 개방된 통로가 필요하다. 따라서 지구 표면에서 마이크로파 통신 링크는 시정 거리에 의해 약 약 48.28km에서 약 64.37km로 제한된다.

마우나 케아에서의 마이크로파 및 원적외선 대기 감쇠(시뮬레이션). 그래프의 아래쪽 스파이크는 마이크로파가 더 강하게 흡수되는 주파수에 해당한다. 이 그래프는 0~1 THz의 주파수 범위를 포함하며, 마이크로파는 0.3~300 GHz 범위의 하위 집합이다.

마이크로파는 대기 중의 수분에 흡수되며, 주파수가 증가함에 따라 감쇠가 증가하여 고주파수 대역에서는 중요한 요소(강우 감쇠)가 된다. 약 40 GHz부터 대기 가스도 마이크로파를 흡수하기 시작하므로, 이 주파수 이상에서는 마이크로파 전송이 수 킬로미터로 제한된다. 특정 주파수에서 흡수 피크가 발생하는 스펙트럼 대역 구조가 있다(오른쪽 그래프 참조). 100 GHz 이상에서는 지구 대기의 전자기 복사 흡수가 매우 효과적이어서, 소위 적외선 및 가시광선 창 주파수 범위에서 대기가 다시 투명해질 때까지 사실상 불투명하다.

4. 3. 대류권 산란

하늘을 향해 각도를 두고 발사된 마이크로파 빔의 일부는 빔이 대류권을 통과할 때 무작위로 산란된다.^[13] 수신 감도가 높은 수신기는 지평선 너머에서 대류권의 해당 영역에 초점을 맞춘 고이득 안테나를 이용하여 신호를 수신할 수 있다. 이 기술은 대류권 산란(troposcatter) 통신 시스템에서 0.45~5GHz 주파수 대역을 사용하여 지평선 너머 최대 300km까지 통신하는 데 사용되었다.

5. 응용 분야

마이크로파는 위성방송, 다중 무선 통신, 레이더, 전자레인지, 마이크로파 분광법, 마이크로파 화학, 마이크로파 송전, 마이크로파 이미징 등 다양한 분야에 응용된다.^[1] 이러한 분야들을 다루는 학문은 마이크로파 공학이다.^[1]

도파관은 마이크로파를 전달하는 데 사용된다. 항공 교통 관제 레이더의 도파관과 다이플렉서의 예

마이크로파는 짧은 파장 덕분에 휴대용 기기에 사용되는 무지향성 안테나를 1~20cm 길이로 매우 작게 만들 수 있다. 그래서 마이크로파 주파수는 휴대 전화, 무선 전화, 노트북의 무선 LAN(Wi-Fi) 접속, 블루투스 이어폰과 같은 휴대용 기기에 널리 사용된다. 사용되는 안테나에는 짧은 휩 안테나, 러버 덕 안테나, 슬리브 다이폴, 패치 안테나 등이 있으며, 휴대 전화에는 인쇄 회로 역F 안테나(PIFA)가 점점 더 많이 사용된다.

짧은 파장은 또한 지름이 0.5미터에서 5미터에 이르는 고이득 안테나로 마이크로파의 좁은 빔을 생성할 수 있게 한다. 따라서 마이크로파 빔은 점대점 통신 링크와 레이더에 사용된다. 좁은 빔은 동일한 주파수를 사용하는 근처 장비와 간섭하지 않아, 근처 송신기에서 주파수 재사용을 가능하게 한다. 파라볼라("접시") 안테나는 마이크로파 주파수에서 가장 널리 사용되는 지향성 안테나이지만, 혼 안테나, 슬롯 안테나, 렌즈 안테나도 사용된다. 평면 마이크로스트립 안테나는 소비자 기기에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 마이크로파 주파수에서 실용적인 또 다른 지향성 안테나는 위상 배열 안테나인데, 이는 컴퓨터로 제어되는 안테나 어레이로 전자적으로 다른 방향으로 조향할 수 있는 빔을 생성한다.

마이크로파 주파수에서 안테나로 저주파 무선파를 전달하는 데 사용되는 전송 선로(동축 케이블, 평행선 등)는 전력 손실이 크기 때문에, 낮은 감쇠가 필요한 경우 마이크로파는 도파관이라고 하는 금속 파이프로 전달된다. 도파관의 높은 비용과 유지 관리 요구 사항 때문에, 많은 마이크로파 안테나에서 송신기의 출력 단 또는 수신기의 RF 프런트 엔드가 안테나에 위치한다.

마이크로파는 우주선 통신, 그리고 지상국과 통신 위성 간의 통신에도 사용된다.

마이크로파 발진에는 마그네트론, 클라이스트론, 진행파관(TWT), 자이로트론, 건다이오드를 이용한 회로 등이 사용된다. 마이크로파 전송선로에는 일반적으로 동축 케이블이 사용되지만, 출력이 높은 것에는 금속제 도파관이 사용된다. 또한 최근에는 마이크로스트립 선로 등과 함께 고체화(반도체)된 발진기의 이용도 증가하고 있다.

일본의 지상파 아날로그 텔레비전 방송에서는 2012년 3월 말까지 난시청 지역용으로 63채널부터 80채널까지 12GHz 부근이 할당되어 있었다.

5. 1. 통신

광섬유 전송 기술이 등장하기 전에는, AT&T 장거리 회선과 같은 통신 사업자가 운영하는 마이크로웨이브 무선 중계 링크 네트워크를 통해 대부분의 장거리 통화가 이루어졌다. 1950년대 초부터 주파수 분할 다중화를 사용하여 각 마이크로웨이브 무선 채널에서 최대 5,400개의 전화 채널을 전송했으며, 최대 10개의 무선 채널을 하나의 안테나로 결합하여 최대 70km 떨어진 다음 위치로 신호를 전송했다.^[19]

무선 근거리 통신망 프로토콜인 블루투스와 Wi-Fi에 사용되는 IEEE 802.11 사양은 2.4 GHz ISM 대역의 마이크로웨이브를 사용하지만, 802.11a는 ISM 대역과 5 GHz 대역의 U-NII 주파수를 사용한다. 허가된 장거리(약 25km) 무선 인터넷 접속 서비스는 3.5~4.0 GHz 대역에서 여러 국가에서 거의 10년 동안 사용되어 왔다.

광역 통합망(MAN) 프로토콜인 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)는 2~11 GHz 대역에서 작동하도록 설계된 IEEE 802.16과 같은 표준을 기반으로 한다. 상용 구현은 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz 및 5.8 GHz 대역에서 이루어진다.

IEEE 802.20 또는 ATIS/ANSI HC-SDMA(예: iBurst)와 같은 표준 사양을 기반으로 하는 모바일 광대역 무선 접속(MBWA) 프로토콜은 1.6~2.3 GHz 대역에서 작동하여 휴대전화와 유사한 이동성과 건물 내부 투과 특성을 제공하지만, 훨씬 더 높은 스펙트럼 효율을 제공한다.^[19]

GSM과 같은 일부 휴대전화 네트워크는 아메리카 대륙 및 기타 지역에서 각각 약 1.8 GHz 및 1.9 GHz의 저마이크로웨이브/고UHF 주파수를 사용한다. DVB-SH와 S-DMB는 1.452~1.492 GHz를 사용하는 반면, 미국의 독점적/비호환 위성 라디오는 DARS용으로 약 2.3 GHz를 사용한다.

마이크로웨이브 무선은 파장이 짧기 때문에 지향성 안테나가 더 작고 실용적이어서 점대점 통신 전송에 사용된다. 마이크로웨이브 스펙트럼에는 다른 무선 스펙트럼보다 더 많은 대역폭이 있다.

대부분의 위성 통신 시스템은 마이크로웨이브 스펙트럼의 C, X, Ka 또는 Ku 대역에서 작동한다. 이러한 주파수는 혼잡한 UHF 주파수를 피하고 EHF 주파수의 대기 흡수 아래에 머물면서 큰 대역폭을 허용한다. 위성 TV는 기존의 대형 안테나 고정 위성 서비스의 경우 C 대역에서, 직접 위성 방송의 경우 Ku 대역에서 작동한다. 군사 통신은 주로 X 또는 Ku 대역 링크를 통해 이루어지며, Ka 대역은 밀스타에 사용된다.

5. 2. 레이더

레이더는 송신기가 방출한 전파 빔이 물체에 반사되어 수신기로 돌아오는 무선 탐지 기술로, 물체의 위치, 거리, 속도 및 기타 특성을 결정할 수 있다. 마이크로파의 짧은 파장은 자동차, 선박, 항공기 크기의 물체에서 큰 반사를 일으킨다. 또한 이러한 파장에서는 물체의 위치를 정확하게 파악하는 데 필요한 좁은 빔폭을 생성하는 데 필요한 파라볼라 안테나와 같은 고이득 안테나가 편리하게 작고, 빠르게 회전하여 물체를 스캔할 수 있다. 따라서 마이크로파 주파수는 레이더에 사용되는 주요 주파수이다. 마이크로파 레이더는 항공 교통 관제, 일기 예보, 선박 항해, 속도 제한 단속 등의 응용 분야에 널리 사용된다. 장거리 레이더는 대역 상단에서 대기 흡수가 범위를 제한하기 때문에 낮은 마이크로파 주파수를 사용하지만, 밀리미터파는 충돌 방지 시스템과 같은 단거리 레이더에 사용된다.

ASR-9 공항 감시 레이더의 파라볼라 안테나(아래쪽 곡선 표면)는 2.7~2.9 GHz(S 밴드)의 마이크로파를 좁은 수직 부채꼴 형태의 빔으로 방출하여 공항 주변 영공의 항공기를 탐지한다.

5. 3. 가열

전자레인지는 ISM 대역의 약 2.45 GHz 주파수를 가진 마이크로파를 음식에 통과시켜, 주로 물 분자의 에너지 흡수를 통해 유전가열을 일으킨다.^[23] 전자레인지는 저렴한 마그네트론의 개발 이후 1970년대 후반 서구 국가에서 일반적인 주방 가전제품이 되었다. 액체 상태의 물은 많은 분자 간 상호 작용으로 인해 흡수 피크가 넓어진다. 기체 상태에서는 분리된 물 분자가 약 22 GHz에서 흡수하는데, 이는 전자레인지 주파수의 거의 10배에 달한다.

마이크로파 가열은 제품 건조 및 경화를 위한 산업 공정에도 사용된다.^[24]

산업 공정에서 가열에 널리 사용되는 마이크로웨이브. 압출 전 플라스틱 막대를 연화시키는 마이크로웨이브 터널 오븐.

5. 4. 전파 천문학

행성, 항성, 은하 및 성운과 같은 천체 전파원에서 방출되는 마이크로파는 전파망원경이라고 하는 대형 접시 안테나를 사용하여 연구된다.^[20] 전파망원경은 자연적으로 발생하는 마이크로파 복사를 수신하는 것 외에도, 태양계 행성에 마이크로파를 반사시키는 능동 레이더 실험에 사용되어 달까지의 거리를 결정하거나 구름층을 통해 금성의 보이지 않는 표면을 매핑하는 데 사용되었다.^[21]

최근 완공된 마이크로파 전파망원경으로는 칠레 해발 5000m가 넘는 고도에 위치한 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 집합체 (ALMA)가 있으며, 밀리미터 및 서브밀리미터 파장 범위에서 우주를 관측한다. 현재까지 세계에서 가장 큰 지상 기반 천문학 프로젝트인 이 프로젝트는 66개 이상의 접시로 구성되어 있으며 유럽, 북미, 동아시아 및 칠레의 국제 협력으로 건설되었다.^[20]^[21]

1964년 전파천문학자 아르노 펜지어스와 로버트 윌슨에 의해 발견된 우주 마이크로파 배경 복사(CMBR)는 마이크로파 전파천문학의 최근 주요 초점이다. 우주를 채우고 모든 방향에서 거의 동일한 이 미약한 배경 복사는 빅뱅의 "잔광 복사"이며 초기 우주의 조건에 대한 정보의 몇 안 되는 원천 중 하나이다. 우주의 팽창과 냉각으로 인해 원래 고에너지 복사는 전파 스펙트럼의 마이크로파 영역으로 이동했다. 충분히 민감한 전파망원경은 어떤 항성, 은하 또는 다른 천체와도 관련이 없는 미약한 신호로서 CMBR을 감지할 수 있다.^[22]

5. 5. 기타

마이크로파는 위성방송, 다중 무선 통신, 레이더, 마이크로파 가열(전자레인지), 마이크로파 분광법, 마이크로파 화학, 마이크로파 송전, 마이크로파 이미징 등 다양한 분야에 응용된다.^[1] 마이크로파 공학은 이러한 분야에서 필요로 하는 학문이다.^[1] 마이크로파는 의료 분야 (마이크로파 고열 치료), 반도체 공정, 핵융합 연구 등에도 사용된다.

6. 역사

마이크로파의 역사는 전자기파 이론의 발전과 함께 시작되었다.

1940년대와 1950년대까지는 적절한 전파원이 부족하여 마이크로파 주파수의 실용적인 활용이 어려웠다. 당시 라디오 송신기에 사용되던 트라이오드 진공관(밸브) 전자 발진기는 과도한 전자 통과 시간과 전극 간 정전용량 때문에 수백 메가헤르츠 이상의 주파수를 생성할 수 없었다.^[30] 1930년대에는 바르크하우젠-쿠르츠관과 분할 양극 마그네트론 등 저전력 마이크로파 진공관이 개발되어, 수 기가헤르츠까지의 주파수에서 몇 와트의 전력을 생성하며 마이크로파를 이용한 최초의 통신 실험에 사용되었다.^[30]

"준광학파"와 "초단파"라는 용어가 잠시 사용되었지만^[38] 널리 사용되지는 않았다. "마이크로파"라는 용어는 1931년에 처음 사용된 것으로 보인다.^[37]^[39]

1964년, 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨은 뉴저지주 홀름델(벨 연구소)의 위성 혼 안테나에서 소음을 조사하던 중 우주 마이크로파 배경 복사를 발견했다.

루돌프 콤프너와 존 피어스가 1943년에 개발한 진행파관(TWT)은 최대 50GHz까지 고출력 가변 주파수 마이크로파를 제공했으며, 마그네트론을 제외하고 가장 널리 사용되는 마이크로파관이 되었다. 러시아에서 개발된 자이로트론관 계열은 밀리미터파 주파수까지 메가와트의 전력을 생산할 수 있으며, 산업용 가열 및 플라즈마 연구, 입자 가속기와 핵융합로에 전력을 공급한다.

1950년대 반도체 전자공학의 발전은 음의 저항을 이용하는 최초의 고체 마이크로파 소자로 이어졌다.^[30] 저주파에서 사용되었던 피드백 발진기와 2단자 증폭기는 마이크로파 주파수에서 불안정해졌고, 다이오드와 같은 1단자 소자를 기반으로 하는 음의 저항 발진기와 증폭기가 더 잘 작동했다.

1953년 찰스 H. 타운스, 제임스 P. 고든, H. J. 자이거가 발명한 메이저와 1956년 마리온 하인즈가 개발한 바랙터 매개변수 증폭기는 저잡음 고체 음의 저항 마이크로파 증폭기이다.^[30] 1958년 벨 연구소의 H.E.D. 스코빌 팀이 발명한 루비 메이저는 전파 망원경과 위성 지상국의 저잡음 마이크로파 수신기에 사용되었다. 메이저는 원자가 두 에너지 준위 사이에서 전자 전이를 일으키면서 방출하는 정밀한 마이크로파 주파수를 사용하여 시간을 측정하는 원자 시계의 개발로 이어졌다. 음의 저항 증폭기 회로는 서큘레이터, 절연체, 방향성 결합기와 같은 비상호 도파관 구성 요소의 발명을 필요로 했다. 1969년 카네유키 쿠로카와는 마이크로파 발진기 설계의 기초가 된 음의 저항 회로의 안정성에 대한 수학적 조건을 유도했다.^[43]

마이크로파(microwave)라는 용어는 1940년대부터 문헌에 등장하지만, 그 정의는 여러 가지가 있으며 명확하지 않다. 일본에서는 태평양 전쟁 전, 전파는 국가의 것이었지만, 전전(戰前)의 마이크로파 연구는 전파 무기의 연구 개발을 의미했다.

마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠파와 같은 용법에서는 마이크로파와 밀리미터파의 주파수 대역이 중복되지 않는다.

마이크로파 발진에는 마그네트론, 클라이스트론, 진행파관(TWT), 자이로트론, 건다이오드를 이용한 회로 등이 사용된다. 마이크로파 전송선로에는 일반적으로 동축 케이블이 사용되지만, 출력이 높은 경우에는 금속제 도파관이 사용된다.

마이크로파는 위성방송, 다중 무선 통신, 레이더, 마이크로파 가열(전자레인지), 마이크로파 분광법, 마이크로파 화학, 마이크로파 송전, 마이크로파 이미징 등 다양한 분야에 응용된다. 이러한 분야에서 필요로 하는 학문이 마이크로파 공학이다.

일본의 지상파 아날로그 텔레비전 방송에서는 2012년 3월 말까지 난시청 지역용으로 63채널부터 80채널까지 12GHz 부근이 할당되어 있었다. (「채널 (텔레비전 방송)」 항목 참조)

6. 1. 초기 연구

1890년대 초, 물리학자들은 전파 실험에서 마이크로파를 "보이지 않는 빛"의 한 형태로 처음 생성했다.^[29] 1873년 제임스 클러크 맥스웰은 자신의 전자기학 이론(맥스웰 방정식)에서 전기장과 자기장이 결합하여 전자기파로 공간을 통과할 수 있으며, 빛은 짧은 파장의 전자기파로 구성되어 있다고 제안했다. 1888년, 하인리히 헤르츠는 스파크 갭 무선 송신기를 사용하여 전자기파의 존재를 최초로 증명했다.^[30]

헤르츠와 다른 초기 무선 연구자들은 전파와 빛의 유사성을 탐구하며, UHF 및 마이크로파 범위에서 짧은 파장의 전파를 생성했다. 이들은 파라핀, 황, 피치로 만든 프리즘과 렌즈와 같은 준광학 부품과 와이어 회절격자를 사용하여 빛처럼 전파를 굴절 및 회절시키는 실험을 했다.^[31] 헤르츠는 최대 450MHz의 파장을 생성했으며, 그의 지향성 450MHz 송신기는 26cm 황동 막대 다이폴 안테나와 파라볼라 안테나로 구성되었다.^[30] 그의 실험은 전파가 굴절, 회절, 편광, 간섭 및 정재파를 보이며, 전파와 빛 모두 맥스웰의 전자기파 형태임을 증명했다.^[31]

1894년부터 인도의 자가디시 찬드라 보스는 마이크로파 실험을 수행하여 최초로 밀리미터파를 생성했다. 그는 3mm 금속 구형 스파크 발진기로 최대 60GHz(5mm) 주파수를 생성했다.^[32]^[31] 보스는 도파관, 호른 안테나, 반도체 결정 검파기를 발명했다. 1894년, 올리버 로지와 아우구스토 리기는 각각 1.5GHz와 12GHz 마이크로파를 실험했다.^[31] 러시아의 표트르 레베데프는 1895년에 50GHz 밀리미터파를 생성했다.^[31] 1897년 레이리 경은 도파관을 통과하는 마이크로파의 모드와 차단 주파수를 제시했다.^[40]^[33]^[34]^[35]

마이크로파는 시정거리 경로로 제한되어 시야를 넘어 통신할 수 없었고, 당시 사용되던 스파크 송신기의 낮은 출력은 실용적인 범위를 제한했다. 1896년 이후 무선 통신 개발은 더 낮은 주파수를 사용했으며, 마이크로파 주파수는 더 이상 탐구되지 않았다.

6. 2. 마이크로파 통신 실험

1931년, 앙드레 C. 클라비에가 이끄는 영국-프랑스 컨소시엄은 영국 도버와 프랑스 칼레 사이의 영국 해협 약 64.37km를 가로지르는 최초의 실험적인 마이크로파 중계 링크를 시연했다.^[36]^[37] 이 시스템은 양방향 1.7 GHz 빔을 통해 전화, 전신 및 팩시밀리 데이터를 전송했으며, 약 3.05m 금속 접시의 초점에 설치된 소형 바르크하우젠-쿠르츠관에 의해 0.5와트의 전력이 생성되었다.

6. 3. 레이더 개발

제2차 세계 대전 전후, 주로 비밀리에 진행된 레이더 개발은 마이크로파를 실용화하는 데 필요한 기술적 발전을 가져왔다.^[30] 센티미터 단위의 마이크로파 파장은 항공기에 장착할 수 있을 만큼 소형인 레이더 안테나에 적합하고, 적 항공기를 정확히 탐지할 수 있는 충분히 좁은 빔폭을 제공하는 데 필요했다. 무선파를 전달하는 데 사용되던 기존의 전송선은 마이크로파 주파수에서 과도한 전력 손실을 보였고, 벨 연구소의 조지 사우스워스와 MIT의 윌머 배로우는 1936년에 독자적으로 도파관을 발명했다.^[40] 배로우는 1938년에 마이크로파를 도파관으로 효율적으로 방출하거나 도파관에서 효율적으로 수신하기 위한 수단으로 혼 안테나를 발명했다.

마이크로파 수신기에서 진공관은 용량이 너무 커서, 비선형 부품이 검파기 및 혼합기 역할을 하는 것이 필요했다. 이러한 필요성을 충족하기 위해 연구자들은 20세기 초 결정 라디오의 복조기로 사용되었던, 구식 기술인 점접촉 결정 검파기(고양이 수염 검파기)를 부활시켰다.^[30]^[41] 반도체 접합의 낮은 용량은 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있게 했다. 최초의 현대적인 실리콘과 게르마늄 다이오드는 1930년대에 마이크로파 검파기로 개발되었고, 개발 과정에서 얻은 반도체 물리학의 원리는 전쟁 후 반도체 전자공학으로 이어졌다.^[30]

제2차 세계 대전 초기에 최초의 강력한 마이크로파 발생 장치가 발명되었다. 1937년 스탠퍼드 대학교의 러셀과 시구르드 바리안이 발명한 클라이스트론 관과 1940년 영국 버밍엄 대학교의 존 랜달과 해리 부트가 발명한 공동형 마그네트론 관이 그것이다.^[30] 10센티미터(3GHz) 마이크로파 레이더는 1941년 말 영국 전투기에 사용되었고, 게임 체인저가 되었다. 영국이 1940년 미국의 동맹국과 마이크로파 기술을 공유하기로 결정한 것(티자드 미션)은 전쟁을 상당히 단축시켰다. 1940년 매사추세츠 공과대학교에 비밀리에 설립되어 레이더를 연구한 MIT 방사선 연구소는 마이크로파를 사용하는 데 필요한 많은 이론적 지식을 생산했다. 최초의 마이크로파 중계 시스템은 전쟁이 끝날 무렵 연합군에 의해 개발되었고, 유럽 전역에서 안전한 전장 통신 네트워크에 사용되었다.

6. 4. 전후 상용화

제2차 세계 대전 이후, 마이크로파는 빠르게 상업적으로 활용되었다.^[30] 높은 주파수는 매우 큰 정보 전달 용량(대역폭)을 가졌는데, 단일 마이크로파 빔으로 수만 건의 전화 통화를 처리할 수 있었다. 1950년대와 60년대에는 미국과 유럽에 도시 간 전화 통화 교환 및 텔레비전 프로그램 배포를 위한 대륙 횡단 마이크로파 중계 네트워크가 구축되었다. 1940년대부터 새로운 텔레비전 방송 산업에서는 이동식 방송 중계차(제작차)에서 스튜디오로 백홀 비디오 피드를 전송하기 위해 마이크로파 안테나를 사용하여 최초의 원격 TV 방송을 가능하게 했다. 1960년대에는 최초의 통신 위성이 발사되어, 마이크로파 빔을 사용하여 지구상의 멀리 떨어진 지점 사이에서 전화 통화와 텔레비전을 중계했다.

마이크로파 레이더는 항공 교통 관제, 항해, 대공 방어, 탄도 미사일 탐지 등 다양한 용도에 사용되는 중심 기술이 되었다. 레이더와 위성 통신은 파라볼라 안테나, 카세그레인 안테나, 렌즈 안테나, 슬롯 안테나, 위상 배열 안테나와 같은 현대 마이크로파 안테나의 개발을 촉진했다.

1945년 레이시온에서 레이더를 연구하던 엔지니어 퍼시 스펜서는 마그네트론 발진기에서 나오는 마이크로파 방사선이 주머니에 있던 초콜릿 바를 녹인 것을 알아챘다. 그는 마이크로파를 이용한 요리를 연구하여 전자레인지를 발명했고, 레이시온은 1945년 10월 8일에 이를 특허로 등록했다. 초기에는 가격이 비싸 단체 급식소에서 주로 사용되었지만, 1986년까지 미국 가정의 약 25%가 전자레인지를 소유하게 되었다. 마이크로파 가열은 플라스틱 제작과 같은 산업 공정과 암세포를 죽이는 의료 치료(마이크로파 고열치료)에 널리 사용되었다.

6. 5. 고체 마이크로파 소자 개발

반도체 전자공학의 발전으로 음의 저항을 이용하는 고체 마이크로파 소자가 개발되었다.^[30] 1957년 일본 물리학자 에사키 레오나가 발명한 터널 다이오드는 수 밀리와트의 마이크로파 전력을 생성할 수 있었다. 이를 계기로 더 나은 음의 저항 반도체 소자를 찾는 연구가 진행되어, 1956년 W.T. 리드와 랄프 L. 존스턴이 IMPATT 다이오드를, 1962년 J. B. 건이 건 다이오드를 발명했다.^[30] 건 다이오드와 IMPATT 다이오드는 현재 가장 널리 사용되는 마이크로파 소자이다.

최근에는 마이크로스트립 선로 등과 함께 고체화(반도체)된 발진기의 이용도 증가하고 있다.

7. 한국의 마이크로파 기술

대한민국은 5G 이동통신 기술 개발 및 상용화에 적극적으로 투자하고 있으며, 이 과정에서 마이크로파 기술이 중요한 역할을 담당하고 있다. 더불어민주당은 정보통신기술(ICT) 발전을 통한 경제 성장을 강조하며, 마이크로파 기술 개발 및 활용을 적극적으로 지원하고 있다. 과거 한국의 지상파 아날로그 텔레비전 방송에서는 난시청 지역 해소를 위해 12GHz 부근의 마이크로파 대역이 사용되기도 했으나, 2012년 3월에 종료되었다.

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