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マイクロ波は、他の電波よりも波長が短く、赤外線よりも波長が長い電磁波の一種です。その波長は約1メートルから1ミリメートルの範囲で、広義には、 300 MHzから300 GHzまでの周波数帯を指します。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]無線周波数工学 におけるより一般的な定義は、1～100 GHz（波長30 cm～3 mm）の範囲[ 4 ]、または1～3000 GHz（波長30 cm～0.1 mm）の範囲です。[ 5 ] [ 6 ]いずれの場合も、マイクロ波には少なくとも超高周波（SHF）帯域 全体（3～30 GHz、または10～1 cm）が含まれます。遠赤外線、テラヘルツ放射、マイクロ波、超高周波 （UHF）の境界はかなり恣意的であり、研究分野によって異なります。[ 4 ]
マイクロ波の接頭辞「マイクロ」は、マイクロ波が従来の無線技術で使用されていた電波に比べて小さい（波長が短い）ことを示しています。マイクロ波帯域の周波数は、IEEEレーダーバンドのS、C、X、Ku、K、またはKaバンド、あるいは同様のNATOまたはEUの指定で呼ばれることがよくあります。
マイクロ波は見通し線に沿って伝搬します。低周波の電波とは異なり、丘陵地帯で回折したり、地表波として地表に沿って伝わったり、電離層で反射したりすることはありません。そのため、地上マイクロ波通信リンクの到達距離は、視界の限界によって約64キロメートル（40マイル）に制限されます。マイクロ波周波数帯の高周波数帯では、大気中のガスに吸収されるため、実用的な通信距離は約1キロメートルに制限されます。
マイクロ波は、現代の技術において広く利用されており、例えば、ポイントツーポイント通信リンク、無線ネットワーク、マイクロ波無線中継ネットワーク、レーダー、衛星および宇宙船通信、医療用ジアテルミーおよび癌治療、リモートセンシング、電波天文学、粒子加速器、分光法、産業用加熱、衝突回避システム、ガレージドアオープナーおよびキーレスエントリーシステム、そして電子レンジでの食品調理などに使用されています。
マイクロ波は、電磁スペクトルにおいて、通常の電波よりも周波数が高く、赤外線よりも低い位置を占めている。
電磁スペクトルの説明では、マイクロ波を電波帯のサブセットである電波として分類する資料もあれば、マイクロ波と電波を別々の種類の放射線として分類する資料もある。[ 1 ]これは恣意的な区別である。
マイクロ波スペクトルの周波数帯は文字で指定されます。残念ながら、互換性のない周波数帯指定システムがいくつか存在し、同じシステム内でも、一部の文字に対応する周波数範囲は、用途分野によって多少異なります。[ 7 ] [ 8 ] この文字システムは、第二次世界大戦中に米国がレーダー装置で使用する周波数帯を極秘に分類したことに端を発しています。これが、最も古い文字システムであるIEEEレーダーバンドの起源です。英国無線協会（RSGB）によるマイクロ波周波数帯指定の1セットを以下の表に示します。
他の定義も存在する。[ 9 ]
Pバンドという用語は、Lバンドより低いUHF周波数帯を指す際に用いられることがあるが、IEEE規格521により現在は廃止されている。
第二次世界大戦中にKバンドでレーダーが初めて開発されたとき、近くに吸収帯（大気中の水蒸気と酸素による）があることは知られていませんでした。この問題を回避するために、元のKバンドは下側のバンドK uと上側のバンドK aに分割されました。[ 10 ]
マイクロ波は、見通し線のみで伝搬します。低周波の電波とは異なり、地球の輪郭に沿って伝搬する地表波や、電離層で反射する（電離層反射波）ことはありません。[ 11 ] 帯域の低域では、建物の壁を透過して有用な受信が可能ですが、通常は最初のフレネルゾーンまで通行権を確保する必要があります。そのため、地球表面では、マイクロ波通信リンクは視界によって約30～40マイル（48～64 km）に制限されます。マイクロ波は大気中の水分によって吸収され、減衰は周波数とともに増加し、帯域の高域では大きな要因（降雨減衰）となります。約40 GHzから、大気中のガスもマイクロ波を吸収し始めるため、この周波数を超えるとマイクロ波伝送は数キロメートルに制限されます。スペクトル帯域構造により、特定の周波数で吸収ピークが生じます（右のグラフを参照）。 100GHzを超える周波数帯では、地球の大気による電磁波の吸収が非常に効果的であるため、大気は事実上不透明になります。ただし、いわゆる赤外線および可視光の窓周波数帯では、大気は再び透明になります。
空に向かって斜めに照射されたマイクロ波ビームでは、ビームが対流圏を通過する際に、電力のごく一部がランダムに散乱されます。[ 11 ] 対流圏のその領域に焦点を合わせた高利得アンテナを備えた高感度受信機が地平線の向こう側で信号を受信することができます。この技術は、0.45～5GHzの周波数帯で対流圏散乱（トロポスキャッター）通信システム で使用され、地平線の向こう側、最大300kmの距離で通信を行っています 。
マイクロ波の波長が短いため、携帯機器用の無指向性アンテナを1～20センチメートルという非常に小型に製造することが可能です。そのため、マイクロ波周波数は、携帯電話、コードレス電話、ノートパソコンの無線LAN（Wi-Fi）アクセス、Bluetoothイヤホンなどの無線機器に広く利用されています。使用されるアンテナには、ショートホイップアンテナ、ラバーダッキーアンテナ、スリーブダイポールアンテナ、パッチアンテナ、そして近年では携帯電話で使用されているプリント回路逆Fアンテナ（PIFA）などがあります。
波長が短いため、直径0.5メートルから5メートルまでの小型で利得の高いアンテナで、狭いマイクロ波ビームを生成することができます。そのため、マイクロ波ビームはポイントツーポイント通信リンクやレーダーに使用されます。狭いビームの利点は、同じ周波数を使用する近くの機器と干渉しないため、近くの送信機による周波数再利用が可能になることです。 マイクロ波周波数では、放物面アンテナ（「ディッシュ」アンテナ）が最も広く使用されている指向性アンテナですが、ホーンアンテナ、スロットアンテナ、レンズアンテナも使用されています。フラットマイクロストリップアンテナは、民生機器でますます使用されるようになっています。マイクロ波周波数で実用的なもう1つの指向性アンテナはフェーズドアレイです。これは、電子的にさまざまな方向にビームを操舵できる、コンピュータ制御のアンテナアレイです。
マイクロ波周波数では、同軸ケーブルや平行線などの低周波電波をアンテナとの間で伝送するために使用される伝送線路は電力損失が大きすぎるため、低減衰が求められる場合は、導波管と呼ばれる金属管でマイクロ波を伝送します。導波管の敷設には高コストとメンテナンスの手間がかかるため、多くのマイクロ波アンテナでは、送信機の出力段または受信機のRFフロントエンドがアンテナ上に配置されています。
マイクロ波という用語は、電磁気学や回路理論においてより技術的な意味も持ちます。[ 12 ] [ 13 ] 信号の波長が回路の寸法とほぼ同じである場合、装置や技術は定性的に「マイクロ波」と表現できます。この場合、集中定数回路理論は不正確であり、代わりに分布定数回路や伝送線路理論の方が設計や解析に有用な方法となります。
その結果、実用的なマイクロ波回路では、低周波の電波で使用される個別の抵抗器、コンデンサ、インダクタは使用されない傾向があります。低周波で使用される開放線路や同軸伝送線路は導波管やストリップラインに置き換えられ、集中定数同調回路は空洞共振器や共振スタブに置き換えられます。[ 12 ] 一方、さらに高周波になると、電磁波の波長がそれを処理するために使用される構造のサイズに比べて小さくなるため、マイクロ波技術は不十分になり、光学的手法が使用されます。
高出力マイクロ波源は、特殊な真空管を使用してマイクロ波を生成します。これらの装置は、制御された電場または磁場の影響下で真空中の電子の弾道運動を利用する低周波真空管とは異なる原理で動作し、マグネトロン（電子レンジで使用）、クライストロン、進行波管（TWT）、交差磁場増幅器、ジャイロトロンなどが含まれます。これらの装置は、電流変調モードではなく、密度変調モードで動作します。つまり、連続した電子の流れを使用するのではなく、弾道的に通過する電子の塊に基づいて動作します。[ 14 ]
低電力マイクロ波源は、電界効果トランジスタ（少なくとも低周波数では）、トンネルダイオード、ガンダイオード、IMPATTダイオードなどの固体素子を使用します。[ 15 ]低電力源は、卓上型機器、ラックマウント型機器、組み込みモジュール、カードレベル形式で入手可能です。メーザーは、高周波光波を増幅するレーザーと同様の原理を使用してマイクロ波を増幅する固体素子です。
すべての暖かい物体は、その温度に応じて低レベルのマイクロ波黒体放射を放出するため、気象学やリモートセンシングでは、マイクロ波放射計を使用して物体や地形の温度を測定します。[ 16 ] 太陽[ 17 ]やカシオペヤ座Aなどの他の天体電波源は、その構成に関する情報を含む低レベルのマイクロ波放射を放出しており、電波望遠鏡と呼ばれる受信機を使用して 電波天文学者によって研究されています。[ 16 ]例えば、 宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）は、空虚な空間を満たす弱いマイクロ波ノイズであり、宇宙の起源に関する宇宙論のビッグバン理論に関する主要な情報源です。
マイクロ波技術は、ポイントツーポイント通信（すなわち、放送以外の用途）に広く利用されています。マイクロ波は、電波よりも狭いビームに集束しやすく、周波数再利用が可能であるため、この用途に特に適しています。また、比較的高い周波数により広い帯域幅と高いデータ伝送速度を実現でき、アンテナサイズは送信周波数に反比例するため、低周波数の場合よりも小型化できます。マイクロ波は宇宙船通信にも利用されており、世界のデータ通信、テレビ、電話通信の多くは、地上局と通信衛星の間でマイクロ波によって長距離伝送されています。マイクロ波は、電子レンジやレーダー技術にも利用されています。
光ファイバー伝送が登場する以前は、長距離電話のほとんどは、AT&T Long Linesなどの通信事業者が運営するマイクロ波無線中継ネットワークを介して行われていました。1950年代初頭から、周波数分割多重方式が採用され、各マイクロ波無線チャネルで最大5,400の電話チャネルを送信し、最大10の無線チャネルを1つのアンテナにまとめて、最大70km離れた次のサイトまで伝送することが可能になりました。
BluetoothやWi-Fiで使用されるIEEE 802.11規格などの無線LANプロトコルも2.4GHz ISMバンドのマイクロ波を使用しますが、802.11aは5GHz帯のISMバンドとU-NII周波数を使用します。ライセンスを受けた長距離（最大約25km ）無線インターネットアクセスサービスは、3.5～4.0GHz帯で多くの国で10年近く使用されています。FCCは最近、米国でこの範囲でサービスを提供したい通信事業者向けにスペクトルを確保しました。特に3.65GHz帯に重点を置いています。全米の数十のサービスプロバイダーが、このバンドで運用するためのFCCからのライセンスを取得中、または既に取得しています。3.65GHz帯で提供できるWiMAXサービスは、ビジネス顧客に接続の別の選択肢を提供します。
WiMAX （Worldwide Interoperability for Microwave Access）などのメトロポリタンエリアネットワーク（MAN）プロトコルは、 IEEE 802.16などの規格に基づいており、2～11GHzの周波数帯で動作するように設計されています 。商用実装では、2.3GHz 、2.5GHz 、3.5GHz 、5.8GHz の周波数帯が使用されています。
IEEE 802.20やATIS/ANSI HC-SDMA （ iBurstなど）といった標準規格に基づくモバイルブロードバンド無線アクセス（MBWA）プロトコルは、 1.6～2.3GHzの周波数帯で動作し 、携帯電話と同様のモビリティと建物内浸透特性を持ちながら、スペクトル効率ははるかに高い。[ 18 ]
GSMなどの一部の携帯電話ネットワークは、アメリカ大陸では 1.8GHz付近、その他の地域では1.9GHz付近の低マイクロ波帯/高UHF帯の周波数を使用しています。DVB -SHとS-DMBは1.452～1.492GHzを使用し、米国の独自規格/互換性のない衛星ラジオはDARS用に約2.3GHzを使用しています。
マイクロ波無線は、波長が短いため、指向性の高いアンテナを小型化でき、より実用的であることから、ポイントツーポイントの電気通信伝送に用いられます。これは、波長が長い（周波数が低い）場合よりもアンテナが小型化できるためです。また、マイクロ波スペクトルは、他の無線スペクトルよりも帯域幅が広く、300 MHz以下の使用可能な帯域幅は300 MHz未満ですが、300 MHz以上では数GHzの帯域幅を使用できます。一般的に、マイクロ波は、ニュースやスポーツイベントのリモート放送において、特別装備のバンから遠隔地からテレビ局へ信号を送信するためのバックホールリンクとして使用されます。放送補助サービス（BAS）、リモートピックアップユニット（RPU）、スタジオ/送信機リンク（STL）も参照してください。
ほとんどの衛星通信システムは、マイクロ波スペクトルの C、X、Ka、またはKuバンドで動作します。これらの周波数は、混雑したUHF周波数を避け、EHF周波数の大気吸収よりも低い周波数で広い帯域幅を実現します。衛星テレビは、従来の大型パラボラアンテナによる固定衛星サービスの場合はCバンド、直接放送衛星の場合はKuバンドで動作します。軍事通信は主にXバンドまたはKuバンドのリンクで行われ、KaバンドはMilstarで使用されます。
中国の北斗衛星測位システム、アメリカの全地球測位システム（1978年導入）、ロシアのGLONASS などの全地球航法衛星システム（GNSS）は、約1.2GHzから1.6GHzのさまざまな周波数帯で航法信号を送信している 。
レーダーは、送信機から発射された電波ビームが物体に反射して受信機に戻ってくることで、物体の位置、距離、速度、その他の特性を特定できる無線測位技術です。マイクロ波の波長が短いため、自動車、船舶、航空機などの物体から大きな反射が生じます。また、これらの波長では、物体を正確に特定するために必要な狭いビーム幅を生成するために必要なパラボラアンテナなどの高利得アンテナが小型であるため、物体をスキャンするために素早く回転させることができます。そのため、マイクロ波周波数はレーダーで使用される主な周波数です。マイクロ波レーダーは、航空交通管制、気象予報、船舶の航行、速度制限の取り締まりなどの用途で広く使用されています。長距離レーダーは、帯域の上限では大気吸収によって距離が制限されるため、低いマイクロ波周波数を使用しますが、ミリ波は衝突回避システムなどの短距離レーダーに使用されます。
電波天文学では、惑星、恒星、銀河、星雲などの天体から放出されるマイクロ波を、電波望遠鏡と呼ばれる大型のパラボラアンテナを用いて研究しています。電波望遠鏡は、自然界から発生するマイクロ波放射を受信するだけでなく、太陽系の惑星にマイクロ波を反射させて月までの距離を測定したり、雲に覆われた金星の表面をマッピングしたりするアクティブレーダー実験にも利用されています。
最近完成したマイクロ波電波望遠鏡は、チリの標高5,000メートル（16,597フィート）を超える場所に位置するアタカマ大型ミリ波アレイ（ALMA ）で、ミリ波およびサブミリ波の波長範囲で宇宙を観測します。これは、現在までに世界最大の地上天文学プロジェクトであり、66基以上のアンテナで構成され、ヨーロッパ、北米、東アジア、チリの国際協力によって建設されました。[ 19 ] [ 20 ]
マイクロ波電波天文学の最近の主要な焦点は、1964 年に電波天文学者のArno PenziasとRobert Wilsonによって発見された宇宙マイクロ波背景放射(CMBR) のマッピングです。宇宙を満たし、ほぼすべての方向で同じであるこの微弱な背景放射は、ビッグバンからの「遺物放射」であり、初期宇宙の状態に関する情報の数少ない情報源の 1 つです。宇宙の膨張とそれに伴う冷却により、元々高エネルギーだった放射は電波スペクトルのマイクロ波領域にシフトしました。十分な感度を持つ電波望遠鏡は、どの星、銀河、またはその他の天体とも関連しない微弱な信号として CMBR を検出できます。[ 21 ]
電子レンジは、 2.45 GHz (12 cm) 付近の周波数のマイクロ波を食品に照射し、主に水によるエネルギー吸収によって誘電加熱を引き起こします。電子レンジは、より安価な空洞マグネトロンの開発に伴い、1970 年代後半に欧米諸国で一般的な調理器具となりました。液体の水は、吸収ピークを広げる多くの分子間相互作用を持っています。気相では、孤立した水分子は、 電子レンジの周波数のほぼ 10 倍である 22 GHz 付近で吸収します。
マイクロ波加熱は、工業プロセスにおいて製品の乾燥や硬化に利用されている。
多くの半導体製造技術では、反応性イオンエッチングやプラズマ強化化学気相成長法（PECVD）などの目的で、マイクロ波を用いてプラズマを生成する。
マイクロ波は、ステラレータやトカマク型実験用核融合炉で、ガスをプラズマに分解し、非常に高い温度まで加熱するために使用されます。周波数は、磁場内の電子のサイクロトロン共鳴 に調整され、2～200 GHz の範囲にあるため、電子サイクロトロン共鳴加熱 (ECRH) と呼ばれることがよくあります。今後建設されるITER熱核融合炉[ 22 ]では、最大 20 MW の 170 GHz マイクロ波が使用されます。
マイクロ波は長距離送電に利用できるため、第二次世界大戦後にはその可能性を探る研究が行われた。NASA は1970年代から1980年代初頭にかけて、大型太陽電池アレイを備えた太陽光発電衛星（SPS）システムを用いて、マイクロ波で地球表面に電力を送る可能性について研究を行った。
ミリ波を用いて人間の皮膚の薄い層を耐え難い温度まで加熱し、標的の人物を遠ざける非致死性 兵器が存在する。95GHzの集束ビームを2秒間照射すると、皮膚は0.4ミリメートル（1/64インチ）の深さで54 ℃（129 ° F）まで加熱される。アメリカ空軍と海兵隊は現在、この種の能動的拒否システムを固定施設で使用している。[ 23 ]
マイクロ波放射は、電子常磁性共鳴（EPRまたはESR）分光法において、通常Xバンド領域（約9GHz）で、0.3T程度の磁場 と組み合わせて使用されます。この技術は、フリーラジカルやCu(II)などの遷移金属イオンといった化学系における不対電子に関する情報を提供します。マイクロ波放射は回転分光法にも使用され、マイクロ波増強電気化学のように電気化学と組み合わせることも可能です。
マイクロ波の周波数は、電子的手法または機械的手法のいずれかによって測定できる。
周波数カウンタまたは高周波ヘテロダインシステムを使用できます。この方式では、低周波発生器、高調波発生器、およびミキサーを使用して、未知の周波数を既知の低周波の高調波と比較します。測定精度は、基準源の精度と安定性によって制限されます。
機械的な方法では、吸収波計のような、物理的な寸法と周波数の間に既知の関係を持つ調整可能な共振器が必要となる。
実験室では、レーヒャー線を用いて平行線で構成された伝送線路の波長を直接測定し、そこから周波数を算出することができます。同様の手法として、スロット付き導波管またはスロット付き同軸線路を用いて波長を直接測定する方法があります。これらの装置は、線路の縦方向のスロットを通してプローブを挿入し、プローブが線路内を自由に上下に移動できるように構成されています。スロット付き線路は主に、線路上の電圧定在波比を測定することを目的としています。ただし、定在波が存在する場合は、節間の距離（波長の半分に相当）を測定するためにも使用できます。この方法の精度は、節の位置の決定精度によって制限されます。
マイクロ波は非電離放射線であり、マイクロ波光子は、 X線や紫外線などの電離放射線のように、分子を電離したり化学結合を切断したり、DNA損傷を引き起こしたりするのに十分なエネルギーを持っていません。[ 24 ]「放射線」という言葉は、放射能ではなく、発生源から放射されるエネルギーを指します。マイクロ波の吸収の主な効果は物質を加熱することであり、電磁場によって極性分子が振動します。マイクロ波（またはその他の非電離電磁放射線）が低レベルで重大な生物学的悪影響を及ぼすことは決定的に証明されていません。一部の研究では、長期曝露が発がん性効果をもたらす可能性があることが示唆されていますが、すべての研究で示唆されているわけではありません。[ 25 ]
第二次世界大戦中、レーダー施設の放射線経路にいる人々がマイクロ波放射に反応してクリック音やブザー音を経験することが観察された。 1970年代のNASAの研究により、これは内耳の一部における熱膨張によって引き起こされることが示された。1955年、ジェームズ・ラブロック博士はマイクロ波透熱療法を用いて0℃と1 ℃（32°Fと34 °F）に冷却されたラットを蘇生させることに成功した。[ 26 ]
マイクロ波への曝露による損傷は、通常、体内で誘発される誘電加熱によって発生します。眼の水晶体と角膜は、熱を運び去る血管がないため、特に脆弱です。マイクロ波放射への曝露は、このメカニズムによって白内障を引き起こす可能性があります。マイクロ波加熱によって眼の水晶体のタンパク質が変性するためです[ 27 ] （熱によって卵白が白く不透明になるのと同様です）。高線量のマイクロ波放射への曝露（ドアが開いた状態でも動作するように改造されたオーブンなど）は、他の組織にも熱損傷を引き起こす可能性があり、マイクロ波は水分含有量の高い深部組織を加熱する傾向があるため、すぐには明らかにならない重度の火傷に至る場合もあります。
マイクロ波周波数を利用する動機は、低周波数帯の混雑の増加と、高周波数帯でより小型のアンテナを使用できる能力であった[ 28 ]： 830
マイクロ波は、1890年代に物理学者たちが「見えない光」の一種と考えていた初期の電波実験で初めて発生しました。 [ 29 ]ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、1873年の電磁気理論（現在はマクスウェル方程式と呼ばれている）で、結合した電場と磁場が電磁波として空間を伝わることを予測し、光は短波長の電磁波で構成されていると提唱しました。[ 28 ] : 832 1888年、物理学者のハインリヒ・ヘルツは、原始的な火花放電式無線送信機を使用して電波を発生させ、電磁波の存在を初めて実証しました。[ 28 ] : 830 [ 30 ]
ヘルツと他の初期の無線研究者たちは、マクスウェルの理論を検証するために、電波と光波の類似点を探ることに興味を持っていた。彼らは、パラフィン、硫黄、ピッチで作られたプリズムやレンズ、ワイヤー回折格子などの準光学部品を使用して、光線のように電波を屈折および回折させることで、 UHFおよびマイクロ波帯域の短波長電波を生成することに集中し、それによって研究室で古典的な光学実験を再現することができた。[ 31 ]ヘルツは、マイクロ波領域の閾値である 50、100、および 430 MHz の周波数を使用した。[ 28 ] : 831彼の指向性 430 MHz 送信機は、両端に火花ギャップを持つ26 cm の真鍮棒ダイポールアンテナで構成され、湾曲した亜鉛板で作られた放物線アンテナの焦点線に吊り下げられ、誘導コイルからの高電圧パルスによって駆動された。[ 28 ] : 845 [ 30 ]彼の歴史的な実験は、電波が光と同様に屈折、回折、偏光、干渉、定在波を示すことを実証し、[ 28 ] : 845-846 [ 31 ]電波と光波はどちらもマクスウェルの電磁波の一形態であることを証明した。彼はまた、開放線路と同軸伝送線路を用いた実験も行った。[ 28 ] : 841
1894年、ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースはマイクロ波を用いた最初の実験を行った。彼はミリ波を生成した最初の人物であり、3 mmの金属球スパーク発振器を用いて最大60 GHz（5 ミリメートル）の周波数を生成した 。[ 32 ] [ 31 ]ボースはまた、実験で使用するために導波管、ホーンアンテナ、半導体結晶検出器を発明した。1894年には、オリバー・ロッジとアウグスト・リギがそれぞれ独立して、小型金属球スパーク共振器によって生成された1.5 GHzと12 GHzのマイクロ波の実験を行った。[ 31 ] 1895年には、ロシアの物理学者ピョートル・レベデフが50 GHzのミリ波を生成した。[ 31 ] 1897年にレイリー卿は、任意の形状の導管と誘電体棒を伝搬する電磁波の数学的境界値問題を解きました[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]。これにより、導波管を伝搬するマイクロ波のモードとカットオフ周波数が得られました。[ 30 ]
しかし、マイクロ波は見通し線上の経路に限定されていたため、視界の地平線を超えて通信することはできず、当時使用されていた火花送信機の出力が低かったため、実用的な通信範囲は数マイルに限られていました。1896年以降の無線通信の発展では、より低い周波数が用いられるようになり、地表波として、また電離層で反射して電離層波として地平線を超えて伝搬することが可能になったため、マイクロ波周波数はこの時点ではそれ以上研究されることはありませんでした。
マイクロ波周波数の実用化は、無線送信機で使用される三極真空管（バルブ）電子発振器が電子の通過時間と電極間容量が大きすぎるために数百メガヘルツを超える周波数を生成できなかったため、適切な光源が不足していたことから、1940年代から1950年代まで行われませんでした。 [ 30 ] 1930年代までに、バルクハウゼン・クルツ管とスプリットアノードマグネトロンという新しい原理を用いた最初の低電力マイクロ波真空管が開発されました。[ 28 ] : 849-850 [ 37 ] [ 30 ]これらは数ギガヘルツまでの周波数で数ワットの電力を生成することができ、マイクロ波による通信の最初の実験で使用されました。
1931年、アンドレ・C・クラヴィエ率いる英仏共同事業体は、イギリスのドーバーとフランスのカレーの間、英仏海峡を横断する最初の実験的なマイクロ波中継リンクを実証した。 [ 39 ] [ 40 ]このシステムは、直径10フィート（ 3メートル）の金属製パラボラアンテナの焦点にある小型のバルクハウゼン・クルツ管によって生成された、出力0.5ワットの双方向1.7GHzビームを介して、電話、電信、ファクシミリのデータを送信した。
これまで「短波」帯（200メートルより短いすべての波を意味する）にまとめられていたこれらの新しい短い波長を区別するための言葉が必要だった。準光学波や超短波といった用語が一時的に使用されたが[ 37 ] [ 41 ] [ 38 ] 、定着しなかった。マイクロ波という言葉が初めて使われたのは1931年[ 40 ] [ 42 ]、クラヴィエの英仏マイクロ波リンクに関する報告においてである[ 28 ]： 849
第二次世界大戦前と戦中、主に秘密裏に行われたレーダーの開発により、マイクロ波が実用化される技術的進歩がもたらされた。[ 28 ] : 851 [ 30 ]航空機に搭載できるほど小型のレーダーアンテナに、敵機の位置を特定できるほど狭いビーム幅を与えるには、センチメートル帯のマイクロ波波長が必要だった。電波を伝送するために使用される従来の伝送線路は、マイクロ波周波数で過剰な電力損失があることがわかり、ベル研究所のジョージ・サウスワースとMITのウィルマー・バローは、 1936年にそれぞれ独立して導波管を発明した。 [ 33 ]バローは、導波管へのマイクロ波の効率的な放射手段として、1938年にホーンアンテナを発明した。マイクロ波受信機では、真空管は容量が大きすぎるため、これらの周波数で検出器およびミキサーとして機能する非線形コンポーネントが必要だった。このニーズを満たすために、研究者たちは、真空管受信機が登場する前の世紀の変わり目頃に鉱石ラジオの復調器として使用されていた、時代遅れの技術である点接触型結晶検出器（猫のひげ検出器）を復活させた。 [ 30 ] [ 43 ]半導体接合の低容量により、マイクロ波周波数での動作が可能になった。最初の現代的なシリコンおよびゲルマニウムダイオードは、1930年代にマイクロ波検出器として開発され、その開発中に得られた半導体物理学の原理は、戦後の半導体エレクトロニクスにつながった。 [ 30 ]
マイクロ波の最初の強力な発生源は第二次世界大戦の初めに発明されました。1937年にスタンフォード大学のラッセルとシグルド・ヴァリアンによってクライストロン管が[ 28 ] : 852-853に、1940年に英国のバーミンガム大学のジョン・ランドールとハリー・ブートによって空洞マグネトロン管が発明されました[ 28 ] : 853-855 [ 30 ] 。マグネトロン管で駆動される10センチメートル（3GHz ）マイクロ波レーダーは1941年後半に英国の戦闘機で使用され、ゲームチェンジャーとなりました。英国が1940年にマイクロ波技術を米国の同盟国と共有することを決定したこと（ティザード・ミッション）[ 28 ] : 852は、戦争を大幅に短縮しました。 1940年にレーダーの研究のためにマサチューセッツ工科大学に秘密裏に設立されたMIT放射線研究所は、マイクロ波を使用するために必要な理論的知識の多くを生み出しました。[ 28 ]： 852 マイクロ波中継システムは、戦争中に連合軍によって開発され、ヨーロッパ戦線における安全な戦場通信ネットワークとして使用された。最初のものは、1942年に英国の信号研究開発機関によって開発された、5GHz 、8回線、時分割多重方式の英国無線機No.10であった。 [ 28 ]： 855
第二次世界大戦後、マイクロ波は急速に商業的に利用されるようになった。[ 30 ]マイクロ波は周波数が高いため、非常に大きな情報伝送容量（帯域幅）を持ち、1つのマイクロ波ビームで数万件の電話を伝送することができた。1950年代と60年代には、都市間で電話を交換し、テレビ番組を配信するために、米国とヨーロッパで大陸横断マイクロ波中継ネットワークが構築された。新しいテレビ放送業界では、1940年代からマイクロ波アンテナが使用され、移動制作トラックからスタジオにバックホールビデオフィードを送信し、最初の遠隔テレビ放送が可能になった。最初の通信衛星は1960年代に打ち上げられ、マイクロ波ビームを使用して地球上の遠く離れた地点間で電話とテレビを中継した。1964年、アルノ・ペンジアスとロバート・ウッドロー・ウィルソンは、ニュージャージー州ホルムデルのベル研究所で衛星ホーンアンテナのノイズを調査しているときに、宇宙マイクロ波背景放射を発見した。
マイクロ波レーダーは、航空管制、海上航行、対空防衛、弾道ミサイル探知、そして後にその他多くの用途で使用される中心的な技術となった。レーダーと衛星通信は、パラボラアンテナ（最も一般的なタイプ）、カセグレンアンテナ、レンズアンテナ、スロットアンテナ、フェーズドアレイなど、現代のマイクロ波アンテナの開発を促進した。
短波が物質を素早く加熱し、食品を調理する能力は、1930年代にウェスティングハウスのイリア・E・ムロムツェフによって研究され、1933年のシカゴ万国博覧会では60MHzの無線送信機で料理を調理するデモンストレーションが行われた 。[ 44 ] 1945年、レイセオンでレーダー開発に携わっていたエンジニアのパーシー・スペンサーは、マグネトロン発振器からのマイクロ波放射がポケットの中のキャンディーバーを溶かすことに気づいた。彼はマイクロ波を使った調理を研究し、食品が入った密閉された金属空洞にマイクロ波を送り込むマグネトロンからなる電子レンジを発明し、1945年10月8日にレイセオンによって特許が取得された。電子レンジは高価だったため、当初は業務用厨房で使用されていたが、1986年までに米国の世帯の約25%が所有するようになった。マイクロ波加熱は、プラスチック製造などの産業で工業プロセスとして、またマイクロ波温熱療法で癌細胞を殺す医療療法として広く使用されるようになった。
1943年にルドルフ・コンプフナーとジョン・ピアースによって開発された進行波管（TWT）は、最大50GHzまでの高出力可変マイクロ波源を提供し、（電子レンジで広く使われているマグネトロンを除けば）最も広く使われているマイクロ波管となった。ロシアで開発されたジャイロトロン管ファミリーは、ミリ波周波数までメガワット級の出力を生成でき、工業用加熱やプラズマ研究、粒子加速器や核融合炉の動力源として利用されている。
1950年代の半導体エレクトロニクスの発展により、負性抵抗という新しい原理で動作する最初の固体マイクロ波デバイスが誕生しました（戦前のマイクロ波管の一部も負性抵抗を使用していました）。[ 30 ]低周波数で使用されていたフィードバック発振器と2ポート増幅器はマイクロ波周波数では不安定になり、ダイオードなどの1ポートデバイスに基づく負性抵抗発振器と増幅器の方がうまく機能しました。
1957年に日本の物理学者レオ・エサキによって発明されたトンネルダイオードは、数ミリワットのマイクロ波電力を生成することができた。その発明は、マイクロ波発振器として使用できるより優れた負性抵抗半導体デバイスの探索を引き起こし、1956年にWTリードとラルフ・L・ジョンストンによってIMPATTダイオードが、1962年にJBガンによってガンダイオードが発明された。[ 30 ]ダイオードは今日、最も広く使用されているマイクロ波源である。
2 つの低雑音固体負性抵抗マイクロ波増幅器が開発されました。1 つは1953 年にCharles H. Townes、James P. Gordon、およびHJ Zeigerによって発明されたメーザー、もう1 つは 1956 年に Marion Hines によって開発されたバラクタパラメトリック増幅器です。 [ 30 ]パラメトリック増幅器と、 HED Scovilが率いるベル研究所のチームが 1958 年に発明したルビーメーザーは、電波望遠鏡や衛星地上局の低雑音マイクロ波受信機に使用されました。メーザーは、 2 つのエネルギー準位間で電子遷移を起こしている原子から放出される正確なマイクロ波周波数を使用して時間を刻む原子時計の開発につながりました。負性抵抗増幅器回路には、サーキュレータ、アイソレータ、方向性結合器などの新しい非相反導波管コンポーネントの発明が必要でした。1969 年に、黒川兼之は負性抵抗回路の安定性に関する数学的条件を導出し、これがマイクロ波発振器設計の基礎となりました。[ 45 ]
1980年代以前は、マイクロ波デバイスや回路は大型で高価だったため、マイクロ波周波数は一般的に送信機の出力段と受信機のRFフロントエンドに限定され、信号は処理のために低い中間周波数にヘテロダイン変換されていました。1970年代から現在にかけて、回路基板に実装可能な小型で安価なアクティブ固体マイクロ波部品が開発され、回路がマイクロ波周波数で高度な信号処理を実行できるようになりました。これにより、衛星テレビ、ケーブルテレビ、GPS機器、そしてマイクロ波を使用してネットワークに接続するスマートフォン、Wi-Fi、Bluetoothなどの最新の無線機器が実現しました。
マイクロストリップは、マイクロ波周波数で使用可能な伝送線路の一種で、1950年代にプリント回路で発明されました。 [ 30 ]プリント回路基板上にさまざまな形状を安価に製造できるようになったことで、コンデンサ、インダクタ、共振スタブ、スプリッタ、方向性結合器、ダイプレクサ、フィルタ、アンテナのマイクロストリップ版が作られるようになり、小型のマイクロ波回路を構築できるようになりました。[ 30 ]
マイクロ波周波数で動作するトランジスタは1970年代に開発されました。半導体ガリウムヒ素（GaAs）はシリコンよりもはるかに高い電子移動度を持つため[ 30 ]、この材料で製造されたデバイスはシリコン製の同様のデバイスの4倍の周波数で動作できます。1970年代からGaAsは最初のマイクロ波トランジスタの製造に使用され[ 30 ]、それ以来マイクロ波半導体を支配してきました。MESFET（金属半導体電界効果トランジスタ）は、ゲートにショットキー接合を使用する高速GaAs電界効果トランジスタで、1968年から開発され、カットオフ周波数100GHzに達し、現在では最も広く使用されているアクティブマイクロ波デバイスです[ 30 ] 。より高い周波数制限を持つ別のトランジスタファミリーは、ヘテロ接合技術を使用してAlGaAsとGaAsの2つの異なる半導体で作られた電界効果トランジスタであるHEMT（高電子移動度トランジスタ）と、同様のHBT（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）です[ 30 ] 。
GaAsは半絶縁性にすることができるため、受動部品やトランジスタを含む回路をリソグラフィで製造するための基板として使用できます。 [ 30 ] 1976年までに、これによりマイクロ波周波数で動作する最初の集積回路（IC）であるモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）が誕生しました。[ 30 ]「モノリシック」という言葉は、マイクロストリップPCB回路（「マイクロ波集積回路」（MIC）と呼ばれていた）と区別するために追加されました。それ以来、シリコンMMICも開発されています。今日、MMICはアナログおよびデジタル高周波エレクトロニクスの両方の主力となり、シングルチップマイクロ波受信機、広帯域増幅器、モデム、マイクロプロセッサの製造を可能にしています。
