Microonda - Microwave

Una torre de telecomunicaciones con una variedad de antenas parabólicas para enlaces de relé de microondas en Frazier Peak , Condado de Ventura, California . Las aberturas de los platos están cubiertas por láminas de plástico ( radomos ) para evitar la humedad.

El microondas es una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda que van desde aproximadamente un metro hasta un milímetro correspondiente afrecuencias entre 300 MHz y 300 GHz respectivamente. Las diferentes fuentes definen diferentes rangos de frecuencia como microondas; la definición amplia anterior incluye las bandas UHF y EHF ( onda milimétrica ). Una definición más común en la ingeniería de radiofrecuencia es el rango entre 1 y 100 GHz (longitudes de onda entre 0,3 my 3 mm). En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda SHF (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo. Las frecuencias en el rango de microondas se refieren a menudo por sus bandas radar IEEE designaciones: S , C , X , K u , K , o K una banda , o por similares designaciones de la OTAN o de la UE.

El prefijo micro- en microondas no pretende sugerir una longitud de onda en el rango de micrómetros . Más bien, indica que las microondas son "pequeñas" (que tienen longitudes de onda más cortas), en comparación con las ondas de radio utilizadas antes de la tecnología de microondas. Los límites entre el infrarrojo lejano , la radiación de terahercios , las microondas y las ondas de radio de frecuencia ultra alta son bastante arbitrarios y se utilizan de diversas formas entre diferentes campos de estudio.

Las microondas viajan por línea de visión ; a diferencia de las ondas de radio de frecuencia más baja que hacen colinas alrededor no difractan, siguen la superficie de la tierra como las ondas de superficie , reflejan desde la ionosfera , enlaces de comunicación por microondas de modo terrestres están limitados por el horizonte visual a unos 40 millas (64 km). En el extremo superior de la banda, son absorbidos por los gases de la atmósfera, lo que limita las distancias prácticas de comunicación a alrededor de un kilómetro. Las microondas son ampliamente utilizados en la tecnología moderna, por ejemplo, en punto a punto de enlaces de comunicación, redes inalámbricas , de radioenlace de microondas redes, radar , satélite y naves espaciales comunicación , médico diatermia y tratamiento del cáncer, la teledetección , radioastronomía , aceleradores de partículas , espectroscopía , calefacción industrial, sistemas para evitar colisiones , abre-puertas de garaje y sistemas de entrada sin llave , y para cocinar alimentos en hornos microondas .

Espectro electromagnético

Las microondas ocupan un lugar en el espectro electromagnético con una frecuencia por encima de las ondas de radio ordinarias y por debajo de la luz infrarroja :

Espectro electromagnético
Nombre Longitud de onda Frecuencia (Hz) Energía fotónica ( eV )
Rayo gamma <0,02 nm > 15 E Hz > 62,1 ke V
radiografía 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 P Hz 124 keV - 124 eV
Ultravioleta 10 nm - 400 nm 30 PHz - 750 THz 124 eV - 3 eV
Luz visible 390 nm - 750 nm 770 THz - 400 THz 3,2 eV - 1,7 eV
Infrarrojo 750 nm - 1 mm 400 THz - 300 GHz 1,7 eV - 1,24 me V
Microonda 1 mm - 1 m 300 GHz - 300 MHz 1,24 meV - 1,24 µe V
Radio 1 m - 100 km 300 MHz - 3 kHz 1,24 µe V - 12,4 fe V

En las descripciones del espectro electromagnético , algunas fuentes clasifican las microondas como ondas de radio, un subconjunto de la banda de ondas de radio; mientras que otros clasifican las microondas y las ondas de radio como distintos tipos de radiación. Ésta es una distinción arbitraria.

Propagación

La atenuación atmosférica de las microondas y la radiación infrarroja lejana en aire seco con un nivel de vapor de agua precipitable de 0,001 mm. Los picos descendentes en el gráfico corresponden a frecuencias en las que las microondas se absorben con más fuerza. Este gráfico incluye un rango de frecuencias de 0 a 1 THz; las microondas son el subconjunto en el rango entre 0,3 y 300 gigahercios.

Las microondas viajan únicamente por caminos de visibilidad directa; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, no viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra ni se reflejan en la ionosfera ( ondas del cielo ). Aunque en el extremo inferior de la banda pueden atravesar las paredes del edificio lo suficiente para una recepción útil, generalmente se requieren derechos de paso despejados a la primera zona de Fresnel . Por lo tanto, en la superficie de la Tierra, los enlaces de comunicación de microondas están limitados por el horizonte visual a unas 30 a 40 millas (48 a 64 km). Las microondas son absorbidas por la humedad de la atmósfera y la atenuación aumenta con la frecuencia, convirtiéndose en un factor significativo ( desvanecimiento por lluvia ) en el extremo superior de la banda. A partir de aproximadamente 40 GHz, los gases atmosféricos también comienzan a absorber microondas, por lo que por encima de esta frecuencia la transmisión de microondas se limita a unos pocos kilómetros. Una estructura de banda espectral provoca picos de absorción en frecuencias específicas (ver gráfico a la derecha). Por encima de los 100 GHz, la absorción de radiación electromagnética por la atmósfera de la Tierra es tan grande que en efecto es opaca , hasta que la atmósfera se vuelve transparente nuevamente en los llamados rangos de frecuencia de la ventana óptica e infrarroja .

Troposcatter

En un rayo de microondas dirigido en ángulo hacia el cielo, una pequeña cantidad de energía se dispersará aleatoriamente a medida que el rayo atraviese la troposfera . Un receptor sensible más allá del horizonte con una antena de alta ganancia enfocada en esa área de la troposfera puede captar la señal. Esta técnica se ha utilizado en frecuencias entre 0,45 y 5 GHz en sistemas de comunicación de dispersión troposférica (troposcatter) para comunicarse más allá del horizonte, a distancias de hasta 300 km.

Antenas

La guía de ondas se utiliza para transportar microondas. Ejemplo de guías de ondas y diplexor en un radar de control de tráfico aéreo

Las longitudes de onda cortas de las microondas permiten que las antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles se hagan muy pequeñas, de 1 a 20 centímetros de largo, por lo que las frecuencias de microondas se utilizan ampliamente para dispositivos inalámbricos como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos y acceso a LAN inalámbricas (Wi-Fi). para portátiles y auriculares Bluetooth . Las antenas utilizadas incluyen antenas de látigo corto , antenas de patito de goma , dipolos de manga , antenas de parche y, cada vez más, la antena F invertida de circuito impreso (PIFA) que se utiliza en los teléfonos móviles.

Su longitud de onda corta también permite que se produzcan haces estrechos de microondas mediante antenas de alta ganancia convenientemente pequeñas de medio metro a 5 metros de diámetro. Por lo tanto, los haces de microondas se utilizan para enlaces de comunicación punto a punto y para radares . Una ventaja de los haces estrechos es que no interfieren con los equipos cercanos que utilizan la misma frecuencia, lo que permite la reutilización de frecuencias por parte de los transmisores cercanos. Las antenas parabólicas ("plato") son las antenas directivas más utilizadas en las frecuencias de microondas, pero también se utilizan antenas de bocina , antenas de ranura y antenas de lentes dieléctricas . Las antenas planas de microbanda se utilizan cada vez más en dispositivos de consumo. Otra antena directiva práctica en frecuencias de microondas es la matriz en fase , una matriz de antenas controlada por computadora que produce un haz que puede dirigirse electrónicamente en diferentes direcciones.

A frecuencias de microondas, las líneas de transmisión que se utilizan para transportar ondas de radio de baja frecuencia hacia y desde antenas, como cables coaxiales y líneas de cables paralelos , tienen pérdidas de potencia excesivas, por lo que cuando se requiere baja atenuación, las microondas son transportadas por tubos metálicos llamados guías de ondas . Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento de los recorridos de guías de ondas, en muchas antenas de microondas la etapa de salida del transmisor o el extremo frontal de RF del receptor se encuentra en la antena.

Diseño y análisis

El término microondas también tiene un significado más técnico en electromagnetismo y teoría de circuitos . Los aparatos y las técnicas pueden describirse cualitativamente como "microondas" cuando las longitudes de onda de las señales son aproximadamente las mismas que las dimensiones del circuito, de modo que la teoría del circuito de elementos agrupados es inexacta y, en cambio , los elementos del circuito distribuido y la teoría de la línea de transmisión son más útiles. métodos de diseño y análisis.

Como consecuencia, los circuitos de microondas prácticos tienden a alejarse de las resistencias , condensadores e inductores discretos que se utilizan con ondas de radio de baja frecuencia . Las líneas de transmisión de cable abierto y coaxiales utilizadas en frecuencias más bajas se reemplazan por guías de ondas y líneas de banda , y los circuitos sintonizados de elementos agrupados se reemplazan por resonadores de cavidad o terminales resonantes . A su vez, a frecuencias aún más altas, donde la longitud de onda de las ondas electromagnéticas se vuelve pequeña en comparación con el tamaño de las estructuras utilizadas para procesarlas, las técnicas de microondas se vuelven inadecuadas y se utilizan los métodos de la óptica .

Fuentes de microondas

Vista en corte dentro de un magnetrón de cavidad como se usa en un horno de microondas (izquierda) . Divisor de antena: las técnicas de microbanda se vuelven cada vez más necesarias a frecuencias más altas (derecha) .
Pistola de velocidad de radar desmontada . El conjunto gris unido al extremo de la antena de bocina de color cobre es el diodo Gunn que genera las microondas.

Las fuentes de microondas de alta potencia utilizan tubos de vacío especializados para generar microondas. Estos dispositivos operan con principios diferentes a los de los tubos de vacío de baja frecuencia, utilizando el movimiento balístico de los electrones en el vacío bajo la influencia del control de campos eléctricos o magnéticos, e incluyen el magnetrón (usado en hornos de microondas ), klystron , tubo de onda viajera ( TWT) y gyrotron . Estos dispositivos funcionan en el modo de densidad modulada, en lugar del modo de modulación actual . Esto significa que funcionan sobre la base de grupos de electrones que vuelan balísticamente a través de ellos, en lugar de utilizar una corriente continua de electrones.

Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como el transistor de efecto de campo (al menos a frecuencias más bajas), diodos túnel , diodos Gunn y diodos IMPATT . Las fuentes de bajo consumo están disponibles como instrumentos de sobremesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos integrables y en formatos a nivel de tarjeta. Un maser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares al láser , que amplifica las ondas de luz de mayor frecuencia.

Todos los objetos calientes emiten radiación de cuerpo negro de microondas de bajo nivel , dependiendo de su temperatura , por lo que en meteorología y teledetección , los radiómetros de microondas se utilizan para medir la temperatura de los objetos o del terreno. El sol y otras fuentes de radio astronómicas como Cassiopeia A emiten radiación de microondas de bajo nivel que transporta información sobre su composición, que es estudiada por radioastrónomos utilizando receptores llamados radiotelescopios . La radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), por ejemplo, es un ruido de microondas débil que llena el espacio vacío, que es una fuente importante de información sobre la teoría del Big Bang de la cosmología sobre el origen del Universo .

Usos de microondas

La tecnología de microondas se utiliza ampliamente para telecomunicaciones punto a punto (es decir, usos que no son de radiodifusión). Las microondas son especialmente adecuadas para este uso, ya que se enfocan más fácilmente en haces más estrechos que las ondas de radio, lo que permite la reutilización de frecuencias ; sus frecuencias comparativamente más altas permiten un ancho de banda amplio y altas velocidades de transmisión de datos , y los tamaños de antena son más pequeños que en las frecuencias más bajas porque el tamaño de la antena es inversamente proporcional a la frecuencia de transmisión. Las microondas se utilizan en las comunicaciones de las naves espaciales, y gran parte de las comunicaciones de datos, televisión y teléfono del mundo se transmiten a largas distancias por microondas entre las estaciones terrestres y los satélites de comunicaciones . Las microondas también se emplean en hornos microondas y en tecnología de radar .

Comunicación

Una antena parabólica en una residencia, que recibe televisión por satélite a través de un haz de microondas de banda K u de 12–14 GHz desde un satélite de comunicaciones de transmisión directa en una órbita geoestacionaria a 35.700 kilómetros (22.000 millas) sobre la Tierra

Antes del advenimiento de la transmisión por fibra óptica , la mayoría de las llamadas telefónicas de larga distancia se realizaban a través de redes de enlaces de radioenlaces de microondas operadas por operadores como AT&T Long Lines . A principios de la década de 1950, se utilizó la multiplexación por división de frecuencia para enviar hasta 5400 canales telefónicos en cada canal de radio de microondas, con hasta diez canales de radio combinados en una antena para el salto al siguiente sitio, hasta a 70 km de distancia.

Los protocolos de LAN inalámbrica , como Bluetooth y las especificaciones IEEE 802.11 utilizadas para Wi-Fi, también utilizan microondas en la banda ISM de 2,4 GHz , aunque 802.11a utiliza la banda ISM y frecuencias U-NII en el rango de 5 GHz. Los servicios de acceso a Internet inalámbrico de largo alcance (hasta unos 25 km) con licencia se han utilizado durante casi una década en muchos países en el rango de 3,5–4,0 GHz. La FCC recientemente creó espectro para los operadores que desean ofrecer servicios en este rango en los EE. UU., Con énfasis en 3,65 GHz. Decenas de proveedores de servicios en todo el país están asegurando o ya han recibido licencias de la FCC para operar en esta banda. Las ofertas de servicios WIMAX que se pueden realizar en la banda de 3,65 GHz brindarán a los clientes comerciales otra opción de conectividad.

Los protocolos de la red de área metropolitana (MAN), como WiMAX (Interoperabilidad mundial para acceso por microondas), se basan en estándares como IEEE 802.16 , diseñados para operar entre 2 y 11 GHz. Las implementaciones comerciales están en los rangos de 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,5 GHz y 5,8 GHz.

Los protocolos de acceso inalámbrico de banda ancha móvil (MBWA) basados ​​en especificaciones de estándares como IEEE 802.20 o ATIS / ANSI HC-SDMA (como iBurst ) operan entre 1.6 y 2.3 GHz para brindar movilidad y características de penetración en edificios similares a los teléfonos móviles pero con una gran mayor eficiencia espectral.

Algunas redes de telefonía móvil , como GSM , utilizan las frecuencias de microondas bajas / UHF altas alrededor de 1.8 y 1.9 GHz en las Américas y en otros lugares, respectivamente. DVB-SH y S-DMB usan 1.452 a 1.492 GHz, mientras que la radio satelital patentada / incompatible en los EE. UU. Usa alrededor de 2.3 GHz para DARS .

La radio de microondas se utiliza en transmisiones de radiodifusión y telecomunicaciones porque, debido a su longitud de onda corta, las antenas altamente direccionales son más pequeñas y, por lo tanto, más prácticas de lo que serían en longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas). También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio; el ancho de banda utilizable por debajo de 300 MHz es inferior a 300 MHz, mientras que muchos GHz pueden utilizarse por encima de 300 MHz. Normalmente, las microondas se utilizan en las noticias de televisión para transmitir una señal desde una ubicación remota a una estación de televisión desde una camioneta especialmente equipada. Consulte servicio auxiliar de transmisión (BAS), unidad de captación remota (RPU) y enlace de estudio / transmisor (STL).

La mayoría de los sistemas de comunicaciones por satélite operan en las bandas C, X, K a o K u del espectro de microondas. Estas frecuencias permiten un gran ancho de banda al tiempo que evitan las frecuencias UHF abarrotadas y se mantienen por debajo de la absorción atmosférica de las frecuencias EHF. La televisión por satélite opera en la banda C para el tradicional servicio de satélite fijo de antena grande o en la banda K u para la transmisión directa por satélite . Las comunicaciones militares se ejecutan principalmente a través de enlaces de banda X o K u , y la banda K se utiliza para Milstar .

Navegación

Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), incluido el Beidou chino , el sistema de posicionamiento global estadounidense (introducido en 1978) y el GLONASS ruso, transmiten señales de navegación en varias bandas entre aproximadamente 1,2 GHz y 1,6 GHz.

Radar

La antena parabólica (superficie curva inferior) de un radar de vigilancia de aeropuerto ASR-9 que irradia un haz de microondas vertical estrecho en forma de abanico de 2,7–2,9 GHz ( banda S ) para localizar aeronaves en el espacio aéreo que rodea un aeropuerto.

El radar es una técnica de radiolocalización en la que un haz de ondas de radio emitido por un transmisor rebota en un objeto y regresa a un receptor, lo que permite determinar la ubicación, el alcance, la velocidad y otras características del objeto. La longitud de onda corta de las microondas provoca grandes reflejos en objetos del tamaño de vehículos de motor, barcos y aviones. Además, en estas longitudes de onda, las antenas de alta ganancia, como las antenas parabólicas, que se requieren para producir los anchos de haz estrechos necesarios para ubicar objetos con precisión, son convenientemente pequeñas, lo que les permite girar rápidamente para buscar objetos. Por lo tanto, las frecuencias de microondas son las principales frecuencias utilizadas en el radar. El radar de microondas se usa ampliamente para aplicaciones como control de tráfico aéreo , pronóstico del tiempo, navegación de barcos y aplicación de límites de velocidad . Los radares de larga distancia utilizan las frecuencias de microondas más bajas, ya que en el extremo superior de la banda la absorción atmosférica limita el alcance, pero las ondas milimétricas se utilizan para los radares de corto alcance, como los sistemas para evitar colisiones .

Algunas de las antenas parabólicas del Atacama Large Millimeter Array (ALMA), un radiotelescopio ubicado en el norte de Chile. Recibe microondas en el rango de ondas milimétricas , 31 - 1000 GHz.
Mapas de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), que muestran la resolución mejorada que se ha logrado con mejores radiotelescopios de microondas.

Astronomía radial

Microondas emitidas por fuentes de radio astronómicas ; Los planetas, estrellas, galaxias y nebulosas se estudian en radioastronomía con grandes antenas parabólicas llamadas radiotelescopios . Además de recibir radiación de microondas de origen natural, los radiotelescopios se han utilizado en experimentos de radar activo para hacer rebotar microondas en planetas del sistema solar, determinar la distancia a la Luna o trazar un mapa de la superficie invisible de Venus a través de la capa de nubes.

Un radiotelescopio de microondas recientemente terminado es el Atacama Large Millimeter Array , ubicado a más de 5,000 metros (16,597 pies) de altitud en Chile, observa el universo en los rangos de longitud de onda milimétrica y submilimétrica . El proyecto de astronomía terrestre más grande del mundo hasta la fecha, consta de más de 66 platos y fue construido en una colaboración internacional entre Europa, América del Norte, Asia Oriental y Chile.

Un enfoque importante reciente de la radioastronomía de microondas ha sido el mapeo de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR) descubierta en 1964 por los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson . Esta tenue radiación de fondo, que llena el universo y es casi la misma en todas las direcciones, es una "radiación reliquia" del Big Bang y es una de las pocas fuentes de información sobre las condiciones del universo primitivo. Debido a la expansión y, por tanto, al enfriamiento del Universo, la radiación originalmente de alta energía se ha desplazado a la región de microondas del espectro de radio. Los radiotelescopios suficientemente sensibles pueden detectar el CMBR como una señal débil que no está asociada con ninguna estrella, galaxia u otro objeto.

Aplicación de calefacción y energía

Pequeño horno de microondas en una encimera de cocina
Las microondas se utilizan ampliamente para calentar en procesos industriales. Un horno de túnel de microondas para ablandar varillas de plástico antes de la extrusión.

Un horno de microondas pasa radiación de microondas a una frecuencia cercana a los 2,45 GHz (12 cm) a través de los alimentos, lo que provoca un calentamiento dieléctrico principalmente por absorción de la energía en el agua. Los hornos microondas se convirtieron en aparatos de cocina comunes en los países occidentales a finales de la década de 1970, tras el desarrollo de magnetrones de cavidad menos costosos . El agua en estado líquido posee muchas interacciones moleculares que amplían el pico de absorción. En la fase de vapor, las moléculas de agua aisladas se absorben a unos 22 GHz, casi diez veces la frecuencia del horno de microondas.

El calentamiento por microondas se utiliza en procesos industriales para secar y curar productos.

Muchas técnicas de procesamiento de semiconductores utilizan microondas para generar plasma con fines tales como grabado con iones reactivos y deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD).

Las microondas se utilizan en estelarizadores y reactores de fusión experimentales tokamak para ayudar a descomponer el gas en plasma y calentarlo a temperaturas muy altas. La frecuencia se sintoniza con la resonancia del ciclotrón de los electrones en el campo magnético, en cualquier lugar entre 2 y 200 GHz, por lo que a menudo se denomina calentamiento por resonancia de ciclotrón de electrones (ECRH). El próximo reactor termonuclear ITER utilizará hasta 20 MW de microondas de 170 GHz.

Las microondas se pueden utilizar para la potencia de transmisión a largas distancias, y posterior a la Primera Guerra Mundial 2 se realizó la investigación para examinar las posibilidades. La NASA trabajó en la década de 1970 y principios de la de 1980 para investigar las posibilidades de usar sistemas de satélites de energía solar (SPS) con grandes paneles solares que transmitirían energía a la superficie de la Tierra a través de microondas.

Existe armamento menos que letal que usa ondas milimétricas para calentar una capa delgada de piel humana a una temperatura intolerable para hacer que la persona objetivo se aleje. Una ráfaga de dos segundos del rayo enfocado de 95 GHz calienta la piel a una temperatura de 54 ° C (129 ° F) a una profundidad de 0,4 milímetros ( 164  in). La Fuerza Aérea y los Marines de los Estados Unidos están utilizando actualmente este tipo de sistema de denegación activa en instalaciones fijas.

Espectroscopia

La radiación de microondas se utiliza en la resonancia paramagnética electrónica (EPR o ESR) espectroscopia, típicamente en la región de banda X (~ 9 GHz) en conjunción típicamente con campos magnéticos de 0,3 T. Esta técnica proporciona información sobre desapareados electrones en los sistemas químicos, tales como radicales libres o iones de metales de transición como Cu (II). La radiación de microondas también se usa para realizar espectroscopía rotacional y se puede combinar con la electroquímica como en la electroquímica mejorada por microondas .

Bandas de frecuencia de microondas

Las bandas de frecuencias en el espectro de microondas se designan con letras. Desafortunadamente, existen varios sistemas de designación de bandas incompatibles, e incluso dentro de un sistema, los rangos de frecuencia correspondientes a algunas de las letras varían algo entre los diferentes campos de aplicación. El sistema de letras tuvo su origen en la Segunda Guerra Mundial en una clasificación de alto secreto estadounidense de bandas utilizadas en los equipos de radar; este es el origen del sistema de letras más antiguo, las bandas de radar IEEE. Un conjunto de designaciones de bandas de frecuencia de microondas por la Sociedad de Radio de Gran Bretaña (RSGB), se tabula a continuación:

Bandas de frecuencia de microondas
Designacion Rango de frecuencia Rango de onda Usos típicos
Banda L 1 a 2 GHz 15 cm hasta 30 cm telemetría militar, GPS, teléfonos móviles (GSM), radioaficionado
Banda S 2 a 4 GHz 7.5 cm hasta 15 cm radar meteorológico, radar de superficie para barcos, algunos satélites de comunicaciones, hornos microondas, dispositivos / comunicaciones de microondas, radioastronomía, teléfonos móviles, LAN inalámbrica, Bluetooth, ZigBee, GPS, radioaficionado
Banda C 4 a 8 GHz 3,75 cm a 7,5 cm telecomunicaciones de radio de larga distancia
Banda X De 8 a 12 GHz 25 mm hasta 37,5 mm comunicaciones por satélite, radar, banda ancha terrestre, comunicaciones espaciales, radioafición, espectroscopia de rotación molecular
Banda k u 12 a 18 GHz De 16,7 mm a 25 mm comunicaciones por satélite, espectroscopia rotacional molecular
Banda K 18 a 26,5 GHz 11,3 mm hasta 16,7 mm radar, comunicaciones por satélite, observaciones astronómicas, radar automotriz, espectroscopia rotacional molecular
K una banda 26,5 a 40 GHz 5,0 mm hasta 11,3 mm comunicaciones por satélite, espectroscopia rotacional molecular
Banda Q 33 a 50 GHz 6,0 mm a 9,0 mm comunicaciones por satélite, comunicaciones terrestres por microondas, radioastronomía, radar automotriz, espectroscopia de rotación molecular
Banda U 40 a 60 GHz 5,0 mm hasta 7,5 mm
Banda V 50 a 75 GHz 4,0 mm hasta 6,0 mm Investigación de radar de ondas milimétricas, espectroscopia rotacional molecular y otros tipos de investigación científica.
Banda W 75 hasta 110 GHz 2,7 mm hasta 4,0 mm comunicaciones por satélite, investigación de radares de ondas milimétricas, aplicaciones de seguimiento y orientación de radares militares, y algunas aplicaciones no militares, radares de automoción
Banda F 90 a 140 GHz 2,1 mm hasta 3,3 mm Transmisiones SHF: Radioastronomía, dispositivos / comunicaciones de microondas, LAN inalámbrica, la mayoría de los radares modernos, satélites de comunicaciones, transmisión de televisión por satélite, DBS , radioafición
Banda D 110 a 170 GHz 1,8 mm hasta 2,7 mm Transmisiones EHF: Radioastronomía, relé de radio de microondas de alta frecuencia, detección remota de microondas, radioaficionado, arma de energía dirigida, escáner de ondas milimétricas

Existen otras definiciones.

El término banda P a veces se usa para frecuencias UHF por debajo de la banda L, pero ahora está obsoleto según IEEE Std 521.

Cuando los radares se desarrollaron por primera vez en la banda K durante la Segunda Guerra Mundial, no se sabía que había una banda de absorción cercana (debido al vapor de agua y el oxígeno en la atmósfera). Para evitar este problema, la banda K original se dividió en una banda inferior, K u , y una banda superior, K a .

Medida de frecuencia de microondas

Medidor de ondas de absorción para medir en la banda K u .

La frecuencia de microondas se puede medir mediante técnicas electrónicas o mecánicas.

Se pueden utilizar contadores de frecuencia o sistemas heterodinos de alta frecuencia . Aquí la frecuencia desconocida se compara con armónicos de una frecuencia más baja conocida mediante el uso de un generador de baja frecuencia, un generador de armónicos y un mezclador. La precisión de la medición está limitada por la precisión y estabilidad de la fuente de referencia.

Los métodos mecánicos requieren un resonador sintonizable, como un medidor de ondas de absorción , que tiene una relación conocida entre una dimensión física y una frecuencia.

En un entorno de laboratorio, las líneas de Lecher se pueden usar para medir directamente la longitud de onda en una línea de transmisión hecha de cables paralelos, luego se puede calcular la frecuencia. Una técnica similar consiste en utilizar una guía de ondas ranurada o una línea coaxial ranurada para medir directamente la longitud de onda. Estos dispositivos consisten en una sonda introducida en la línea a través de una ranura longitudinal para que la sonda se mueva libremente hacia arriba y hacia abajo de la línea. Las líneas ranuradas están diseñadas principalmente para medir la relación de onda estacionaria de voltaje en la línea. Sin embargo, siempre que haya una onda estacionaria , también se pueden usar para medir la distancia entre los nodos , que es igual a la mitad de la longitud de onda. La precisión de este método está limitada por la determinación de las ubicaciones nodales.

Efectos sobre la salud

Las microondas son radiación no ionizante , lo que significa que los fotones de microondas no contienen suficiente energía para ionizar moléculas o romper enlaces químicos, o causar daño al ADN, como pueden hacerlo las radiaciones ionizantes como los rayos X o los ultravioleta . La palabra "radiación" se refiere a la energía que irradia una fuente y no a la radiactividad . El principal efecto de la absorción de microondas es calentar materiales; los campos electromagnéticos hacen vibrar las moléculas polares. No se ha demostrado de manera concluyente que las microondas (u otras radiaciones electromagnéticas no ionizantes ) tengan efectos biológicos adversos significativos a niveles bajos. Algunos estudios, aunque no todos, sugieren que la exposición prolongada puede tener un efecto cancerígeno .

Durante la Segunda Guerra Mundial , se observó que las personas en la trayectoria de radiación de las instalaciones de radar experimentaron clics y zumbidos en respuesta a la radiación de microondas. La investigación de la NASA en la década de 1970 ha demostrado que esto se debe a la expansión térmica en partes del oído interno. En 1955, el Dr. James Lovelock pudo reanimar ratas enfriadas a 0-1 ° C usando diatermia por microondas.

Cuando ocurre una lesión por exposición a microondas, generalmente es el resultado del calentamiento dieléctrico inducido en el cuerpo. La exposición a la radiación de microondas puede producir cataratas por este mecanismo, porque el calentamiento por microondas desnaturaliza las proteínas en el cristalino del ojo (de la misma manera que el calor hace que las claras de huevo se vuelvan blancas y opacas). El cristalino y la córnea del ojo son especialmente vulnerables porque no contienen vasos sanguíneos que puedan llevar el calor. La exposición a altas dosis de radiación de microondas (por ejemplo, de un horno que ha sido manipulado para permitir el funcionamiento incluso con la puerta abierta) también puede producir daño por calor en otros tejidos, hasta e incluyendo quemaduras graves que pueden no ser inmediatamente evidentes debido a la tendencia de las microondas a calentar tejidos más profundos con mayor contenido de humedad.

Eleanor R. Adair realizó una investigación sobre la salud de las microondas al exponerse a sí misma, a los animales y a los humanos a niveles de microondas que los hacían sentir calientes o incluso empezar a sudar y sentirse bastante incómodos. No encontró efectos adversos para la salud aparte del calor.

Historia

Óptica hertziana

Las microondas se generaron por primera vez en la década de 1890 en algunos de los primeros experimentos de radio realizados por físicos que pensaban en ellas como una forma de "luz invisible". James Clerk Maxwell en su teoría del electromagnetismo de 1873 , ahora llamada ecuaciones de Maxwell , había predicho que un campo eléctrico y un campo magnético acoplados podrían viajar a través del espacio como una onda electromagnética , y propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. En 1888, el físico alemán Heinrich Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas de radio utilizando un primitivo transmisor de radio de chispa . Hertz y los otros investigadores de radio tempranos estaban interesados ​​en explorar las similitudes entre las ondas de radio y las ondas de luz, para probar la teoría de Maxwell. Se concentraron en producir ondas de radio de longitud de onda corta en los rangos de UHF y microondas, con las que pudieron duplicar experimentos de óptica clásica en sus laboratorios, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes de parafina , azufre y rejillas de difracción de tono y alambre , para refractar y difractan las ondas de radio como rayos de luz. Hertz produjo ondas de hasta 450 MHz; Este transmisor direccional de 450 MHz consistía en una antena dipolo de varilla de latón de 26 cm con un espacio de chispa entre los extremos, suspendida en la línea focal de una antena parabólica hecha de una hoja de zinc curvada, alimentada por pulsos de alto voltaje de una bobina de inducción . Sus experimentos históricos demostraron que las ondas de radio como la luz exhibían refracción , difracción , polarización , interferencia y ondas estacionarias , lo que demuestra que las ondas de radio y las ondas de luz eran ambas formas de ondas electromagnéticas de Maxwell .

El transmisor de chispa de microondas de 1,2 GHz (izquierda) y el receptor de coherer (derecha) utilizados por Guglielmo Marconi durante sus experimentos de 1895 tenían un alcance de 6,5 km (4,0 millas)

A partir de 1894, el físico indio Jagadish Chandra Bose realizó los primeros experimentos con microondas. Fue la primera persona en producir ondas milimétricas , generando frecuencias de hasta 60 GHz (5 milímetros) utilizando un oscilador de chispa de bola de metal de 3 mm. Bose también inventó guías de ondas , antenas de bocina y detectores de cristales semiconductores para usar en sus experimentos. Independientemente en 1894, Oliver Lodge y Augusto Righi experimentaron con microondas de 1,5 y 12 GHz respectivamente, generadas por pequeños resonadores de chispas de bolas de metal. El físico ruso Pyotr Lebedev en 1895 generó ondas milimétricas de 50 GHz. En 1897, Lord Rayleigh resolvió el problema matemático del valor límite de las ondas electromagnéticas que se propagan a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria. que dio los modos y la frecuencia de corte de las microondas que se propagan a través de una guía de ondas .

Sin embargo, dado que las microondas se limitaban a las trayectorias de la línea de visión , no podían comunicarse más allá del horizonte visual, y la baja potencia de los transmisores de chispas en uso limitaba su alcance práctico a unas pocas millas. El desarrollo posterior de la comunicación por radio después de 1896 empleó frecuencias más bajas, que podrían viajar más allá del horizonte como ondas terrestres y reflejarse en la ionosfera como ondas del cielo , y las frecuencias de microondas no se exploraron más en este momento.

Primeros experimentos de comunicación por microondas

El uso práctico de las frecuencias de microondas no se produjo hasta las décadas de 1940 y 1950 debido a la falta de fuentes adecuadas, ya que el oscilador electrónico de tubo de vacío de triodo (válvula) utilizado en los transmisores de radio no podía producir frecuencias superiores a unos pocos cientos de megahercios debido al tiempo de tránsito de electrones excesivo. y capacitancia entre electrodos. En la década de 1930, los primeros tubos de vacío de microondas de baja potencia se habían desarrollado utilizando nuevos principios; el tubo de Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo dividido . Estos podían generar unos pocos vatios de potencia a frecuencias de hasta unos pocos gigahercios y se utilizaron en los primeros experimentos de comunicación con microondas.

En 1931, un consorcio anglo-francés encabezado por Andre C. Clavier demostró el primer enlace de retransmisión de microondas experimental , a través del Canal de la Mancha, a 40 millas (64 km) entre Dover , Reino Unido y Calais , Francia. El sistema transmitía datos de telefonía, telégrafo y fax a través de haces bidireccionales de 1,7 GHz con una potencia de medio vatio, producidos por tubos Barkhausen-Kurz en miniatura en el foco de platos metálicos de 10 pies (3 m).

Se necesitaba una palabra para distinguir estas nuevas longitudes de onda más cortas, que anteriormente se habían agrupado en la banda de " onda corta ", que significaba todas las ondas de menos de 200 metros. Los términos ondas cuasi ópticas y ondas ultracortas se utilizaron brevemente, pero no se pusieron de moda . El primer uso de la palabra microondas aparentemente ocurrió en 1931.

Radar

El desarrollo del radar , principalmente en secreto, antes y durante la Segunda Guerra Mundial , resultó en los avances tecnológicos que hicieron que las microondas fueran prácticas. Se requerían longitudes de onda en el rango de centímetros para dar a las pequeñas antenas de radar que eran lo suficientemente compactas para caber en los aviones un ancho de haz lo suficientemente estrecho para localizar los aviones enemigos. Se descubrió que las líneas de transmisión convencionales utilizadas para transportar ondas de radio tenían pérdidas de potencia excesivas en las frecuencias de microondas, y George Southworth en Bell Labs y Wilmer Barrow en MIT inventaron independientemente la guía de ondas en 1936. Barrow inventó la antena de bocina en 1938 como un medio para irradiar de manera eficiente microondas dentro o fuera de una guía de ondas. En un receptor de microondas , se necesitaba un componente no lineal que actuara como detector y mezclador en estas frecuencias, ya que los tubos de vacío tenían demasiada capacitancia. Para satisfacer esta necesidad, los investigadores resucitaron una tecnología obsoleta, el detector de cristal de contacto puntual ( detector de bigotes de gato) que se usó como demodulador en radios de cristal alrededor del cambio de siglo antes de los receptores de tubo de vacío. La baja capacitancia de las uniones de semiconductores les permitió funcionar a frecuencias de microondas. Los primeros diodos modernos de silicio y germanio se desarrollaron como detectores de microondas en la década de 1930, y los principios de la física de semiconductores aprendidos durante su desarrollo llevaron a la electrónica de semiconductores después de la guerra.

Las primeras fuentes poderosas de microondas se inventaron al comienzo de la Segunda Guerra Mundial: el tubo klystron de Russell y Sigurd Varian en la Universidad de Stanford en 1937, y el tubo de magnetrón de cavidad por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 1940. Diez El radar de microondas de centímetro (3 GHz) estaba en uso en aviones de combate británicos a finales de 1941 y demostró ser un cambio de juego. 1940 la decisión británica de compartir su tecnología de microondas con su aliado de Estados Unidos (la Misión Tizard ) acortó significativamente la guerra. El Laboratorio de Radiación del MIT, establecido en secreto en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1940 para investigar el radar, produjo gran parte del conocimiento teórico necesario para usar microondas. Los primeros sistemas de retransmisión de microondas fueron desarrollados por los militares aliados cerca del final de la guerra y se utilizaron para redes de comunicación seguras en el campo de batalla en el teatro europeo.

Después de la Segunda Guerra Mundial

Después de la Segunda Guerra Mundial, las microondas se explotaron comercialmente rápidamente. Debido a su alta frecuencia, tenían una gran capacidad de transporte de información ( ancho de banda ); un solo haz de microondas podría transportar decenas de miles de llamadas telefónicas. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron redes de retransmisión de microondas transcontinentales en Estados Unidos y Europa para intercambiar llamadas telefónicas entre ciudades y distribuir programas de televisión. En la nueva industria de la radiodifusión televisiva , desde la década de 1940 se utilizaron antenas de microondas para transmitir señales de vídeo de retorno desde camiones de producción móviles al estudio, lo que permitió las primeras retransmisiones televisivas remotas . Los primeros satélites de comunicaciones se lanzaron en la década de 1960, que transmitían llamadas telefónicas y televisión entre puntos muy separados de la Tierra utilizando rayos de microondas. En 1964, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, mientras investigaban el ruido en una antena de bocina satelital en Bell Labs , Holmdel, Nueva Jersey, descubrieron la radiación de fondo de microondas cósmica .

Antenas de bocina de banda C en un centro de conmutación telefónica en Seattle, perteneciente a la red de retransmisión de microondas Long Lines de AT&T construida en la década de 1960.
Antena de lente de microondas utilizada en el radar del misil antiaéreo Nike Ajax de 1954
El primer horno de microondas comercial, el Radarange de Amana , en la cocina del portaaviones estadounidense Savannah en 1961

El radar de microondas se convirtió en la tecnología central utilizada en el control del tráfico aéreo , la navegación marítima , la defensa antiaérea , la detección de misiles balísticos y, más tarde, muchos otros usos. Las comunicaciones por radar y por satélite motivaron el desarrollo de antenas de microondas modernas; la antena parabólica (el tipo más común), antena Cassegrain , antena de lente , antena de ranura , y de elementos en fase .

La capacidad de las ondas cortas para calentar rápidamente materiales y cocinar alimentos había sido investigada en la década de 1930 por IF Mouromtseff en Westinghouse, y en la Feria Mundial de Chicago de 1933 demostró cocinar comidas con un transmisor de radio de 60 MHz. En 1945, Percy Spencer , un ingeniero que trabajaba en radar en Raytheon , notó que la radiación de microondas de un oscilador de magnetrón derretía una barra de chocolate en su bolsillo. Se investigó la cocción con microondas e inventó el horno de microondas , que consiste en un magnetrón alimentar microondas en una cavidad de metal cerrada que contiene la comida, que fue patentado por Raytheon, el 8 de octubre de 1945. Debido a sus hornos de microondas de gastos fueron utilizados inicialmente en cocinas institucionales, sino por 1986 aproximadamente el 25% de los hogares en los Estados Unidos poseía uno. El calentamiento por microondas se volvió ampliamente utilizado como proceso industrial en industrias como la fabricación de plásticos y como terapia médica para matar las células cancerosas en la hipertermia por microondas .

El tubo de ondas viajeras (TWT) desarrollado en 1943 por Rudolph Kompfner y John Pierce proporcionó una fuente sintonizable de microondas de alta potencia de hasta 50 GHz y se convirtió en el tubo de microondas más utilizado (además del omnipresente magnetrón utilizado en los hornos de microondas). La familia de tubos gyrotron desarrollada en Rusia podría producir megavatios de potencia en frecuencias de ondas milimétricas y se utiliza en la investigación de plasma y calentamiento industrial , y para impulsar aceleradores de partículas y reactores de fusión nuclear .

Dispositivos de microondas de estado sólido

Oscilador de microondas que consta de un diodo Gunn dentro de un resonador de cavidad , década de 1970
Pistola de velocidad de radar moderna . En el extremo derecho de la antena de bocina de cobre está el diodo Gunn (conjunto gris) que genera las microondas.

El desarrollo de la electrónica de semiconductores en la década de 1950 condujo a los primeros dispositivos de microondas de estado sólido que funcionaban según un nuevo principio; resistencia negativa (algunos de los tubos de microondas anteriores a la guerra también habían usado resistencia negativa). El oscilador de retroalimentación y los amplificadores de dos puertos que se usaban a frecuencias más bajas se volvieron inestables en las frecuencias de microondas, y los osciladores de resistencia negativa y los amplificadores basados ​​en dispositivos de un puerto como los diodos funcionaron mejor.

El diodo túnel inventado en 1957 por el físico japonés Leo Esaki podía producir unos pocos milivatios de potencia de microondas. Su invención inició la búsqueda de mejores dispositivos semiconductores de resistencia negativa para su uso como osciladores de microondas, lo que resultó en la invención del diodo IMPATT en 1956 por WT Read y Ralph L. Johnston y el diodo Gunn en 1962 por JB Gunn . Los diodos son las fuentes de microondas más utilizadas en la actualidad. Se desarrollaron dos amplificadores de microondas de resistencia negativa de estado sólido de bajo ruido ; el rubí maser inventado en 1953 por Charles H. Townes , James P. Gordon y HJ Zeiger , y el amplificador paramétrico varactor desarrollado en 1956 por Marion Hines. Estos se utilizaron para receptores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios y estaciones terrestres de satélite . El máser condujo al desarrollo de relojes atómicos , que mantienen el tiempo utilizando una frecuencia de microondas precisa emitida por átomos que experimentan una transición de electrones entre dos niveles de energía. Los circuitos amplificadores de resistencia negativa requirieron la invención de nuevos componentes de guía de ondas no recíprocos , como circuladores , aisladores y acopladores direccionales . En 1969 Kurokawa derivó condiciones matemáticas para la estabilidad en circuitos de resistencia negativa que formaron la base del diseño del oscilador de microondas.

Circuitos integrados de microondas

Circuito de microbanda de banda k u utilizado en antena parabólica de televisión .

Antes de la década de 1970, los dispositivos y circuitos de microondas eran voluminosos y costosos, por lo que las frecuencias de microondas generalmente se limitaban a la etapa de salida de los transmisores y al extremo frontal de RF de los receptores, y las señales se heterodinaban a una frecuencia intermedia más baja para su procesamiento. El período desde la década de 1970 hasta el presente ha sido testigo del desarrollo de componentes de microondas activos de estado sólido diminutos y económicos que se pueden montar en placas de circuitos, lo que permite que los circuitos realicen un procesamiento de señales significativo a frecuencias de microondas. Esto ha hecho posible la televisión por satélite , la televisión por cable , los dispositivos GPS y los dispositivos inalámbricos modernos, como teléfonos inteligentes , Wi-Fi y Bluetooth, que se conectan a redes mediante microondas.

Microstrip , un tipo de línea de transmisión utilizable a frecuencias de microondas, se inventó con circuitos impresos en la década de 1950. La capacidad de fabricar de forma económica una amplia gama de formas en placas de circuito impreso permitió fabricar versiones de microbandas de condensadores , inductores , terminales resonantes , divisores , acopladores direccionales , diplexores , filtros y antenas, lo que permitió la construcción de circuitos de microondas compactos.

Los transistores que operaban a frecuencias de microondas se desarrollaron en la década de 1970. El semiconductor arseniuro de galio (GaAs) tiene una movilidad de electrones mucho mayor que el silicio, por lo que los dispositivos fabricados con este material pueden operar a 4 veces la frecuencia de dispositivos similares de silicio. A partir de la década de 1970, se utilizó GaAs para fabricar los primeros transistores de microondas, y desde entonces ha dominado los semiconductores de microondas. Los MESFET ( transistores de efecto de campo de semiconductores metálicos ), transistores rápidos de efecto de campo de GaAs que utilizan uniones Schottky para la puerta, se desarrollaron a partir de 1968 y han alcanzado frecuencias de corte de 100 GHz, y ahora son los dispositivos de microondas activos más utilizados. Otra familia de transistores con un límite de frecuencia más alto es el HEMT ( transistor de alta movilidad de electrones ), un transistor de efecto de campo hecho con dos semiconductores diferentes, AlGaAs y GaAs, usando tecnología de heterounión , y el similar HBT ( transistor bipolar de heterounión ).

El GaAs se puede fabricar semiaislante, lo que permite su uso como sustrato sobre el que se pueden fabricar mediante litografía circuitos que contienen componentes pasivos , así como transistores. En 1976, esto condujo a los primeros circuitos integrados (CI) que funcionaban a frecuencias de microondas, llamados circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC). Se añadió la palabra "monolítico" para distinguirlos de los circuitos de PCB de microbanda, que se denominaron "circuitos integrados de microondas" (MIC). Desde entonces también se han desarrollado MMIC de silicio. Hoy en día, los MMIC se han convertido en los caballos de batalla de la electrónica de alta frecuencia tanto analógica como digital, lo que permite la producción de receptores de microondas de un solo chip, amplificadores de banda ancha , módems y microprocesadores .

Ver también

Referencias

enlaces externos