Microonda
Microondas es una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda que van desde aproximadamente un metro a un milímetro correspondiente a frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz respectivamente. Diferentes fuentes definen diferentes rangos de frecuencia como microondas; la amplia definición anterior incluye las bandas UHF y EHF (ondas milimétricas). Una definición más común en la ingeniería de radiofrecuencia es el rango entre 1 y 100 GHz (longitudes de onda entre 0,3 m y 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 a menudo se denominan por sus designaciones de banda de radar IEEE: banda S, C, X, Ku, K o Ka, o por designaciones similares de la OTAN o 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 ultra alta frecuencia son bastante arbitrarios y se utilizan de forma diversa entre los diferentes campos de estudio.
Las microondas viajan por línea de visión; a diferencia de las ondas de radio de frecuencia más baja, no se difractan alrededor de las colinas, no siguen la superficie de la tierra como ondas de superficie ni se reflejan en la ionosfera, por lo que los enlaces de comunicación de microondas terrestres están limitados por el horizonte visual a unas 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 se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, por ejemplo, en enlaces de comunicación punto a punto, redes inalámbricas, redes de retransmisión de radio de microondas, comunicación por radar, satélite y naves espaciales, diatermia médica y tratamiento del cáncer, teledetección, radioastronomía, aceleradores de partículas, espectroscopia., calefacción industrial, sistemas para evitar colisiones, abridores de puertas de garaje y sistemas de entrada sin llave, y para cocinar alimentos en hornos de 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 | Wavelength | Frecuencia (Hz) | Energía de fotones (eV) | |
| Gamma ray | ▪ 0,01 nm | ■ 30 EHz | Ø 124 keV | |
| Rayos X | 0,01 nm – 10 nm | 30 EHz – 30 PHz | 124 keV – 124 eV | |
| Ultravioleta | 10 nm – 400 nm | 30 PHz – 750 THz | 124 eV – 3 eV | |
| Luz visible | 400 nm – 750 nm | 750 THz – 400 THz | 3 eV – 1,7 eV | |
| Infrarrojos | 750 nm – 1 mm | 400 THz – 300 GHz | 1,7 eV – 1,24 meV | |
| Microondas | 1 mm – 1 m | 300 GHz – 300 MHz | 1.24 MeV – 1.24 μeV | |
| Radio | ≥ 1 m | ≤ 300 MHz | ≤ 1,24 μeV | |
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 tipos distintos de radiación. Esta es una distinción arbitraria.
Propagación
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Las microondas viajan únicamente por rutas de línea de visión; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, no viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra o se reflejan en la ionosfera (ondas celestes). Aunque en el extremo inferior de la banda pueden atravesar paredes de edificios lo suficiente para una recepción útil, generalmente se requieren derechos de paso despejados hacia 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 unos 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 parte de la atmósfera terrestre es tan grande que en efecto se vuelve opaca, hasta que la atmósfera vuelve a ser transparente en los llamados rangos de frecuencia de ventana óptica e infrarroja.
Dispersión troposférica
En un haz de microondas dirigido en ángulo hacia el cielo, una pequeña cantidad de energía se dispersará aleatoriamente a medida que el haz atraviesa 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
Las longitudes de onda cortas de las microondas permiten que las antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles sean muy pequeñas, de 1 a 20 centímetros de largo, por lo que las frecuencias de microondas se usan ampliamente para dispositivos inalámbricos como teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos y LAN inalámbricas (Wi- Fi) Acceso 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 corta longitud de onda también permite que se produzcan haces estrechos de microondas mediante antenas convenientemente pequeñas de alta ganancia 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 que los transmisores cercanos reutilicen la frecuencia. Las antenas parabólicas (de plato) son las antenas directivas más utilizadas en frecuencias de microondas, pero también se utilizan antenas de bocina, antenas de ranura y antenas de lentes. Las antenas microstrip planas 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 se puede dirigir electrónicamente en diferentes direcciones.
En las frecuencias de microondas, las líneas de transmisión que se utilizan para transportar ondas de radio de baja frecuencia hacia y desde las antenas, como el cable coaxial y las líneas de alambre paralelo, tienen pérdidas de energía excesivas, por lo que cuando se requiere una atenuación baja, las microondas son transportadas por tuberías de metal. llamadas guías de ondas. Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento de las 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, por lo 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 métodos más útiles para el diseño y el análisis.
Como consecuencia, los circuitos prácticos de microondas tienden a alejarse de las resistencias, los capacitores y los inductores discretos que se usan con las ondas de radio de baja frecuencia. Las líneas de transmisión coaxiales y de cable abierto utilizadas a 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
Las fuentes de microondas de alta potencia utilizan tubos de vacío especializados para generar microondas. Estos dispositivos funcionan con principios diferentes 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 (utilizado en hornos de microondas), klystron, tubo de onda viajera (TWT) y girotrón. Estos dispositivos funcionan en el modo modulado por densidad, en lugar del modo modulado actual. Esto significa que funcionan sobre la base de grupos de electrones que vuelan balísticamente a través de ellos, en lugar de utilizar un flujo continuo de electrones.
Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como el transistor de efecto de campo (al menos en frecuencias más bajas), diodos de túnel, diodos Gunn y diodos IMPATT. Las fuentes de baja potencia están disponibles como instrumentos de sobremesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos integrables y en formatos a nivel de tarjeta. Un máser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares a los del láser, que amplifica las ondas de luz de mayor frecuencia.
Todos los objetos calientes emiten radiación de cuerpo negro de microondas de bajo nivel, según su temperatura, por lo que en meteorología y teledetección, los radiómetros de microondas se utilizan para medir la temperatura de los objetos o el terreno. El sol y otras fuentes de radio astronómicas como Cassiopeia A emiten radiación de microondas de bajo nivel que transmite información sobre su composición, que los radioastrónomos estudian utilizando receptores llamados radiotelescopios. La radiación de fondo de microondas cósmica (CMBR), por ejemplo, es un ruido de microondas débil que llena el espacio vacío y es una fuente importante de información sobre la teoría del Big Bang de la cosmología sobre el origen del Universo.
Usos del microondas
La tecnología de microondas se usa ampliamente para telecomunicaciones punto a punto (es decir, usos que no son de transmisión). 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 tasas de transmisión de datos, y los tamaños de antena son más pequeños que en frecuencias más bajas porque el tamaño de la antena es inversamente proporcional a la frecuencia transmitida. Las microondas se utilizan en la comunicación de naves espaciales, y gran parte de las comunicaciones de datos, televisión y teléfono del mundo se transmiten a largas distancias mediante microondas entre estaciones terrestres y satélites de comunicaciones. Las microondas también se emplean en hornos de microondas y en tecnología de radar.
Comunicación
Antes de la llegada de la transmisión por fibra óptica, la mayoría de las llamadas telefónicas de larga distancia se realizaban a través de redes de enlaces de retransmisión de radio de microondas a cargo de operadores como AT&T Long Lines. A principios de la década de 1950, se utilizó 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 70 km de distancia.
Los protocolos de LAN inalámbrica, como Bluetooth y las especificaciones IEEE 802.11 que se usan para Wi-Fi, también usan microondas en la banda ISM de 2,4 GHz, aunque 802.11a usa la banda ISM y frecuencias U-NII en el rango de 5 GHz. Los servicios de acceso inalámbrico a Internet 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 a 4,0 GHz. La FCC creó recientemente espectro para los operadores que deseen ofrecer servicios en este rango en los EE. UU., con énfasis en 3,65 GHz. Docenas de proveedores de servicios en todo el país están obteniendo o ya han recibido licencias de la FCC para operar en esta banda. Las ofertas de servicios WIMAX que se pueden transportar en la banda de 3,65 GHz brindarán a los clientes empresariales otra opción de conectividad.
Los protocolos de red de área metropolitana (MAN), como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) se basan en estándares como IEEE 802.16, diseñados para operar entre 2 y 11 GHz. Las implementaciones comerciales se encuentran 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 estándar como IEEE 802.20 o ATIS/ANSI HC-SDMA (como iBurst) funcionan entre 1,6 GHz y 2,3 GHz para brindar movilidad y características de penetración en edificios similares a las de los teléfonos móviles. pero con una eficiencia espectral mucho mayor.
Algunas redes de telefonía móvil, como GSM, usan frecuencias de microondas bajas/UHF altas de alrededor de 1,8 y 1,9 GHz en América y otros lugares, respectivamente. DVB-SH y S-DMB usan de 1,452 a 1,492 GHz, mientras que la radio satelital patentada/incompatible en EE. UU. usa alrededor de 2,3 GHz para DARS.
La radio por 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 se pueden usar por encima de 300 MHz. Por lo general, 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. Ver 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 funcionan en las bandas C, X, Ka o Ku del espectro de microondas. Estas frecuencias permiten un gran ancho de banda mientras evitan las frecuencias UHF abarrotadas y se mantienen por debajo de la absorción atmosférica de las frecuencias EHF. La televisión satelital opera en la banda C para el servicio satelital fijo de plato grande tradicional o en la banda Ku para transmisión directa por satélite. Las comunicaciones militares funcionan principalmente a través de enlaces de banda X o Ku, y Milstar utiliza la banda Ka.
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
El radar es una técnica de radiolocalización en la que un haz de ondas de radio emitidas 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 aeronaves. Además, en estas longitudes de onda, las antenas de alta ganancia, como las antenas parabólicas, que se requieren para producir los estrechos anchos de haz necesarios para localizar 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 tales como el control del tráfico aéreo, el pronóstico del tiempo, la navegación de barcos y la 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.
Radioastronomía
Microondas emitidas por fuentes de radio astronómicas; Los planetas, las estrellas, las galaxias y las nebulosas se estudian en radioastronomía con grandes antenas parabólicas llamadas radiotelescopios. Además de recibir la radiación de microondas que se produce de forma natural, los radiotelescopios se han utilizado en experimentos de radar activo para hacer rebotar microondas en los planetas del sistema solar, determinar la distancia a la Luna o cartografiar 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 5000 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 de Europa, América del Norte, Asia Oriental y Chile.
Un importante enfoque 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 débil radiación de fondo, que llena el universo y es casi la misma en todas las direcciones, es 'radiación reliquia'. del Big Bang, y es una de las pocas fuentes de información sobre las condiciones en el universo primitivo. Debido a la expansión y, por lo tanto, al enfriamiento del Universo, la radiación de alta energía original se ha desplazado hacia la región de microondas del espectro de radio. Los radiotelescopios suficientemente sensibles pueden detectar la CMBR como una señal débil que no está asociada con ninguna estrella, galaxia u otro objeto.
Aplicación de calefacción y energía
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 la absorción de la energía en el agua. Los hornos de microondas se convirtieron en electrodomésticos de cocina comunes en los países occidentales a fines de la década de 1970, luego del 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 absorben alrededor de 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 el grabado de iones reactivos y la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).
Las microondas se utilizan en reactores de fusión experimentales stellarators y tokamak para ayudar a descomponer el gas en un plasma y calentarlo a temperaturas muy altas. La frecuencia está sintonizada con la resonancia de ciclotrón de los electrones en el campo magnético, en cualquier lugar entre 2 y 200 GHz, por lo que a menudo se la 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 usar para transmitir energía a largas distancias, y se realizaron investigaciones posteriores a la Segunda Guerra Mundial para examinar las posibilidades. La NASA trabajó en la década de 1970 y principios de la de 1980 para investigar las posibilidades de utilizar sistemas de satélites de energía solar (SPS) con grandes paneles solares que enviarían energía a la superficie de la Tierra a través de microondas.
Existe armamento menos que letal que utiliza 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 haz enfocado de 95 GHz calienta la piel a una temperatura de 54 °C (129 °F) a una profundidad de 0,4 milímetros (1⁄64 in). La Fuerza Aérea y los Marines de los Estados Unidos utilizan actualmente este tipo de sistema de negación activa en instalaciones fijas.
Espectroscopía
La radiación de microondas se utiliza en la espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones (EPR o ESR), normalmente en la región de la banda X (~9 GHz) junto con campos magnéticos de 0,3 T. Esta técnica proporciona información sobre electrones desapareados en sistemas químicos., como radicales libres o iones de metales de transición como Cu(II). La radiación de microondas también se utiliza para realizar espectroscopia 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 un poco entre los diferentes campos de aplicación. El sistema de letras tuvo su origen en la Segunda Guerra Mundial en una clasificación estadounidense de alto secreto de las bandas utilizadas en los equipos de radar; este es el origen del sistema de letras más antiguo, las bandas de radar IEEE. A continuación se tabula un conjunto de designaciones de bandas de frecuencia de microondas de la Radio Society of Great Britain (RSGB):
| Designación | Rango de frecuencia | Rango Wavelength | Usos típicos |
|---|---|---|---|
| L banda | 1 a 2 GHz | 15 cm a 30 cm | telemetría militar, GPS, teléfonos móviles (GSM), radio aficionado |
| S banda | 2 a 4 GHz | 7,5 cm a 15 cm | radar meteorológico, radar de naves superficiales, algunos satélites de comunicaciones, hornos de microondas, dispositivos de microondas/comunicaciones, radio astronomía, teléfonos móviles, LAN inalámbrica, Bluetooth, ZigBee, GPS, radio aficionado |
| Banda C | 4 a 8 GHz | 3.75 cm a 7,5 cm | telecomunicaciones de radio de larga distancia |
| Banda X | 8 a 12 GHz | 25 mm a 37,5 mm | comunicaciones por satélite, radar, banda ancha terrestre, comunicaciones espaciales, radio aficionadas, espectroscopia rotatoria molecular |
| Ku band | 12 a 18 GHz | 16,7 mm a 25 mm | comunicaciones por satélite, espectroscopia rotatoria molecular |
| K banda | 18 a 26,5 GHz | 11.3 mm a 16,7 mm | radar, comunicaciones por satélite, observaciones astronómicas, radar automotriz, espectroscopia rotativa molecular |
| Ka band | 26,5 a 40 GHz | 5.0 mm a 11.3 mm | comunicaciones por satélite, espectroscopia rotatoria molecular |
| Banda Q | 33 a 50 GHz | 6.0 mm a 9.0 mm | comunicaciones por satélite, comunicaciones terrestres de microondas, radio astronomía, radar automotriz, espectroscopia rotatoria molecular |
| U banda | 40 a 60 GHz | 5.0 mm a 7,5 mm | |
| V banda | 50 a 75 GHz | 4,0 mm a 6,0 mm | investigación de radar de onda milímetro, espectroscopia rotativa molecular y otros tipos de investigación científica |
| W banda | 75 a 110 GHz | 2.7 mm a 4,0 mm | comunicaciones por satélite, investigación por radar de onda milimétrica, detección y seguimiento de radares militares, y algunas aplicaciones no militares, radar automotriz |
| Banda F | 90 a 140 GHz | 2.1 mm a 3.3 mm | Transmisiones SHF: Astronomía de radio, dispositivos de microondas/comunicaciones, LAN inalámbrica, radares más modernos, satélites de comunicaciones, radiodifusión por satélite, DBS, radioaficionado |
| Banda D | 110 a 170 GHz | 1.8 mm a 2.7 mm | Transmisiones de EHF: Astronomía de radio, relé de radio de microondas de alta frecuencia, detección remota de microondas, radio aficionada, arma de energía dirigida, escáner de onda de milímetro |
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 al oxígeno en la atmósfera). Para evitar este problema, la banda K original se dividió en una banda inferior, Ku, y una banda superior, Ka.
Medición de frecuencia de microondas
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 los 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 la 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 la dimensión física y la frecuencia.
En un entorno de laboratorio, las líneas 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 que se introduce en la línea a través de una ranura longitudinal para que la sonda pueda moverse libremente hacia arriba y hacia abajo de la línea. Las líneas ranuradas están destinadas principalmente a la medición de la relación de onda estacionaria de voltaje en la línea. Sin embargo, siempre que esté presente 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 daños en el ADN, como pueden hacerlo las radiaciones ionizantes como los rayos X o los rayos ultravioleta. La palabra "radiación" se refiere a la energía que irradia de una fuente y no a la radiactividad. El efecto principal de la absorción de microondas es calentar materiales; los campos electromagnéticos hacen que las moléculas polares vibren. 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, pero no todos, sugieren que la exposición a largo plazo puede tener un efecto cancerígeno.
Durante la Segunda Guerra Mundial, se observó que las personas que se encontraban en la ruta de radiación de las instalaciones de radar experimentaban chasquidos 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 y 1 °C (32 y 34 °F) usando diatermia con microondas.
Cuando se produce una lesión por exposición a microondas, generalmente se debe al calentamiento dieléctrico inducido en el cuerpo. El cristalino y la córnea del ojo son especialmente vulnerables porque no contienen vasos sanguíneos que puedan transportar el calor. 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 vuelve las claras de huevo blancas y opacas). La exposición a altas dosis de radiación de microondas (como la 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, e incluso quemaduras graves que pueden no ser evidentes de inmediato debido a la tendencia de las microondas a calentar tejidos más profundos con mayor contenido de humedad.
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 las consideraban 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 electromagnéticas, generando ondas de radio usando un primitivo transmisor de radio de chispa.
Hertz y los otros primeros investigadores de radio 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 podían duplicar experimentos de óptica clásica en sus laboratorios, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes de parafina, azufre y rejillas de difracción de brea y alambre, para refractar y difractan las ondas de radio como los rayos de luz. Hertz produjo ondas de hasta 450 MHz; su 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 lámina 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, presentaban refracción, difracción, polarización, interferencia y ondas estacionarias, lo que demostraba que las ondas de radio y las ondas de luz eran formas de las ondas electromagnéticas de Maxwell.
Heinrich Hertz 450 Transmisor de chispa MHz, 1888, compuesto por dipolo de 23 cm y brecha de chispa en el foco del reflector parabólico
Jagadish Chandra Bose en 1894 fue la primera persona en producir ondas milímetro; su oscilador de chispa (en caja, derecha) olas generadas de 60 GHz (5 mm) usando resonadores de bolas metálicas de 3 mm.
Experimento de espectroscopia de microondas por John Ambrose Fleming en 1897 mostrando refracción de 1.4 GHz microondas por prisma de parafina, duplicando experimentos anteriores por Bose y Righi.
Augusto Righi 12 GHz oscilador y receptor de chispa, 1895
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 cristal semiconductor 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 chispa de bola 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 estaban limitadas a 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 podían viajar más allá del horizonte como ondas terrestres y al reflejarse en la ionosfera como ondas celestes, 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 (válvula) de tubo de vacío de triodo utilizado en los transmisores de radio no podía producir frecuencias superiores a unos pocos cientos de megahercios debido a la excesiva tiempo de tránsito de electrones y capacitancia entre electrodos. En la década de 1930, se desarrollaron los primeros tubos de vacío de microondas de baja potencia 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.
Antenas experimentales de 1931 1.7 Enlace de relé de microondas GHz a través del Canal Inglés.
Experimental 700 MHz transmisor 1932 en los laboratorios Westinghouse transmite voz a una milla.
Southworth (a la izquierda) demostración de guía de onda en la reunión de IRE en 1938, mostrando 1,5 GHz microondas pasando por la manguera de metal flexible de 7,5 m que se registra en un detector de diodos.
La primera antena de cuerno moderno en 1938 con el inventor Wilmer L. Barrow
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 64 km (40 millas) entre Dover, Reino Unido, y Calais, Francia. El sistema transmitía datos de telefonía, telégrafo y facsímil 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).
Hacía falta una palabra para distinguir estas nuevas longitudes de onda más cortas, que anteriormente se habían agrupado en la "onda corta" banda, lo que significaba todas las olas de menos de 200 metros. Los términos ondas cuasi-ópticas y ondas ultracortas se utilizaron brevemente, pero no se popularizaron. 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 aviones enemigos. Se descubrió que las líneas de transmisión convencionales utilizadas para transportar ondas de radio tenían pérdidas de energía excesivas en frecuencias de microondas, y George Southworth en Bell Labs y Wilmer Barrow en MIT inventaron de forma independiente la guía de ondas en 1936. Barrow inventó la antena de bocina en 1938 como un medio para radiar eficientemente 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 utilizó 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.
Tubo de magnetrón de cavidad de Randall y Boot en la Universidad de Birmingham, 1940. En uso el tubo fue instalado entre los polos de un electromagnet
Primer tubo klystron comercial, por General Electric, 1940, seccionado para mostrar la construcción interna
British Mk. VIII, el primer radar de interceptación de aire de microondas, en la nariz del caza británico. radar de microondas, alimentado por el nuevo tubo magnetrón, acortado significativamente la Segunda Guerra Mundial.
Móvil US Estación de relé de microondas del Ejército 1945 demostrando sistemas de relés utilizando frecuencias de 100 MHz a 4.9 GHz que podrían transmitir hasta 8 llamadas telefónicas en un rayo.
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 de John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 1940. El radar de microondas de diez centímetros (3 GHz) estaba en uso en aviones de guerra británicos a fines de 1941 y resultó ser un cambio de juego. La decisión de Gran Bretaña en 1940 de compartir su tecnología de microondas con su aliado estadounidense (la Misión Tizard) acortó significativamente la guerra. El Laboratorio de Radiación del MIT establecido en secreto en el Instituto Tecnológico 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 el ejército aliado 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 transmisión 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 transcontinentales de retransmisión de microondas en EE. UU. y Europa para intercambiar llamadas telefónicas entre ciudades y distribuir programas de televisión. En la nueva industria de la transmisión de televisión, desde la década de 1940 se utilizaron platos de microondas para transmitir transmisiones de video de retorno desde camiones de producción móviles de regreso al estudio, lo que permitió las primeras transmisiones de TV remotas. Los primeros satélites de comunicaciones se lanzaron en la década de 1960 y transmitían llamadas telefónicas y televisión entre puntos muy separados de la Tierra utilizando haces 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 cósmica de fondo de microondas.
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, posteriormente, muchos otros usos. La comunicación por radar y satélite motivó el desarrollo de las modernas antenas de microondas; la antena parabólica (el tipo más común), la antena cassegrain, la antena de lente, la antena de ranura y la matriz en fase.
La capacidad de las ondas cortas para calentar rápidamente materiales y cocinar alimentos fue investigada en la década de 1930 por I. F. 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 radares en Raytheon, notó que la radiación de microondas de un oscilador de magnetrón derretía una barra de chocolate en su bolsillo. Investigó la cocina con microondas e inventó el horno de microondas, que consiste en un magnetrón que alimenta microondas en una cavidad metálica cerrada que contiene alimentos, que fue patentado por Raytheon el 8 de octubre de 1945. Debido a su costo, los hornos de microondas se usaron inicialmente en cocinas institucionales, pero por 1986 aproximadamente el 25% de los hogares en los EE. UU. poseían uno. El calentamiento por microondas se utilizó ampliamente como proceso industrial en industrias como la fabricación de plásticos y como terapia médica para eliminar las células cancerosas en la hipertermia por microondas.
El tubo de onda viajera (TWT) desarrollado en 1943 por Rudolph Kompfner y John Pierce proporcionó una fuente sintonizable de alta potencia de microondas de hasta 50 GHz y se convirtió en el tubo de microondas más utilizado (además del omnipresente magnetrón que se usa en los hornos de microondas).). La familia de tubos girotrones desarrollada en Rusia podría producir megavatios de energía hasta frecuencias de ondas milimétricas y se utiliza en investigación de plasma y calefacción industrial, y para alimentar aceleradores de partículas y reactores de fusión nuclear.
Dispositivos de microondas de estado sólido
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 de antes de la guerra también habían usado resistencia negativa). El oscilador de retroalimentación y los amplificadores de dos puertos que se usaban en 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 desencadenó una 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 W.T. Read y Ralph L. Johnston y el diodo Gunn en 1962 por J.B. 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 máser de rubí inventado en 1953 por Charles H. Townes, James P. Gordon y H. J. 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 satélites. El máser condujo al desarrollo de relojes atómicos, que marcan 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
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 frente 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 visto el desarrollo de pequeños componentes de microondas de estado sólido activos y económicos que se pueden montar en placas de circuitos, lo que permite que los circuitos realicen un procesamiento de señal significativo en frecuencias de microondas. Esto ha hecho posible la televisión por satélite, la televisión por cable, los dispositivos GPS y los dispositivos inalámbricos modernos, como los teléfonos inteligentes, Wi-Fi y Bluetooth, que se conectan a redes mediante microondas.
Microstrip, un tipo de línea de transmisión utilizable en frecuencias de microondas, se inventó con circuitos impresos en la década de 1950. La capacidad de fabricar económicamente una amplia gama de formas en placas de circuito impreso permitió fabricar versiones microstrip de condensadores, inductores, stubs resonantes, divisores, acopladores direccionales, diplexores, filtros y antenas, lo que permitió construir circuitos compactos de microondas.
Los transistores que operaban en frecuencias de microondas se desarrollaron en la década de 1970. El arseniuro de galio semiconductor (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, GaAs se utilizó para fabricar los primeros transistores de microondas y, desde entonces, ha dominado los semiconductores de microondas. Los MESFET (transistores de efecto de campo de metal-semiconductor), transistores de efecto de campo de GaAs rápidos que usan uniones Schottky para la puerta, se desarrollaron a partir de 1968 y alcanzaron 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 fabricado con dos semiconductores diferentes, AlGaAs y GaAs, utilizando tecnología de heterounión, y el similar HBT (transistor bipolar de heterounión).
El GaAs se puede convertir en 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 en frecuencias de microondas, llamados circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC). La palabra "monolítico" se agregó para distinguirlos de los circuitos de PCB de microcinta, 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 analógica y digital, lo que permite la producción de receptores de microondas de un solo chip, amplificadores de banda ancha, módems y microprocesadores.