Onda de radio

Animación de una antena de media onda que irradia ondas de radio, mostrando las líneas de campo eléctrico. La antena en el centro es dos varillas metálicas verticales conectadas a un transmisor de radio (no se muestra). El transmisor aplica una corriente eléctrica alterna a las varillas, que las carga alternativamente positivas (+) y negativas (−). Los bucles de campo eléctrico dejan la antena y viajan a la velocidad de la luz; estas son las ondas de radio. En esta animación la acción se muestra desacelerada enormemente.

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética con las longitudes de onda más largas del espectro electromagnético, normalmente con frecuencias de 300 gigahercios (GHz) e inferiores. A 300 GHz, la longitud de onda correspondiente es de 1 mm (más corta que un grano de arroz); a 30 Hz, la longitud de onda correspondiente es de 10 000 kilómetros (6200 millas) (más larga que el radio de la Tierra). Como todas las ondas electromagnéticas, las ondas de radio viajan en el vacío a la velocidad de la luz y en la atmósfera terrestre a una velocidad cercana, pero ligeramente inferior. Las ondas de radio son generadas por partículas cargadas que sufren aceleración, como las corrientes eléctricas que varían con el tiempo. Las ondas de radio que ocurren naturalmente son emitidas por rayos y objetos astronómicos, y son parte de la radiación de cuerpo negro emitida por todos los objetos calientes.

Las ondas de radio son generadas artificialmente por un dispositivo electrónico llamado transmisor, que está conectado a una antena que irradia las ondas. Son recibidos por otra antena conectada a un receptor de radio, que procesa la señal recibida. Las ondas de radio se utilizan mucho en la tecnología moderna para la radiocomunicación fija y móvil, la radiodifusión, los sistemas de navegación por radar y radio, los satélites de comunicaciones, las redes informáticas inalámbricas y muchas otras aplicaciones. Diferentes frecuencias de ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden difractarse alrededor de obstáculos como montañas y seguir el contorno de la tierra (ondas terrestres), las ondas más cortas pueden reflejarse en la ionosfera y regresar a la tierra más allá del horizonte (ondas celestes), mientras que las longitudes de onda mucho más cortas se doblan o se difractan muy poco y viajan en una línea de visión, por lo que sus distancias de propagación están limitadas al horizonte visual.

Para evitar interferencias entre diferentes usuarios, la generación y uso artificial de ondas de radio está estrictamente regulada por ley, coordinada por un organismo internacional llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), que define las ondas de radio como "ondas electromagnéticas de frecuencias arbitrariamente inferiores a 3.000 GHz, propagadas en el espacio sin guía artificial". El espectro de radio se divide en una serie de bandas de radio en función de la frecuencia, asignadas a diferentes usos.

Diagrama de los campos eléctricos (E) y campos magnéticos (H) de ondas de radio emitidas por una antena de transmisión de radio monopole (línea vertical oscura pequeña en el centro). Los campos E y H son perpendiculares, como implica el diagrama de fase en la derecha inferior.

Descubrimiento y explotación

Las ondas de radio fueron predichas por primera vez por la teoría del electromagnetismo propuesta en 1867 por el físico matemático escocés James Clerk Maxwell. Su teoría matemática, ahora llamada ecuaciones de Maxwell, predijo que un campo eléctrico y magnético acoplado podría viajar a través del espacio como una 'onda electromagnética'. Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta. En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz demostró la realidad de las ondas electromagnéticas de Maxwell al generar experimentalmente ondas de radio en su laboratorio, demostrando que exhibían las mismas propiedades de onda que la luz: ondas estacionarias, refracción, difracción y polarización. El inventor italiano Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores de radio prácticos alrededor de 1894-1895. Recibió el Premio Nobel de Física en 1909 por su trabajo radiofónico. La comunicación por radio comenzó a usarse comercialmente alrededor de 1900. El término moderno "onda de radio" reemplazó el nombre original "onda hertziana" alrededor de 1912.

Generación y recepción

Diagrama animado de una antena dipole de media onda que recibe una onda de radio. La antena consta de dos varillas metálicas conectadas a un receptor R. El campo eléctrico (E, flechas verdes) de la onda entrante empuja los electrones en las barras de ida y vuelta, cargando los extremos alternativamente positivo (+) y negativos () -. Puesto que la longitud de la antena es la mitad de la longitud de onda de la onda, el campo oscilante induce ondas de tensión de pie (V, representado por banda roja) y corriente en las barras. Las corrientes oscilantes (flechas negras) fluyen por la línea de transmisión y por el receptor (representado por la resistencia) R).

Las ondas de radio son radiadas por partículas cargadas cuando son aceleradas. Las fuentes naturales de ondas de radio incluyen el ruido de radio producido por los rayos y otros procesos naturales en la atmósfera de la Tierra, y las fuentes de radio astronómicas en el espacio, como el Sol, las galaxias y las nebulosas. Todos los objetos calientes emiten ondas de radio de alta frecuencia (microondas) como parte de su radiación de cuerpo negro.

Las ondas de radio se producen artificialmente mediante corrientes eléctricas variables en el tiempo, que consisten en electrones que fluyen de un lado a otro en un conductor metálico de forma especial llamado antena. Un dispositivo electrónico llamado transmisor de radio aplica corriente eléctrica oscilante a la antena, y la antena irradia la potencia en forma de ondas de radio. Las ondas de radio son recibidas por otra antena conectada a un receptor de radio. Cuando las ondas de radio golpean la antena receptora, empujan los electrones en el metal de un lado a otro, creando pequeñas corrientes oscilantes que son detectadas por el receptor.

Desde la mecánica cuántica, como otras radiaciones electromagnéticas como la luz, las ondas de radio pueden ser consideradas alternativamente como corrientes de partículas elementales sin carga llamadas fotones. En una antena que transmite ondas de radio, los electrones de la antena emiten la energía en paquetes discretos llamados fotones de radio, mientras que en una antena receptora los electrones absorben la energía como fotones de radio. Una antena es un emisor coherente de fotones, como un láser, por lo que los fotones de radio están todos en fase. Sin embargo, de la relación de Planck ${displaystyle E=hnu }$ la energía de fotones de radio individuales es extremadamente pequeña, a partir de 10⁻²² a 10⁻³⁰Joules. Así que la antena de un transmisor de potencia muy bajo emite enormes números de fotones por segundo. Por lo tanto, a excepción de ciertos procesos de transición de electrones moleculares como átomos en un maser emitiendo fotones de microondas, emisión de ondas de radio y absorción se considera generalmente como un proceso clásico continuo, gobernado por las ecuaciones de Maxwell.

Propiedades

Olas de radio en un viaje al vacío a la velocidad de la luz ${displaystyle c}$. Cuando pasan por un medio material, se ralentizan dependiendo de la permeabilidad y la permitibilidad del medio. El aire es lo suficientemente delgado que en la atmósfera de la Tierra las ondas de radio viajan muy cerca de la velocidad de la luz.

La longitud de onda ${displaystyle lambda }$ es la distancia de un pico (crest) del campo eléctrico de la ola a la siguiente, y es inversamente proporcional a la frecuencia ${displaystyle f}$ de la ola. La relación de frecuencia y longitud de onda en una onda de radio que viaja en vacío o aire es

${displaystyle lambda ={frac {;c;} {f}}~}$

dónde

${displaystyle capprox 299.79times 10^{6}{text{ m/s}~}}$

Equivalentemente, ${displaystyle ;c;}$ la distancia que una onda de radio viaja en un vacío, en un segundo, es 299,792,458 metros (983,571,056 pies), que es la longitud de onda de una señal de radio de 1 hertz. Una onda de radio de 1 megahercios (marcha media) tiene una longitud de onda de 299,79 metros (983,6 pies).

Polarización

Al igual que otras ondas electromagnéticas, una onda de radio tiene una propiedad llamada polarización, que se define como la dirección del campo eléctrico oscilante de la onda perpendicular a la dirección del movimiento. Una onda de radio polarizada plana tiene un campo eléctrico que oscila en un plano a lo largo de la dirección del movimiento. En una onda de radio polarizada horizontalmente, el campo eléctrico oscila en dirección horizontal. En una onda polarizada verticalmente, el campo eléctrico oscila en dirección vertical. En una onda polarizada circularmente, el campo eléctrico en cualquier punto gira alrededor de la dirección de viaje, una vez por ciclo. Una onda polarizada circularmente a la derecha gira en el sentido de la mano derecha sobre la dirección de viaje, mientras que una onda polarizada circularmente a la izquierda gira en el sentido opuesto. El campo magnético de la onda es perpendicular al campo eléctrico, y el campo eléctrico y magnético están orientados en el sentido de la mano derecha con respecto a la dirección de la radiación.

Una antena emite ondas de radio polarizadas, con la polarización determinada por la dirección de los elementos metálicos de la antena. Por ejemplo, una antena dipolo consta de dos varillas metálicas colineales. Si las varillas son horizontales, irradia ondas de radio polarizadas horizontalmente, mientras que si las varillas son verticales, irradia ondas polarizadas verticalmente. Una antena que recibe las ondas de radio debe tener la misma polarización que la antena transmisora, o sufrirá una severa pérdida de recepción. Muchas fuentes naturales de ondas de radio, como el sol, las estrellas y la radiación de cuerpo negro de objetos calientes, emiten ondas no polarizadas, que consisten en trenes de ondas cortas incoherentes en una mezcla igual de estados de polarización.

La polarización de las ondas de radio está determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones denominada espín. Un fotón puede tener uno de dos posibles valores de espín; puede girar en el sentido de la mano derecha sobre su dirección de movimiento, o en el sentido de la mano izquierda. Las ondas de radio con polarización circular derecha consisten en fotones que giran en el sentido de la mano derecha. Las ondas de radio con polarización circular izquierda consisten en fotones que giran en el sentido de la mano izquierda. Las ondas de radio polarizadas planas consisten en fotones en una superposición cuántica de estados de espín a derecha e izquierda. El campo eléctrico consiste en una superposición de campos giratorios derecho e izquierdo, lo que da como resultado una oscilación plana.

Características de propagación

Las ondas de radio se utilizan más para la comunicación que otras ondas electromagnéticas, principalmente debido a sus deseables propiedades de propagación, derivadas de su gran longitud de onda. Las ondas de radio tienen la capacidad de atravesar la atmósfera en cualquier clima, follaje y la mayoría de los materiales de construcción, y por difracción pueden doblarse alrededor de las obstrucciones y, a diferencia de otras ondas electromagnéticas, tienden a ser dispersadas en lugar de ser absorbidas por objetos más grandes que su longitud de onda.

El estudio de la propagación de radio, cómo se mueven las ondas de radio en el espacio libre y sobre la superficie de la Tierra, es de vital importancia en el diseño de sistemas de radio prácticos. Las ondas de radio que pasan por diferentes entornos experimentan reflexión, refracción, polarización, difracción y absorción. Diferentes frecuencias experimentan diferentes combinaciones de estos fenómenos en la atmósfera terrestre, lo que hace que ciertas bandas de radio sean más útiles para propósitos específicos que otras. Los sistemas de radio prácticos utilizan principalmente tres técnicas diferentes de propagación de radio para comunicarse:

• Línea de visión: Esto se refiere a ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena de transmisión a la antena receptora. No requiere necesariamente un camino de visión despejado; en frecuencias inferiores las ondas de radio pueden pasar a través de edificios, follaje y otras obstrucciones. Este es el único método de propagación posible en frecuencias superiores a 30 MHz. En la superficie de la Tierra, la línea de propagación visual se limita por el horizonte visual a unos 64 km (40 mi). Este es el método utilizado por los teléfonos celulares, FM, televisión y radar. Mediante el uso de antenas para transmitir vigas de microondas, los enlaces de relé de microondas de punto a punto transmiten señales de teléfono y televisión a larga distancia hasta el horizonte visual. Las estaciones terrestres pueden comunicarse con satélites y naves espaciales miles de millones de millas de la Tierra.
  • propagación indirecta: Las ondas de radio pueden alcanzar puntos más allá de la línea de visión por Difracción y reflexión. Diffraction hace que las ondas de radio se doblen alrededor de las obstrucciones como un borde de edificio, un vehículo o un giro en un pasillo. Las ondas de radio también reflejan parcialmente de superficies como paredes, suelos, techos, vehículos y el suelo. Estos métodos de propagación ocurren en sistemas de comunicación de radio de corto alcance, como teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, walkie-talkies y redes inalámbricas. Un inconveniente de este modo es propagación multipática, en el que las ondas de radio viajan desde la transmisión a la antena receptora a través de múltiples caminos. Las olas interfieren, a menudo causando la desaparición y otros problemas de recepción.
• Olas terrestres: En frecuencias inferiores a 2 MHz, en las bandas de onda media y larga, debido a la difracción verticalmente polarizadas las ondas de radio pueden doblarse sobre colinas y montañas, y propagarse más allá del horizonte, viajando como ondas superficiales que siguen el contorno de la Tierra. Esto hace posible que las estaciones de radiodifusión de onda media y onda larga tengan áreas de cobertura más allá del horizonte, a cientos de millas. A medida que la frecuencia disminuye, las pérdidas disminuyen y el alcance alcanzable aumenta. Los sistemas de comunicación militares de muy baja frecuencia (VLF) y muy baja frecuencia (ELF) pueden comunicarse sobre la mayor parte de la Tierra. Las ondas de radio VLF y ELF también pueden penetrar el agua a cientos de metros de profundidad, por lo que se utilizan para comunicarse con submarinos sumergidos.
• Skywaves: En longitudes de onda media y onda corta, las ondas de radio reflejan capas conductivas de partículas cargadas (iones) en una parte de la atmósfera llamada la ionosfera. Por lo tanto, las ondas de radio dirigidas a un ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte; esto se llama propagación del "deslizamiento" o "onda blanca". Mediante el uso de múltiples saltos de comunicación a distancias intercontinentales se puede lograr. La propagación de las ondas es variable y depende de las condiciones atmosféricas; es más fiable en la noche y en el invierno. Ampliamente utilizado durante la primera mitad del siglo XX, debido a su insuficiencia comunicación por ondas de cielo se ha abandonado en su mayoría. Los usos restantes son los sistemas de radar militar sobre el caballo (OTH), por algunos sistemas automatizados, por radioaficionados, y por estaciones de radiodifusión de onda corta para transmitir a otros países.

En las frecuencias de microondas, los gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas de radio, por lo que el alcance de los sistemas prácticos de comunicación por radio disminuye con el aumento de la frecuencia. Por debajo de unos 20 GHz, la atenuación atmosférica se debe principalmente al vapor de agua. Por encima de los 20 GHz, en la banda de ondas milimétricas, otros gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas, lo que limita las distancias prácticas de transmisión a un kilómetro o menos. Por encima de 300 GHz, en la banda de terahercios, prácticamente toda la potencia se absorbe en unos pocos metros, por lo que la atmósfera es efectivamente opaca.

Radiocomunicación

En los sistemas de comunicación por radio, la información se transporta a través del espacio mediante ondas de radio. En el extremo emisor, la información a enviar, en forma de una señal eléctrica variable en el tiempo, se aplica a un transmisor de radio. La información, denominada señal de modulación, puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono, una señal de video que representa imágenes en movimiento de una cámara de video o una señal digital que representa datos de una computadora. En el transmisor, un oscilador electrónico genera una corriente alterna que oscila en una frecuencia de radio, llamada onda portadora porque crea las ondas de radio que "llevan" la información por el aire. La señal de información se utiliza para modular la portadora, alterando algún aspecto de la misma, "piggybacking" la información sobre el transportista. La portadora modulada se amplifica y se aplica a una antena. La corriente oscilante empuja los electrones en la antena de un lado a otro, creando campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que irradian la energía lejos de la antena en forma de ondas de radio. Las ondas de radio llevan la información a la ubicación del receptor.

En el receptor, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio entrante empujan los electrones en la antena receptora de un lado a otro, creando un pequeño voltaje oscilante que es una réplica más débil de la corriente en la antena transmisora. Este voltaje se aplica al receptor de radio, que extrae la señal de información. El receptor primero usa un filtro de paso de banda para separar la señal de radio de la estación de radio deseada de todas las demás señales de radio captadas por la antena, luego amplifica la señal para que sea más fuerte y finalmente extrae la señal de modulación portadora de información en un demodulador. La señal recuperada se envía a un altavoz o auricular para producir sonido, oa una pantalla de televisión para producir una imagen visible, u otros dispositivos. Una señal de datos digitales se aplica a una computadora o microprocesador, que interactúa con un usuario humano.

Las ondas de radio de muchos transmisores atraviesan el aire simultáneamente sin interferir entre sí. Se pueden separar en el receptor porque las ondas de radio de cada transmisor oscilan a diferente velocidad, es decir cada transmisor tiene una frecuencia diferente, medida en kilohercios (kHz), megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). El filtro de paso de banda en el receptor consta de un circuito sintonizado que actúa como un resonador, similar a un diapasón. Tiene una frecuencia de resonancia natural a la que oscila. La frecuencia de resonancia se establece igual a la frecuencia de la estación de radio deseada. La señal de radio oscilante de la estación deseada hace que el circuito sintonizado oscile en simpatía y pasa la señal al resto del receptor. Las señales de radio en otras frecuencias son bloqueadas por el circuito sintonizado y no se transmiten.

Efectos biológicos y ambientales

Las ondas de radio son radiación no ionizante, lo que significa que no tienen suficiente energía para separar electrones de átomos o moléculas, ionizándolos, o romper enlaces químicos, causando reacciones químicas o daños en el ADN. El efecto principal de la absorción de ondas de radio por parte de los materiales es calentarlos, de manera similar a las ondas infrarrojas radiadas por fuentes de calor como un calefactor o un fuego de leña. El campo eléctrico oscilante de la onda hace que las moléculas polares vibren de un lado a otro, aumentando la temperatura; así es como un horno de microondas cocina los alimentos. Sin embargo, a diferencia de las ondas infrarrojas, que se absorben principalmente en la superficie de los objetos y provocan el calentamiento de la superficie, las ondas de radio pueden penetrar la superficie y depositar su energía en el interior de materiales y tejidos biológicos. La profundidad a la que penetran las ondas de radio disminuye con su frecuencia y también depende de la resistividad y permitividad del material; viene dado por un parámetro llamado profundidad de la piel del material, que es la profundidad dentro de la cual se deposita el 63% de la energía. Por ejemplo, las ondas de radio de 2,45 GHz (microondas) en un horno de microondas penetran en la mayoría de los alimentos aproximadamente de 2,5 a 3,8 cm (1 a 1,5 pulgadas). Las ondas de radio se han aplicado al cuerpo durante 100 años en la terapia médica de diatermia para el calentamiento profundo del tejido corporal, para promover el aumento del flujo sanguíneo y la curación. Más recientemente, se han utilizado para crear temperaturas más altas en el tratamiento de hipertermia y para matar células cancerosas. Mirar de cerca una fuente de ondas de radio, como la guía de ondas de un transmisor de radio en funcionamiento, puede dañar el cristalino del ojo por calentamiento. Un haz de ondas de radio lo suficientemente fuerte puede penetrar el ojo y calentar el cristalino lo suficiente como para causar cataratas.

Dado que el efecto de calentamiento, en principio, no es diferente de otras fuentes de calor, la mayoría de las investigaciones sobre los posibles peligros para la salud de la exposición a las ondas de radio se han centrado en el calor "no térmico" efectos; si las ondas de radio tienen algún efecto sobre los tejidos además del causado por el calor. Los campos electromagnéticos de radiofrecuencia han sido clasificados por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) como de "evidencia limitada" por sus efectos en humanos y animales. Existe evidencia mecánica débil del riesgo de cáncer a través de la exposición personal a RF-EMF de teléfonos móviles.

Las ondas de radio se pueden proteger contra una hoja o pantalla de metal conductor, un recinto de hoja o pantalla se llama jaula de Faraday. Una pantalla de metal protege contra las ondas de radio tan bien como una lámina sólida siempre que los agujeros en la pantalla sean más pequeños que 1⁄20 de longitud de onda de las ondas.

Medición

Dado que la radiación de radiofrecuencia tiene un componente tanto eléctrico como magnético, a menudo es conveniente expresar la intensidad del campo de radiación en términos de unidades específicas para cada componente. La unidad voltios por metro (V/m) se usa para el componente eléctrico, y la unidad amperios por metro (A/m) se usa para el componente magnético. Se puede hablar de un campo electromagnético, y estas unidades se utilizan para proporcionar información sobre los niveles de fuerza del campo eléctrico y magnético en un lugar de medición.

Otra unidad de uso común para caracterizar un campo electromagnético de RF es la densidad de potencia. La densidad de potencia se usa con mayor precisión cuando el punto de medición está lo suficientemente lejos del emisor de RF para ubicarse en lo que se conoce como la zona de campo lejano del patrón de radiación. Más cerca del transmisor, es decir, en el "campo cercano" zona, las relaciones físicas entre los componentes eléctricos y magnéticos del campo pueden ser complejas, y es mejor utilizar las unidades de intensidad de campo discutidas anteriormente. La densidad de potencia se mide en términos de potencia por unidad de área, por ejemplo, milivatios por centímetro cuadrado (mW/cm²). Cuando se habla de frecuencias en el rango de microondas y superiores, la densidad de potencia generalmente se usa para expresar la intensidad, ya que las exposiciones que podrían ocurrir probablemente estarían en la zona de campo lejano.