Transmisión por microondas

La transmisión por microondas es la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de frecuencias de microondas de 300 MHz a 300 GHz (longitud de onda de 1 m a 1 mm) del espectro electromagnético. Las señales de microondas normalmente están limitadas a la línea de visión, por lo que la transmisión a larga distancia mediante estas señales requiere una serie de repetidores que formen una red de relés de microondas. Es posible utilizar señales de microondas en comunicaciones más allá del horizonte mediante dispersión troposférica, pero estos sistemas son caros y generalmente se utilizan solo en funciones especializadas.

Aunque en 1931 se demostró un enlace experimental de telecomunicaciones por microondas de 64 kilómetros de longitud a través del Canal de la Mancha, el desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial proporcionó la tecnología para la explotación práctica de la comunicación por microondas. Durante la guerra, el ejército británico introdujo el equipo inalámbrico n.° 10, que utilizaba relés de microondas para multiplexar ocho canales telefónicos a largas distancias. Un enlace a través del Canal de la Mancha permitió al general Bernard Montgomery permanecer en contacto continuo con el cuartel general de su grupo en Londres.

En la era de la posguerra, el desarrollo de la tecnología de microondas fue rápido, lo que llevó a la construcción de varios sistemas de retransmisión de microondas transcontinentales en América del Norte y Europa. Además de transportar miles de llamadas telefónicas a la vez, estas redes también se utilizaron para enviar señales de televisión para su difusión a través del país y, más tarde, datos informáticos. Los satélites de comunicaciones se apoderaron del mercado de la transmisión televisiva durante los años 70 y 80, y la introducción de sistemas de fibra óptica de larga distancia en los años 80 y, especialmente, en los 90, provocó el rápido deterioro de las redes de retransmisión, la mayoría de las cuales están abandonadas.

En los últimos años, se ha producido un aumento explosivo del uso del espectro de microondas por parte de nuevas tecnologías de telecomunicaciones, como las redes inalámbricas y los satélites de transmisión directa que transmiten televisión y radio directamente a los hogares de los consumidores. Los enlaces de mayor alcance visual vuelven a ser populares para las conexiones entre torres de telefonía móvil, aunque por lo general no están organizados en largas cadenas de retransmisión.

Las microondas se utilizan ampliamente para las comunicaciones punto a punto porque su pequeña longitud de onda permite que antenas de tamaño conveniente las dirijan en haces estrechos, que pueden apuntar directamente a la antena receptora. Este uso de haces directos muy enfocados permite que los transmisores de microondas en la misma área utilicen las mismas frecuencias, sin interferir entre sí como lo harían las ondas de radio de frecuencia más baja. Esta reutilización de frecuencias conserva el escaso ancho de banda del espectro de radio. Otra ventaja es que la alta frecuencia de las microondas le da a la banda de microondas una capacidad muy grande para transportar información; la banda de microondas tiene un ancho de banda 30 veces mayor que el de todo el resto del espectro de radio por debajo de ella. Una desventaja es que las microondas están limitadas a la propagación en línea de visión; no pueden pasar alrededor de colinas o montañas como lo hacen las ondas de radio de frecuencia más baja.

La transmisión de radio por microondas se utiliza habitualmente en sistemas de comunicación punto a punto en la superficie de la Tierra, en comunicaciones por satélite y en comunicaciones por radio en el espacio profundo. Otras partes de la banda de radio de microondas se utilizan para radares, sistemas de radionavegación, sistemas de sensores y radioastronomía.

La banda de frecuencias inmediatamente superior del espectro radioeléctrico, entre 30 GHz y 300 GHz, se denomina "ondas milimétricas", ya que sus longitudes de onda van de 10 mm a 1 mm. Las ondas de radio en la banda de ondas milimétricas están muy atenuadas por los gases de la atmósfera, lo que limita su distancia de transmisión práctica a unos pocos kilómetros, insuficiente para la comunicación a larga distancia. Las tecnologías electrónicas necesarias en la banda de ondas milimétricas también se encuentran en un estado de desarrollo más temprano que las de la banda de microondas.

Transmisión inalámbrica de información

• Satélite de comunicaciones vía satélite y bidireccional
• Enlaces de relé de microondas terrestres en redes de telecomunicaciones, incluidos los portadores de columna vertebral o backhaul en redes celulares

Más recientemente, se han utilizado microondas para la transmisión inalámbrica de energía.

El relé de radio por microondas es una tecnología ampliamente utilizada en los años 1950 y 1960 para transmitir información, como llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión entre dos puntos terrestres en un haz estrecho de microondas. En el relé de radio por microondas, un transmisor de microondas y una antena direccional transmiten un haz estrecho de microondas que transporta muchos canales de información en una trayectoria de línea de visión a otra estación de retransmisión donde es recibido por una antena direccional y un receptor, formando una conexión de radio fija entre los dos puntos. El enlace era a menudo bidireccional, utilizando un transmisor y un receptor en cada extremo para transmitir datos en ambas direcciones. El requisito de una línea de visión limita la separación entre estaciones al horizonte visual, aproximadamente de 30 a 50 millas (48 a 80 km). Para distancias más largas, la estación receptora podría funcionar como un relé, retransmitiendo la información recibida a otra estación a lo largo de su recorrido. Se utilizaron cadenas de estaciones de retransmisión de microondas para transmitir señales de telecomunicaciones a distancias transcontinentales. Las estaciones repetidoras de microondas solían estar ubicadas en edificios altos y cimas de montañas, con sus antenas en torres para obtener el máximo alcance.

A partir de la década de 1950, las redes de enlaces de retransmisión por microondas, como el sistema AT&T Long Lines en los EE. UU., transmitían llamadas telefónicas de larga distancia y programas de televisión entre ciudades. El primer sistema, llamado TDX y construido por AT&T, conectó Nueva York y Boston en 1947 con una serie de ocho estaciones de retransmisión de radio. A lo largo de la década de 1950, se implementó una red de una versión ligeramente mejorada en todo Estados Unidos, conocida como TD2. Estas incluían enlaces largos en cadena que atravesaban cadenas montañosas y se extendían por continentes. El lanzamiento de satélites de comunicación en la década de 1970 proporcionó una alternativa más económica. Gran parte del tráfico transcontinental se transporta ahora por satélites y fibras ópticas, pero la retransmisión por microondas sigue siendo importante para distancias más cortas.

Dado que en la transmisión por microondas las ondas viajan en haces estrechos confinados en una trayectoria de línea de visión de una antena a la otra, no interfieren con otros equipos de microondas, por lo que los enlaces de microondas cercanos pueden utilizar las mismas frecuencias. Por lo tanto, las antenas deben ser altamente direccionales (alta ganancia) y se instalan en lugares elevados, como grandes torres de radio, para poder evitar las obstrucciones más cercanas al suelo y transmitir a largas distancias. Los tipos típicos de antenas utilizadas en instalaciones de enlaces de retransmisión por radio son las antenas parabólicas, las de lente dieléctrica y las de reflector de bocina, que tienen un diámetro de hasta 4 m (13 pies). Las antenas altamente directivas permiten un uso económico del espectro de frecuencias disponible, a pesar de las largas distancias de transmisión.

Debido a las altas frecuencias utilizadas, se requiere una trayectoria con línea de visión entre las estaciones. Además, para evitar la atenuación del haz, una zona alrededor del haz, llamada la primera zona de Fresnel, debe estar libre de obstáculos. Los obstáculos en el campo de la señal causan una atenuación no deseada. Los picos o crestas de montañas altas suelen ser posiciones ideales para las antenas.

Además del uso de repetidores convencionales con radios en serie que transmiten en diferentes frecuencias, las obstrucciones en las trayectorias de las microondas también se pueden solucionar utilizando repetidores pasivos o repetidores en la misma frecuencia.

Los obstáculos, la curvatura de la Tierra, la geografía del área y los problemas de recepción que surgen del uso de terrenos cercanos (como en la industria y la silvicultura) son cuestiones importantes a tener en cuenta al planificar enlaces de radio. En el proceso de planificación, es esencial que se produzcan "perfiles de trayectoria", que proporcionan información sobre el terreno y las zonas de Fresnel que afectan la trayectoria de transmisión. También debe tenerse en cuenta la presencia de una superficie de agua, como un lago o un río, a lo largo de la trayectoria, ya que puede reflejar el haz, y el haz directo y el reflejado pueden interferir entre sí en la antena receptora, lo que provoca desvanecimientos por trayectos múltiples. Los desvanecimientos por trayectos múltiples suelen ser profundos solo en un punto pequeño y en una banda de frecuencia estrecha, por lo que se pueden aplicar esquemas de diversidad espacial y/o de frecuencia para mitigar estos efectos.

Los efectos de la estratificación atmosférica hacen que la trayectoria de radio se incline hacia abajo en una situación típica, por lo que es posible una distancia importante a medida que la curvatura equivalente de la Tierra aumenta de 6.370 km (3.960 mi) a aproximadamente 8.500 km (5.300 mi) (un efecto de radio equivalente de 4/3). Los eventos raros de perfil de temperatura, humedad y presión en función de la altura pueden producir grandes desviaciones y distorsión de la propagación y afectar la calidad de la transmisión. La lluvia y la nieve de alta intensidad que hacen que la lluvia se desvanezca también deben considerarse como un factor de deterioro, especialmente en frecuencias superiores a 10 GHz. Todos los factores perjudiciales mencionados en esta sección, conocidos colectivamente como pérdida de trayectoria, hacen necesario calcular márgenes de potencia adecuados, para mantener el enlace operativo durante un alto porcentaje de tiempo, como el estándar de 99,99% o 99,999% utilizado en los servicios de "clase portadora" de la mayoría de los operadores de telecomunicaciones.

El relé de radio de microondas más largo conocido cruza el Mar Rojo con un salto de 360 km (220 mi) entre Jebel Erba (2170 m (7120 pies) sobre el nivel del mar, 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583, -36.8401806, Sudán) y Jebel Dakka (2572 m (8438 pies) sobre el nivel del mar, 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583, -36.8401806 nourlexpansion">21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806, -40.2916111, Arabia Saudita). El enlace fue construido en 1979 por Telettra para transmitir 300 canales telefónicos y una señal de TV, en la banda de frecuencia de 2 GHz. (La distancia de salto es la distancia entre dos estaciones de microondas).

Las consideraciones anteriores representan problemas típicos que caracterizan los enlaces de radio terrestres que utilizan microondas para las llamadas redes troncales: longitudes de salto de unas pocas decenas de kilómetros (típicamente de 10 a 60 km (6,2 a 37,3 mi)) se utilizaron ampliamente hasta la década de 1990. Las bandas de frecuencia por debajo de 10 GHz, y sobre todo, la información a transmitir, eran un flujo que contenía un bloque de capacidad fija. El objetivo era proporcionar la disponibilidad solicitada para todo el bloque (jerarquía digital plesiócrona, PDH, o jerarquía digital síncrona, SDH). El desvanecimiento y/o el trayecto múltiple que afectaban al enlace durante un corto período de tiempo durante el día tenían que ser contrarrestados por la arquitectura de diversidad. Durante la década de 1990, los enlaces de radio de microondas comenzaron a usarse ampliamente para enlaces urbanos en la red celular. Los requisitos en cuanto a la distancia de los enlaces cambiaron a saltos más cortos (menos de 10 km (6,2 mi), normalmente de 3 a 5 km (1,9 a 3,1 mi)) y la frecuencia aumentó a bandas entre 11 y 43 GHz y, más recientemente, hasta 86 GHz (banda E). Además, la planificación de los enlaces se ocupa más de las lluvias intensas y menos de los trayectos múltiples, por lo que los esquemas de diversidad se utilizaron menos. Otro gran cambio que se produjo durante la última década fue una evolución hacia la transmisión por radio por paquetes. Por lo tanto, se han adoptado nuevas contramedidas, como la modulación adaptativa.

La potencia emitida está regulada para los sistemas celulares y de microondas. Estas transmisiones de microondas utilizan una potencia emitida típicamente de 0,03 a 0,30 W, radiada por una antena parabólica en un haz estrecho que diverge unos pocos grados (1 a 3-4). La disposición de los canales de microondas está regulada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) y las regulaciones locales (ETSI, FCC). En la última década, el espectro dedicado para cada banda de microondas se ha vuelto extremadamente concurrido, lo que motiva el uso de técnicas para aumentar la capacidad de transmisión, como la reutilización de frecuencias, la multiplexación por división de polarización, XPIC, MIMO.

La historia de la comunicación por radioenlace comenzó en 1898 con la publicación de Johann Mattausch en la revista austríaca Zeitschrift für Elektrotechnik. Pero su propuesta era primitiva y no apta para su uso práctico. Los primeros experimentos con estaciones repetidoras de radio para retransmitir señales de radio fueron realizados en 1899 por Emile Guarini-Foresio. Sin embargo, las ondas de radio de baja y media frecuencia utilizadas durante los primeros 40 años de la radio demostraron ser capaces de viajar largas distancias mediante la propagación de ondas terrestres y ionosféricas.

En 1931, un consorcio anglo-francés encabezado por André C. Clavier demostró un enlace experimental de microondas a través del Canal de la Mancha utilizando antenas parabólicas de 3 m (10 pies). Los datos de telefonía, telégrafo y fax se transmitieron a través de haces bidireccionales de 1,7 GHz a 64 km (40 millas) entre Dover (Reino Unido) y Calais (Francia). La potencia radiada, producida por un tubo Barkhausen-Kurz en miniatura situado en el foco de la antena, era de medio vatio. A un enlace de microondas militar de 1933 entre los aeropuertos de St. Inglevert (Francia) y Lympne (Reino Unido), a una distancia de 56 km (35 millas), le siguió en 1935 un enlace de telecomunicaciones de 300 MHz, el primer sistema comercial de retransmisión de microondas.

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial proporcionó gran parte de la tecnología de microondas que hizo posible la comunicación práctica por microondas, en particular el oscilador klistrón y las técnicas de diseño de antenas parabólicas. Aunque no es algo muy conocido, el ejército británico utilizó el equipo inalámbrico número 10 para esta función durante la Segunda Guerra Mundial. La necesidad de un relé de radio no empezó realmente hasta la década de 1940, cuando se explotaron las microondas, que viajaban por línea de visión y, por lo tanto, estaban limitadas a una distancia de propagación de aproximadamente 40 millas (64 km) por el horizonte visual.

Después de la guerra, las compañías telefónicas utilizaron esta tecnología para construir grandes redes de retransmisión de radio por microondas para realizar llamadas telefónicas de larga distancia. Durante la década de 1950, una unidad de la compañía telefónica estadounidense, AT&T Long Lines, construyó un sistema transcontinental de enlaces de retransmisión de microondas a lo largo de Estados Unidos que creció hasta transportar la mayor parte del tráfico telefónico de larga distancia de ese país, así como las señales de la red de televisión. La principal motivación en 1946 para utilizar la radio por microondas en lugar del cable fue que se podía instalar una gran capacidad rápidamente y a un menor costo. En ese momento se esperaba que los costos operativos anuales de la radio por microondas fueran mayores que los del cable. Hubo dos razones principales por las que se tuvo que introducir repentinamente una gran capacidad: la demanda reprimida de servicio telefónico de larga distancia, debido a la pausa durante los años de guerra, y el nuevo medio de la televisión, que necesitaba más ancho de banda que la radio. El prototipo se denominó TDX y se probó con una conexión entre la ciudad de Nueva York y Murray Hill, la ubicación de los Laboratorios Bell en 1946. El sistema TDX se instaló entre Nueva York y Boston en 1947. El TDX se actualizó al sistema TD2, que utilizaba [el tubo Morton, 416B y más tarde 416C, fabricado por Western Electric] en los transmisores, y luego al TD3, que utilizaba electrónica de estado sólido.

Durante la Guerra Fría, fueron notables las conexiones por microondas con Berlín Occidental, que tuvieron que construirse y operarse debido a la gran distancia entre Alemania Occidental y Berlín, al límite de lo técnicamente factible. Además de la red telefónica, también se instalaron conexiones por microondas para la distribución de emisiones de radio y televisión. Esto incluía conexiones desde los estudios a los sistemas de transmisión distribuidos por todo el país, así como entre las estaciones de radio, por ejemplo para el intercambio de programas.

Los sistemas de retransmisión de microondas militares continuaron utilizándose hasta la década de 1960, cuando muchos de estos sistemas fueron reemplazados por sistemas de satélites de comunicación o de dispersión troposférica. Cuando se formó el brazo militar de la OTAN, gran parte de este equipo existente se transfirió a grupos de comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones típicos utilizados por la OTAN durante ese período de tiempo consistían en las tecnologías que se habían desarrollado para su uso por las entidades de los operadores telefónicos en los países anfitriones. Un ejemplo de los EE. UU. es el sistema de retransmisión de microondas RCA CW-20A de 1-2 GHz que utilizaba un cable UHF flexible en lugar de la guía de ondas rígida requerida por los sistemas de frecuencia más alta, lo que lo hacía ideal para aplicaciones tácticas. La instalación de retransmisión de microondas típica o la camioneta portátil tenían dos sistemas de radio (más un respaldo) que conectaban dos sitios de línea de visión. Estas radios a menudo transportaban 24 canales telefónicos multiplexados por división de frecuencia en la portadora de microondas (es decir, Lenkurt 33C FDM). Cualquier canal podía designarse para transportar hasta 18 comunicaciones de teletipo en su lugar. También se utilizaban sistemas similares de Alemania y otros países miembros.

En muchos países se construyeron redes de transmisión por microondas de larga distancia hasta la década de 1980, cuando la tecnología perdió su cuota de funcionamiento fijo en favor de tecnologías más nuevas, como el cable de fibra óptica y los satélites de comunicación, que ofrecen un menor coste por bit.

Durante la Guerra Fría, las agencias de inteligencia estadounidenses, como la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), fueron capaces de interceptar el tráfico de microondas soviético utilizando satélites como Rhyolite/Aquacade. Gran parte del haz de un enlace de microondas pasa por la antena receptora y se irradia hacia el horizonte, al espacio. Al colocar un satélite geoestacionario en la trayectoria del haz, se puede recibir el haz de microondas.

A principios del siglo XX, los sistemas de retransmisión por microondas se utilizaron cada vez más en aplicaciones de radio portátil. La tecnología es especialmente adecuada para esta aplicación debido a los menores costos operativos, una infraestructura más eficiente y la provisión de acceso directo al hardware para el operador de radio portátil.

Un enlace de microondas es un sistema de comunicaciones que utiliza un haz de ondas de radio en el rango de frecuencia de las microondas para transmitir video, audio o datos entre dos ubicaciones, que pueden estar separadas por una distancia de unos pocos pies o metros o de varios kilómetros o millas. Los enlaces de microondas son utilizados habitualmente por las emisoras de televisión para transmitir programas a lo largo de un país, por ejemplo, o desde una transmisión exterior a un estudio.

Las unidades móviles se pueden montar en cámaras, lo que permite que las cámaras tengan la libertad de moverse sin cables. Estas unidades se suelen ver en las líneas de banda de los campos deportivos con sistemas Steadicam.

• Involve line of sight (LOS) communication technology
• Afectado en gran medida por las limitaciones ambientales, incluida la disminución de la lluvia
• Tener capacidades de penetración muy limitadas a través de obstáculos tales como colinas, edificios y árboles
• Sensible a la alta cuenta de polen
• Las señales se pueden degradar durante eventos de protones solares
• Los retrasos de la propagación son menores que en las redes de fibra óptica porque la velocidad de la luz en el aire es más rápida que en el cable óptico

• In communications between satellites and base stations
• Como portadores de columna vertebral para sistemas celulares
• En comunicaciones cubiertas de corto alcance
• Conexión de las centrales telefónicas remotas y regionales a los intercambios de mayor tamaño (principal) sin necesidad de líneas de cobre/fibra óptica
• Medición de la intensidad de la lluvia entre dos lugares
• Para dar ventaja financiera a los comerciantes de alta frecuencia en una bolsa mediante un conocimiento más rápido de los cambios de precios en un intercambio distante

Los enlaces de retransmisión de microondas terrestres están limitados en distancia al horizonte visual, unas pocas decenas de millas o kilómetros dependiendo de la altura de la torre. La dispersión troposférica ("troposcatter" o "scatter") fue una tecnología desarrollada en la década de 1950 para permitir enlaces de comunicación por microondas más allá del horizonte, con un alcance de varios cientos de kilómetros. El transmisor irradia un haz de microondas al cielo, en un ángulo poco profundo sobre el horizonte hacia el receptor. A medida que el haz pasa a través de la troposfera, una pequeña fracción de la energía de microondas se dispersa de vuelta hacia el suelo por el vapor de agua y el polvo en el aire. Un receptor sensible más allá del horizonte capta esta señal reflejada. La claridad de la señal obtenida por este método depende del clima y otros factores y, como resultado, existe un alto nivel de dificultad técnica en la creación de un enlace de retransmisión de radio confiable más allá del horizonte. Por lo tanto, los enlaces de dispersión troposférica solo se utilizan en circunstancias especiales en las que no se puede confiar en los satélites y otros canales de comunicación de larga distancia, como en las comunicaciones militares.

• Guía de diseño de transmisión de radio de microondas, Trevor Manning, Artech House, 1999

Escucha este artículo ()5 minutos)

Este archivo de audio fue creado a partir de una revisión de este artículo de fecha 22 de septiembre de 2005 ()2005-09-22), y no refleja ediciones posteriores.

(Ayuda auditiva · Más artículos hablados)

• RF / Diseño de microondas en la Universidad de Oxford
• Skyway de radio-relé de microondas de ATENT introducido en 1951
• Bell System 1951 magazine ad for Microwave Radio-Relay systems.
• RCA vintage magazine ad for Microwave-Radio Relay equipment used for Western Union Telegraph Co.
• AT Long Lines Microondas Torres recordadas
• AT Long Lines
• IEEE Global History Network Microwave Link Networks