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Microondas

Microondas
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Concepto:Porción del espectro electromagnético que cubre las frecuencias que corresponden a la longitud de onda.
Microondas. Se denomina así a la porción del espectro electromagnético que cubre las frecuencias entre aproximadamente 3Ghz y 300Ghz (1Ghz=10^9Hz), que corresponde a la longitud de onda en vacío entre 10cm y 1mm.

Propiedad fundamental

La propiedad fundamental que posee este rango de frecuencia es que el rango de ondas correspondientes es comparable con la dimensión física de los sistemas de laboratorio. Por esta peculiaridad, las microondas exigen un tratamiento particular que no es extrapolable de ninguno de los métodos de trabajo utilizados en los márgenes de frecuencia con que limita. Estos dos límites lo constituyen la radiofrecuencia y el infrarrojo lejano.

Radiofrecuencia

En radiofrecuencia son útiles los conceptos de circuitos con parámetros localizados, debido a que, en general, las longitudes de onda son mayores que las longitudes de los dispositivos, es así como puede hablarse de autoinducciones, capacidades, resistencias, etc, debido a que no es preciso tener en cuenta la propagación efectiva de la onda en dicho elemento; por el contrario, en las frecuencias superiores a las de microondas son aplicables los métodos de tipo óptico, porque las longitudes de onda comienzan a ser despreciables frente a las dimensiones de los dispositivos.

Método de análisis

El método de análisis más general y ampliamente utilizado en microondas consiste en la utilización del campo electromagnético, caracterizado por los vectores (E, B, D y H en presencia de medios materiales), teniendo en cuenta las ecuaciones de Maxwell (v), que rigen su comportamiento y las condiciones de contornos metálicos son muy comunes a estas frecuencias.

Cabe destacar que, por ejemplo, el campo E es normal y el campo H es tangencial en las proximidades externas de un conductor. No obstante, en los márgenes externos de las microondas se utilizan frecuentemente los métodos de análisis correspondientes al rango contiguo del espectro; así, a frecuencias elevadas de microondas son útiles los conceptos de "rayo", lente, etc., ampliamente utilizados en óptica, sobre todo cuando la propagación es transversal electromagnética (TEM, E y B perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación) en el espacio libre.

Por otro lado, a frecuencias bajas de microondas, colindantes con las radiofrecuencias, es útil la teoría de circuitos con parámetros distribuidos. Esta teoría toma en cuenta la propagación efectiva que va a tener la onda en un elemento cualquiera; así, un trozo de cable metálico, que en baja frecuencia representa simplemente un cortocircuito que sirve para efectuar una conexión entre elementos, dejando equipotenciales los puntos que une, a alta frecuencia puede no ser despreciable y su autoinducción puede causar una impedancia que sea preciso tomar en cuenta. Entonces se hace necesario representar este cable a través de su impedancia (resistencia y autoinducción) por unidad de longitud.

También en la parte de instrumentación experimental, generación y transmisión de microondas, estas tienen peculiaridades propias que obligan a utilizar con características diferentes a los de los rangos vecinos de frecuencias. Respecto a limitaciones que impiden su funcionamiento a frecuencias de microondas.

Líneas de baja frecuencia

Las líneas de baja frecuencia son usualmente abiertas, por lo cual, si se intentan utilizar a frecuencias elevadas, automáticamente surgen problemas de radiación de la energía electromagnética.

Para superar este inconveniente se deben confirmar los campos electromagnéticos, lo que normalmente se efectúa por medio de contornos metálicos; así, los sistemas de transmisión usuales de microondas son, o bien líneas coaxiales, o bien, en general, guías de onda continuadas por conductores abiertos o tuberías.

En este sentido es ilustrativo ver la evolución de un circuito resonante LC paralelo de baja frecuencia hacia una cavidad resonante, que es circuito equivalente en microonda. Como a alta frecuencia las inductancias y capacidades (electrostáticas y la inducción electromagnética) cobran gran importancia por pequeñas que sean, un circuito resonante para frecuencias relativas altas puede ser sencillamente dos placas paralelas y una espira uniendo ambas placas; es para reducir aún más la inductancia que se ponen varias espiras en paralelo, se llega a obtener una región completamente cerrada por paredes conductoras.

La energía electromagnética solo puede almacenarse en una cavidad a frecuencias próximas a las denominadas de resonancia de la misma, las cuales dependen fundamentalmente de su geometría; los campos anteriores penetran solo en una capa delgada de las paredes metálicas con un espesor ô, de esta capa, denominada profundidad de penetración, dependiente de la frecuencia y de la conductividad del material que forme la cavidad a través de la expresión ô= 2/WUO, donde W,U son respectivamente la frecuencia de la onda, la permeabilidad magnética y conductividad del material (eléctrica, conducción, electromagnetismo) para los siguientes metales: aluminio, oro, cobre y plata, los valores de ô a 3Ghz son respectivamente de 1,6, 1,4, 1,2 y 1,4 u. De esta forma es fácil comprender que la energía disipada en las cavidades, si éstas están hechas por buenos conductores, es pequeña, con lo cual las Q, o factores de mérito de las cavidades resonantes Q =2 ƒƒ (energía almacenada)/(energía disipada por ciclo), suelen estar en orden de 10 ^4, pudiendo alcanzar valores mas elevados.

Por otra parte el pequeño valor de ô permite fabricar guías de excelente calidad con un simple recubrimiento interior de buen material conductor, (plateado o dorado). La utilización en microodas de las válvulas de vacío convencionales, como amplificadores y osciladores, esta limitada, por una parte, por el tiempo de tránsito de los electrones en el interior de la válvula y, por otra, por las inductancias y por las capacidades asociadas al cableado y los electrodos de la misma.

El tiempo de tránsito al hacerse comparable con el período de las oscilaciones, da lugar a que haya un defase entre el campo y las oscilaciones de los electrones; esto implica un consumo de energía que disminuye la impedancia de entrada de la válvula, aunque su rejilla, polarizada negativamente no capte electrones.

Las inductancias y capacidades parásitas causan efectos de resonancia y acople interelectrónico que también conducen a una limitación obvia. Son muchas las modificaciones sugeridas y utilizadas para superar estos inconvenientes, basándose en los mismos principios de funcionamiento, pero, a frecuencias ya de lleno en el rango de las microondas, tanto los circuitos de válvulas, como los semiconductores trabajan según una concepción completamente diferente a los correspondientes de la baja frecuencia.

Modulación en microondas

Los generadores de microondas son generadores críticos en cuanto a la tensión y la corriente de funcionamiento. Uno de los medios es no actuar sobre el generador o amplificador pero si utilizar un dispositivo diodo pin en la guía de salida, modulada directamente la amplitud de la onda. Otro medio es utilizar un desfasador de ferrita y modular la onda en fase. En este caso es fácil obtener modulación en frecuencia a través del siguiente proceso: en una primera etapa, se modula en FM una portadora de baja frecuencia, por ejemplo 70 Mhz. En una segunda etapa, esta portadora modulada es mezclada con la portadora principal en frecuencia de Ghz, por ejemplo 10 Ghz.

Un filtro de frecuencias deja pasar la frecuencia suma, 10070 Mhz con sus bandas laterales de 3 Mhz y por lo tanto la banda pasante será de 10067 a 10073 Mhz que es la señal final de microondas. En el receptor se hace la mezcla de esta señal con el oscilador local de 10 Ghz seguido de un filtro que aprovecha la frecuencia de diferencia 70 Mhz la cual es amplificada y después detectada por las técnicas usuales en FM.

Ventajas de los radioenlaces de microondas

Las ventajas de los radioenlaces de microondas comparados con los sistemas de línea metálica son muchos:

  • Volúmen de inversión generalmente más reducido.
  • Instalación más rápida y sencilla.
  • Conservación generalmente más económica y de actuación rápida.
  • Pueden superarse las irregularidades del terreno.
  • La regulación solo debe aplicarse al equipo puesto que las características del medio de transmisión son esencialmente constantes en el ancho de banda de trabajo.
  • Puede aumentarse la separación entre repetidores incrementando la altura de las torres.

Desventajas

Las desventajas de los radioenlaces de microondas comparados con los sistemas de línea metálica están dadas en:

  • Explotación restringida a tramos con visibilidad directa para los enlaces.
  • Necesidad de acceso adecuado a las estaciones repetidoras en las que hay que disponer de energía y acondicionamiento para los equipos y servicios de conservación. Se han hecho ensayos para utilizar generadores autónomos y baterías de células solares.
  • La segregación, aunque es posible y se realiza, no es tan flexible como en los sistemas por cable.
  • Las condiciones atmosféricas pueden ocasionar desvanecimientos intensos y desviaciones del haz, lo que implica utilizar sistemas de diversidad y equipo auxiliar requerido, supone un importante problema en diseño.

Estructura general de un radioenlace por microondas

Equipos

Un radioenlace está formado por equipos terminales y repetidores intermedios. La función de los repetidores es salvar la falta de visibilidad impuesta por la curvatura terrestre y conseguir así enlaces superiores al horizonte óptico. La distancia entre repetidores se llama vano. Los repetidores pueden ser activos o pasivos. En los repetidores pasivos o reflectores no hay ganancia y se limitan a cambiar la dirección del haz radioelectrónico.

Planes de frecuencia- ancho de banda

Los planes de frecuencia-ancho de banda en un radioenlace por microondas están dados ya que en una estación terminal se requieran dos frecuencias por radiocanal:

  • Frecuencia de emisión
  • Frecuencia de recepción

Es una estación repetidora que tiene como mínimo una antena por cada dirección, es absolutamente necesario que las frecuencias de emisión y recepción estén suficientemente separadas, debido a: 1. La gran diferencia entre los niveles de las señales emitidas y recibidas, que pueden ser de 60 a 90 dB. 2.

La necesidad de evitar los acoples entre ambos sentidos de transmisión. 3. La directividad insuficiente de las antenas sobre todas las ondas métricas. Por consiguiente en ondas métricas (30-300 Mhz) y decimétricas (300 Mhz - 3 Ghz), conviene utilizar cuatro frecuencias (plan de 4 frecuencias). En ondas centimétricas, la directividad es mayor y puede emplearse un plan de 2 frecuencias.

Generación de microondas

Quizás fue el Magnetron, como generador de microondas de alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las microondas, al abrir paso a la utilización de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial; sin embargo, fueron KLYSTRONS, los que dieron una mayor versatilidad de utilización estos equipos, sobre todo en el campo de las comunicaciones, lo que permitió además una mayor comprensión de los fenómenos que tienen lugar en los tubos de microondas.

El principio básico del funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de microonda deseada. El estudio de los KLYSTRONS conllevó a un amplio desarrollo desde los fenómenos de carga espacial, la interpretación de la operación de los tubos sin embargo, fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de onda progresiva (TWT, Travelling-Wave Tube); siglas de esta clase de tubos, las que dieron lugar a una mejor compresión de los fenómenos que tienen lugar en los haces electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas electromecánicas, daban lugar a amplificación o generación de microonda.

Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la velocidad de fase de la onda electromagnética lo cual se hace mediante estructuras periódicas de entre las cuales la más utilizada es la hélice; de esta forma es posible mantener una iteración continuada entre la onda electromagnética y el haz electrónico, modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que va cediendo su energía cinética, a la onda electromagnética.

Posteriormente también se desarrolló el tubo de onda regresiva (BWO< Backward- wave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecía, además, una mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico. Los dispositivos anteriores se basan en la conversión de energía de continuidad en la energía de microonda, mientras que los amplificadores paramétricos (amplificador, 8), utilizan como fuente de energía una de alterna que convierten, por un procedimiento de mezcla, en la de alta frecuencia deseada. En lugar de utilizar como elemento resistivo, utilizan un elemento reactivo, como puede ser un diodo de capacidad variable, y de aquí el bajo nivel de ruido que se puede lograr.

Un fundamento análogo tienen los amplificadores cuánticos MASER. Son estos amplificadores de bajo nivel de ruido los que han abierto un gran campo de operación en radioastronomía, así como las intercontinentales vía satélite etc. Un problema conserniente al desarrollo de las microondas, lo ha constituido hasta ahora el precio elevado de los generadores; ha sido el decubrimiento de los osciladores a semiconductores el que ha abaratado, va camino de hacerlo aun más, dichos generadores, con el cual el campo de aplicaciones de las microondas está creciendo a un nivel tal, que impide predecir las repercusiones futuras, que incluso pueden ser negativas.

Estos dispositivos también tienen una concepción diferente a la de los usuarios de baja frecuencia, esta radica en que en los de baja frecuencia, los electrones del semiconductor son "tibios" en el sentido en que sus energías no difieren grandemente de la red del material, mientras que en los de microondas, los electrones son "calientes", con energías eléctricas adquiridas de campos eléctricos elevados, que pueden ser muy superiormente a energía de microondas.

El primero de estos dispositivos se basó en el denominado "efecto Gunn" que se presenta en semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio, material en el que fue inicialmente detectado, y desde entonces se han descrito muchos dispositivos, algunos basados en fenómenos bulímicos en el semiconductor, como los gunn, y otros fenómenos que tienen lugar en uniones de semiconductores.

Transmisión de microondas

Un sistema en el que se utilizan localmente las microondas constará fundamentalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga; en caso contrario, habrá necesidad de un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor compuesto por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será otra antena, medio de transmisión y detector adecuado.

Además de estos elementos, existirán otros componentes como pueden ser atenuadores, desfasadores, frecuencimetros, medidores de onda estacionaria, etc. Este artículo se enfocará fundamentalmente en la guía de onda como elemento fundamental de transmisión de éstas frecuencias.

Como ya se ha citado, la guía de onda es en esencia una tubería metálica a través de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente atenuación, dependiendo esta del material de que la misma está fabricada; así, a una frecuencia determinada, y para una geometría concreta, la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material.

Aplicaciones de las microondas

Sin duda podemos decir que el campo más valioso de aplicación de las microondas es el ya mencionado de las comunicaciones. En este terreno, las microondas actúan generalmente como portadoras de información, mediante una modulación o codificación apropiada. En los sistemas de radar, cabe citar desde los empleados en armamento y navegación, hasta los utilizados en sistemas de alarma; estos últimos sistemas suelen también basarse en el "efecto Doppler" en cambios que sufre la razón de onda estacionaria (SWR) de una antena, pudiendo incluso reconocerse la naturaleza del elemento de alarma. Sistema automático de puertas, medida de velocidad de vehículos, etc. Otro gran campo de aplicación es el científico.

En radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia comprendidas entre 10 Mhz y 10Ghz pueden atravesar el filtro impuesto por la atmósfera y llegar hasta nosotros. Entre estas radiaciones están algunas de tipo espectral, como la línea de 1420 OH, y otras de tipo contínuo debidas a radiación térmica, emisión giromagnética, sincrotónica, etc. La detección de estas radiaciones permite obtener información de la dinámica y constitución del universo.

En el estudio de los materiales (eléctricos, magnéticos, palmas) las microondas se pueden utilizar bien para la determinación de parámetros macroscópicos, como son la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética, bien para el estudio directo de la estructura molecular de la materia mediante técnicas espectroscópicas y de resonancia. En el campo médico y biológico se utilizan las microondas para la observación de cambios fisiológicos significativos de parámetros del sistema circulatorio y respiratorio.

Es imposible hacer una enumeración exhaustiva de aplicaciones que, aparte de las ya citadas, pueden ir desde la mera confección de juguetes hasta el controlar de procesos o funcionamiento de computadores ultra rápidos. Quizá el progreso futuro de las microondas está en el desarrollo cada día mayor de los dispositivos a estado sólido, en los cuáles se consigue una disminución de precio y tamaño que puede llegar a niveles insospechados; estos sistemas son la combinación de los generadores a semiconductores con las técnicas de circuiteria integrada, fácilmente adaptables a la producción en masa. Sin embargo no todos son beneficios; un crecimiento incontrolado de la utilización de las miroondas, puede dar lugar a problemas no solo de congestión del espectro, interferencias, etc., sino también de salud humana; este último aspecto no está lo suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de que los índices de peligrosidad sean marcadamente diferentes de unos países a otros.

Propagación de microondas

Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 Ghz que corresponde a 10 cm y mm respectivamente, en longitudes de onda. En la práctica son ondas del orden de 1 Ghz a 12 Ghz. La banda espectral de las microondas se divide en sub-bandas tal como se muestra en la tabla:

  • FRECUENCIA (GHz) LONGITUD DE ONDA APROXIMADA (Cm)

S 1.5 A 8 10 X 8 A 12.5 3 K 12.5 A 40 1.1 Q 40 A 50 0.8

Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en multienlaces telefónicos y, en general, en redes con alta capacidad de canales de información. Las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también en comunicaciones por satélites. La longitud de onda muy pequeña permite antenas de altas ganancias. Como el radio de fresnel es relativamente pequeño, la propagación se efectúa como en el espacio libre. Si hay obstáculos que obstruyan el radio de fresnel, la atenuación es proporcional al obstáculo. De la ecuación se obtiene la atenuación Pr/Pt en enlaces espaciales

  • Pr/Pt (dB) = Gt (dB) + Gr (dB) +20 log h (m) - 22 - 20 log r (Km)

donde r es la distancia del enlace, h es la longitud de onda Gt Y Gr son las ganancias del transmisor y del receptor receptivamente. A la atenuación en espacio libre se le agregan algunos valores de atenuación debido a obstáculos:

  • 6 dB: Incidencia restante.
  • 40 dB: Bloqueo total del haz.

La atenuación puede variar de 6 a 20 dB dependiendo del tipo de superficie que provoca la difracción. Así:

  • 6 dB: Para una difracción en filo de cuchilla, con incidencia resante.
  • 20 dB: Difracción con incidencia resante en obstáculo mas redondeado como terreno ligeramente ondulado o agua que sigue la curvatura de la Tierra.

En condiciones desfavorables las pérdidas por reflexión pueden ser de hasta 50 db (propagación sobre mar). Si la superficie es rugosa se consideran despreciables las pérdidas por reflexión. La temperatura efectiva de ruido Te del circuito receptor, referida a los terminales de entrada y la cifra de ruido o (factor de ruido) F de un circuito, están relacionados de la siguiente forma: F = 1 + Te/To

  • F es la razón de la potencia de ruido real de salida (al conectar en un generador de temperatura normalizado de To=290^oK) y la potencia de ruido de salida que existiría para la misma entrada, si el circuito no tuviera ruidos propios. Por tanto se nota que:
  • F = 1 o 0 dB corresponde a Te = 0^K
  • F = 2 o 3 dB corresponde a Te = 290^oK, etc.

Fuentes