La radiación de microondas ( microondas ) es una región del espectro de la radiación electromagnética con longitudes de onda de 1 m a 1 mm, correspondientes a frecuencias desde 300 MHz y hasta 300 GHz, respectivamente [1] [2] [3] [4] [5 ] . Diferentes fuentes usan diferentes rangos de frecuencia para microondas; la definición amplia anterior incluye las bandas UHF (onda decimétrica), microondas (onda centimétrica) y EHF (onda milimétrica). Una definición más común en ingeniería de radio - rango de 1 a 100 GHz (longitudes de onda de 0,3 m a 3 mm). Las frecuencias de microondas a menudo se denominan con los términos de banda de radar IEEE S , C , X , Ku , K o K a o designaciones similares de la OTAN o la UE .
El prefijo micro- en la frase radiación de microondas no pretende determinar la longitud de onda en el rango de micrómetros . Más bien, indica que las microondas son "pequeñas" (con longitudes de onda más cortas) en comparación con las ondas de radio , que se usaban antes de la difusión de la tecnología de microondas. Los límites entre el infrarrojo lejano, la radiación de terahercios , las microondas y las ondas de radio decimétricas son bastante arbitrarios y se utilizan de diferentes maneras en diferentes campos de la ciencia y la tecnología.
Las microondas se propagan dentro de la línea de visión; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, no se difractan alrededor de las colinas, siguen la superficie terrestre como ondas superficiales y no se reflejan en la ionosfera , por lo que los enlaces de microondas terrestres se limitan al horizonte visual a unos 64 km. En el extremo superior del rango, son absorbidos por los gases de la atmósfera, lo que limita la distancia práctica de comunicación a aproximadamente un kilómetro. Las microondas se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, por ejemplo, enlaces punto a punto , redes inalámbricas, redes de radioenlaces de microondas , radares , comunicaciones espaciales y por satélite , diatermia médica y tratamiento del cáncer, teledetección de la Tierra , radioastronomía , aceleradores de partículas , espectroscopia , industria calefacción, sistemas para evitar colisiones , abridores de puertas de garaje y sistemas de entrada sin llave , y cocción por microondas .
La radiación de microondas de alta intensidad se utiliza para calentar cuerpos sin contacto (en hornos de microondas domésticos - para calentar productos, en hornos industriales - para el tratamiento térmico de metales, en cirugía - para la ablación de venas por radiofrecuencia [6] ; el elemento principal aquí es el magnetrón ), así como para el radar .
Las microondas ocupan una región en el espectro electromagnético con una frecuencia por encima de las ondas de radio convencionales y por debajo de la luz infrarroja :
| espectro electromagnético | ||||
|---|---|---|---|---|
| Nombre | Longitud de onda | Frecuencia Hz) | Energía fotónica ( eV ) | |
| rayo gamma | <0,02 nanómetro | > 15 Hz | > 62,1 keV | |
| radiografía | 0,01 nanómetro - 10 nanómetro | 30 Hz - 30 Hz | 124 keV - 124 eV | |
| ultravioleta | 10 nanómetro - 400 nanómetro | 30 PHZ - 750 THz | 124 eV - 3 eV | |
| luz visible | 390 nanómetro - 750 nanómetro | 770 THz - 400 THz | 3,2 eV - 1,7 eV | |
| Infrarrojo | 750 nm - 1 mm | 400 THz - 300 GHz | 1,7 eV - 1,24 meV | |
| Microondas | 1 mm - 1 metro | 300 GHz - 300 MHz | 1,24 meV - 1,24 microkeV | |
| Radio | 1 m - 100 km | 300 MHz - 3 kHz | 1,24 µeV - 12,4 feV | |
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 separados de radiación. Esta es una distinción común.
Las subbandas de microondas en diferentes sistemas de notación son diferentes; utilizados en las comunicaciones por satélite se muestran en la tabla.
| Bandas de frecuencia | ||
| Nombre | Rango de frecuencia , G Hz | |
|---|---|---|
| Nombre de rango | Rango de frecuencia de radar | Rango de frecuencia en las comunicaciones por satélite |
| L | 1,0—2,0 | |
| S | 2,0—4,0 | |
| C | 4,0—8,0 | 3,4—8,0 |
| X | 8,0—12,0 | 7,0—10,7 |
| Ku | 12,0—18,0 | 10,7—18,0 |
| k | 18,0—26,5 | 18.3-20.2; 27,5—31,5 |
| Ka | 26,5—40,0 | |
Las microondas se propagan solo en la línea de visión; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, no se propagan como ondas superficiales que siguen el contorno de la Tierra y no se reflejan en la ionosfera (ondas celestes) [7] . Aunque en el extremo inferior del rango pueden pasar a través de las paredes de un edificio manteniendo suficiente potencia de señal para la recepción, por lo general requieren espacio libre para el campo cercano de recepción. En consecuencia, los canales de comunicación de microondas en la superficie de la Tierra están limitados por un horizonte visual de unos 48-64 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 del rango. 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. La estructura espectral de la banda provoca picos de absorción en ciertas frecuencias (ver gráfico a la derecha). A frecuencias superiores a 100 GHz, la absorción de radiación electromagnética por parte de la atmósfera terrestre es tan grande que ésta se vuelve efectivamente opaca , hasta que la atmósfera vuelve a ser transparente en el llamado rango de frecuencias de ventana óptica e infrarroja .
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 [7] . Un receptor sensible más allá del horizonte con una antena de alta ganancia enfocada en esta región de la troposfera puede captar la señal. Esta técnica se ha utilizado en frecuencias entre 0,45 y 5 GHz en sistemas de comunicación por dispersión troposférica ( troposcatter ) para comunicaciones sobre el horizonte a distancias de hasta 300 km.
Las longitudes de onda cortas de la radiación de microondas permiten que las antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles sean muy pequeñas, entre 1 y 20 cm de longitud, por lo que las frecuencias de microondas son ampliamente utilizadas para dispositivos inalámbricos , como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos y acceso a área local inalámbrica. redes (Wi-Fi) para portátiles y auriculares Bluetooth . Las antenas en uso incluyen antenas de látigo corto, antenas de patito de goma , antenas de Hertz, antenas de parche y, cada vez más, las antenas F invertida de circuito impreso (PIFA) que se utilizan en los teléfonos móviles.
Su longitud de onda corta también hace posible crear haces estrechos de radiación de microondas con antenas pequeñas y convenientes de alta ganancia de medio metro a 5 metros de diámetro. Por lo tanto, las microondas se utilizan para enlaces de comunicación punto a punto y para radares . La ventaja de los haces direccionales estrechos es que no interfieren con los equipos cercanos que utilizan la misma frecuencia, lo que permite que los transmisores vecinos reutilicen la frecuencia . Las antenas parabólicas (de plato) son las antenas direccionales más utilizadas en frecuencias de microondas, pero también se utilizan antenas de bocina, antenas de ranura y antenas de lente dieléctrica . Las antenas microstrip planas se utilizan cada vez más en aplicaciones de consumo. Otro tipo de antena direccional utilizada en frecuencias de microondas es la antena de matriz en fase , que es una matriz de antenas controlada por computadora que crea un haz que se puede dirigir de manera controlada en diferentes direcciones.
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 en las frecuencias de microondas, por lo que cuando se requiere una atenuación baja, las microondas se transmiten a través de tuberías metálicas llamadas guías de ondas. Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento de las secciones de guía de ondas en muchas antenas de microondas, la etapa de salida del transmisor o la entrada de RF del receptor se encuentra en la antena.
El término microondas también tiene un significado más técnico en electromagnetismo y teoría de circuitos [8] [9] . Los aparatos y métodos se pueden describir cualitativamente como "microondas" cuando las longitudes de onda de las señales son aproximadamente las mismas que las dimensiones del circuito, de modo que la teoría del circuito de elementos agrupados no es aplicable y, en cambio, los modelos de elementos distribuidos y la teoría de la línea de transmisión son más útiles para el diseño y el análisis.
Como consecuencia, los circuitos prácticos de microondas generalmente se están alejando de las resistencias , capacitores e inductores discretos, que se utilizan con ondas de radio de baja frecuencia . Las líneas de transmisión abiertas y coaxiales utilizadas a frecuencias más bajas están siendo reemplazadas por guías de ondas y líneas de banda, y los circuitos de elementos agrupados están siendo reemplazados por resonadores de cavidad o terminales resonantes [8] . A su vez, a frecuencias aún más altas, cuando la longitud de onda de las ondas electromagnéticas se vuelve pequeña en comparación con el tamaño de las estructuras utilizadas para procesarlas, los métodos de microondas se vuelven inadecuados y se utilizan métodos ópticos .
Las fuentes de microondas de alta potencia utilizan tubos de vacío especiales 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 control de campos eléctricos o magnéticos, e incluyen el magnetrón (utilizado en hornos de microondas ), el klystron , el tubo de ondas viajeras (TWT) y el girotrón . Estos dispositivos funcionan en modo de modulación de densidad , no en modo de modulación actual . Esto significa que funcionan sobre la base de grupos de electrones que vuelan a través de ellos balísticamente (sin colisiones), en lugar de utilizar un flujo continuo de electrones.
Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como FET (al menos a frecuencias más bajas), diodos de túnel, diodos de Gunn y diodos de tránsito de avalancha [10] . Las fuentes de baja potencia están disponibles en formatos de sobremesa, de montaje en bastidor, enchufables y a nivel de tarjeta. Un máser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares a los de un láser , que amplifica las ondas de luz de mayor frecuencia.
Todos los objetos calientes emiten radiación de microondas de cuerpo negro de baja intensidad en función de su temperatura , por lo que en meteorología y teledetección , los radiómetros de microondas se utilizan para medir la temperatura de objetos o terrenos [11] . El sol [12] y otras fuentes de radio astronómicas como Cassiopeia A emiten radiación de microondas que transmite información sobre su composición, que los radioastrónomos estudian utilizando receptores llamados radiotelescopios . La radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), por ejemplo, es el débil ruido de microondas que llena el espacio vacío, que es la principal fuente de información para la teoría cosmológica del Big Bang sobre el origen del universo .
La tecnología de microondas se usa ampliamente para comunicaciones punto a punto (es decir, no para transmisión). Las microondas son particularmente 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 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 para las comunicaciones en las naves espaciales, y la mayoría 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 utilizan en hornos de microondas y en tecnología de radar .
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 retransmisión de radio de microondas operadas por operadores como AT&T Long Lines. A principios de la década de 1950, la multiplexación por división de frecuencia se utilizó para transmitir hasta 5400 canales telefónicos en cada canal de radio de microondas, con hasta diez canales de radio combinados en una sola antena para llegar al siguiente nodo a una distancia de hasta 70 km.
Los protocolos de LAN inalámbrica como Bluetooth y las especificaciones 802.11 utilizadas para Wi-Fi también utilizan microondas en la banda ISM de 2,4 GHz, aunque 802.11a utiliza la banda ISM y las frecuencias U-NII en la banda de 5 GHz. El alcance autorizado (hasta unos 25 km) para los servicios de acceso inalámbrico a Internet se ha utilizado durante casi diez años en muchos países a 3,5-4,0 GHz. La FCC ha asignado frecuencias para los operadores que deseen ofrecer servicio en esta banda en los EE. UU. con un enfoque en 3,65 GHz. Docenas de proveedores de servicios en todo el país tienen o han obtenido licencia de la FCC para operar esta banda. Los servicios WIMAX propuestos, que se pueden implementar en 3,65 GHz, brindarán a los clientes empresariales otra opción de conectividad.
Los protocolos de Red de Área Metropolitana (MAN), como WiMAX , se basan en estándares como IEEE 802.16 , diseñados para operar de 2 a 11 GHz. Las implementaciones comerciales se encuentran en las bandas 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 (p. ej., iBurst ) funcionan en la banda de 1,6 a 2,3 GHz para proporcionar emisiones características de movilidad y penetración en edificios, similares a los teléfonos móviles, pero con una eficiencia espectral mucho mayor [13] .
Algunas redes móviles , como GSM , usan frecuencias VHF bajas/UHF altas alrededor de 1,8 y 1,9 GHz en EE. UU. y otros países, respectivamente. DVB-SH y S-DMB usan la banda de 1,452 a 1,492 GHz, mientras que los EE. UU. usan radio satelital patentada o no conforme alrededor de 2,3 GHz para DARS .
La radio de microondas se usa en 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). Además, se dispone de un ancho de banda más amplio en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio; el ancho de banda útil por debajo de 300 MHz es inferior a 300 MHz, mientras que muchos GHz pueden utilizar más de 300 MHz de ancho de banda. Las microondas se usan comúnmente en las noticias de televisión para transmitir una señal desde una ubicación remota a una estación de televisión desde una camioneta especialmente equipada.
La mayoría de los sistemas de comunicaciones por satélite operan en las bandas C, X, K a o K u del espectro de microondas. Estas frecuencias proporcionan un amplio ancho de banda mientras evitan las frecuencias UHF saturadas y se mantienen por debajo de las frecuencias EHF donde la absorción atmosférica es fuerte. La televisión por satélite opera ya sea en la banda C para el servicio tradicional de satélite fijo de plato grande , o en la banda Ku para la transmisión directa desde el satélite . Las comunicaciones militares son principalmente enlaces X o Ku , y la banda K se usa para Milstar .
Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), incluido el Beidou de China, el Sistema de Posicionamiento Global estadounidense (introducido en 1978) y el sistema ruso GLONASS , transmiten señales de navegación en varias bandas entre aproximadamente 1,2 GHz y 1,6 GHz.
El radar es un dispositivo de radar que utiliza un haz de ondas de radio emitidas por un transmisor y mide la señal reflejada por un objeto, lo que le permite determinar la ubicación, el alcance, la velocidad y otras características del objeto. La longitud de onda corta de las microondas provoca fuertes reflejos en objetos del tamaño de automóviles, barcos y aviones. Además, en estas longitudes de onda, las antenas de alta ganancia, como las antenas parabólicas , que se requieren para obtener el haz estrecho requerido para el posicionamiento preciso de los objetos, son de tamaño pequeño, lo que les permite girar rápidamente para escanear objetos. Por lo tanto, las frecuencias de microondas son las principales frecuencias utilizadas en los radares. El radar de microondas se usa ampliamente en aplicaciones como el control del tráfico aéreo , el pronóstico del tiempo, la navegación de barcos y la aplicación de límites de velocidad. Los radares de largo alcance usan frecuencias de microondas más bajas, ya que en el extremo superior del rango la absorción atmosférica limita el alcance, pero las ondas milimétricas se usan para radares de corto alcance, como los sistemas para evitar colisiones .
Microondas emitidas por fuentes de radio astronómicas ; como planetas, estrellas, galaxias y nebulosas se estudian en radioastronomía utilizando grandes antenas parabólicas llamadas radiotelescopios . Además de recibir radiación de microondas natural, los radiotelescopios se utilizaron en experimentos de radar activo, para experimentos con el reflejo de microondas de los planetas del sistema solar, donde se determinaron las distancias a la Luna o se cartografió la superficie invisible de Venus a través de las nubes . cubrir.
El radiotelescopio de microondas recientemente terminado, el Atacama Large Millimeter Array, ubicado a una altitud de más de 5.000 metros en Chile, explora el universo en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas . Hoy es el proyecto más grande del mundo en el campo de la astronomía terrestre. Consta de más de 66 platillos y fue construido con la cooperación internacional de Europa, América del Norte, Asia Oriental y Chile [14] [15] .
El enfoque principal de la radioastronomía de microondas en los últimos tiempos 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 la "radiación cósmica de fondo de microondas" que quedó 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 original de alta energía se ha desplazado a la región de microondas del espectro de radio. Los radiotelescopios suficientemente sensibles pueden detectar la CMB como una señal débil no asociada con ninguna estrella, galaxia o cualquier otro objeto [16] .
Un horno de microondas transmite radiación de microondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz a través de los alimentos, provocando un calentamiento dieléctrico principalmente debido a la absorción de energía por parte de las moléculas de agua. Los hornos de microondas se convirtieron en equipos de cocina comunes en los países occidentales a fines de la década de 1970, luego del desarrollo de magnetrones resonadores menos costosos . El agua líquida tiene muchas interacciones moleculares que amplían el pico de absorción. En la fase de vapor, las moléculas de agua aisladas absorben radiación alrededor de 22 GHz, que es casi diez veces la frecuencia de un horno de microondas.
La radiación de microondas se utiliza en procesos industriales para el secado y curado de productos.
Muchas tecnologías de procesamiento de semiconductores utilizan microondas para generar plasma para aplicaciones como el grabado de iones reactivos y la deposición química de vapor (PECVD).
Las microondas se utilizan en stellarators y reactores de fusión tokamak experimentales para convertir el gas en plasma y calentarlo a temperaturas muy altas. La frecuencia está sintonizada con la resonancia de ciclotrón de los electrones en un campo magnético, en algún lugar entre 2 y 200 GHz, por lo que a menudo se la denomina calentamiento resonante de ciclotrón de electrones (ECHR). El reactor de fusión ITER en construcción [17] utilizará emisores de 170 GHz con una potencia de hasta 20 MW.
Las microondas se pueden usar para transmitir energía a largas distancias, y se realizaron investigaciones después de la Segunda Guerra Mundial para explorar esta posibilidad. En la década de 1970 y principios de la de 1980, la NASA trabajó para investigar las posibilidades de utilizar sistemas de satélites alimentados por energía solar (SPS) con grandes paneles solares , que transmitirían energía a la superficie de la Tierra mediante microondas.
Existe un arma menos letal que utiliza ondas milimétricas para calentar una fina capa de piel humana a una temperatura insoportable con el fin de obligar a la persona a marcharse. Una ráfaga de dos segundos de un haz enfocado a una frecuencia de 95 GHz calienta la piel a una temperatura de 54 ° C a una profundidad de 0,4 mm. La Fuerza Aérea y el Cuerpo de Marines de EE . UU. utilizan actualmente este tipo de sistema de rechazo activo en instalaciones fijas [18] .
La radiación de microondas se utiliza en la espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones (EPR o EPR), normalmente en la región de la banda X (alrededor de 9 GHz) en combinación con campos magnéticos de 0,3 T. Este método proporciona información sobre los electrones desapareados en compuestos químicos como los radicales libres o los iones de metales de transición como el Cu(II). La radiación de microondas también se usa para espectroscopia rotacional y se puede combinar con electroquímica para electroquímica mejorada con microondas.
Las bandas de frecuencia en el espectro de microondas se indican con letras. Sin embargo, existen varios sistemas de designación de bandas incompatibles, e incluso dentro del sistema, las bandas de frecuencia correspondientes a algunas letras difieren un poco entre diferentes aplicaciones [19] [20] . El sistema de letras se originó durante la Segunda Guerra Mundial en una clasificación estadounidense ultrasecreta de bandas utilizadas en instalaciones de radar; esta es la fuente del sistema de letras más antiguo, las bandas de radar IEEE. En la siguiente tabla se muestra un conjunto de bandas de microondas designadas por la Radio Society of Great Britain (RSGB):
| Designacion | rango de frecuencia | Rango de onda | Uso típico |
|---|---|---|---|
| grupo L | 1-2 GHz | 15-30cm | Telemetría militar, GPS, teléfonos móviles (GSM), radioaficionados |
| Grupo S | 2-4 GHz | 7,5-15 cm | Radar meteorológico, radar de superficie para barcos, algunos satélites de comunicaciones, hornos de microondas, dispositivos/comunicaciones de microondas, radioastronomía, teléfonos móviles, LAN inalámbrica, Bluetooth, ZigBee, GPS, radioaficionados |
| Grupo C | 4-8 GHz | 3,75-7,5 cm | radio de larga distancia |
| Grupo X | 8-12 GHz | 25-37,5 mm | Comunicaciones por satélite, radar, banda ancha terrestre, comunicaciones espaciales, radioaficionados, espectroscopia rotacional molecular |
| Grupo KU | 12-18 GHz | 16,7-25mm | Comunicaciones por satélite, espectroscopia rotacional molecular |
| Grupo K | 18-26,5 GHz | 11,3-16,7 mm | Radar, comunicaciones por satélite, observaciones astronómicas, radar automotriz, espectroscopia rotacional molecular |
| Grupo K | 26,5-40 GHz | 5,0 - 11,3 mm | Comunicaciones por satélite, espectroscopia rotacional molecular |
| Q rango | 33-50 GHz | 6,0-9,0 mm | Comunicaciones satelitales, comunicaciones terrestres por microondas, radioastronomía, radar automotriz, espectroscopia rotacional molecular |
| Grupo U | 40-60 GHz | 5,0-7,5mm | |
| Grupo V | 50-75 GHz | 4,0-6,0 mm | Investigación de radar en el rango milimétrico, espectroscopia rotacional de moléculas y otros tipos de investigación científica |
| Grupo W | 75-110 GHz | 2,7-4,0 mm | Comunicaciones por satélite, investigación de radares de ondas milimétricas, sistemas de guía y seguimiento de radares militares y algunas aplicaciones no militares, radares para automóviles |
| Grupo F | 90-140 GHz | 2,1-3,3 mm | Transmisiones de microondas: radioastronomía, dispositivos/comunicaciones de microondas, LAN inalámbrica, radares de última generación, satélites de comunicaciones, transmisión de televisión por satélite, DBS , radioaficionados. |
| Grupo D | 110-170 GHz | 1,8-2,7 mm | Transmisiones EHF: radioastronomía, relé de radio de microondas de alta frecuencia, detección remota de microondas, radioaficionados, armas de energía dirigida, escáner de ondas milimétricas. |
Hay otras definiciones [21] .
Para frecuencias UHF por debajo de la banda L, a veces se usa el término banda P, pero ahora está obsoleto según IEEE Std 521.
Cuando los radares de banda K se desarrollaron por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial, no se sabía que había una banda de absorción adyacente (debido al vapor de agua y al oxígeno en la atmósfera). Para evitar este problema, la banda K original se dividió en bandas K u inferiores y K a superiores [22] .
La frecuencia de microondas se puede medir electrónica o mecánicamente.
Puede utilizar contadores de frecuencia u osciladores locales de alta frecuencia . Aquí, la frecuencia desconocida se compara con los armónicos de una frecuencia más baja conocida utilizando un oscilador 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 sintonizado, como un medidor de absorción de ondas , en el que se conoce la relación entre el tamaño físico y la frecuencia.
En el laboratorio, las líneas de Lecher se pueden usar para medir directamente la longitud de onda en una línea de transmisión de cable paralelo, después de lo cual se puede determinar la frecuencia. Un método 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 insertada en la línea a través de una ranura longitudinal para que la sonda pueda moverse libremente arriba y abajo de la línea. Las líneas ranuradas están diseñadas principalmente para medir la relación de onda estacionaria del voltaje de la línea . Sin embargo, en presencia de una onda estacionaria, también pueden usarse para medir la distancia entre nodos , que es igual a la mitad de la longitud de onda. La precisión de este método está limitada por la ubicación de los nodos.
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 dañar el ADN, a diferencia de la radiación ionizante como los rayos X o la radiación ultravioleta [23] . La palabra "radiación" se refiere a la energía que emana de una fuente, no a la radiactividad . El principal efecto de la absorción de microondas es el calentamiento de los materiales; Los campos electromagnéticos hacen que las moléculas polares vibren o giren. No se sabe que las microondas (u otras radiaciones electromagnéticas no ionizantes) tengan efectos biológicos adversos significativos a bajas intensidades. Algunos estudios, pero no todos, muestran que la exposición a largo plazo puede tener un efecto cancerígeno [24] .
Durante la Segunda Guerra Mundial , se notó que las personas en el camino de la radiación de las instalaciones de radar escuchaban clics y zumbidos como resultado de la exposición a la radiación de microondas. La investigación de la NASA en la década de 1970 mostró que fue causado por la expansión térmica de partes del oído interno. En 1955, el Dr. James Lovelock pudo resucitar ratas enfriadas a 0-1°C usando diatermia con microondas [25] .
Cuando se produce una lesión por la exposición a las microondas, por lo general se produce como resultado del calentamiento dieléctrico del cuerpo. La exposición a la radiación de microondas puede causar cataratas por este mecanismo [26] porque el calentamiento por microondas desnaturaliza las proteínas en el cristalino del ojo (al igual que el calor hace que la clara de huevo se vuelva opaca). El cristalino y la córnea del ojo son particularmente vulnerables porque carecen de vasos sanguíneos que puedan transportar el calor. La exposición a altas dosis de radiación de microondas (por ejemplo, de un horno que ha sido forzado para permitir el funcionamiento incluso con la puerta abierta) también puede causar daño por calor a otros tejidos, hasta quemaduras graves , que pueden no ser aparentes de inmediato debido a a la tendencia de las microondas a calentar tejidos más profundos, tejidos con mayor contenido de humedad.
Eleanor R. Adair realizó un estudio de su salud, animales y otras personas expuestas a microondas, a partir de las cuales se sintieron calientes o incluso comenzaron a sudar y sentirse bastante incómodos. No encontró efectos adversos para la salud además del calor.
Las microondas se crearon 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" [27] . James Clerk Maxwell , en su teoría del electromagnetismo de 1873 , que se basa en las ecuaciones de Maxwell , predijo que los campos eléctricos y magnéticos alternos podrían viajar a través del espacio como ondas electromagnéticas , y sugirió que la luz estaba compuesta de ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. En 1888, el físico alemán Heinrich Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas de radio utilizando un transmisor de radio primitivo con un espacio de chispa [28] . Hertz y otros primeros investigadores de radio estaban interesados en estudiar las similitudes entre las ondas de radio y las ondas de luz para probar la teoría de Maxwell. Se concentraron en crear ondas de radio de onda corta en las bandas UHF y microondas, con las que podían duplicar los experimentos ópticos clásicos en sus laboratorios, utilizando componentes cuasi -ópticos como parafina , azufre y prismas y lentes de tono , y rejillas de alambre para refractar y dispersar . la onda de radio. , como los rayos de luz [29] . Hertz creó 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 de la línea focal de una antena parabólica , hecha de lámina de zinc doblada, alimentada por pulsos de alto voltaje de una bobina de inducción . Sus experimentos históricos demostraron que las ondas de radio, como la luz, exhiben refracción , difracción , polarización , interferencia y ondas estacionarias , demostrando la conexión entre las ondas de radio y las ondas de luz, que son las formas de ondas electromagnéticas de Maxwell .
El transmisor de chispas de 450 MHz de Heinrich Hertz , 1888, constaba de un dipolo de 23 cm y un espacio de chispas en el foco de un reflector parabólico.
Jagadish Chandra Bose en 1894 fue la primera persona en crear ondas milimétricas; su generador de chispas (en el cuadro de la derecha) generó ondas de 60 GHz (5 mm) utilizando un resonador de bola de metal de 3 mm de diámetro.
Un experimento de espectroscopia de microondas realizado por John Ambrose Fleming en 1897 mostró la refracción de microondas de 1,4 GHz en un prisma de parafina, duplicando los experimentos anteriores de Bose y Righe.
Generador y receptor de chispas Augusto Righi de 12 GHz, 1895
A partir de 1894, el físico indio Jagdish Chandra Bose realizó los primeros experimentos con microondas. Fue la primera persona en crear ondas milimétricas , generando frecuencias de hasta 60 GHz (5 milímetros) usando un generador de chispas con una bola de metal de 3 mm [30] [29] . Bose también inventó la guía de ondas , las antenas de bocina y los 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 creó ondas milimétricas de 50 GHz en 1895. En 1897, Lord Rayleigh resolvió el problema matemático de los límites de las ondas electromagnéticas que se propagan a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria [31] [32] [33] [34] , en el que indicó los modos de corte y la frecuencia de las microondas que se propagan a través de un guía de ondas [28] .
Sin embargo, dado que la propagación de microondas se limita a la línea de visión, no podían usarse más allá del horizonte visible, 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 usó frecuencias más bajas, que podían propagarse más allá del horizonte como ondas superficiales y reflejarse desde la ionosfera como ondas del cielo; las frecuencias de microondas no se estudiaron con más detalle en ese momento.
La aplicación práctica de las frecuencias de microondas no tuvo lugar hasta las décadas de 1940 y 1950 debido a la falta de fuentes apropiadas, ya que el oscilador electrónico triodo de tubo de vacío (tubo) utilizado en los transmisores de radio no podía generar frecuencias por encima de unos pocos cientos de megahercios debido al exceso de tiempo . el paso de electrones y la capacitancia entre electrodos [28] . En la década de 1930, se desarrollaron los primeros tubos de vacío de microondas de baja potencia, que funcionaban con nuevos principios; Tubo de Barkhausen-Kurtz y magnetrón con ánodo desmontable . Podían generar varios vatios de potencia a frecuencias de hasta varios gigahercios y se utilizaron en los primeros experimentos de comunicación por microondas.
Antenas de 1931 para experimentos de comunicación por radioenlace a través del Canal de la Mancha a una frecuencia de 1,7 GHz.
Un transmisor experimental de 700 MHz en Westinghouse Laboratories en 1932 transmite voz a una distancia de más de una milla.
Southworth demostró una guía de ondas en una reunión del Instituto de Ingenieros de Radio en 1938, mostrando ondas de 1,5 GHz que pasan a través de una manguera de metal flexible de 7,5 m de largo detectadas por un detector de diodos.
Primera antena de bocina moderna en 1938 por el inventor Wilmer L. Barrow
En 1931, un consorcio anglo-francés dirigido por André Clavier demostró el primer enlace de relé de microondas experimental a través del Canal de la Mancha durante 64 km entre Dover y Calais [35] [36] . El sistema transmitía datos de teléfono, telégrafo y facsímil a través de un canal bidireccional de 1,7 GHz con una potencia de aproximadamente medio vatio, creado por tubos Barkhausen-Kurtz en miniatura en el foco de un plato de metal de 3 metros.
Tuvo que inventarse una palabra para distinguir estas nuevas longitudes de onda más cortas, que anteriormente se habían agrupado en el rango de " onda corta ", lo que significaba todas las ondas de menos de 200 m. Los términos ondas cuasi-ópticas y ondas ultracortas se usaron durante un período de tiempo . , pero no se generalizó. El primer uso de la palabra microondas parece haber ocurrido en 1931 [37] .
El desarrollo del radar , en su mayoría secreto, antes y durante la Segunda Guerra Mundial , condujo a avances tecnológicos que hicieron que las microondas fueran prácticas [28] . Se necesitaban longitudes de onda en el rango de centímetros para que las pequeñas antenas de radar, que eran lo suficientemente compactas para caber en los aviones, tuvieran un ancho de haz lo suficientemente estrecho para localizar aviones enemigos. Se descubrió que las líneas de transmisión convencionales , utilizadas para transmitir ondas de radio, tenían pérdidas de potencia excesivas en las frecuencias de microondas, y George Southworth de Bell Labs y Wilmer Barrow del MIT inventaron de forma independiente la guía de ondas en 1936 [31] . Barrow inventó la antena de bocina en 1938 como un medio para irradiar microondas de manera eficiente hacia o desde una guía de ondas. Un receptor de microondas necesitaba un componente no lineal para actuar como detector y mezclador en estas frecuencias porque los tubos de vacío tenían demasiada capacitancia. Para cumplir con este requisito, los investigadores han revivido una tecnología obsoleta, el detector de cristal puntual (detector de bigotes de gato), que se utilizó como demodulador en los receptores de radio de cristal a principios de siglo antes de la llegada de los receptores de tubo [38] . La baja capacitancia de las uniones de semiconductores les permitió operar a frecuencias ultra altas. 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 los semiconductores descubiertos durante el desarrollo de los semiconductores llevaron a la electrónica de semiconductores después de la guerra.
Prototipo de tubo de magnetrón resonador por Randall y Booth en la Universidad de Birmingham , 1940. En uso, el tubo se instalaba entre los polos de un electroimán.
El primer tubo klystron comercial de General Electric, 1940, cortado para mostrar la construcción interna
AN/ APS-4 es un radar de interceptación aerotransportado de 10 GHz utilizado por aviones estadounidenses y británicos durante la Segunda Guerra Mundial.
Estación móvil de retransmisión de microondas del ejército de EE. UU., 1945, demostración de sistemas de retransmisión que utilizan frecuencias de 01 a 4,9 GHz, que pueden transportar hasta 8 llamadas telefónicas en el haz.
Las primeras fuentes poderosas de radiación de microondas se inventaron al comienzo de la Segunda Guerra Mundial: el klystron de Russell y Sigurd Varian de la Universidad de Stanford en 1937, y el magnetrón de John Randall y Harry Booth de la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 1940 [28 ] . El radar de microondas de diez centímetros (3 GHz) se utilizó en aviones militares 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 considerablemente la guerra. El Laboratorio de Radiación del MIT , establecido en secreto en el MIT en 1940 para investigar el radar, proporcionó gran parte del conocimiento teórico necesario para usar microondas. Los primeros sistemas de retransmisión de microondas fueron desarrollados por las fuerzas aliadas hacia el final de la guerra y se utilizaron para redes de comunicaciones seguras en el campo de batalla en el teatro de operaciones europeo.
Después de la Segunda Guerra Mundial, las microondas comenzaron a utilizarse ampliamente con fines comerciales [28] . Debido a su alta frecuencia, los transmisores basados en ellos tienen un ancho de banda ( ancho de banda ) de información muy grande; un haz de microondas puede transmitir decenas de miles de llamadas telefónicas. En las décadas de 1950 y 1960, se construyeron redes de transmisión de microondas transcontinentales en los Estados Unidos y Europa para intercambiar llamadas telefónicas entre ciudades y distribuir programas de televisión. En la nueva industria de la transmisión de televisión , a partir de la década de 1940, se utilizaron platos de microondas para transmitir canales de transporte de canales de video desde estaciones de televisión móviles de regreso al estudio, lo que permitió transmitir transmisiones de televisión remotas. Los primeros satélites de comunicación se lanzaron en la década de 1960 y transmitían llamadas telefónicas y televisión entre puntos distantes de la Tierra utilizando haces de microondas. En 1964 , Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson , mientras investigaban el ruido en una antena de bocina de satélite en Bell Labs , Holmdel, Nueva Jersey, descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas .
El radar de microondas se convirtió en una tecnología central utilizada en el control del tráfico aéreo , la navegación marítima , la defensa aérea , la detección de misiles balísticos y, más tarde, en muchas otras áreas. Las comunicaciones por radar y satélite han estimulado el desarrollo de antenas de microondas modernas; antena parabólica (el tipo más común), antena Cassegrain, antena de lente, antena de ranura y antena de matriz en fase .
La capacidad de las ondas cortas para calentar rápidamente materiales y cocinar alimentos fue estudiada en la década de 1930 por I. F. Muromtsev en Westinghouse, y en la Feria Mundial de Chicago en 1933 demostró cocinar usando un transmisor de radio de 60 MHz [39] . En 1945, Percy Spencer , un ingeniero que trabajaba en radares en Raytheon , notó que la radiación de microondas de un generador de magnetrones había derretido una barra de chocolate en su bolsillo. Investigó la cocina con microondas e inventó el horno de microondas , que consiste en un magnetrón que emite 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 originalmente en cocinas institucionales, pero en 1986 aproximadamente el 25% de los hogares estadounidenses tenían uno. El calentamiento por microondas se ha utilizado ampliamente como proceso industrial en industrias tales como la industria del plástico y como agente terapéutico para eliminar las células cancerosas en la hipertermia por microondas .
El tubo de ondas viajeras (TWT), desarrollado en 1943 por Rudolf Kompfner y John Pearce , proporcionó una fuente potente y sintonizable de microondas de hasta 50 GHz y se convirtió en el tubo de microondas más utilizado, además del omnipresente magnetrón en los hornos de microondas. Una familia de tubos gyrotron desarrollados en la Unión Soviética puede generar microondas de megavatios de potencia hasta frecuencias de ondas milimétricas y se utiliza en calefacción industrial e investigación de plasma , y para alimentar aceleradores de partículas y reactores de fusión nuclear .
Los avances en la electrónica de semiconductores en la década de 1950 condujeron a los primeros dispositivos de microondas de estado sólido que funcionaban según el nuevo principio; resistencia diferencial negativa (algunos de los tubos de microondas de antes de la guerra también usaban resistencia diferencial negativa) [28] . El oscilador de retroalimentación y los amplificadores de dos puertos que se usaban a frecuencias más bajas se volvieron inestables a las frecuencias de microondas, y los osciladores basados en resistencia diferencial negativa y los amplificadores basados en dispositivos de un solo puerto, como los diodos , funcionaron mejor.
El diodo túnel , inventado en 1957 por el físico japonés Leo Esaki , podía generar varios milivatios de potencia de microondas. Su invento inició la búsqueda de dispositivos semiconductores con resistencia diferencial negativa para su uso como osciladores de microondas, lo que condujo a la invención del diodo de avalancha en 1956 por W. T. Reed y Ralph L. Johnston y al diodo Gunn en 1962 por J. B. Gunn [ 28] . Los diodos son las fuentes de microondas más utilizadas en la actualidad. Se han desarrollado dos amplificadores de microondas semiconductores de bajo ruido con resistencia diferencial negativa; 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. Se han utilizado para receptores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios y estaciones terrestres de satélites . Mather lideró el desarrollo del reloj atómico , que marca el tiempo utilizando la frecuencia de microondas precisa emitida por los átomos cuando un electrón hace la transición entre dos niveles de energía. Los circuitos amplificadores de resistencia diferencial negativa requerían 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 de circuitos con resistencia diferencial negativa, que sirvieron de base para el diseño de un generador de microondas [40] .
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 la entrada de RF de los receptores, y las señales se heterodinaban a una frecuencia intermedia más baja para su procesamiento. Entre la década de 1970 y el presente, se han desarrollado componentes de microondas de estado sólido activos diminutos y de bajo costo que se pueden montar en placas de circuito impreso, 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 las redes mediante microondas.
La línea de transmisión Microstrip , utilizada en frecuencias de microondas, se inventó utilizando circuitos impresos en la década de 1950 [28] . La capacidad de producir una amplia gama de formas de PCB de forma económica ha permitido diseñar versiones microstrip de condensadores , inductores , stubs resonantes, acopladores , acopladores direccionales , diplexores , filtros y antenas, lo que permite el diseño de circuitos de microondas compactos.
Los transistores que operan 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 [28] , por lo que los dispositivos fabricados con este material pueden operar a frecuencias hasta 4 veces más altas que dispositivos similares fabricados con silicio. A partir de la década de 1970, el 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 ), FET basados en GaAs de alta frecuencia que utilizan uniones de compuerta Schottky , se han desarrollado desde 1968 y han alcanzado una frecuencia de corte de 100 GHz, y actualmente son los dispositivos de microondas activos más utilizados. Otra familia de transistores con un límite de frecuencia superior es el HEMT ( High Electron Mobility Transistor ), un FET fabricado a partir de dos semiconductores diferentes, AlGaAs y GaAs, utilizando tecnología de heterounión , y similar al HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor ).
El GaAs puede ser semiaislante, lo que permite su uso como sustrato , sobre el cual se pueden fabricar mediante litografía circuitos electrónicos que contienen componentes pasivos , así como transistores [28] . En 1976, esto condujo a los primeros circuitos integrados (CI) que operaban a frecuencias de microondas, llamados circuitos integrados monolíticos de microwon (MMIC). Se agregó la palabra "monolítico" para distinguirlos de las placas de circuito impreso 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 tanto analógica como digital, lo que permite la fabricación de receptores de microondas de un solo chip, amplificadores de banda ancha , módems y microprocesadores .