Aplicaciones de las microondas

1. Las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Típicamente, las microondas son usadas para transmisión en noticieros televisivos para transmitir una señal desde una locación remota a una estación de televisión desde una camioneta especialmente equipada.
2. El radar también incluye radiación de microondas para detectar el rango, la velocidad y otras características de objetos remotos.
3. Otro gran campo de aplicación es el que se pudiera denominar científico. En radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia comprendidas entre 10 Mhz y 10 Ghz pueden atravesar el filtro impuesto por la atmósfera y llegar hasta nosotros.
4. Protocolos inalámbricos LAN, tales como Bluetooth y las especificaciones IEEE 802.11g y b también usan microondas en la banda ISM, aunque la especificación 802.11a usa una banda ISM en el rango de los 5 GHz.
5. La televisión por cable y el acceso a internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas.
6. En enlaces punto-a-punto sobre distancias cortas, como circuitos cerrados de Televisión, interconexión de redes locales y transmisión entre edificios.
7. Un horno microondas usa un magnetrón para producir microondas a una frecuencia de aproximadamente 2.45 GHz para cocción. Las microondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, esta vibración crea calor, el cual calienta los alimentos. Debido a que la materia esta hecha esencialmente de agua, los alimentos son fácilmente cocinados de esta manera.
8. 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 cuales 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 circuitería integrada, fácilmente adaptables a la producción en masa.

Sin embargo no todo son beneficios; un crecimiento incontrolado de la utilización de las microondas, 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 las microondas

Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 GHz (otros autores mencionan hasta 1000 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.

Las microondas son reflejadas, transmitidas o absorbidas por los materiales en sus trayectorias, de manera similar a la luz. Los materiales metálicos reflejan totalmente las microondas mientras que los materiales no metálicos como el vidrio y algunos plásticos son mayormente transparentes a las microondas.

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.

Básicamente un enlace vía microondas consiste en tres componentes fundamentales: El transmisor, el receptor y el canal aéreo. El transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, el canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y como es de esperarse el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital.

El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces microondas es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además esta distancia debe ser libre de obstáculos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en la vía, para compensar este efecto se utilizan torres para ajustar dichas alturas.

La distancia cubierta por enlaces microondas puede ser incrementada por el uso de repetidoras, las cuales amplifican y redireccionan la señal, es importante destacar que los obstáculos de la señal pueden ser salvados a través de reflectores pasivos. Las siguientes figuras muestran como trabaja un repetidor y cómo se ven los reflectores pasivos.

La señal de microondas transmitidas es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor, estas atenuaciones y distorsiones son causadas por una pérdida de poder dependiente a la distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, y a pérdidas atmosféricas.

Los satélites artificiales han extendido el alcance de la línea de propagación y han hecho posible la transmisión transoceánica de microondas por su capacidad de admitir anchas bandas de frecuencias. La línea de transmisión puede extenderse por uno de los distintos medios existentes.

El satélite en forma de globo de plástico metalizado exteriormente puede ser empleado como reflector pasivo, en cuyo caso no se necesita equipo alguno en el satélite. Se ha estimado que veinticuatro de tales reflectores pasivos en órbitas polares establecidas al azar alrededor de unos 5000 kilómetros permitirían una transmisión transatlántica que solo se interrumpiría menos de 1% del tiempo.

Como segunda posibilidad, el satélite puede emplearse como un receptor activo en microondas, retransmitiendo la señal que recibe, bien instantáneamente o tras un almacenaje hasta que el este próximo a la estación receptora. En este último caso la capacidad del canal queda limitada.

Problemas en la propagación

Virtualmente todas las dificultades encontradas en la transmisión de microondas, sean entre transceivers terrestres o estaciones satélite-tierra, se derivan de las propiedades físicas de la atmósfera.

Los efectos de la gravedad son pronunciados, y manifestados al disminuir la densidad atmosférica y la presión al incrementar la altitud. En la superficie de la tierra, la temperatura, la densidad y la presión son las más altas, por lo cual los perjuicios a la propagación son más pronunciados.

Básicamente la atmósfera está dividida en dos capas: La troposfera y sobre esta la estratosfera; la primera se extiende hasta 11-15 Km. sobre la superficie de la tierra y es la más caliente, densa y húmeda de las dos. La estratosfera, libre de nubes densas, más fría y delgada que la troposfera, es mucho más benigna para las transmisiones de microondas.

Si estamos considerando un enlace terrestre o satelital, los efectos de la atmósfera dominan frecuentemente las pérdidas en la propagación. La refracción es un fenómeno físico que produce el efecto de curvar un rayo de luz o haz de microondas. Esta usualmente produce efectos deseables, en cuanto a que puede permitir que un par de estaciones se comuniquen sobre el horizonte, si el haz es curvado efectivamente. También puede permitir que una estación satélite-tierra en latitudes elevadas vea un satélite geoestacionario sobre el ecuador, desde posiciones que aparecerían inviables geométricamente.

Sin embargo, la refracción es una espada de doble filo por dos razones; la primera es que la refracción puede también permitir que ciertas señales interfieran con otros enlaces al propagarlas sobre el horizonte. Esto es exacerbado por un efecto peculiar denominado “ducting”, que puede alcanzarse cuando ocurre un efecto meteorológico llamado inversión, que sucede cuando la capa de aire más cercana a la tierra es más fría que el aire sobre ésta. Cuando esto sucede, normalmente bajo condiciones tranquilas y cálidas, el cambio del índice refractivo en la atmósfera con la altitud es tal que una capa de la atmósfera se comporta como una guía de onda. Las microondas que entran en esta capa, denominada “ducto” no pueden escapar; como un rayo de luz atrapado en una fibra óptica, se propagarán hacia el horizonte.

La refracción puede ser un problema para muchos enlaces satelitales, sobre todo a latitudes extremas. Un gran cambio de temperatura puede causar caídas de enlace o interferencia. Los efectos de lente surgen de una combinación de refracción y la curvatura de la tierra, y usualmente no son significativos.

Absorción y dispersión

Si se intenta enviar una señal de microondas entre una estación de tierra y un satélite, el rayo debe atravesar cientos de kilómetros de gases atmosféricos. Pueden perderse muchos decibeles de poder; esto depende de la frecuencia de la portadora, la longitud de la vía a través de la atmósfera y de las condiciones atmosféricas locales. Esta pérdida es producida por la absorción gaseosa, que es un comportamiento físico de las moléculas de gas atmosférico. Estas experimentan efectos de resonancia, y como están compuestas de varios núcleos, estos se mantienen juntos por fuerzas electromagnéticas; si la molécula es perturbada vibrará y producirá resonancia electromagnética. Si tal molécula está en medio de un haz de microondas, y si la frecuencia de este es cercana a la frecuencia de resonancia de la molécula, esta absorberá energía del haz y se excitará. Si existen varias moléculas, una cantidad apreciable de poder se perdería. Esto es de importancia en esquemas locales de distribución multipunto, donde una señal es alimentada entre una fibra y una antena local de microondas, pero es crítico para enlaces satelitales.

Una pérdida de dispersión sucederá cuando el haz de microondas encuentre gotitas o partículas en la atmósfera. Si estas partículas son más pequeñas que la longitud de onda, ocurre un efecto llamado dispersión de Raleigh, en el cual la gota o partícula refleja una pequeña proporción de la energía entrante. La cantidad de energía esparcida y que nunca alcanza al receptor depende del tamaño de los esparcidores relativos a la longitud de onda, su densidad por volumen atmosférico, la longitud del camino que atraviesa el ambiente de dispersión, y las propiedades dieléctricas de los dispersores.

La fuente más común de pérdidas por dispersión es la humilde nube. Hechas de microscópicas gotas de agua, las nubes pueden variar significativamente en contenido de humedad y así en pérdida. Las nubes de baja densidad como los estratos, estratocúmulos y nubecitas de verano introducen pequeñas pérdidas, incrementándose con frecuencia, pero son casi insignificantes en comparación con las nubes densas cargadas de lluvia, y especialmente la nube de tormenta cúmulo-nimbo. Donde está esa nube, hay lluvia frecuente, y la lluvia al igual que la nube es un ambiente de dispersión.