Las microondas son una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que otras ondas de radio pero más largas que las ondas infrarrojas , que van desde aproximadamente un metro a un milímetro, lo que corresponde afrecuencias entre 300 MHz y 300 GHz respectivamente. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Diferentes fuentes definen diferentes rangos de frecuencia como microondas; La definición amplia anterior incluye las bandas UHF , SHF y EHF ( onda milimétrica ). Una definición más común en ingeniería de radiofrecuencia es el rango entre 1 y 100 GHz (longitudes de onda entre 0,3 my 3 mm). [2] En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda SHF (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo. Las frecuencias en el rango de microondas a menudo se denominan por sus designaciones de banda de radar IEEE: S , C , X , Ku , K o K a , o por designaciones similares de la OTAN o la UE.
El prefijo micro- en microondas no pretende sugerir una longitud de onda en el rango micrométrico . Más bien, indica que las microondas son "pequeñas" (tienen longitudes de onda más cortas), en comparación con las ondas de radio utilizadas antes de la tecnología de microondas. Los límites entre el infrarrojo lejano , la radiación de terahercios , las microondas y las ondas de radio de frecuencia ultraalta son bastante arbitrarios y se utilizan de forma diversa entre los diferentes campos de estudio.
Las microondas viajan según la línea de visión ; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia , no se difractan alrededor de las colinas, no siguen la superficie terrestre como ondas terrestres ni se reflejan en la ionosfera , por lo que los enlaces de comunicación terrestres por microondas están limitados por el horizonte visual a unas 40 millas (64 km). En el extremo superior de la banda, son absorbidos por los gases de la atmósfera, lo que limita las distancias prácticas de comunicación a aproximadamente un kilómetro. Las microondas se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, por ejemplo en enlaces de comunicación punto a punto , redes inalámbricas , redes de retransmisión de radio por microondas , comunicaciones por radar , satélites y naves espaciales , diatermia médica y tratamiento del cáncer, teledetección , radioastronomía , aceleradores de partículas y espectroscopia . , calefacción industrial, sistemas para evitar colisiones , abridores de puertas de garaje y sistemas de entrada sin llave , y para cocinar alimentos en hornos microondas .
Las microondas ocupan un lugar en el espectro electromagnético con frecuencia por encima de las ondas de radio ordinarias , y por debajo de la luz infrarroja :
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 otras clasifican las microondas y las ondas de radio como tipos distintos de radiación. Ésta es una distinción arbitraria. [ cita necesaria ]
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Las microondas viajan únicamente por caminos con línea de visión ; a diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, no viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra ni se reflejan en la ionosfera ( ondas celestes ). [7] Aunque en el extremo inferior de la banda pueden atravesar las paredes del edificio lo suficiente como para una recepción útil, generalmente se requieren derechos de paso autorizados a la primera zona de Fresnel . Por lo tanto, en la superficie de la Tierra, los enlaces de comunicación por microondas están limitados por el horizonte visual a unas 30 a 40 millas (48 a 64 km). Las microondas son absorbidas por la humedad de la atmósfera y la atenuación aumenta con la frecuencia, convirtiéndose en un factor importante ( desvanecimiento por lluvia ) en el extremo superior de la banda. A partir de aproximadamente 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. Una estructura de banda espectral provoca picos de absorción en frecuencias específicas (ver gráfico a la derecha). Por encima de 100 GHz, la absorción de radiación electromagnética por la atmósfera terrestre es tan efectiva que es prácticamente opaca , hasta que la atmósfera vuelve a ser transparente en los rangos de frecuencia llamados infrarrojos y de ventana óptica .
En un haz de microondas dirigido en ángulo hacia el cielo, una pequeña cantidad de potencia se dispersará aleatoriamente a medida que el haz pasa a través de la troposfera . [7] Un receptor sensible más allá del horizonte con una antena de alta ganancia enfocada en esa área de la troposfera puede captar la señal. Esta técnica se ha utilizado en frecuencias entre 0,45 y 5 GHz en sistemas de comunicación de dispersión troposférica (troposcatter) para comunicarse más allá del horizonte, a distancias de hasta 300 km.
Las longitudes de onda cortas de las microondas permiten que las antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles sean muy pequeñas, de 1 a 20 centímetros de largo, por lo que las frecuencias de microondas se utilizan ampliamente para dispositivos inalámbricos como teléfonos móviles , teléfonos inalámbricos y acceso a redes LAN inalámbricas (Wi-Fi). para portátiles y auriculares Bluetooth . Las antenas utilizadas incluyen antenas de látigo corto , antenas de patito de goma , dipolos de manga , antenas de parche y, cada vez más, la antena F invertida de circuito impreso (PIFA) utilizada en los teléfonos móviles.
Su longitud de onda corta también permite que se produzcan haces estrechos de microondas mediante antenas de alta ganancia, convenientemente pequeñas , de medio metro a 5 metros de diámetro. Por tanto, los haces de microondas se utilizan para enlaces de comunicación punto a punto y para radares . Una ventaja de los haces estrechos es que no interfieren con los equipos cercanos que utilizan la misma frecuencia, lo que permite la reutilización de frecuencias por parte de transmisores cercanos. Las antenas parabólicas ("parabólicas") son las antenas directivas más utilizadas en frecuencias de microondas, pero también se utilizan antenas de bocina , antenas de ranura y antenas de lentes . Las antenas planas de microcinta se utilizan cada vez más en dispositivos de consumo. Otra antena directiva práctica en frecuencias de microondas es la matriz en fase , una matriz de antenas controlada por computadora que produce un haz que puede dirigirse electrónicamente en diferentes direcciones.
En las frecuencias de microondas, 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 potencia excesivas, por lo que cuando se requiere una atenuación baja, las microondas son transportadas por tubos metálicos llamados guías de ondas. . Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento de las guías de ondas, en muchas antenas de microondas la etapa de salida del transmisor o el extremo frontal de RF del receptor está ubicado en la antena.
El término microondas también tiene un significado más técnico en electromagnetismo y teoría de circuitos . [8] [9] Los aparatos y técnicas pueden describirse 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 es inexacta y, en cambio, los elementos del circuito distribuidos y la transmisión La teoría de líneas son métodos más útiles para el diseño y el análisis.
Como consecuencia, los circuitos de microondas prácticos tienden a alejarse de las resistencias , condensadores e inductores discretos utilizados con ondas de radio de baja frecuencia . Las líneas de transmisión de cable abierto y coaxiales utilizadas en frecuencias más bajas se reemplazan por guías de ondas y líneas de banda , y los circuitos sintonizados de elementos agrupados se reemplazan por resonadores de cavidad o terminales resonantes . [8] A su vez, en frecuencias aún más altas, donde la longitud de onda de las ondas electromagnéticas se vuelve pequeña en comparación con el tamaño de las estructuras utilizadas para procesarlas, las técnicas de microondas se vuelven inadecuadas y se utilizan los métodos de la óptica .
Las fuentes de microondas de alta potencia utilizan tubos de vacío especializados para generar microondas. Estos dispositivos funcionan según principios diferentes a los de los tubos de vacío de baja frecuencia, utilizando el movimiento balístico de los electrones en el vacío bajo la influencia del control de campos eléctricos o magnéticos, e incluyen el magnetrón (utilizado en hornos microondas ), el klistrón , el tubo de ondas progresivas ( TWT) y girotrón . Estos dispositivos funcionan en el modo de densidad modulada, en lugar del modo modulado actual . Esto significa que funcionan sobre la base de grupos de electrones que vuelan balísticamente a través de ellos, en lugar de utilizar una corriente continua de electrones.
Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como el transistor de efecto de campo (al menos en frecuencias más bajas), diodos de túnel , diodos Gunn y diodos IMPATT . [10] Las fuentes de baja potencia están disponibles como instrumentos de mesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos integrables y en formatos a nivel de tarjeta. Un máser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares al láser , que amplifica ondas de luz de mayor frecuencia.
Todos los objetos calientes emiten radiación de cuerpo negro de microondas de bajo nivel , dependiendo de su temperatura , por lo que en meteorología y teledetección , los radiómetros de microondas se utilizan para medir la temperatura de los objetos o del terreno. [11] El sol [12] y otras fuentes de radio astronómicas como Casiopea A emiten radiación de microondas de bajo nivel que transporta información sobre su composición, que es estudiada por radioastrónomos utilizando receptores llamados radiotelescopios . [11] La radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), por ejemplo, es un ruido de microondas débil que llena el espacio vacío y es una fuente importante de información sobre la teoría cosmológica del Big Bang sobre el origen del Universo .
La tecnología de microondas se utiliza ampliamente para telecomunicaciones punto a punto (es decir, usos no relacionados con la radiodifusión). Las microondas son especialmente 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 velocidades de transmisión 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 en la comunicación de naves espaciales, y gran parte 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 emplean en hornos 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 enlaces de retransmisión de radio por microondas gestionadas por operadores como AT&T Long Lines . A principios de la década de 1950, se utilizó la multiplexación por división de frecuencia para enviar hasta 5.400 canales telefónicos en cada canal de radio de microondas, con hasta diez canales de radio combinados en una antena para el salto al siguiente sitio, hasta a 70 km de distancia.
Los protocolos de LAN inalámbrica , como Bluetooth y las especificaciones IEEE 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 frecuencias U-NII en el rango de 5 GHz. Los servicios de acceso inalámbrico a Internet de largo alcance (hasta unos 25 km) con licencia se han utilizado durante casi una década en muchos países en el rango de 3,5 a 4,0 GHz. La FCC recientemente [ ¿cuándo? ] creó espectro para los operadores que desean ofrecer servicios en este rango en los EE. UU., con énfasis en 3,65 GHz. Decenas de proveedores de servicios en todo el país están obteniendo o ya han recibido licencias de la FCC para operar en esta banda. Las ofertas de servicios WIMAX que se pueden transportar en la banda de 3,65 GHz brindarán a los clientes comerciales otra opción de conectividad.
Los protocolos de redes de área metropolitana (MAN), como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) se basan en estándares como IEEE 802.16 , diseñados para operar entre 2 y 11 GHz. Las implementaciones comerciales se encuentran en los rangos 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 (como iBurst ) operan entre 1,6 y 2,3 GHz para brindar movilidad y características de penetración en edificios similares a los teléfonos móviles pero con mayor eficiencia espectral. [13]
Algunas redes de telefonía móvil , como GSM , utilizan frecuencias bajas de microondas/altas UHF alrededor de 1,8 y 1,9 GHz en América y otros lugares, respectivamente. DVB-SH y S-DMB usan de 1,452 a 1,492 GHz, mientras que la radio satelital patentada/incompatible en los EE. UU. usa alrededor de 2,3 GHz para DARS .
La radio por microondas se utiliza en transmisiones de radiodifusión y telecomunicaciones porque, debido a su corta longitud de onda, 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). También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio; el ancho de banda utilizable por debajo de 300 MHz es inferior a 300 MHz, mientras que se pueden utilizar muchos GHz por encima de 300 MHz. Normalmente, las microondas se utilizan en los informativos de televisión para transmitir una señal desde un lugar remoto a una estación de televisión desde una furgoneta especialmente equipada. Consulte servicio auxiliar de transmisión (BAS), unidad de captación remota (RPU) y enlace estudio/transmisor (STL).
La mayoría de los sistemas de comunicaciones por satélite funcionan en las bandas C, X, Ka o Ku del espectro de microondas. Estas frecuencias permiten un gran ancho de banda evitando las concurridas frecuencias UHF y manteniéndose por debajo de la absorción atmosférica de las frecuencias EHF. La televisión por satélite opera en la banda C para el servicio satelital fijo tradicional de antena parabólica o en la banda Ku para transmisión directa por satélite . Las comunicaciones militares se realizan principalmente a través de enlaces de banda X o Ku, siendo la banda K la utilizada para Milstar .
Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), incluido el chino Beidou , el sistema de posicionamiento global estadounidense (introducido en 1978) y el ruso GLONASS , transmiten señales de navegación en varias bandas entre aproximadamente 1,2 GHz y 1,6 GHz.
El radar es una técnica de radiolocalización en la que un haz de ondas de radio emitido por un transmisor rebota en un objeto y regresa a un receptor, lo que permite determinar la ubicación, el alcance, la velocidad y otras características del objeto. La corta longitud de onda de las microondas provoca grandes reflejos en objetos del tamaño de vehículos de motor, barcos y aviones. Además, en estas longitudes de onda, las antenas de alta ganancia, como las antenas parabólicas , que se requieren para producir los estrechos anchos de haz necesarios para localizar objetos con precisión, son convenientemente pequeñas, lo que permite girarlas rápidamente para escanear en busca de objetos. Por tanto, las frecuencias de microondas son las principales frecuencias utilizadas en el radar. El radar de microondas se utiliza ampliamente para aplicaciones como el control del tráfico aéreo , la previsión meteorológica, la navegación de barcos y la aplicación de límites de velocidad . Los radares de larga distancia utilizan las frecuencias de microondas más bajas, ya que en el extremo superior de la banda la absorción atmosférica limita el alcance, pero las ondas milimétricas se utilizan para radares de corto alcance, como los sistemas para evitar colisiones .
Microondas emitidas por fuentes de radio astronómicas ; Los planetas, estrellas, galaxias y nebulosas se estudian en radioastronomía con grandes antenas parabólicas llamadas radiotelescopios . Además de recibir radiación de microondas natural, los radiotelescopios se han utilizado en experimentos de radar activo para hacer rebotar microondas en planetas del sistema solar, determinar la distancia a la Luna o mapear la superficie invisible de Venus a través de la capa de nubes.
Un radiotelescopio de microondas recientemente terminado es el Atacama Large Millimeter Array , ubicado a más de 5.000 metros (16.597 pies) de altitud en Chile, que observa el universo en los rangos de longitud de onda milimétrica y submilimétrica . El proyecto de astronomía terrestre más grande del mundo hasta la fecha, consta de más de 66 antenas parabólicas y fue construido en una colaboración internacional entre Europa, América del Norte, Asia Oriental y Chile. [14] [15]
Un importante foco reciente de la radioastronomía de microondas 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 tenue radiación de fondo, que llena el universo y es casi la misma en todas direcciones, es una "radiación reliquia" del Big Bang y es una de las pocas fuentes de información sobre las condiciones del universo temprano. Debido a la expansión y, por tanto, al enfriamiento del Universo, la radiación originalmente de alta energía se ha desplazado a la región de microondas del espectro radioeléctrico. Los radiotelescopios suficientemente sensibles pueden detectar el CMBR como una señal débil que no está asociada con ninguna estrella, galaxia u otro objeto. [dieciséis]
Un horno microondas pasa radiación de microondas a una frecuencia cercana a 2,45 GHz (12 cm) a través de los alimentos, provocando un calentamiento dieléctrico principalmente por absorción de la energía en el agua. Los hornos microondas se convirtieron en electrodomésticos de cocina comunes en los países occidentales a finales de la década de 1970, tras el desarrollo de magnetrones de cavidad menos costosos . El agua en estado líquido posee muchas interacciones moleculares que amplían el pico de absorción. En la fase de vapor, las moléculas de agua aisladas absorben a unos 22 GHz, casi diez veces la frecuencia del horno microondas.
El calentamiento por microondas se utiliza en procesos industriales para secar y curar productos.
Muchas técnicas de procesamiento de semiconductores utilizan microondas para generar plasma con fines tales como grabado de iones reactivos y deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).
Las microondas se utilizan en los reactores de fusión experimentales stellarators y tokamak para ayudar a descomponer el gas en plasma y calentarlo a temperaturas muy altas. La frecuencia está sintonizada con la resonancia ciclotrónica de los electrones en el campo magnético, entre 2 y 200 GHz, por lo que a menudo se la denomina calentamiento por resonancia ciclotrón electrónico (ECRH). El próximo reactor termonuclear ITER [17] utilizará hasta 20 MW de microondas de 170 GHz.
Las microondas se pueden utilizar para transmitir energía a largas distancias, y se realizaron investigaciones posteriores a la Segunda Guerra Mundial para examinar las posibilidades. La NASA trabajó en los años 1970 y principios de los 1980 para investigar las posibilidades de utilizar sistemas de satélites de energía solar (SPS) con grandes paneles solares que transmitirían energía a la superficie de la Tierra a través de microondas.
Existe armamento no letal que utiliza ondas milimétricas para calentar una fina capa de piel humana a una temperatura intolerable para hacer que la persona objetivo se aleje. Una ráfaga de dos segundos del haz enfocado de 95 GHz calienta la piel a una temperatura de 54 °C (129 °F) a una profundidad de 0,4 milímetros ( 1 ⁄ 64 pulgadas). La Fuerza Aérea y los Marines de los Estados Unidos están utilizando actualmente este tipo de sistema de denegación activa en instalaciones fijas. [18]
La radiación de microondas se utiliza en espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR o ESR), típicamente en la región de la banda X (~9 GHz) junto con campos magnéticos de 0,3 T. Esta técnica proporciona información sobre electrones desapareados en sistemas químicos, como radicales libres o iones de metales de transición como Cu(II). La radiación de microondas también se utiliza para realizar espectroscopia rotacional y se puede combinar con la electroquímica como en la electroquímica mejorada con microondas .
Las bandas de frecuencias en el espectro de microondas se designan con letras. Desafortunadamente, existen varios sistemas de designación de bandas incompatibles e incluso dentro de un sistema los rangos de frecuencia correspondientes a algunas de las letras varían algo entre los diferentes campos de aplicación. [19] [20] El sistema de letras tuvo su origen en la Segunda Guerra Mundial en una clasificación estadounidense ultrasecreta de bandas utilizadas en los radares; este es el origen del sistema de letras más antiguo, las bandas de radar IEEE. A continuación se tabula un conjunto de designaciones de bandas de frecuencia de microondas realizadas por la Sociedad de Radio de Gran Bretaña (RSGB):
Existen otras definiciones. [21]
El término banda P se utiliza a veces para frecuencias UHF por debajo de la banda L, pero ahora está obsoleto según IEEE Std 521.
Cuando se desarrollaron por primera vez los radares en la banda K durante la Segunda Guerra Mundial, no se sabía que había una banda de absorción cercana (debido al vapor de agua y al oxígeno en la atmósfera). Para evitar este problema, la banda K original se dividió en una banda inferior, K u , y una banda superior, K a . [22]
La frecuencia de microondas se puede medir mediante técnicas electrónicas o mecánicas.
Se pueden utilizar contadores de frecuencia o sistemas heterodinos de alta frecuencia. Aquí la frecuencia desconocida se compara con los armónicos de una frecuencia más baja conocida mediante el uso de un generador de baja frecuencia, un generador de armónicos y un mezclador. La precisión de la medición está limitada por la precisión y estabilidad de la fuente de referencia.
Los métodos mecánicos requieren un resonador sintonizable, como un medidor de ondas de absorción , que tiene una relación conocida entre una dimensión física y una frecuencia.
En un entorno de laboratorio, las líneas de Lecher se pueden utilizar para medir directamente la longitud de onda en una línea de transmisión hecha de cables paralelos y luego se puede calcular la frecuencia. Una técnica similar consiste en utilizar una guía de ondas ranurada o una línea coaxial ranurada para medir directamente la longitud de onda. Estos dispositivos constan de una sonda que se introduce en la línea a través de una ranura longitudinal de manera que la sonda queda libre para viajar hacia arriba y hacia abajo por la línea. Las líneas ranuradas están destinadas principalmente a medir la relación de onda estacionaria de voltaje en la línea. Sin embargo, siempre que haya una onda estacionaria , también se pueden utilizar para medir la distancia entre los nodos , que es igual a la mitad de la longitud de onda. La precisión de este método está limitada por la determinación de las ubicaciones de los nodos.
Las microondas son radiaciones no ionizantes , lo que significa que los fotones de microondas no contienen suficiente energía para ionizar moléculas o romper enlaces químicos, o causar daños en el ADN, como pueden hacerlo las radiaciones ionizantes como los rayos X o los rayos ultravioleta . [23] La palabra "radiación" se refiere a la energía que irradia una fuente y no a la radiactividad . El principal efecto de la absorción de microondas es calentar materiales; Los campos electromagnéticos hacen que las moléculas polares vibren. No se ha demostrado de manera concluyente que las microondas (u otras radiaciones electromagnéticas no ionizantes ) tengan efectos biológicos adversos significativos en niveles bajos. Algunos estudios, pero no todos, sugieren que la exposición prolongada puede tener un efecto cancerígeno . [24]
Durante la Segunda Guerra Mundial , se observó que las personas en la trayectoria de radiación de las instalaciones de radar experimentaban clics y zumbidos en respuesta a la radiación de microondas. Una investigación realizada por la NASA en la década de 1970 ha demostrado que esto se debe a la expansión térmica en partes del oído interno. En 1955, el Dr. James Lovelock pudo reanimar ratas enfriadas a 0 y 1 °C (32 y 34 °F) mediante diatermia por microondas. [25]
Cuando se produce una lesión por exposición a microondas, generalmente es el resultado del calentamiento dieléctrico inducido en el cuerpo. El cristalino y la córnea del ojo son especialmente vulnerables porque no contienen vasos sanguíneos que puedan transportar el calor. La exposición a la radiación de microondas puede producir cataratas por este mecanismo, porque el calentamiento de las microondas desnaturaliza las proteínas del cristalino del ojo [26] (de la misma manera que el calor vuelve las claras de huevo blancas y opacas). La exposición a grandes dosis de radiación de microondas (como la de un horno que ha sido manipulado para permitir su funcionamiento incluso con la puerta abierta) también puede producir daños por calor en otros tejidos, hasta e incluyendo quemaduras graves que pueden no ser inmediatamente evidentes debido a la tendencia de las microondas a calentar tejidos más profundos con mayor contenido de humedad.
Las microondas se generaron 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 , ahora llamada Ecuaciones de Maxwell , había predicho que un campo eléctrico y un campo magnético acoplados podrían viajar a través del espacio como una onda electromagnética , y propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. En 1888, el físico alemán Heinrich Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, generando ondas de radio utilizando un primitivo transmisor de radio de chispa . [28]
Hertz y los otros primeros investigadores de la radio estaban interesados en explorar las similitudes entre las ondas de radio y las ondas de luz, para probar la teoría de Maxwell. Se concentraron en producir ondas de radio de longitud de onda corta en el rango UHF y microondas, con las que podían duplicar experimentos de óptica clásica en sus laboratorios, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes de parafina , azufre y brea y rejillas de difracción de alambre , para refractar y difractan ondas de radio como rayos de luz. [29] Hertz produjo ondas de hasta 450 MHz; Su transmisor direccional de 450 MHz constaba de una antena dipolo de varilla de latón de 26 cm con un explosor entre los extremos, suspendida en la línea focal de una antena parabólica hecha de una lámina curva de zinc, alimentada por pulsos de alto voltaje de una bobina de inducción . [28] Sus experimentos históricos demostraron que las ondas de radio como la luz exhibían refracción , difracción , polarización , interferencia y ondas estacionarias , [29] demostrando que las ondas de radio y las ondas de luz eran ambas formas de ondas electromagnéticas de Maxwell .
A partir de 1894, el físico indio Jagadish Chandra Bose realizó los primeros experimentos con microondas. Fue la primera persona en producir ondas milimétricas , generando frecuencias de hasta 60 GHz (5 milímetros) utilizando un oscilador de chispa de bola metálica de 3 mm. [30] [29] Bose también inventó guías de ondas , antenas de bocina y detectores de cristales semiconductores para utilizarlos en sus experimentos. De forma independiente, en 1894, Oliver Lodge y Augusto Righi experimentaron con microondas de 1,5 y 12 GHz respectivamente, generadas por pequeños resonadores de chispas de bolas metálicas. [29] El físico ruso Piotr Lebedev generó en 1895 ondas milimétricas de 50 GHz. [29] En 1897, Lord Rayleigh resolvió el problema matemático del valor límite de las ondas electromagnéticas que se propagan a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria. [31] [32] [33] [34] que proporcionó los modos y la frecuencia de corte de las microondas que se propagan a través de una guía de ondas . [28]
Sin embargo, dado que las microondas estaban limitadas a trayectorias de línea de visión , no podían comunicarse más allá del horizonte visual, y la baja potencia de los transmisores de chispas entonces en uso limitaba su alcance práctico a unas pocas millas. El posterior desarrollo de las comunicaciones por radio después de 1896 empleó frecuencias más bajas, que podían viajar más allá del horizonte como ondas terrestres y reflejándose en la ionosfera como ondas celestes , y las frecuencias de microondas no se exploraron más en ese momento.
El uso práctico de las frecuencias de microondas no se produjo hasta las décadas de 1940 y 1950 debido a la falta de fuentes adecuadas, ya que el oscilador electrónico de tubo (válvula) de vacío triodo utilizado en los transmisores de radio no podía producir frecuencias superiores a unos pocos cientos de megahercios debido al excesivo tiempo de tránsito de los electrones. y capacitancia entre electrodos. [28] En la década de 1930, los primeros tubos de vacío para microondas de baja potencia se habían desarrollado utilizando nuevos principios; el tubo de Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo dividido . [28] Estos podían generar unos pocos vatios de potencia a frecuencias de hasta unos pocos gigahercios y se utilizaron en los primeros experimentos de comunicación con microondas.
En 1931, un consorcio anglo-francés encabezado por Andre C. Clavier demostró el primer enlace experimental de retransmisión de microondas , a través del Canal de la Mancha , a 40 millas (64 km) entre Dover , Reino Unido y Calais , Francia. [35] [36] El sistema transmitía datos de telefonía, telégrafo y facsímil a través de haces bidireccionales de 1,7 GHz con una potencia de medio vatio, producidos por tubos Barkhausen-Kurz en miniatura en el foco de platos metálicos de 10 pies (3 m).
Se necesitaba una palabra para distinguir estas nuevas longitudes de onda más cortas, que anteriormente se habían agrupado en la banda de " onda corta ", es decir, todas las ondas de menos de 200 metros. Los términos ondas cuasi ópticas y ondas ultracortas se utilizaron brevemente pero no tuvieron éxito. El primer uso de la palabra microondas aparentemente ocurrió en 1931. [36] [37]
El desarrollo del radar , principalmente en secreto, antes y durante la Segunda Guerra Mundial , dio lugar a avances tecnológicos que hicieron prácticas las microondas. [28] Se requerían longitudes de onda en el rango de centímetros para dar a las pequeñas antenas de radar, que eran lo suficientemente compactas como para caber en aviones, un ancho de haz lo suficientemente estrecho como para localizar aviones enemigos. Se descubrió que las líneas de transmisión convencionales utilizadas para transportar ondas de radio tenían pérdidas de potencia excesivas en frecuencias de microondas, y George Southworth en Bell Labs y Wilmer Barrow en 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 eficientemente microondas dentro o fuera de una guía de ondas. En un receptor de microondas se necesitaba un componente no lineal que actuara como detector y mezclador en estas frecuencias, ya que los tubos de vacío tenían demasiada capacitancia. Para satisfacer esta necesidad, los investigadores resucitaron una tecnología obsoleta, el detector de cristal de contacto puntual (detector de bigotes de gato), que se utilizaba como demodulador en radios de cristal a principios de siglo, antes de los receptores de tubo de vacío. [28] [38] La baja capacitancia de las uniones de semiconductores les permitió funcionar en frecuencias de microondas. 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 semiconductores aprendidos durante su desarrollo condujeron a la electrónica de semiconductores después de la guerra. [28]
Las primeras fuentes poderosas de microondas se inventaron al comienzo de la Segunda Guerra Mundial: el tubo de klistrón por Russell y Sigurd Varian en la Universidad de Stanford en 1937, y el tubo de magnetrón de cavidad por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Reino Unido, en 1940 . 28] El radar de microondas de diez centímetros (3 GHz) se utilizaba en aviones de combate británicos a finales de 1941 y resultó ser un punto de inflexión. La decisión de Gran Bretaña en 1940 de compartir su tecnología de microondas con su aliado estadounidense (la Misión Tizard ) acortó significativamente la guerra. El Laboratorio de Radiación del MIT , establecido en secreto en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1940 para investigar el radar, produjo gran parte del conocimiento teórico necesario para utilizar las microondas. Los primeros sistemas de retransmisión de microondas fueron desarrollados por el ejército aliado cerca del final de la guerra y utilizados para redes de comunicación seguras en el campo de batalla en el teatro europeo.
Después de la Segunda Guerra Mundial, las microondas fueron rápidamente explotadas comercialmente. [28] Debido a su alta frecuencia tenían una capacidad de transporte de información muy grande ( ancho de banda ); un solo haz de microondas podría transportar decenas de miles de llamadas telefónicas. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron redes transcontinentales de retransmisión de microondas en 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 antenas parabólicas para transmitir señales de video de retorno desde camiones de producción móviles al estudio, lo que permitió las primeras transmisiones de televisión remotas . Los primeros satélites de comunicaciones se lanzaron en la década de 1960 y transmitían llamadas telefónicas y televisión entre puntos muy separados de la Tierra mediante 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 la tecnología central utilizada en el control del tráfico aéreo , la navegación marítima , la defensa antiaérea , la detección de misiles balísticos y, posteriormente, muchos otros usos. Las comunicaciones por radar y por satélite motivaron el desarrollo de modernas antenas de microondas; la antena parabólica (el tipo más común), la antena cassegrain , la antena de lente , la antena de ranura y la antena en fase .
La capacidad de las ondas cortas para calentar materiales y cocinar alimentos rápidamente había sido investigada en la década de 1930 por IF Mouromtseff en Westinghouse, y en la Feria Mundial de Chicago de 1933 demostró cómo cocinar comidas con un transmisor de radio de 60 MHz. [39] En 1945, Percy Spencer , un ingeniero que trabajaba en radar en Raytheon , notó que la radiación de microondas de un oscilador de magnetrón derritió una barra de chocolate que tenía en el bolsillo. Investigó la cocina con microondas e inventó el horno microondas , que consistía en un magnetrón que alimentaba microondas en una cavidad metálica cerrada que contenía alimentos, que fue patentado por Raytheon el 8 de octubre de 1945. Debido a su coste, los hornos microondas se utilizaron inicialmente en cocinas institucionales, pero con el tiempo En 1986, aproximadamente el 25% de los hogares de Estados Unidos poseían uno. El calentamiento por microondas se utilizó ampliamente como proceso industrial en industrias como la fabricación de plásticos y como terapia médica para matar células cancerosas en la hipertermia por microondas .
El tubo de ondas viajeras (TWT), desarrollado en 1943 por Rudolph Kompfner y John Pierce, proporcionó una fuente sintonizable de microondas de alta potencia de hasta 50 GHz y se convirtió en el tubo de microondas más utilizado (además del omnipresente magnetrón utilizado en los hornos microondas). La familia de tubos girotrón desarrollada en Rusia podría producir megavatios de energía en 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 .
El desarrollo de la electrónica semiconductora en la década de 1950 condujo a los primeros dispositivos de microondas de estado sólido que funcionaban según un nuevo principio; resistencia negativa (algunos de los tubos de microondas de antes de la guerra también habían usado resistencia negativa). [28] El oscilador de retroalimentación y los amplificadores de dos puertos que se usaban en frecuencias más bajas se volvieron inestables en frecuencias de microondas, y los osciladores de resistencia negativa y los amplificadores basados en dispositivos de un puerto, como diodos , funcionaron mejor.
El diodo túnel inventado en 1957 por el físico japonés Leo Esaki podía producir unos pocos milivatios de potencia de microondas. Su invención desencadenó una búsqueda de mejores dispositivos semiconductores de resistencia negativa para su uso como osciladores de microondas, lo que resultó en la invención del diodo IMPATT en 1956 por WT Read y Ralph L. Johnston y el diodo Gunn en 1962 por JB Gunn . [28] Los diodos son las fuentes de microondas más utilizadas en la actualidad.
Se desarrollaron dos amplificadores de microondas de resistencia negativa de estado sólido y bajo ruido ; el máser de rubí inventado en 1953 por Charles H. Townes , James P. Gordon y HJ Zeiger, y el amplificador paramétrico varactor desarrollado en 1956 por Marion Hines. [28] Estos se utilizaron para receptores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios y estaciones terrestres de satélites . El máser condujo al desarrollo de relojes atómicos , que mantienen el tiempo utilizando una frecuencia de microondas precisa emitida por átomos que experimentan una transición electrónica entre dos niveles de energía. Los circuitos amplificadores de resistencia negativa requirieron la invención de nuevos componentes de guía de ondas no recíprocos , como circuladores , aisladores y acopladores direccionales . En 1969, Kaneyuki Kurokawa derivó condiciones matemáticas para la estabilidad en circuitos de resistencia negativa que formaron la base del diseño de osciladores 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 parte frontal de RF de los receptores, y las señales se heterodinaban a una frecuencia intermedia más baja para su procesamiento. Desde la década de 1970 hasta la actualidad se han desarrollado pequeños componentes activos de microondas de estado sólido y económicos que pueden montarse en placas de circuitos, lo que permite a los circuitos realizar un importante procesamiento de señales 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 , el Wi-Fi y el Bluetooth , que se conectan a redes mediante microondas.
Microstrip , un tipo de línea de transmisión utilizable en frecuencias de microondas, se inventó con circuitos impresos en la década de 1950. [28] La capacidad de fabricar de forma económica una amplia gama de formas en placas de circuito impreso permitió fabricar versiones microstrip de condensadores , inductores , terminales resonantes , divisores , acopladores direccionales , diplexores , filtros y antenas, lo que permitió construir circuitos de microondas compactos. . [28]
Los transistores que operaban en frecuencias de microondas se desarrollaron en la década de 1970. El semiconductor arseniuro de galio (GaAs) tiene una movilidad electrónica mucho mayor que el silicio, [28] por lo que los dispositivos fabricados con este material pueden funcionar a 4 veces la frecuencia de dispositivos similares de silicio. A partir de la década de 1970, el GaAs se utilizó para fabricar los primeros transistores de microondas, [28] y desde entonces ha dominado los semiconductores de microondas. Los MESFET ( transistores de efecto de campo semiconductores metálicos ), transistores rápidos de efecto de campo de GaAs que utilizan uniones Schottky para la puerta, se desarrollaron a partir de 1968 y han alcanzado frecuencias de corte de 100 GHz, y ahora son los dispositivos de microondas activos más utilizados. [28] Otra familia de transistores con un límite de frecuencia más alto es el HEMT ( transistor de alta movilidad de electrones ), un transistor de efecto de campo fabricado con dos semiconductores diferentes, AlGaAs y GaAs, que utiliza tecnología de heterounión , y el similar HBT ( transistor bipolar de heterounión ). [28]
El GaAs se puede fabricar semiaislante, lo que permite utilizarlo como sustrato sobre el cual se pueden fabricar mediante litografía circuitos que contienen componentes pasivos , así como transistores. [28] En 1976, esto condujo a los primeros circuitos integrados (CI) que funcionaban en frecuencias de microondas, llamados circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC). [28] La palabra "monolítico" se añadió para distinguirlos de los circuitos de PCB microstrip, 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, permitiendo la producción de receptores de microondas de un solo chip, amplificadores de banda ancha , módems y microprocesadores .
