La banda de frecuencias de radio del espectro electromagnético de 30 a 300 gigahercios (GHz) es la denominación de la Unión Internacional de Telecomunicaciones para la banda de frecuencias de radio en el espectro electromagnético de 30 a 300 gigahercios (GHz). Se encuentra entre la banda de frecuencias superaltas y la banda de infrarrojos lejanos , cuya parte inferior es la banda de terahercios . Las ondas de radio en esta banda tienen longitudes de onda de diez a un milímetro, por lo que también se denomina banda milimétrica y la radiación en esta banda se llama ondas milimétricas , a veces abreviadas como MMW o mmWave . Las ondas electromagnéticas de longitud milimétrica fueron investigadas por primera vez por Jagadish Chandra Bose , quien generó ondas de frecuencia de hasta 60 GHz durante experimentos en 1894-1896. [1]
En comparación con las bandas inferiores, las ondas de radio en esta banda tienen una alta atenuación atmosférica : son absorbidas por los gases de la atmósfera. La absorción aumenta con la frecuencia hasta que en el extremo superior de la banda las ondas se atenúan a cero en unos pocos metros. La absorción por la humedad en la atmósfera es significativa excepto en entornos desérticos, y la atenuación por la lluvia ( desvanecimiento por lluvia ) es un problema grave incluso en distancias cortas. Sin embargo, el corto rango de propagación permite distancias de reutilización de frecuencias más pequeñas que las frecuencias inferiores. La longitud de onda corta permite que las antenas de tamaño modesto tengan un ancho de haz pequeño, lo que aumenta aún más el potencial de reutilización de frecuencias. Las ondas milimétricas se utilizan para radares de control de tiro militar , escáneres de seguridad de aeropuertos , redes inalámbricas de corto alcance e investigación científica.
En una nueva e importante aplicación de las ondas milimétricas, se están utilizando ciertos rangos de frecuencia cerca de la parte inferior de la banda en la última generación de redes de telefonía celular , las redes 5G . [2] El diseño de circuitos y subsistemas de ondas milimétricas (como antenas, amplificadores de potencia, mezcladores y osciladores) también presenta graves desafíos para los ingenieros debido a las limitaciones de los semiconductores y procesos, las limitaciones del modelo y los factores Q deficientes de los dispositivos pasivos. [3]
Las ondas milimétricas se propagan únicamente por trayectorias de línea de visión . No son refractadas por la ionosfera ni viajan a lo largo de la Tierra como ondas terrestres como lo hacen las ondas de radio de frecuencia más baja. [4] A densidades de potencia típicas son bloqueadas por las paredes de los edificios y sufren una atenuación significativa al atravesar el follaje. [4] [5] [6] La absorción por los gases atmosféricos es un factor significativo en toda la banda y aumenta con la frecuencia. Sin embargo, esta absorción es máxima en unas pocas líneas de absorción específicas , principalmente las de oxígeno a 60 GHz y vapor de agua a 24 GHz y 184 GHz. [5] En frecuencias en las "ventanas" entre estos picos de absorción, las ondas milimétricas tienen mucha menos atenuación atmosférica y mayor alcance, por lo que muchas aplicaciones utilizan estas frecuencias. Las longitudes de onda milimétricas son del mismo orden de tamaño que las gotas de lluvia , por lo que la precipitación causa atenuación adicional debido a la dispersión ( desvanecimiento por lluvia ) así como a la absorción. [5] [6] La alta pérdida de espacio libre y la absorción atmosférica limitan la propagación útil a unos pocos kilómetros. [4] Por lo tanto, son útiles para redes de comunicaciones densamente pobladas, como las redes de área personal que mejoran la utilización del espectro a través de la reutilización de frecuencias . [4]
Las ondas milimétricas muestran características de propagación "óptica" y pueden ser reflejadas y enfocadas por pequeñas superficies metálicas y lentes dieléctricas de alrededor de 5 a 30 cm (2 pulgadas a 1 pie) de diámetro. Debido a que sus longitudes de onda son a menudo mucho más pequeñas que el equipo que las manipula, se pueden utilizar las técnicas de óptica geométrica . La difracción es menor que a frecuencias más bajas, aunque las ondas milimétricas pueden ser difractadas por los bordes de los edificios. En longitudes de onda milimétricas, las superficies parecen más rugosas, por lo que la reflexión difusa aumenta. [4] La propagación por trayectos múltiples , en particular la reflexión de las paredes y superficies interiores, causa un desvanecimiento grave. [6] [7] El desplazamiento Doppler de la frecuencia puede ser significativo incluso a velocidades de peatón. [4] En los dispositivos portátiles, el sombreado debido al cuerpo humano es un problema. Dado que las ondas penetran la ropa y su pequeña longitud de onda les permite reflejarse en pequeños objetos metálicos, se utilizan en escáneres de ondas milimétricas para el escaneo de seguridad en los aeropuertos.
Esta banda se utiliza habitualmente en radioastronomía y teledetección . La radioastronomía terrestre está limitada a sitios de gran altitud como Kitt Peak y Atacama Large Millimeter Array ( ALMA ) debido a problemas de absorción atmosférica.
La teledetección por satélite cerca de los 60 GHz puede determinar la temperatura en la atmósfera superior midiendo la radiación emitida por las moléculas de oxígeno que es una función de la temperatura y la presión. La asignación de frecuencia pasiva no exclusiva de la Unión Internacional de Telecomunicaciones en 57-59,3 GHz se utiliza para la vigilancia atmosférica en aplicaciones meteorológicas y de detección climática y es importante para estos fines debido a las propiedades de absorción y emisión de oxígeno en la atmósfera terrestre. Los sensores satelitales estadounidenses actualmente operativos, como la Unidad de Sondeo Avanzado por Microondas (AMSU) en un satélite de la NASA (Aqua) y cuatro satélites NOAA (15-18) y el sensor especial de microondas/imagen (SSMI/S) en el satélite F-16 del Departamento de Defensa, utilizan este rango de frecuencia. [8]
En Estados Unidos, la banda de 36,0 a 40,0 GHz se utiliza para enlaces de datos de microondas de alta velocidad con licencia, y la banda de 60 GHz se puede utilizar para enlaces de datos de corto alcance (1,7 km) sin licencia con velocidades de transmisión de datos de hasta 2,5 Gbit /s. Se utiliza habitualmente en terrenos llanos.
Las bandas de 71–76, 81–86 y 92–95 GHz también se utilizan para enlaces de comunicación punto a punto de gran ancho de banda. Estas frecuencias más altas no sufren la absorción de oxígeno, pero requieren una licencia de transmisión en los EE. UU. de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). También hay planes para enlaces de 10 Gbit/s que utilicen estas frecuencias. En el caso de la banda de 92–95 GHz, se ha reservado un pequeño rango de 100 MHz para radios espaciales, lo que limita este rango reservado a una velocidad de transmisión de menos de unos pocos gigabits por segundo. [9]
La banda está esencialmente sin desarrollar y está disponible para su uso en una amplia gama de nuevos productos y servicios, incluidas las redes de área local inalámbricas de punto a punto de alta velocidad y el acceso a Internet de banda ancha . WirelessHD es otra tecnología reciente que opera cerca del rango de 60 GHz. Las características de señal altamente direccional, de "haz de lápiz", permiten que diferentes sistemas funcionen cerca unos de otros sin causar interferencias. Las aplicaciones potenciales incluyen sistemas de radar con una resolución muy alta.
Los estándares Wi-Fi IEEE 802.11ad e IEEE 802.11ay operan en el espectro de 60 GHz ( banda V ) para lograr velocidades de transferencia de datos de hasta 7 Gbit/s y al menos 20 Gbit/s , respectivamente.
Los usos de las bandas de ondas milimétricas incluyen comunicaciones punto a punto, enlaces entre satélites y comunicaciones punto a multipunto . En 2013 se especuló que existían planes para utilizar ondas milimétricas en futuros teléfonos móviles 5G . [10] Además, el uso de bandas de ondas milimétricas para la comunicación vehicular también está surgiendo como una solución atractiva para respaldar las comunicaciones vehiculares (semi)autónomas. [11]
Las longitudes de onda más cortas en esta banda permiten el uso de antenas más pequeñas para lograr la misma alta directividad y alta ganancia que las antenas más grandes en bandas inferiores. La consecuencia inmediata de esta alta directividad, junto con la alta pérdida en el espacio libre en estas frecuencias, es la posibilidad de un uso más eficiente de las frecuencias para aplicaciones punto a multipunto. Dado que se puede colocar un mayor número de antenas altamente directivas en un área determinada, el resultado neto es una mayor reutilización de frecuencias y una mayor densidad de usuarios. La alta capacidad de canal utilizable en esta banda podría permitir que sirva para algunas aplicaciones que de otro modo utilizarían comunicaciones por fibra óptica o enlaces muy cortos, como para la interconexión de placas de circuitos. [12]
El radar de ondas milimétricas se utiliza en radares de control de tiro de corto alcance en tanques y aviones, y en cañones automáticos ( CIWS ) en buques de guerra para derribar misiles entrantes. La pequeña longitud de onda de las ondas milimétricas les permite rastrear el flujo de balas salientes, así como el objetivo, lo que permite que el sistema de control de tiro por computadora cambie la puntería para unirlos. [ cita requerida ]
Con Raytheon, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos ha desarrollado un sistema de armas antipersonal no letal llamado Active Denial System (ADS) que emite un haz de ondas de radio milimétricas con una longitud de onda de 3 mm (frecuencia de 95 GHz). [13] El arma hace que la persona que se encuentra en el haz sienta un intenso dolor ardiente, como si su piel fuera a incendiarse. La versión militar tenía una potencia de salida de 100 kilovatios (kW), [14] y una versión policial más pequeña, llamada Silent Guardian que fue desarrollada por Raytheon más tarde, tenía una potencia de salida de 30 kW. [15]
La ropa y otros materiales orgánicos son transparentes a las ondas milimétricas de ciertas frecuencias, por lo que una aplicación reciente han sido los escáneres para detectar armas y otros objetos peligrosos transportados debajo de la ropa, para aplicaciones como la seguridad en los aeropuertos. [16] Los defensores de la privacidad están preocupados por el uso de esta tecnología porque, en algunos casos, permite a los inspectores ver a los pasajeros del aeropuerto como si no tuvieran ropa.
La TSA ha desplegado escáneres de ondas milimétricas en muchos aeropuertos importantes.
Antes de una actualización del software, la tecnología no ocultaba ninguna parte del cuerpo de las personas que estaban siendo escaneadas. Sin embargo, el sistema ocultaba deliberadamente las caras de los pasajeros. Los técnicos examinaban las fotos en una habitación cerrada y las borraban inmediatamente después de terminar la búsqueda. Los defensores de la privacidad están preocupados. "Cada vez estamos más cerca de que se exija un cacheo corporal para subir a bordo de un avión", dijo Barry Steinhardt, de la Unión Estadounidense por las Libertades Civiles. [17] Para abordar este problema, las actualizaciones han eliminado la necesidad de que haya un oficial en una zona de observación separada. El nuevo software genera una imagen genérica de un ser humano. No hay ninguna diferenciación anatómica entre hombre y mujer en la imagen y, si se detecta un objeto, el software solo presenta un recuadro amarillo en la zona. Si el dispositivo no detecta nada de interés, no se presenta ninguna imagen. [18] Los pasajeros pueden negarse a que se les escanee y ser examinados mediante un detector de metales y cacheados. [19]
Según Farran Technologies, fabricante de un modelo del escáner de ondas milimétricas, existe la tecnología para ampliar el área de búsqueda hasta 50 metros más allá del área de escaneo, lo que permitiría a los trabajadores de seguridad escanear a una gran cantidad de personas sin que se den cuenta de que están siendo escaneadas. [20]
Estudios recientes de la Universidad de Lovaina han demostrado que las ondas milimétricas también se pueden utilizar como un medidor de espesor no nuclear en varias industrias. Las ondas milimétricas proporcionan una forma limpia y sin contacto de detectar variaciones en el espesor. Las aplicaciones prácticas de la tecnología se centran en la extrusión de plásticos , la fabricación de papel , la producción de vidrio y la producción de lana mineral .
La radiación electromagnética de baja intensidad (generalmente 10 mW/cm2 o menos) de frecuencia extremadamente alta se puede utilizar en medicina humana para el tratamiento de enfermedades . Por ejemplo, "Una exposición breve y de baja intensidad a MMW puede cambiar las tasas de crecimiento y proliferación celular , la actividad de las enzimas , el estado del aparato genético celular, la función de las membranas excitables y los receptores periféricos". [21] Este tratamiento está particularmente asociado con el rango de 40-70 GHz . [22] Este tipo de tratamiento puede llamarse terapia de ondas milimétricas o terapia de frecuencia extremadamente alta . [23] Este tratamiento está asociado con las naciones de Europa del Este (por ejemplo, las naciones de la ex URSS ). [21] La revista rusa Millimeter waves in biology and medicine estudia la base científica y las aplicaciones clínicas de la terapia de ondas milimétricas. [24]
La policía de tráfico utiliza radares detectores de velocidad en la banda Ka (33,4–36,0 GHz). [25]