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 . Su longitud de onda varía de aproximadamente un metro a un milímetro, lo que corresponde afrecuencias entre 300 MHz y 300 GHz, en sentido amplio. [1] [2] : 3 [3] [4] [5] [6] Una definición más común en ingeniería de radiofrecuencia es el rango entre 1 y 100 GHz (longitudes de onda entre 30 cm y 3 mm), [2] : 3 o entre 1 y 3000 GHz (30 cm y 0,1 mm). [7] [8] 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 en la tecnología de radio anterior .
Los límites entre el infrarrojo lejano , la radiación de terahercios , las microondas y la frecuencia ultraalta (UHF) son bastante arbitrarios y se utilizan de forma variada en los diferentes campos de estudio. En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda de frecuencia superalta (SHF) (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo. Una definición más amplia también incluye las bandas de UHF y frecuencia extremadamente alta (EHF) ( ondas milimétricas ; 30 a 300 GHz).
Las frecuencias en el rango de microondas a menudo se denominan por sus designaciones de banda de radar IEEE : banda S , C , X , K u , K o K a , o por designaciones similares de la OTAN o la UE.
Las microondas viajan por línea de visión ; a diferencia de las ondas de radio de frecuencia más baja , no se difractan alrededor de las colinas, no siguen la superficie de la Tierra 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 aproximadamente 40 millas (64 km). En el extremo superior de la banda, son absorbidas por los gases en la atmósfera, lo que limita las distancias prácticas de comunicación a alrededor de 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 , radares , comunicaciones por satélite y naves espaciales , diatermia médica y tratamiento del cáncer, teledetección , radioastronomía , aceleradores de partículas , espectroscopia , calefacción industrial, sistemas anticolisión , 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 una frecuencia superior a la de las ondas de radio ordinarias y inferior a la 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. [1] Esta es una distinción arbitraria.
Las bandas de frecuencias del 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 un poco entre los diferentes campos de aplicación. [9] [10] El sistema de letras tuvo su origen en la Segunda Guerra Mundial en una clasificación estadounidense de alto secreto de las bandas utilizadas en los equipos de radar; este es el origen del sistema de letras más antiguo, las bandas de radar del IEEE. A continuación se presenta un conjunto de designaciones de bandas de frecuencia de microondas de la Sociedad de Radio de Gran Bretaña (RSGB):
Existen otras definiciones. [11]
El término banda P se utiliza a veces para frecuencias UHF por debajo de la banda L, pero ahora está obsoleto según la norma 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 . [12]
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Las microondas viajan únicamente por trayectorias de línea de visión ; a diferencia de las ondas de radio de frecuencia más baja, no viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra o se reflejan en la ionosfera ( ondas celestes ). [13] Aunque en el extremo inferior de la banda pueden atravesar paredes de edificios lo suficiente para una recepción útil, generalmente se requieren derechos de paso despejados hasta 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 aproximadamente 30-40 millas (48-64 km). Las microondas son absorbidas por la humedad en la atmósfera y la atenuación aumenta con la frecuencia, convirtiéndose en un factor significativo ( 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 está limitada a unos pocos kilómetros. Una estructura de banda espectral causa picos de absorción en frecuencias específicas (ver gráfico a la derecha). Por encima de los 100 GHz, la absorción de la radiación electromagnética por la atmósfera terrestre es tan efectiva que resulta opaca , hasta que la atmósfera se vuelve transparente de nuevo en los rangos de frecuencias denominados infrarrojos y de ventana óptica .
En un haz de microondas dirigido en ángulo hacia el cielo, una pequeña cantidad de la potencia se dispersará aleatoriamente a medida que el haz pasa a través de la troposfera . [13] 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 por dispersión troposférica (troposcatter) para comunicarse más allá del horizonte, a distancias de hasta 300 km.
Las longitudes de onda cortas de las microondas permiten fabricar antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles muy pequeñas, de 1 a 20 centímetros de largo, por lo que las frecuencias de microondas se utilizan ampliamente para dispositivos inalámbricos como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos y acceso a redes LAN inalámbricas (Wi-Fi) para computadoras portátiles y auriculares Bluetooth . Las antenas utilizadas incluyen antenas de látigo cortas , antenas de patito de goma , dipolos de manguito , antenas de parche y, cada vez más, la antena de circuito impreso F invertida (PIFA) utilizada en teléfonos celulares.
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 lo 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 el equipo cercano que usa la misma frecuencia, lo que permite la reutilización de frecuencias por transmisores cercanos. Las antenas parabólicas ("de plato") son las antenas directivas más utilizadas en frecuencias de microondas, pero también se utilizan antenas de bocina , antenas de ranura y antenas de lente . Las antenas microstrip planas 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 frecuencia más baja hacia y desde las antenas, como el cable coaxial y las líneas de cables paralelos , tienen pérdidas de potencia excesivas, por lo que cuando se requiere una atenuación baja, las microondas se transportan mediante 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 se encuentra en la antena.
El término microondas también tiene un significado más técnico en electromagnetismo y teoría de circuitos . [14] [15] 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 de circuitos de elementos concentrados es inexacta y, en cambio, los elementos de circuitos distribuidos y la teoría de líneas de transmisión son métodos más útiles para el diseño y el análisis.
Como consecuencia, los circuitos de microondas prácticos tienden a alejarse de las resistencias discretas , los condensadores y los inductores utilizados con ondas de radio de frecuencia más baja. Las líneas de transmisión de cable abierto y coaxial utilizadas a frecuencias más bajas se reemplazan por guías de onda y líneas de banda , y los circuitos sintonizados de elementos concentrados se reemplazan por resonadores de cavidad o stubs resonantes . [14] A su vez, a 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, ya que utilizan el movimiento balístico de los electrones en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos de control, e incluyen el magnetrón (utilizado en hornos microondas ), el klistrón , el tubo de ondas viajeras (TWT) y el girotrón . Estos dispositivos funcionan en modo modulado por densidad , en lugar de en modo modulado por corriente . 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 a frecuencias más bajas), diodos túnel , diodos Gunn y diodos IMPATT . [16] Las fuentes de baja potencia están disponibles como instrumentos de sobremesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos integrables y en formatos de nivel de tarjeta. Un máser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares a los del láser , que amplifica las ondas de luz de frecuencia más alta.
Todos los objetos cálidos emiten radiación de microondas de cuerpo negro 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 el terreno. [17] El sol [18] 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 los radioastrónomos utilizando receptores llamados radiotelescopios . [17] La radiación de fondo cósmico de microondas (CMBR), por ejemplo, es un ruido de microondas débil que llena el espacio vacío y que es una fuente importante de información sobre la teoría del Big Bang de la cosmología sobre el origen del Universo .
La tecnología de microondas se utiliza ampliamente para las 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 por 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 radio de 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, a una distancia de hasta 70 km.
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 a Internet inalámbrico 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? ] ha reservado espectro para los operadores que desean ofrecer servicios en este rango en los EE. UU., con énfasis en 3,65 GHz. Docenas de proveedores de servicios en todo el país están asegurando o ya han recibido licencias de la FCC para operar en esta banda. Las ofertas de servicios WIMAX que se pueden realizar en la banda de 3,65 GHz brindarán a los clientes comerciales otra opción de conectividad.
Los protocolos de red de área metropolitana (MAN), como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), se basan en estándares como IEEE 802.16 , diseñado para operar entre 2 y 11 GHz. Las implementaciones comerciales están 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 de estándares como IEEE 802.20 o ATIS/ANSI HC-SDMA (como iBurst ) operan entre 1,6 y 2,3 GHz para brindar características de movilidad y penetración en edificios similares a los teléfonos móviles pero con una eficiencia espectral mucho mayor. [19]
Algunas redes de telefonía móvil , como GSM , utilizan frecuencias de microondas bajas y UHF altas de alrededor de 1,8 y 1,9 GHz en América y otros lugares, respectivamente. DVB-SH y S-DMB utilizan de 1,452 a 1,492 GHz, mientras que la radio satelital propietaria/incompatible en los EE. UU. utiliza alrededor de 2,3 GHz para DARS .
La radio por microondas se utiliza en transmisiones de radiodifusión y telecomunicaciones porque, debido a su longitud de onda corta, las antenas altamente direccionales son más pequeñas y, por lo tanto, más prácticas que 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. Por lo general, las microondas se utilizan en los informativos de televisión para transmitir una señal desde una ubicación remota a una estación de televisión desde una camioneta especialmente equipada. Véase servicio auxiliar de radiodifusión (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, K a o K u del espectro de microondas. Estas frecuencias permiten un gran ancho de banda, evitando las congestionadas frecuencias UHF y manteniéndose por debajo de la absorción atmosférica de las frecuencias EHF. La televisión por satélite funciona en la banda C para el servicio tradicional de satélite fijo con antena parabólica grande o en la banda K u para el satélite de transmisión directa . Las comunicaciones militares se realizan principalmente a través de enlaces en banda X o K u , y la banda K a se utiliza para Milstar .
Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), incluido el Beidou chino , el Sistema de Posicionamiento Global estadounidense (introducido en 1978) y el GLONASS ruso, 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 longitud de onda corta 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 anchos de haz estrechos necesarios para localizar objetos con precisión, son convenientemente pequeñas, lo que permite girarlas rápidamente para escanear objetos. Por lo 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 el radar de corto alcance, como los sistemas de prevención de colisiones .
Las microondas emitidas por fuentes de radio astronómicas (planetas, estrellas, galaxias y nebulosas) se estudian en radioastronomía con grandes antenas parabólicas llamadas radiotelescopios . Además de recibir la radiación de microondas que se produce de forma natural, los radiotelescopios se han utilizado en experimentos de radar activo para hacer rebotar las microondas en los planetas del sistema solar, determinar la distancia a la Luna o cartografiar la superficie invisible de Venus a través de la capa de nubes.
Un radiotelescopio de microondas recientemente [¿ cuándo? ] completado 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 . Es el proyecto astronómico terrestre más grande del mundo hasta la fecha, consta de más de 66 antenas y fue construido en una colaboración internacional entre Europa, América del Norte, Asia Oriental y Chile. [20] [21]
Un importante objetivo reciente [¿ cuándo? ] de la radioastronomía de microondas ha sido el mapeo de la radiación de fondo cósmico 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 "radiación reliquia" 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 originalmente de alta energía se ha desplazado a la región de microondas del espectro de radio. Los radiotelescopios suficientemente sensibles pueden detectar la CMBR como una señal débil que no está asociada con ninguna estrella, galaxia u otro objeto. [22]
Un horno microondas hace pasar radiación de microondas a una frecuencia cercana a los 2,45 GHz (12 cm) a través de los alimentos, lo que provoca un calentamiento dieléctrico principalmente por absorción de la energía en el agua. Los hornos microondas se convirtieron en electrodomésticos comunes en las cocinas de 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 para fines tales como el grabado de iones reactivos y la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).
Las microondas se utilizan en los reactores de fusión experimentales tipo estelarizador y tokamak para descomponer el gas en plasma y calentarlo a temperaturas muy altas. La frecuencia está ajustada a la resonancia ciclotrónica de los electrones en el campo magnético, en cualquier rango entre 2 y 200 GHz, por lo que a menudo se la denomina calentamiento por resonancia ciclotrónica electrónica (ECRH). El próximo reactor termonuclear ITER [23] utilizará hasta 20 MW de microondas de 170 GHz.
Las microondas se pueden utilizar para transmitir energía a grandes distancias, y después de la Segunda Guerra Mundial se realizaron investigaciones para examinar las posibilidades. La NASA trabajó en la década de 1970 y principios de la de 1980 para investigar las posibilidades de utilizar sistemas de satélites de energía solar (SPS) con grandes paneles solares que enviarían energía a la superficie de la Tierra a través de microondas.
Existen armas menos letales que utilizan ondas milimétricas para calentar una fina capa de piel humana a una temperatura intolerable con el fin de hacer que la persona atacada 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 la Infantería de Marina de los Estados Unidos están utilizando actualmente este tipo de sistema de denegación activa en instalaciones fijas. [24]
La radiación de microondas se utiliza en la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR o ESR), normalmente en la región de la banda X (~9 GHz) en combinación normalmente 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 por microondas .
La frecuencia de microondas se puede medir mediante técnicas electrónicas o mecánicas.
Se pueden utilizar contadores de frecuencia o sistemas heterodinos de alta frecuencia . En estos casos, la frecuencia desconocida se compara con armónicos de una frecuencia inferior 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 la 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 es utilizar una guía de ondas ranurada o una línea coaxial ranurada para medir directamente la longitud de onda. Estos dispositivos consisten en una sonda introducida en la línea a través de una ranura longitudinal de modo que la sonda pueda desplazarse hacia arriba y hacia abajo por la línea. Las líneas ranuradas están destinadas principalmente a la medición de la relación de ondas estacionarias 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 daño al ADN, como pueden hacerlo las radiaciones ionizantes como los rayos X o los ultravioletas . [25] La palabra "radiación" se refiere a la energía que irradia una fuente y no a la radiactividad . El principal efecto de la absorción de las microondas es calentar los 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 a niveles bajos. Algunos estudios, pero no todos, sugieren que la exposición a largo plazo puede tener un efecto cancerígeno . [26]
Durante la Segunda Guerra Mundial , se observó que las personas que se encontraban en la trayectoria de radiación de las instalaciones de radar experimentaban chasquidos y zumbidos en respuesta a la radiación de microondas. Las investigaciones realizadas por la NASA en la década de 1970 han 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) utilizando diatermia por microondas. [27]
Cuando se producen lesiones por exposición a microondas, suelen ser consecuencia de un calentamiento dieléctrico inducido en el cuerpo. El cristalino y la córnea del ojo son especialmente vulnerables porque no contienen vasos sanguíneos que puedan disipar el calor. La exposición a la radiación de microondas puede producir cataratas por este mecanismo, porque el calentamiento por microondas desnaturaliza las proteínas del cristalino del ojo [28] (de la misma forma que el calor vuelve blancas y opacas las claras de huevo ). La exposición a dosis elevadas de radiación de microondas (como la de un horno manipulado para permitir su funcionamiento incluso con la puerta abierta) también puede producir daños por calor en otros tejidos, incluso quemaduras graves que pueden no ser evidentes de inmediato 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 con ondas de radio realizados por físicos que las consideraban una forma de "luz invisible". [29] 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 podían 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 transmisor de radio de chispa primitivo . [30]
Hertz y los otros primeros investigadores de 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 los rangos UHF y microondas, con las que podían duplicar los experimentos de óptica clásica en sus laboratorios, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes hechos de parafina , azufre y brea y rejillas de difracción de alambre , para refractar y difractar las ondas de radio como rayos de luz. [31] Hertz produjo 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 en la línea focal de una antena parabólica hecha de una lámina de zinc curvada, alimentada por pulsos de alto voltaje de una bobina de inducción . [30] Sus experimentos históricos demostraron que las ondas de radio como la luz exhibían refracción , difracción , polarización , interferencia y ondas estacionarias , [31] probando que las ondas de radio y las ondas de luz eran ambas formas de las ondas electromagnéticas de Maxwell .
A principios 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 de metal de 3 mm. [32] [31] Bose también inventó la guía de ondas , las antenas de bocina y los detectores de cristal semiconductor para usar 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 chispa de bola de metal. [31] El físico ruso Pyotr Lebedev en 1895 generó ondas milimétricas de 50 GHz. [31] 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 [33] [34] [35] [36], lo que proporcionó los modos y la frecuencia de corte de las microondas que se propagan a través de una guía de ondas . [30]
Sin embargo, como 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 chispa que se utilizaban entonces limitaba su alcance práctico a unas pocas millas. El desarrollo posterior de la comunicación por radio después de 1896 empleó frecuencias más bajas, que podían viajar más allá del horizonte como ondas terrestres y al reflejarse en la ionosfera como ondas ionosféricas , y las frecuencias de microondas no se exploraron más en ese momento.
El uso práctico de las frecuencias de microondas no se produjo hasta los años 1940 y 1950 debido a la falta de fuentes adecuadas, ya que el oscilador electrónico de tubo de vacío triodo (válvula) utilizado en los transmisores de radio no podía producir frecuencias superiores a unos pocos cientos de megahercios debido al excesivo tiempo de tránsito de electrones y la capacitancia entre electrodos. [30] En la década de 1930, se habían desarrollado los primeros tubos de vacío de microondas de baja potencia utilizando nuevos principios; el tubo Barkhausen-Kurz y el magnetrón de ánodo dividido . [30] 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 André C. Clavier demostró el primer enlace experimental de retransmisión de microondas , a través del Canal de la Mancha, 40 millas (64 km) entre Dover , Reino Unido y Calais , Francia. [38] [39] El sistema transmitía datos de telefonía, telégrafo y fax 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 antenas metálicas 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 " ondas cortas ", que significaba todas las ondas de menos de 200 metros. Los términos ondas cuasi-ópticas y ondas ultracortas se usaron brevemente [37] pero no tuvieron éxito. El primer uso de la palabra microondas aparentemente ocurrió en 1931. [39] [40]
El desarrollo del radar , principalmente en secreto, antes y durante la Segunda Guerra Mundial , resultó en los avances tecnológicos que hicieron que las microondas fueran prácticas. [30] Se requirieron longitudes de onda en el rango de centímetros para dar a las pequeñas antenas de radar que eran lo suficientemente compactas para caber en los aviones un ancho de haz lo suficientemente estrecho para localizar los 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 independientemente la guía de ondas en 1936. [33] Barrow inventó la antena de bocina en 1938 como un medio para radiar 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 llenar esta necesidad, los investigadores resucitaron una tecnología obsoleta, el detector de cristal de contacto puntual (detector de bigotes de gato) que se usó como demodulador en radios de cristal alrededor del cambio de siglo antes de los receptores de tubos de vacío. [30] [41] La baja capacitancia de las uniones de semiconductores les permitió funcionar a frecuencias de microondas. Los primeros diodos de silicio y germanio modernos 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. [30]
Las primeras fuentes potentes de microondas se inventaron al comienzo de la Segunda Guerra Mundial: el tubo klistrón por Russell y Sigurd Varian en la Universidad de Stanford en 1937, y el tubo magnetrón de cavidad por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 1940. [30] El radar de microondas de diez centímetros (3 GHz) estaba en uso en aviones de guerra británicos a fines de 1941 y demostró 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 significativamente la guerra. El Laboratorio de Radiación del MIT establecido en secreto en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1940 para investigar el radar, produjo gran parte del conocimiento teórico necesario para usar microondas. Los primeros sistemas de relé de microondas fueron desarrollados por el ejército aliado cerca del final de la guerra y se utilizaron para redes de comunicación seguras en el campo de batalla en el teatro europeo.
Después de la Segunda Guerra Mundial, las microondas se explotaron rápidamente comercialmente. [30] Debido a su alta frecuencia tenían una capacidad de transporte de información muy grande ( ancho de banda ); un solo haz de microondas podía transportar decenas de miles de llamadas telefónicas. En las décadas de 1950 y 1960 se construyeron redes de retransmisión de microondas transcontinentales en los EE. UU. y Europa para intercambiar llamadas telefónicas entre ciudades y distribuir programas de televisión. En la nueva industria de 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 TV remotas . Los primeros satélites de comunicaciones se lanzaron en la década de 1960, que retransmitían llamadas telefónicas y televisión entre puntos ampliamente separados en 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 la tecnología central utilizada en el control del tráfico aéreo , la navegación marítima , la defensa antiaérea , la detección de misiles balísticos y, posteriormente, en muchos otros usos. El radar y la comunicación por satélite motivaron el desarrollo de las antenas de microondas modernas: la antena parabólica (el tipo más común), la antena Cassegrain , la antena de lente , la antena de ranura y la antena de matriz en fase .
La capacidad de las ondas cortas para calentar rápidamente los materiales y cocinar los alimentos había sido investigada en la década de 1930 por Ilia E. Mouromtseff en Westinghouse, y en la Feria Mundial de Chicago de 1933 demostró cómo cocinar comidas con un transmisor de radio de 60 MHz. [42] En 1945, Percy Spencer , un ingeniero que trabajaba en un radar en Raytheon , notó que la radiación de microondas de un oscilador de magnetrón derretía 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 a una cavidad metálica cerrada que contenía alimentos, que fue patentado por Raytheon el 8 de octubre de 1945. Debido a su costo, los hornos microondas se utilizaron inicialmente en cocinas institucionales, pero en 1986 aproximadamente el 25% de los hogares en los EE. UU. tenían uno. El calentamiento por microondas se utilizó ampliamente como un proceso industrial en industrias como la fabricación de plásticos y como terapia médica para matar células cancerosas en 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 podía producir 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 .
El desarrollo de la electrónica de semiconductores en la década de 1950 condujo a los primeros dispositivos de microondas de estado sólido que funcionaban según un nuevo principio: la resistencia negativa (algunos de los tubos de microondas de antes de la guerra también habían utilizado resistencia negativa). [30] El oscilador de retroalimentación y los amplificadores de dos puertos que se utilizaban a frecuencias más bajas se volvieron inestables a frecuencias de microondas, y los osciladores de resistencia 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 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 dio como resultado la invención del diodo IMPATT en 1956 por WT Read y Ralph L. Johnston y el diodo Gunn en 1962 por JB Gunn . [30] Los diodos son las fuentes de microondas más utilizadas en la actualidad.
Se desarrollaron dos amplificadores de microondas de resistencia negativa de estado sólido de bajo ruido ; el máser inventado en 1953 por Charles H. Townes , James P. Gordon y HJ Zeiger, y el amplificador paramétrico varactor desarrollado en 1956 por Marion Hines. [30] El amplificador paramétrico y el máser rubí , inventados en 1958 por un equipo de Bell Labs encabezado por HED Scovil, se utilizaron para receptores de microondas de bajo ruido en radiotelescopios y estaciones terrestres de satélite . 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 de electrones 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 del oscilador de microondas. [43]
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 al extremo frontal de RF de los receptores, y las señales se heterodinaban a una frecuencia intermedia más baja para su procesamiento. El período desde la década de 1970 hasta el presente ha sido testigo del desarrollo de pequeños componentes de microondas de estado sólido activos y económicos que se pueden montar en placas de circuitos, lo que permite que los circuitos realicen un procesamiento de señales 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 , el wifi y el Bluetooth, que se conectan a redes mediante microondas.
La microbanda , un tipo de línea de transmisión utilizable en frecuencias de microondas, se inventó con circuitos impresos en la década de 1950. [30] La capacidad de fabricar de forma económica una amplia gama de formas en placas de circuitos impresos permitió realizar versiones de microbanda de condensadores , inductores , stubs resonantes , divisores , acopladores direccionales , diplexores , filtros y antenas, lo que permitió construir circuitos de microondas compactos. [30]
Los transistores que operan a frecuencias de microondas fueron desarrollados en la década de 1970. El semiconductor arseniuro de galio (GaAs) tiene una movilidad de electrones mucho mayor que el silicio, [30] por lo que los dispositivos fabricados con este material pueden operar a 4 veces la frecuencia de dispositivos similares de silicio. A principios de la década de 1970, GaAs se utilizó para hacer los primeros transistores de microondas, [30] y ha dominado los semiconductores de microondas desde entonces. Los MESFET ( transistores de efecto de campo de metal-semiconductor ), transistores de efecto de campo de GaAs rápidos que utilizan uniones Schottky para la compuerta, 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. [30] 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 hecho con dos semiconductores diferentes, AlGaAs y GaAs, utilizando tecnología de heterojunción , y el similar HBT ( transistor bipolar de heterojunción ). [30]
El GaAs se puede hacer semiaislante, lo que permite su uso como sustrato sobre el que se pueden fabricar mediante litografía circuitos que contienen componentes pasivos , así como transistores. [30] En 1976, esto dio lugar a los primeros circuitos integrados (CI) que funcionaban a frecuencias de microondas, llamados circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC). [30] Se añadió la palabra "monolítico" para distinguirlos de los circuitos de PCB de microbanda, que se llamaban "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 producción de receptores de microondas de un solo chip, amplificadores de banda ancha , módems y microprocesadores .
![El transmisor experimental de 3,3 GHz (9 cm) de 1933 en los laboratorios Westinghouse [37] transmite voz a más de una milla de distancia.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/da/Experimental_Westinghouse_3GHz_microwave_transmitter_1933.jpg/1280px-Experimental_Westinghouse_3GHz_microwave_transmitter_1933.jpg)
