Onda de radio

Tipo de radiación electromagnética

Animación de una antena dipolo de media onda que emite ondas de radio, en la que se muestran las líneas de campo eléctrico . La antena del centro está formada por dos varillas metálicas verticales conectadas a un transmisor de radio (no se muestra). El transmisor aplica una corriente eléctrica alterna a las varillas, que las carga de forma alternada positiva (+) y negativa (−). Los bucles de campo eléctrico salen de la antena y se desplazan a la velocidad de la luz ; estas son las ondas de radio. En esta animación, la acción se muestra con una velocidad tremendamente reducida.

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética con las frecuencias más bajas y las longitudes de onda más largas en el espectro electromagnético , típicamente con frecuencias inferiores a 300 gigahercios (GHz) y longitudes de onda mayores a 1 milímetro ( 3 ⁄ 64 pulgadas), aproximadamente el diámetro de un grano de arroz. Las ondas de radio con frecuencias superiores a aproximadamente 1 GHz y longitudes de onda menores a 30 centímetros se denominan microondas . ^[1] Como todas las ondas electromagnéticas, las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz , y en la atmósfera terrestre a una velocidad ligeramente menor. Las ondas de radio son generadas por partículas cargadas que experimentan aceleración , como corrientes eléctricas variables en el tiempo . ^[2] Las ondas de radio naturales son emitidas por rayos y objetos astronómicos , y son parte de la radiación de cuerpo negro emitida por todos los objetos cálidos. ^[3]

Las ondas de radio se generan artificialmente mediante un dispositivo electrónico llamado transmisor , que está conectado a una antena , que irradia las ondas. Son recibidas por otra antena conectada a un receptor de radio , que procesa la señal recibida. Las ondas de radio se utilizan ampliamente en la tecnología moderna para la comunicación por radio fija y móvil , la radiodifusión , los sistemas de radar y radionavegación , los satélites de comunicaciones , las redes informáticas inalámbricas y muchas otras aplicaciones. Las diferentes frecuencias de las ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden difractarse alrededor de obstáculos como montañas y seguir el contorno de la Tierra ( ondas terrestres ), las ondas más cortas pueden reflejarse en la ionosfera y regresar a la Tierra más allá del horizonte ( ondas celestes ), mientras que las longitudes de onda mucho más cortas se doblan o difractan muy poco y viajan en una línea de visión , por lo que sus distancias de propagación están limitadas al horizonte visual.

Para evitar interferencias entre distintos usuarios, la generación y utilización artificial de ondas de radio está estrictamente regulada por la ley, coordinada por un organismo internacional llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), que define las ondas de radio como " ondas electromagnéticas de frecuencias arbitrariamente inferiores a 3.000 GHz , propagadas en el espacio sin guía artificial". ^[4] El espectro radioeléctrico se divide en varias bandas de radio en función de la frecuencia, asignadas a diferentes usos. Las ondas de radio de mayor frecuencia y longitud de onda más corta se denominan microondas .

Diagrama de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) de las ondas de radio emitidas por una antena de transmisión de radio monopolar (pequeña línea vertical oscura en el centro). Los campos E y H son perpendiculares, como se desprende del diagrama de fases de la parte inferior derecha.

Descubrimiento y explotación

Las ondas de radio fueron predichas por primera vez por la teoría del electromagnetismo que fue propuesta en 1867 por el físico matemático escocés James Clerk Maxwell . ^[5] Su teoría matemática, ahora llamada ecuaciones de Maxwell , predijo que un campo eléctrico y magnético acoplado podría viajar a través del espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta. En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz demostró la realidad de las ondas electromagnéticas de Maxwell al generar experimentalmente ondas electromagnéticas de menor frecuencia que la luz, ondas de radio, en su laboratorio, ^[6] mostrando que exhibían las mismas propiedades ondulatorias que la luz: ondas estacionarias , refracción , difracción y polarización . El inventor italiano Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores de radio prácticos alrededor de 1894-1895. Recibió el Premio Nobel de Física de 1909 por su trabajo sobre radio. La comunicación por radio comenzó a utilizarse comercialmente alrededor de 1900. El término moderno " onda de radio " reemplazó al nombre original " onda hertziana " alrededor de 1912.

Generación y recepción

Diagrama animado de una antena dipolo de media onda que recibe una onda de radio. La antena consta de dos varillas metálicas conectadas a un receptor R . El campo eléctrico ( E , flechas verdes ) de la onda entrante produce una oscilación de los electrones en las varillas, cargando los extremos alternativamente de forma positiva (+) y negativa (−) . Dado que la longitud de la antena es la mitad de la longitud de onda de la onda, el campo oscilante induce ondas estacionarias de voltaje ( V , representadas por la banda roja ) y corriente en las varillas. Las corrientes oscilantes (flechas negras) fluyen por la línea de transmisión y a través del receptor (representado por la resistencia R ).

Las ondas de radio son radiadas por partículas cargadas cuando se aceleran . Las fuentes naturales de ondas de radio incluyen el ruido de radio producido por los rayos y otros procesos naturales en la atmósfera de la Tierra, y las fuentes de radio astronómicas en el espacio, como el Sol, las galaxias y las nebulosas. Todos los objetos cálidos irradian ondas de radio de alta frecuencia ( microondas ) como parte de su radiación de cuerpo negro .

Las ondas de radio se producen artificialmente mediante corrientes eléctricas que varían con el tiempo y que consisten en electrones que fluyen de un lado a otro en un conductor de metal con una forma especial llamado antena . Un dispositivo electrónico llamado transmisor de radio aplica una corriente eléctrica oscilante a la antena, y la antena irradia la potencia en forma de ondas de radio. Las ondas de radio son recibidas por otra antena conectada a un receptor de radio . Cuando las ondas de radio inciden en la antena receptora, empujan los electrones del metal de un lado a otro, creando pequeñas corrientes oscilantes que son detectadas por el receptor.

Desde la mecánica cuántica , al igual que otras radiaciones electromagnéticas como la luz, las ondas de radio pueden considerarse alternativamente como corrientes de partículas elementales sin carga llamadas fotones . ^[7] En una antena que transmite ondas de radio, los electrones en la antena emiten la energía en paquetes discretos llamados fotones de radio, mientras que en una antena receptora los electrones absorben la energía como fotones de radio. Una antena es un emisor coherente de fotones, como un láser , por lo que los fotones de radio están todos en fase . ^{[8] [7]} Sin embargo, a partir de la relación de Planck , la energía de los fotones de radio individuales es extremadamente pequeña, ^[7] de 10 ⁻²² a 10 ⁻³⁰ julios . Por lo tanto, la antena de incluso un transmisor de muy baja potencia emite una enorme cantidad de fotones cada segundo. Por lo tanto, a excepción de ciertos procesos de transición de electrones moleculares , como los átomos en un máser que emiten fotones de microondas, la emisión y absorción de ondas de radio se considera generalmente como un proceso clásico continuo, regido por las ecuaciones de Maxwell . ${\displaystyle E=h\nu }$ 

Propiedades

Las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz . ^{[9] [10]} Al pasar a través de un medio material, se ralentizan dependiendo de la permeabilidad y permitividad del medio . El aire es lo suficientemente tenue como para que en la atmósfera de la Tierra las ondas de radio viajen a una velocidad casi igual a la de la luz. ${\displaystyle c}$

La longitud de onda es la distancia desde un pico (cresta) del campo eléctrico de la onda hasta el siguiente, y es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. La relación entre la frecuencia y la longitud de onda en una onda de radio que viaja en el vacío o en el aire es ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle f}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {\;c\;}{f}}~,}$

dónde

${\displaystyle c\approx 2.9979\times 10^{8}{\text{ m/s}}~.}$

De manera equivalente , la distancia que recorre una onda de radio en el vacío en un segundo es de 299.792.458 metros (983.571.056 pies), que es la longitud de onda de una señal de radio de 1  hercio . Una onda de radio de 1  megahercio ( banda media de AM ) tiene una longitud de onda de 299,79 metros (983,6 pies). ${\displaystyle c}$

Polarización

Al igual que otras ondas electromagnéticas, una onda de radio tiene una propiedad llamada polarización , que se define como la dirección del campo eléctrico oscilante de la onda perpendicular a la dirección del movimiento. Una onda de radio polarizada en un plano tiene un campo eléctrico que oscila en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. En una onda de radio polarizada horizontalmente, el campo eléctrico oscila en una dirección horizontal. En una onda polarizada verticalmente, el campo eléctrico oscila en una dirección vertical. En una onda polarizada circularmente, el campo eléctrico en cualquier punto gira sobre la dirección de viaje, una vez por ciclo. Una onda polarizada circularmente hacia la derecha gira en sentido de la derecha sobre la dirección de viaje, mientras que una onda polarizada circularmente hacia la izquierda gira en sentido opuesto. ^{[11] : p.21} El campo magnético de la onda es perpendicular al campo eléctrico, y el campo eléctrico y magnético están orientados en sentido de la derecha con respecto a la dirección de la radiación.

Una antena emite ondas de radio polarizadas, cuya polarización está determinada por la dirección de los elementos metálicos de la antena. Por ejemplo, una antena dipolo consta de dos varillas metálicas colineales. Si las varillas están en posición horizontal, emite ondas de radio polarizadas horizontalmente, mientras que si están en posición vertical, emite ondas polarizadas verticalmente. Una antena que recibe ondas de radio debe tener la misma polarización que la antena transmisora, o sufrirá una pérdida grave de recepción. Muchas fuentes naturales de ondas de radio, como el sol, las estrellas y la radiación del cuerpo negro de objetos cálidos, emiten ondas no polarizadas, que consisten en trenes de ondas cortas incoherentes en una mezcla igual de estados de polarización.

La polarización de las ondas de radio está determinada por una propiedad mecánica cuántica de los fotones llamada su espín . Un fotón puede tener uno de dos posibles valores de espín; puede girar en sentido de la derecha sobre su dirección de movimiento, o en sentido de la izquierda. Las ondas de radio polarizadas circularmente hacia la derecha consisten en fotones que giran en sentido de la derecha. Las ondas de radio polarizadas circularmente hacia la izquierda consisten en fotones que giran en sentido de la izquierda. Las ondas de radio polarizadas planas consisten en fotones en una superposición cuántica de estados de espín derecho e izquierdo. El campo eléctrico consiste en una superposición de campos giratorios derecho e izquierdo, lo que da como resultado una oscilación plana.

Características de propagación

Las ondas de radio se utilizan más ampliamente para la comunicación que otras ondas electromagnéticas, principalmente debido a sus deseables propiedades de propagación , derivadas de su gran longitud de onda . ^[12] Las ondas de radio tienen la capacidad de atravesar la atmósfera en cualquier clima, follaje y a través de la mayoría de los materiales de construcción. Por difracción , las longitudes de onda más largas pueden doblarse alrededor de obstrucciones y, a diferencia de otras ondas electromagnéticas, tienden a dispersarse en lugar de ser absorbidas por objetos más grandes que su longitud de onda.

El estudio de la propagación de radio , es decir, cómo se mueven las ondas de radio en el espacio libre y sobre la superficie de la Tierra, es de vital importancia para el diseño de sistemas de radio prácticos. Las ondas de radio que pasan por diferentes entornos experimentan reflexión , refracción , polarización , difracción y absorción . Las diferentes frecuencias experimentan diferentes combinaciones de estos fenómenos en la atmósfera terrestre, lo que hace que ciertas bandas de radio sean más útiles para fines específicos que otras. Los sistemas de radio prácticos utilizan principalmente tres técnicas diferentes de propagación de radio para comunicarse: ^[13]

• Línea de visión : se refiere a las ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora ​​hasta la antena receptora. No necesariamente requiere una trayectoria despejada; a frecuencias más bajas, las ondas de radio pueden atravesar edificios, follaje y otras obstrucciones. Este es el único método de propagación posible en frecuencias superiores a 30 MHz. En la superficie de la Tierra, la propagación de la línea de visión está limitada por el horizonte visual a unos 64 km (40 mi). Este es el método utilizado por los teléfonos celulares , FM , transmisión de televisión y radar . Al usar antenas parabólicas para transmitir haces de microondas, los enlaces de retransmisión de microondas punto a puntotransmiten señales telefónicas y de televisión a largas distancias hasta el horizonte visual. Las estaciones terrestres pueden comunicarse con satélites y naves espaciales a miles de millones de millas de la Tierra.
  • Propagación indirecta : las ondas de radio pueden alcanzar puntos más allá de la línea de visión por difracción y reflexión . ^[13] La difracción hace que las ondas de radio se desvíen alrededor de obstrucciones como el borde de un edificio, un vehículo o una curva en un pasillo. Las ondas de radio también se reflejan parcialmente en superficies como paredes, pisos, techos, vehículos y el suelo. Estos métodos de propagación ocurren en sistemas de comunicación por radio de corto alcance como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos , walkie-talkies y redes inalámbricas . Un inconveniente de este modo es la propagación por trayectos múltiples , en la que las ondas de radio viajan desde la antena transmisora ​​a la receptora a través de múltiples caminos. Las ondas interfieren , a menudo causando desvanecimiento y otros problemas de recepción.
• Ondas terrestres : En frecuencias inferiores a 2 MHz, en las bandas de onda media y onda larga , debido a la difracción, las ondas de radio polarizadas verticalmente pueden doblarse sobre colinas y montañas y propagarse más allá del horizonte, viajando como ondas superficiales que siguen el contorno de la Tierra. Esto hace posible que las estaciones de transmisión de onda media y onda larga tengan áreas de cobertura más allá del horizonte, hasta cientos de millas. A medida que la frecuencia disminuye, las pérdidas disminuyen y el alcance alcanzable aumenta. Los sistemas de comunicación militares de frecuencia muy baja (VLF) y frecuencia extremadamente baja (ELF) pueden comunicarse en la mayor parte de la Tierra. Las ondas de radio VLF y ELF también pueden penetrar el agua a cientos de metros de profundidad, por lo que se utilizan para comunicarse con submarinos sumergidos .
• Ondas ionosféricas : En longitudes de onda media y corta , las ondas de radio se reflejan en capas conductoras de partículas cargadas ( iones ) en una parte de la atmósfera llamada ionosfera . Por lo tanto, las ondas de radio dirigidas en un ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte; esto se llama propagación de "saltos" u "ondas ionosféricas". Al usar múltiples saltos se puede lograr la comunicación a distancias intercontinentales. La propagación de ondas ionosféricas es variable y depende de las condiciones atmosféricas; es más confiable por la noche y en invierno. Ampliamente utilizada durante la primera mitad del siglo XX, debido a su falta de confiabilidad, la comunicación por ondas ionosféricas ha sido abandonada en su mayoría. Los usos restantes son por sistemas de radar militares sobre el horizonte (OTH) , por algunos sistemas automatizados, por radioaficionados y por estaciones de transmisión de onda corta para transmitir a otros países.

En las frecuencias de microondas , los gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas de radio, por lo que el alcance de los sistemas prácticos de comunicación por radio disminuye con el aumento de la frecuencia. Por debajo de unos 20 GHz, la atenuación atmosférica se debe principalmente al vapor de agua. Por encima de los 20 GHz, en la banda de ondas milimétricas , otros gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas, lo que limita las distancias prácticas de transmisión a un kilómetro o menos. Por encima de los 300 GHz, en la banda de los terahercios , prácticamente toda la potencia se absorbe en unos pocos metros, por lo que la atmósfera es efectivamente opaca. ^{[14] [15]}

Comunicación por radio

En los sistemas de comunicación por radio , la información se transporta a través del espacio utilizando ondas de radio. En el extremo emisor, la información que se va a enviar, en forma de una señal eléctrica que varía en el tiempo, se aplica a un transmisor de radio . ^[16] La información, llamada señal de modulación , puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de vídeo que representa imágenes en movimiento de una cámara de vídeo o una señal digital que representa datos de una computadora . En el transmisor, un oscilador electrónico genera una corriente alterna que oscila a una frecuencia de radio , llamada onda portadora porque crea las ondas de radio que "transportan" la información a través del aire. La señal de información se utiliza para modular la portadora, alterando algún aspecto de ella, codificando la información en la portadora. La portadora modulada se amplifica y se aplica a una antena . La corriente oscilante empuja los electrones en la antena de un lado a otro, creando campos eléctricos y magnéticos oscilantes , que irradian la energía lejos de la antena como ondas de radio. Las ondas de radio llevan la información a la ubicación del receptor.

En el receptor, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio entrante empujan los electrones en la antena receptora de un lado a otro, creando un pequeño voltaje oscilante que es una réplica más débil de la corriente en la antena transmisora. ^[16] Este voltaje se aplica al receptor de radio , que extrae la señal de información. El receptor primero utiliza un filtro de paso de banda para separar la señal de radio de la estación de radio deseada de todas las demás señales de radio captadas por la antena, luego amplifica la señal para que sea más fuerte y finalmente extrae la señal de modulación portadora de información en un demodulador . La señal recuperada se envía a un altavoz o auricular para producir sonido, o a una pantalla de televisión para producir una imagen visible, u otros dispositivos. Una señal de datos digitales se aplica a una computadora o microprocesador , que interactúa con un usuario humano.

Las ondas de radio de muchos transmisores pasan por el aire simultáneamente sin interferirse entre sí. Pueden separarse en el receptor porque las ondas de radio de cada transmisor oscilan a una velocidad diferente, en otras palabras, cada transmisor tiene una frecuencia diferente , medida en kilohercios (kHz), megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). El filtro de paso de banda en el receptor consta de uno o más circuitos sintonizados que actúan como un resonador , de manera similar a un diapasón . ^[16] El circuito sintonizado tiene una frecuencia de resonancia natural en la que oscila. La frecuencia de resonancia se establece igual a la frecuencia de la estación de radio deseada. La señal de radio oscilante de la estación deseada hace que el circuito sintonizado oscile en simpatía y pasa la señal al resto del receptor. Las señales de radio en otras frecuencias son bloqueadas por el circuito sintonizado y no se transmiten.

Efectos biológicos y ambientales

Las ondas de radio son radiaciones no ionizantes , lo que significa que no tienen suficiente energía para separar electrones de átomos o moléculas , ionizándolos , o romper enlaces químicos , provocando reacciones químicas o daños en el ADN . El principal efecto de la absorción de ondas de radio por los materiales es calentarlos, de forma similar a las ondas infrarrojas irradiadas por fuentes de calor como un calentador de ambiente o fuego de leña. El campo eléctrico oscilante de la onda hace que las moléculas polares vibren de un lado a otro, aumentando la temperatura; así es como un horno microondas cocina los alimentos. Las ondas de radio se han aplicado al cuerpo durante 100 años en la terapia médica de diatermia para el calentamiento profundo del tejido corporal, para promover el aumento del flujo sanguíneo y la curación. Más recientemente se han utilizado para crear temperaturas más altas en la terapia de hipertermia y para matar células cancerosas.

Sin embargo, a diferencia de las ondas infrarrojas, que se absorben principalmente en la superficie de los objetos y provocan su calentamiento, las ondas de radio pueden penetrar la superficie y depositar su energía en el interior de los materiales y tejidos biológicos. La profundidad a la que penetran las ondas de radio disminuye con su frecuencia y también depende de la resistividad y permitividad del material ; viene dada por un parámetro llamado profundidad superficial del material, que es la profundidad en la que se deposita el 63% de la energía. Por ejemplo, las ondas de radio de 2,45 GHz (microondas) en un horno microondas penetran en la mayoría de los alimentos aproximadamente de 2,5 a 3,8 cm.

Símbolo de ondas de radio

Mirar a una fuente de ondas de radio a corta distancia, como la guía de ondas de un transmisor de radio en funcionamiento, puede causar daños en el cristalino del ojo por calentamiento. Un haz de ondas de radio lo suficientemente fuerte puede penetrar el ojo y calentar el cristalino lo suficiente como para causar cataratas . ^{[17] [18] [19] [20] [21]}

Dado que el efecto de calentamiento no es en principio diferente del de otras fuentes de calor, la mayoría de las investigaciones sobre los posibles riesgos para la salud derivados de la exposición a las ondas de radio se han centrado en los efectos "no térmicos"; es decir, si las ondas de radio tienen algún efecto sobre los tejidos además del causado por el calentamiento. La Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) ha clasificado los campos electromagnéticos de radiofrecuencia como aquellos con "evidencia limitada" de sus efectos sobre los seres humanos y los animales. ^{[22] [23]} Hay pruebas mecanicistas débiles de riesgo de cáncer a través de la exposición personal a los campos electromagnéticos de radiofrecuencia de los teléfonos móviles. ^[24]

Las ondas de radio se pueden proteger con una lámina o pantalla metálica conductora; un recinto de lámina o pantalla se denomina jaula de Faraday . Una pantalla metálica protege contra las ondas de radio tanto como una lámina sólida, siempre que los orificios de la pantalla sean más pequeños que aproximadamente 1 ⁄ 20 de la longitud de onda de las ondas. ^[25]

Medición

Dado que la radiación de radiofrecuencia tiene un componente eléctrico y uno magnético, suele ser conveniente expresar la intensidad del campo de radiación en términos de unidades específicas para cada componente. La unidad voltios por metro (V/m) se utiliza para el componente eléctrico y la unidad amperios por metro (A/m) se utiliza para el componente magnético. Se puede hablar de un campo electromagnético y estas unidades se utilizan para proporcionar información sobre los niveles de intensidad del campo eléctrico y magnético en un lugar de medición.

Otra unidad comúnmente utilizada para caracterizar un campo electromagnético de RF es la densidad de potencia . La densidad de potencia se utiliza con mayor precisión cuando el punto de medición está lo suficientemente alejado del emisor de RF como para ubicarse en lo que se conoce como la zona de campo lejano del patrón de radiación. ^[26] En una proximidad más cercana al transmisor, es decir, en la zona de "campo cercano", las relaciones físicas entre los componentes eléctricos y magnéticos del campo pueden ser complejas, y es mejor utilizar las unidades de intensidad de campo analizadas anteriormente. La densidad de potencia se mide en términos de potencia por unidad de área, por ejemplo, con la unidad milivatio por centímetro cuadrado (mW/cm ² ). Cuando se habla de frecuencias en el rango de microondas y superiores, la densidad de potencia se utiliza generalmente para expresar la intensidad, ya que las exposiciones que podrían ocurrir probablemente estarían en la zona de campo lejano.

Véase también

• Radioastronomía
• Transmisor de televisión

Referencias

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Enlaces externos

• "Ondas de radio". Dirección de Misiones Científicas. NASA .