Onda de radio

Tipo de radiación electromagnética

Animación de una antena dipolo de media onda que irradia ondas de radio y muestra las líneas del campo eléctrico . La antena en el centro son 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 alternativamente positiva (+) y negativa (-). Los bucles de campo eléctrico salen de la antena y se alejan a la velocidad de la luz ; Estas son las ondas de radio. En esta animación la acción se muestra tremendamente ralentizada.

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética con las longitudes de onda más largas del espectro electromagnético , típicamente con frecuencias de 300 gigahercios ( GHz ) e inferiores. ^[1] A 300 GHz, la longitud de onda correspondiente es 1 mm, que es más corta que el diámetro de un grano de arroz. A 30 Hz, la longitud de onda correspondiente es de ~10.000 kilómetros (6.200 millas), que es más larga que el radio de la Tierra. La longitud de onda de una onda de radio es inversamente proporcional a su frecuencia, porque su velocidad es constante. 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 sufren aceleración , como las corrientes eléctricas que varían 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 calientes.

Las ondas de radio se generan artificialmente mediante un dispositivo electrónico llamado transmisor , que está conectado a una antena que irradia las ondas. Son recibidos 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 comunicaciones por radio fijas y móviles , radiodifusión , sistemas de radar y radionavegación , satélites de comunicaciones , redes informáticas inalámbricas y muchas otras aplicaciones. Diferentes frecuencias de 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 curvan o difractan muy poco y viajan una línea de visión , por lo que sus distancias de propagación se limitan al horizonte visual.

Para evitar interferencias entre diferentes usuarios, la generación artificial y el uso de ondas de radio está estrictamente regulado por 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" . , propagado en el espacio sin guía artificial". ^[3] El espectro radioeléctrico se divide en varias bandas de radio en función de la frecuencia, asignadas a diferentes usos.

Diagrama de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) de las ondas de radio emitidas por una antena transmisora ​​de radio monopolo (pequeña línea vertical oscura en el centro). Los campos E y H son perpendiculares, como lo implica el diagrama de fases en la parte inferior derecha.

Descubrimiento y explotación

Las ondas de radio fueron predichas por primera vez mediante la teoría del electromagnetismo propuesta en 1867 por el físico matemático escocés James Clerk Maxwell . ^[4] Su teoría matemática, ahora llamada ecuaciones de Maxwell , predijo que un campo eléctrico y magnético acoplados podría viajar a través del espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz estaba formada por ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta. En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz demostró la realidad de las ondas electromagnéticas de Maxwell generando experimentalmente ondas de radio en su laboratorio, ^[5] demostrando 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 en 1909 por su trabajo en radio. Las comunicaciones por radio comenzaron a utilizarse comercialmente alrededor de 1900. El término moderno " onda de radio " reemplazó el 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 empuja los electrones en las varillas hacia adelante y hacia atrás, cargando los extremos alternativamente positivos (+) y negativos (-) . 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 , representada por una 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 irradiadas 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 terrestre, y las fuentes de radio astronómicas en el espacio como el Sol, las galaxias y las nebulosas. Todos los objetos calientes irradian ondas de radio de alta frecuencia ( microondas ) como parte de la radiación de su cuerpo negro .

Las ondas de radio se producen artificialmente mediante corrientes eléctricas que varían en el tiempo y consisten en electrones que fluyen hacia adelante y hacia atrás en un conductor metálico de forma especial llamado antena . Un dispositivo electrónico llamado transmisor de radio aplica una corriente eléctrica oscilante a la antena y la antena irradia energía en forma de ondas de radio. Las ondas de radio se reciben mediante otra antena conectada a un receptor de radio . Cuando las ondas de radio golpean la antena receptora, empujan los electrones del metal hacia adelante y hacia atrás, 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 . ^[6] En una antena que transmite ondas de radio, los electrones de 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 . ^{[7] [6]} Sin embargo, según la relación de Planck, la energía de los fotones de radio individuales es extremadamente pequeña, ^[6] de 10 ⁻²² a 10 ⁻³⁰ julios . Así, incluso la antena de un transmisor de muy baja potencia emite enormes cantidades de fotones por segundo. Por lo tanto, a excepción de ciertos procesos de transición de electrones moleculares, como los átomos de un máser que emiten fotones de microondas, la emisión y absorción de ondas de radio suele considerarse 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 . ^{[8] [9]} Al pasar a través de un medio material, se ralentizan dependiendo de la permeabilidad y permitividad del medio . El aire es tan fino que en la atmósfera terrestre las ondas de radio viajan muy cerca de la velocidad de la luz. ${\displaystyle c}$

La longitud de onda es la distancia desde un pico (cresta) del campo eléctrico de la onda al siguiente, y es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. La relación entre frecuencia y 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

${\displaystyle c\approx 299.79\times 10^{6}{\text{ m/s}}~.}$

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 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 plana tiene un campo eléctrico que oscila en un plano a lo largo de la dirección del movimiento. En una onda de radio polarizada horizontalmente, el campo eléctrico oscila en dirección horizontal. En una onda polarizada verticalmente, el campo eléctrico oscila en dirección vertical. En una onda polarizada circularmente, el campo eléctrico en cualquier punto gira alrededor de la dirección de viaje, una vez por ciclo. Una onda polarizada circularmente a la derecha gira en el sentido derecho respecto de la dirección de viaje, mientras que una onda polarizada circularmente a la izquierda gira en el sentido opuesto. El campo magnético de la onda es perpendicular al campo eléctrico, y el campo eléctrico y magnético están orientados en el sentido derecho 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 horizontales irradia ondas de radio polarizadas horizontalmente, mientras que si las varillas son verticales irradia 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 de cuerpos negros de objetos calientes, 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 de la mecánica cuántica de los fotones llamada espín . Un fotón puede tener uno de dos posibles valores de espín; puede girar en el sentido de la derecha respecto de su dirección de movimiento, o en el sentido de la izquierda. Las ondas de radio polarizadas circularmente a la derecha consisten en fotones que giran en el sentido de la derecha. Las ondas de radio polarizadas circularmente a la izquierda consisten en fotones que giran en el 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 para las comunicaciones que otras ondas electromagnéticas, principalmente debido a sus deseables propiedades de propagación , derivadas de su gran longitud de onda . ^[10] Las ondas de radio tienen la capacidad de atravesar la atmósfera en cualquier clima, follaje y la mayoría de los materiales de construcción, y por difracción , las longitudes de onda más largas pueden doblarse alrededor de las 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 , cómo se mueven las ondas de radio en el espacio libre y sobre la superficie de la Tierra, es de vital importancia en el diseño de sistemas de radio prácticos. Las ondas de radio que pasan a través de diferentes entornos experimentan reflexión , refracción , polarización , difracción y absorción . Diferentes frecuencias experimentan diferentes combinaciones de estos fenómenos en la atmósfera terrestre, lo que hace que ciertas bandas de radio sean más útiles para propósitos específicos que otras. Los sistemas de radio prácticos utilizan principalmente tres técnicas diferentes de propagación de radio para comunicarse: ^[11]

• Línea de visión : Se refiere a ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora ​​hasta la antena receptora. No necesariamente requiere un camino de visión despejado; en 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 millas). Este es el método utilizado por los teléfonos móviles , la FM , la televisión y los radares . Mediante el uso de antenas parabólicas para transmitir haces de microondas, los enlaces de retransmisión de microondas punto a puntotransmiten señales de teléfono y televisión a largas distancias hasta el horizonte visual. Las estaciones terrestres pueden comunicarse con satélites y naves espaciales a miles de millones de kilómetros de la Tierra.
  • Propagación indirecta : las ondas de radio pueden alcanzar puntos más allá de la línea de visión mediante difracción y reflexión . ^[11] La difracción hace que las ondas de radio se doblen 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, suelos, 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 . Una desventaja 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 , provocando a menudo desvanecimientos y otros problemas de recepción.
• Ondas terrestres : en frecuencias más bajas, por debajo de 2 MHz, en las bandas de onda media y 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 radiodifusión de onda media y larga tengan áreas de cobertura más allá del horizonte, hasta cientos de millas. A medida que disminuye la frecuencia, las pérdidas disminuyen y el alcance alcanzable aumenta. Los sistemas de comunicación militares de muy baja frecuencia (VLF) y de 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 hasta cientos de metros de profundidad, por lo que se utilizan para comunicarse con submarinos sumergidos .
• Ondas celestes : en longitudes de onda de onda media y onda 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 ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte; esto se llama propagación "saltada" o "onda celeste". Mediante el uso de múltiples saltos se puede lograr comunicación a distancias intercontinentales. La propagación de las ondas ionosféricas es variable y depende de las condiciones atmosféricas; es más fiable durante la noche y en invierno. Ampliamente utilizado durante la primera mitad del siglo XX, debido a su falta de fiabilidad, la comunicación por ondas celestes se ha abandonado en su mayor parte. Los usos restantes son los sistemas de radar militares sobre el horizonte (OTH) , algunos sistemas automatizados, los radioaficionados y las estaciones de radiodifusión de onda corta para transmitir a otros países.

En las frecuencias de microondas , los gases atmosféricos comienzan a absorber ondas de radio, por lo que el alcance de los sistemas prácticos de comunicación por radio disminuye al aumentar la frecuencia. Por debajo de unos 20 GHz, la atenuación atmosférica se debe principalmente al vapor de agua. Por encima de 20 GHz, en la banda de ondas milimétricas , otros gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas, limitando las distancias prácticas de transmisión a un kilómetro o menos. Por encima de 300 GHz, en la banda de terahercios , prácticamente toda la energía se absorbe en unos pocos metros, por lo que la atmósfera es efectivamente opaca. ^{[12] [13]}

Comunicación por radio

En los sistemas de comunicación por radio , la información se transporta a través del espacio mediante ondas de radio. En el extremo emisor, la información a enviar, en forma de una señal eléctrica variable en el tiempo, se aplica a un transmisor de radio . ^[14] La información, llamada señal de modulación , puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de video que representa imágenes en movimiento de una cámara de video o una señal digital que representa datos de una computadora . En el transmisor, un oscilador electrónico genera una corriente alterna que oscila a una radiofrecuencia , 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 la misma, codificando la información en la portadora. La portadora modulada se amplifica y se aplica a una antena . La corriente oscilante empuja los electrones de la antena hacia adelante y hacia atrás, creando campos eléctricos y magnéticos oscilantes , que irradian la energía desde la antena en forma de ondas de radio. Las ondas de radio transportan la información hasta la ubicación del receptor.

En el receptor, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio entrante empujan los electrones de la antena receptora hacia adelante y hacia atrás, creando un pequeño voltaje oscilante que es una réplica más débil de la corriente en la antena transmisora. ^[14] 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 que contiene 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. Se aplica una señal de datos digitales a una computadora o microprocesador , que interactúa con un usuario humano.

Las ondas de radio de muchos transmisores atraviesan el aire simultáneamente sin interferir entre sí. Se pueden separar en el receptor porque las ondas de radio de cada transmisor oscilan a una velocidad diferente, es decir 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 . ^[14] El circuito sintonizado tiene una frecuencia de resonancia natural a 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 los electrones de los átomos o moléculas , ionizándolos , ni 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 manera similar a las ondas infrarrojas irradiadas por fuentes de calor como un calentador o un fuego de leña. El campo eléctrico oscilante de la onda hace que las moléculas polares vibren hacia adelante y hacia atrás, aumentando la temperatura; Así es como se cocinan los alimentos en un horno microondas . Las ondas de radio se han aplicado al cuerpo durante 100 años en la terapia médica de diatermia para calentar profundamente el tejido corporal, promover un mayor 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 el calentamiento de la superficie, las ondas de radio pueden penetrar la superficie y depositar su energía en el interior de 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 dado por un parámetro llamado profundidad de la piel del material, que es la profundidad dentro de la cual se deposita el 63% de la energía. Por ejemplo, las ondas de radio (microondas) de 2,45 GHz de un horno microondas penetran la mayoría de los alimentos aproximadamente entre 2,5 y 3,8 cm (1 a 1,5 pulgadas).

Mirar una fuente de ondas de radio a corta distancia, como la guía de ondas de un transmisor de radio en funcionamiento, puede dañar el cristalino del ojo debido al calentamiento. Un haz de ondas de radio lo suficientemente potente puede penetrar el ojo y calentar el cristalino lo suficiente como para provocar cataratas . ^{[15] [16] [17] [18] [19]} Sin embargo, dado que el efecto de calentamiento no es, en principio, diferente de otras fuentes de calor, la mayoría de las investigaciones sobre los posibles riesgos para la salud derivados de la exposición a ondas de radio se han centrado en los efectos "no térmicos". ; si las ondas de radio tienen algún efecto sobre los tejidos además del causado por el calentamiento. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) ha clasificado los campos electromagnéticos de radiofrecuencia como de "evidencia limitada" de sus efectos en humanos y animales. ^{[20] [21]} Existe evidencia mecanicista débil del riesgo de cáncer a través de la exposición personal a RF-EMF de teléfonos móviles. ^[22]

Las ondas de radio pueden protegerse mediante una lámina o pantalla de metal conductora; un recinto de lámina o pantalla se llama jaula de Faraday . Una pantalla de metal protege contra las ondas de radio, al igual que 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. ^[23]

Medición

Dado que la radiación de radiofrecuencia tiene un componente tanto eléctrico como magnético, suele ser conveniente expresar la intensidad del campo de radiación en términos de unidades específicas de cada componente. La unidad de voltios por metro (V/m) se utiliza para el componente eléctrico y la unidad de amperios por metro (A/m) para el componente magnético. Se puede hablar de 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 lejos del emisor de RF como para ubicarse en lo que se conoce como la zona de campo lejano del patrón de radiación. ^[24] 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, milivatios por centímetro cuadrado (mW/cm ² ). Cuando se habla de frecuencias en el rango de microondas y superiores, la densidad de potencia generalmente se usa para expresar la intensidad, ya que las exposiciones que podrían ocurrir probablemente estarían en la zona del campo lejano.

Ver también

• Astronomía radial
• Transmisor de televisión

Referencias

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enlaces externos

• "Ondas de radio". Dirección de Misión Científica. NASA .