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