Microondas FÍS.

Categoria:

Física

Se denomina así la porción del espectro electromagnético que cubre las frecuencias entre aproximadamente 3 GHz y 300 GHz (1 GHz=109 Hz), que corresponde a longitudes de onda en vacío entre 10 cm. y 1 mm.

La propiedad fundamental que caracteriza a este rango de frecuencias (v. ONDAS) es que las longitudes de onda correspondientes son comparables a las dimensiones físicas de los sistemas de laboratorio; debido a esta peculiaridad, las m. exigen un tratamiento particular que no es extrapolable de ninguno de los métodos de trabajo utilizados en los márgenes de frecuencias con que limita. Estos dos límites lo constituyen la radiofrecuencia y el infrarrojo lejano. En radiofrecuencia son útiles los conceptos de circuitos con parámetros localizados, debido a que, en general, las longitudes de onda son mucho mayores que las dimensiones de los dispositivos, pudiendo hablarse así de autoinducciones, capacidades, resistencias, etc., debido a que no es preciso tener en cuenta la propagación efectiva de la onda en dichos elementos; por el contrario, a frecuencias superiores a las de m. son aplicables los métodos de tipo "óptico", debido a que las longitudes de onda comienzan a ser despreciables frente a las dimensiones de los dispositivos.

El método -de análisis más general y ampliamente utilizado en m. consiste en la utilización del campo electromagnético caracterizado por los vectores E y B (y D y H en presencia de medios materiales), teniendo en cuenta las ecuaciones de Maxwell (v.), que rigen su comportamiento y las condiciones de contorno a que estén sometidos; como los contornos metálicos son muy frecuentes a estas frecuencias, cabe destacar que, p. ej., el campo E es normal y el campo H es tangencial en las proximidades externas de un conductor.

No obstante, en los márgenes extremos de las m. se utilizan frecuentemente los métodos de análisis correspondientes al rango contiguo del espectro; así, a frecuencias elevadas de m. son útiles los conceptos de "rayo", "lente", etc., ampliamente utilizados en óptica, sobre todo cuando la propagación es transversal electromagnética (TEM, E y B perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación) en el espacio libre. Por otro lado, a frecuencias bajas de m., colindantes con las radiofrecuencias, es útil la teoría de circuitos con parámetros distribuidos, en la que se toma en cuenta la propagación efectiva que va a tener la onda en un elemento cualquiera. Así, un trozo de cable metálico, que en baja frecuencia representa simplemente un cortocircuito que sirve para efectuar un conexionado entre elementos, dejando equipotenciales los puntos que une, a alta frecuencia representa un sistema cuya resistencia, por efecto pelicular, puede no ser despreciable y cuya autoinducción puede causar una impedancia que sea preciso tomar en cuenta. Entonces es preciso representar este cable a través de su impedancia (resistencia y autoinducción) por unidad de longitud.

También en la parte de instrumentación experimental, generación y trasmisión de m., éstas tienen peculiaridades propias que obligan a utilizar dispositivos con características diferentes a los de los rangos de frecuencias vecinos. Respecto a los dispositivos utilizados a baja frecuencia, es inmediato ver que poseen unas limitaciones que impiden su funcionamiento a frecuencias de m., como a continuación esquematizamos.

Las líneas de trasmisión de baja frecuencia son usualmente "abiertas", con lo cual, si se intentan utilizar a frecuencias elevadas, automáticamente surgen problemas de radiación de la energía electromagnética; para superar este inconveniente es preciso confinar los campos electromagnéticos, lo que normalmente se efectúa por medio de contornos metálicos; así, los sistemas de trasmisión usuales a m. son, o bien líneas coaxiales, o bien, en general, guías de onda constituidas por conductores huecos o tuberías. En este sentido es ilustrativo ver la evolución de un circuito resonante LC paralelo de baja frecuencia hacia una cavidad resonante, que es el circuito equivalente en m. Como a alta frecuencia las inductancias y capacidades (V. ELECTROSTÁTICA; INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA) cobran gran importancia, por pequeñas que sean, un circuito resonante para frecuencias "relativamente altas" puede ser sencillamente dos placas paralelas y una espira uniendo ambas placas; si para reducir aún más la inductancia se ponen varias espiras en paralelo, se llega a obtener una región completamente cerrada por paredes conductoras cuya sección puede verse en la fig. 1.

La energía electromagnética sólo puede almacenarse en una cavidad a frecuencias próximas a las denominadas de resonancia de la misma, las cuales dependen fundamentalmente de su geometría; los campos interiores penetran sólo en una capa delgada de las paredes metálicas, siendo el espesor 8, de esta capa, denominada profundidad de penetración, dependiente de la frecuencia y de la conductividad del material que constituya a la cavidad a través de la expresión 8=,12/Wgu, donde tú, I, y o- son respectivamente la frecuencia de la onda, la permeabilidad magnética y conductividad del material (V. ELÉCTRICA, CONDUCCIÓN; ELECTROMAGNETISMO). Así, para los siguientes metales: aluminio, oro, cobre y plata, los valores de 8 a 3 GHz son respectivamente 1,6, 1,4, 1,2 y 1,2 g. De esta forma es fácil comprender que la energía disipada en las cavidades, si éstas están hechas por buenos conductores, es pequeña, con lo cual las Q, o factores de mérito de las cavidades resonantes -Q=2ar (energía almacenada) /(energía disipada por ciclo)-, suelen estar en el orden de 1W, pudiendo alcanzar valores mucho máselevados. Por otra parte, el pequeño valor de a permite fabricar guías de excelente calidad con un simple recubrimiento interior de material buen conductor (plateado o dorado).

La utilización en m. de las válvulas de vacío convencionales, como amplificadores u osciladores, está limitada, por una parte, por el tiempo de tránsito de los electrones en el interior de la válvula y, por otra, por las inductancias y capacidades aspciadas al cableado y electrodos de la misma. El tiempo de tránsito al hacerse comparable con el periodo de las oscilaciones, da lugar a que exista un desfase entre el campo y las oscilaciones de los electrones; esto implica un consumo de energía que disminuye la impedancia de entrada de la válvula, aunque su rejilla, polarizada negativamente, no capte electrones. Las inductancias y capacidades pasásitas causan efectos de resonancia y acople interelectródico que también conducen a una limitación obvia.

Son muchas las modificaciones sugeridas y utilizadas para superar estos inconvenientes, basándose en los mismos principios de funcionamiento, pero, a frecuencias ya de lleno en el rango de las m., tanto los circuitos de válvulas como los de semiconductores trabajan según una concepción completamente diferente a los correspondientes de baja frecuencia.

Generación de microondas. Quizá fue el Magnetrón, como generador de m. de alta potencia, el dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las m., al abrir paso a la utilización de sistemas de radar durante la II Guerra mundial; sin embargo, fueron los klystróns los que dieron una mayor versatilidad de utilización de las m., sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo además una mejor comprensión de los fenómenos que tienen lugar en los tubos de m. El principio básicó de funcionamiento de estos generadores es la modulación en velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de m. deseada. El estudio de los klystróns obligó a un amplio desarrollo del de los fenómenos de carga espacial, para la interpretación de la operación de los tubos de "velocidad modulada".

Sin embargo, fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de Onda Progresiva (TWT, Travelling-Wave Tube; siglas internacionalmente utilizadas para la denominación de esta clase de tubos), las que dieron lugar a una mejor comprensión de los fenómenos que tienen lugar en haces electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas electromecánicas que, convenientemente acopladas con las ondas electromagnéticas, daban lugar a amplificación o generación de m. Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la velocidad de fase de la onda electromagnética, lo cual se hace mediante estructuras periódicas de entre las cuales la más utilizada es la hélice; de esta forma es posible mantener una interacción continuada entre la onda electromagnética y el haz electrónico, modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que va cediendo su energía, digamos cinética, a la onda electromagnética. Posteriormente también se desarrolló el tubo de onda regresiva (BWO, BackwardWave Oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecía, además, una mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico.

Los dispositivos anteriores se basaban en la conversión de energía de continua en la energía de m., mientras que los amplificadores paramétricos (v. AMPLIFICADOR, 8) utilizan como fuente de energía una de alterna que convierten, por un procedimiento de mezcla, en la de alta frecuencia deseada. En lugar de utilizar como elemen. to no lineal de mezclado un elemento resistivo, utilizan un elemento reactivo, como puede ser un diodo de capacidad variable, y de aquí el bajo nivel de ruido que se puede lograr. Un fundamento análogo tienen los amplificadores cuánticos masers (v. MASER). Son estos amplificadores de bajo nivel de ruido los que han abierto un gran campo de operación en radioastronomía, así como en las comunicaciones intercontinentales vía satélite, etc.

Un problema concerniente al desarrollo de las m. lo ha constituido hasta ahora el precio elevado de los generadores; ha sido el descubrimiento de los osciladores a semiconductores el que ha abaratado, y va camino de hacerlo aún más, dichos generadores, con el cual el campo de aplicaciones de las m. está creciendo a un nivel tal que impide predecir las repercusiones futuras, que pueden ser incluso negativas, como posteriormente analizaremos. Estos dispositivos también tienen una concepción diferente a los usuales de baja frecuencia pudiendo resumir la diferencia esencial en que en los de baja frecuencia los electrones del semiconductor son "tibios", en el sentido de que sus energías no difieren grandemente de la de la red del material, mientras que en los de m. los electrones son "calientes", con energías, adquiridas de campos eléctricos elevados, que pueden ser muy superiores a la de la red. Es esta energía la que se transfiere posteriormente a energía de m. El primero de estos dispositivos se basó en el denominado efecto Gúnn que se presenta en semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio -material en el que fue inicialmente detectado-, y desde entonces se han descrito muchos dispositivos, algunos basados en fenómenos volúmicos en el semiconductor, como los Gúnn, y otros en fenómenos que tienen lugar en uniones de semiconductores.

Trasmisión de microondas. Un sistema en el que se utilizan localmente las m. constará fundamentalmente de un generador y de un medio de trasmisión de la onda hasta la carga; en caso contrarip, tendremos necesidad de un sistema emisor y otro receptor, estando.el emisor compuesto por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será otra antena, medio de trasmisión y detector adecuado. Además de estos elementos existirán otras componentes como pueden ser atenuadores, desfasadores, frecuencímetros, medidores de onda estacionaria, etc.; nosotros nos vamos a circunscribir fundamentalmente a la guía de onda, como elemento fundamental de trasmisión a estas frecuencias.

Como ya se ha citado, la guía de onda es en esencia una tubería metálica, a través de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente atenuación, dependiendo ésta del material de que la misma está fabricada; así, a una frecuencia determinada, y para una geometría concreta, la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material.

A diferencia de lo que ocurre en el medio libre, en el que el haz de ondas electromagnéticas es más o menos divergente y sus campos son transversales electromagnéticos (ondas TEM, ya citadas), en una guía el campo está confinado en su interior, evitándose la radiación hacia el exterior, y sus campos no pueden ser ya TEM sino que han de sor necesariamente del tipo TE (campo Eléctrico Transversal a la dirección de propagación), o bien TM (campo Magnético Transversal) o bien híbridos, es decir, mezcla de TE y TM.

La configuración de los campos depende, en general,de la geometría, tipo de excitación de la guía y frecuencia, ocurriendo además que ciertas configuraciones de campo, denominadas modos, sólo son posibles a frecuencias superiores a una determinada, denominada frecuencia de corte, existiendo un modo de propagación de dichos campos, el modo fundamental, que posee la frecuencia de corte mínima. Por debajo de esta frecuencia la guía no propaga la energía electromagnética.

Para estudiar el problema de propagación relativo a una geometría dada, el procedimiento a seguir es resolver la ecuación de ondas, sujeta a cumplir las condiciones de contorno adecuadas en las paredes de la guía. Entre los tipos de guías de onda, la geometría más utilizada es la de sección rectangular, como la que se muestra en la fig. 2.

Los modos TE y TM en esta estructura forman un conjunto ortonormal completo y, por tanto, cualquier otro tipo de distribución de campo se puede obtener a partir de los anteriores. Concretando en los modos TE, éstos tienen campos EX, Ey y Hx, Hy, HZ. Para la guía representada en la fig. 2, el campo Ex, p. ej., tiene una expresión de la forma(Ex)mn=Eo.cos ( b ma x sen na y ) .exp i(wt-/3z) adonde Eo, w y ¡3 son, respectivamente, la amplitud, frecuencia y constante de propagación del campo, m y n son números enteros positivos, de forma que cada par de valores da lugar a una configuración distinta de campos, constituyendo así el conjunto de modos TE. Las restantes componentes del campo poseen expresiones similares, cumpliendo todas ellas las condiciones de contorno; así, p. ej., el campo Ex es nulo en y=0, a. Estas expresiones de los campos satisfacen la ecuación de onda si además se cumple la siguiente relación de dispersión:2c -k2=R2+ k,2donde k es la constante de propagación en el medio libre, que coincide con w/c, siendo c la velocidad de la luz en el medio que llena la guía y k, la constante de corte que depende del modo de propagación y de las dimensiones de la guía:( M,k`2b aI2+ n ). En el caso de una guía sin pérdidas /3 es real si k>k,e imaginario puro sik,=c-kctal que, por debajo de ella, no existe propagación, es decir, la onda se atenúa, y por encima de ella existe propagación.

En el caso de que a ] b, el modo fundamental, es decir, el de menor frecuencia de corte, es el TE0,, al cual corresponde una constante de cortea(kJoi ~aPor otro lado, al tener el modo siguiente una frecuencia de corte superior, entre las dos frecuencias de corte sólo se propagará el modo fundamental; las guías standard se diseñan entonces teniendo en cuenta estas consideraciones. En la tabla de columna siguiente (v. t. fig. 3) se dan los intervalos de frecuencia y dimensiones transversales de la guía, para las bandas de m. más usuales.

Como ya hemos dicho, cuando la trasmisión de m. ha de hacerse a larga distancia, esta trasmisión se suele efectuar por el medio libre emitiendo el haz de m. por medio de una antena, a la que, debido a la pequeña longitud de onda de la radiación, puede dársele una mayor directividad que a las de radiofrecuencia; de esta forma el rendimiento es mayor y se puede emitir empleando menor potencia. También, a diferencia de lo que ocurre en baja frecuencia, la m. viaja prácticamente en línea recta, con lo cual, para evitar el límite impuesto por la curvatura de la tierra, es preciso poner a distancias intermedias "reflectores" que redirijan y/o remitan el haz, pensando así las atenuaciones, por encima o alrededor de los obstáculos que existan; en enlaces intercontinentales, se utilizan satélites que reemiten la onda en la dirección apropiada. Por otro lado, las m. son ideales para sistemas de comunicación donde se precise una banda ancha de frecuencias, del orden de l-MHz para la trasmisión de señales con gran contenido de información, tal como ocurre en televisión o trasmisión de información codificada. Estos sistemas pueden también acomodar millares de canales telefónicos.

Aplicaciones de las microondas. Sin duda podemos decir que el campo más valioso de aplicación de las m. es el ya mencionado de las comunicaciones, desde las que pudiéramos denominar privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta llegar a las extraterrestres. En este terreno, las m. actúan generalmente como portadoras de información, mediante una modulación o codificación apropiada.

En los sistemas de radar, cabe citar desde los empleados en armamento y navegación, hasta los utilizados en sistemas de alarma; estos últimos sistemas suelen también basarse en efecto Doppler o en cambios que sufre la razón de onda estacionaria (SWR) de una antena, pudiendo incluso reconocerse la naturaleza del elemento de alarma. Sistemas combinados Doppler-Radar se utilizan ya para apertura automática de puertas, medida de velocidad de vehículos, etc.

Otro gran campo de aplicaciones es el que pudiéramos denominar científico. En radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencias comprendidas entre 10 MHz y 10 GHz pueden atravesar el filtro impuesto por la atmósfera y llegar hasta nosotros. Entre estas radiaciones están algunas de tipo espectral, como la línea de 1420 MHz del hidrógeno y de 1665-7 MHz del radical OH, y otras de tipo continuo debidas a radiación térmica, emisión giromagnética, sincrotrónica, etc. La detección de estas radiaciones permite obtener información de la dinámica y constitución del universo. En el estudio de los materiales (eléctricos, magnéticos, plasmas) las m. se pueden utilizar bien para la determinación de parámetros macroscópicos, como son la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética, bien para el estudio directa de la estructura molecular de la materia mediante técnicas espectroscópicas y de resonancia.

En el campo médico y biológico se utilizan las m. para la observación de cambios fisiológicos significativos de parámetros de los sistemas circulatorio y respiratorio.

Es imposible hacer una enumeración exhaustiva de aplicaciones que, aparte de las ya citadas, pueden ir desde la mera confección de juguetes hasta el control de procesos o funcionamiento de computadoras ultrarrápidas. Quizá el progreso futuro de las m. está en el desarrollo cada día mayor de los dispositivos a estado sólido, con los cuales se consigue una disminución en precio y tamaño que puede llegar a niveles insospechados; estos sistemas son la combinación de los generadores a semiconductores con las técnicas de circuitería integrada, fácilmente adaptables a la producción en masa.

Sin embargo, no todo son beneficios; un crecimiento incontrolado de la utilización de las m. puede dar lugar a problemas no sólo de congestión del espectro, interferencias, etc., sino también de salud humana; este último aspecto no está suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de que los índices de peligrosidad sean marcadamente diferentes de unos países a otros. Así, en Estados Unidos el índice de seguridad humano para exposición prolongada es 10 mW/cmz, mientras que en Rusia se considera no debe exceder de 0,01 mW/cmz, todo ello producto de la no coincidencia de los resultados descritos por los diferentes investigadores existentes en este campo. Este desconocimiento actual de los efectos biológicos de las m., juntamente con el incremento que se prevé de su utilización, ha conducido a que, por la Union Radio Scientifique Internationale (URSI) en su asamblea general en Varsovia (1972), se aconseje que "siempre que sea razonablemente posible se utilicen métodos de propagación apantallados, en lugar de los haces libres, para trasmisión de microondas".

V. t.: ANTENAS; MASER; ONDAS; RADIACIÓN; RADIOASTRONOMÍA; RESONANCIA; VÁLVULAS DE VACÍO.

M. RODRÍGUEZ VIDAL E. MARTÍN RODRÍGUEZ

BIBL.: J. D. JACKSON, Electrodinámica clásica, Madrid 1966; C. JOHNSON, Field and Waves Electrodynamics, Nueva York 1965; RIDENOUR (ed.), Radiation Laboratory Series (MIT), 28 vol. Nueva York 1947; R. F. SOOI-100, Microwave Electronics, Reading (Mass.) 1971; SUCHER Y Fox (ed.), Handbook of Microwave Measurements, 3 vol. Nueva York 1963