MICROONDAS Y FIBRA OPTICA

Introducción a las

microondas

Ms.C. EBERT SAN ROMAN

Introducción a las Microondas

1. Características y definición de las altas frecuencias.

2. Evolución histórica de las microondas.3. Bandas de frecuencia y aplicaciones.

Características y definición de altas frecuencias ¿Qué son las microondas? Las microondas corresponden a una región del espectro

radioeléctrico cuyos límites no están definidos de forma clara, especialmente el superior, ya que cambia continuamente como resultado de los avances tecnológicos.

Cada autor define un margen diferente de frecuencias:

Robert E. Collin: Frecuencia f : 300 MHz - 30 GHz, longitud de onda λ: 1 m - 1 cm (ondas centimétricas)

Otros autores consideran las microondas entre 1 GHz y 300 GHz.

Otros autores consideran microondas a las longitudes de onda del rango de las micras, por lo que las frecuencias de estas ondas electromagnéticas llegan hasta el infrarrojo y el espectro visible.

Mg. Ebert San Román Castillo

Características y definición de altas frecuencias.

Mg. Ebert San Román Castillo

Velocidad de Propagación

Velocidad de Propagación en el vacio

Longitud de onda

Características y definición de altas frecuencias La banda de longitudes de onda para este curso será desde

1 metro hasta

1 milímetro (1 THz ) µ = 0, 3 mm). Para entender y definir las microondas lo importante es

determinar las características de esta región del espectro que justifican un estudio, a primera vista, independiente del empleado en los circuitos de baja frecuencia:

En UHF (300 MHz - 3 GHz), hasta 1 GHz aproximadamente, los circuitos de comunicaciones se construyen empleando componentes circuitales de parámetros concentrados (TEORÍA DE CIRCUITOS DE BAJA FRECUENCIA).

De 1 GHz a 100 GHz los componentes se construyen mediante LÍNEAS DE TRANSMISIÓN y GUÍAS DE ONDA.

A partir de los 100 GHz se emplean otras soluciones, entre ellas ÓPTICA CLÁSICA.

Características y definiciones en altas frecuencias.

CARATERISTICAS DE MICROONDAS:

Construcción y diseño de sistemas portadores de información en el rango de 1GHz a 100 GHz.

Los elementos circuitales tienen dimensiones del mismo orden de magnitud que λ.

No existen fronteras claras:

Se dispone de bobinas de parámetros concentrados hasta 10 GHz y de reflectores parabólicos y lentes que enfocan microondas desde λ=1 m (300 MHz) a más.

Mg. Ebert San Román Castillo

Características y definiciones en altas frecuencias.

Mg. Ebert San Román Castillo

Características y definiciones en altas frecuencias.

Mg. Ebert San Román Castillo

Desfase de 360º

Desfase de 72º

Características y definiciones en altas frecuencias.

Características y definiciones en altas frecuencias.

Características y definiciones en altas frecuencias.

Mg. Ebert San Román Castillo

Características y definiciones en altas frecuencias.

Características y definiciones en altas frecuencias. EFECTO PELICULAR

σ → ∞ : conductor perfecto, los campos no penetran en su interior.

0 <σ < ∞ : los campos penetran pero su amplitud en el interior del conductor decrece de la forma

La profundidad de penetración δ (aproximación para buenos conductores):

Toda la potencia se localiza en una capa de una pocas δ’s de profundidad.

Características y definiciones en altas frecuencias. Se define la resistencia superficial de un conductor:

Rs disminuye cuando aumenta σ. Rs aumenta cuando disminuye δ, pero δ está relacionada con σ, por lo que al mejorar el conductor (disminuir δ), la mejora de Rs no es tan grande. A las frecuencias de microondas las corrientes tienden a fluir a lo largo de la superficie del conductor, por lo que la resistencia aumenta. Los ingenieros de microondas aprovechan este efecto revistiendo materiales poco conductores (latón, aluminio) con una capa de un grosor de varias δ’s de un buen conductor (plata, oro) para obtener a coste mínimo las propiedades de un buen conductor.

Características y definiciones en altas frecuencias.

Técnicas de medida

Características y definiciones en altas frecuencias. Radiación: pérdida de energía e interferencias

Las corrientes que circulan por los circuitos no apantallados cuyas dimensiones son comparables con λ, dan lugar a radiación.

Características y definiciones en altas frecuencias.

Conclusiones

Variación de la impedancia de los hilos de conexión, terminales, etc. Efectos de capacidades e inductancias parásitas. Radiación : pérdida de energía e interferencias La mayoría de los circuitos y componentes convencionales de baja

frecuencia son inadecuados para trabajar a frecuencias de microondas. Desde un punto de vista general se puede hacer la siguiente

clasificación:

• Resistencias: elementos que disipan energía.

• Bobinas: elementos que almacenan energía magnética.

• Condensadores: elementos que almacenan energía eléctrica.

Estos elementos se construyen de la manera adecuada para que, A UNA FRECUENCIA DADA, tengan las propiedades deseadas.

Evolución histórica de las microondas.

ELECTROMAGNETISMO Y NATURALEZA FÍSICA DE LA LUZ

1666: Isaac Newton (1642-1726) descubrió que la luz blanca era una mezcla de diversas componentes, cada una de ellas identificada por un color distinto. Newton llegó a la conclusión de que la luz estaba compuesta por diminutas partículas (corpúsculos). La teoría corpuscular de Newton no era capaz de explicar algunas de las propiedades de la luz:

¿Por qué se refractan de forma distinta las partículas de luz de diferentes colores?

¿Por qué dos rayos de luz que se cruzan no producen colisiones entre sus partículas?

Evolución histórica de las microondas.ELECTROMAGNETISMO Y NATURALEZA FÍSICA DE LA LUZ

1678: Christian Huygens (1629-1695) propuso la teoría ondulatoria de la luz, lo que permitía explicar los fenómenos de refracción y que los rayos de luz se cruzasen sin problemas. Sin embargo, la teoría ondulatoria no permitía explicar:

¿Por qué los rayos luminosos se mueven en línea recta? ¿Por qué se interponían los obstáculos sólidos en el camino de las

ondas luminosas, mientras que dejaban pasar otras ondas? Si la luz consistía en ondas, ¿cómo podía viajar la luz por el

vacío? Las dos teorías convivieron durante un siglo, siendo al final la

naturaleza ondulatoria de la luz la más aceptada comúnmente. Sin embargo, dado que los procesos ondulatorios conocidos en la época eran las ondulaciones de tipo mecánico (sonido, ondas en el agua, etc.), no se podía entender la propiedad de la luz de propagarse en el vacío.

En el intento de explicar la transmisión de ondas luminosas en el espacio, se propuso la existencia de un medio sólido que llenaba todo el espacio. Este medio debía ser rígido para poder transmitir ondas de luz a grandes velocidades, pero a la vez maleable para no interponerse en el movimiento de cualquier objeto. Este medio de propiedades extrañas se llamó éter.

Evolución histórica de las microondas.

ELECTROMAGNETISMO Y NATURALEZA FÍSICA DE LA LUZ

Michael Faraday (1791-1867) consideró las líneas de fuerza del campo

magnético como distorsiones elásticas del éter y las empleó para

explicar el fenómeno magnético. A Faraday se le debe el uso de la

palabra “campo”, que utilizó porque las líneas de fuerza le recordaban las huellas de los arados en los campos de trigo ingleses.

1864: James Clerk Maxwell (1831-1879) propuso un conjunto de cuatro ecuaciones que describen casi todos los fenómenos relacionados con la electricidad y el magnetismo, unificando ambos fenómenos como aspectos particulares de una única realidad física, el electromagnetismo. Las ecuaciones de Maxwell predijeron teóricamente fenómenos físicos desconocidos en la época, como la existencia de la corriente de desplazamiento y la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la velocidad de la luz. Maxwell dedujo que la luz era una radiación electromagnética y que junto a ella existían otras radiaciones de longitudes de onda mayores y menores.

Evolución histórica de las microondas.

ELECTROMAGNETISMO Y NATURALEZA FÍSICA DE LA LUZ 1888: Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) demostró

experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas. El éxito de las ecuaciones de Maxwell a la hora de explicar los fenómenos electromagnéticos produjo una crisis en la física: estas ecuaciones eran incompatibles con la relatividad de Galileo en la que se apoyaba la mecánica newtoniana que, a su vez, había sido ampliamente corroborada experimentalmente. Existían, pues, dos teorías físicas incompatibles, ambas comprobadas experimentalmente.

Evolución histórica de las microondas.

ELECTROMAGNETISMO Y NATURALEZA FÍSICA DE LA LUZ 1905: Albert Einstein (1879-1955) publicó varios artículos en los que se

trataba, entre otras cosas, de la naturaleza de la luz . En su artículo sobre el efecto fotoeléctrico retomó la naturaleza corpuscular de la luz y estableció parte de los fundamentos de la Mecánica Cuántica. En su artículo sobre la Electrodinámica de los Cuerpos en Movimiento estableció los fundamentos de la Teoría Especial de la Relatividad, unificando los conceptos de espacio y tiempo y demostrando que la relatividad de Galileo era una aproximación válida para velocidades relativas pequeñas entre diferentes observadores. Además, se daba un impulso nuevo a las ecuaciones de Maxwell demostrando que estas eran originalmente relativistas y que el campo eléctrico y magnético eran aspectos de la misma entidad física relacionados a partir de las leyes físicas que regían el movimiento relativo entre diferentes observadores.

Una consecuencia importante de la Relatividad Especial fue el prescindir del concepto de éter, ya que quedaba demostrado que la luz se podía propagar en el vacío. En 1915 Einstein publicó la Teoría General de la Relatividad desarrollando una teoría plenamente relativista de la gravitación compatible con los postulados relativistas del electromagnetismo. La mecánica newtoniana quedaba así como la aproximación para pequeñas velocidades de la Relatividad General.

Evolución histórica de las microondas.

Desarrollo de la teoría de microondas

Se distinguen dos etapas: Primeras décadas del siglo XX hasta la Segunda Guerra

Mundial. Desde la Segunda Guerra Mundial hasta nuestros días.

Evolución histórica de las microondas.

SIGLO XX HASTA LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL: Las dos primeras décadas del siglo XX: 1897: John William Strutt (1842-1919), conocido como Lord

Rayleigh, fue el primero que estudió con detalle la propagación de modos electromagnéticos a través de tubos metálicos.

1902: R.H. Weber explicó que la velocidad de propagación en una guía era menor que la de la luz.

1905 Sir John Fleming desarrolla el primer tubo de vacío estableciendo el origen de los elementos activos.

1915: L. Silberstein reconoció el comportamiento dispersivo de las ondas guiadas por tubos.

1920: Otto Schriever realizó experimento con guías superficiales y confirmó empíricamente la existencia de los modos superficiales.

Arnold Sommerfeld (1868-1951) estudió el efecto de las pérdidas en guías de onda.

1921: A.W. Hull inventó el magnetrón, cuyo funcionamiento se extendía hasta las frecuencias de 30 GHz.

Evolución histórica de las microondas.

SIGLO XX HASTA LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL: Los años 30: en esta década se experimenta un gran desarrollo. Se

estudian en profundidad las guías cilíndricas. 1.932: S.P. Mead acabó un memorando titulado Cilindros Dieléctricos con

Envolvente Metálico, que suponía el primer análisis cuantitativo del comportamiento de los tubos metálicos.

1936: L. Brillouin publica un análisis considerando guías sin pérdidas. 1938: Se atribuye a Schelkunoff la extensión del concepto de impedancia

a los campos y a las ondas de una forma sistemática. Publica un artículo en el que extendía el concepto de impedancia desde los circuitos a los campos radiados, afirmando que la impedancia es una característica tanto del medio como del campo, generalizando el concepto de línea de transmisión a cualquier onda guiada.

1935: W.W. Hansen inventa el klystron, que puede funcionar como oscilador o amplificador. El klystron fue el oscilador local en los receptores de microondas para aplicaciones de baja potencia, actualmente ha sido reemplazado por osciladores de estado sólido.

Evolución histórica de las microondas.

SIGLO XX HASTA LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL: Alrededor de 1940 se iniciaron estudios sobre la representación

de discontinuidades mediante circuitos con elementos de parámetros concentrados y a lo largo de la Segunda Guerra Mundial se lograron grandes avances, sobre todo en el Reino Unido, Canadá y en Estados Unidos, en concreto en el Laboratorio de Radiación del MIT (Massachusetts Institute of Technology).

Tres fueron los elementos que hicieron de esta época una de las más productivas de la historia de las microondas:

• El desarrollo del magnetrón, que proporcionó una fuente fiable de ondas centimétricas.

• El desarrollo del RADAR, con una aportación fundamental por parte del Laboratorio de Radiación del MIT.

• El ambiente bélico, que forzaba que las acciones y decisiones se realizasen y adoptasen a gran velocidad. Debido a esto, no se prestaba atención a los autores y mucha gente ha quedado en el anonimato.

Evolución histórica de las microondas.

SIGLO XX HASTA LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL: 1942: N. Marcuvitz firmó un contrato con el MIT donde trabajó con el grupo

de desarrollo fundamental, encabezado por E.M. Purcell, junto con C.G. Montgomery y R.H. Dicke.

En este centro, Marcuvitz fue responsable de realizar medidas precisas de discontinuidades en guías de ondas. El método finalmente adoptado fue publicado en 1942 por el alemán A. Weissfloch. Este método fue publicado en tiempo de guerra porque las técnicas con microondas habían sido rechazadas por Alemania. Allí se pensaba de forma generalizada que no tenían aplicaciones para la guerra electrónica y no se permitía ningún tipo de investigación sobre este tema a todo aquel que mostraba algo de interés.

Una de las mayores aportaciones del grupo de Marcuvitz fue la creación de una manera de pensar, de tal forma que las guías de ondas podían ser

diseñadas en términos de redes sencillas.

Evolución histórica de las microondas.

DESDE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL HASTA NUESTROS DÍAS

En el Instituto Politécnico de Brooklyn, Marcuvitz destacó como el impulsor de una reformulación sistemática de la Teoría de Campos en términos de redes de microondas. Desde 1946 hasta los primeros años 50, se trabajó en circuitos equivalentes de las aperturas.

• La guía Ridge fue un paso en la búsqueda de mayor ancho de banda (S.B. Cohn en 1.947).

• La guía coaxial proporciona una gran ancho de banda monomodo, pero los componentes eran muy caros.

La línea stripline, cuyo principal inventor fue R.M. Barret en 1.952, surgió en un intento de superar estos problemas.

Poco después, en los Laboratorios Federales de Comunicaciones de ITT publicaron tres artículos sobre la línea microstrip, que eran en todo similares al

de Barret, salvo la estructura elegida.

Evolución histórica de las microondas.

DESDE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL HASTA NUESTROS DÍAS La principal razón para elegir la línea stripline es que el modo

dominante de propagación es el TEM, por lo que no hay dispersión. Por el contra, la línea microstrip se propaga en un modo quasi-TEM, por lo que hay una ligera dispersión y, además, al tratarse de una estructura abierta aparecen pérdidas por radiación. Por todo ello, la vencedora en un principio fue la línea stripline.

A mediados de los años 60, la línea microstrip volvió a resurgir, pero con una sección transversal muy reducida. De este modo se reducían mucho las pérdidas y se favorecía la fabricación de circuitos integrados de microondas.

Evolución histórica de las microondas.

DESDE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL HASTA NUESTROS DÍAS Con este tipo de líneas impresas se empezaron a diseñar y construir todo

tipo de circuitos de microondas (divisores de potencia, filtros, antenas, híbridos, acopladores direccionales, terminaciones y atenuadores, adaptadores de impedancia variable y circuitos más complejos).

La miniaturización de estas líneas, permitió la construcción de circuitos integrados de microondas (MIC). Para lograrlo fue fundamental el perfeccionamiento de los tipos de sustratos dieléctricos durante los años 60, por ejemplo, la aparición del Duroid y los contactos y metalizaciones de las líneas. Todo esto se desarrolló y perfeccionó durante los años 60 y 70.

El último paso en MIC son los Monolíticos (MMIC). Con ellos se llega a una total miniaturización de los circuitos de microondas de igual forma que se había hecho en baja frecuencia.

Evolución histórica de las microondas.

DESDE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL HASTA NUESTROS DÍAS

En una primera época, los dispositivos activos se realizaron con tubos de vacío. Al magnetron y al klystron, debe añadirse el desarrollo del tubo de onda progresiva, construido en 1.944 por R. Kompfner.

Los osciladores de estado sólido construidos con diodos GUNN, IMPATT y transistores bipolares y FET están desplazando a los tubos de microondas en muchas aplicaciones de baja potencia.

Debido al desarrollo de los dispositivos activos de microondas como los transistores bipolares y, sobre todo los FET, la atención prestada a las guías de onda y a los dispositivos basados en ellas se desvió hacia estructuras en líneas de transmisión planares. Estas pueden fabricarse empleando técnicas de circuito impreso y son compatibles con los dispositivos de estado sólido. A las frecuencias más bajas de microondas se emplean circuitos integrados híbridos, pero la tendencia actual es el empleo de circuitos integrados monolíticos.

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Definición de bandas de frecuencia según el Sector de Radiocomunicación (UIT-R):

Bandas de frecuencia y aplicaciones Designaciones de las bandas

de microondas:

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Ventajas de emplear frecuencias de microondas: La creciente necesidad de más espectro radioeléctrico obliga a emplear

frecuencias más elevadas. La capacidad de transmitir información es mucho mayor a frecuencias elevadas. La ganancia de una antena es directamente proporcional a su tamaño eléctrico.

Cuanto mayor es la frecuencia menor es la dimensión física que se requiere para conseguir la dimensión eléctrica adecuada.

Los sistemas de comunicación con microondas se establecen mediante enlaces de visión directa. A estas frecuencias la ionosfera es transparente, permitiendo atravesar la atmósfera y llegar al espacio exterior (comunicaciones vía satélite).

La sección radar de los blancos suele ser directamente proporcional al tamaño eléctrico. Esto unido a la posibilidad de construir antenas muy directivas de tamaños físicos razonables, hace que las frecuencias de microondas sean las preferidas para la construcción de sistemas radar.

A estas frecuencias tienen lugar fenómenos de resonancia a nivel molecular, atómico y nuclear, que se han aprovechado para desarrollar aplicaciones específicas en áreas tales como sensores remotos, diagnósticos y tratamientos médicos, bioingeniería, etc.

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Aplicaciones:

Radares: Seguimiento y guiado de misiles. Control de tráfico aéreo. Radares meteorológicos.

Enlaces de comunicaciones. Satélites:

Vigilancia. Información meteorológica (atmosférica y oceánica). Sondas espaciales. Análisis y composición del suelo. Difusión directa de TV.

Navegación: MLS (Microwave Landing System). Posicionamiento por satélite: GPS (Global Positioning System),

Galileo, etc. Comunicaciones móviles

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Otras aplicaciones:

Aceleradores de partículas. Amplificadores. Tubos de onda progresiva. Radioastronomía Estudio de propiedades básicas de los

materiales. Hornos de microondas domésticos. Detección y tratamiento de tumores.

Bandas de frecuencia y aplicaciones La ganancia de una antena es proporcional al tamaño eléctrico de

la antena. Para frecuencias muy altas se consiguen, por tanto, antenas mas directivas. Por esta razón, para enlaces punto a punto, las microondas presentan un buen compromiso ya que permiten estructuras físicas relativamente pequeñas para ganancias elevadas (haces estrechos) y no presentan graves problemas de apuntamiento como ocurrirá en el casos de frecuencias óptica.

Bandas de frecuencia y aplicaciones Mayor ancho de banda. En microondas se puede trabajar con

anchos de banda relativa pequeños, y en cambio tratar gran cantidad de información. Por ejemplo un ancho de banda de 1% a 500 MHz supone 5 MHz (el ancho de banda de un canal de televisión) mientras que a 50 GHz un ancho de banda de 1% es de 500 MHz (cerca de 100 canales de televisión).

Bandas de frecuencia y aplicaciones Transparencia de la Ionosfera. Si bien la ionosfera se

comporta como una capa reflectora para las frecuencias de onda corta, a las frecuencias de microondas esta capa es transparente, por lo que estas frecuencias de microondas son utilizadas para comunicaciones tierra - satélite. La radioastronomía utiliza también esta propiedad para estudiar las estrellas lejanas a través de sus radiaciones en la banda de microondas.

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Transparencia parcial de la atmosfera y propagación en línea recta. A frecuencias de microondas en la atmosfera se puede despreciar el fenómeno de refracción pudiéndose considerar propagación en línea recta. Sin embargo, si bien los distintos componentes atmosféricos (oxigeno, nitrógeno, vapor de agua, anhídrido carbónico) y las partículas en suspensión en la atmosfera (gotas de agua, cristales de hielo, polvo, humo, etc.) no afectan a señales por debajo de 10 GHz, si que afectan a señales de microondas por encima de esta frecuencia. Observando la figura se distingue una serie de ventanas entre rayas de absorción que permiten comunicación.

Bandas de frecuencia y aplicaciones Interacción con la materia. Cuando una onda electromagnética

incide sobre una muestra de material, esta absorbe energía de la onda a frecuencias particulares que son las frecuencias de resonancia del material. Esta resonancia observada a frecuencias de microondas depende de la composición molecular de la materia.

En particular, el agua absorbe frecuencias de microondas, lo que le confiere básicamente dos propiedades:

a) Calentamiento por microondas. Cocimiento de alimentos Descongelación Desinfección Secado en procesos industriales

b) Detección y medidas de mezclas contenida en un material

Bandas de frecuencia y aplicaciones Radiación no ionizante. Las microondas presentan además la

ventaja de no ser ionizante. Significara esto que la energía de un fotón viene dada por: E = hf

donde h es la constante de Plank h = 4, 14 · 10−15 eV Por lo tanto un fotón de microondas tiene una energía

comprendida entre 1, 2 · 10−6 eV y 1,2·10−3 eV . Esta energía resulta insuficiente para romper un enlace químico y por lo tanto no puede extraer un electrón y producir la ionización.

Otras frecuencias mayores si que presentan problemas de ionización como son los rayos X y los rayos gamma.

Bandas de frecuencia y aplicaciones Frecuencias de oscilación estables. Las oscilaciones atómicas mas

estables conocidas hasta ahora, hidrogeno, cesio y rubidio presentan oscilaciones extraordinariamente estables dentro del rango de las microondas. Cuando un electrón hace una transición entre dos niveles de energía se absorbe o se emite un fotón, cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles:

Ciertos materiales poseen niveles energéticos muy próximos (niveles hiperfinos) que proporcionan frecuencias de interacción extremadamente estables. Por ejemplo: hidrogeno: 1, 420405751 GHz rubidio: 6, 834682608 GHz cesio: 9, 192631770 GHz talio: 21, 310833945 GHz

Bandas de frecuencia y aplicaciones

Por último, la sección recta radar (se trata de un parámetro fundamental en aplicaciones de radar que mide el área de reflexión efectiva) de un blanco es proporcional al tamaño eléctrico del blanco. Este hecho, junto con la ganancia de las antenas, hace que las microondas se puedan emplear en aplicaciones de radar, aumentando el alcance máximo de detección. Desde el punto de vista del blanco, que evidentemente no desea ser detectado (avión enemigo, submarino, torpedo, etc...) conviene que el alcance de la estación de detección sea pequeño, de forma que tratará de minimizar su propia sección recta radar evitando ciertos materiales metálicos o interfiriendo activamente en el radar terreno, para así burlar al sistema de detección y pasar desapercibido.

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