Microondas. Líneas de transmisión, guías de onda y cavidades resonantes

1.1 El concepto de microondas

La parte del espectro electromagnetico comprendida entre 300 MHz y 300 GHz

También en terminos de longitud de onda: La banda del espectro cuyas longitudes de onda se encuentran entre 10 mm y 1 m.

λ = c/f

su longitud de onda λ hace referencia a la distancia que recorre la onda en un perıodo de ésta,y es inversamente proporcional a su frecuencia, donde c es la velocidad de propagacion de la onda.

1.2 Propiedades y aplicaciones de las microondas

1.2.1 Antenas con elevadas directividades

La directividad de una antena es proporcional a su tamaño eléctrico,esto es, a su tamaño en términos de la longitud de onda de trabajo. Por tanto, cuanto mayor sea la frecuencia a la que trabaja la antena, menor será su longitud de onda y mayor su tamaño eléctrico para un mismo tamaño físico, lo que repercute en un aumento de la directividad.

1.2.2 Dispositivos con mayor ancho de banda

Las aplicaciones de comunicaciones requieren que los equipos transmisores, receptores y el medio de transmisión presentan un ancho de banda grande para transmitir la mayor cantidad posible de información. Para un determinado ancho de banda relativo, esto es, ancho de banda respecto a la portadora, el ancho de banda absoluto crece al aumentar la frecuencia de la portadora.

1.2.4 Transparencia de la ionósfera

A bajas frecuencias la ionosfera es una capa reflectora. Sin embargo, a frecuencias de microondas la ionosfera es practicamente transparente. Por esta razón, aplicaciones como la comunicación vía satélite o la radioastronomía (estudio de las estrellas a través de su radiación)emplean fundamentalmente frecuencias de microondas.

1.2.5 Transparencia parcial de la atmósfera y propagación en línea recta

A frecuencias de microondas los efectos refractivos de la atmósfera son mínimos y la propagación se produce fundamentalmente en línea recta.

1.2.7 Radiación no ionizante

La energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación: E = hf, h = 4 , 14 · 10 − 15 eV s

A frecuencias de microondas los fotones no cuentan con la energía suficiente para romper un enlace químico y, por tanto, ionizar un material. Si son ionizantes las radiaciones por encima del espectro visible, como los rayos X o los rayos γ .

1.3 Breve repaso histórico

1865 J. C. Maxwell formula sus famosas ecuaciones a partir únicamente de consideraciones matemáticas y llega a la conclusión de que la energía electromagnética se propaga en forma de onda en el espacio.

1885 y 1887 Oliver Heaviside simplifica y hace más prácticas las ecuaciones de Maxwell, y Marconi, el primero en encontrar una aplicación práctica a la transmisión vía radio. Heaviside aplicó las ecuaciones de Maxwell a un tubo hueco y llegó a la conclusión errónea de que para transmitir energía electromagnética por una línea son necesarios 2 conductores.

1888 por Heinrich Hertz, quien demostró, además,el efecto resonante sintonizado tanto de un oscilador como de un detector.

En 1897 Lord Rayleigh de mostró teóricamente la propagación en guías de onda rectangulares y circulares. Sin embargo, la demostración experimental se retraso hasta 1936, cuando Barrowy Southworth, de modo independiente, comprobaron la propagación de energía en guías.

El gran avance en la teoría de microondas fue debido al desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial. En paralelo al desarrollo del radar se crearon los primeros osciladores de microondas: el magnetrón su importancia en el conflicto bélico es tal que se le ha llegado a denominar como (“la válvula que ganó la guerra”), el klystron (hermanos Varian, 1937) o el tubo de ondas progresivas (TWT).

En la década de los cincuenta se desarrollaron los primeros dispositivos de ferrita,entre ellos el girador, el aislador y el circulador. El circulador es un dispositivo de tres accesos que dirige la señal a un puerto u otro según el puerto por el que ésta entra, lo que lo hace especialmente útil en aplicaciones donde emisor y receptor comparten la misma antena y la señal debe seguir un camino u otro según se esté transmitiendo o recibiendo.

En los años 60 se desarrollan las primeras aplicaciones de comunicación por satélite, con el Telstar en 1962 como primer satélite de comunicaciones, en órbita baja, y el Early Bird, en 1965, como el primer satélite en órbita geoestacionaria.

Los dispositivos semiconductores reemplazan a los tubos de vacío como fuentes para potencias medias y bajas, y en 1962 se fabrica por primera vez uno de los osciladores de baja potencia más importantes: el diodo Gunn.

A finales de los setenta la mejora de las técnicas litográficas permiten metalizaciones más estrechas y el desarrollo de transistores bipolares y MOSFET a frecuencias de microondas, así como la aparición de líneas (stripline, microstrip, slotline, coplanar) y circuitos impresos basados en estas líneas.

En la actualidad el desarrollo de dispositivos MMIC han permitido el abaratamiento de circuitería y su reducción de tamaño y se han incorporado la radionavegación y la telefonía móvil.