Las microondas son un tipo de ondas electromagnéticas con una amplia gama de aplicaciones en la tecnología moderna, desde las telecomunicaciones hasta la cocción de alimentos. Su estudio abarca desde sus propiedades fundamentales hasta su interacción con la atmósfera y la materia. El término "microondas" proviene del prefijo griego "Micro-" (μικρό), que significa "pequeño", y la palabra "ondas", haciendo referencia a sus longitudes de onda relativamente cortas.
Definición y Rango Espectral
Generalmente, las microondas se definen como ondas electromagnéticas con frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz. Este rango de frecuencia implica un período de oscilación de (3×10−9 s) a (33×10−12 s) y una longitud de onda que va desde 1 metro hasta 1 milímetro. Otras definiciones, como las de los estándares IEC 60050 e IEEE 100, sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, lo que corresponde a longitudes de onda de entre 30 centímetros y 1 milímetro.
El rango de las microondas se incluye dentro de las bandas de radiofrecuencia, específicamente en las de:
- UHF (ultra-high frequency - frecuencia ultra alta): 0,3-3 GHz
- SHF (super-high frequency - frecuencia súper alta): 3-30 GHz
- EHF (extremely-high frequency - frecuencia extremadamente alta): 30-300 GHz
Es importante destacar que existen otras bandas de radiofrecuencia que comprenden ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas.
Generación de Microondas
Las microondas pueden ser generadas de diversas maneras, clasificadas en dos categorías principales: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío.
Dispositivos de Estado Sólido
Los dispositivos de estado sólido para microondas utilizan semiconductores de silicio o arseniuro de galio. Estos incluyen:
- Transistores de efecto de campo (FET)
- Transistores de unión bipolar (BJT)
- Diodos Gunn
- Diodos IMPATT
Se han desarrollado versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades, que son comúnmente empleadas en aplicaciones de microondas. Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como el transistor de efecto de campo (especialmente en las frecuencias más bajas), el diodo túnel, el diodo Gunn y los diodos IMPATTs. Estas fuentes de baja potencia están disponibles en diversos formatos, como instrumentos de sobremesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos empotrables y a nivel de tarjeta.
Dispositivos Basados en Tubos de Vacío
Las fuentes de microondas de alta potencia emplean tubos de vacío especializados para su generación. Estos dispositivos operan bajo principios diferentes a los tubos de vacío de baja frecuencia, utilizando el movimiento balístico de los electrones en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos controlados. Entre ellos se encuentran:
- El magnetrón (utilizado en los hornos de microondas)
- El klystron
- El tubo de onda progresiva (TWT)
- El girotrón
Estos dispositivos funcionan en el modo modulado de densidad, en lugar del modo modulado de corriente.
Propagación y Atenuación Atmosférica
A diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, las microondas no viajan como ondas de superficie que siguen el contorno de la Tierra, ni se reflejan en la ionosfera. Aunque en el extremo inferior de la banda pueden atravesar las paredes de los edificios lo suficiente para una recepción útil, normalmente se requieren derechos de paso despejados hasta la primera zona de Fresnel. Por lo tanto, en la superficie de la Tierra, los enlaces de comunicación por microondas están limitados por el horizonte visual a unas 30-40 millas (48,3-64,4 km).
Las microondas son absorbidas por la humedad de la atmósfera, y la atenuación aumenta con la frecuencia, convirtiéndose en un factor significativo (desvanecimiento por lluvia) en el extremo superior de la banda. A partir de unos 40 GHz, los gases atmosféricos también empiezan a absorber las microondas, por lo que por encima de esta frecuencia la transmisión de microondas se limita a unos pocos kilómetros. La estructura de bandas espectrales provoca picos de absorción en frecuencias específicas.
En un haz de microondas dirigido en ángulo hacia el cielo, una pequeña cantidad de la potencia se dispersará aleatoriamente cuando el haz atraviese la troposfera. Un receptor sensible más allá del horizonte con una antena de alta ganancia enfocada hacia esa zona de la troposfera puede captar la señal.
Aplicaciones de las Microondas
Las microondas tienen una vasta gama de aplicaciones debido a sus características específicas.
Telecomunicaciones
En telecomunicaciones, las microondas se utilizan ampliamente en radiodifusión, ya que pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. Además, existe un mayor ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Las microondas se utilizan comúnmente en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta equipada. Los protocolos 802.11g y b también emplean microondas en la banda ISM, mientras que la especificación 802.11a utiliza una banda ISM en el rango de los 5 GHz. La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial utilizan algunas de las frecuencias más bajas de microondas.
La corta longitud de onda de las microondas permite que las antenas omnidireccionales para dispositivos portátiles sean muy pequeñas (de 1 a 20 centímetros de longitud), lo que hace que las frecuencias de microondas sean ampliamente utilizadas para dispositivos inalámbricos como teléfonos móviles, teléfonos inalámbricos y LAN inalámbrica para el acceso a ordenadores portátiles y auriculares Bluetooth. Entre las antenas utilizadas se encuentran las antenas de látigo cortas, las antenas de patito de goma, las dipolo de manga, las antenas de parche y, cada vez más, las antenas F invertidas de circuito impreso utilizadas en los teléfonos móviles.
Su corta longitud de onda también permite producir haces estrechos de microondas con una antena con alta ganancia convenientemente pequeña de medio metro a 5 metros de diámetro. Por lo tanto, los haces de microondas se utilizan para enlaces de comunicación punto a punto y para radar. Una ventaja de los haces estrechos es que no interfieren con los equipos cercanos que utilizan la misma frecuencia, lo que permite la reutilización de frecuencias por parte de los transmisores cercanos. Las Antenas parabólicas ("plato") son las antenas directivas más utilizadas en las frecuencias de microondas, pero también se utilizan las antenas de bocina, las antenas de ranura y las lentes dieléctricas. Las antenas microstrip planas se utilizan cada vez más en los dispositivos de consumo.
¿Por qué las ANTENAS PARABÓLICAS son parabólicas?
Calentamiento de Alimentos: El Horno de Microondas
Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que utiliza un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. El agua, por ejemplo, absorbe energía muy rápidamente si la radiación incidente tiene una longitud de onda del orden de 10 cm. Cualquier sustancia con un mínimo de humedad, sea carne, pescado, sopa o masa pastelera, que esté en una región del espacio donde existe una intensa radiación de esta longitud de onda, como un horno microondas, se calentará muy rápidamente. Como el calor se genera en el interior de la propia materia, en vez de llegar por conducción desde un exterior más caliente, como en el caso de un horno convencional, la comida se cocina más rápidamente en un horno microondas.
Los hornos de microondas producen radiación electromagnética de 2450 MHz. Estos electrodomésticos se blindan para evitar fugas de radiación, aunque una pequeña parte de esta puede pasar al exterior. Por regulación federal, los hornos de microondas están limitados a 5 milivatios (mW) de radiación de microondas por centímetro cuadrado a aproximadamente 2 pulgadas de la superficie del horno. Este límite es muy inferior al nivel que puede dañar a las personas. Teniendo en cuenta la frecuencia de 2.450 MHz, la longitud de onda de la radiación del horno microondas es de unos 12 cm y la energía cuántica de un fotón de microondas es de aproximadamente 1 x 10-5 eV.
La interacción de la radiación a estas energías se limita a producir rotación y torsión molecular. La energía térmica media a 20ºC es sobre 1/40 eV, por lo que cualquier movimiento de rotación ordenado creado por la interacción de microondas es rápidamente puesto en desorden por las colisiones con moléculas de energía cinética 2500 veces mayor que la energía proporcionada al fotón de microondas. Así, el resultado neto de la interacción de las microondas en estos hornos es el de calentar el material puesto en su interior. A pesar de que se puede ver en el interior del horno de microondas cuando se cocina la comida, las microondas son bloqueadas de salir a la habitación, porque los orificios de la malla metálica en la puerta del horno microondas son de aproximadamente 1 mm de diámetro, comparados con una longitud de onda de microondas de 120 mm. La longitud de onda de las microondas es aproximadamente 120 veces el tamaño de los agujeros, y no pueden "ver" los agujeros para salir. Esto último es una aplicación del hecho de que no se puede mostrar ninguna imagen, cuyo tamaño sea menor que la longitud de onda de la radiación empleada para mostrarla. Es importante asegurarse de que la radiación se mantiene dentro del horno comprobando que no tiene desperfectos, porque la exposición repetida de tejido vivo a las microondas lo puede dañar.
Otros Usos y Fenómenos
- Radar: El radar de control de velocidad, por ejemplo, utiliza diodos Gunn para generar microondas.
- Exploración espacial: Las microondas atraviesan la ionosfera con facilidad, lo que permite su uso para comunicarse con dispositivos mucho más allá de la atmósfera terrestre, como los que se emplean en la exploración espacial.
- Fondo cósmico de microondas: La radiación correspondiente a la etapa más antigua del universo a la que tenemos acceso llega hasta nosotros como microondas, conocida como fondo cósmico de microondas.