Microondas

Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas; generalmente entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de (3×10−9 s) a (33×10−12 s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro. 

El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las de UHF (ultra-high frequency - frecuencia ultra alta) 0,3-3 GHz, SHF (super-high frequency - frecuencia súper alta) 3-30 GHz y EHF (extremely-high frequency - frecuencia extremadamente alta) 30-300 GHz. Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas.

La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir de sus famosas Ecuaciones de Maxwell. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas mediante la construcción de un aparato para generar y detectar ondas de radiofrecuencia.

Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío. Los dispositivos de estado sólido para microondas están basados en semiconductores de silicio o arseniuro de galio, e incluyen transistores de efecto campo (FET), transistores de unión bipolar (BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT. Se han desarrollado versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades que se usan comúnmente en aplicaciones de microondas. 

Los dispositivos basados en tubos de vacío operan teniendo en cuenta el movimiento balístico de un electrón en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos, entre los que se incluyen el magnetrón, el klistrón, el TWT y el girotrón.

Propagación 
 A diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, 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 . 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 (véase el gráfico de la derecha). Por encima de 100 GHz, la absorción de radiación electromagnética por la atmósfera terrestre es tan grande que, en efecto, es opaca, hasta que la atmósfera vuelve a ser transparente en los rangos de frecuencia denominados infrarrojo y ventana óptica.

Troposcatter 

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.  Esta técnica se ha utilizado en frecuencias entre 0,45 y 5 GHz en sistemas de comunicación de dispersión troposférica (troposcatter) para comunicarse más allá del horizonte, a distancias de hasta 300 km.

Etimología de la palabra
Proviene del prefijo «Micro-» (del griego μικρό [mikró]) que significa «pequeño» y la palabra «ondas». Es decir, las microondas son «pequeñas ondas».

Fuentes de microondas 

Las fuentes de microondas de alta potencia utilizan tubos de vacío especializados para generar microondas.  Estos dispositivos funcionan con 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, e incluyen el magnetrón (utilizado en los hornos de microondas, el klystron, el tubo de onda viajera (TWT), y el girotrón. Estos dispositivos funcionan en el modo modulado de densidad, en lugar del modo modulado de corriente.  Esto significa que funcionan sobre la base de grupos de electrones que vuelan balísticamente a través de ellos, en lugar de utilizar un flujo continuo de electrones.

Las fuentes de microondas de baja potencia utilizan dispositivos de estado sólido como el transistor de efecto de campo (al menos en las frecuencias más bajas), diodo túnel, diodo Gunn y diodo IMPATTs. Las fuentes de baja potencia están disponibles como instrumentos de sobremesa, instrumentos de montaje en bastidor, módulos empotrables y en formatos a nivel de tarjeta.  Un máser es un dispositivo de estado sólido que amplifica las microondas utilizando principios similares a los del láser, que amplifica las ondas de luz de mayor frecuencia.

Todos los objetos calientes emiten radiación de cuerpo negro de bajo nivel de microondas, dependiendo de su temperatura, por lo que en meteorología y teledetección se utilizan radiómetros de microondas para medir la temperatura de los objetos o del terreno. El sol y otras radiofuentes astronómicas como Cassiopeia A emiten radiación de microondas de bajo nivel que lleva información sobre su composición, que es estudiada por los radioastrónomos que utilizan receptores llamados radiotelescopios. La radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), por ejemplo, es un débil ruido de microondas que llena el espacio vacío y que es una importante fuente de información sobre la teoría del cosmología del origen del Universo.

Antenas 

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, por lo que las frecuencias de microondas se utilizan ampliamente para dispositivos inalámbricos tales 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. (PIFA) utilizada 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.   Otra antena directiva práctica en las frecuencias de microondas es la phased array, una matriz de antenas controlada por ordenador que produce un haz que puede dirigirse electrónicamente en diferentes direcciones.

En las frecuencias de microondas, las líneas de transmisión que se utilizan para transportar las ondas de radio de baja frecuencia hacia y desde las antenas, como el cable coaxial y las líneas de cables bifilares, tienen excesivas pérdidas de potencia, por lo que, cuando se requiere una baja atenuación, las microondas se transportan por medio de tubos metálicos llamados guía de ondas.  Debido al elevado coste y a los requisitos de mantenimiento de las guías de onda, en muchas antenas de microondas la etapa de salida del transmisor o el frente de RF del receptor se encuentra en la antena.

Usos 

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa 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. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera.

En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada. Protocolos 802.11g y b también usan microondas en la banda ISM, aunque la especificación 802.11a usa una banda ISM en el rango de los 5 GHz. La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas.

En la industria armamentística, se han desarrollado prototipos de armas que utilicen la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea o permanente de diferentes enemigos en un radio limitado. 

La tecnología de microondas también es utilizada por los radares, para detectar el rango, velocidad, información meteorológica y otras características de objetos remotos; o en el máser, un dispositivo semejante a un láser pero que trabaja con frecuencias de microondas.

Las cámaras de RF ejemplifican el gran cambio que recientemente ha surgido en este tipo de tecnologías. Desempeñan un papel importante en el ámbito de radar, detección de objetos y la extracción de identidad mediante el uso del principio de imágenes microondas de alta resolución, que consiste, esencialmente, en un transmisor de impulsos para iluminar la tarjeta, un auto-adaptador aleatorio de fase seguido por un receptor de microondas que produce un holograma a través del cual se lee la información de la fase e intensidad de la tarjeta de radiación.

Tecnologías usadas en la transmisión por medio de microondas 

Al inicio, la tecnología de microondas, fue construyendo dispositivos de guía de onda: llamados "fontaneros". Luego surgió una tecnología híbrida:
 Circuito integrado de microondas (MIC en inglés)

Para que luego los componentes discretos se construyeran en el mismo sustrato que las líneas de transmisión. La producción en masa y los dispositivos compactos:
 Tecnologías MMIC

Pero existen algunos casos en los que no son posibles los dispositivos monolíticos:
 RFIC

Bandas de frecuencia

Microondas Estados Unidos

Microondas Unión Europea, OTAN

Véase también 
 Máser
 Radiación de fondo de microondas

Referencias

Bibliografía 
 Pozar, David M. (1993). Microwave Engineering Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-50418-9.
 Dugauquier C. - Effects of exposure to electromagnetic fields (microwaves) on mammalian pregnancy. Litterature review - Médecine et Armées, 2006; 34 (3): 215-218.
 Heynick C. et al. - Radio Frequency Electromagnetic Fields: Cancer, Mutagenesis, and Genotoxicity - Bioelectromagnetics Supplement, 2020; 6:S74-S100.
 Martín-Gil J., Martín-Gil F.J, José-Yacamán M., Carapia-Morales L. and Falcón-Bárcenas T. Microwave-assisted Synthesis of Hydrated Sodium Uranyl Oxonium Silicate. Polish Journal of Chemistry. 2005. 79,

Enlaces externos 
 Las claves de un gran invento: El microondas.

 
Tecnología de radio
Comunicaciones inalámbricas