Generación de Microondas
Quizás fue el
MAGNETRON, 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 KLYSTRONS, los que
dieron una mayor versatilidad de utilización de las m., sobre todo en el campo
de las comunicaciones, permitiendo además una mayor comprensión de los fenómenos
que tiene en lugar los tubos de m. El principio básico de funcionamiento de
estos generadores es la modulación de 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 KLYSTRONS obligó a un amplio
desarrollo desde los fenómenos de carga espacial, la interpretación de la
operación de los tubos
Sin embargo, fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de ONDA PROGRESIVA
(TWT, Travelling-Wave Tube); siglas de ésta clase de tubos, las que dieron lugar
a una mejor compresión de los fenómenos que tienen lugar en los haces
electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas electromecánicas, 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 iteración 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 desarrollo el tubo de onda regresiva
(BWO< Backward- wave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va
en dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecí a, además,
una mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico.
Los dispositivos anteriores se basan en la conversión de energía de continuidad
en la energía de m, mientras que los amplificadores paramétricos (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 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 MASER. Son estos
amplificadores de bajo nivel de ruido los que han abierto un gran campo de
operación en radioastronomía, así como las intercontinentales vía satélite etc.
Un problema conserniente al desarrollo de las m, lo ha constituido hasta ahora
el precio elevado de los generadores; ha sido el decubrimiento de los
osciladores a semiconductores el que a abaratado, va camino de hacerlo aun 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
incluso pueden ser negativas. Estos dispositivos también tienen una concepción
diferente a los usuarios de baja frecuencia esencial en que en los de baja
frecuencia los electrones del semiconductor son TIBIOS en el sentido que sus
energías no difieren grandemente de la red del material, mientras que en los de
m. Los electrones son CALIENTES, con energías eléctricas adquiridas de campos
eléctricos elevados, que pueden ser muy superiormente a energía de m.
El primero de estos dispositivos se basó en el denominado efecto GUNN que se
presenta en semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio, material en
el fue inicialmente detectado, y desde entonces se han descrito muchos
dispositivos, algunos basados en fenómenos bulímicos en el semiconductor, como
los gunn, y otros fenómenos que tienen lugar en uniones de semiconductores.
TRANSMISIÓN DE
MICROONDAS
Un sistema en el que se utilizan localmente las m. Constará fundamentalmente de
un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga; en caso
contrario, 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
transmisión y detector adecuado.
Además de estos elementos existirán otras componentes como pueden ser
atenuadores, desfasadores, frecuencimetros, medidores de onda estacionaria,
etc.; nosotros nos vamos a circunscribir fundamentalmente a la guía de onda,
como elemento fundamental de transmisión a éstas frecuencias.
Como ya se ha citado, la guía de onda es esencia una tubería metálica, a través
de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente atenuación,
dependiendo esta del material de que la misma esté 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 mas o menos
divergente y sus campos transversales electromagnéticos (ondas TEM, ya citadas),
en una guía el campo esta confinado en su interior, evitándose la radiación
hacia el exterior, y sus campos ya no pueden ser TEM sino que han de hacer
necesariamente del tipo TE (campo electrónico 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 la geometría, tipo de excitación de la guía y frecuencia,
ocurriendo además que ciertas configuraciones de campo, denominadas modos, solo
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.
APLICACIONES DE
LAS MICROONDAS
Sin duda podemos decir que el campo mas 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.
Sistema automático de puertas, medida de velocidad de vehículos, etc.
Otro gran campo de aplicación es el que se pudiera denominar científico. En
radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia
comprendidas entre 10 Mhz y 10Ghz 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
OH, y otras de tipo continuo debidas a radiación térmica, emisión giromagnética,
sincrotónica, etc. La detección de estas radiaciones permite obtener información
de la dinámica y constitución del universo. En el estudio de los materiales
(eléctricos, magnéticos, palmas) 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 directo de la estructura
molecular de la materia mediante técnicas espectroscópicas y de resonancia.
En el campo médico y biológicose utilizan las m. Para la observación de cambios
fisiológicos significativos de parámetros del sistema 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 controlar de
procesos o funcionamiento de computadores ultra rápidos. Quizá el progreso
futuro de las microondas. Esta en el desarrollo cada día mayor, de los
dispositivos a estado sólido, en los cuáles se consigue una disminución de
precio y tamaño que puede llegar a niveles insospechados; estos sistemas son la
combinación de los generadores a semiconductores con las técnicas de circuiteria
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 solo de congestión del
espectro, interferencias, etc., sino también de salud humana; este último
aspecto no está lo suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de que
los índices de peligrosidad sean marcadamente diferentes de unos países a otros.
PROPAGACION DE
MICROONDAS
Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 Ghz
que corresponde a 10 cm y mm respectivamente, en longitudes de onda. En la
práctica son ondas del orden de 1 Ghz a 12 Ghz.
La banda espectral de las microondas de divide en sub-bandas tal como se muestra
en la tabla.
Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas.
Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en multienlaces
telefónicos y general en redes con alta capacidad de canales de información.
Las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también en
comunicaciones por satélites.
La longitud de onda muy pequeña permite antenas de alta ganancias.
Como el radio de fresnel es relativamente pequeño, la propagación se efectúa
como en el espacio libre.
Si hay obstáculos que obstruyan el radio de fresnel, la atenuación es
proporcional al obstáculo.
De la ecuación se obtiene la atenuación Pr/Pt en enlaces espaciales
Pr/Pt (dB) = Gt (dB) + Gr (dB) +20 log h (m) - 22 - 20 log r (Km)
donde r es la distancia del enlace, h es la longitud de onda Gt Y Gr son las
ganancias del transmisor y del receptor receptivamente.
A la atenuación en espacio libre se le agregan algunos valores de atenuación
debido a obstáculos:
· 6 dB: Incidencia restante.
· 40 dB: Bloqueo total del haz.
La atenuación puede variar de 6 a 20 dB dependiendo del tipo de superficie que
provoca la difracción. Así:
· 6 dB: Para una difracción en filo de cuchilla, con incidencia resante.
· 20 dB: Difracción con incidencia resante en obstáculo mas redondeado como
terreno ligeramente ondulado o agua que sigue la curvatura de la tierra.
En condiciones desfavorables las perdidas por reflexión pueden ser de hasta 50
db (propagación sobre mar).
Si la superficie es rugosa se consideran despreciables las perdidas por
reflexión.
La temperatura efectiva de ruido Te del circuito receptor, referida a los
terminales de entrada y la cifra de ruido o (factor de ruido) F de un circuito
están relacionados de la siguiente forma:
F = 1 + Te/To
F es la razón de la potencia de ruido real de salida (al conectar en un
generador de temperatura normalizado de To=290^oK) y la potencia de ruido de
salida que existiría para la misma entrada, si el circuito no tuviera ruidos
propios.
Por tanto, se nota que
F = 1 o 0 dB corresponde a Te = 0^K
F = 2 o 3 dB corresponde a Te = 290^oK, etc.
UTILIZACIÓN DE MICROONDAS EN COMUNICACIONES ESPACIALES
Los satélites artificiales han extendido el alcance de la línea de propagación y
han hecho posible la transmisión transoceánica de microondas por su capacidad de
admitir anchas bandas de frecuencias. La línea de transmisión puede extenderse
por uno de los distintos medios existentes.
El satélite en forma de globo de plástico metalizado exteriormente puede ser
empleado como reflector pasivo, en cuyo caso no se necesita equipo alguno en el
satélite. Se ha estimado que veinticuatro de tales reflectores pasivos en
órbitas polares establecidas al azar alrededor de unos 5000 kilómetros
permitirían una transmisión transatlántica que solo se interrumpiría menos de 1%
del tiempo.
Como segunda posibilidad, el satélite puede emplearse como un receptor activo en
microondas, retransmitiendo la señal que recibe, bien instantáneamente o tras un
almacenaje hasta que el este próximo a la estación receptora. En este último
caso la capacidad del canal queda limitada.
Con el satélite en una órbita próxima es decir, inferior a 8000 kilómetros, la
pérdida de transmisión es moderada, pero las estaciones terrestres deben tener
antenas capaces de explotar casi de horizonte a horizonte. Si el satélite se
sitúa en una órbita ecuatorial de veinticuatro horas parecerá como si tuviera
fijo sobre algún punto del ecuador, darían una cobertura mundial. Con el
satélite fijo en su posición respecto a la tierra y estabilizado en su
orientación pueden emplearse antenas grandes y relativamente económicas para las
estaciones terrestres, pudiéndose emplear en el satélite una antena con una
directividad modesta.
Satélite artificial en órbita circular. r =42000 Km
desconectado el radio terrestre Rt= 6370 Km se ve que la altura sobre el suelo
del satélite será aproximadamente igual a 36000 Km que es la órbita de clark.
Los piases de la zona tropical y templada usan los satélites estacionarios.
Los países en zonas mas alejadas del ecuador son forzados a incluir la órbita en
relación con el ecuador y prescindir así del sincronismo perfecto, por que el
desplazamiento del satélite es lento con relación a la tierra.
Como el satélite no debe cargar grandes masas, la potencia de su transmisor es
reducida y su antena es relativamente pequeña. Sus ondas deben atravesar la
ionosfera terrestre, de ahí el uso de microondas para conseguir altísimas
ganancias en las antenas terrestres son parabólicas de grandes dimensiones,
aproximadamente igual a 30 m de diámetro con ganancia de 60 dB en 2 Ghz.
Los enlaces se hacen básicamente entre puntos visibles es decir, puntos altos de
la topografía.
Cualquiera que sea la magnitud del sistema de microondas, para funcionamiento
correcto es necesario que los recorridos entre enlaces tengan una altura libre
adecuada para la propagación en toda época del año, tomando en cuenta las
variaciones de las condiciones atmosféricas de la región.
Para poder calcular las alturas libres debe conocerse la topografía del terreno,
así como la altura y ubicación de los obstáculos que puedan existir en el
trayecto.
Antes de hacer mediciones en el terreno puede ser necesario estudiar los planos
topográficos de la zona. Por lo general el estudio minucioso de los mapas y de
los planos facilita las labores, sobre todo en sistema extensos con gran numero
de repetidoras y donde existe una gran variedad de rutas posibles. Por proceso
de eliminación y de selección ha de llegarse a la escogencia de la ruta más
favorable.
Sobre un mapa de la región en escalas del orden de 1:10000, 1: 100000 o 1:
200000, se escogen estaciones separadas de 10 a 50 Km
Una vez escogidos los sitios de ubicación propuestos para las torres de las
antenas, y habiéndose determinado la elevación del terreno comprendido entre
dichos sitios, se prepara un diagrama de perfiles.
En la mayoría de los casos solo es necesario los perfiles de los obstáculos y de
sus alrededores, donde pueda obstruirse la línea visual.
Las señales de radiotransmisión en las frecuencias de microondas generalmente se
propagan en línea recta en la forma de un haz dirigido de un punto a otro. Sin
embargo, el haz puede desviarse o curvarse hacia la tierra por efecto de la
refracción de las ondas en la atmósfera. La magnitud de la curvatura se ha
tenido en cuenta al calcular el factor K.
Puede emplearse un perfil de trayecto dibujado sin mostrar la curvatura de la
tierra, y con el haz de microondas en línea recta entre las dos antenas. Dicho
perfil representa el caso en el cual la curvatura del haz es igual a la del
terreno y el radio de la tierra es infinito. Esta es una de las condiciones
extremas que deben investigarse al estudiar el efecto de las condiciones
atmosféricas anormales sobre la propagación de las microondas. Sobre el mismo
gráfico se dibujan los recorridos del haz para otros posibles valores de K entre
ellos el normal que es 4/3. El trazado de las curvas con diversos valores de K
se hace con plantillas normalizadas. Traza el elipsoide de fresnel para
verificar si ocurre obturación.
Determinando el perfil del terreno sobre el que se propaga el haz, se estudiará
el margen de este con relación al obstáculo mas prominente. Dicho margen hay que
compararlo con el radio de la n-esima zona abscisa o, esta dado por la ecuación
Rfn = Ö nhd1d2/d1+d2,m
donde :
Rfn = Radio de la n-esima zona de fresnel en metros.
h = Longitud de onda en metros.
d1 = Distancia del transmisor al punto considerado en metros.
d2 = Distancia del punto considerado al receptor en metros.
A partir del mapa de la región se traza en un papel 4/3 el perfil del terreno a
lo largo de la trayectoria de estación a estación.
Ordinariamente, el margen sobre obstáculos se refiere al radio d la primera zona
de fresnel; si el cociente correspondiente se lleva en abscisas en le gráfico,
en coordenadas se obtendrá la influencia sobre la intensidad de campo. Se tiene
las condiciones correspondientes a propagación en el espacio libre cuando al
margen sobre obstáculos es 0.6 veces el radio de la primera zona de fresnel.
Este es el criterio que se sigue en presencia de obstáculos para determinar la
viabilidad de un enlace.
intervalo -3
Abscisa: margen sobre obstáculos/radio primera zona de fresnel. B.
interpretaciones del margen sobre obstáculos
p >0 y p < o
La Figura
muestra dos interpretaciones existentes para el margen sobre obstáculos p.
La siguiente es una formula empírica para pérdidas por obstáculo.
Po(dB) = 12 P/ Rf - 10
la ecuación anterior es válida en el intervalo - 3 < P/Rf < 1
Hay momentos en que la distribución de la densidad de la atmósfera cambia y la
trayectoria se hace mas restante y pasa a sufrir obstrucción, se debe incluir en
los cálculos una pérdida adicional de 3 dB.
Poniendo en funcionamiento tal enlace, la transmisión con atmósfera normal no
tendrá la perdida de 3 dB, solo surge en momentos desfavorables y ya está
incluida en el diseño.
Luego se calcula la atenuación con la ecuación ( )
Pr / Pt = Gt Ar / 4 TT r²
de la ecuación ( ) se tiene
Ar = Gr h² / 4 TT
Sustituyendo la ecuación ( ) en la ( ) se obtiene la ecuación ( )
Pr / Pt = Gt Gr h² / (4 TT r )²
donde los parámetros son los mismos que se dieron anteriormente.
Expresado en dB la ecuación ( ) se tiene la ecuación ( )
Pr / Pt (dB) = 10 log Pr / Pt = Gt (dB) + Gr (dB) + 20 log h - 20 log r - 22
Sobre un terreno liso el alcance D de la radiación depende de la altura de la
antena h. Entonces:
D (km) = 4 Ö h (m)
El problema de las reflexiones interferentes es prácticamente inexistente ya
que, para las ondas centimétricas todo terreno es áspero y no da buena reflexión
según el criterio de Rayleigh.
El único caso peligroso es cuando existe un espejo de aguas mansas como un lago,
bahía orio.
4. ANOMALÍAS DE PROPAGACION EN MICROONDAS
El gradiente del índice de refracción o factor K que corresponde al radio eficaz
de la tierra se define como el grado y la dirección de la curvatura que describe
el haz de microondas durante su propagación
K = R’ / Rt
Donde Rt es el radio real terrestre y R"es el radio de la curvatura ficticia de
la tierra.
Cualquier variación del índice de refracción provocada por la alteración de las
condiciones atmosféricas, se expresa como un cambio del factor K.
En condiciones atmosféricas normales, el valor de K varia desde 1.2 para
regiones elevadas y secas (o 4/3 en onzas mediterráneas), hasta 2 o 3 para zonas
costeras húmedas.
Cuando K se hace infinito, la tierra aparece ante el haz como perfectamente
plana, ya que su curvatura tiene exactamente el mismo valor que la terrestre.
Si el valor de K disminuye a menos de 1, el haz se curva en forma opuesta a la
curvatura terrestre. Este efecto puede obstruir parcialmente al trayecto de
transmisión, produciéndose así una difracción.
El valor de la curvatura terrestre para los distintos valores de K se calcula
mediante la siguiente fórmula
h = d1 d2 / 1.5 K donde
h = Cambio de la distancia vertical desde una línea horizontal de referencia, en
pies,
d1 = Distancia desde un punto hasta uno de los extremos del trayecto, en millas.
d2 = Distancia desde el mismo punto anterior hasta el otro extremo del trayecto,
en
millas.
K = Factor del radio eficaz de la tierra.
1ml = 1.61Km.
1 pie = 0.3 m.
Con excepción del desvanecimiento por efecto de trayectos múltiples, los
desvanecimientos son fácilmente superables mediante:
- Diversidad de espacio.
- Diversidad de frecuencia.
- Diversidad de polarización.
La alteraciones del valor de K desde 1 hasta infinito ( Rango normal de K),
tiene escasa influencia en el nivel de intensidad con que se reciben las
señales, cuando el trayecto se ha proyectado en forma adecuada.
Las anomalías de propagación ocurren cuando K es inferior a 1, el trayecto
podría quedar obstruido y por lo tanto seria vulnerable a los fuertes
desvanecimientos provocados por el efecto de trayectos múltiples.
Cuando K forma un valor negativo, el trayecto podría resultar atrapado entre
capas atmosféricas y en consecuencia seria susceptible a sufrir desvanecimiento
total.
DESVANECIMIENTO
El desvanecimiento se debe normalmente a los cambios atmosféricos y a las
reflexiones del trayecto de propagación al encontrar superficies terrestres o
acuáticas.
La intensidad del desvanecimiento aumenta en general con la frecuencia y la
longitud de trayecto.
En caso de transmisión sobre terreno accidentado, el desvanecimiento debido a
propagación multrayecto es relativamente independiente del citado margen sobre
obstáculo y en casos extremos tiende a aproximarse a la distribución de Rayleigh,
es decir, la probabilidad de que el valor instantáneo del campo supere el valor
R es :
-R/R0
P (R) = e
En donde: Ro es el valor eficaz.
En la figura se presentan valores típicos de desvanecimiento para trayectos con
suficiente margen sobre obstáculos.
Los tipos de desvanecimiento que influye sobre la contabilidad de la propagación
en los sistemas de microondas son selectivos y no selectivos.
Desvanecimiento en el peor mes para trayectos de 40 a 60 Kms con visibilidad y
margen sobre obstáculos de 15 a 30 m.
5. CONFIABILIDAD DE SISTEMAS DE RADIOTRANSMISION POR MICROONDAS
Las normas de seguridad de funcionamiento de los sistemas de microondas han
alcanzado gran rigidez. Por ejemplo, se utiliza un 99.98% de confiabilidad
general en un sistema patrón de 6000 Km. de longitud, lo que equivale a permitir
solo un máximo de 25 segundos de interrupción del año por cada enlace.
Por enlace o radioenlace se entiende el tramo de transmisión directa entre dos
estaciones adyacentes, ya sean terminales o repetidoras, de un sistema de
microondas. El enlace comprende los equipos correspondientes de las dos
estaciones, como así mismo las antenas y el trayecto de propagación entre ambas.
De acuerdo con las recomendaciones del CCIR, los enlaces, deben tener una
longitud media de 50 Km.
Las empresas industriales que emplean sistemas de telecomunicaciones también
hablan de una confiabilidad media del orden de 99.9999%, o sea un máximo de 30
segundos de interrupciones por año, en los sistemas de microondas de largo
alcance.
Los cálculos estimados y cómputos de interrupciones del servicio por fallas de
propagación, emplean procedimientos parcial o totalmente empíricos. Los
resultados de dichos cálculos generalmente se dan como tiempo fuera de servicio
(TFS) anual por enlace o porcentaje de confiabilidad por enlace
