Microondas

microondas es unas ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de 3 ns (3×10^-9 s) a 3 ps (3×10^-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 situan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 cm a 1 mm.

El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las UHF (ultra-high frequency, frecuencia ultra alta en español) (0.3 – 3 GHz), SHF (super-high frequency, frecuencia super 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, radiación terahercio o rayos T.

La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, 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 producir ondas de radio.

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 arsenuro 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.

Usos

El Active Denial System (ADS, Sistema Activo de Rechazo) es un proyecto del Ejército de los Estados Unidos en fase de desarrollo para el uso de microondas como arma no letal. El ADS produciría un aumento de la temperatura corporal de un individuo situado a una distancia de hasta 500 metros, mediante el mismo sistema que utiliza un horno microondas.^[1]

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno 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 inalámbricos LAN, tales como Bluetooth y las especificaciones de Wi-Fi IEEE 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.^[2]

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

Bandas de frecuencia

Bandas de frecuencia de microondas
Banda	P	L	S	C	X	Ku	K	Ka	Q	U	V	E	W	F	D
Inicio (GHZ)	0,2	1	2	4	8	12	18	26,5	30	40	50	60	75	90	110
Final (GHZ)	1	2	4	8	12	18	26,5	40	50	60	75	90	110	140	170

GUÍAS DE ONDA.

Son estructuras que consisten de un solo conductor. Ha dos tipos usados comúnmente: de sección rectangular y de sección circular. También hay elípticas y flexibles.

Sus pérdidas son menores que las de líneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz); y también son capaces de transportar mayores potencias que una línea coaxial de las mismas dimensiones.

Ventajas.-

• Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación.
• No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro.
• Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor.
• Mayor capacidad en el manejo de potencia.
• Construcción más simple que un coaxial

Desventajas.-

• La instalación y la operación de un sistema de GO son más complejas. Por ejemplo:
• Los radios de curvatura deben ser mayores a una l para evitar atenuación.
• Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales.
• Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

El tamaño mínimo de la guía para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a la l de esa frecuencia.

Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la guía como de la distribución de los campos (modos de transmisión) dentro de ella. En cualquier caso, hay una frecuencia mínima que puede ser transmitida, denominada frecuencia de corte del modo principal.

Por ejemplo para una guía de onda rectangular, la dimensión mayor de la sección rectangular se designa con la letra A, y la mínima requerida se da en la siguiente tabla para distintas frecuencias:

frecuencia	Dimensión A
3 GHz	5 cm.
300 MHz	50 cm. !
30 MHz	5 m. !!

Como se observa, los dos últimos casos no son prácticos.

La Dimensión A equivale a una media longitud de onda de la frecuencia correspondiente en la tabla anterior. Con una determinada dimensión A, se podrá propagar dicha frecuencia y frecuencias mayores.

Modos de Operación.-

Una GO puede propagar, en teoría, un número infinito de tipos distintos de onda electromagnética. Cada uno de estos tipos o modos presenta una configuración distinta de campos eléctrico y magnético, y la denominación de cada modo obedece a esa configuración.

Cada modo tiene una frecuencia crítica, debajo de la cual no se propagará.

Para un tamaño particular de GO, el modo correspondiente a la menor frecuencia de corte se denomina modo principal. Este será el único modo propagado si la frecuencia es mayor a la 1ª frecuencia de corte, pero menor a la frecuencia de corte del segundo modo.

La longitud de onda de corte del modo principal para una GO con aire en su interior es igual a dos veces la dimensión mayor (rectangular), o de 1.71 veces el diámetro (circular).

En general son posibles dos modos, que se denominan en consideración al campo que sea siempre transversal a la dirección de propagación: Transversal Eléctrico (TE) y Transversal Magnético (TM).

La longitud de onda de operación (l_g) para cualquier modo está dada por:

donde:

l = longitud de onda en el espacio libre.
l_c = longitud de onda para un modo particular de operación.
e_r = Constante dieléctrica relativa. (Aire = 1)

La ecuación anterior se puede también expresar como:

Guías Rectangulares.-

El modo principal para éstas es el TE₁₀, en el cual el campo eléctrico varía senoidalmente visto desde A, y es uniforme respecto a B, como se observa en la figura siguiente (línea contínua). El campo magnético presenta líneas siempre perpendiculares a las líneas de campo E, formando lazos (línea punteada). Su frecuencia de corte se presenta cuando l_c = 2A.

l_c = 2A
Modo TE₁₀

Designación de los modos.-

Esta se hace mediante los subíndices m y n, los cuales son números enteros. El primero se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de la dimensión A, y el segundo se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de B.

De esta manera se tienen, por ejemplo:

l_c = 2B
Modo TE₀₁

l_c = A
Modo TE₂₀

Para propagar solamente el modo principal (TE₁₀), las dimensiones de la guía deben cumplir: 2A>l, l >A, y l>2B. La primera condición permite el modo principal, la segunda evita el modo TE₂₀, y la tercera evita el modo TE₀₁.

En general, para las guías rectangulares la longitud de onda de corte está dada por:

(Se debe multiplicar por la raíz de la constante dieléctrica relativa en caso diferente de aire en el interior)

De la ecuación anterior, expresando la frecuencia de corte:

(Dividir entre la raíz de la constante dieléctrica relativa del medio, si es diferente de aire en el interior).

El factor de fase b, se establece de la siguiente manera:

donde f es la frecuencia transmitida en la línea.

Al igual que en el caso de líneas de transmisión, la velocidad de fase es igual a v_p = w / b .

Algunos otros modos se muestran:

Ejemplo.-

Una Guía de Onda rectangular con aire en su interior tiene dimensiones de 10 x 5 cm. y transporta una señal senoidal de 4.5GHz. Encuentre cuántos modos TE diferentes se propagan en la guía, así como el factor de fase, velocidad de fase y longitud de onda en la guía.

Respuestas:

modo.	f corte. [GHz]	b [rad/m]	velocidad de fase. [x 10 8 m/seg]	l en la guía [cm]
1 0	1.5	88.86	3.18	7.07
0 1	3	70.25	4.02	8.94
1 1	3.35	62.93	4.49	9.98
2 0	3	70.25	4.02	8.94
0 2	6
2 1	4.24	31.57	8.95	19.9
1 2	6.18
2 2	6.7

Guías Circulares.-

En la designación de los modos, m indica el número de ciclos completos de variación de campo alrededor de la circunferencia; n indica el número de medios ciclos de variación que existen a lo largo del diámetro.

Su modo principal es el TE₁₁, y l_c = 1.71 d, donde d es el diámetro interior. El siguiente modo es TM₀₁, (l_c =1.31 d) y el tercer modo de una GO circular es el TE₂₁.( l_c =1.03 d).
Éstos se muestran:

Para que una GO circular propague solo el modo principal (TE₁₁), se debe cumplir: 1.71d>l>1.31d.

Cable Coaxial

Hubo un tiempo donde el cable coaxial fue el más utilizado. Relativamente barato, ligero, flexible y sencillo de manejar.Consta de un núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa.

Apantallamiento/ hace referencia al trenzado o malla de metal (u otro material) que rodea algunos tipos de cable. Protege los datos transmitidos absorbiendo las señales electrónicas espúreas, llamadas ruido, de forma que no pasan por el cable y no distorsionan los datos. Al cable que contiene una lámina aislante y una capa de apantallamiento de metal trenzado se le denomina cable apantallado doble. Para entornos que están sometidos a grandes interferencias, se encuentra disponible un apantallamiento cuádruple. Este apantallamiento consta de dos láminas aislantes, y dos capas de apantallamiento de metal trenzado,

Núcleo/ transporta señales electrónicas que forman los datos. Puede ser sólido o de hilos. Si el núcleo es sólido, normalmente es de cobre. Rodeando al núcleo hay una capa aislante dieléctrica que la separa de la malla de hilo. La malla de hilo trenzada actúa como masa, y protege al núcleo del ruido eléctrico y de la intermodulación (la intermodulación es la señal que sale de un hilo adyacente).

El núcleo de conducción y la malla de hilos deben estar separados uno del otro. Si llegaran a tocarse, el cable experimentaría un cortocircuito, y el ruido o las señales que se encuentren perdidas en la malla circularían por el hilo de cobre. Estos cortocircuitos de bajo voltaje generalmente causan un fallo en el dispositivo y lo habitual es que se pierdan los datos.

Una cubierta exterior no conductora (normalmente hecha de goma, Teflón o plástico) rodea todo el cable.

El cable coaxial es más resistente a interferencias y atenuación que el cable de par trenzado.

La malla de hilos protectora absorbe las señales electrónicas perdidas, de forma que no afecten a los datos que se envían a través del cable de cobre interno. Por esta razón, el cable coaxial es una buena opción para grandes distancias y para soportar de forma fiable grandes cantidades de datos con un equipamiento poco sofisticado.

Tipos de cable coaxial

El tipo de cable coaxial más apropiado depende de las necesidades de la red en particular.

Cable Thinnet (Ethernet fino) . Es un cable coaxial flexible de unos 0,64 centímetros de grueso (0,25 pulgadas). Se puede utilizar para la mayoría de los tipos de instalaciones de redes, ya que es un cable flexible y fácil de manejar. Puede transportar una señal hasta una distancia aproximada de 185 metros (unos 607 pies) antes de que la señal comience a sufrir atenuación.

De acuerdo a denominaciones específicas para los diferentes tipos de cables, Thinnet está incluido en un grupo que se denomina la familia RG-58 y tiene una impedancia de 50 ohm. (La impedancia es la resistencia, medida en ohmios, a la corriente alterna que circula en un hilo.)

La característica principal de la familia RG-58 es el núcleo central de cobre y los diferentes tipos de cable de esta familia son:

• RG-58/U: Núcleo de cobre sólido.

• RG-58 A/U: Núcleo de hilos trenzados.

• RG-58 C/U: Especificación militar de RG-58 A/U.

• RG-59: Transmisión en banda ancha, como el cable de televisión.

• RG-60: Mayor diámetro y considerado para frecuencias más altas que RG-59, pero también utilizado para transmisiones de banda ancha.

• RG-62: Redes ARCnet.

Cable Thicknet (Ethernet grueso) . Es relativamente rígido de aproximadamente 1,27 centímetros de diámetro. El núcleo de cobre del cable Thicknet es más grueso que el del cable Thinnet. Cuanto mayor sea el grosor del núcleo de cobre, más lejos puede transportar las señales. El cable Thicknet puede llevar una señal a 500 metros. Por tanto, debido a la capacidad de Thicknet para poder soportar transferencia de datos a distancias mayores, a veces se utiliza como enlace central o backbone para conectar varias redes más pequeñas basadas en Thinnet.

Un transceiver conecta el cable coaxial Thinnet a un cable coaxial Thicknet mayor. Un transceiver diseñado para Ethernet Thicknet incluye un conector conocido como «vampiro» o «perforador» para establecer la conexión física real con el núcleo Thicknet. Este conector se abre paso por la capa aislante y se pone en contacto directo con el núcleo de conducción. La conexión desde el transceiver a la tarjeta de red se realiza utilizando un cable de transceiver para conectar el conector del puerto de la interfaz de conexión de unidad (AUI) a la tarjeta. Un conector de puerto AUI para Thicknet también recibe el nombre de conector Digital Intel Xerox (DIX) (nombre dado por las tres compañías que lo desarrollaron y sus estándares relacionados) o como conector dB-15.

Cable Thinnet frente a Thicknet . Como regla general, los cables más gruesos son más difíciles de manejar. El cable fino es flexible, fácil de instalar y relativamente barato. El cable grueso no se dobla fácilmente y, por tanto, es más complicado de instalar. Éste es un factor importante cuando una instalación necesita llevar el cable a través de espacios estrechos, como conductos y canales. El cable grueso es más caro que el cable fino, pero transporta la señal más lejos.

Hardware de conexión del cable coaxial

Tanto el cable Thinnet como el Thicknet utilizan un componente de conexión llamado conector BNC, para realizar las conexiones entre el cable y los equipos. Existen varios componentes importantes:

• El conector de cable BNC . Está soldado, o incrustado, en el extremo de un cable.

• El conector BNC T . Conecta la tarjeta de red (NIC) del equipo con el cable de la red.

• Conector acoplador (barrel) BNC . Se utiliza para unir dos cables Thinnet para obtener uno de mayor longitud.

• Terminador BNC . Cierra el extremo del cable del bus para absorber las señales perdidas.

Tipos de cable coaxial y normas de incendios

El cable que se debe utilizar depende del lugar donde se vayan a colocar los cables en la oficina. P uede ser:

El cloruro de polivinilo (PVC) es un tipo de plástico utilizado para construir el aíslante y la clavija del cable en la mayoría de los tipos de cable coaxial. El cable coaxial de PVC es flexible y se puede instalar fácilmente a través de la superficie de una oficina. Sin embargo, cuando se quema, desprende gases tóxicos.

Un plenum . Es el espacio muerto que hay en muchas construcciones entre el falso techo y el piso de arriba; se utiliza para que circule aire frío y caliente a través del edificio. Las normas de incendios indican instrucciones muy específicas sobre el tipo de cableado que se puede mandar a través de esta zona, debido a que cualquier humo o gas en el plenum puede mezclarse con el aire que se respira en el edificio.

El cableado de tipo plenum contiene materiales especiales en su aislamiento y en 1a clavija del cable. Estos materiales están certificados como resistentes al fuego y producen una mínima cantidad de humo; esto reduce los humos químicos tóxicos. El cable plenum se puede utilizar en espacios plenum y en sitios verticales (en una pared, por ejemplo) sin conductos. Sin embargo, el cableado plenum es más caro y menos flexible que el PVC.

Consideraciones sobre el cable coaxial

Utilice el cable coaxial si necesita un medio que pueda:

• Transmitir voz, vídeo y datos.

• Transmitir datos a distancias mayores de lo que es posible con un cableado menos caro

• Ofrecer una tecnología familiar con una seguridad de los datos aceptable.

CABLE PAR TRENZADO

Es de los más antiguos en el mercado y en algunos tipos de aplicaciones es el más común, consiste en dos alambres de cobre o a veces de aluminio, aislados con un grosor de 1 mm aproximado. Los alambres se trenzan con el propósito de reducir la interferencia eléctrica de pares similares cercanos. Los pares trenzados se agrupan bajo una cubierta común de PVC (Policloruro de Vinilo) en cables multipares de pares trenzados (de 2, 4, 8, ...hasta 300 pares).

Un ejemplo de par trenzado es el sistema de telefonía, ya que la mayoría de aparatos se conectan a la central telefónica por intermedio de un par trenzado. Actualmente se han convertido en un estándar, de hecho en el ámbito de las redes LAN, como medio de transmisión en las redes de acceso a usuarios (típicamente cables de 2 ó 4 pares trenzados). A pesar que las propiedades de transmisión de cables de par trenzado son inferiores y en especial la sensibilidad ante perturbaciones extremas a las del cable coaxial, su gran adopción se debe al costo, su flexibilidad y facilidad de instalación, así como las mejoras tecnológicas constantes introducidas en enlaces de mayor velocidad, longitud, etc.

Básicamente se utilizan se utilizan los siguientes tipos de cable pares trenzados:

CABLE DE PAR TRENZADO NO APANTALLADO (UTP, Unshielded Twisted Pair):

Cable de pares trenzados más simple y empleado, sin ningún tipo de apantalla adicional y con una impedancia característica de 100 Ohmios. El conector más frecuente con el UTP es el RJ45, parecido al utilizado en teléfonos RJ11 (pero un poco mas grande), aunque también puede usarse otro (RJ11, DB25,DB11,etc), dependiendo del adaptador de red.

Es sin duda el que hasta ahora ha sido mejor aceptado, por su costo accesibilidad y fácil instalación. Sus dos alambres de cobre torcidos

aislados con plástico PVC, han demostrado un buen desempeño en las aplicaciones de hoy. Sin embargo a altas velocidades puede resultar vulnerable a las interferencias electromágneticas del medio ambiente.

CABLE DE PAR TRENZADO APANTALLADOS (STP, kshielded Twisted Pair):

En este caso, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de apantalla frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 OHMIOS.

El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. Sin embargo es más costoso y requiere más instalación. La pantalla del STP para que sea más eficaz requiere una configuración de interconexión con tierra (dotada de continuidad hasta el terminal), con el STP se suele utilizar conectores RJ49.

Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y sus buenas características contra las radiaciones electromanéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar.

CABLE DE PAR TRENZADO CON PANTALLA GLOBAL (FTP, Foiled Twisted Pair):

En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están apantallados, pero sí dispone de una apantalla global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. Su impedancia característica típica es de 120 OHMIOS y sus propiedades de transmisión son mas parecidas a las del UTP. Además puede utilizar los mismos conectores RJ45.

Tiene un precio intermedio entre el UTP y STP.

El desmembramiento del sistema Bell en 1984 y la liberación de algunos países en el sistema de telecomunicaciones hizo, que quienes utilizaban los medios de comunicación con fines comerciales tuvieran una nueva alternativa para instalar y administrar servicios de voz y datos. Método que se designó como cableado estructurado, que consiste en equipos, accesorios de cables, accesorios de conexión y también la forma de cómo se conectan los diferentes elementos entre sí.

El EIA/TIA define el estándar EIA/TIA 568 para la instalación de redes locales (LAN). El cable trenzado mas utilizado es el UTP sin apantallar que trabajan con las redes 10Base-T de ethernet, Token Ring, etc. La EIA/TIA-568 selecciona cuatro pares trenzados en cada cable para acomodar las diversas necesidades de redes de datos y telecomunicaciones. Existen dos clases de configuraciones para los pines de los conectores del cable trenzado denominadas T568A y T568B. La configuración más utilizada es la T568A.

El cable par trenzado se maneja por categorías de cable:

Categoría 1: Cable de par trenzado sin apantallar, se adapta para los servicios de voz, pero no a los datos.

Categoría 2: Cable de par trenzado sin apantallar, este cable tiene cuatro pares trenzados y está certificado para transmisión de 4 mbps.

Categoría 3: Cable de par trenzado que soporta velocidades de transmisión de 10 mbps de

ethernet 10Base-T, la transmisión en una red Token Ring es de 4 mbps. Este cable tiene cuatro pares.

Categoría 4: Cable par trenzado certificado para velocidades de 16 mbps. Este cable tiene cuatro pares.

Categoría 5: Es un cable de cobre par trenzado de cuatro hilos de 100 OHMIOS. La transmisión de este cable puede se a 100 mbps para soportar las nuevas tecnologías como ATM

(Asynchronous Transfer Mode).

Existen varias opciones para el estándar 802,3 que se diferencian por velocidad, tipo de cable y distancia de transmisión.

10Base-T: Cable de par trenzado con una longitud aproximada de 500 mts, a una velocidad de 10 mbps.

1Base-5: Cable de par trenzado con una longitud extrema de 500 mts, a una velocidad de 1 mbps.

100Base-T: (Ethernet Rápida) Cable de par trenzado, nuevo estándar que soporta velocidades de 100 mbps que utiliza el método de acceso CSMA/CD.

100VG AnyLan: Nuevo estándar Ethernet que soporta velocidades de 100 mbps utilizando un

nuevo método de acceso por prioridad de demandas sobre configuraciones de cableado par

trenzado.