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Normalmente, cuando alguien le pregunta a otro alguien qué asignatura está estudiando, y éste responde "
Psicología social de la familia", el primero no hace
chistes malos del tipo "ah, y ¿ahí qué se estudia? modelos de
familias de esas de las que le gustan a Rajoy, y luego las de la new-age rosa?". Cuando la respuesta es "
Métodos de construcción de pruebas" nadie contesta "ah, ¿eso qué es, por si la policía no encuentra nada y
se lo tienen que inventar?". Y cuando la asignatura es "
Gestión y distribción de abonos" a nadie se le ocurre decir que "
vaya mierda de asignatura". No. Suele haber cierto respeto profesional.
Sin embargo, cuando, enterrado bajo una pila de apuntes, cuatro o cinco libros de referencia, abundantes Cartas de Smith, compás, regla, exámenes fotocopiados de los 10 últimos años, y una cara de "no te acerques a mi búnker", te preguntan alegremente: "¿qué asignatura estás estudiando?", y respondes, con previsora desgana "
Microondas", siempre tiene que haber el típico graciosillo (por no decir otra cosa) que menciona la imaginativa ocurrencia: "ah, y para hacer funcionar un microondas ¿hace falta estudiar todo eso? total, ¿no es sólo hornear, descongelar, o grill?"... Carcajadas... Ja. Ja. Ja. Me parto. ¬¬
Con ánimo, en primer lugar, de
culturizar al personal que se pasa las tardes pendiente del próximo braguetazo del Pocholo o de la siguiente recaída de Britney Spears, y en segundo, de que me dejen en paz, a mí y a todos los estudiantes de teleco, o en su defecto que se vayan a freir monas, cada vez que alguien alude a la asignaturita de turno, ¡ya estará bien de una repajolera vez!, voy a explicar, introductoriamente, qué son y a qué saben eso de las microondas. Tranquil@s, todo el mundo lo podrá entender, no voy a entrar en aspectos muy técnicos, será una breve explicación para laicos, o lo que es lo mismo en este contexto pero suena peor, para
dummies :-)
Va, leéoslo, que es divulgación! XD
En primer lugar, una
Onda Electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. A diferencia de las ondas mecánicas (como el sonido, las vibraciones, las olas del mar...), las ondas E.M. no necesitan de un medio material para propagarse (se pueden propagar por el vacío... qué chulas, ¿eh?).
Y ¿qué es la
Radiación Electromagnética? Pues la combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan transportando energía de un lugar a otro. Y si transportan energía, pueden transportar
información.
Fácil, ¿no? Bueno, los que no hayáis entendido hasta aquí, volved a leer los dos párrafos anteriores.
Si seguís sin entenderlo, quedaos con la idea intuitiva que podáis tener de "onda electromagnética" o bien dedicaos al parchís. Si no entendéis porqué pueden propagarse sin necesidad de medio material, simplemente asumidlo. Si no sabéis qué es el vacío, pues básicamente es lo que hay dentro de vuestra cabeza.
Las
Microondas son un tipo de ondas electromagnéticas especiales debido al espectro de frecuencias que abarcan, que está comprendido
entre 300MHz y 300GHz (en la actualidad se considera hasta 1THz). En fácil: las microondas son ondas especiales, porque realmente, su variación senoidal (que nadie se atreva a decir que no sabe lo que es un seno o un coseno) queda limitada a un espacio pequeño.
Otro intento: todas las señales (supuestas periódicas) tienen su
frecuencia, ¿no? (cantidad de veces que repiten su forma de onda por unidad de tiempo). Que es la inversa del
período (tiempo que tarda una onda en volver a repetirse). Vale, pues las microondas tienen una frecuencia muy muy alta, es decir, su variación puede ser del orden de 30.000.000.000. veces por segundo, por ejemplo (30GHz). Y su
longitud de onda (a buen entendedor...) está comprendida entre 1 metro y 1 milímetro; lo que os decía, que son ondas "pequeñitas" (las ondas de radio de FM, por ejemplo, pueden tener una longitud de onda del orden de 100 metros).
Idea básica:
Frecuencia alta, longitud de onda pequeña (alta energía).
Frecuencia baja, longitud de onda grande (baja energía).
Microondas, frecuencia alta, longitud de onda pequeña.
Por supuesto, existen ondas con frecuencias mayores (por tanto, longitudes de onda menores, y más energéticas) que las microondas. Por ejemplo, el
espectro visible por los humanos se sitúa en torno a 300.000 GHz (frecuencias ópticas), y los
rayos X aún tienen 10.000 veces más frecuencia que la luz visible.
Volviendo a nuestras "amigas" las microondas, ocurre que
las dimensiones físicas de los circuitos electrónicos que las manejan son comparables a las longitudes de onda de trabajo (del orden de centímetros... es decir, dimensiones físicas comparables a las dimensiones eléctricas). Esta característica, reservada únicamente a las microondas en todo el
espectro electromagnético, confiere a las mismas una serie de propiedades que hacen interesante su utilización en diversos campos.
(Ahora es cuando sabréis por qué y para qué -más- se usan las microondas... ¬¬ )
(Podéis dosificaros libremente la lectura y comprensión de las aplicaciones... puede que sea conveniente)
1.) Ocurre que
la ganancia de una antena es proporcional a su tamaño eléctrico (y, tratándose de microondas, como acabamos de ver, entonces también a su tamaño físico, que es del mismo orden). La misma relación tiene lugar con su
directividad en relación al área efectiva. Esto se traduce en que, a frecuencia de microondas, se pueden conseguir antenas relativamente pequeñas con directividades razonablemente altas, lo que las hace muy aptas para
enlaces punto a punto con visión directa (enlaces de comunicación permanentes entre transmisores y receptores entre los que hay libertad de visión directa). Considérese que, normalmente, cuanto más alta es la frecuencia de una señal, más pequeña puede ser la antena que la recibe. Así, por ejemplo las antenas de telefonía móvil GSM (1-1.5GHz) miden apenas un par de centímetros, mientras que las antenas de radiodifusión de AM, FM o Televisión (de 1 a 100 MHz) pueden medir alrededor de 1 metro. Con microondas se pueden conseguir antenas de área efectiva manejable (y por tanto, baratas) sin que el ancho de haz disminuya drásticamente, cosa que ocurre a frecuencias mayores.
2.) Gracias a la posición espectral, en microondas se puede trabajar con anchos de banda relativos pequeños y en cambio transportar gran cantidad de información, lo que se traduce en un
mayor ancho de banda efectivo.
Por ejemplo, un ancho de banda relativo de un 1% sobre 500MHz supone un ancho de banda efectivo de 5MHz (el correspondiente a un canal de televisión), mientras que un ancho de banda relativo de un 1% sobre las frecuencias de microondas, por ejemplo, 50Ghz, supone un ancho de banda efectivo de 500MHz (cerca de 100 canales de televisión).
3.) A frecuencias bajas, la
ionosfera (capa más alta de la atmósfera) se comporta como una capa fuertemente reflectora.
Esto es deseable en radiodifusión, pues permite establecer enlaces punto a punto por reflexión entre lugares que no gozan de visión directa debido por ejemplo a la curvatura de la superficie terrestre, o a la presencia de obstáculos insalvables. Así, la reflexión en la ionosfera y otros medios, como la superficie del mar, etc, permiten aumentar el alcance de los enlaces.
Sin embargo,
a frecuencias de microondas la ionosfera es transparente. Por tanto, las microondas enviadas desde la Tierra, no rebotan en ella para volver a la Tierra, sino que se transmiten a través de la ionosfera y pueden así alcanzar las órbitas de los satélites. Por tanto, las microondas son aptas para establecer
enlaces Tierra-satélite. Por supuesto, en el otro sentido la comunicación también es posible, del satélite hacia la Tierra. También se emplea este principio en
aplicaciones de radioastronomía: las radiaciones que emiten los cuerpos celestes atraviesan libremente la atmósfera y son captadas por estaciones terrenas para su análisis.
4.) También ocurre que a frecuencias de microondas, el efecto de la
refracción en las capas bajas de la atmósfera es despreciable, por lo que se puede considerar
propagación en línea recta. Sin embargo, los distintos componentes atmosféricos (oxígeno, nitrógeno, vapor de agua, CO, etc) y las partículas en suspensión en la atmósfera (gotas de agua, cristales de hielo, polvo, humo, etc) presentan problemas debido a fenómenos de
resonancia en la banda de frecuencia de microondas. Por tanto, la transmisión de microondas en espacio libre se realiza en las "
ventanas de transmisión" libres de resonancias, permitiendo así la comunicación sin distorsiones.
El agua por ejemplo presenta una resonancia a 22GHz (presenta más a frecuencias mayores), y el oxígeno una a 60GHz.
Las comunicaciones que se intentaran en tales frecuencias sufrirían una atenuación muy grande al propagarse por el espacio atmosférico "salpicado" (repleto, en realidad) de moléculas de agua y oxígeno. Evidentemente la concentración de dichos elementos y otros factores como la presión atmosférica y la temperatura también son influyentes. Las ventanas de transmisión estándar se sitúan en torno a 30GHz y 100GHz.
5.) En relación con el anterior punto, recapitulamos: ¿por qué es perjudicial intentar transmitir información a las frecuencias de resonancia de los diversos compuestos atmosféricos? Cuando una onda EM incide sobre un material, y lo atraviesa, la onda se atenúa, cediendo parte de su energía inicial al material, en concreto a unas frecuencias particulares que son las frecuencias de resonancia del material, que dependen claro está de su composición molecular. Esta
interacción con la materia hace que la transmisión de información en la atmósfera, por ejemplo, a la frecuencia de resonancia del agua, se vea seriamente comprometida debido a la gran atenuación que las moléculas de agua provocarán en la señal. No obstante, este fenómeno, en principio perjudicial, permite otro planteamiento: dicha energía que la onda pierde al incidir sobre las moléculas de agua se invierte en hacerlas vibrar, en calentarlas. Por tanto, puesto que
el agua absorbe frecuencias de microondas (resonancias a 2.4GHz, 22GHz, 220Ghz, etc), es lógico pensar en la aplicación de tal fenómeno al
calentamiento inducido por microondas. El secado en procesos industriales (piezas cerámicas, barro, etc) mediante
hornos de microondas, la hipertermia, la desinfección, la descongelación, o el cocimiento de alimentos en hornos domésticos es posible gracias a que las microondas (que en este caso no se emplean para transportar información, sino precisamente para disipar energía) calientan el agua de los cuerpos y materiales sometidos a la radiación [
y así, queridos amigos, nacen los hornos domésticos de microondas!! mal llamados, in short, microondas, y que en último término provocaron la defensa y redacción de este artículo]. También son posibles la
detección de mezclas y medidas de composición en materiales.
6.) Las radiaciones de microondas pertenecen al grupo de
radiaciones no ionizantes. La energía de un fotón (en principio, unidad cuántica de radiación luminosa) viene dada por E = h*f, donde h es la constante de Plank y f es su frecuencia. De esta forma, un fotón de microondas tiene una energía comprendida entre 1,2 micro eV y 1.2 mili eV,
energía insuficiente para romper un enlace químico, con lo que no puede extraer electrones y provocar ionización en la materia. Ello quiere decir, por ejemplo, que
no son perjudiciales por contacto en cuanto a fenómenos ionizantes, como el fotoeléctrico ni similares. Otras radiaciones de frecuencias más altas, como los rayos X y los rayos gamma, son mucho más energéticas y sí que presentan problemas de ionización (por ello no es recomendable someterse a rayos X más de lo estrictamente necesario, pues la energía de los cuantos es tan alta que puede provocar la pérdida de electrones en los átomos, y por consiguiente, la destrucción molecular).
7.) Sucede que las oscilaciones atómicas naturales más estables conocidas hasta ahora, la del
hidrógeno (1.420405751GHz), cesio (9.192631770GHz) y rubidio (6.834682608GHz) presentan
oscilaciones extraordinariamente estables dentro del rango de las microondas.
Cuando un electrón hace una transición entre dos niveles de energía, o bien se absorbe (por mecanismos de absorción intrínsecos, o extrínsecos), o provoca la emisión de un fotón (emisión espontánea, o estimulada si se fuerza mediante la aplicación externa de un campo) cuya frecuencia es directamente proporcional a la diferencia de energía entre los dos niveles: f = ΔE/h = (Eq - Ep)/h. Ciertos materiales poseen niveles energéticos muy próximos entre sí, por lo que proporcionan de forma natural frecuencias de interacción extremadamente estables, lo cual es óptimo por ejemplo para la construcción de osciladores o emplear como patrones de referencia (el GPS por ejemplo se sirve de este principio).
8.) Por último, y en relación al punto 1.,
la sección recta radar (se trata de un parámetro fundamental en aplicaciones de
radar que mide el área de reflexión efectiva)
de un blanco es proporcional al tamaño eléctrico del blanco. Este hecho, junto con la ganancia de las antenas, hace que
las microondas se puedan emplear en aplicaciones de radar, aumentando el alcance máximo de detección.
Desde el punto de vista del blanco, que evidentemente no desea ser detectado (avión enemigo, submarino, torpedo, etc...) conviene que el alcance de la estación de detección sea pequeño, de forma que tratará de minimizar su propia sección recta radar evitando ciertos materiales metálicos o interfiriendo activamente en el radar terreno, para así burlar al sistema de detección y pasar desapercibido.
Bien, si has llegado hasta aquí, estoy seguro de que tendrás un amplio conocimiento de las propiedades y las aplicaciones de las microondas, y me consta que no serás el "graciosillo" de turno que haga el puñetero chiste al respecto de la
asignatura Microondas, que se imparte en Ingeniería en Telecomunicación, y de la cual me examino el miércoles. Just for the record, hace un par de años puntuaba sobre 12. Y aprobabas a partir de 5, teniendo la opción de llegar a puntuar hasta 12 como máxima nota. Aún así, el número de aprobados era menor que el de lectores que habréis llegado hasta este punto del artículo. O sea que imaginaos cómo está el patio. De todas formas, si alguien lo ha leído todo y siente curiosidad, le puedo proporcionar gran cantidad de información adicional... e incluso invitarle a realizar el examen en mi nombre, si es que suspendo esta convocatoria.
Sentíos libres de consultar cuantas dudas o preguntas tengáis.
Fotos curiosas, de taller, proyectos, etc (pinchando sobre la foto, os enlaza al sitio original!):
- Antena WIFI para conectar por USB al portátil, realizada con un colador metálico y una espumadera.
- Antena parabólica realizada aprovechando la estructura metálica de las varillas de un paraguas. De estas las he visto yo hacer, y probar. ¡Y funcionan!
- Apuntamiento de antena para un enlace punto a punto entre Tarifa y Tánger. Realizado como parte del proyecto FADAIAT. ¡Muy interesante el enlace!¡
- Clásica antena WIFI "de bote", realizada con un bote metálico de aceitunas, o tomate en conserva, fabada, etc, etc. Funciona. Las he hecho, y van bien. En el enlace hay un completo tutorial ;-)
- Y por último... no, no es una leyenda urbana. La famosa antena con el bote de pringles funciona. Y funciona bastante bien. En un taller que hicimos medimos la ganancia y no recuerdo cuántos dBi salían, pero estaba muy apañadita. Permite conectar cualquier portátil a una red WIFI. En serio. Y más barata no puede salir. Si no os gustan las pringles también se puede hacer con un tubo de estos de papel de cocina gastado, recubriéndolo con papel de aluminio. No os pongo enlace para esta, porque googleando encontráis cientos de tutoriales fijo.
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