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Análisis de un Sistema de Microondas
Conceptos de Microondas
Al incrementarse el uso de las comunicaciones electrónicas al paso de los años, el
espectro de frecuenta que por lo regular se usa para señales de radio, se ha
congestionado bastante. Por eso, ha surgido la necesidad creciente para mayor
espacio en el espectro para manejar video de mayor ancho de banda e informaciones
digitales.
El espectro electromagnético es un recurso natural finito que los hemos venido
usando con rapidez. Por eso ha sido necesario mover las comunicaciones de radio
más arriba del espectro. La expansión principal se hacia en VHF y UHF pero en
estos tiempos se hace en el intervalo de 1 a 300GHz el cual ofrece importante
anchos de banda para comunicaciones y otras aplicaciones.
En frecuencias altas, los componentes estándar no funcionan. Los transmisores
comunes no amplifican u oscilan en dichas frecuencias, y debieron perfeccionarse
transistores especiales. También se desarrollaron muchos otros componentes
especiales para amplificar y procesar señales de microondas.
Para aplicaciones de microondas, las líneas de transmisión de tiras paralelas y
microtiras, toman el lugar de inductores, capacitores y circuitos sintonizados. Las
guías de ondas sirven de línea de transmisión y los tubos especiales, como el
magnetrón y el de ondas viajeras, se utilizan para alcanzar alta potencia.
Los diodos semiconductores para microondas sirven para la detección y el mezclado
de la señal, así como para multiplicadores de frecuencia, atenuación, conmutación y
oscilación.
Microondas comprende las frecuencias ultraltas, superaltas y mucho muy alta,
directamente arriba de los intervalos de frecuencias más bajas donde se dan ahora la
mayor parte de las comunicaciones de radio y debajo de las frecuencias ópticas que
cubren las frecuencias infrarrojas, visibles y ultravioletas.
La radio comunicación se beneficia con esta tecnología de microonda, en el cual es
utilizado por los servicios de comunicaciones.
Frecuencias de microondas y sus bandas
El intervalo principal de microondas se considera entre 1 y 30GHz aunque hay otras
definiciones que incluyen hasta 300GHz.
La longitud de onda en microondas es de 30cm a 1cm.
El espectro de frecuencia de microondas se divide en grupos de frecuencia o bandas
como podemos ver en la figura 15-1.
Las ondas que se encuentran arriba de 40GHz se denominan ondas milimétricas por
tener 1 milímetro de longitud de onda.
Las frecuencias de arriba de 300GHz están en la banda de ondas submilimetricas.
Las ondas milimétricas y submilimetricas se usan para investigaciones y actividades
experimentales.
Los adelantos tecnológicos han desarrollado tecnologías para que no sean tan
grandes las interferencias de los canales adyacentes. Esto permite a las estaciones
operar en frecuencias especiales más cercana entre sí. En los transmisores se han
desarrollado técnica nueva para acomodar más señales en el mismo espacio de
frecuencias. Como ejemplo podemos mencionar el uso de banda lateral.
Desventajas de las Microondas
Es más difícil analizar los circuitos de altas frecuencias.
En el análisis de circuitos de microondas no se basa en relaciones de corrientes y
voltajes.
La electrónica de microonda en análisis de circuitos se establece mediante las
mediciones de campo eléctrico y magnético.
Los componentes de microondas son difíciles de utilizar. Por ejemplo un resistor en
electrónicas de baja frecuencia, no es lo mismo en característica de alta frecuencia.
Los terminales cortos de un resistor, aun cuando sean de menos de 2cm, representa
una cantidad significativa de reactancia inductiva en la frecuencia muy alta de
microonda. También se produce una pequeña capacitancia entre las terminales, por
eso se recomienda el uso de circuito distribuidor, como líneas de transmisores en vez
de componentes agrupados en frecuencia de microonda.
Otro problema es el tiempo de transito en los transistores, ya que el tiempo que toma
una portadora de corriente en microonda es alto el porcentaje del periodo real de la
señal, mientras que en la electrónica de baja frecuencia es despreciable.
Otro problema de microonda es que viaja en línea recta como la onda de luz, por lo
que se hace más limitado a la vista en la comunicación en línea recta.
Las señales de microondas penetran a ionosfera, por lo cual es imposible realizar,
comunicaciones de saltos múltiples.
Sistema de Comunicación por Microondas
Los sistemas de transmisión por microondas utiliza: Transmisor, receptor y antena.
En los sistemas de microondas se utiliza las mismas técnicas de multiplexado y
modulación utilizada en frecuencias bajas. Los componentes difieren en constitución
física en la parte de radio frecuencia.
Transmisores
El transmisor de microonda empieza con un generador de portadora y una serie de
amplitudes.
También incluye un modulador seguido por más etapas de amplificación de
potencia. El amplificador final de potencia aplica la señal a la línea de transmisión y
a la antena. Las etapas del generador de la portadora y de modulación de una
aplicación de microondas son similares a aquellos de los transmisores para
frecuencia más bajas. Solo en las últimas etapas de amplificación de potencia se
usan componentes especiales.
En la figura 15-3 podemos mostrar varias formas de cómo utilizan los transmisores
de microondas.
Receptores
Los receptores de microondas, como los de baja frecuencia son del tipo
superheterodino. Sus entradas están hechas con componentes de microondas. La
mayor parte de los receptores emplean doble conversión. Una primera conversión
hacia abajo lleva la señal dentro del intervalo de UHF o VHF, donde se produce con
facilidad mediante, métodos estándar. Una segunda conversión reduce la frecuencia
a una frecuencia intermedia FI apropiada para la selectividad deseada.
En la figura 15-4 es un diagrama general en bloques de un receptor de microondas
de doble conversión.
La antena se conecta a un circuito sintonizado, el cual podría ser una cavidad
resonante o una microlinea con circuito sintonizado con línea de cinta. La señal
después se aplica a un amplificador de bajo ruido (LNA, Low-Noise Amplifier).
Deben usarse transistores especiales de ruidos bajos, por lo regular, para
proporcional alguna amplificación inicial. Otro circuito sintonizado conecta la señal
de entrada amplificada al mezclador. La mayor parte de los mezcladores son del
tipo de diodo doblemente balanceado, aún cuando también se usan algunos
mezcladores sencillos de un solo diodo.
Líneas de Transmisión
La línea de transmisión que más se usa en comunicaciones de radio de baja
frecuencia es el cable coaxial. Sin embargo, éste tiene una atenuación muy alta en
las frecuencias de microondas y el cable convencional no es apropiado para conducir
señales de microondas, excepto para tramos muy cortos, por lo regular menos de 1
metro.
El cable coaxial especial para microondas que suele emplearse en las bandas bajas
de microondas L.S. y C., está hecho de tubo sólido en vez de alambre, con cubierta
aislante y blindaje flexible trenzado.
El conductor rígido interior está separado del tubo exterior, con separadores o
rondanas, lo cual forma un cable coaxial de bajas perdidas denominado cable de
línea rígida.
El aislamiento entre el conductor interno y el tubo exterior puede ser aire; en
algunos casos se bombea un gas, como nitrógeno, dentro de cable para reducir la
formación de humedad que produce pérdidas excesivas. Este tipo de cobre se utiliza
para tramos largos de línea de transmisión a una antena en una torre.
En frecuencia de microondas más altas, banda C y las que siguen, se usa un tubo
especial circular o cualquier hueco llamado guía de ondas para la línea de
transmisión como podemos ver en la figura 15-18.
Antena G
En microonda todavía se emplean antenas estándares, entre ellos el dipolo simple y
la antena vertical en un cuarto de longitud de onda. En esta frecuencia el tamaño de
la antena es muy pequeño; por ejemplo, la longitud de un dipolo de media onda a
2GHz es solo 8cm. Una antena vertical de un cuarto de longitud de onda para el
centro de la banda c es solo 15 milímetros.
Debido a la transmisión en línea de vista de las señales de microonda y proporcionan
un incremento en la ganancia, que ayuda en contrarrestar el problema de ruido en las
frecuencias de microondas. Por esta razón importante, por lo regular se usan
antenas especiales altamente direccionales y con alta ganancia en las aplicaciones de
microondas.
En frecuencias bajas de microondas, de menos de 2GHz, por lo común se usan
antenas estándar; entre ellas el dipolo y sus variaciones como la de corbata de moño,
yagi y plano de tierra. Otra variación es el reflector de la figura 15-41. Esta antena
es de un ancho de banda amplio, donde el dipolo de media longitud de onda se
alimenta con cada coaxial de bajas perdidas.
Detrás del dipolo esta un reflector hecho con hoja sólida de metal, un grupo de
barras horizontales especiales muy juntas, o una malla fina de material para producir
la resistencia al viento.
El ángulo del reflecto es por lo regular de 45º, 60º o 90º y el espacio entre el dipolo
y la esquina del reflector se encuentra entre 0.25 a 0.75 de longitud de onda.
Dentro de estos limites de espacio, la ganancia varía solo alrededor de 1.5 db. Sin
embargo, la impedancia de punto de alimentación del dipolo varía en forma
considerable con el espaciamiento.
Existen otros tipos de antenas para microonda:
Antena de Cuernos: podemos verla en la figura 15-42 y figura 15-43.
Antenas Parabólicas: podemos verla en la figura 15-47.
Antena Hiperbólica: podemos verla en la figura 15-50.
Antena Biconica: podemos verla en la figura 15-51.
Antena de Ranuras: podemos ver la en la figura 15-53.
Antenas Dieléctricas: podemos verla en la figura 15-55.
Antena de Parche: podemos verla en la figura 15-56.
Aplicación de las Microondas
Las microondas se utilizan ampliamente en las comunicaciones de teléfono y de
radar. También se usa en las estaciones de televisión usando enlaces relevadores de
microondas en lugar de cables coaxiales para transmitir señales de televisión a través
de largas distancias, y las redes de televisión por cable utilizan comunicaciones por
satélite para transmitir programas de una localidad a otra.
Las comunicaciones por satélite, sondas especiales y otros vehículos especiales por
lo regular se realizan mediante transmisión de microondas, por lo que las señales de
microondas no reflejan o absorben en la ionosfera como muchas otras señales de
frecuencia más bajas.
Los microondas también se usan en calentamiento: en la cocina (hornos de
microondas), en la práctica media (aparato de diatermia para calentar los tejidos de
los músculos sin dañar la piel y en la industria.
Sistemas de Enlaces de Radio por Microondas
Las compañías telefónicas utilizan estaciones repetidoras de microondas o
estaciones de enlaces de radio para llevar llamadas telefónicas a grandes distancias
mediante la aplicación de multiplexado.
Las repetidoras de microondas son una opción al empleo de cableado estándar (por
trenzado) o el cable de fibra óptica. El radio por microonda se utiliza en las
localidades donde es difícil o muy costoso tender cobre de cualquier naturaleza, por
ejemplo en áreas montañosas o desiertos.
Las compañías telefónicas tienen equipos terminales donde se originan y terminan
las señales. Este equipo se comunica con una hilera de estaciones repetidoras a lo
largo de la trayectoria desde el origen hasta el destino. Cada estación repetidora
tiene un receptor y un transmisor con las que envían y recibe señales en ambas
direcciones al mismo tiempo.
Estos equipos operan en bandas asignadas con frecuencias cercanas a 2, 4, 6, 11, 13
y 18GHz.
La distancia entre repetidoras varía tanto con el terreno como con la frecuencia de
operación. La separación máxima entre repetidores por lo regular es de 40 a 60Km
en frecuencias más bajas.
En frecuencias más altas se requiere menos potencia y la perdida en la trayectoria es
mucho mayor, en especial en mal tiempo con lluvia y niebla. Por lo tanto la
separación entre repetidora es mucho menos, por lo general 25km. Las antenas son
platos parabólicos montadas en torres altas; siempre que sea posible, las torres se
localizan en colonias, cumbres de montaña o aun edificio alto para incrementar las
distancia de transmisión.
En la figura 15-57 el equipo para sistema de enlace de radio por microondas. Una
señal multiplexado que tiene docenas, cientos o aun miles de llamadas se emplea
para modular una portadora de 70MHz. Con señales análogas se usa FM y con
señales digitales BPSK. La señal se magnifica con un amplificador de FI y envía a
un mezclador, que se utiliza como convertidor hacia arriba en la frecuencia de
operación final. Después, la señal resultante se magnifica con un amplificador de
potencia clase c y se aplica a la antena, que por lo regular es una antena de cuerno
que alimenta un plato parabólico.
La antena capta la señal en el extremo receptor y alimenta al mezclador por medio
de un circuito sintonizado. Este puede ser una microlínea o un filtro pasabanda en
cavidad resonante. El mezclador es por lo regular, un diodo de portadores de alta
energía dicho aparato, que también esta excitado por un oscilador local, convierte la
señal hacia abajo en una FI, la frecuencia intermedia (FI) es casi siempre 70MHz,
aun cuando también en algún sistema se usan 140MHz. La señal pasa a través de un
amplificación de FI donde se obtiene la selectividad y el ancho de banda deseado
para el receptor.
Se usa un AGC como en la mayor parte de los receptores superheterodinos. Llegan
a utilizarse otra técnica de procesamiento como la compensación, la cual hace su
función por corrimiento, de fase y problemas de respuesta de frecuenta. Por último,
la señal se remodula, la señal recuperada, una composición de muchas llamadas
telefónicas, se envía a un de multiplexor donde logran recuperarse las señales en
forma individual.
Estación Repetidora Análoga
Las estaciones repetidoras análogas sirven para transmitir y recibir llamadas
analógicas multiplexados mediante un multiplexado por división de frecuencia.
Podemos ver un diagrama de bloque de una estación repetidora analógica.
Estaciones Repetidoras Regenerativas Digitales
Se usa una estación repetidora de tipo diferente cuando se están transmitiendo
llamadas telefónicas digitales. Las llamadas telefónicas por lo común se digitalizan
y transmiten mediante técnicas de multiplexado por división de tiempo, como la
señal T1 en los Estados Unidos, Canadá y Japón; esta señal tiene 24 canales
digitales a una velocidad de 8KHz mediante 8bits por palabras.
La diferencia que existe entre una estación repetidora digital y una analógica es la
inclusión de sección de un demodulador y un modulador entre el amplificador de FI
y el convertidor hacia arriba. La circuiteria se añade en los puntos designados por X
en la figura 15-58.
Radar
Es un sistema de comunicación electrónico que recibe el nombre de (Radio
detección en Ranging). Esta basado en el principio de que la RF de frecuencia altas
son reflejadas por blancos conductivos. Los blancos comunes son aviones, misiles,
barcos y automóviles. En un sistema de radas, una señal se transmite hacia el
blanco. Asimismo, un receptor en la unidad de radar capta la señal reflejada. La
señal reflejada de radio se llama Eco. La unidad de radar puede determinar la
distancia al blanco (Rango), su dirección (acimut) y en algunos casos, su elevación
(distancia arriba del horizonte).
La capacidad del radar para determinar la distancia entre un blanco remoto y la
unidad del radar depende del conocimiento de la velocidad de transmisión.
En la figura 15-61 se puede observar el diagrama de bloques de una unidad de radar
de pulso. Hay cuatro subsistemas básicos: Antena, transmisor, receptor y unidad de
presentación.
