1.2: Ingeniería de RF y Microondas

Una señal de RF es una señal que es generada de manera coherente, radiada por una antena transmisora, propagada a través del aire o del espacio, recogida por una antena receptora, y luego amplificada y extraída información. Un circuito de RF opera a la misma frecuencia que la señal de RF que se transmite o recibe. Es decir, la frecuencia a la que opera un circuito no define que sea un circuito de RF. El espectro de RF es parte del espectro electromagnético (EM) explotado por los humanos para las comunicaciones. En el Cuadro 1.1.1 se muestra una amplia categorización del espectro EM. Hoy en día las radios operan desde\(3\text{ Hz}\) hasta\(300\text{ GHz}\), aunque el extremo superior aumentará a medida que avance la tecnología.

Microondas se refiere a las frecuencias donde el tamaño de un circuito o estructura es comparable o mayor que la longitud de onda de la señal EM. La división es arbitraria pero si una estructura de circuito es mayor que\(\frac{1}{20}\) de una longitud de onda, entonces la mayoría de los ingenieros considerarían que el circuito es un circuito de microondas. Por ahora el rango de frecuencias de microondas generalmente se toma como\(300\text{ MHz}\) a\(300\text{ GHz}\). A estas frecuencias se deben considerar los efectos distribuidos, a veces llamados efectos de línea de transmisión.

Una de las características clave que distingue las señales de RF de la luz infrarroja y la luz visible es que se puede generar una señal de RF con fase coherente, y la información puede transmitirse tanto en variaciones de amplitud como de fase de la señal de RF. Tales señales se pueden generar fácilmente hasta\(220\text{ GHz}\). El hardware necesario se vuelve progresivamente más caro a medida que aumenta la frecuencia. El límite superior de las radiofrecuencias es aproximadamente\(300\text{ GHz}\) hoy en día, pero el límite se extiende lentamente por encima de esto a medida que avanza la tecnología.

Las bandas de RF se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{1}\) junto con los modos de propagación y aplicaciones representativas. La propagación de señales de RF en el espacio libre sigue una o más rutas desde un transmisor a un receptor a cualquier frecuencia, con diferencias en el tamaño de las antenas necesarias para transmitir y recibir señales. El tamaño de la antena necesaria está relacionado con la longitud de onda, con las dimensiones típicas que van desde un cuarto de longitud de onda hasta algunas longitudes de onda si se usa un reflector para enfocar las ondas EM. En la tierra, y dependiendo de la frecuencia, las señales de RF se propagan a través de las paredes, se difractan alrededor de los objetos, se refractan cuando cambia la constante dieléctrica del medio y se reflejan desde edificios y paredes. La extensión depende de la frecuencia.

Sobre el suelo la propagación a RF se ve afectada por la pérdida atmosférica, por las capas de carga inducidas por la radiación solar en la atmósfera superior, y por las variaciones de densidad en el aire causadas por el calentamiento así como el adelgazamiento del aire con altura sobre la tierra. La ionosfera es la parte más alta de la atmósfera,\(60\) a\(90\text{ km}\), y es ionizada por la radiación solar, produciendo una superficie reflectante, llamada capa D, a señales de radio hasta\(3\text{ GHz}\). La capa D se debilita por la noche y la mayoría de las señales de radio pueden pasar a través de esta capa debilitada. La capa E se extiende desde\(90\) hasta\(120\text{ km}\) y es ionizada por rayos X y radiación ultravioleta extrema, y las regiones ionizadas, que reflejan señales de RF, forman nubes ionizadas que duran solo unas horas. La capa F de la ionosfera se extiende desde\(200\) hasta\(500\text{ km}\) y la ionización en esta capa se debe a la radiación ultravioleta extrema. La refracción resulta de esta capa cargada en lugar de la reflexión, ya que las cargas están ampliamente separadas. Por la noche la capa F da como resultado lo que se llama la onda del cielo, que es la refracción de las ondas de radio alrededor de la tierra. A bajas frecuencias, una onda de radio penetra en la superficie terrestre y la onda puede quedar atrapada en la interfaz entre dos regiones de diferente permitividad, la región terrestre y la región aérea. Esta onda de radio se llama onda superficial o onda de tierra.

Nota

Cuando una señal de radio cerca\(60\text{ GHz}\) pasa a través del aire, una molécula de oxígeno de dos átomos de oxígeno unidos vibra y la energía EM se transfiere a la energía mecánica de la vibración y por lo tanto el calor.

Las señales de RF que se propagan en el aire son absorbidas por moléculas en la atmósfera principalmente por resonancias moleculares como la flexión y estiramiento de los enlaces. Esta flexión y estiramiento convierte la energía en la onda EM en energía vibratoria de las moléculas. La transmitancia de señales de radio versus frecuencia en aire seco a una altitud de\(4.2\text{ km}\) se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). La primera resonancia molecular que se encuentra en el aire seco a medida que aumenta la frecuencia es la resonancia de oxígeno, centrada en\(60\text{ GHz}\), pero por debajo de ella, la absorción en el aire seco es muy pequeña. La atenuación aumenta con mayor presión de vapor de agua (con una resonancia en\(22\text{ GHz}\)) y en lluvia. Dentro\(2\text{ GHz}\) de\(60\text{ GHz}\) una señal no viajará muy lejos, y esto puede ser utilizado para proporcionar comunicación localizada a través de unos pocos metros como un enlace de datos local. Las regiones de baja atenuación (es decir, alta transmitancia), se denominan ventanas y hay numerosas ventanas de baja pérdida.

Banda		Longitud de onda de frecuencia	Modo de propagación/aplicaciones
TLF	Frecuencia tremendamente baja	\(< 3\text{ Hz} > 100,000\text{ km}\)	Penetración de líquidos y sólidos/Comunicación submarina
ELFO	Frecuencia extremadamente baja	\(3-30\text{ Hz}, 100,000-10,000\text{ km}\)	Penetración de líquidos y sólidos/Comunicación submarina
SLF	Super baja frecuencia	\(30-300\text{ Hz}, 10,000-1,000\text{ km}\)	Penetración de líquidos y sólidos/Comunicación submarina
ULF	Frecuencia ultrabaja	\(300-3,000\text{ Hz}, 1,000-100\text{ km}\)	Penetración de líquidos y sólidos/Comunicación submarina; comunicación dentro de minas
VLF	Muy baja frecuencia	\(3-30\text{ kHz}, 100-10\text{ km}\)	Onda guiada atrapada entre la tierra y la ionosfera/Navegación, geofísica
LF	Baja frecuencia	\(30-300\text{ kHz}, 10-1\text{ km}\)	Onda guiada entre la tierra y la capa D de la ionosfera; ondas superficiales, penetración/navegación de edificios, emisión AM, radio amateur, señales de tiempo, RFID
MF	Frecuencia media	\(300-3,000\text{ kHz}, 1000-100\text{ m}\)	Onda superficial, penetración de edificios; hora del día: onda guiada entre la tierra y la capa D de la ionosfera; noche: ola ciela/transmisión AM
HF	Alta frecuencia	\(3-30\text{ MHz}, 100-10\text{ m}\)	Onda del cielo, penetración de edificios/emisión de onda corta, radar sobre el horizonte, RFID, radio amateur, telefonía marina y móvil
VHF	Muy alta frecuencia	\(30-300\text{ MHz}, 10-1\text{ m}\)	Línea de visión, penetración de edificios; hasta\(80\text{ MHz}\), ondas de cielo durante períodos de alta actividad de manchas solares/emisión de FM y TV, radio meteorológica, comunicaciones de aviones de línea de visión
UHF	Frecuencia ultra alta	\(300-3000\text{ MHz}, 10-1\text{ cm}\)	Línea de visión, penetración de edificios; a veces conductos troposféricos/comunicaciones celulares 1G—4G, RFID, hornos microondas, radioastronomía, navegación por satélite
SHF	Super alta frecuencia	\(3-30\text{ GHz}, 10-1\text{ cm}\)	Comunicaciones celulares de línea de vista/5G, Radioastronomía, comunicaciones punto a punto, redes inalámbricas de área local, radar
EHF	Frecuencia extremadamente alta	\(30-300\text{ GHz}, 10-1\text{ mm}\)	Línea de vista/Comunicaciones celulares 5G, Astronomía, teledetección, comunicaciones punto a punto y por satélite
THF	Terahercios o frecuencia tremendamente alta	\(300-3,000\text{ GHz}, 1,000-100\:\mu\text{m}\)	Línea de visión /Espectroscopia, imagenología

Tabla\(\PageIndex{1}\): Bandas de radiofrecuencia, mecanismos de propagación primaria y aplicaciones seleccionadas.

Las señales de RF se difractan y así pueden doblarse alrededor de las estructuras y penetrar en los valles. La capacidad de difractar se reduce al aumentar la frecuencia. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, el tamaño de las antenas disminuye y la capacidad de transportar información aumenta. Un muy buen compromiso para las comunicaciones móviles es en UHF,\(300\text{ MHz}\) a\(4\text{ GHz}\), donde las antenas son de tamaño conveniente y hay una buena capacidad para difractar alrededor de objetos e incluso penetrar paredes. Esta elección se puede ver con los sistemas de comunicación celular 1G-4G que operan en varias bandas desde\(450\text{ MHz}\) hasta\(3.6\text{ GHz}\) donde las antenas no dominan el tamaño del teléfono, y la capacidad de recibir llamadas dentro de los edificios y sin línea de visión a la estación base es bien conocida.

Las bandas de RF se han dividido aún más para aplicaciones particulares. El

Figura\(\PageIndex{1}\): Transmisión atmosférica en Mauna Kea, con una altura de\(4.2\text{ km}\), en la Isla de Hawai donde la presión atmosférica es\(60\%\) de la que se encuentra a nivel del mar y el aire es seco con un nivel de vapor de agua precipitable de\(0.001\text{ mm}\). Después [5].

Figura\(\PageIndex{2}\): Guía de ondas rectangular con dimensiones internas de\(a\) y\(b\). Por lo general\(a ≈ b\). Las ondas EM están confinadas dentro de las cuatro paredes metálicas y se propagan en la\(±z\) dirección. Poca corriente fluye en las paredes de la guía de ondas y por lo tanto las pérdidas resistivas son pequeñas En comparación con las líneas coaxiales, las guías de onda rectangulares tienen pérdidas muy bajas.

Las bandas de frecuencia para radar se muestran en la Tabla 1.3.1. Las bandas L, S y C se conocen como que tienen anchos de banda de octava, ya que la frecuencia superior de una banda es el doble de la frecuencia inferior. Las otras bandas son bandas de media octava, ya que el límite de frecuencia superior es aproximadamente 50% mayor que el límite de frecuencia inferior. Las mismas designaciones de bandas de letras son utilizadas por otros estándares. La designación de banda alternativa más importante es para las bandas de guía de ondas. Estas bandas se refieren al rango útil de operación de una guía de ondas rectangular, que es un tubo rectangular que confina una señal de propagación dentro de cuatro paredes conductoras (ver Figura\(\PageIndex{2}\)). Las bandas de guía de ondas se muestran en la Tabla 1.3.2 con la designación de letras convencionales de bandas y dimensiones estandarizadas de guía de ondas. En comparación con las líneas coaxiales, las guías de onda rectangulares tienen pérdidas muy bajas. \(^{1}\)

Notas al pie

[1] Una línea coaxial semirrígida con un diámetro de conductor externo de\(3.5\text{ mm}\) tiene una pérdida en\(10\text{ GHz}\) de\(0.5\text{ db/m}\) mientras que una guía de ondas de banda X tiene una pérdida de\(0.1\text{ dB/m}\). En\(100\text{ GHz}\) una línea coaxial\(1\text{ mm}\) de diámetro tiene una pérdida de\(12.5\text{ dB/m}\) comparación con la\(2.5\text{ dB/m}\) pérdida para una guía de ondas de banda W.