miércoles, 1 de diciembre de 2010

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

Archivo:EM Spectrum Properties es.svg


El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Existen frecuencias de 30 Hzs y menores que son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas. Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas.

La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos. Se relacionan en las siguientes ecuaciones:

c = f \lambda \,\!

E=hf \,\!


Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican en base a su longitud de onda en ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos como luz visible– ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve. Al igual que las ondas de sonido, la radiación electromagnética puede dividirse en octavas.

La espectroscopía puede detectar una región mucho más amplia del espectro electromagnético que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectrómetro de laboratorio común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm.

== Bandas del espectro electromagnético Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.

Fenómenos asociados a la radiación electromagnética

Interacción entre radiación electromagnética y conductores


Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.

De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.


Estudios mediante análisis del espectro electromagnético


Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.


Penetración de la radiación electromagnética


En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).


Refracción


La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}


siendo ε0 y μ0 la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente.

En un medio material la permitividad eléctrica ε tiene un valor diferente a ε0. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética μ y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio v será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c.

Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera:

v=\frac{1}{\sqrt{\epsilon\mu}}



Dispersión

La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.

Archivo:Prism rainbow schema.png

Radiación electromagnética

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.  A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas Ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí).

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

E=h\cdot\nu


donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.
Valor de la constante de Planck

h =\,\,\, 6.626\ 0693 (11) \times10^{-34}\ \mbox{J}\cdot\mbox{s} \,\,\, = \,\,\,  4.135\ 667\ 43(35) \times10^{-15}\ \mbox{eV}\cdot\mbox{s}

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

c = \lambda \cdot \nu

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).

Onda Electromagnetica

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse; es decir, pueden desplazarse por el vacío.

Archivo:Onde electromagnetique.svg


James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacío. Esas observaciones llevaron a Maxwell a proponer que la luz visible realmente está formada por ondas electromagnéticas. La trascendencia de la teoría de Maxwell estriba en que proporcionaba una descripción matemática del comportamiento general de la luz. En particular este modelo describe con exactitud cómo se puede propagar la energía en forma de radiación por el espacio en forma de vibración de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, las propuestas de Maxwell ocasionaron cierto debate, especialmente dos cuestiones:

1. La posibilidad de la propagación de las ondas en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento. Ya que la idea de que una onda se propagara de forma autosostenida en el vacío resultaba extraña, razón por la cual años antes había nacido la teoría del éter.

2. Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevó a interpretar la velocidad de propagación constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto éter inmóvil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo, el famoso experimento de Michelson y Morley descartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein, Poincaré, H. Lorentz y otros, explicarían la constancia de la velocidad de la luz como una constante de las leyes de la Física. (la teoría especial de la relatividad extiende la constante de propagación de la luz a todo fenómeno físico, no sólo las ondas electromagnéticas).

Sin embargo a pesar de todas esas cuestiones los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas, diferentes de la luz, fueron llevados a cabo por Heinrich Hertz en 1888, gracias a que fue el primero en construir un aparato que emitía y detectaba ondas electromagnéticas VHF y UHF.

Las ecuaciones anteriores describen una onda con factores de atenuación dependientes de σ que se propaga a una velocidad . Cuando la onda se propaga en el vacío σ = 0 y la ecuación se reduce a la ecuación de ondas común:

\nabla^2 \mathbf{E} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} = 0, \qquad \nabla^2 \mathbf{B} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} = 0

Las comunicaciones por vía microondas, lo que se ve en vivo en la t.v.

En casi la misma forma en que una linterna proyecta un rayo de luz desde un punto hacia otro, las microondas pueden ser transmitidas en línea recta y sin obstáculos desde un transmisor hacia un receptor. En el proceso, las microondas pueden transportar información de audio y video.

A medida que las transmisiones a distancia se hicieron más populares, las estaciones de televisión percibieron la ventaja de tener equipos móviles de producción de campo, equipados con platos de microondas de manera de poder cubrir en vivo y directo eventos deportivos, desfiles, mítines, etc.Hay receptores y transmisores de microondas pequeños, sólidos y de onda corta que pueden ser montados fácilmente en trípodes livianos, para dirigir señales de televisión desde un campo, hacia otro cercano donde se encuentra una unidad móvil de producción. Luego este, envía la señal a alguno de los puntos de repetición de la ciudad (generalmente ubicado en el techo de un edificio) desde donde la señal es finalmente enviada hacia el estudio o centro de producción.

Las microondas deben tener un camino recto y definido, cualquier obstrucción, inclusive una lluvia fuerte, granizo o nieve puede degradar o eliminar completamente la señal.

La estructura fundamental del transmisor de microondas consiste en un oscilador, generalmente un klystron, un modulador y un amplificador. El tipo de las unidades empleadas depende de la frecuencia de transmisión, la magnitud de la potencia de salida necesaria y del tipo de modulación. El equipo repetidor, que constituye el equipo esencial de todo sistema de comunicaciones de microondas, puede convertirse, generalmente, para poder funcionar como terminal mediante algunos simples cambios de conexiones de los tableros especiales para este fin.

Las comunicaciones por vía microondas, lo que se ve en vivo en la t.v.


Equipos necesarios para la transmisión
Equipo repetidor

En una instalación típica, el equipo repetidor de un sistema de microondas, funciona de la siguiente manera: la señal de entrada procedente de la estación terminal o de la repetidora precedente, es captada por el sistema de antena y mezclada con una parte de la salida de un oscilador local klystron (oscilador de radio frecuencia de alta potencia), cuya frecuencia se encuentra desfasada con respecto a la frecuencia media de la señal de entrada, por ejemplo en 90 MC. Esta señal de F.l. es rectificada, amplificada y alimentada al reflector del klystron de forma de mantenerlo con una diferencia constante de frecuencia respecto a la señal recibida, que luego es retransmitida a la siguiente estación repetidora o terminal.

Los circuitos y el funcionamiento de las secciones del repetidor son idénticos, para comunicaciones en dos sentidos, con el fin de diferenciarlas y como referencia. Cuando el receptor de la sección A recibe una señal de una antena (oeste), la válvula klystron funciona como oscilador local del receptor A y también de transmisor A, para suministrar energía a la segunda antena (este), la cual irradia la energía a la siguiente estación. La mayor parte de la salida de la klystron es utilizada como alimentación del transmisor.
Equipo terminal

El funcionamiento de una estación terminal es similar al de una repetidora, con la excepción de que la terminal suministra transmisión y recepción en un solo sentido. Una terminal se usa siempre en combinación con un equipo emisor o receptor de mensajes (múltiplex), según sea el sistema. La señal de entrada se alimenta a la sección klystron del receptor, la cual es idéntica a una de las secciones del repetidor, con la excepción de que la salida del klystron termina en una antena fantasma en lugar de la antena real, pues la señal recibida no es retransmitida desde la terminal. Para la función transmisora la mayoría de los circuitos receptores se derivan, y las señales de entrada del equipo múltiplex se alimentan a los circuitos de inserción de la terminal. Estas señales de entrada se amplifican y alimentan a la klystron de esta sección, cuya salida es transmitida al siguiente repetidor.

Así pues, gracias a estos componentes del mundo de las telecomunicaciones y de la tecnología, se puede ver claramente lo que sucede en determinado momento en vivo y directo desde el canal de televisión que se sintoniza, obteniendo así un rápido acceso a la información y al disfrute de cualquier evento que se realice en determinado lugar como aporte cultural y educativo.

MASER

Máser es un acrónimo de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación). Como su nombre indica, su funcionamiento está basado en el fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciado por Albert Einstein en 1916. Es un amplificador similar al láser, pero opera en la región de microondas del espectro electromagnético y sirve para recibir señales muy débiles.

Cuando una molécula o un átomo se hallan en un estado energético adecuado y pasan cerca de una onda electromagnética, ésta puede inducirles a emitir energía en forma de otra radiación electromagnética con la misma longitud de onda que refuerza la onda de paso y desencadena una cascada de fenómenos que llevan a aumentar mucho la intensidad del impulso original. En algunas nubes de materia interestelar excitada por la radiación de estrellas cercanas se produce el mismo fenómeno, que conduce a la formación de un intenso haz de radiación con longitud de onda bien definida.

Archivo:Hmaser-es.svg

Archivo:Hydrogen maser.jpg

Sistemas de radio de microondas con frecuencia modulada

Los sistemas de radio de microondas que usan modulación de frecuencia se conocen ampliamente por proporcionar comunicaciones flexibles, confiables y económicas, de punto a punto, cuando usan la atmósfera terrestre como medio de transmisión. Los sistemas de microondas FM que se usan con el equipo multiplexor adecuado son capaces de conducir en forma simultánea desde unos pocos circuitos de voz de banda angosta, hasta miles de circuitos de voz de alta velocidad, audio de calidad comercial y televisión comercial. Los estudios comparativos de costo han demostrado que la radio de microondas de FM es, casi siempre, el método más económico de proporcionar circuitos de comunicaciones cuando no hay ya cables metálicos ni fibras ópticas, o cuando existen duras condiciones de terreno o de clima. También, los sistemas de microondas de FM se pueden ampliar con facilidad.

En la figura se ve un diagrama de bloques simplificado de un sistema de microondas de FM. La banda base es la señal compuesta que modula la portadora FM, y que puede abarcar uno o más de los sistemas siguientes:

1.Canal de banda de voz multiplexado por división de frecuencia.

2.Canales de banda de voz multiplexados por división de tiempo.

3.Video compuesto de calidad comercial o teléfono visual.

4.Datos en banda ancha.

En la transmisión de microondas de FM que se muestra un diagrama de bloques del transmisor, una red de preénfasis es el que antecede al desviador de FM. Esta red de preénfasis proporciona un impulso artificial a la amplitud de las frecuencias de la banda base superior. Permitiendo que las frecuencias de la banda base inferior modulen la frecuencia de la portadora de F1, y que la frecuencia de la banda base superior modulen la fase de esa portadora. Con este diagrama de bloques se asegura una relación de señal a ruido más uniforme en todo el espectro de banda base. La etapa del desviador de FM entrega la modulación de la portadora de F1 que al finalizar se convierte en la principal portadora de microondas, normalmente las frecuencias típicas intermedias están entre 60 y 80 MHz, donde lo más adecuado es 70MHz. En el desviador FM se usa modulación en frecuencia de bajo índice. Donde los índices de modulación se mantienen entre 0.5 y 1, de esta manera se realiza una señal FM de banda angosta en la salida del desviador, en consecuencia el ancho de banda de la F1 se asemeja a la de AM común y se aproxima al doble de la frecuencia máxima de la banda base.

Archivo:Radiotransmisor.jpg


La F1 y sus bandas laterales asociadas se convierten a las mayores frecuencias de la región de microondas, mediante el mezclador, el oscilador de microondas y filtro pasa banda. Para trasladar las F1 a la etapa de RF se usa mezclado y no multiplicación porque el índice de modulación no cambia por el proceso de heterodinado. También al multiplicar la portadora de F1 se multiplicarían la desviación de frecuencia y el índice de modulación aumentando así el ancho de banda.

Los generadores de microondas esta constituido por un oscilador de cristal seguido por una serie de multiplicadores de frecuencia. Por ejemplo un oscilador de cristal de 125 Mhz seguido por una serie de multiplicadores, con factor combinado de multiplicación igual a 48, se podría usar para una frecuencia de portadora de microondas de 6GHz. La red combinadota de canales proporciona un medio de conectar más de un transmisor de microondas de una sola línea de transmisión que alimente a la antena.

El radio receptor de microondas de FM que se muestra ene. Diagrama de bloques del receptor, donde el bloque de la red separadora de canales proporciona el aislamiento y el filtrado necesario para separar canales de microondas individuales, y dirigidos hacia sus respectivos receptores. El filtro pasa banda, el mezclador AM y el oscilador de microondas bajan las frecuencias desde RF de microondas hasta las F1, y las pasan al demodulador FM. Donde este demodulador es un detector convencional, no coherente de FM. A la salida del detector de FM, una red de deénfasis restaura la señal de banda base a sus características originales de amplitud en función de la frecuencia.

Archivo:Radioreseptor.jpg


Los radios de microondas emiten señales usando como media la atmósfera terrestre, entre transmisores y receptores, para una mejor emisión y recepción, estos se encuentran en la cima de torres a distancias de 15 a 30 millas. Así los sistemas de radio de microondas tienen la ventaja obvia de contar con capacidad de llevar miles de canales individuales de información entre dos puntos, dejando a un lado la necesidad de instalaciones físicas, tales como los cables coaxiales o fibras ópticas. Así claro esta, se evita la necesidad de adquirir derechos de vías a través de propiedades privadas, además las ondas de radio se adaptan mejor para salvar grandes extensiones de agua, montañas altas o terrenos muy boscosos que constituyes formidables obstáculos para los sistemas de cable.
Entre las ventajas de radio de microondas están las siguientes:

Los sistemas de radio no necesitan adquisiciones de derecho de vía entre estaciones.

Cada estación requiere la compra o alquiler de solo una pequeña extensión de terreno.

Por sus grandes frecuencias de operación, los sistemas de radio de microondas pueden levar grandes cantidades de información.

Las frecuencias altas equivalen longitudes cortas de onda, que requieren antenas relativamente pequeñas.

Las señales de radio se propagan con más facilidad en torno a obstáculos físicos, como por ejemplo, a través del agua o las montañas altas.

Para la amplificación se requieren menos repetidores.

La distancia entre los centros de conmutación son menores.

Se reducen al mínimo las innataciones subterráneas.

Se introducen tiempos mínimos de retardos.

Entre los canales de voz existe un mínimo de diafonía.

Son factores importantes la mayor confiabilidad y menores tiempos de mantenimiento.

Radiocomunicaciones por Microondas

Se describe como microondas a aquellas ondas electromagnéticas cuyas frecuencias van desde los 500 MHz hasta los 300 GHz o aún más. Por consiguiente, las señales de microondas, a causa de sus altas frecuencias, tienen longitudes de onda relativamente pequeñas, de ahí el nombre de "micro" ondas. Así por ejemplo la longitud de onda de una señal de microondas de 100 GHz es de 0.3 cm., mientras que la señal de 100 MHz, como las de banda comercial de FM, tiene una longitud de 3 m. Las longitudes de las frecuencias de microondas van de 1 a 60 cm., un poco mayores a la energía infrarroja.

Antenas de tipo rejilla, pueden ser usadas en frecuencias de microondas bajas, por debajo de 2.5 GHz.
Gran parte de los sistemas de comunicaciones establecidos desde mediados de las década de 1980 es de naturaleza digital y como es lógico transportan información en forma digital. Sin embargo, los sistemas terrestres de radio repetidoras de microondas que usan portadores moduladas en frecuencia (FM) o moduladas digitalmente ya sea en QAM ó en PSK, siguen constituyendo el 35% del total de los circuitos de transporte de información en los Estados Unidos. Existen una variedad de sistemas de microondas funcionando a distancias que varían de 15 a 4000 millas, los sistemas de microondas de servicio intraestatal o alimentador se consideran en general de corto alcance, por que se usan para llevar información a distancias relativamente cortas, por ejemplo, hacer una radiocomunicación entre ciudades que se encuentran en un mismo país e. Los sistemas de microondas de largo alcance son los que se usan para llevar información a distancias relativamente mucho más largas, por ejemplo, en aplicaciones de rutas interestatal y de red primaria. Las capacidades de lo sistemas de radio de microondas van desde menos de 12 canales de banda de voz hasta más de 22000. Los primeros sistemas tenían circuitos de banda de voz multiplexados por división de frecuencia, y usaban técnicas convencionales, de modulación en frecuencia no coherente, los más modernos tienen circuitos de banda de voz modulados por codificación de pulsos y multiplexados por división de tiempo usan técnicas de modulación digital más modernas, como la modulación de conmutación de fase (PSK) o por amplitud en cuadratura (QAM).

Archivo:Antenagrilla.JPG

La gran mayoría de los sistemas actuales de radio de microondas es de modulación de frecuencia, que es de naturaleza analógica. Sin embargo, en fechas recientes se han elaborado nuevos sistemas que usan modulación por conmutación de fase, o por amplitud en cuadratura, que son formas básicamente de modulación digital. También se habla de sistemas satelitales que usan PCM ó PSK, estos dos sistemas son similares a los sistemas terrestres de radio de microondas, sin duda los dos sistemas comparten muchas frecuencias. La diferencia principal entre los sistemas satelitales y terrestres de radio, es que los sistemas satelitales propagan señales fuera de la atmósfera terrestre, por lo que son capaces de llevar señales mucho más lejanas, usando menos transmisores y receptores.


En los sistemas de radio de microondas se usa modulación en frecuencia (FM) mas que modulación en amplitud (AM), esto se explica porque las señales de amplitud modulada son más sensibles a no linealidades de amplitud también son inherentes a los amplificadores de microondas de banda ancha. En cambio las señales emitidas en frecuencia modulada son relativamente más robustos a esta clase de distorsión no lineal, y se pueden transmitir por amplificadores que tengan no linealidad de compresión o de amplitud, con relativamente poco demerito. También, las señales emitidas en FM son menos sensibles al ruido aleatorio y se pueden propagar con menores potencias de transmisión.

El ruido de intermodulacion es un factor imprescindible en el diseño de sistemas de radio FM. En los sistemas de AM, este ruido es provocado a la no linealidad de amplitud en la repetidora. En los sistemas de FM, el ruido de intermodulacion es provocado principalmente por la distorsión de la ganancia de transmisión y del retardo. En consecuencia, en los sistemas FM es una función de la amplitud de la señal y de la magnitud de la desviación en frecuencia. Así las características de las señales de frecuencia modulada son más adecuadas para la transmisión por microondas que las de amplitud modulada.

Archivo:Enlacemicroondas1.jpg

Usos de la Señal de Microondas

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de 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 btambién 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.


La tecnología de microondas también es utilizada por los radares, 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.


Las cámaras de RF ejemplifican el gran cambio que recientemente ha surgido en este tipo de tecnologías. Desempeñan un papel importante en el ámbito de radar, detección de objetos y la extracción de identidad mediante el uso del principio de imágenes microondas de alta resolución, que consiste, esencialmente, en un transmisor de impulsos para iluminar la tarjeta, un auto-adaptador aleatorio de fase seguido por un receptor de microondas que produce un holograma a través del cual se lee la información de la fase e intensidad de la tarjeta de radiación.

Microondas

Se denomina microondas a las 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 3ps (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 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 1 centímetro a 100 micrometros (3×10-6 m).

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.

domingo, 25 de julio de 2010

La radiación de fondo de microondas

La radiación de fondo de microondas es isótropa hasta una parte entre
105: las variaciones del valor eficaz son sólo 18 µK. El
espectrofotómetro FIRAS (en inglés The Far-Infrared Absolute
Spectrophotometer) en el satélite COBE de la NASA ha medido
cuidadosamente el espectro de la radiación de fondo del microondas. El
FIRAS comparó el CMB con un cuerpo negro de referencia y no se pudo
ver ninguna diferencia en sus espectros. Cualquier desviación del
cuerpo negro que pudiera seguir estando sin detectar en el espectro
del CMB sobre el rango de longitudes de onda desde 0,5 a 5 mm tendría
que tener un valor de unas 50 partes por millón del pico de brillo del
CMB.Esto hizo del espectro del CMB el cuerpo negro medido de manera
más precisa en la naturaleza.
Esta radiación es una predicción del modelo del Big Bang, ya que según
este modelo, el universo primigenio era un plasma compuesto
principalmente por electrones, fotones y bariones (protones y
neutrones). Los fotones estaban constantemente interactuando con el
plasma mediante la dispersión Thomson. Los electrones no se podían
unir a los protones y otros núcleos atómicos para formar átomos porque
la energía media de dicho plasma era muy alta, por lo que los
electrones interactuaban constantemente con los fotones mediante el
proceso conocido como dispersión Compton. A medida que el universo se
fue expandiendo, el enfriamiento adiabático (del que el corrimiento al
rojo cosmológico es un síntoma actual) causado porque el plasma se
enfrie hasta que sea posible que los electrones se combinen con
protones y formen átomos de hidrógeno. Esto ocurrió cuando esta
alcanzó los 3000 K, unos 380000 años después del Big Bang. A partir de
ese momento, los fotones pudieron viajar libremente a través del
espacio sin colisionar con los electrones dispersos. Este fenómeno es
conocido como Era de la recombinación y descomposición, la radiación
de fondo de microondas es precisamente el resultado de ese periodo. Al
irse expandiendo el universo, esta radiación también fue disminuyendo
su temperatura, lo cual explica por qué hoy en día es sólo de unos 2,7
K. La radiación de fondo es el ruido que hace el universo. Se dice que
es el eco que proviene del fin del universo, o sea, el eco que quedó
de la gran explosión que dio origen al universo.
Los fotones han continuado enfriándose desde entonces, actualmente han
caído a 2,725 K y su temperatura continuará cayendo según se expanda
el Universo. De la misma manera, la radiación del cielo que medimos
viene de una superficie esférica, llamada superficie de la última
dispersión, en la que los fotones que se descompusieron en la
interacción con materia en el Universo primigenio, hace 13700 millones
de años, están observándose actualmente en la Tierra. El Big Bang
sugiere que el fondo de radiación cósmico rellena todo el espacio
observable y que gran parte de la radiación en el Universo está en el
CMB, que tiene una fracción de aproximadamente 5·10-5 de la densidad
total del Universo.
Dos de los grandes éxitos de la teoría del Big Bang son sus
predicciones de este espectro de cuerpo negro casi perfecto y su
predicción detallada de las anisotropías en el fondo cósmico de
microondas. El reciente WMAP ha medido precisamente estas anisotropías
sobre el cielo por completo a escalas angulares de 0,2°. Estas se
pueden utilizar para estimar los parámetros del Modelo Lambda-CDM
estándar del Big Bang. Alguna información, como la forma del Universo,
se puede obtener directamente del CMB, mientras otros, como la
constante de Hubble, no están restringidos y tienen que ser inferidos
de otras medidas.
Temperatura
El espectro de potencia de la anisotropía de la temperatura del fondo
de radiación de microondas en función de de la escala angular (o
momento multipolar). Los datos mostrados son del WMAP (2006), Acbar
(2004) Boomerang (2005), CBI (2004) y VSA (2004).La radiación del
fondo cósmico de microondas y el corrimiento al rojo cosmológico se
consideran conjuntamente como la mejor prueba disponible para la
teoría del Big Bang. El descubrimiento del CMB a mediados de los años
1960 redujo el interés en alternativas como la Teoría del Estado
Estacionario. El CMB proporciona una imagen del Universo cuando, de
acuerdo con la cosmología convencional, la temperatura descendió lo
suficiente como para permitir que los electrones y protones formen
átomos de hidrógeno, haciendo así el Universo transparente a la
radiación. Cuando se originó unos 400.000 años después del Big Bang,
este período es conocido generalmente como el "periodo de la última
dispersión" o el periodo de la recombinación o el desacople, la
temperatura del Universo era de unos 3000 K. Esto se corresponde con
una energía de unos 0.25 eV, que es mucho menor que los 13.6 eV de la
energía de ionización del hidrógeno. Desde entonces, la temperatura de
la radiación ha caído en un factor de aproximadamente 1,100 debido a
la expansión del Universo. Según se expande el Universo, los fotones
del fondo cósmico de microondas se desplazan hacia el rojo, haciendo
que la temperatura de radiación sea inversamente proporcional al
factor de escala del Universo.
Observaciones del fondo de microondas
Después del descubrimiento del CMB, se han realizado cientos de
experimentos del fondo cósmico de microondas para medir y caracterizar
la naturaleza de la radiación. El experimento más famoso es
probablemente el satélite COBE de la NASA que orbitó entre 1989-1996,
que detectó y cuantificó las anisotropías de gran escala al límite de
sus capacidades de detección. Inspirado por los resultados iniciales
del COBE, un fondo extremadamente isótropo y homogéneo, una serie de
experimentos basados en balones y suelo cuantificaron las anisotropías
del CMB en pequeñas escalas angulares durante la siguiente década. El
principal objetivo de estos experimentos era medir a escala angular el
primer pico acústico, para el que el COBE no tenía suficiente
resolución. Estas medidas podrían excluir las cuerdas cósmicas como la
principal teoría de la formación de estructuras cósmicas y sugieren
que la inflación cósmica es la teoría adecuada. Durante los años 1980,
el primer pico fue medido con una sensibilidad creciente y en el año
2000, el experimento BOOMERanG reportó que las fluctuaciones de mayor
energía ocurrían a escalas de aproximadamente un grado. Junto con
otros datos cosmológicos, estos resultados implican que la geometría
del Universo es plana. Varios interferómetros proporcionaron medidas
de fluctuaciones de gran precisión durante los tres años siguientes,
incluyendo el Very Small Array, Degree Angular Scale Interferometer
(DASI) y el Cosmic Background Imager (o CBI). La primera detección del
DASI fue la polarización del CMB mientras que el CBI obtuvo el
espectro de polarización del CMB.
En Junio de 2001, la NASA lanzó una segunda misión espacial para el
CMB, el WMAP, para realizar medidas mucho más precisas de las
anisotropías a gran escala en todo el cielo. Los primeros resultados
de esta misión, revelados en 2003, fueron medidas detalladas del
espectro de potencia angular en las escalas más bajas, acotando varios
parámetros cosmológicos. Los resultados son ampliamente consistentes
con los esperados de la inflación cósmica así como otras teorías
competidoras y están disponibles detalladamente en el centro de datos
de la NASA para el Fondo Cósmico de Microondas. Aunque el WMAP
proporcionó medidas muy exactas de las fluctuaciones a grandes escalas
angulares en el CMB (estructuras que son tan grandes en el cielo como
la luna), no tendrían resolución angular suficiente para medir las
fluctuaciones a pequeña escala que habían sido observadas utilizando
interferómetros terrestres, como el Cosmic Background Imager.
Una tercera misión espacial, el Planck Surveyor, será lanzada en 2008.
El Planck utulizará dos radiómetros HEMT así como la un bolómetro y
medirá el CMB a escalas menores que el WMAP. A diferencia de las dos
misiones espaciales previas, el Planck es una colaboración entre la
NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA). Sus detectores fueron
probados en el Telescopio Viper en el experimentp ACBAR, que ha
producido las medidas más precisas a pequeñas escalas angulares hasta
la fecha – y en el telescopio de balones Archeops.
Los instrumentos terrestres adicionales como el Telescopio del Polo
Sur en la Antártida, el propuesto Proyecto Clover, el Telescopio
Cosmológico de Atacama y el proyecto Quiet en Chile proporcionará
datos adicionales no disponibles en las observciones de satélite,
posiblemente incluyento la polarización del modo B.
Es posible "ver" la radiación de fondo de microondas con algo tan
común cómo un televisor analógico -es decir, los antiguos no
preparados para recibir la Televisión Digital Terrestre- que sintonice
un canal en el que no haya ninguna emisora emitiendo; parte (un 1%) de
la "nieve" que puede verse en la pantalla es dicha radiación de fondo
captada por la antena del aparato.
Cronología del fondo de radiación de microondas
1940. Andrew McKellar: La detección observacional de una temperatura
bolométrica media de 2,3 K basada en el estudio de las líneas de
absorción interestelar es informada desde el Observatorio Dominion
Observatory, Columbia Británica
1946. Robert Dicke descubre ".. la radiación de la materia cósmica" a
< 20 K, no se refiere a la radiación de fondo
1948. George Gamow calcula una temperatura de 50 K (asumiendo un
Universo de 3.000 millones de años),[18] comentándolo".. está de
acuerdo razonablemente con la temperatura actual del espacio
interestelar", pero no menciona el fondo de radiación.
1948. Ralph Alpher y Robert Herman estiman "la temperatura en el
Universo" en 5 K. Aunque no mencionan específicamente el fondo de
radiación de microondas, se puede inferir.
1950. Ralph Alpher y Robert Herman re-estiman la temperatura a 2 K.
1953. George Gamow estima 7 K.
1956. George Gamow estima 6 K.
Años 1960. Robert Dicke reestima una temperatura de la radiación de
fondo de microondas de 40 K
1964. A. G. Doroshkevich y Igor Novikov publican un breve artículo,
donde dicen que el fenómeno de la radiación de fondo de microondas es
detectable.
1964-65. Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson miden la temperatura
como aproximadamente 3 K. Robert Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll y
D. T. Wilkinson interpretan radiación como una firma del Big Bang.
1983. Empieza el experimento soviético RELIKT-1 sobre la anisotropía del CMB.
1990. Se obtienen medidas del FIRAS de la forma de cuerpo negro del
espectro del CMB con exquisita precisión.
1992. El descubrimiento de la anisotropía por la nave espacial
RELIKT-1 fue reportado oficialmente en enero de 1992 en el seminario
de Astrofísica de Moscú.
1992. El COBE DMR revela la temperatura de anisotropía primaria por
primera vez.
2002. El DASI descubre la polarización del CMB.
2004. El CBI obtiene el espectro de polarización del CMB.
Marbelis Moreno
EES
Seccion:02

Parámetros de dispersión

Parámetros de dispersión o parámetros-S son propiedades usadas en
ingeniería eléctrica, ingeniería electrónica, e ingeniería de sistemas
de comunicación y se utilizan para describir el comportamiento
eléctrico de redes eléctricas lineales cuando se someten a varios
estímulos de régimen permanente por pequeñas señales. Son miembros de
una familia de parámetros similares usados en ingeniería electrónica,
siendo otros ejemplos: Parámetros-Y,[1] Parámetros-Z,[2] Parámetros-H,
Parámetros-T[3] (también llamados Parámetros-ABCD[4] ). A pesar de ser
aplicables a cualquier frecuencia, los parámetros-S son usados
principalmente para redes que operan en radiofrecuencia (RF) y
frecuencias de microondas, ya que representan parámetros que son de
utilidad particular en RF. En general, para redes prácticas, los
parámetros-S cambian con la frecuencia a la que se miden, razón por la
cual ésta debe especificarse para cualquier medición de parámetros-S,
junto con la impedancia característica o la impedancia del sistema.
Los parámetros-S se representan en una matriz y por lo tanto obedecen
las reglas del álgebra de matrices. Muchas propiedades eléctricas
útiles de las redes o de componentes pueden expresarse por medio de
los parámetros-S, como por ejemplo la ganancia, pérdida por retorno,
relación de onda estacionaria de tensión (ROEV), coeficiente de
reflexión y estabilidad de amplificación. El término 'dispersión' (del
inglés, scattering) es probablemente más común en ingeniería óptica
que en ingeniería de RF, pues se refiere al efecto que se observa
cuando una onda electromagnética plana incide sobre una obstrucción o
atraviesa medios dieléctricos distintos. En el contexto de los
parámetros-S, dipersión se refiere a la forma en que las corrientes y
tensiones que se desplazan en una línea de transmisión son afectadas
cuando se encuentran con una discontinuidad debida por la introducción
de una red en una línea de transmisión. Esto equivale a la onda
encontrándose con una impedancia diferente de la impedancia
característica de la línea.
Es interesante descubrir de donde salen los parámetros S y por qué se utilizan.
Para frecuencias muy bajas, la longitud de onda de la señal es mucho
mayor que la de los elementos del circuito, pero según vamos
aumentando la frecuencia, dicha longitud de onda se va haciendo cada
vez mas pequeña, por lo que las leyes de Kirchhoff dejan de tener
validez. Además, trabajar con tensiones y corrientes se hace más
dificil cada vez, ya que dependiendo de la frecuencia en la que
estemos, se hace imposible hacer cortocircuitos y circuitos abiertos
estables, así que aunque el concepto de tensión y corriente persiste
en líneas de transmisión, son reemplazados por otros parámetros como
elementos vitales para el tratamiento teórico y práctico de los
circuitos de alta frecuencia.
Por supuesto, voltaje y corriente siguen siendo importantes en el
estudio de estos circuitos, pero a ellos se suman situaciones nuevas,
como la reflexión y la onda estacionaria, y nuevas magnitudes como el
coeficiente de reflexión. Además, se le da más importancia a otras
magnitudes como puede ser la Potencia. Entre las herramientas
imprescindibles que surgen para el análisis, el diseño y la
interpretación de este nuevo modelo hay dos de especial importancia:
los Parámetros S y la Carta de Smith.
La matriz de parámetros-S genérica
Para la definición de una red multi-puerto genérica, se asume que
todos los puertos salvo el que se encuentra bajo consideración o el
par de puertos bajo consideración tienen una carga conectada a ellos
idéntica a la impedancia del sistema y que cada puerto tiene asignado
un entero 'n' que varía de 1 a N, donde N es el número total de
puertos. Para un puerto n, la definición de parámetros-S asociados se
realiza en función de 'ondas de potencia' incidente y reflejada, an y
bn respectivamente. Ondas de potencia son versiones normalizadas de
las ondas viajeras de tensión incidente y reflejada correspondientes,
y respectivamente, de acuerdo a la teoría de lineas de transmisión.
Los elementos de los parámetros-S se representan individualmente con
la letra mayúscula 'S' seguida de dos subíndices enteros que indican
la fila y la columna en ese orden de la posición del parámetro-S en la
matriz de parámetros-S.
La fase de un parámetro-S es la fase espacial a la frecuencia de
prueba, y no la fase temporal (relacionada con el tiempo).
Redes de dos puertos
La matriz de parámetros-S para una red de dos puertos es probablemente
la más común y sirve como base para armar matrices de órdenes
superiores correspondientes a redes más grandes.

Expandiendo las matrices en ecuaciones, tenemos:
b1 = S11a1 + S12a2
y
b2 = S21a1 + S22a2
Cada ecuación da la relación entre las ondas de potencia reflejada e
incidente en cada uno de los puertos de la red, 1 y 2, en función de
los parámetros-S individuales de la red, S11, S12, S21 y S22. Si
consideramos una onda de potencia incidente en el puerto 1 (a1) pueden
resultar ondas existentes tanto del puerto 1 mismo (b1) o del puerto 2
(b2). Sin embargo, si, de acuerdo a la definición de parámetros-S, el
puerto 2 está terminado en una carga idéntica a la impedancia del
sistema (Z0), entonces, debido al teorema de transferencia de potencia
máxima, b2 será absorbida totalmente haciendo a2 igual a cero.Cada
parámetro-S de una red de dos puertos tiene las siguientes
descripciones genéricas:
S11 es el coeficiente de reflexión de la tensión del puerto de entrada
S12 es la ganancia de la tensión en reversa
S21 es la ganancia de la tensión en directa
S22 es el coeficiente de reflexión de la tensión del puerto de salida
Reciprocidad
Una red será recíproca si es pasiva y contiene solo materiales
isótropos que influyan la señal transmitida. Por ejemplo, atenuadores,
cables, divisores y combinadores son todas redes recíprocas y Smn =
Snm en cada caso, es decir, la matriz de parámetros-S es igual a su
traspuesta. Todas las redes que incluyen materiales antisótropos como
medio de transmisión, como los que contienen componentes de ferrito
serán no recíprocos. A pesar de que no necesariamente contiene
ferritos, un amplificador es otro ejemplo de una red no recíproca.
Una propiedad interesante de redes de tres puertos es que no pueden
ser simultáneamente recíprocas, libre de pérdidas y perfectamente
adaptadas.
Red libre de pérdidas
Una red libre de pérdidas es una en la cual no se disipa potencia, o:.
Las suma de las potencias incidentes en todos los puertos es igual a
la suma de las potencias reflejadas en todos los puertos. Esto implica
que la matriz de parámetros-S es unitaria, o (S)(S) * - (I) = 0, donde
(S) * es el complejo conjugado de la traspuesta de (S) e (I) es la
matriz identidad.
Red con pérdidas
Una red con pérdidas es una en la cual la suma de las potencias
incidentes en todos los puertos es mayor que la suma de las potencias
reflejadas en todos los puertos. Por lo tanto disipa potencia, o:. En
este caso , y (I) - (S)(S) * > 0.
Marbelis Moreno
EES
Seccion:02

Trucos

Los Trucos
Andrómeda se encuentra a 2,2 millones de años luz. ¿Cómo cree Ud. que
hicieron para medir esa distancia, mandaron un cohete con un
cuentakilómetros?. Se hizo con mediciones indirectas, obviamente.
La forma de diseñar en RF y microondas en el Primer Mundo es con un
programa CAD (don Smith duerme junto a la regla de cálculo) al que se
ingresan los parámetros S de cada componente. Si éstos no están
disponibles, o se necesitan para otra frecuencia o condición de
funcionamiento, se procede a armar un circuito de prueba y a
relevarlos con un analizador de redes. Todo este despliegue de
tecnología nos puede parecer tan inalcanzable como lo de mandar el
cohete, pero no hay opción cuando se requiere grandes anchos de banda
con máxima planicidad, óptimo aprovechamiento de los dispositivos, y
mínimo tiempo de desarrollo, todo junto. Cuando no es tan así (p. ej.
diseñar para un "nicho" del mercado sin competencia de grandes), y la
falta de know-how o moneyware es factor determinante, no se dé por
vencido sin considerar el tradicional cut-and-try. Eso sí: no lo
quiera bueno, rápido y barato. Demasiadas empresas no tenían tiempo o
dinero para hacer las cosas bien de primera intención, pero después
parece que sí los tenían para remendarlas. A continuación veremos
algunos ejemplos de trucos.
* ¿Cómo estimar lo que pierde un circuito sintonizado, p. ej. a la
entrada de un receptor?. Reemplácelo provisoriamente por una red
adaptadora L, que es siempre lo que adapta con mínima pérdida, y
compare cuánto menos nivel hay que aplicar a la entrada.
* ¿Cómo saber qué topología usar para una red L?. Ésta posee una
reactancia en serie y una en paralelo. Teniendo en cuenta que c/u de
ellas puede ser inductiva o capacitiva, y que la paralelo puede estar
del lado generador o carga, tenemos un total de ocho variantes
posibles. Obviamente, si supiésemos las impedancias de generador y
carga ya mismo estaríamos echando mano al ábaco de Smith, pero
supongamos que no es el caso.
Comencemos por lo más sencillo: agregar una pequeña capacitancia en
paralelo, p. ej. con el escarbadientes capacitivo más chico. Si mejora
la ganancia, sígala aumentando hasta encontrar el máximo. Si empeora,
coloque un inductor bien grande en paralelo y vaya desbobinándolo o
sacándole núcleo hasta lo óptimo.
Luego tantee con colocar una reactancia en serie de uno u otro lado.
Si se tiene alguna idea de por lo menos de qué lado (generador o
carga) está la impedancia más baja, ahí es donde se colocará la
reactancia serie, para disminuir los tanteos.
Estos pasos se repetirán iterativamente.
Si ello resultase más cómodo, puede empezarse el tanteo introduciendo
una reactancia en serie en vez de la paralelo.
* ¿Cómo medir la frecuencia de resonancia de un LC sin sacarlo del circuito?.
- Acérquele a un costado un lazo (eslabón) conectado al barredor u
oscilador variable.
- Del otro, un lazo para el analizador o punta detectora amplificada,
y si fuera posible, alejado del primero.
- Si el circuito tiene aplicada la alimentación, conviene que los
lazos estén hechos de alambre aislado, máxime si los instrumentos
tienen puesta a tierra.
- Se producirá una respuesta con un pico y un pozo, ambos más arriba
de la frecuencia real de resonancia, pero lo más cercano a la real es
el pico.
Los lazos deben estar lo más alejados posible de la bobina para
minimizar error en la sintonía. Es la misma precaución que al usar un
dip-meter.
El pozo es por culpa de que algo del campo generado pasa directamente
al analizador sin pasar por la bobina, y debería irse más arriba si
físicamente se pudiera colocar los lazos en los extremos opuestos.
En la figura QMETRO se ilustra una versión que usa el acoplamiento
capacitivo de conductores cercanos (o capacitores físicos si la
frecuencia es baja):
Se elegirá una u otra versión según la disponibilidad de masas para
los coaxiles.
Si el LC está solo, sin conexión a un circuito, se puede medir una
inductancia utilizando un capacitor conocido:
L = 25330 / ( C * f^2 ) donde L es en uH; C es en pF; f (del pico) es en MHz
Elegir un capacitor de valor cercano al que va a tener en el circuito,
ya que se estará midiendo el valor de inductancia afectado por la
capacitancia parásita lo cual hace que el valor de L medido dependa de
la frecuencia.
Y conociendo el ancho de banda a -3dB se puede calcular el Q. Éste es
el Q del circuito LC total, no de la bobina, pero en la práctica esto
es lo que importa ya que considera la presencia de un capacitor no
ideal.
Por último, para evitar la producción del pozo arriba de la resonancia
deseada, puede usarse un acoplamiento mixto: capacitivo en uno de los
cables, lazo en el otro.
* El truco de determinar la frecuencia de un oscilador batiéndolo
contra una emisora, no camina bien si es una emisora de FM: deberá
esperar a que no haya casi nada de modulación. Si en su pueblo hay
algunos huecos sin emisoras en el dial, es mejor batir contra las
armónicas de un oscilador a cristal.
* Si se tiene la suerte de poseer un analizador de espectro, lo que
falta para la felicidad completa es un generador con seguimiento
(tracking generator).
Mediante conexiones traseras a los osciladores locales del analizador,
el tracking crea una frecuencia que coincide con aquella a la que está
sintonizado el analizador, en cada momento del barrido. En conjunto
ambos instrumentos se comportan como un analizador de redes escalar
(no vectorial), utilísimo para levantar la transferencia de
dispositivos. Esto normalmente se hace con generador de barrido más
punta detectora, pero con el tracking se tiene la demoledora
conveniencia de disponer del mayor rango dinámico y la escala
logarítmica del analizador.
La mala noticia es que si la adquisición del analizador dejó los
bolsillos vacíos, muy probablemente el tracking siga del otro lado del
mostrador.
Pero hay una forma de simularlo si el analizador tiene persistencia
digital (que lo trazado no se borra hasta el barrido siguiente).
Simplemente se lo pone en un barrido relativamente lento, p. ej. 100 ó
200ms/div, y se reemplaza el tracking por un barredor común con la
máxima velocidad de repetición posible. De este modo, mientras la
ventana del analizador se va desplazando lentamente, en cada punto
será alta la probabilidad de que en algún momento la frecuencia
instantánea del barredor haya coincidido. Es como el perro que da
vueltas continuamente alrededor del dueño mientras éste camina
lentamente.
Esta idea se probó con un veterano Wavetek 1801B modificado para 500
barridos/s, y un analizador Advantest R4131DN. Las designaciones de
controles que se mencionan más adelante se refieren a esta pareja.
Se pone el analizador en el modo POSITIVE PEAK DET para que la imagen
salga más o menos continua, en vez de tener el aspecto de un bosque de
rayas verticales adyacentes.
El precio a pagar es una mayor lentitud para completar cada barrido.
Además hay que asegurarse de la exactitud de lo que se está viendo,
probando alguna vez con aumentar el BW del analizador o reduciendo su
velocidad de barrido a ver si se modifica la curva obtenida, o
poniendo el analizador en MAX (memorizar los máximos) y haciendo el
barrido del generador manualmente. Por último, las armónicas y
espúreas del barredor pueden llegar a molestar bastante más que si
fuese un tracking, justamente por carecer del sincronizado de
frecuencia.
Si el barredor sólo tiene barrido disparado por los 50Hz de línea, la
espera para obtener una imagen completa se hace desesperante.
Experimente con agregarle un oscilador diente de sierra externo más
rápido. Pero sin abusar: más allá de una cierta velocidad de
repetición comenzará a haber problemas porque el circuito del barredor
no está preparado para ello. El modelo mencionado comienza a achicar
el ancho de barrido al superar los 500 barridos/segundo. También puede
resultar lenta la acción del nivelador (ALC), particularmente cuando
recomienza el barrido tras estar cortada la RF en el retrazado.
* El barredor citado posee dos bandas: 0 a 500MHz, y 450 a 950MHz. En
una oportunidad se tuvo la necesidad de ver una respuesta desde 50 a
900MHz, para lo cual se procedió así: se puso el analizador en un
barrido bien lento, como para seguirlo con la mirada, desde 0 a
1000MHz, y el barredor inicialmente en el rango 0...500. Cuando el
barrido llegó justo antes de 500 se cambió la posición de la llave de
banda y se continuó memorizando en la otra mitad de la pantalla.
* Se necesitaba la máxima ampliación de escala posible en el
analizador. Las escalas disponibles son 10dB/div, 2dB/div, y lineal
(100% a 0%, o sea desde 0dB hasta infinitos dB negativos). En esta
última, entre las divisiones de 100% y 90%, se tiene una relación de
0,92dB. O sea que si se ajusta el atenuador del instrumento para
visualizar las partes importantes en las divisiones superiores,
logramos una escala de aproximadamente 1dB/div. * Al usar el conjunto
barredor - analizador mencionado, poniendo éste en la escala de
2dB/div se apreciaba claramente la aplanicidad combinada de ambos.
Para simular un sistema perfecto se normalizaba conectándolos sin el
circuito bajo prueba, pero incluyendo los cables, conectores,
adaptadores, etc. que se fuesen a usar, y se utilizaba la función
NORM.
* Hablando de planicidad, en un momento se creyó que, tratándose de un
instrumento de 3,4GHz, la planicidad de 0 a 500MHz sería perfecta. No
fue así: de 0 a 300MHz ya tenía un bajón, para después recuperar un
poco. Muy probablemente este comportamiento se repitiese más adelante.
Como estos instrumentos tienen una primera conversión a una FI muy
alta, las reflexiones internas del conversor a las armónicas del
oscilador barrido, y cada producto resultante, modifican en forma
impredecible la ganancia de conversión. En general, un analizador de
espectro no es lo mejor para medir niveles absolutos, hay que recurrir
al bolómetro.
¿Y cómo podíamos saber si la aplanicidad era del analizador o del
barredor?. El detector interno del barredor, conectado a salida del
propio instrumento, decía que era más plana de lo que hacía creer el
analizador. ¿Quién decía la verdad?. El desempate lo dio un detector
casero que coincidía bastante bien con el interno.
* ¿Los instrumentos que Ud. usa ya pasaron por otras manos?. Comience
por verificar que no haya terminaciones de 50 ó 75 ohm dañadas por
aplicación de CC o alta potencia. Si el circuito del instrumento
indica que no hay capacitor de bloqueo de CC a la entrada, y que la
impedancia de entrada está proporcionada por un resistor físico, éste
se puede inspeccionar desde afuera con un óhmetro.
Un buen consejo: deje conectado siempre un atenuador lo más alto
posible a la entrada de un instrumento por si le llega mucho nivel.
También es buena idea dejar puesto siempre un conjunto macho - hembra
en los conectores de los instrumentos para evitar que se venza o
tuerza el pin o receptáculo después de muchas inserciones. Esto es muy
recomendable si se está mezclando versiones de 50 y 75ohm en
conectores BNC ó N porque los machos de 50 tienen el pin más grueso
que los de 75 y tienden a arruinar las hembras de 75.
* Para hacer mediciones de espectro sobre la salida de un transmisor
es necesario empezar por atenuar esa señal. Los dos métodos de
laboratorio tradicionales son: el atenuador de potencia; y el
acoplador direccional, que está restringido en ancho de banda pero
además permite medir ROE.
¿Y si no tenemos ni uno ni otro?. Para mediciones poco exigentes tales
como frecuencia o monitorear la modulación, se puede acercar el cable
del instrumento al compartimiento de la etapa final de modo de captar
por capacitancia, o agregarle una espira para acoplar inductivamente.
Si el ambiente está bastante cargado de RF, bastará con un chicote que
haga de antena.
Pero olvídese de usar el aire como atenuador cuando va a verificar
cosas de banda ancha, tales como transmisores de televisión: la
multitud de reflexiones en la planta transmisora y adyacencias se
manifiesta como una grosera deformación de la respuesta de esa
atenuación. Cuesta convencer al cliente que no se puede monitorear una
transmisión de TV al pie de la torre, y no porque llegue demasiada
señal al televisor.
Como ejemplo de la gravedad, mencionemos que al intentar medir así el
espectro de un transmisor de TV en UHF, si bien la portadora aural
estaba realmente a -10dB de la de imagen, ¡en el analizador aparecía
como más fuerte!. Y eso que está a sólo 4,5MHz, una distancia
porcentualmente pequeña. Se decidió desconectar el cable a la torre, y
en esa salida poner el analizador a través de algún atenuador más
adecuado que el aire. No había una casa de instrumental en cientos de
km a la redonda, así que se decidió explotar la pérdida de un cable
(los números son ficticios pero el caso fue real):
- Se tenía un rollo de RG58 con espuma, que según un viejo Radio
Amateur's Handbook pierde 7,1dB por cada 100 pies en 420MHz. O sea
0,233dB/m.
- En 600MHz debe aumentar en [raíz cuadrada de (600/420) ] = 1,43, o
sea se va a 0,278dB/m
- El rollo tenía 51 vueltas de unos 50cm de diámetro,. o sea PI*51*0,5 = 80,1m.
- O sea 22,4dB, unas 174 veces en potencia.
- Como la potencia de salida es 10W, llegarán 57mW al par de
atenuadores colocados a la entrada del analizador (eso sí, son de
CATV, 75ohm en vez de 50 ohm, pero en medio del campo era imposible
ponerse en exigente...), potencia que deben tolerar perfectamente.
La atenuación conseguida no es nada plana, pero alcanza dentro de la
banda del canal.
Como anécdota, causó extrañeza en principio el elevado nivel de basura
observado en frecuencias de algunos MHz. Es que el coaxil
prácticamente no atenúa en esa zona, y deja pasar tal cual residuos
tales como componentes de 4,5MHz generados por batido entre las
portadoras mediante las alinealidades de la etapa final. En otra
oportunidad en que el resistor de carga estaba accesible, se atenuaron
bastante los residuos conectándole una bobina de pocas vueltas en
paralelo, que se comporta como un cortocircuito para las bajas
frecuencias.
En otra oportunidad se quiso medir la potencia rectificando la tensión
en el conector de salida con un 1N60. Al superar unos 35V rectificados
se pinchó. Se reemplazó por un 1N4148 que anduvo Ok. Para determinar
si la inclusión de este diodo molestaba, se miró con el analizador
(tras el consabido atenuador) si el nivel de salida era afectado.
Atenúe la entrada del instrumento: si lo que ve en pantalla baja menos
que la atenuación introducida, el problema existe. Un ejemplo puede
darse al medir la salida de un conversor de banda ancha: el residuo
del oscilador local es mucho más fuerte que la FI, y probablemente no
se advierta porque cae fuera de la pantalla.
* Al usar un cierto analizador, se notó que cuando la frecuencia
aplicada a su entrada era de 70MHz, el pastito (línea base) se
levantaba a todo lo ancho de la pantalla, sin importar en qué rango
estuviese barriendo. Ello se debía a que la 2a FI del analizador era
de 70MHz: una cierta porción de energía de la entrada llega hasta la
2a FI sin depender de las conversiones de frecuencia. Si esta señal
está barrida en frecuencia, se visualizarán momentáneos levantamientos
del pastito en lugares inesperados.
* Para averiguar qué frecuencia es la que estaba interfiriendo en una
recepción de TV, se puso una trampa variable en antena (una bobina al
aire en paralelo con un trimmer, y en serie con la línea), se varió
buscando mínima interferencia (tramado) en la pantalla, se sacó, y se
midió en qué frecuencia quedó, con el método descripto en esta nota.
Desde luego que el método es difícil de aplicar si hay más de una
frecuencia interferente con amplitudes similares.
* ¿Cómo se hace para hacer mediciones de RF en un punto intermedio de
un circuito, sin interrumpirlo o si no es de 50 ó 75 ohm?. En CC y
audio estamos acostumbrados a evitar molestar un circuito usando un
téster u osciloscopio con muy alta resistencia para no cargarlo. En RF
lamentablemente no abundan las puntas de medición de alta impedancia;
ni sueñe con que mantengan 1Mohm en 100MHz.
Sabiendo que la corriente media de un transistor bipolar varía algo
con el nivel de la señal aplicada, basta con mirar con el osciloscopio
las variaciones de tensión de CC en su resistor de emisor (A), y hacer
de cuenta que está conectado a una punta detectora de impedancia
infinita con respuesta cuadrática. Se sobreentiende que el capacitor
de emisor no debe ser de tan alto valor como para molestar a la
frecuencia de barrido. Como la variación de tensión es pequeña frente
al valor medio, se debe acoplar en CA, y usar la máxima sensibilidad
posible, agregando si es necesario un preamplificador de CA. Aumentar
o disminuir 3dB el nivel de la RF a la entrada para saber si no se
está produciendo deformación de la curva por excesivo nivel. Si el
emisor está a masa para la CC (B), puede observarse el valor medio de
la tensión en base intercalando un choke o resistor, o bien usando la
tensión de colector si no está unido directamente a la fuente para la
CC, y si ésta está libre de zumbido.
* En el puesto de calibración de sintonizadores de TV, se quería medir
la respuesta de RF por el método de la variación en la tensión de
emisor del transistor conversor. Para poder ver algo hacía falta meter
mucha RF por antena, y el transistor saturaba por la alta excursión de
FI en su colector. La solución ideal era cortocircuitar el colector
para la señal. Como la impedancia que ve el colector es la de carga,
multiplicada por la relación de transformación del tanque de salida,
se creyó que bastaría con cortocircuitar la salida de FI. Error. Esto
AUMENTÓ la excursión en colector del conversor, si bien en una f
corrida. La red de salida era tipo PI, para la cual la fórmula
tradicional para la relación de transformación deja de ser válida
fuera de un cierto rango de impedancias de carga. Lo correcto fue
buscar una R que produzca el mayor amortiguamiento posible.
* Si se necesita saber con exactitud la tensión de RF en un lugar,
emplee el método de sustitución. Supongamos tener una serie de etapas
terminada en un detector, y se quiere saber qué tensión de RF hay en
un punto intermedio cuando tenemos una tensión detectada x. Entonces
se apaga la excitación normal del circuito, y se aplica en el punto en
cuestión una tensión de RF conocida con la menor impedancia posible
(p. ej. un generador de 50 ohm cargado con 50 ohm), y se la varía
hasta lograr la misma salida x. La condición para que este método sea
válido es que la impedancia del punto excitado sea suficientemente
alta, p. ej. un colector, paradójicamente lo que resultaría más
inconveniente si se hiciese una medición convencional, con punta.
* Combinando el método de forzar tensión en un punto con el de medir
variaciones de polarización, puede conocerse los mV de inyección del
oscilador local en un conversor: reemplazar momentáneamente dicho
oscilador con el generador conocido, y variar su nivel hasta tener la
misma tensión de emisor, leyéndola en un voltímetro de continua con
suficiente resolución.
* No existen detectores con respuesta que siga una ley matemáticamente simple.
La ley lineal (doble CC para doble RF) es sólo una aproximación para
niveles detectados bien altos, digamos más de 0,5V CC; y la cuadrática
(cuádruple CC para doble RF) vale sólo hasta unos 50mV CC. Si la
frecuencia es lo suficientemente baja como para permitir el uso de
operacionales de RF (un centenar de MHz para los más rápidos
disponibles actualmente), puede echarse mano del tradicional detector
linealizado por realimentación.
Pero lo más probable es que convenga modificar las cosas como para que
la alinealidad no moleste. Si se quiere hacer, digamos, un medidor de
nivel calibrado en dBm, en vez de escribir los dBm en cada lugar de la
escala del instrumento de aguja, se puede colocar un atenuador por
pasos confiable a la entrada del aparato, y las instrucciones de uso
serán variarlo como para lograr una determinada posición de la aguja.
Es obvio que la linealidad no importará en absoluto, sólo la exactitud
del atenuador.
* Cuando se coloca un filtro entre cierto conjunto de generador y
carga, hay infinitas configuraciones posibles para ese filtro que
producen la curva deseada, pero sólo una que además produce máxima
transferencia. Si no se conocen las impedancias de generador y carga,
y el filtro se fue probando al tanteo, haga esto:
- Intente obtener la curva de respuesta correcta.
- Tome nota del nivel donde están los máximos dentro de la banda
pasante, que es donde se *supone* que la adaptación debería ser
perfecta.
- Ahora defórmela desintonizando un poco alguno de los LC.
- Si la curva sube en alguna frecuencia dentro de la banda pasante, es
porque el filtro no estaba bien adaptado: o sea, se estaba
desperdiciando transferencia para lograr la forma de la curva. En ese
caso deberá reintentarse con otros valores, p. ej. acoplar más del
lado generador y menos del de la carga, o viceversa, y repetir estos
pasos.
* Veamos otro enfoque de lo anterior:
Se necesita poner un pasabanda simple sintonizado entre un generador
de impedancia conocida, y la entrada de un transistor cuya impedancia
no se conoce. Pero las fórmulas exigen conocerla. ¿Qué hacemos
entonces?.
- Comencemos por el caso en que Z1 es conocida, y supongamos que Z2 es
igual, y calcule los componentes (figura {Z1distZ2}). Lógicamente, se
obtendrá valores iguales para C1 y C2.
- Arme el circuito, ajuste inductancia o capacitancia para la
frecuencia deseada, observe la transferencia y ancho de banda.
- Suba o baje un poco C2 (el que va a la impedancia desconocida). Si
en alguna de las direcciones la respuesta aumenta, es porque Z2<>Z1.
- Siga modificándolo en la dirección en que mejora, hasta obtener la
máxima transferencia.
- Lógicamente, cada vez que se modifique C2 será necesario retocar C
(ó L) para mantener la frecuencia del pico.
- Cuando se haya alcanzado la meta, un cambio en C2 en cualquier
sentido hará disminuir la altura del pico.
Nota: aunque estamos hablando de Z2 desconocido, la configuración
utilizada para la ilustración supone que, por lo menos, Z2 sea menor
que la resistencia paralelo que el 2º sintonizado necesita ver.
* Si AMBAS impedancias son desconocidas, habrá que variar también C1.
Pero para cada valor de C1 habrá un valor de C2 que maximice la
ganancia, por lo que habrá infinitas combinaciones aparentemente
correctas de C1 y C2. ¿Recuerda que para resolver un sistema de
ecuaciones con 3 incógnitas hace falta que sean 3 las ecuaciones?.
Bien, si las incógnitas aquí son C1, C2 y C, las 3 ecuaciones son
ganancia, resonancia y ancho de banda. Efectivamente, habrá que
toquetear los 3 capacitores para que también se cumpla el ancho de
banda deseado.
* Para tener iguales Q en ambas ramas de un doble sintonizado
(referirse a la figura {2sint_1Q}):
- "A" es la topología que se desea determinar.
- Adoptar valores convenientes (tema tratado en otro punto) de C y L.
- Comencemos por armar la 1a sección, "B", acoplando el analizador a
través de una capacitancia lo menor posible.
- Tantear C1 hasta lograr el ancho de banda deseado (C se deberá
retocar concordantemente para restablecer la frecuencia central).
- Ahora armamos la 2a, "C", y será el generador lo que se acople muy
ligeramente.
- Tantear C2 para ancho de banda, y retocar C.
- Finalmente, armar la configuración final, y variar Cc para máxima
planicidad, o el ripple deseado.
Nota: cuando se habló de "ancho de banda deseado" en los pasos en que
hay un solo LC, como primera aproximación usar el valor que deberá
tener el circuito al final, fijarse en cuánto quedó al armar el doble
sintonizado, e iterar los pasos para corregirlo. P. ej. si resultó 1,5
veces el deseado, volver a los pasos A) y B) y obtener un ancho 1,5
veces menor.
Otra nota: la topología ilustrada supone que las impedancias de
generador y carga son suficientemente menores que lo que debe ver cada
sintonizado.
* Regla de buen cubero: si un sintonizado simple tiene un capacitor C,
y los capacitores de adaptación son Ca1 y Ca2, a los efectos de
calcular la frecuencia de resonancia es buena aproximación suponer que
la bobina "ve" una capacitancia igual a C + Ca1 + Ca2, si Q>10.
* Y en un sintonizado doble, acoplado con un capacitor Cc, éste afecta
la frecuencia central aproximadamente como si CADA sintonizado tuviese
un Cc agregado en paralelo.
* En un doble sintonizado al que ya se le midió el ancho de banda, si
se lo quiere disminuir 10%, los capacitores de acople se deberán bajar
un 10%, y los de adaptación de impedancia un 5%.
Preste atención a la diferencia : al desintonizar el LC con mayor Q
cargado se corre un pico; pero si el que se desintoniza es el de bajo
Q la curva se deforma sin destacarse demasiado un pico que siga al LC
modificado: sigue predominando el del LC no tocado. Si ambos Q
coincidiesen, se debería obtener dos picos que mantengan
aproximadamente la igualdad de altura al desintonizar.
Marbelis Moreno
EES
Seccion:02