Tecnología de microondas explicada: Generación, transmisión y comunicación

Comunicación por microondas

Las microondas son ondas electromagnéticas con frecuencias superiores a 300 MHz y longitudes de onda inferiores a 1 metro. Por tanto, aquellas ondas electromagnéticas que tienen altas frecuencias pero longitud de onda corta se llaman microondas. La comunicación que se realiza a través de microondas se denomina comunicación por microondas. En otras palabras, la comunicación en la que las microondas se utilizan como medio de transmisión se llama comunicación por microondas.

Papel de las ondas electromagnéticas y antenas en la comunicación por microondas

En la comunicación por microondas, las señales moduladas se irradian a través de una antena en la atmósfera, mientras que la antena receptora recibe estas señales de información. Las microondas dependen principalmente de cavidades resonantes y guías de onda a través de las cuales se generan y transmiten (la cavidad metálica o vacía presente en el material conductor que se sintoniza en una frecuencia específica se llama resonador de cavidad). La transmisión de microondas se realiza a través de ondas electromagnéticas, también llamadas comunicación de línea de vista. Una comunicación de línea de vista es generalmente aquella en la que las señales de información se transmiten en la atmósfera sin ningún medio físico y la antena receptora recibe las señales. Cabe destacar que en una comunicación de línea de vista ambas antenas deben estar cara a cara en las torres de transmisión y recepción.

Las microondas (0,3-300 GHz) se categorizan en tres grupos según sus bandas:

• Banda de ultra alta frecuencia (UHF): Rango de 0,3 GHz a 3 GHz.
• Banda de super alta frecuencia (SHF): Rango de 3 GHz a 30 GHz.
• Banda de frecuencia extremadamente alta (EHF): Rango de 30 GHz a 300 GHz.

Debido a ciertas limitaciones de los tubos convencionales, como el equilibrio de inductancia y capacitancia entre electrodos, la velocidad de los electrones de un electrodo a otro, etc., la generación de microondas no es posible con ellos. Es necesario utilizar tubos especiales mediante los cuales se puedan generar microondas de unos pocos vatios hasta cientos de vatios. Para ese propósito, existen tubos especiales llamados generadores de microondas que se utilizan frecuentemente como generadores en comunicación por microondas, como el magnetrón, klistrón y tubo de onda viajera. Estos se usan como osciladores y amplificadores de microondas. Aquí explicaremos en detalle el tubo magnetrón.

¿Qué es un magnetrón y cómo funciona?

Un diodo cilíndrico que se utiliza como oscilador de microondas en comunicación por microondas se llama magnetrón. En otras palabras, el magnetrón se usa en comunicación por microondas como generador de microondas. Los científicos Randall y Boot de Gran Bretaña inventaron este tubo magnetrón.

Construcción del magnetrón

En cuanto a construcción, el magnetrón es básicamente cilíndrico. Consiste en ocho cavidades de ánodo de cobre permanentes alrededor de un cátodo de tungsteno calentado. El número de cavidades debe ser par en el magnetrón. El tamaño de las cavidades se mantiene generalmente según la frecuencia de oscilación. Todas las cavidades están hechas a 300 o 450 grados. Un cable coaxial está conectado a una de las cavidades para obtener la salida de microondas deseada. Al generar microondas de alta potencia, se utilizan guías de onda para obtener la señal de salida.

El principio de funcionamiento del magnetrón de cavidad es el mismo que el del tubo de onda viajera. Según este, las altas frecuencias de microondas se generan por la interacción del campo eléctrico radial y el campo magnético axial. Por tanto, para obtener frecuencias de microondas debemos proporcionar un campo eléctrico alrededor del tubo magnetrón, como se muestra en las figuras.

El campo eléctrico produce movimiento en línea recta entre cátodo y ánodo, mientras que el campo magnético produce movimiento circular. Por eso los electrones emitidos del cátodo calentado no van en línea recta debido a la interacción entre el campo eléctrico y magnético.

Cuando el valor del campo magnético es cero, el electrón emitido va directamente al ánodo. Solo hay efecto del campo eléctrico en ese momento, como se muestra en la figura con la línea X. Pero cuando la intensidad del campo magnético aumenta un poco, la trayectoria del electrón no es tan recta como antes, sino que se curva ligeramente, como se muestra con la línea Y.

Esta técnica es muy progresiva para generar microondas de alta frecuencia porque cuando el electrón emitido se acerca al electrodo ánodo, su velocidad aumenta debido al efecto del campo magnético. Pero cuando el campo magnético aumenta aún más, el electrón emitido no llega al ánodo, solo toca el electrodo y vuelve al cátodo debido al efecto del campo magnético, como se muestra con la línea Z. Esto se llama campo de corte. De manera similar, si seguimos aumentando el campo magnético, los electrones emitidos radian y vuelven al cátodo de nuevo, lo que a su vez calienta el cátodo hasta valores de temperatura peligrosos.

Por tanto, concluimos que si proporcionamos y mantenemos un cierto valor de campo magnético alrededor del tubo magnetrón, podemos obtener la frecuencia deseada de microondas. El magnetrón produce frecuencia de microondas de 900 MHz a 2,5 GHz con una potencia de 300 vatios a 10 kW, mientras trabaja con una eficiencia de aproximadamente 70%.