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Onda de radio

Animación de una antena dipolo de media onda que irradia ondas de radio, mostrando las líneas de campo eléctrico . La antena central consta de dos varillas metálicas verticales ...

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Animación de una antena dipolo de media onda que irradia ondas de radio, mostrando las líneas de campo eléctrico . La antena central consta de dos varillas metálicas verticales conectadas a un transmisor de radio (no mostrado). El transmisor aplica una corriente eléctrica alterna a las varillas, cargándolas alternativamente con cargas positivas (+) y negativas (−). Los bucles de campo eléctrico salen de la antena y se propagan a la velocidad de la luz ; estas son las ondas de radio. En esta animación, la acción se muestra a una velocidad muy reducida.

Las ondas de radio (anteriormente llamadas ondas hertzianas ) son un tipo de radiación electromagnética con las frecuencias más bajas y las longitudes de onda más largas del espectro electromagnético , típicamente con frecuencias inferiores a 300 gigahercios (GHz) y longitudes de onda mayores de 1 milímetro ( 3/64 de pulgada) , aproximadamente el diámetro de un grano de arroz. Las ondas de radio con frecuencias superiores a aproximadamente 1  GHz y longitudes de onda menores de 30  centímetros se denominan microondas . [ 1 ] Al igual que todas las ondas electromagnéticas, las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz , y en la atmósfera terrestre a una velocidad ligeramente menor. Las ondas de radio se generan por partículas cargadas que experimentan aceleración , como las corrientes eléctricas variables en el tiempo . [ 2 ] Las ondas de radio que se producen de forma natural son emitidas por rayos y objetos astronómicos , y forman parte de la radiación de cuerpo negro emitida por todos los objetos calientes. [ 3 ]

Las ondas de radio se generan artificialmente mediante un dispositivo electrónico llamado transmisor , que está conectado a una antena que irradia las ondas. Estas son recibidas por otra antena conectada a un receptor de radio , que procesa la señal recibida. Las ondas de radio se utilizan comúnmente en la tecnología moderna para la radiocomunicación fija y móvil , la radiodifusión , los sistemas de radar y radionavegación , los satélites de comunicaciones , las redes informáticas inalámbricas y muchas otras aplicaciones. Las diferentes frecuencias de las ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden difractarse alrededor de obstáculos como las montañas y seguir el contorno de la Tierra ( ondas terrestres ), las ondas más cortas pueden reflejarse en la ionosfera y regresar a la Tierra más allá del horizonte ( ondas ionosféricas ), mientras que las longitudes de onda mucho más cortas se curvan o difractan muy poco y viajan en línea recta , por lo que sus distancias de propagación se limitan al horizonte visual.

Para evitar interferencias entre diferentes usuarios, la generación artificial y el uso de ondas de radio están estrictamente regulados por ley, coordinados por un organismo internacional llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), que define las ondas de radio como " ondas electromagnéticas de frecuencias arbitrariamente inferiores a3000 GHz  , propagada en el espacio sin guía artificial". [ 4 ] El espectro radioeléctrico se divide en varias bandas de radio en función de la frecuencia, asignadas a diferentes usos. Las ondas de radio de mayor frecuencia y menor longitud de onda se denominan microondas .

Diagrama de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) de las ondas de radio emitidas por una antena transmisora ​​monopolo (pequeña línea vertical oscura en el centro). Los campos E y H son perpendiculares, como se muestra en el diagrama de fases de la parte inferior derecha.

Descubrimiento y explotación

Las ondas de radio fueron predichas por primera vez por la teoría del electromagnetismo propuesta en 1867 por el físico matemático escocés James Clerk Maxwell . [ 5 ] Su teoría matemática, ahora llamada ecuaciones de Maxwell , predijo que un campo eléctrico y magnético acoplado podía viajar por el espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta. En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz demostró la realidad de las ondas electromagnéticas de Maxwell al generar experimentalmente ondas electromagnéticas de menor frecuencia que la luz, ondas de radio, en su laboratorio, [ 6 ] mostrando que exhibían las mismas propiedades ondulatorias que la luz: ondas estacionarias , refracción , difracción y polarización . El inventor italiano Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores de radio prácticos alrededor de 1894-1895. Recibió el Premio Nobel de Física de 1909 por su trabajo en radio. La comunicación por radio comenzó a utilizarse comercialmente alrededor de 1900. El término moderno " onda de radio " reemplazó al nombre original " onda hertziana " alrededor de 1912.

Generación y recepción

Diagrama animado de una antena dipolo de media onda que recibe una onda de radio. La antena consta de dos varillas metálicas conectadas a un receptor R. El campo eléctrico ( E , flechas verdes ) de la onda incidente produce la oscilación de los electrones en las varillas, cargando alternativamente los extremos con cargas positivas (+) y negativas (−) . Dado que la longitud de la antena es la mitad de la longitud de onda, el campo oscilante induce ondas estacionarias de voltaje ( V , representadas por la banda roja ) y corriente en las varillas. Las corrientes oscilantes (flechas negras) fluyen a través de la línea de transmisión y del receptor (representado por la resistencia R ).

Las ondas de radio son emitidas por partículas cargadas al ser aceleradas . Entre las fuentes naturales de ondas de radio se incluyen el ruido radioeléctrico producido por los rayos y otros procesos naturales en la atmósfera terrestre, así como las fuentes de radio astronómicas en el espacio, como el Sol, las galaxias y las nebulosas. Todos los objetos calientes emiten ondas de radio de alta frecuencia ( microondas ) como parte de su radiación de cuerpo negro .

Las ondas de radio se producen artificialmente mediante corrientes eléctricas variables en el tiempo , que consisten en electrones que fluyen de un lado a otro en un conductor metálico con una forma especial llamado antena . Un dispositivo electrónico llamado transmisor de radio aplica una corriente eléctrica oscilante a la antena, y esta irradia la energía en forma de ondas de radio. Las ondas de radio son recibidas por otra antena conectada a un receptor de radio . Cuando las ondas de radio inciden en la antena receptora, empujan los electrones en el metal, creando pequeñas corrientes oscilantes que son detectadas por el receptor.

Desde la mecánica cuántica , al igual que otras radiaciones electromagnéticas como la luz, las ondas de radio pueden considerarse alternativamente como flujos de partículas elementales sin carga llamadas fotones . [ 7 ] En una antena que transmite ondas de radio, los electrones de la antena emiten la energía en paquetes discretos llamados fotones de radio, mientras que en una antena receptora los electrones absorben la energía como fotones de radio. Una antena es un emisor coherente de fotones, como un láser , por lo que los fotones de radio están todos en fase . [ 8 ] [ 7 ] Sin embargo, a partir de la relación de Planckmi=hν{\displaystyle E=h\nu }La energía de los fotones de radio individuales es extremadamente pequeña, [ 7 ] de 10⁻²² a 10⁻³⁰ julios . Por lo tanto, la antena incluso de un transmisor de muy baja potencia emite una enorme cantidad de fotones cada segundo. Por consiguiente, excepto para ciertos procesos de transición de electrones moleculares , como los átomos en un máser que emiten fotones de microondas, la emisión y absorción de ondas de radio se considera generalmente un proceso clásico continuo , regido por las ecuaciones de Maxwell .

Propiedades

Las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz.do{\displaystyle c}. [ 9 ] [ 10 ] Al pasar a través de un medio material, se ralentizan dependiendo de la permeabilidad y la permitividad del medio . El aire es lo suficientemente tenue como para que en la atmósfera terrestre las ondas de radio viajen a una velocidad muy cercana a la de la luz.

La longitud de ondaλ{\displaystyle \lambda }es la distancia de un pico (cresta) del campo eléctrico de la onda al siguiente, y es inversamente proporcional a la frecuencia.F{\displaystyle f}de la onda. La relación entre frecuencia y longitud de onda en una onda de radio que viaja en el vacío o en el aire es

λ=doF ,{\displaystyle \lambda ={\frac {\;c\;}{f}}~,}

dónde

do≈2.9979×108 EM .{\displaystyle c\approx 2.9979\times 10^{8}{\text{ m/s}}~.}

De forma equivalente,do{\displaystyle c}La distancia que recorre una onda de radio en el vacío en un segundo es de 299.792.458 metros (983.571.056 pies) , que es la longitud de onda de una señal de radio de 1 hercio . Una onda de radio de 1 megahercio ( banda AM media ) tiene una longitud de onda de 299,79 metros (983,6 pies) .    

Polarización

Al igual que otras ondas electromagnéticas, una onda de radio tiene una propiedad llamada polarización , que se define como la dirección del campo eléctrico oscilante de la onda perpendicular a la dirección del movimiento. Una onda de radio polarizada plana tiene un campo eléctrico que oscila en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. En una onda de radio polarizada horizontalmente , el campo eléctrico oscila en dirección horizontal. En una onda polarizada verticalmente , el campo eléctrico oscila en dirección vertical. En una onda polarizada circularmente , el campo eléctrico en cualquier punto gira alrededor de la dirección de propagación, una vez por ciclo. Una onda polarizada circularmente a la derecha gira en sentido dextrógiro alrededor de la dirección de propagación, mientras que una onda polarizada circularmente a la izquierda gira en sentido contrario. [ 11 ] : p.21 El campo magnético de la onda es perpendicular al campo eléctrico, y los campos eléctrico y magnético están orientados en sentido dextrógiro con respecto a la dirección de radiación.

Una antena emite ondas de radio polarizadas, cuya polarización está determinada por la orientación de sus elementos metálicos. Por ejemplo, una antena dipolo consta de dos varillas metálicas colineales. Si las varillas están horizontales, emite ondas de radio polarizadas horizontalmente, mientras que si están verticales, emite ondas polarizadas verticalmente. La antena receptora debe tener la misma polarización que la antena transmisora, o sufrirá una grave pérdida de recepción. Muchas fuentes naturales de ondas de radio, como el sol, las estrellas y la radiación de cuerpo negro de objetos calientes, emiten ondas no polarizadas, que consisten en trenes de ondas cortas incoherentes con una mezcla equitativa de estados de polarización.

La polarización de las ondas de radio está determinada por una propiedad cuántica de los fotones llamada espín . Un fotón puede tener uno de dos valores posibles de espín: puede girar sobre su propio eje (dextrógiro) o sobre su propio eje (levógiro). Las ondas de radio polarizadas circularmente a la derecha consisten en fotones que giran sobre su propio eje. Las ondas de radio polarizadas circularmente a la izquierda consisten en fotones que giran sobre su propio eje. Las ondas de radio polarizadas planas consisten en fotones en una superposición cuántica de estados de espín dextrógiro y levógiro. El campo eléctrico consiste en una superposición de campos que giran sobre su propio eje, lo que da como resultado una oscilación plana.

Características de propagación

Las ondas de radio se utilizan más ampliamente para la comunicación que otras ondas electromagnéticas, principalmente debido a sus propiedades de propagación favorables, derivadas de su gran longitud de onda . [ 12 ] Las ondas de radio tienen la capacidad de atravesar la atmósfera en cualquier condición climática, la vegetación y la mayoría de los materiales de construcción. Por difracción , las longitudes de onda más largas pueden rodear obstáculos y, a diferencia de otras ondas electromagnéticas, tienden a dispersarse en lugar de ser absorbidas por objetos de mayor tamaño que su longitud de onda.

El estudio de la propagación de radio , es decir, cómo se mueven las ondas de radio en el espacio libre y sobre la superficie de la Tierra, es de vital importancia en el diseño de sistemas de radio prácticos. Las ondas de radio que pasan por diferentes entornos experimentan reflexión , refracción , polarización , difracción y absorción . Las diferentes frecuencias experimentan diferentes combinaciones de estos fenómenos en la atmósfera terrestre, lo que hace que ciertas bandas de radio sean más útiles para propósitos específicos que otras. Los sistemas de radio prácticos utilizan principalmente tres técnicas diferentes de propagación de radio para comunicarse: [ 13 ]

  • Línea de visión : Se refiere a las ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora ​​hasta la receptora. No requiere necesariamente una línea de visión despejada; a frecuencias más bajas, las ondas de radio pueden atravesar edificios, vegetación y otras obstrucciones. Este es el único método de propagación posible a frecuencias superiores a 30 MHz. En la superficie terrestre, la propagación por línea de visión está limitada por el horizonte visual a unos 64 km (40 millas). Este es el método utilizado por los teléfonos celulares , la radio FM , la televisión y el radar . Mediante antenas parabólicas para transmitir haces de microondas, los enlaces de retransmisión de microondas punto a puntotransmiten señales de teléfono y televisión a largas distancias hasta el horizonte visual. Las estaciones terrestres pueden comunicarse con satélites y naves espaciales a miles de millones de millas de la Tierra.
    • Propagación indirecta : Las ondas de radio pueden alcanzar puntos más allá de la línea de visión por difracción y reflexión . [ 13 ] La difracción hace que las ondas de radio se curven alrededor de obstáculos como el borde de un edificio, un vehículo o una curva en un pasillo. Las ondas de radio también se reflejan parcialmente en superficies como paredes, pisos, techos, vehículos y el suelo. Estos métodos de propagación ocurren en sistemas de radiocomunicación de corto alcance como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos , walkie-talkies y redes inalámbricas . Una desventaja de este modo es la propagación multitrayecto , en la que las ondas de radio viajan desde la antena transmisora ​​a la receptora a través de múltiples trayectorias. Las ondas interfieren , lo que a menudo causa desvanecimiento y otros problemas de recepción.
  • Ondas terrestres : A frecuencias más bajas, por debajo de 2 MHz, en las bandas de onda media y onda larga , debido a la difracción, las ondas de radio polarizadas verticalmente pueden curvarse sobre colinas y montañas, y propagarse más allá del horizonte, viajando como ondas superficiales que siguen el contorno de la Tierra. Esto permite que las estaciones de radiodifusión de onda media y onda larga tengan áreas de cobertura más allá del horizonte, hasta cientos de millas. Las ondas terrestres son absorbidas gradualmente por la Tierra, por lo que la densidad de potencia de las ondas disminuye exponencialmente con la distancia a la antena transmisora, limitando el alcance de recepción. A medida que la frecuencia baja, las pérdidas disminuyen y el alcance alcanzable aumenta. Los sistemas de comunicación militares de frecuencia muy baja (VLF) y frecuencia extremadamente baja (ELF) pueden comunicarse en la mayor parte de la Tierra. Las ondas de radio VLF y ELF también pueden penetrar el agua hasta cientos de metros de profundidad, por lo que se utilizan para comunicarse con submarinos sumergidos .
  • Ondas ionosféricas : En longitudes de onda medias y cortas , las ondas de radio se reflejan en capas conductoras de partículas cargadas ( iones ) en la ionosfera , una parte de la atmósfera . Por lo tanto, las ondas de radio dirigidas en ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte; esto se conoce como propagación por "salto" u "onda ionosférica". Mediante el uso de múltiples saltos, se puede lograr la comunicación a distancias intercontinentales. La propagación por onda ionosférica es variable y depende de las condiciones atmosféricas; es más fiable por la noche y en invierno. Ampliamente utilizada durante la primera mitad del siglo XX, debido a su falta de fiabilidad, la comunicación por onda ionosférica se ha abandonado en gran medida. Sus usos restantes incluyen sistemas de radar militares de largo alcance (OTH) , algunos sistemas automatizados, radioaficionados y estaciones de radiodifusión de onda corta para transmitir a otros países.

En frecuencias de microondas , los gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas de radio, por lo que el alcance de los sistemas prácticos de radiocomunicación disminuye con el aumento de la frecuencia. Por debajo de los 20  GHz, la atenuación atmosférica se debe principalmente al vapor de agua. Por encima de los 20  GHz, en la banda de ondas milimétricas , otros gases atmosféricos comienzan a absorber las ondas, lo que limita las distancias de transmisión prácticas a un kilómetro o menos. Por encima de los 300  GHz, en la banda de terahercios , prácticamente toda la potencia se absorbe en pocos metros, por lo que la atmósfera es prácticamente opaca. [ 14 ] [ 15 ]

Comunicación por radio

En los sistemas de radiocomunicación , la información se transporta a través del espacio mediante ondas de radio. En el extremo emisor, la información a enviar, en forma de una señal eléctrica variable en el tiempo, se aplica a un transmisor de radio . [ 16 ] La información, denominada señal de modulación , puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de vídeo que representa imágenes en movimiento de una cámara de vídeo o una señal digital que representa datos de un ordenador . En el transmisor, un oscilador electrónico genera una corriente alterna que oscila a una radiofrecuencia , denominada onda portadora porque crea las ondas de radio que "transportan" la información por el aire. La señal de información se utiliza para modular la portadora, alterando algún aspecto de la misma y codificando la información en ella. La portadora modulada se amplifica y se aplica a una antena . La corriente oscilante empuja los electrones de la antena de un lado a otro, creando campos eléctricos y magnéticos oscilantes , que irradian la energía desde la antena en forma de ondas de radio. Las ondas de radio transportan la información hasta la ubicación del receptor.

En el receptor, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio entrante empujan los electrones en la antena receptora de un lado a otro, creando un pequeño voltaje oscilante que es una réplica más débil de la corriente en la antena transmisora. [ 16 ] Este voltaje se aplica al receptor de radio , que extrae la señal de información. El receptor primero usa un filtro de paso de banda para separar la señal de radio de la estación de radio deseada de todas las demás señales de radio captadas por la antena, luego amplifica la señal para que sea más fuerte, y finalmente extrae la señal de modulación portadora de información en un demodulador . La señal recuperada se envía a un altavoz o auricular para producir sonido, o a una pantalla de televisión para producir una imagen visible, u otros dispositivos. Una señal de datos digitales se aplica a una computadora o microprocesador , que interactúa con un usuario humano.

Las ondas de radio de muchos transmisores viajan por el aire simultáneamente sin interferir entre sí. Se pueden separar en el receptor porque las ondas de radio de cada transmisor oscilan a una frecuencia diferente; en otras palabras, cada transmisor tiene una frecuencia diferente , medida en kilohercios (kHz), megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). El filtro de paso de banda en el receptor consta de uno o más circuitos sintonizados que actúan como un resonador , de forma similar a un diapasón . [ 16 ] El circuito sintonizado tiene una frecuencia de resonancia natural a la que oscila. La frecuencia de resonancia se ajusta a la frecuencia de la estación de radio deseada. La señal de radio oscilante de la estación deseada hace que el circuito sintonizado oscile en simpatía, y este transmite la señal al resto del receptor. Las señales de radio de otras frecuencias son bloqueadas por el circuito sintonizado y no se transmiten.

Efectos biológicos y ambientales

Las ondas de radio son radiación no ionizante , lo que significa que no tienen la energía suficiente para separar los electrones de los átomos o moléculas , ionizándolos , ni para romper enlaces químicos , provocando reacciones químicas o daños en el ADN . El principal efecto de la absorción de ondas de radio por los materiales es calentarlos, de forma similar a las ondas infrarrojas emitidas por fuentes de calor como un calefactor o una hoguera. El campo eléctrico oscilante de la onda hace vibrar las moléculas polares , aumentando la temperatura; así es como un horno microondas cocina los alimentos. Las ondas de radio se han aplicado al cuerpo durante 100  años en la diatermia , una terapia médica para el calentamiento profundo de los tejidos corporales, con el fin de promover un mayor flujo sanguíneo y la curación. Más recientemente, se han utilizado para generar temperaturas más elevadas en la hipertermia y para eliminar células cancerosas.

Sin embargo, a diferencia de las ondas infrarrojas, que se absorben principalmente en la superficie de los objetos y provocan calentamiento superficial, las ondas de radio pueden penetrar la superficie y depositar su energía en el interior de los materiales y los tejidos biológicos. La profundidad de penetración de las ondas de radio disminuye con su frecuencia y también depende de la resistividad y la permitividad del material ; viene dada por un parámetro llamado profundidad de penetración del material, que es la profundidad dentro de la cual se deposita el 63% de la energía. Por ejemplo, las  ondas de radio de 2,45 GHz (microondas) en un horno microondas penetran en la mayoría de los alimentos aproximadamente2,5 a 3,8  cm .

Símbolo de ondas de radio

La observación directa de una fuente de ondas de radio a corta distancia, como la guía de ondas de un transmisor de radio en funcionamiento, puede dañar el cristalino del ojo por calentamiento. Un haz de ondas de radio suficientemente potente puede penetrar el ojo y calentar el cristalino lo suficiente como para provocar cataratas . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Dado que el efecto de calentamiento no difiere en principio de otras fuentes de calor, la mayoría de las investigaciones sobre los posibles riesgos para la salud de la exposición a las ondas de radio se han centrado en los efectos "no térmicos"; es decir, si las ondas de radio tienen algún efecto en los tejidos además del causado por el calentamiento. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) ha clasificado los campos electromagnéticos de radiofrecuencia como con "evidencia limitada" de sus efectos en humanos y animales. [ 22 ] [ 23 ] Existe evidencia mecanicista débil de riesgo de cáncer por exposición personal a RF-EMF de teléfonos móviles. [ 24 ]

Las ondas de radio pueden protegerse mediante una lámina o pantalla metálica conductora; un recinto formado por una lámina o pantalla se denomina jaula de Faraday . Una pantalla metálica protege contra las ondas de radio tan bien como una lámina sólida , siempre que los orificios de la pantalla sean menores que aproximadamente 1/20 de la longitud de onda de las ondas. [ 25 ]

Medición

Dado que la radiación de radiofrecuencia posee componentes eléctricos y magnéticos, suele ser conveniente expresar la intensidad del campo radiactivo en unidades específicas para cada componente. Para el componente eléctrico se utiliza el voltio por metro (V/m), y para el componente magnético, el amperio por metro (A/m). Se puede hablar de un campo electromagnético , y estas unidades se emplean para proporcionar información sobre los niveles de intensidad de los campos eléctrico y magnético en un punto de medición.

Otra unidad comúnmente utilizada para caracterizar un campo electromagnético de RF es la densidad de potencia . La densidad de potencia se utiliza con mayor precisión cuando el punto de medición está lo suficientemente lejos del emisor de RF como para ubicarse en lo que se denomina la zona de campo lejano del patrón de radiación. [ 26 ] En las proximidades del transmisor, es decir, en la zona de "campo cercano", las relaciones físicas entre los componentes eléctricos y magnéticos del campo pueden ser complejas, y es mejor utilizar las unidades de intensidad de campo mencionadas anteriormente. La densidad de potencia se mide en términos de potencia por unidad de área, por ejemplo, con la unidad milivatio por centímetro cuadrado (mW/cm² ) . Cuando se habla de frecuencias en el rango de microondas y superiores, la densidad de potencia se utiliza generalmente para expresar la intensidad, ya que las exposiciones que podrían ocurrir probablemente estarían en la zona de campo lejano.

Véase también

Referencias

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  3. ↑ "Onda de radio | Ejemplos, usos, datos y alcance | Britannica" . www.britannica.com . 26 de julio de 2024. Archivado del original el 13 de septiembre de 2024. Consultado el 22 de septiembre de 2024 .
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Lecturas adicionales

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