Transmisión por microondas

• Telecomunicaciones unidireccionales y bidireccionales mediante satélite de comunicaciones
• Enlaces de retransmisión de microondas terrestres en redes de telecomunicaciones, incluidos los operadores troncales o de retorno en redes celulares.

Más recientemente, las microondas se han utilizado para la transmisión inalámbrica de energía .

Debido a que en la transmisión por microondas las ondas viajan en haces estrechos confinados a una trayectoria de línea de visión entre una antena y otra, no interfieren con otros equipos de microondas, por lo que los enlaces de microondas cercanos pueden usar las mismas frecuencias. Por lo tanto, las antenas deben ser altamente direccionales (de alta ganancia ) y se instalan en ubicaciones elevadas, como grandes torres de radio, para poder evitar las obstrucciones cercanas al suelo y transmitir a largas distancias. Los tipos típicos de antenas utilizadas en instalaciones de enlaces de radio son las antenas parabólicas , las de lente dieléctrica y las de reflector de bocina , que tienen un diámetro de hasta 4 m (13 pies) . Las antenas altamente direccionales permiten un uso económico del espectro de frecuencias disponible, a pesar de las largas distancias de transmisión.  

Debido a las altas frecuencias utilizadas, se requiere una línea de visión directa entre las estaciones. Además, para evitar la atenuación del haz, la zona alrededor del mismo, denominada primera zona de Fresnel, debe estar libre de obstáculos. Los obstáculos en el campo de la señal provocan una atenuación no deseada . Las altas cumbres o crestas montañosas suelen ser ubicaciones ideales para las antenas.

Además del uso de repetidores convencionales con radios conectadas en serie que transmiten en diferentes frecuencias, las obstrucciones en las trayectorias de microondas también se pueden solucionar utilizando repetidores pasivos o repetidores en la misma frecuencia.

Los obstáculos, la curvatura de la Tierra, la geografía de la zona y los problemas de recepción derivados del uso de terrenos cercanos (como en la industria manufacturera y forestal) son factores importantes a considerar al planificar enlaces de radio. En el proceso de planificación, es fundamental generar perfiles de trayectoria, que proporcionan información sobre el terreno y las zonas de Fresnel que afectan la ruta de transmisión. También debe tenerse en cuenta la presencia de una superficie de agua, como un lago o un río, a lo largo de la trayectoria, ya que puede reflejar el haz, y el haz directo y el reflejado pueden interferir entre sí en la antena receptora, provocando desvanecimiento por trayectos múltiples . El desvanecimiento por trayectos múltiples suele ser profundo solo en un punto pequeño y en una banda de frecuencia estrecha, por lo que se pueden aplicar esquemas de diversidad espacial y/o de frecuencia para mitigar estos efectos.

Los efectos de la estratificación atmosférica provocan que la trayectoria de radio se curve hacia abajo en una situación típica, por lo que es posible una mayor distancia a medida que la curvatura equivalente de la Tierra aumenta de 6370 km (3960 mi) a aproximadamente 8500 km (5300 mi) (un efecto de radio equivalente de 4/3). Eventos poco frecuentes de temperatura, humedad y perfil de presión en función de la altura pueden producir grandes desviaciones y distorsión de la propagación y afectar la calidad de la transmisión. La lluvia y la nieve de alta intensidad que provocan el desvanecimiento por lluvia también deben considerarse como un factor de deterioro, especialmente en frecuencias superiores a 10 GHz. Todos los factores perjudiciales mencionados en esta sección, conocidos colectivamente como pérdida de trayectoria , hacen necesario calcular márgenes de potencia adecuados para mantener el enlace operativo durante un alto porcentaje de tiempo, como el estándar del 99,99 % o 99,999 % utilizado en los servicios de "clase portadora" de la mayoría de los operadores de telecomunicaciones.     

El enlace de radio por microondas más largo conocido cruza el Mar Rojo con un salto de 361 km (224 millas) entre Jebel Erba ( 20°44′47″N 36°50′18″E / 20.74639°N 36.83833°E / 20.74639; 36.83833 , Sudán, 2109,8 m (6922 pies) sobre el nivel del mar) y Jebel Dakka ( 21°5′36″N 40°17′28″E / 21.09333°N 40.29111°E / 21.09333; 40.29111 , Arabia Saudita, 2650,65 m (8696,4 pies) sobre el nivel del mar). El enlace fue construido en 1979 por Telettra para transmitir 300 canales telefónicos y una señal de televisión, en la banda de frecuencia de 2,4 GHz. (La distancia de salto es la distancia entre dos estaciones de microondas). ^{[ 2 ]}       

Las consideraciones anteriores representan problemas típicos que caracterizan los enlaces de radio terrestres que utilizan microondas para las llamadas redes troncales: longitudes de salto de unas pocas decenas de kilómetros (típicamente de 10 a 60 km (6,2 a 37,3 mi) ) se utilizaron ampliamente hasta la década de 1990. Las bandas de frecuencia por debajo de 10 GHz, y sobre todo, la información a transmitir, eran un flujo que contenía un bloque de capacidad fija. El objetivo era proporcionar la disponibilidad solicitada para todo el bloque ( jerarquía digital plesiócrona , PDH, o jerarquía digital síncrona , SDH). El desvanecimiento y/o la multitrayectoria que afectaban al enlace durante un corto período de tiempo durante el día debían contrarrestarse mediante la arquitectura de diversidad. Durante la década de 1990, los enlaces de radio de microondas comenzaron a utilizarse ampliamente para enlaces urbanos en redes celulares . Los requisitos de distancia de enlace cambiaron a saltos más cortos (menos de 10 km (6,2 millas) , normalmente de 3 a 5 km (1,9 a 3,1 millas) ), y la frecuencia aumentó a bandas entre 11 y 43 GHz y, más recientemente, hasta 86 GHz (banda E). Además, la planificación de enlaces considera más las lluvias intensas y menos la propagación multitrayecto, por lo que los esquemas de diversidad se utilizaron menos. Otro gran cambio que ocurrió durante la última década fue la evolución hacia la transmisión de radio por paquetes . Por lo tanto, se han adoptado nuevas contramedidas, como la modulación adaptativa .         

La potencia emitida está regulada para sistemas celulares y de microondas. Estas transmisiones de microondas utilizan una potencia emitida típicamente de 0,03 a 0,30 W, radiada por una antena parabólica en un haz estrecho que diverge unos pocos grados (1 a 3–4). La configuración del canal de microondas está regulada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones ( UIT-R ) y las regulaciones locales ( ETSI , FCC ). En la última década, el espectro dedicado para cada banda de microondas se ha vuelto extremadamente saturado, lo que motiva el uso de técnicas para aumentar la capacidad de transmisión, tales como la reutilización de frecuencia, la multiplexación por división de polarización , XPIC y MIMO .

La historia de la comunicación por radiocomunicación comenzó en 1898 con la publicación de Johann Mattausch en la revista austriaca Zeitschrift für Elektrotechnik. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Pero su propuesta era primitiva y no apta para uso práctico. Los primeros experimentos con estaciones repetidoras de radio para retransmitir señales de radio fueron realizados en 1899 por Emile Guarini-Foresio. ^{[ 3 ]} Sin embargo, las ondas de radio de baja y media frecuencia utilizadas durante los primeros 40 años de la radio demostraron ser capaces de viajar largas distancias mediante propagación por onda terrestre y onda ionosférica .

En 1931, un consorcio anglo-francés encabezado por Andre C. Clavier demostró un enlace experimental de retransmisión de microondas a través del Canal de la Mancha utilizando antenas parabólicas de 3 metros (10 pies ) . ^{[ 5 ]} Se transmitieron datos de telefonía, telégrafo y fax a través de haces bidireccionales de 1,7 GHz a una distancia de 64 km (40 millas ) entre Dover (Reino Unido) y Calais (Francia). La potencia radiada, producida por un tubo Barkhausen-Kurz en miniatura ubicado en el foco de la antena, era de medio vatio. Un enlace militar de microondas de 1933 entre los aeropuertos de St. Inglevert (Francia) y Lympne (Reino Unido), a una distancia de 56 km (35 millas) , fue seguido en 1935 por un enlace de telecomunicaciones de 300 MHz, el primer sistema comercial de retransmisión de microondas. ^{[ 6 ]}     

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial proporcionó gran parte de la tecnología de microondas que hizo posibles los enlaces de comunicación por microondas, en particular el oscilador klistrón y las técnicas de diseño de antenas parabólicas. Aunque no es muy conocido, el ejército británico utilizó el equipo de radio número 10 con este fin durante la Segunda Guerra Mundial. La necesidad de retransmisión por radio no surgió realmente hasta la década de 1940, con la explotación de las microondas , que se propagaban por línea de visión y, por lo tanto, estaban limitadas a una distancia de propagación de unos 64 km (40 millas ) por el horizonte visual. 

Después de la guerra, las compañías telefónicas utilizaron esta tecnología para construir grandes redes de retransmisión de microondas para transportar llamadas telefónicas de larga distancia. Durante la década de 1950, una unidad de la operadora telefónica estadounidense AT&T Long Lines construyó un sistema transcontinental de enlaces de retransmisión de microondas a través de los EE. UU. que llegó a transportar la mayor parte del tráfico telefónico de larga distancia de los EE. UU. , así como señales de redes de televisión . ^{[ 7 ]} La principal motivación en 1946 para utilizar la radio de microondas en lugar del cable fue que se podía instalar una gran capacidad rápidamente y a menor costo. En ese momento se esperaba que los costos operativos anuales de la radio de microondas fueran mayores que los del cable. Hubo dos razones principales por las que se tuvo que introducir una gran capacidad repentinamente: la demanda reprimida de servicio telefónico de larga distancia, debido a la interrupción durante los años de la guerra, y el nuevo medio de la televisión, que necesitaba más ancho de banda que la radio. El prototipo se denominó TDX y se probó con una conexión entre la ciudad de Nueva York y Murray Hill, donde se ubicaban los Laboratorios Bell, en 1946. El sistema TDX se instaló entre Nueva York y Boston en 1947. El TDX se actualizó al sistema TD2, que utilizaba [el tubo Morton, 416B y posteriormente 416C, fabricado por Western Electric] en los transmisores, y luego al TD3, que utilizaba electrónica de estado sólido .

Destacaron los enlaces de retransmisión por microondas con Berlín Occidental durante la Guerra Fría , cuya construcción y operación, debido a la gran distancia entre Alemania Occidental y Berlín, superaban con creces las posibilidades técnicas. Además de la red telefónica, también existían enlaces de retransmisión por microondas para la distribución de emisiones de radio y televisión. Esto incluía conexiones desde los estudios a los sistemas de radiodifusión distribuidos por todo el país, así como entre las emisoras de radio, por ejemplo, para el intercambio de programas.

Los sistemas militares de retransmisión por microondas continuaron utilizándose hasta la década de 1960, cuando muchos de ellos fueron reemplazados por sistemas de dispersión troposférica o de satélites de comunicación . Con la formación del brazo militar de la OTAN , gran parte de este equipo existente se transfirió a los grupos de comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones típicos utilizados por la OTAN durante ese período consistían en tecnologías desarrolladas para las compañías telefónicas de los países anfitriones. Un ejemplo de Estados Unidos es el  sistema de retransmisión por microondas RCA CW-20A de 1 a 2 GHz, que utilizaba cable UHF flexible en lugar de la guía de ondas rígida requerida por los sistemas de mayor frecuencia, lo que lo hacía ideal para aplicaciones tácticas. La instalación típica de retransmisión por microondas o la unidad móvil portátil contaba con dos sistemas de radio (más uno de respaldo) que conectaban dos emplazamientos con línea de visión directa . Estas radios solían transmitir 24 canales telefónicos multiplexados por división de frecuencia en la portadora de microondas (por ejemplo, Lenkurt 33C FDM). Cualquier canal podía designarse para transmitir hasta 18 comunicaciones de teletipo . También se utilizaban sistemas similares de Alemania y otros países miembros.

Hasta la década de 1980, se construyeron redes de retransmisión de microondas de larga distancia en muchos países, cuando esta tecnología perdió cuota de mercado en el sector de las comunicaciones fijas frente a tecnologías más modernas como el cable de fibra óptica y los satélites de comunicación , que ofrecen un menor coste por bit.

Durante la Guerra Fría, las agencias de inteligencia estadounidenses, como la Agencia de Seguridad Nacional (NSA), supuestamente lograron interceptar el tráfico de microondas soviético mediante satélites como Rhyolite/Aquacade . ^{[ 8 ]} Gran parte del haz de un enlace de microondas pasa por la antena receptora y se irradia hacia el horizonte, al espacio. Al colocar un satélite geoestacionario en la trayectoria del haz, este puede ser recibido.

A principios del siglo XXI, los sistemas de retransmisión por microondas se utilizaron cada vez más en aplicaciones de radio portátiles. Esta tecnología resulta especialmente adecuada para este tipo de aplicaciones debido a sus menores costes operativos, una infraestructura más eficiente y la posibilidad de que el operador de la radio portátil acceda directamente al hardware.

Un enlace de microondas es un sistema de comunicaciones que utiliza un haz de ondas de radio en el rango de frecuencia de microondas para transmitir vídeo , audio o datos entre dos ubicaciones, que pueden estar separadas desde unos pocos metros hasta varios kilómetros. Los enlaces de microondas son utilizados habitualmente por las emisoras de televisión para transmitir programas a través de un país, por ejemplo, o desde una transmisión en exteriores hasta un estudio.

Las unidades móviles permiten montar cámaras, lo que les da libertad de movimiento sin cables a la vista. Suelen verse en las líneas laterales de los campos deportivos, en sistemas Steadicam .