La electrónica de microondas estudia ondas entre 1 GHz y 300 GHz. Estas ondas son microondas y viajan a la velocidad de la luz.
Su uso es especial por su frecuencia y tamaño de onda. Para trabajar con ellas, se siguen las leyes de Maxwell.
Principales Puntos Clave
- La electrónica de microondas estudia ondas entre 1 GHz y 300 GHz.
- Las microondas tienen una frecuencia alta y son pequeñas, lo que hace importante el cambio de fase.
- Para trabajar con microondas, se sigue la teoría de Maxwell.
- Se usan en muchas cosas, desde comunicaciones hasta diseño de microondas.
- Conocer las leyes de Maxwell es muy importante para diseñar con microondas.
¿Qué son las Microondas?
Las microondas son ondas electromagnéticas con frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz. Estas frecuencias están basadas en la velocidad de la luz (c = 3×108 m/s). Y se calcula con la fórmula c = f·λ. A más frecuencia, la onda es más corta.
Esto hace que los dispositivos y circuitos de microondas sean muy pequeños. El ajuste de fase de las señales es muy importante. En frencuencias más bajas, el tamaño del circuito es mucho más grande.
Relación entre Frecuencia, Longitud de Onda y Velocidad
La relación entre la frecuencia (f), la longitud de onda (λ) y la velocidad de propagación (c) de las ondas electromagnéticas se muestra con c = f·λ. En el espacio vacío, la velocidad de las ondas electromagnéticas está al nivel de la luz. En medios materiales, bajan un poco. Esto pasa por la interacción del medio con la onda.
Esta relación entre los parámetros de ondas electromagnéticas es esencial. Ayuda en el diseño y análisis de circuitos y dispositivos de microondas.
Diodos Gunn y Dispositivos de GaAs
El diodo Gunn es un componente hecho de arseniuro de galio (GaAs). Tiene dos partes y muestra una característica especial, la resistencia negativa. Esto es clave para hacer microondas.
Efecto Gunn y Resistencia Negativa
En 1963, J.B. Gunn descubrió el efecto Gunn. Se da una inversión entre el voltaje y la corriente al superar un voltaje especial. Esta inversión hace que el diodo Gunn produzca poder. Así se usa en osciladores de microondas para comunicarnos.
Características y Aplicaciones de los Diodos Gunn
Los diodos Gunn son conocidos como TED. Pueden ser amplificadores de electrones transferidos (TEA) o osciladores de electrones transferidos (TEO). Tienen áreas con resistencia incremental negativa. Por eso, son usados para hacer microondas.
En sistemas de comunicación, los ponen trabajando cerca de su voltaje especial. Así, hacen corrientes que cambian periódicamente en microondas.
Tecnologías para Construcción de Circuitos de Microondas
Se han creado muchas tecnologías para hacer circuitos de microondas. Estas incluyen circuitos con guías de onda y circuitos integrados planares.
Guías de Onda y Circuitos Integrados Planares
Al principio, se usaban mucho las guías de onda. Eran mejores por su factor de calidad alto y menos pérdidas. Pero hoy en día, los circuitos integrados planares, como los hechos a través de la tecnología microstrip-line, son los más comunes. Esto se debe a que son más pequeños y se pueden hacer con buenos materiales dieléctricos.
Los circuitos integrados microondas monolíticos (MMIC) son especiales. Se fabrican usando tecnología microstrip-line en GaAs o Si. Tienen componentes activos y pasivos en el mismo chip.
Circuitos Microondas Microstrip-Line
La tecnología microstrip-line es muy usada. Su uso trae muchas ventajas. Estas incluyen que son baratos y de tamaño pequeño. También es fácil añadir dispositivos activos. Podemos hacerlos en grandes cantidades y se llevan bien con otros circuitos microondas.
Por otro lado, tienen algunas desventajas. Tienen más pérdidas y no aguantan bien el calor. Además, no son tan buenos para usar con mucha energía. Esto los hace diferentes comparados con otras tecnologías.
Sección Transversal y Diseño de Microstrip-Line
Para hacer un circuito microstrip-line, necesitamos ciertos elementos. Colocamos una cinta conductora sobre un sustrato especial. Este sustrato tiene un plano conductor debajo. Lo más importante al diseñar estos circuitos es el tamaño de la cinta, el grosor del sustrato y su tipo de material. Estas cosas ayudan a saber cómo se comporta el circuito con la electricidad.
Sustratos para Circuitos Microstrip-Line
Hay muchos sustratos para estos circuitos. Al elegir uno, debemos pensar bien. Tenemos los sustratos suaves, que flexibles pero se expanden mucho con el calor. Por otro lado, los sustratos rígidos no se expanden tanto pero cuestan más. Ejemplos de sustratos suaves son RT Duroid 5870 y RT Duroid 5880, entre otros. Para los sustratos rígidos, se usan cuarzo, alúmina y otros materiales. La elección del sustrato es crítica pues afecta cómo el circuito funciona.
Resonadores por Cavidades Re-entrantes
Las cavidades re-entrantes son útiles en microondas. A bajas frecuencias, se usan circuitos resonantes tipo tanque. Pero, para frecuencias más altas, como los cientos de MHz, se necesitan cavidades especiales.
Cavidades Coaxiales Re-entrantes
Para calcular la resonancia, miramos cómo se comportan las ondas en una línea de transmisión. La mezcla de la inductancia, capacitancia y la impedancia de la cavidad nos dice cuándo resonará.
Cavidades Re-entrantes Radiales
Hay otro tipo de cavidad re-entrante, la cavidad radial. Su cálculo de resonancia sigue la misma teoría que la coaxial.
Estos tipos de cavidades ayudan mucho en microondas. Son geniales para hacer osciladores y filtros.
Introducción a la Electrónica de Microondas
La electrónica de microondas estudia ondas electromagnéticas entre 1 GHz y 300 GHz. Nos enseña cómo generar y usar microondas. Estas ondas son especiales por su corta longitud de onda.
Se aplica la teoría electromagnética al estudiarla. Implica crear sistemas para comunicarse con microondas. Así, se construyen tecnologías para trabajar con señales de microondas.
Líneas de Transmisión y Propagación de Ondas
Una línea de transmisión es como un puente que lleva energía de radiofrecuencia de un lugar a otro. Tiene una impedancia característica, que suele ser de 50 u 75 ohmios. Esto es común en cables coaxiales.
Líneas de Transmisión Ideal
Para propagar energía en modo TEM, la línea debe tener dos conductores y un dieléctrico entre ellos. Gracias a esto, podemos medir tensiones y corrientes claramente. Así, es más fácil analizar cómo se comporta la energía en la línea.
Secciones Elementales de Cable
Una sección elemental de cable es parte de un cable más grande. Incluye pérdidas en conexiones y empalmes. Se consideran factores como pérdidas en estos puntos y en conectores.
Atenuación en Líneas de Transmisión
La atenuación en un cable suma las pérdidas en cada sección, más pérdidas en las conexiones. Se necesita un margen para cambios futuros. Esto incluye empalmes extras o más cable, junto con efectos de viejedad y temperatura.
En líneas de transmisión reales, se pierde potencia por resistencia y absorción de energía en el dieléctrico. Llamamos a esto atenuación. Se mide en decibel o neper por metro.
Propagación de Ondas Electromagnéticas Transversales
La atenuación varía con la frecuencia de la señal. Los fabricantes suelen dar una gráfica que muestra cómo baja el poder con la distancia. Si una señal baja en 3 dB, pierde la mitad de su fuerza.