TECNOLOGÍA PROPAGACIÓN Y ONDAS DE RADIO
Modelos de propagación de ondas Modelo de Tierra Plana
Modelo de Tierra Curva
www.revistatecnologia.com SEPTIEMBRE 2014
Año 4 Número 16
TECNOLOGÍA editorial
Propagación y ondas de radio
Presidente Fundador César Yánez Director General Alberto Pérez Gerencia de Ventas César Yánez Diseño Gráfico Alberto Pérez Coordinador de Logística César Yánez
radiopropagación Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética.Las ondas de radio tienen una longitud de onda mayor que la luz visible y se usan extensamente en las comunicaciones.
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Las ondas de radio tienen longitudes que van de tan sólo unos cuantos milímetros (décimas de pulgadas), y pueden llegar a ser tan extensas que alcanzan cientos de kilómetros (cientos de millas). En comparación, la luz visible tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros, aproximadamente 5 000 menos que la longitud de onda de las ondas de radio. Las ondas de radio oscilan en frecuencias entre unos cuantos kilohertz (kHz o miles de hertz) y unos cuantos terahertz (THz or 1012 hertz). La radiación “infrarroja lejana” sigue las ondas de radio en el espectro electromagnético, los IR lejanos tienen un poco más de energía y menor longitud de onda que las de radio. Radiopropagación es el comportamiento de las ondas de radio (electromagnéticas) cuando se trasladan por el espacio. Se transmiten, reciben o propagan desde un punto sobre la Tierra a otro, a la atmósfera o al espacio. Siendo una forma de radiación electromagnética, de igual modo que las ondas de luz, las ondas de radio se ven afectadas por los fenómenos de la Reflexión, la Refracción, la Difracción, la Absorción, la Polarización y la Dispersión. Cordialmente
César Yánez e-mail: editorial@revista.com
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Modelos de propagación de ondas Ionosférica, troposférica por ondas de superficie Por César Yánez
L
a mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por las partículas cargadas de la ionosustedva ionósfera. La ionósfera es la región alta de la atmósfera que comprende entre 60 y 600 km de altura. Como el propio nombre indica está compuesta de iones y de plasma ionosférico y es de forma esférica al ser una de las capas de la atmósfera. La tropósfera es la capa que está en contacto con la superficie de la Tierra. Tiene alrededor de 17 km de espesor en el ecuador y en ella ocurren todos los fenómenos meteorológicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y los huracanes. A veces la troposfera puede producir refracción de las ondas de radio. Este fenómeno ocurre cuando sucede una inversión (las capas más altas están más frías y por lo tanto son más densas que las capas bajas). Es particularmente apreciable por la mañana, y en VHF. La propagación no es debida a un único fenómeno físico. Varios modos de propagación son posibles: • • •
La propagación ionosférica. La propagación troposférica. La propagación por onda de superficie.
Propagación ionosférica. En las regiones superiores de la atmósfera se producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de "reflejar" de nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad. En la ionosfera se producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan alteraciones importantes en la propagación de las señales. Las nubes electrónicas mencionadas tienden a formar capas a distintas alturas. A estas capas se las designa mediante letras: D, E, F. Cuanto mayor altura tiene una capa mayor es la distancia posible de alcanzar mediante una sola reflexión. La capa más alta es la F que durante el día está desdoblada en dos, llamadas respectivamente F1 y F2 las cuales se funden en una sola al atardecer. Recientemente se ha identificado una capa, denominada F3, que se forma en bajas latitudes (ecuador) cerca del mediodía, sus efectos son débiles. La capa D, que se encuentra a baja altura (y es la primera que debe atravesar la señal en su camino hacia las capas superiores), tiene efectos adversos porque absorbe las señales pero no las refractar nuevamente hacia la tierra. Esta capa se forma durante el día; es más densa durante el verano y durante los ciclos de máxima actividad solar. La absorción que produce es importante, sobre todo en frecuencia inferiores a los 7 MHz,.por eso, cuando la absorción es máxima, la capa D dificulta o impide las comunicaciones a largas distancias en las bandas de 40 y 80 m.
Ella dificulta muchísimo las comunicaciones a largas distancia en la banda de 40 m pues para lograr distancias de salto importantes es necesario emplear bajos ángulos de radiación para que los rayos incidan sobre las capas reflectoras en forma casi rasante; con estos ángulos la señal debe recorrer una considerable distancia en el seno de la capa D acabando absorbida por esta por lo que llega muy debilitada a las capas reflectoras (por ello inclusive emisores de mucha potencia como la de las emisoras de broadcasting en 40 m usualmente no se escuchan en horas cercanas al mediodía local). Cuando el Sol se pone, los iones de la capa D se rápidamente recombinan (en la altura a que están situados se hallan más cercanos entre si por la mayor presión atmosférica), entonces la capa D desaparece casi por completo y las señales logran alcanzar fácilmente las capas reflectoras posibilitando comunicados DX en las bandas más bajas. En los períodos de mínima actividad solar, y especialmente en invierno, la capa D se debilita lo suficiente como para permitir comunicados a considerables distancias en la banda de 40 m durante el día(como contrapartida las condiciones a corta distancia se hacen inestables o inexistentes pues se producirán zonas de silencio (skip). Las capas F1 y F2 prodigan la mayoría de los DX a muy largas distancias en HF por su altura y su capacidad para refractar las señales nuevamente hacia la tierra. Para que las señales puedan aprovechar las capas F, deben atravesar la D dos veces, una de ida y otra de vuelta. Al mismo tiempo las capas F deben tener densidad suficiente para reflejar las señales de la frecuencia considerada. Si se dan estas condiciones son posibles comunicados a gran distancia durante el día. Así sucede sobre todo en la banda de 20 m y superiores, porque la absorción de la capa D es menor en las frecuencias más elevadas del espectro de HF y las señales pueden atravesarla fácilmente. Es menos probable que las señales alcancen las capas F durante el día en 40 m e inferiores porque si consiguen atravesar la capa D resultan reflejadas por la capa E, que se encuentra a menor altura que la F, con lo cual la señal se refleja tierra en un punto más bajo.
Propagación troposférica. Se analiza la propagación troposférica debido a que cuando en una transmisión se sobrepasa una frecuencia de150 Mhz, como por ejemplo en modulaciones Vhf, Uhf y superiores, los modos de propagación por superficie e ionosfera ya no son útiles. En la troposfera las ondas se propagan en capas bajas de la atmosfera. Las antenas que se deben utilizar para estas transmisiones deben tener alturas mucho mayores con respecto a la longitud de onda, es decir se debe cumplir que h>>. La propagación troposférica puede actuar de dos formas. O bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa) ó se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra. El primer método necesita que la situación del receptor y el transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores. Trayectorias de onda: • Atenuación por obstáculos (difracción): Las ondas de radio en la troposfera sufren refracción y dispersión debido a cambios de temperatura, presión y contenido de vapor. • ConductosTroposféricos: En condiciones en que sobre una gran extensión horizontal hay un decrecimiento grande de la refractividad con la altura, las ondas de radio quedan atrapadas en el margen de alturas de dichas condiciones formando un conducto. No es un mecanismo suficientemente estable de comunicación pero sí provoca interferencias más allá del horizonte y desvanecimientos en enlaces visuales. Condiciones de formación de conductos: Condición necesaria en un margen de la troposfera: * Espesor grande en función de la longitud de onda. * Extensión horizontal adecuada.
Propagación por onda de superficie Ondas aéreas Son aquellas que parten de la antena del emisor y llegan hasta la antena del receptor a través del propio aire pero sin llegar a la ionosfera. Según su trayectoria pueden ser: Ondas directas, reflejadas y otras influenciadas por ciertos efectos como son por refracción troposférica o por difracción. Onda directa Tocar terreno ni ionosfera. La atenuación es mínima, siendo únicamente la que se produce por el espacio abierto o agentes meteorológicos (lluvia, nieve,...) Es la típica de frecuencias superiores a 30MHz (V-U-SHF). Un claro ejemplo lo tenemos en los emisores de radiodifusión FM y TV, en los que para conseguir máximas distancias es imprescindible tener la antena emisora lo más alta posible (o ubicaciones de repetidores o reemisores en cotas altas del terreno). Otro ejemplo lo tenemos en los radioenlaces de microondas (SHF o frecuencias >3GHz) en los que es imprescindible que haya visión directa para establecerse la comunicación Onda reflejada El cambio en la dirección de la propagación se denomina reflexión de una onda, y en este proceso la onda que regresa se denomina onda reflejada. En esta reflexión se observa que la onda incidente y la onda reflejada tiene la misma configuración La onda llega al receptor después de reflejarse en la tierra (o mar), sufre gran atenuación por la propia naturaleza del terreno y depende mucho de éste. En ocasiones favorece el establecimiento de comunicación a largas distancias. La velocidad de la onda transmitida dependerá del medio de propagación, en tanto que la velocidad de la onda reflejada no varía por propagarse en el mismo medio.
Bandas de frecuencias y aplicaciones
Propagación de ondas PROPAGACIÓN TIERRA PLANA
discovering por Alberto Pérez DE
ONDAS
TERRESTRES
SOBRE
Cuando las antenas trasmisoras y receptoras están ubicadas a corta distancia entre ambas, se puede, con garantía, ignorar el efecto de la curvatura de la Tierra y considerar que las ondas de radio se propagan a lo largo de una superficie plana conductora imperfecta. En estos casos, considerando antenas elevadas, la solución del problema, el cual se reduce a aplicar la ecuación de Maxwell, se complica bastante y la intensidad de campo puede encontrarse mediante los métodos de la óptica geométrica. En la práctica. los trasmisores emplazados en la Tierra usan antenas elevadas que trasmiten en el intervalo de onda corta y ultra corta, siendo típico este uso en el trasmisor de televisión, los trasmisores de VHF, FM, etcétera. Problemas de la esfericidad de la Tierra Intervalo de visibilidad directa La cuestión crucial del estudio de la propagación en la Tierra real consiste en de-terminar si las antenas trasmisoras y receptoras están dentro del intervalo de visibi-lidad directa entre sí. Si una de las antenas, (la cual la podemos denominar “A”) está elevada y la otra (llamada “B”), se encuentra en la Tierra, como se muestra en la figura 1, el problema se reduce a encontrar la distancia hasta el horizonte visible. Si se establece un radio terrestre de 6,37xl06 km, a partir del triángulo OAC te-nemos que:
cos α =
a h = 1− a+h a
donde se han considerado solamente los dos primeros términos de la serie, debido a que la altura h es despreciable en comparación con el radio terrestre.
inside
En todos los casos prácticos el ángulo geocéntrico es muy pequeño y podemos escribir que:
cos α = 1 −
a 2
Sustituyendo el valor numérico de a y expresando la distancia hasta el horizonte en kilómetro tenemos:
r10 = 3,57.h1 Nos limitaremos al caso en que la longitud del paso r es menor que la distancia del horizonte. La propagación de ondas terrestres con antenas elevadas (trasmisor y receptor) se muestra en la figura (Parámetros de un enlace de comunicaciones con línea vista con antenas en ambos extremos). La intensidad de campo total será la suma del rayo di-recto AB y el reflejado AOB debido a que consideramos la tierra plana. La curvatura de la tierra tendrá dos efectos sobre el radio de propagación, den-tro de la visibilidad directa: Dadas las alturas de las antenas transmisoras y receptoras, la trayectoria del rayo directo y el reflejado (su diferencia) será diferente de la calculada sin considerar la curvatura. La propagación del rayo directo y del reflejado sobre la Tierra esférica se mues-tra en la figura. Si dibujamos un plano MN tangente a la Tierra en el punto de reflexión y medimos las alturas de las antenas a partir de este plano, encontraremos que estas serán menores y las llamaremos h1 y h2. Sustituyendo estos valores para las alturas reales h1 y h2, en la ecuación de Vvedensky encontraremos el valor correcto de la intensidad de campo electromagnético, debido a que el ángulo de elevación del rayo, tanto en la superficie convexa como en el plano tangente, es el mismo. Los cálculos de la intensidad de campo sobre Tierra esférica deben realizarse in-troduciendo los valores corregidos de las alturas de las antenas. Se puede deducir de la figura 2, que a medida que , el campo resultante tenderá a cero en la ecuación de Vvedensky, siendo esto valido cuando las distancias se hacen comparables con el horizonte. Esto en la Práctica no se cumple. La expe-riencia demuestra que el campo de la onda terrestre existe a distancias mucho ma-yores que el horizonte visible.
Propagación de ondas PROPAGACIÓN TIERRA CURVA
discovering
DE
ONDAS
TERRESTRES
SOBRE
Es bien conocido que la troposfera es la capa de la atmósfera que más afecta las trasmisiones de televisión. Sus características físicas influyen notablemente sobre las ondas de radio. Entre estas características tenemos el índice de refracción, el cual varía con la altura y que es el responsable más directo de la curvatura que experimenta la onda trasmitida, dando lugar a diferentes tipos de refracción troposféricas Es conocido también que en el radio propagación se toma en cuenta el índice de refracción en forma de su variación dado que en la superficie terrestre este índice excede sólo en un 0,0003% a la unidad. De aquí surge la expresión dada por Dolukhanov para este caso:
dn ≈ −4 * 10 − 2 m −1 dh La troposfera causa un efecto de curvatura en el rayo, el cual es más acentuado en las trasmisoras VHF y UHF. Así, tenemos que si consideramos el concepto atmósfera estándar (y como corolario el de troposfera estándar), donde la variación está asignada, las ondas de radio que se propagan según un Angulo de elevación pequeño, es decir, viajaran formando arcos cuyos radios serán iguales a:
10 6 10 6 R= = = 25000 km dn 4 * 10 − 2 dh Debe notarse que las ondas de VHF y UHF experimentan una refracción mayor en la troposfera estándar que los rayos con frecuencias ópticas. Esto se debe a que las moléculas de agua que poseen un momento dipolo permanente y una masa finita, no pueden seguir fluctuaciones de frecuencia tan elevadas, pero si reaccionar posi-tivamente a las perturbaciones de frecuencias del tipo VHF y UHF, participar acti-vamente en el movimiento oscilatorio y contribuir a los cambios del índice de refracción.
inside
Estos antecedentes dan paso a diferentes conceptos, tales coma el radio efectivo de la Tierra (ya que como vimos, las ondas se propagan produciendo un efecto de aumento del radio de la Tierra) así como para las situaciones de propagación que podemos considerar anormales, ya que encontramos casos en que la trayectoria de las ondas electromagnéticas alcanzan distancias muy superiores a las previstas teó-ricamente, trayendo esto consecuencias importantes a la hora de analizar la interfe-rencia. Esta situación concreta existe en condiciones de súper refracción, que es una de las formas de refracción troposférica, en la cual por condiciones especificas y de carácter aleatorio, en dependencia de las condiciones meteorológicas, se forma lo que es conocido como ductos troposféricos, es decir, una propagación especifica que se logra con los rayos que se elevan dentro del intervalo que son atrapados den-tro de este ducto produciéndose una serie de reflexiones sucesivas en la superficie terrestre que se extiende hasta distancias bastante grandes. Puede establecerse una analogía entre estos ductos y una guía de onda, donde las paredes de esta última estarán formadas por la superficie terrestre y el límite supe-rior del ducto. La condición para que una onda electromagnética se propague dentro de un ducto es que su longitud de onda λ no exceda a una λ critica, conocida como λ, de corte. Para 1a mayoría de los casos, la siguiente expresión nos da el valor de esta λ crítica:
λc = 3,5 * ho
( 3 2 ).10
A partir de este valor podemos encontrar en la tabla 1, algunos valores signi-ficativos: Ho λc
6 0.01
24 0.1
120 1
600 10
De las observaciones prácticas sabemos que la altura de los ductos troposféricos es del orden de las decenas de metro y no exceden nunca los 200 m. Una teoría para el tratamiento de las radiocomu-nicaciones por ductos es de valor limitado a causa de su ocurrencia extremadamente aleatoria. Sin embargo, las condiciones son mas uniformes en algunas áreas, tales como el Mar Arábigo, donde puede ocurrir la propagación por ducto a determinadas horas regularmente. Debido a que la superrefracción influye en la interferencia, es importante tenerla en cuenta en la ubicación y selección de frecuencias de las tra-nsmisiones.
sudoku