República Bolivariana de Venezuela Universidad “Fermín Toro” Vicerrectorado Académico Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera de Telecomunicaciones
Propagación de ondas
Integrantes: Barrios Joseph Mujica Isaac Docente: Giménez Heddy Lu
Cabudare, 16 de marzo del 2015
Propagación de ondas Las ondas son uno de los fenómenos físicos más fundamentales: las ondas sobre la superficie del agua y los terremotos, las ondulaciones en resortes, las ondas de luz, las ondas de radio, las ondas sonoras, etc. La propagación de una onda puede interpretarse haciendo uso del modelo de la cadena lineal. Esta cadena está compuesta de una serie de partículas de igual masa separadas de resortes también iguales. Este modelo permite explicar el comportamiento de los cuerpos elásticos y por lo tanto la propagación de las ondas mecánicas.
En el caso de las ondas sonoras y de la luz, se acostumbra analizar a una onda como la suma de ondas sinusoidales simples. Este es el principio de superposición lineal. En contraste, cuando uno observa cuidadosamente las ondas en la superficie del agua, uno ve que para su descripción dicho principio no se puede aplicar en general, excepto cuando ocurren pequeñas amplitudes. El estudio de las ondas de amplitud pequeña en el agua fue uno de los tópicos principales de la física del siglo XIX. Durante mediados del siglo XX, el estudio de muchos fenómenos no lineales cobraron especial importancia; por ejemplo, los haces de láseres en la óptica no lineal y las ondas en gases de plasmas exhiben fenómenos no lineales. La importancia de tales fenómenos ha llevado a estudios más cuidadosos, lo que ha revelado que la propagación de ondas no lineales sean considera como entidades fundamentales en los ondulatorios. A las ondas estables en un medio de respuesta no lineal y dispersiva se les conoce como solitones. Frente de onda:
Las ondas electromagnéticas no son visibles al ojo humano y se debe analizar con métodos indirectos mediante esquemas. Los conceptos de rayos y frente de onda son auxiliares para
Ilustrar los efectos de propagación de las ondas electromagnéticas a través del espacio libre. Un rayo se considera como una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética. Estos rayos son utilizados para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética pero esto no indica que se refiere a la propagación de una sola onda electromagnética. Una frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante. El frente de onda es formado cuando se unen los puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente. Frente de onda plana Un frente de onda plana representa un frente de onda con una superficie que es perpendicular a la dirección de propagación, cuando una superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación como se muestre en la figura. En cuanto más cerca está el frente de la fuente. El frente de onda se vuelve más complicado. Frente de onda producido por una fuente puntual Gran parte de los frentes de ondas son por lo general más complicados que los frentes de onda plana, en una fuente puntual, varios rayos son propagados desde ella en todas
direcciones. Esta fuente se considera una fuente isotrópica y el frente de onda generado por la fuente puntual se considera una esfera con su respectivo radio y en el cual se centró está en el punto donde se originan las ondas. En el espacio libre, y a una distancia de la superficie de la fuente, los rayos dentro de una superficie pequeña del frente de onda esférico so casi paralelos a la dirección de propagación mostrados en la figura, por lo tanto, a mayor distancia de la fuente la propagación, el frente de onda se parece más a un frente de onda plano por lo que en la mayoría de los casos. Los frentes de onda esféricos se pueden simplificar como frente de onda plana por lo que en la mayoría de los casos los frentes de onda esféricos se pueden simplificar como frente de onda plana. Frente de onda esférico Para generar un frente de onda esférico, se necesita un radiador isotrópico que irradie en todas direcciones, en la realidad no existen radiadores isotrópicos pero se puede aproximar al radiador de una antena omnidireccional, el cual es capaz de producir un frente de onda esférico R. Todos los puntos que se encuentran a una distancia R, se encuentra en la superficie de la esfera y cuentan con la misma densidad de potencia. En cualquier otro momento, la potencia irradiada, se encuentra uniformemente distribuida sobre la superficie total de la esfera, donde se considera que el medio de transmisión no tiene perdidas. La potencia irradiada por la fuente puntual se encuentra distribuida en la superficie total de la esfera donde la potencia total irradiada es. P=
Prad 4π R2
Onda superficial Son ondas bidimensionales, es decir, se propagan en dos direcciones. Su nombre, onda superficial, se debe a que pueden propagarse en cualquiera de las dos direcciones de una de las superficies. Un ejemplo de ondas bidimensional son las ondas en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre ella. Su magnitud es una de las escalas de magnitud sísmica usadas en sismología para describir el tamaño de un sismo.
Onda troposférica
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Las ondas de radio en la troposfera sufren refracción y dispersión debido a cambios de temperatura, presión y contenido de vapor:
P, presión atmosférica (mbar); presión parcial de vapor de agua (mbar); T, temp.(K) •
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La expresión 1 incluye dos términos: –
término seco:
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término húmedo:
Índice de Refracción. –
El índice es muy próximo a la unidad, aunque existe una pequeña diferencia que depende de las condiciones atmosféricas:
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Por comodidad se maneja el con índice o retroactividad, definido con tres cifras enteras.
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se puede ver que el aire caliente tiene mayor capacidad de contener vapor de agua que el frío y por lo tanto presenta una mayor variabilidad del índice de refracción.
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Los valores de P, e y T sólo son describibles en términos estadísticos.
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La troposfera, es la parte de la atmósfera, que se extiende desde el suelo hasta: 8-10 km en latitudes polares; 10-12 en latitudes medias y 16-18 en el Ecuador.
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Se caracteriza porque sus condiciones de presión, temperatura y humedad varían fuertemente con la altura. En primera aproximación válida para los 2 primeros Km de altura h (en Km): –
Temperatura:
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Presión:
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Presión parcial del vapor de agua:
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La presión parcial de vapor de agua disminuye hasta que coincide con la de saturación en que precipita y se hace nula ( a partir de 2-3 km)
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Efecto neto sobre N:
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La trayectoria de la propagación (rayos) se analiza utilizando la Ley de Snell de la refracción en función del índice de refracción n. Formas clásicas de analizar el problema de propagación en la troposfera:
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Obtención de radio equivalente y trabajo con rayos rectos.
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Refractividad modificada y tierra plana.
Propagación en un medio ionizado La propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la propagación de pasmas. Un plasma es una región del espacio, con la permisividad e y la permeabilidad magnética m del vacío, que contiene electrones libres. Un modelo simplificado es el del plasma frío, en el que se desprecia el movimiento de los electrones por causas térmicas. Un análisis más acorde con la realidad es considerar la presencia de un campo magnético estático, de la misma manera que en la ionosfera existe el campo magnético terrestre.
Regiones Capa D
Capa E
Capa F1
Capa F2
Origen
Ionización del NO con partículas α
Ionización de todos los gases con rayos X
Ionización del oxígeno con rayos UV y X
Altura
60-90 km; desaparece de noche.
100-140
Ionización del oxígeno y rápida recombinación 180-240; desaparece de noche.
Densidad molecular, por cm3
1014-1016
5×1011-1013
1011
1010
105
Dí/inv: 106 Di/ver: 105 No/inv: 105
Densidad electrónica o de iones, por cm3
e: 100-103 ion: 106-108
Día: 105-106 Noche: 103-104
230-400
Consid érense en primer lugar las fuerzas a las que se encuentra sometido un electrón inmerso en el campo electromagnético de una onda plana. Éste experimentará una fuerza debida al campo eléctrico y otra al campo magnético. A continuación se va a realizar un breve análisis de las fuerzas puestas en juego.
Tierra plana Se refiere a la idea de que la superficie habitada de la Tierra es plana, en lugar de ser una tierra esférica o curvada. Se supone una propagación en el espacio libre, pero en situaciones reales, es afectada por el factor de atenuación de campo “Fe”. Basta con conocer la directividad de los monopolos cortos, esto depende de la longitud de los mismos. Fe se calcula con “p= distancia numérica” Se aplica para frecuencias inferiores a unos 150MHz Se aplica para alturas de antenas reducidas y polarización vertical, hay que tener en cuenta, además de los rayos directos y reflejados, el efecto de la onda de superficie. El efecto de onda de superficie es dominante para frecuentas inferiores a 10MHz, polarización vertical (antena transmisora monopolo) y terreno buen conductor. En mayoría de los casos prácticos, la altura de las antenas transmisora y receptora es mucho mayor que la distancia entre ella y es válido asumir que RD=RR y, además, el Angulo de reflexión es muy pequeño, con lo que también es válido suponer que la ganancia directiva de la antena transmisora es la misma en la dirección del rayo directo que en la dirección del rayo reflejado.
Tierra curva Se aplica este modelo para longitudes de enlaces tales que debidas a la curvatura terrestre son superiores a unos 5m. Esto suele corresponder a longitudes de ondas del orden de la distancia de la visibilidad radioeléctrica o mayor. Se considera una trayectoria rectilínea y una tierra ficticia de radio KRo. Se supone una tierra lisa, como sucede en propagación sobre mar, grande lagos o llanuras con terreno muy poco ondulado. ¿Cuándo deja de ser válido el modelo de tierra plana?: si las protuberancias debidas a la curvatura terrestre son superiores a unos de 5m, el modelo de tierra plana deja de ser válido, pasando a regir el modelo de tierra curva