Universidad Fermín Toro Vicerrectorado Académico Facultad de Ingeniería Escuela de Telecomunicaciones
RADIOPROPAGACION
Arianna Gil 26.300.296 Juan Hernández 24.680.592
Onda superficial. La propagación por onda de superficie opera principalmente en las bandas de LF y MF (30 kHz a 3 MHz). A estas frecuencias las antenas no están eléctricamente elevadas y generalmente no existe visión directa. El campo responsable de la comunicación es el radiado por la antena en presencia de la tierra. En el caso real en el que el transmisor y el receptor están situados en la superficie terrestre y con visibilidad directa, la propagación se efectúa mediante la onda directa entre las antenas y la onda
reflejada en el suelo. La combinación de ambas se denomina onda espacial. Si la separación entre las antenas transmisora y receptora es tal que la curvatura de la tierra impide la visión directa, en ciertas bandas de frecuencia es posible la comunicación mediante la propagación por onda de superficie o por onda ionosférica (propagada por reflexión en las capas ionizadas de la atmósfera). Las ondas directa, reflejada y de superficie pueden estar presentes simultáneamente, denominándose a su combinación onda terrestre. Como las dimensiones de las antenas a utilizar son proporcionales a la longitud de onda a transmitir, para el caso de las ondas de frecuencias de 30 kHz a 3 MHz, el orden de magnitud de la longitud de onda obliga a emplear antenas de menores dimensiones, consideradas como eléctricamente cortas, asimiladas en su estudio a los dipolos de Hertz. No obstante, las dimensiones físicas de estas antenas son considerables y, para obtener un diagrama de radiación adecuado y polarización vertical se les da forma de mástiles radiantes verticales. (La onda de superficie solamente presenta alcances útiles cuando la polarización de la onda es vertical, ya que toda componente horizontal es rápidamente absorbida por el suelo).En estas condiciones, la antena radia energía en todas direcciones y, debido a su condición vertical y a su altura, parte de esta energía incide en la superficie de la Tierra con un ángulo tal que le permite reflejarse. A una cierta distancia de la antena, la energía procedente de varias direcciones de propagación experimenta diferentes modificaciones. La onda de espacio tiene dos componentes: una que se propaga directamente y otra reflejada en la superficie de la Tierra. Cuando la distancia es grande (del orden del horizonte radioeléctrico), el ángulo de incidencia del rayo reflejado tiende a cero. En esta circunstancia, el coeficiente de reflexión tiende a -1 y el desfase entre rayos a 0grados. Por tanto, los rayos directo y reflejado se cancelan entre sí. Como consecuencia de lo anterior, el campo recibido se debe únicamente a la onda de superficie, que se corresponde con aquella onda que salió de la antena transmisora con ángulos muy bajos, rasantes al terreno. El desplazamiento de la onda de superficie produce en la Tierra unas corrientes alternas que dan lugar a una disipación de energía en la resistencia del terreno, energía que será aportada por la onda de superficie. La evaluación de A es compleja. En la práctica se emplean curvas normalizadas por la UIT-R en función de la frecuencia y de las características eléctricas del terreno (conductividad y permitividad). El mecanismo de onda de superficie es uno de los utilizados en la propagación de las ondas de radio en las bandas de LF, MF y HF (30 kHz – 30 MHz), si bien en esta última las antenas se consideran como dipolos normales, no como dipolos eléctricamente cortos, que radian en unas direcciones tales que la posibilidad de reflexión en el terreno disminuye, por lo que la onda espacial no se anula, sino que interviene en la propagación reforzando la intensidad de campo recibida a gran distancia. La propagación por onda de superficie se trata de un mecanismo de propagación relativamente pobre. Una parte de la energía viaja por el interior de la tierra y, por tanto, sus características dependen de las propiedades eléctricas de la tierra. Las características de la propagación por onda de superficie más importantes son las siguientes: •Este es el modo de propagación dominante para frecuencias menores de 30MHz. •Las antenas no están eléctricamente elevadas. •La tierra equivale a un plano conductor que modifica las características de radiación. •Se emplean antenas monopolo para la transmisión. •La propagación se realiza a ras de Tierra. •Largo alcance de las ondas transmitidas. •Es un modo relativamente estable ante perturbaciones. •Se utiliza con anchos de banda reducidos.
•Las potencias radiadas son muy elevadas, del orden de kW y MW. •Modo empleado en los servicios de radiotelegrafía y radiodifusión. Modos de propagación ionosférica y troposférica En la Propagación Ionosférica, las ondas de radio de más alta frecuencia se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia la tierra. La densidad entre la troposfera y la ionosfera hace que cada onda de radio se acelere y cambie de dirección, curvándose de nuevo hacia la tierra. Este tipo de transmisión permite cubrir grandes distancias con menor potencia de salida. Un transmisor provisto de su antena, ilumina el espacio con radiación electromagnética. Según sea el diagrama de radiación de la antena, habrá direcciones privilegiadas en las que la iluminación será más intensa que en otras. Así por ejemplo, un monopolo de cuarto de onda sobre un plano de masa horizontal, iluminará al máximo y por igual el terreno circundante mientras que deja en la oscuridad el zenith (Elevación de 90º). Resulta muy instructivo visualizar el monopolo como si emitiera rayos de luz de intensidad decreciente conforme el ángulo de elevación de aquellos crece desde 0º hasta 90º. Cuando uno de estos rayos emitidos por la antena alcanza la ionosfera, lo hará con una cierta inclinación de “a” radianes. Al propagarse por la ionosfera, comenzará a refractarse aumentando el ángulo de incidencia inicial “a” (Ley de Snell). Conforme más avanza a través de la ionosfera mayor se hace el ángulo y puede ocurrir que el rayo se propague horizontalmente y finalmente vuelva a la tierra. Saldrá entonces de la ionosfera con el mismo ángulo “a” con que incidió y alcanzará la superficie de la tierra a una gran distancia del transmisor. Para cuantificar este proceso de refracción en que se basa la propagación ionosférica, se suele recurrir a un modelo en el que la ionosfera actúa como una capa reflectante (espejo) situada a una altura “h” que puede situarse entre 100Km y 700Km y que e n función de la actividad solar adquiere un cierto nivel de ionización. A este nivel de ionización le corresponde un valor de lo que se denomina frecuencia crítica de una capa ionizada fcr. Su valor fluctúa según sea de día o de noche, la estación del año y el ciclo solar. Así por ejemplo, de noche, en invierno y en una fase de escasa actividad solar la capa se puede situar a 200Km por la noche y tener una frecuencia crítica de 3.5MHz. Así también si en una región de la ionosfera a 75 Km de altura (capa D) se conoce la frecuencia de 6 -1 colisión iónica n=2·10 s . La densidad de ionización máxima en esa capa para alturas de 80 y 90 −¿ e 3 , valor que se alcanza durante el mediodía. Para esa densidad de ionización, la m Km es de 9 N=10 ¿ frecuencia crítica es de
. Si se utiliza un radioenlace de señal portadora de 1 MHz, la
atenuación producida en el trayecto ionosférico es Mientras que si la portadora es transmitida a 10 MHz la atenuación sufrida por la onda seria La capa D produce durante el día una fuerte atenuación a señales que intenten propagarse a través de la ionosfera, con frecuencias comprendidas en la banda de MF, a pesar de tratarse de frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia. Durante la noche, los iones prácticamente desaparecen en la capa D, n » 0, por lo que la atenuación es despreciable . En el resto de las capas la frecuencia de colisión es mucho menor, debido a que la atmósfera es más tenue, por lo que la atenuación es prácticamente despreciable.
PropagaciónT roposféria La propagación troposférica puede actuar de dos formas. O bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa) o 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. 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. También 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. Donde en Condiciones de formación de conductos la Condición necesaria en un margen de la troposfera es:
Espesor grande en función de la longitud de onda. Extensión horizontal adecuada
Tipos de conductos en atención a su ubicación: superficiales y elevados. Refracción: Curvatura del Rayo. La dependencia del índice de refracción con la altura genera una curvatura de los rayos definida por la Ley de Snell. Así mismo en casos de Reflexión en el suelo tenemos otro ejemplo: Considere un radioenlace a 5.625 GHz de corto alcance (d = 10 Km) sobre una llanura que utiliza como antenas pequeños reflectores, de unas 20 λ de diámetro, situados sobre sendas torres de 20 metros de alto. Considerando que el coeficiente de reflexión es igual a ρ = - 0.5, calcule en cuánto cambia la amplitud del campo incidente sobre la antena receptora respecto al caso en que la propagación fuera en espacio libre. El campo total será la suma del campo directo y el campo reflejado en el suelo. Para antenas de este tamaño, y con esta distancia y alturas de antenas la ganancia de las antenas es igual para el rayo directo que para el rayo reflejado. Del mismo modo la amplitud del campo de ambos rayos no varía, variando únicamente la fase. Por lo tanto el campo será: para el rayo directo que para el rayo reflejado. Del mismo modo la amplitud del campo de ambos rayos no varía, variando únicamente la fase. Por lo tanto el campo será:
ΔR es la diferencia de caminos entre los dos rayos:
Cuadro comparativo de propagación por tierra plana y por tierra curva
PROPAGACIÓN POR TIERRA PLANA
PROPAGACIÓN POR TIERRA CURVA
Es un modelo válido para comunicaciones urbanas
Es un modelo válido para comunicaciones marítimas de carácter naval
La reflexión de la onda causa reflexión ionosférica
La reflexión de la onda causa divergencia
El alcance es menor porque trabaja a frecuencias relativamente altas
El alcance es mayor porque trabaja a frecuencias relativamente bajas y depende del tipo de terreno siendo mayor en zonas húmedas que en secas
Este modelo presenta solo 2 variables de altura: altura del transmisor (ht) y altura del receptor (hr).
Este modelo presenta 3 variables de altura: Altura del terreno sobre el nivel del mar, c(x); altura de la curvatura de la tierra, f(x); y altura del terreno sobre la base de las
Las antenas que se utilizan son monopolos sobre tierra, la cual se modela como un plano conductor.
Utilizan antenas transmisoras de tipo monopolo corto con potencia radiada de
Opera en la banda VHF y superiores: frecuencias mayores de 30 MHZ Y menores a 150 MHZ. Para antenas de alturas reducidas y polarización vertical
Opera en las bandas: low frecuency (LF) y médium frecuency (MF)
Las distancias son cortas para que se pueda despreciar la curvatura de la tierra y sea a terreno liso
Las distancias son largas y solo basta con conocer la difracción por la curvatura de la tierra
Se aplica para curvas menores de 5 mts
Se aplica para curvas mayores de 5 mts
W I O N O S F E R A
E T G H C U R V A F
T G O G B P F G P J
R B H N Y E S C R V
O K T I E R R A O N
P L A N A F H B P A
1KW, en función de la frecuencia, la
O G I J G I F S A Z
S D T H G C F D G E
F J F D I I I I A N
E L M L Y A E S C W
R M O K G L D Q I G
A L E S F M O D O S
K G E U J H E Y N P
K B D C D U C T O S G D G H M X F A S C E G F D S X V Y F R E C U E N C I A S
SUPERFICIAL IONOSFERA TROPOSFERA MODOS PROPAGACION FRECUENCIAS TIERRA PLANA CURVA ONDA