Universidad Fermín Toro Vicerectorado Académico Decanato De Ingeniería Escuela De Telecomunicaciones
Integra ntes: Arianna Gil CI: 22.300.883 Juan Hernández CI: 24.680.592
CABUDARE, JUNIO 2017
Onda Superficial La propagación por onda de superficie opera principalmente en las bandas de LF y MF (30 kHz a 3 MHz). Esta onda se propaga en la discontinuidad tierra – aire debido a las corrientes inducidas en la Tierra. Este modo sólo propaga la polarización vertical, porque la polarización horizontal se atenúa muy rápidamente debido al carácter conductor de la superficie de la tierra en estas frecuencias. El alcance que se obtiene varía con la frecuencia, la potencia transmitida y el tipo de suelo (tierra seca, húmeda, mar...) En LF se pueden conseguir alcances de hasta unos 2000 km, en MF de hasta unos 300 km, mientras que ya en frecuencias más altas como HF, apenas se llega a los 50 km. Las aplicaciones más importantes son los sistemas de comunicaciones navales y los sistemas de radiodifusión (LF y onda media en AM). Las antenas que se utilizan habitualmente son monopolos verticales con alturas entre 50 y 200 m que radian polarización vertical.
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. 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. 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 de la onda superficial. En general estos modelos suponen una tierra lisa y de características eléctricas uniformes, lo que implica una longitud de onda mucho mayor que las posibles discontinuidades. Además se suponen que tanto la antena transmisora como la antena receptora se encuentran muy próximas a la superficie terrestre de modo que: Una onda de superficie se propaga en la discontinuidad tierra – aire. La componente vertical se propaga sobre la superficie sin apenas pérdidas, mientras que la componente horizontal se atenúa por el efecto de la conductividad del suelo. La atenuación por absorción es tanto mayor cuanto menor sea la conductividad del suelo. Además de la atenuación por absorción se produce una atenuación por la dispersión de la energía.
La onda de espacio compuesta por el rayo directo y del rayo reflejado en el suelo se anula a nivel del suelo, ya que el coeficiente de reflexión en el suelo es prácticamente igual a –1 y los caminos de ambos rayos son prácticamente iguales.
En las bandas de bajas frecuencias (LF), medias frecuencias (MF) y altas frecuencias (HF) (hasta 10-150 MHz) aparece una onda de superficie que se propaga en la discontinuidad tierraaire. Las antenas habituales son monopolos verticales con alturas entre 50 y 200 m que producen polarización vertical El alcance, función de la potencia transmitida y la frecuencia, varía entre: LF: 1000 a 5000 Km MF: 100 a 1000 Km HF: menor a 100 Km Onda Ionosférica 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. Los enlaces radio transoceánicos de Marconi sugirieron a Heaviside y Kennelly la existencia de esta capa ionizada en la atmósfera que reflejaba las ondas enviadas al espacio. En dichos enlaces estas ondas llegaban al mar y se reflejaban de nuevo, y de este modo, en varios saltos, se conseguía cruzar el océano. El alcance que se consigue para un solo salto depende de la frecuencia, la hora del día y de la dirección de apuntamiento de la antena. En MF, durante la noche, es de hasta unos 2000 km mientras que en HF se pueden alcanzar hasta 4000 km tanto de día como de noche. Este mecanismo de propagación lo utilizan los radioaficionados, comunicaciones navales y, antes de existir los satélites eran el medio más utilizado para comunicaciones de voz, punto a punto y a largas distancias. Se utilizan antenas elevadas con polarizaciones horizontales y verticales como abanicos logperiódicos, antenas rómbicas.
Capas de la ionosfera: La densidad de electrones también varía con la altura al suelo, presentando una serie de máximos relativos que permiten dividir la ionosfera en una serie de capas. En la Figura se presenta la densidad de electrones libres con la altura, tanto para el día como para la noche.
La primera capa es la capa D: Es una zona de baja densidad electrónica comparada con la molecular, que se produce entre los 60 y los 90 km. Esta capa decrece rápidamente tras la puesta de sol y su efecto más importante es la atenuación en la banda MF Este efecto hace que las señales en esta banda dura el dia lleguen a Tierra muy atenuadas
Atenuación de la capa D a 1 MHz, de noche y de día
La capa E está localizada entre 90 y 130 km. Aparece fundamentalmente de día, y muy tenuemente por la noche, reflejando las frecuencias de MF. En determinadas situaciones y de día, aparece una capa E esporádica, situada entre 90 y 150 km, haciendo que la atenuación sea mayor. La capa más importante, donde se produce principalmente la reflexión Ionosférica, es la capa F. Se extiende desde los 150 hasta los 400 km, y de día se desdobla en dos capas F1 y F2.
Propagación Onda Guiada Tierra-Ionosfera En VLF (3KHz-30KHz) el suelo y la ionosfera se comportan como buenos conductores Como la distancia h que los separa (60-100Km) es comparable con la longitud de onda en esta banda (100Km-10Km), la propagación se modela como una guía esférica con pérdidas. Las antenas, verticales, son eléctricamente pequeñas, aunque de dimensiones físicas muy grandes
Las aplicaciones son Telegrafía naval y submarina, ayudas a la navegación, etc. Y poseen cobertura global. Las “reflexiones ionosféricas” (realmente refracciones) se producen en las bandas MF y HF (0.3-30 MHz). En HF se utilizan antenas elevadas con polarizaciones horizontales y verticales. El alcance de un solo salto varía entre: MF: 0 a 2000 Km HF: 50 a 4000 Km Se aplica en radiodifusión, comunicaciones punto a punto, navales. Otros modelos de propagación de onda Ionosférica: Propagación en la ionosfera: modelo de plasma y rotación de Faraday Modelo de propagación Ionosférica para Tierra Plana
Onda Troposférica 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
Se considera una ATMOSFERA STANDARD: Definida como un valor medio de las propiedades de la troposfera. Existen varios modelos, donde h (en Km) mide la altura sobre el nivel del mar: – –
Modelo lineal (válido hasta 1 km) : N h 315 43 h Modelo exponencial: N h 315 exp 0.135 h 9 8 7 6 h
5
h
4 3 2 1 0
0
100
200
N l( h ) , N UITR ( h )
300
Refracción: Curvatura del Rayo. Curvatura del rayo: –
La dependencia del índice de refracción con la altura genera una curvatura de los rayos definida por la Ley de Snell.
n1sen 1 n2 sen 2 ni sen i cte
–
El radio de curvatura (r) del rayo se obtiene diferenciando la expresión anterior y expresando el resultado en función del diferencial de longitud (dl)
dnsen n cos d 0 1 dn 1 d sen dh dl r dl n dh cos
–
Puesto que las antenas se encuentran habitualmente a alturas semejantes y para una atmósfera standard el radio de curvatura toma el valor de: Atmosfera
S tan dard 1 1 dn dn dN sen 10 6 r 25640 Km 90º r n dh dh dh n h 1
Propagación de Onda de espacio o troposférica
Para las frecuencias de VHF y superiores, para las que la ionosfera se hace transparente, se asume una propagación en espacio libre modificada por el suelo (reflexión y difracción) y por la troposfera (refracción, atenuación y dispersión). Se emplea con antenas elevadas y directivas. El alcance es muy variable: decenas de Km a los 40.000 Km en comunicaciones por satélite y millones de Km en comunicaciones de espacio profundo Este modelo se aplica a Radiodifusión de FM y TV, Telefonía móvil, enlaces fijos, radar, comunicaciones vía satélite, etc. Se aplica en radiodifusión y comunicaciones punto a punto Tipos de atmósfera
Ductos Troposférico Los conductos son una forma anómala de propagación de característica incontrolable. En condiciones meteorológicas en las que sobre una gran superficie horizontal sucede una reducción muy fuerte del índice de refracción con la altura.
Índice de refracción Por definición es la raíz cuadrada de la constante eléctrica
Si la atmosfera es isotrópica y homogénea, el índice de refracción es constante y el rayo seguirá una trayectoria rectilínea.
Si el índice de refracción varia, el rayo será refractado y seguirá una trayectoria quebrada o curva.
Cálculo del índice de refracción
Dónde:
N= índice de refracción
H= altura sobre la superficie terrestre (metros)
R=6.37*106 m radio medio de la tierra
Efecto Conducto 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:
dN dM 157 km1 0k 0 dh dh
Condición necesaria en un margen de la troposfera: Espesor grande en función de la longitud de onda. Extensión horizontal adecuada.
Tipos de conductos en atención a su ubicación: superficiales y elevados.
Conductos por Formación Recordatorio:
N n 1 106 77.6
P e 3.73 105 2 T T
Conductos de evaporación. – – – – –
Conducto superficial estrecho sobre superficies de agua Dos procesos:
Aire en contacto con el mar está saturado de vapor de agua. Justo encima esto no es así por lo que la variación de N con la altura es muy negativa. Turbulencias que llevan vapor de agua a la zona superior. Resultado neto: variación log-lineal del índice de refracción modificado. (gráfica) Son mayores en los mares del Sur, en el verano y en las horas de la tarde.
Conductos de advección o movimiento de un tipo de aire sobre otro.
Importancia en regiones costeras o mares cerrados rodeados de tierras calientes. Proceso: flujo de aire seco y caliente de la tierra al mar donde hay aire frío y húmedo. Altura mayor que los conductos de evaporación y aparición después de ponerse el sol. También son posibles sobre tierra.
Descripción de la Propagación en un Conducto. 1. Propagación en un conducto por medio trazado de rayos Se cumple la ley de Snell generalizada:
Habrá tangente horizontal siempre que:
2. Propagación en conducto a través de guía de onda
Necesario un análisis modal de la guía dieléctrica que forma el conducto
Existencia de una longitud de onda de corte. Para que exista el conducto debe cumplirse además de la condición de refractividad que no se supere la longitud de corte:
Atenuación en el conducto superior a la correspondiente a la expansión del frente de onda
Fugas al exterior del conducto.
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 antenas.
Las antenas que se utilizan son monopolos sobre tierra, la cual se modela como un plano conductor.
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 Las distancias son cortas para que se pueda despreciar la curvatura de la tierra y sea a terreno liso
Se aplica para curvas menores de 5 mts
Utilizan antenas transmisoras de tipo monopolo corto con potencia radiada de 1KW, en función de la frecuencia, la distancia y el tipo de terreno. Opera en las bandas: low frecuency (LF) y médium frecuency (MF)
Las distancias son largas y solo basta con conocer la difracción por la curvatura de la tierra
Se aplica para curvas mayores de 5 mts
Cuadro comparativo de propagación por tierra plana y por tierra curva
W I O N O S F E R A K H V
E T G H C U R V A F B M Y
T G O G B P F G P J D X F
R B H N Y E S C R V C F R
SUPERFICIAL IONOSFERA TROPOSFERA MODOS PROPAGACION FRECUENCIAS TIERRA PLANA CURVA ONDA
O K T I E R R A O N D A E
P L A N A F H B P A U S C
O G I J G I F S A Z C C U
S D T H G C F D G E T E E
F J F D I I I I A N O G N
E L M L Y A E S C W S F C
R M O K G L D Q I G G D I
A L E S F M O D O S D S A
K G E U J H E Y N P G X S