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• Jon Paul Feican

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Propagación de ondas electromagnéticas

Propagación de Ondas Electromagnéticas

Propagación de ondas de tierra 

Es una onda electromagnética que viaja por la superficie de la tierra.”Ondas Superficiales”

    

Deben estar polarizadas verticalmente. La superficie de la tierra también tiene resistencia y pérdidas dieléctricas. Por tanto se atenúan a medida que se propagan. Las ondas de tierra se propagan mejor sobre superficies buenas conductoras como agua salada y áreas desérticas muy áridas. La propagación se limita a frecuencias por debajo de 2 MHz. Aplicaciones en comunicaciones de barco a barco o a tierra, radionavegación, marítimas móviles. Se utilizan a frecuencias tan bajas como 15 Khz.

Propagación de ondas de tierra Desventajas:  Requieren potencia alta para la transmisión.  Las ondas de tierra están limitadas a frecuencias, muy bajas, bajas y medias (VLF, LF y MF), requieren antenas grandes  Las pérdidas por tierra varían considerablemente con el material de la superficie. Ventajas:  Dando suficiente potencia de transmisión , las ondas de tierra se pueden utilizar para comunicarse entre dos ubicaciones cualquiera.  No se ven relativamente afectadas por los cambios en las condiciones atmósfericas.

Propagación de ondas Espaciales

Propagación de ondas Espaciales     

Incluye ondas directas ( transmisión de línea de vista LOS) y reflejadas. Las ondas espaciales se limita por la curvatura de la tierra. La curvatura de la tierra presenta un horizonte para la propagación de ondas espaciales comúnmente llamado radio horizonte. Debido a la refracción de la atmósfera , el radio horizonte se extiende más allá del horizonte óptico por un factor de cuatro tercios. El horizonte puede alargarse simplemente elevando las antenas, transmisora o receptora o ambas, por arriba de la superficie de la tierra, con torres o colorándolas en edificios altos.

Propagación de ondas Espaciales

En donde dt y dr son distancias en Km y ht y hr en metros

Propagación de ondas de cielo   



Ondas que se dirigen por encima del nivel horizonte. Producen un Angulo relativamente grande con la tierra. Se envían al cielo donde son reflejadas o refractadas nuevamente a tierra por la ionosfera (50-400km arriba de la tierra). La ionosfera esta compuesta por tres capas (DEF) las tres varían en ubicación y en densidad de ionización con la hora del día. Fluctúan en un patrón cíclico todo el ano. La ionosfera es más densa en las horas de máxima luz solar.

Propagación de ondas de cielo

Propagación de ondas de cielo CAPA D  

 

Capa D. Capa inferior se localiza (50-100Km) arriba de la superficie de la tierra. Como es la más lejana al sol tiene poca ionización. Tiene muy poco efecto en la dirección de propagación de las ondas de radio. Pero lo iones de la capa D pueden absorber cantidades apreciables de energía electromagnética. La cantidad de ionización en la capa D depende de la altitud del sobre el horizonte. Por lo tanto desaparece en la noche. Refleja ondas VLF y LF y absorbe ondas de MF y HF.

Propagación de ondas de Cielo CAPA E   

  

Se localiza de 100-140Km. Se llama a veces Capa Kennelly-Heaviside. Tiene su mayor densidad a medio día aproximadamente a 70 millas

cuando el sol se encuentra en su punto máximo. Al igual que la D desaparece en la noche. Auxilia la propagación de ondas de superficie de MF y refleja ondas de HF un poco durante el día. Se denomina capa E esporádica porque parece que va y viene en forma imprevisible (causada por manchas solares y estallidos solares). Es delgada con densidad de ionización muy alta. Cuando aparece por lo general hay una mejora inesperada en las transmisiones de radio de larga distancia.

Propagación de ondas de Cielo CAPA F 

 

Esta hecha de dos capas F1 y F2. Durante el día la capa F1 se localiza entre 140-250Km arriba de la tierra. Y la F2 de 140 a 300Km en invierno y 250 y 350 Km en verano. Durante la noche la capa F1 se combina con F2 forman una sola capa F1 absorbe y atenúa algunas ondas HF, aunque la mayoría de las ondas pasan a través de la capa F2, cuando se refractan nuevamente a la tierra.

Frecuencia crítica y ángulo crítico 

Angulo

Frecuencia crítica (fc), se define como la frecuencia más alta que puede propagarse directamente hacia arriba y todavía ser regresadas a la tierra por la ionosfera. Depende de la ionización y por tanto varia con la hora del día y de la estación del año.

Crítico Өc: Cada frecuencia tiene un Angulo vertical máximo en el cual se puede propagar y todavía ser refractada nuevamente por la ionosfera.

Altura Virtual



Es la altura arriba de la superficie de la tierra desde donde parece que una onda refractada ha sido reflejada.

Frecuencia máxima utilizable (MUF) 

Es la frecuencia más alta que puede utilizarse para la propagación de ondas del cielo, entre dos puntos específicos de la superficie de la Tierra. Es una frecuencia limitante para las ondas de cielo. Es para un ángulo especifico de incidencia.

Ө es el ángulo de incidencia

Ley del secante. Supone que la tierra es plana y la capa reflejante es plana, lo que jamás puede existir. Por tanto MUF se utiliza para hacer cálculos preliminares.

Distancia de salto

ds, es la distancia mínima, desde la antena transmisora, en que se regresará a tierra una onda de cierta frecuencia ( que debe ser menor que la MUF).

Frecuencia de transmisión 

Espectro de la longitud de onda electromagnética.

Designaciones de la banda CCIR

Distribución del espectro electromagnético según la ITU-R Denominación

Frec.



Ondas miriamétricas VLF

3 KHz – 30 KHz

100 Km – 10 Km

Radionavegación Servicio móvil marítimo

Ondas kilométricas LF

30 KHz – 300 KHz

10 Km – 1 Km

Radiocomunicación de larga distancia, onda larga Radionavegación

1 Km – 100 m

Radiodifusión (AM) Comunicaciones entre barcos, aviones

100 m – 10 m

Servicio fijo, móvil, Radioaficionados, Onda corta

Ondas hectométricas MF

300 KHz 3 MHz

Ondas decamétricas HF

3 MHz – 30 MHz

Servicio

Distribución del espectro electromagnético (Cont.) Ondas métricas VHF

30 MHz – 300 MHz

10 m – 1m

Televisión, teléfonos analógicos inalámbricos, Radiodifusión FM, radares Televisión, Radar, Comunicaciones a distancia corta, Comunicaciones móviles

Ondas decimétricas UHF

300 MHz 3 GHz

1m– 10 Cm

Ondas centimétricas SHF

3 GHz – 30 GHz

10 Cm – 1 Cm

Radar, Comunicaciones por satélite, enlaces en microondas

Ondas milimétricas EHF

30 GHz – 300 GHz

1 Cm – 1 mm

Enlaces con línea de vista (microondas) terrestres y satelitales, experimentación

1 mm – 0.1 mm

Comunicaciones ópticas

Ondas decimilimétricas Ópticas

300 GHz – 3000 GHz

Propagation path for different frequency bands Banda

Modos propagación

Alcance típico

VLF

Guiaondas tierra ionosfera

LF

Onda superficial

> 1000 Km (sobre agua)

MF

Onda superficial Onda ionosférica

Distancias cortas 100 Km Distancias largas > 500 Km

HF

Onda ionosférica (3 – 8MHz) (3 – 25 MHz) Onda superficial (3 – 30 MHz)

Distancias cortas < 100 Km

VHF

Onda espacial (troposférica) Disp. Ionosférica f < 50 MHz

Visión directa 50 Km 2000 Km

UHF

Onda espacial (troposférica) Disp. Ionosférica f>500 MHz

Visión directa 40 Km 600 Km

SHF

Onda espacial (troposférica)

Visión directa 40 Km

< 300 Km > 500 Km

Zonas Fresnel Las zonas de Fresnel están formadas por un conjunto de elipsoides concéntricos, cuyo eje mayor es la línea recta que enlaza las antenas transmisora y receptora, cuyos focos de radiación (R y T) coinciden con los focos de los elipsoides. Se definen zonas Fresnel como aquellos puntos del espacio que cumplen: (r1+r2)- R = nλ/2

Zonas fresnel

B r2

r1

A

T

P

R

Zonas Fresnel B

RF 

R

F

T d

A 1

R d

2

D

nd1d2 d1 + d2

Zonas de fresnel Front view Constructive interference Destructive interference

RF1 RF2 RF3

Primera zona fresnel

Se define como la superficie de un elipsoide de revolución con las antenas emisora y receptora situadas en los puntos focales en los que una onda reflejada tiene un camino indirecto media longitud de onda más largo que el camino directo entre las dos antenas. El primer elipsoide de fresnel (n=1), corresponde a la región del espacio por la que viaja mas energía (2/3 de campo), y por lo tanto, la región que necesita estar libre de obstáculos para garantizar un buen nivel de recepción.

Primera zona fresnel 

El radio de la primera zona fresnel permite definir la condición de visibilidad entre las antenas de forma que mientras no existe un obstáculo dentro de la primera zona de Fresnel se considera que la trayectoria no ha sido obstruida. Por el contrario cuando el obstáculo se encuentra dentro de la primera zona de Fresnel existirá una disminución apreciable en la potencia recibida, por lo que se considera que la trayectoria ha sido obstruida y deberá considerarse el efecto de difracción.

Zonas fresnel

Desvanecimientos 

Introducción Desvanecimiento es la disminución o variación de intensidad con que llegan las señales al receptor, se debe normalmente a las condiciones atmosféricas adversas y a las reflexiones del trayecto de propagación al encontrar superficies terrestres o acuáticas. La intensidad del desvanecimiento aumenta en general con la frecuencia y la longitud del trayecto.

Desvanecimientos

Profundidad y duración 



Profundidad de desvanecimiento: diferencia entre el nivel medio y el nivel recibido en condiciones de desvanecimiento.(en dB) F1=Po-P1 Duración de desvanecimiento: Intervalo de tiempo que transcurre entre la disminución y la resuperación del nivel nominal. tm=t2-t1

Desvanecimientos 

Introducción a los desvanecimientos Tipos de desvanecimiento Característica Profundidad

Tipo de desvanecimiento Profundo

Muy profundo

Duración

Lento

Rápido

Característica espectral

Plano

Selectivo

Factor K

Multitrayecto

Continuado

Puntual

Mecanismo de producción Dependencia Temporal

Técnicas para reducir el Desvanecimiento 



Sin emplear Diversidad

Con diversidad

• Según los parámetros del camino radioeléctrico • Según el procesamiento de la señal

• Espacio • Frecuencia • Angulo • Polarización • Trayecto

• Conmutación • Combinación

Técnicas sin diversidad • Antenas más grandes. G 

Sobredimensionar el enlace

• Mejores receptores. S •Mayor potencia transmitida •Reubicación de las estaciones utilizando trayectos más cortos



Aumento de inclinación del trayecto

Técnicas sin diversidad • Apantallamiento del punto de reflexión 

• Traslado del punto de Reducción del efecto de reflexión a una las reflexiones en superficiessuperficie menos reflectora •Elección de polarización vertical



Reducción del despejamiento

Técnicas de contramedida (Diversidad) 



Cuando se produce desvanecimiento o se averían los equipos de un radioenlace se emplea la diversidad que consiste en una serie de esquemas o alternativas que permiten transferir la señal a otros canales de reserva aumentando así la confiabilidad del sistema, aun bajo las peores condiciones de degradación del canal de transmisión El margen de desvanecimientos selectivos no se contrarresta aumentando la potencia de transmisión debido a que éstos no afectan el margen de desvanecimiento plano sino el desempeño del enlace (en términos de BER).

Diversidad en espacio 

Diversidad en espacio

Dos trayectos radioeléctricos. - Un transmisor. - Dos antenas receptoras. - No es probable un desvanecimiento simultáneo. Ventaja: Usa una sola frecuencia.  Inconveniente: En caso de avería del

Separación entre antenas hl: Altura de la λ⋅d Δh=TX ≥150⋅λ antena 4⋅h1

Diversidad de polarización 



Diversidad de Polarización - Una señal se transmite con dos diferentes polarizaciones electromagnéticas (vertical horizontal). Diversidad de Angulo Antenas con dos o más haces separados por pequenos angulos en el plano vertical o bien antenas separadas apuntando con angulos diferentes. Puede utilizarse en situaciones en las que no sea posible la diversidad de espacio o para reducir la altura de las torres.

Margen de desvanecimiento (Fm)

Es un factor de protección en donde se consideran las características no ideales y menos predecibles de la propagación de las ondas, como la propagación de múltiples trayectorias, sensibilidad a superficie rocosas y objetivos de confiabilidad del sistema.

Margen de desvanecimiento