Efecto de la Troposfera

Presentación del tema: "Efecto de la Troposfera"— Transcripción de la presentación:

1 Efecto de la Troposfera
Descripción de la Troposfera. Refracción Troposférica. Efecto conducto. Propagación por dispersión troposférica Atenuación propia de los gases Atenuación y efecto de los hidrometeoros.

2 Refracción Troposférica (I)
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) La expresión 1 incluye dos términos: término seco: término húmedo: Índice de Refracción. El índice es muy próximo a la unidad, aunque existe una pequeña diferencia que depende de las condiciones atmosféricas: Por comodidad se maneja el coíndice o refractividad, definido con tres cifras enteras. De acuerdo con la tabla 2.1 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. Los valores de P, e y T sólo son describibles en términos estadísticos. [1

3 Descripción de la Troposfera
La troposfera, es la parte de la atmósfera, que se extiende desde el suelo hasta: 8-10 km en latitudes polares; en latitudes medias y en el Ecuador. 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: Presión: Presión parcial del vapor de agua: 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) Efecto neto sobre N: 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: Obtención de radio equivalente y trabajo con rayos rectos. Refractividad modificada y tierra plana.

4 Atmósferas standard 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) : Modelo exponencial:

5 Refracción Troposférica (II)
Curvatura del Rayo. La dependencia del índice de refracción con la altura genera una curvatura de los rayos definida por la Ley de Snell. El radio de curvatura (r) del rayo se obtiene diferenciando la expresión anterior y expresando el resultado en función del diferencial de longitud (dl) Puesto que las antenas se encuentran habitualmente a alturas semejantes y para una atmósfera standard el radio de curvatura toma el valor de: n1 n2 n3 n4 n5 n6 n1>n2>n3>n4>n5>n6 1 2 3 4 5 h  dh dl

6 Refracción Troposférica (III)
Radio Equivalente de la Tierra Un procedimiento muy extendido en el diseño de radioenlaces consiste en tener en cuenta el efecto de la refracción troposférica modificando el radio de la Tierra (a) y suponiendo una trayectoria recta para el rayo. El nuevo radio a’ se calcula como: T R a=6370 Km r25640 Km El modelo de radio equivalente de la Tierra se utiliza para diseñar los radioenlaces terrestres. A la tierra de referencia esférica de 8490 Km se le suma la altura orográfica-radio del terreno (altura sobre el nivel del mar x 4/3) para obtener el perfil equivalente del terreno sobre el que se considera una propagación rectilínea entre transmisor y receptor. Esto permite analizar en detalle posibles reflexiones y difracciones introduciendo las zonas de Fresnel, etc. La atmósfera, de hecho es muy variable, y la pendiente de su coíndice de refracción N varía desde valores ligeramente positivos (con refracción negativa = curvatura de los rayos contraria a la de la Tierra) hasta valores de super refracción (dN/dh< -157) que da lugar a propagación por conductos superficiales, tal como puede verse en la siguiente transparencia. T R a’8490 Km

7 Características del modelo radio equivalente de la Tierra
Situación de subrrefracción: Situación de superrefracción: Formación de conductos: Aplicaciones: Obtención del horizonte de radio de una antena. Determinación de la zona libre de obstáculos. Una situación de subrrefracción puede hacer que penetren en la zona de Fresnel obstáculos que en situaciones normales no lo harían. Gráfico Griffiths

8 Modelo de Refractividad Modificada
Objetivo: modelado de tierra plana. Estratificación vertical de la troposfera y generalización de la ley de Snell: Introduciendo las coordenadas: se llega a la ecuación diferencial El índice de refracción modificado es: La refractividad modificada vale:  P d n d P0 0 h n0 r  o 0 a  n=n(). Estratificación esférica

9 Resumen de las Características de la Troposfera
Con el índice de refracción m podemos considerar una tierra ficticia plana y una troposfera ficticia con un gradiente del índice tal que los rayos trazados mantengan la misma curvatura que los rayos reales respecto a la tierra real. Para subrrefracción, refracción normal y superrefracción la pendiente de M es >0. La pendiente de M será negativa en el caso de formación de conductos. Gráficos: Hall figura 2.5 y Dolukhanov tabla 3.2 Variabilidad del índice de refracción: el valor de es un valor mediano excedido el 50% del tiempo. Hay estadísticas que en función de un período de tiempo superado dan el valor de la variación de la refractividad.

10 Resumen de las Características de la Troposfera
Tipos de Atmósfera Estas fuertes variaciones de las condiciones de propagación no suelen dar problemas en radioenlaces terrestres de microondas punto a punto bien diseñados. Para distancias de decenas de Km, la mayor o menor curvatura de los rayos entorno a la trayectoria correspondiente a la atmósfera media estándar, valor para el que se hace el diseño del radioenlace, afecta poco al nivel de señal recibido. Esto es así porque el ancho de haz a -3dB de las antenas son bastante más anchos que el cono de rayos límite que asegura en cualquier condición de atmósfera la unión entre transmisor y receptor. BW-3dB típicos de 1 a 2º a’=8490 Km

11 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: 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.

12 Clasificación de Conductos por su Formación (I)
Recordatorio: 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.

13 Clasificación de Conductos por su Formación (II)
Conductos por enfriamiento de la tierra por radiación. Hay un doble proceso que afecta a la temperatura y al vapor de agua. Variación de la temperatura: Inversión de la evolución de la temperatura con la altura. Formación de un posible conducto dependiendo de la variación de e. Variación de la presión de vapor de agua: El vapor de agua puede condensarse formando niebla. Descenso de la presión de vapor de agua y de la refractividad. Esto conlleva a una situación de subrrefracción que compensa la anterior. Evolución de un conducto nocturno: gráfica 2.9 libro de Hall. Otros mecanismos de formación de conductos. Hundimiento de grandes masas de aire asociados con anticiclones da lugar a conductos elevados durante un 1% del tiempo en Europa. Conductos asociados a los frentes de onda. Después de la puesta de sol en presencia de vientos flojos se puede producir una combinación del aire cercano a la Tierra con el superior produciendo un incremento superficial de la temperatura de manera contraria al proceso que realmente ocurriría. Esta inversión puede dar lugar a un gradiente de N suficientemente negativo como para formar un conducto dependiendo de la variación de la presión de vapor de agua. Si en las proximidades de la Tierra la temperatura desciende por debajo por debajo del punto de rocío, el vapor de agua se condensa formándose niebla. Esta contribuye sustancialmente menos a la refractividad que el vapor de agua por lo que N será, desde el punto de vista de la presión de vapor de agua, mayor a más altura que en la proximidad de la superficie terrestre. Esto provoca una pendiente poco negativa o incluso positiva de la refractividad lo que conduce a situaciones de subrrefracción. Esta situación se contrapone a la anterior por lo que habrá que considerar el efecto conjunto de ambos procesos. En climas cálidos y secos la humedad juega un papel poco importante. En las gráficas 2.9 del libro de Hall se adjunta la evolución y formación de un conducto a lo largo de la noche y lo que sucede por la mañana después de amanecer. Lo que ocurre entonces es que el conducto que inicialmente era superficial se ha convertido en un conducto elevado cuya duración es pequeña y acaban siendo destruidos por la actividad convectiva del aire durante el día. La predicción de estos conductos por radiación, eminentemente nocturna, es complicada.

14 Descripción de la Propagación en un Conducto.
Propagación en conducto por medio de trazado de rayos. Se cumple la ley de Snell generalizada: Habrá tangente horizontal siempre que: Figura 2.8 del libro de Hall: Casos a y b: conducto de superficie formado por rayos directos y reflejados. Casos c y d: región inicial con variación de la refractividad modificada positiva, no hay necesidad de reflexión en el suelo para formar la propagación. 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 una longitud de corte: Atenuación en el conducto superior a la correspondiente a la expansión del frente de onda. Fugas al exterior del conducto El valor del ángulo por debajo del cual quedan confinadas las ondas de radio en un conducto puede obtenerse como: de donde: Respecto a los dos últimos puntos referidos al análisis modal del conducto como guía onda, puede decirse que la energía va distribuyéndose sobre un frente que se ensancha horizontalmente al aumentar la distancia al transmisor pero que no varía sus dimensiones en sentido vertical. A la atenuación que crece con la distancia hay que añadir un término por fugas de energía hacia el exterior del conducto ya que los límites no son conductores perfectos sino simple discontinuidades más o menos abruptas de la pendiente de la refractividad del aire. En una guía de onda convencional hay una clara distinción entre modos que se propagan y modos al corte. En una guía dieléctrica como el conducto en que el índice de refracción varía de forma continua se puede hablar de modos atrapados y modos con fugas. Todos ceden energía al exterior del conducto propagándose los primeros con baja atenuación y los segundos con alta: todos tienen constante de propagación compleja, al contrario que en una guía de ondas convencional. Como se mencionó en los párrafos anteriores, los modos que se propagan en un conducto ceden energía al exterior. Esto supone que un transmisor situado dentro del conducto puede producir más allá del horizonte una señal superior a la que existiría en ausencia del conducto. De igual forma un transmisor fuera de un conducto puede producir más allá del horizonte y dentro del conducto una señal superior a la que existiría sin conducto. Esto ocurre a la inversa dentro del horizonte, que la señal se debilita respecto a lo que habría sin conducto. Como ejemplo se puede citar un radar elevado cerca de la costa que puede recibir con menos intensidad de la esperada ecos cercanos a él (agujero radar) mientras que recibe con más intensidad ecos alejados.

15 Resumen del problema de formación de conductos
El conducto provoca transmisiones guiadas de baja atenuación y grandes alcances. Por las dimensiones de los conductos (algunos metros hasta centenas de metros en situaciones excepcionales) afecta principalmente a las bandas de VHF y superiores. Son de aparición esporádica por lo que no son útiles para un canal de comunicaciones pero si pueden ser responsables de fuertes interferencias por sobrealcances anormales

16 Reflexión en Capas de la Troposfera (I)
La existencia de transiciones abruptas entre dos regiones de la atmósfera puede producir reflexión total o parcial de la onda electromagnética. Se considera un salto brusco cuando el margen de distancias es pequeño comparado con la longitud de onda. La presencia de capas en la atmósfera es la causa principal de aparición de multitrayectos. Los conductos predominan a frecuencias mayores de 500 MHz. Las reflexiones por capas existen por debajo de 1 GHz. Se utiliza el modelo de Fresnel suponiendo: Discontinuidad de n es abrupta. Discontinuidad plana y se extiende en sentido transversal. Cuando se llama ángulo de reflexión total.

17 Reflexión en Capas de la Troposfera (II)
Factores adicionales: La extensión del salto pueda hacerlo considerar como no abrupto. La rugosidad de la discontinuidad. La curvatura de la misma. La extensión de la capa en sentido horizontal.

18 Propagación por Dispersión Troposférica (I)
Características generales: Señal débil: la energía en el receptor es una fracción de la dispersada. Señal fluctuante: desvanecimientos profundos a corto plazo. Disminución efectiva de las ganancias de las antenas. Fundamentos de la propagación por dispersión troposférica Efectos de la difracción troposférica (gráfica Dolukhanov). Existen bolsas de aire cuyas características son distintas del aire circundante que pueden ser modeladas como nubes que ocupan el volumen común a las dos antenas. Modelo de propagación por dispersión troposférica. Formulación a través de la sección equivalente de dispersión por unidad de volumen. Datos iniciales: Ei, Hi, Si. Parámetro observado: Es. Definición: Cociente entre la potencia que tendría que radiar isotrópicamente el objeto para producir el campo disperso Es y la densidad de potencia incidente. Potencia en el punto P: Potencia que llega al receptor: Campo incidente Ei, Hi, Si Es P Figura 1 Figura 2 dV r2 r1 R T r

19 Propagación por Dispersión Troposférica (II)
Sección de dispersión por unidad de volumen: Expresiones empíricas para un enlace por dispersión troposférica: Pérdidas en espacio libre, Friis: Pérdidas por dispersión: Yeh Pérdida por acoplamiento de antenas al medio: Variaciones lentas de la señal dispersada por la troposfera. Los valores obtenidos anteriormente son valores medios por lo que se necesitarán correcciones. La distribución de los valores de potencia es normal. Variación rápida de la señal dispersada por la troposfera. Mejora por diversidad para disminuir la fluctuación de la señal: espacial, frecuencia, cuádruple, polarización y angular. En la expresión recuadrada se tiene que: A es una constante.  el ángulo formado por la dirección de dispersión y el vector campo eléctrico. n una constante que puede variar entre 5/3 y 3. , ángulo de dispersión formado por la dirección de iluminación y la de dispersión. Este ángulo es normalmente pequeño y su coeficiente indica la ventaja de hacerlo lo más pequeño posible con el fin de aumentar la sección de dispersión. ’ variación de la permitividad relativa del medio, relacionada con el espectro de irregularidades. Este parámetro, a su vez, está relacionado con la tasa de formación de burbujas que generan los mecanismos de dispersión. En cuanto a los mecanismos por diversidad se puede decir que en cada uno de los casos: Espacial, consiste en la habilitación de dos trayectos de manera que siempre haya señal útil en cualquiera de las dos antenas receptoras. Frecuencia, el desvanecimiento difiere en frecuencias separadas un 2 ó 5% de manera que cuando una se desvanece la otra se recibe correctamente. Cuádruple, combina las anteriores. Polarización, se utiliza un conjunto de dos polarizaciones ortogonales para efectuar la transmisión. Angular, empleo de antenas con varios haces separados.

20 Atenuación debida a los Gases de la Troposfera
Las moléculas de aire (vapor de agua y O2) absorben radiación electromagnética de forma significativa a frecuencias por encima de 15 GHz. Esta atenuación presenta una serie de máximos que son: H2O: 22.5, 183 y 320 GHz. O2: 60 y 119 GHz. En general la atenuación debida a los gases puede ponerse como (fig 3.14 Hall): El CCIR proporciona curvas de los anteriores parámetros en condiciones normales (1 atmósfera, 20º y humedad 7.5 g/m3). Para otros valores de humedad: Las curvas son válidas para dirección cenital y para la humedad standard. En el caso de una humedad distinta se puede interpolar y extrapolar en las curvas. En caso de un ángulo de elevación mayor de 5º se puede obtener aproximadamente la atenuación multiplicando por la cosecante del ángulo. Los subíndices de las expresiones “o” y “w” indican la atenuación del oxígeno y del vapor de agua para una atmósfera standard. Estos valores pueden valer para otra atmósfera de distinta presión y temperatura pero cuando la concentración de vapor de agua es diferente conviene modificar el valor como indica la expresión donde m es la concentración de vapor de agua por unidad de volumen. Además de los picos se puede ver que existe como un pedestal que también aumenta con la frecuencia. Los picos son realmente rayas de absorción en donde la molécula absorbe un cuanto de energía que le permite pasar de un estado energético a otro. El gas también emite radiación a esas frecuencias que aparece como ruido en los terminales de la antena. Las moléculas presentan un momento dipolar magnético y eléctrico que producen una rotación. Las líneas representan el paso de un estado de rotación a otro.

21 Atenuación propia de los gases y por hidrometeoros
La atmósfera apenas introduce ninguna atenuación por debajo de los 3 GHz, a excepción de los fenómenos ionosféricos. Por encima de 3 GHz aparece: Atenuación por lluvia. Atenuación por niebla. Atenuación por resonancias moleculares. Las curvas del ITUR dan el valor de atenuación para trayectos horizontales próximos a tierra. dB/Km Atenuación por niebla. Se suele medir en función de la intensidad de la niebla expresada en g/m3. Presenta una gran incidencia en la propagación en bandas de milimétricas, infrarrojos y bandas superiores. Atenuación por resonancias moleculares La atmósfera por los gases que la componen es selectiva en frecuencia, apareciendo máximos y mínimos de atenuación (ventanas). Se produce por la existencia de frecuencias de resonancia en la estructura electrónica de las diversas moléculas de la atmósfera. En dichas frecuencias el gas absorbe energía y produce una fuerte atenuación. Los gases responsables de la mayor parte de los picos de absorción son el oxígeno molecular y el vapor de agua. El nivel de atenuación depende de la concentración de los gases y por tanto de la altura. Estas atenuaciones normalmente son indeseables y hasta donde es posible se tratan de evitar. Así por ejemplo, en el rango de milimétricas se utilizan las llamadas “ventanas de radio” que no son otra cosa que las bandas de baja atenuación existentes entre los picos de las sucesivas resonancias de los gases atmosféricos. Se habla así de las ventanas de 35 y de 94 GHz. En algunos casos, sin embargo, se aprovecha la fuerte atenuación de las resonancias para establecer comunicaciones de corto alcance “seguras”. Es el caso de las radio-teléfonos militares que trabajan directamente sobre la línea de absorción del oxígeno a 60 GHz. A- Atenuación específica de la lluvia B- Atenuación específica de la niebla C- Atenuación por los componentes gaseosos

22 Influencia de los Hidrometeoros
Existencia de partículas líquidas o sólidas que producen un doble efecto: Absorción: agua y hielo son medios dieléctricos imperfectos que disipan tanto más cuanto mayor es la frecuencia. Dispersión: la permitividad compleja del agua es muy distinta de la del aire por lo que se dispersa energía en todas las direcciones. Parámetros n y p de propagación: gráfica de Hall. Gráfica de la página 20 compara los efectos de los hidrometeoros con los gases en la propagación de radio: Se aprecia el efecto de gases, niebla y lluvia. El efecto de niebla y lluvia afecta en las frecuencias mayores mientras que en los gases es permanente. El efecto de la nieve y el hielo es menor por dos razones: la constante p es mucho más pequeña y el contenido por unidad de volumen en agua es bastante menor. Se necesitan estadísticas de precipitaciones para realizar un estudio apropiado de la propagación.

23 Atenuación debida a la lluvia
Depende fuertemente del tamaño de las gotas y de su deformación al caer y de la cantidad global de agua en el aire. Debido a la dificultad de medir los anteriores parámetros se expresa la atenuación en función de la intensidad de lluvia (I) medida en mm/h. Varía con la frecuencia hasta unos 100 GHz. Depende algo de la polarización (H-V). La gráfica adjunta es un valor medio, Se produce por: La disipación por efecto Joule debido al comportamiento del agua como dieléctrico imperfecto. La dispersión de la energía en direcciones diferentes a la de propagación. Se aproxima como: Las lluvias, en general, son muy irregulares tanto en el tiempo como en el espacio, por lo que es un fenómeno complejo de caracterizar. Sin embargo hoy en día se disponen de datos bastante fiables obtenidos de las redes meteorológicas. En el diseño de radioenlaces se tiene en cuenta las “estadísticas” de lluvia, esto es las intensidades superadas en tanto por ciento de tiempo, de modo que a la hora del diseño se puede establecer los requisitos de potencia transmitida, ganancias de antenas necesarias, etc para asegurar un servicio fiable en un porcentaje de tiempo dado (valores típicos superiores al 99%).

24 Despolarización En el extremo receptor existe una cierta componente con polarización ortogonal a la transmitida. Este efecto se suele caracterizar mediante el parámetro XPD (discriminación por polarización cruzada): XPD depende de la atenuación total experimentada por la lluvia: Esta expresión es válida para enlaces horizontales. En caso de no ser así hay que añadir un factor correspondiente a la elevación: -40log(cos ). Existen estadísticas que comparan polarización horizontal y vertical en presencia de lluvia. Las gotas de lluvia no son realmente esféricas pero sí mantienen un eje de simetría vertical. En general una onda que se propaga por ese medio cambiará su polarización ya que, si se considera como la superposición de dos polarizaciones ortogonales (por ejemplo, lineales vertical y horizontal), su amplitud y fase relativas no serán las mismas en el extremo receptor del enlace que en el transmisor. Sólo las ondas con polarización horizontal o vertical no se verán afectadas ( a estas polarizaciones se les denomina “planos principales” del enlace). Otra manera de expresarlo es que cualquier polarización transmitida genera en el extremo receptor una cierta componente de polarización ortogonal. Esta componente puede ocasionar un problema en sistemas de comunicación que hagan reuso de polarización, que transmitan en la misma banda de frecuencias con dos polarizaciones ortogonales para aumentar la capacidad del enlace.

25 Características de la Propagación en presencia de lluvia
La atenuación asociada a enlaces atmosféricos no puede considerarse constante. Necesidad de estadísticas de propagación que deben cumplir: Tiempos de integración han de ser muy cortos. Gran variabilidad de lluvias intensas. Períodos de observación muy extensos: superiores a 10 años. El CCIR divide el mundo en 5 zonas climáticas a efectos de estadísticas de precipitación: Ordenadas: valores de precipitación excedidos un porcentaje de tiempo indicado en abscisas. Hay puntos en que no está contrastado por la experiencia.

26 Atenuación total de atmósfera clara para comunicaciones por satélite
La atenuación total de la atmósfera depende de la inclinación del trayecto, puesto que las atenuación específica por gases es función de la altura. Se caracteriza una atenuación total por gases en un trayecto cenital, y se obtiene la atenuación para trayectos inclinados un ángulo  como: El seno de  mide la diferencia de trayectos dentro de la atmósfera entre el rayo inclinado y el rayo cenital Atenuación total cenital A(90º)