Fenómenos que experimentan las ondas en su propagación

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1 Fenómenos que experimentan las ondas en su propagación

2 Características del medio en el que se produce la propagación
La transferencia de energía en un medio depende de ciertas propiedades electromagnéticas de éste, así como de propiedades similares del medio circundante. De esta forma, la transferencia de ondas electromagnéticas dependerá en diversos grados de las propiedades del terreno sobre el cual tiene lugar la transmisión. Estas propiedades están definidas por los siguientes parámetros: 1. constante dieléctrica ɛ, (permitividad), es la capacidad de un medio para almacenar energía electrostática. Un dieléctrico es un material no conductor, esto es, un aislante. Buenos dieléctricos son el aire, hule, vidrio y mica por ejemplo. La constante dieléctrica para el vacío es igual a x F/m 2. permeabilidad µ, es la medida de la superioridad de un material, comparado con el vacío, para servir como trayectoria para líneas de fuerza magnética. Los materiales ferromagnéticos como el hierro, acero, níquel y cobalto poseen altas permeabilidades. Por otro lado sustancias diamagnéticas como el cobre, latón y bismuto tienen permeabilidades comparables a la del espacio libre. El valor de µ para el vacío es de 4π henrio/m 3. conductividad ρ, es la medida de la habilidad de un medio para conducir corriente eléctrica. Todos los metales puros son conductores, teniendo algunos mejor conductividad que otros. La conductividad es el recíproco de la resistividad y se mide en siemens (mhos) Velocidad en el medio Mientras que en el vacío la conductividad vale cero, ɛ y µ nunca valen cero. La velocidad de la onda electromagnética en cualquier medio está dada por: Ya que los valores de µ y ɛ son prácticamente iguales para el aire y el vacío, la velocidad de las ondas electromagnéticas a través de ambos materiales es aproximadamente m/s. Este valor puede ser empleado para todas las ondas electromagnéticas a través de cualquiera de estos dos medios sin error apreciable.

3 1. FRENTES DE ONDA. ATENUACIÓN.
La antena más simple es un punto teórico denominado radiador isotrópico. En una radiación sin obstrucciones, al cabo de un segundo, una onda radiada por esta antena tendrá la superficie de una esfera con un radio igual a m. Esta superficie se denomina frente de onda. Obviamente, la potencia inicial, concentrada inicialmente en un punto, va atravesando esferas de radio cada vez mayor, repartiéndose por la superficie de esas esferas, por lo que la potencia en un punto a distancia R de la antena transmisora, se habrá atenuado en una proporción 1/R2.

4 2. REFLEXIÓN Una onda se refleja cuando encuentra con un obstáculo que no puede traspasar ni rodear. Si la onda se refleja, el ángulo de la onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente, de modo que si una onda incide perpendicularmente sobre la superficie reflejante, vuelve sobre sí misma.

5 3. REFRACCIÓN Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación cuando pasan de un medio a otro diferente. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura. y

6 4. DIFRACCIÓN Consiste en el curvado y dispersión de las ondas al rozar la superficie de la Tierra o cualquier otro obstáculo involucrado en la trayectoria. Se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

7 5. INTERFERENCIA Un objeto material como, por ejemplo, una piedra, no comparte con otra piedra el espacio que ocupa. Pero puede existir más de una vibración u onda en el mismo espacio al mismo tiempo. Si arrojas dos piedras al agua, las ondas que produce cada una pueden superponerse y formar un patrón de interferencia. En este caso los efectos de las ondas se pueden incrementar, reducir o neutralizar. Cuando la cresta de una onda se superpone a la cresta de otra, los efectos individuales se suman. El resultado es una onda de mayor amplitud. A este fenómeno se le llama interferencia constructiva, o refuerzo, en donde se dice que las ondas están en fase. Cuando la cresta de una onda se superpone al valle de otra, los efectos individuales se reducen. La parte alta de una onda llena simplemente la parte baja de la otra. A esto se le llama interferencia destructiva, o cancelación, donde decimos que las ondas están fuera de fase.

8 Tipos de reflexión ● Reflexión especular – si la superficie de un material es microscópicamente lisa y plana, los haces de luz incidentes y reflejados crean el mismo ángulo con una normal a la superficie de reflexión produciendo una reflexión especular.     ● Reflexión difusa – si la superficie de un material es “rugosa”, y no microscópicamente lisa, se producirán reflexiones difusas. Cada onda que incide en una partícula de la superficie obedecerá la ley básica de la reflexión, pero como las partículas están orientadas de manera aleatoria, las reflexiones se distribuirán de manera aleatoria.

9 Fenómeno relacionados con la reflexión
▪ Las ondas estacionarias. Una onda estacionaria se produce por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje. Dependiendo cómo coincidan las fases de la onda incidente y de la reflejada, se producirán modificaciones en el campo (aumenta la amplitud o disminuye). ▪ El ROE. Es un cociente que expresa la relación de la energía de las ondas incidente y reflejada a través del coeficiente de reflexión, que se define como la raíz de la relación de potencias que se encuentra dividiendo la energía reflejada por segundo que deja una superficie reflejante, entre la energía por segundo incidente a la misma superficie. Si ambas energías son iguales, el coeficiente de reflexión vale 1 y existe una reflexión perfecta. Si la energía reflejada es menor que la incidente la diferencia es, ya sea disipada en la superficie o parcialmente disipada y parcialmente permitida a través de la superficie en la forma de un rayo refractado.

10 ¿Qué es la fase de una onda?

11 ¿Cómo se producen las ondas estacionarias?

12 Refracción e índice de refracción
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina por el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia y su velocidad en el medio de que se trate.

13 Causas de la difracción
La difracción se puede producir por dos motivos diferentes: - porque una onda encuentra a su paso un obstáculo y lo rodea. - porque una onda topa con un pequeño agujero y lo atraviesa.

14 Capas de la atmósfera

15 Atmósfera Es la envoltura gaseosa que rodea a un planeta o a cualquier otro cuerpo celeste. En el sistema solar están dotados de atmósfera todos los planetas, con la particularidad de Mercurio que no posee una muy sólida. Están desprovistos de ella, o casi, los satélites naturalmente como la Luna, y por completo los asteroides pequeños planetas que, a causa de su pequeña masa y de la débil fuerza de atracción, no han sido capaces de retener las particulas gaseosas. También el Sol posee su atmósfera, llamada cromosfera. La formación de la atmósfera terrestre primitiva se debió a la intensa actividad endógena (erupciones volcánicas y fenómenos similares) que siguió a la formación de la costra sólida de nuestro planeta. Otra contribución pudo haber correspondido también a la caída sobre la Tierra de cuerpos formados por materiales volátiles como los cometas. La sucesiva disociación de estos elementos y la actividad biológica de las primeras plantas han llevado a la formación de la atmósfera actual, compuesta por un 78 por 100 de nitrógeno, un 21 por 100 de oxígeno y 1 por 100 de otros elementos menores. Se calcula que la atmósfera terrestre tiene una masa total de un millónesimo con respecto a la de nuestro planeta.

16 Capas de la atmósfera

17 La atmósfera es el medio de transmisión de las señales de radio

18 La ionosfera La ionosfera es un conjunto de zonas por encima de 15 km, desde 60 hasta 600 km de altura, en las que el aire está ionizado y es un buen conductor de electricidad. Ello sucede porque hay una gran cantidad de iones y de electrones libres en esta zona, lo que influye en gran medida sobre la propagación de ondas electromagnéticas. (Recuerdar que la ionización consiste en que un átomo pierda o gane algún electrón). En esta zona de la atmósfera existe una gran cantidad de gases y el impacto que producen en los átomos los rayos cósmicos y radiaciones ultravioletas les arranca algún electrón dejándolos convertidos en iones positivos. Las condiciones de propagación de las radiaciones son excelentes en las capas altas de la atmósfera y a ellas llegan con facilidad las radiaciones ultravioletas del Sol. Cuando ha tenido lugar la ionización, los iones y los electrones libres que se han formado chocan y se recombinan entre sí incesantemente; un ion positivo tiene la tendencia a dejar estable su estructura recuperando el electrón o electrones que le faltan, pero este proceso se mantiene de forma ininterrumpida debido a que las radiaciones continúan llegando a todas las zonas de la atmósfera (especialmente a la ionosfera). La ionización no es constante ni igual en todos los puntos de la ionosfera, influyen sobre ella la rotación de la Tierra, la formación de manchas solares, las erupciones solares y, sobre todo, la cantidad de radiación que llega según sea de día o de noche. Lo que importa es la densidad de ionización, es decir, el número de iones por cada unidad de volumen. Las radiaciones no penetran con idéntica intensidad en todas las zonas de la atmósfera porque si bien las capas superiores son alcanzadas de lleno por toda la radiación, a las capas inferiores apenas llega un pequeño porcentaje de ésta. En la parte superior de la ionosfera, aunque la ionización es muy grande, también lo es el número de recombinaciones: cada ión tiene un tiempo de vida muy corto al recombinarse enseguida con algún electrón de los muchos existentes en sus proximidades. A la parte baja de la atmósfera llega muy poca radiación puesto que ésta ha sido absorbida y amortiguada por todo el espesor de atmósfera que ha debido atravesar. La ionización será más importante en la zona central porque, aunque llegue un poco menos de radiación que a la parte superior, los iones formados duran más tiempo y ello resulta más importante a efectos de propagación de ondas electromagnéticas. Para estudiarla mejor se ha subdividido la zona conocida como ionosfera en varias subzonas o capas según la distancia que las separa de la superficie y del grado de ionización que contengan:

19 Capa D La capa más próxima a la troposfera es la capa D, que oscila entre 20 y 80 km aunque su valor central está aproximadamente a 70 km. Aquí la ionización es muy pequeña y procede solamente de las radiaciones solares muy intensas, lo que significa que, en la práctica, existe solamente durante el día que es cuando el Sol irradia una mayor energía sobre la superficie de la Tierra. Durante la noche apenas existe esta capa y no tiene utilidad práctica. Su importancia es muy escasa porque al quedar a alturas muy bajas prácticamente se cubre la misma distancia con las ondas troposféricas y sólo se emplea para la propagación de las ondas largas. Capa E Por encima de 80 y hasta 140 km (valor medio 100 km) la capa E permite reflejar ondas electromagnéticas hasta una distancia de km del punto de origen. La máxima propagación tiene lugar durante el día, pero no sufre una anulación total durante la noche si bien entonces reduce en gran parte su influencia. Esta capa es importante a efectos prácticos de propagación de ondas medias. Capa F La capa F, que es la más importante, tiene alturas medias entre 200 y 400 km. Las capas D y E casi desaparecen durante la noche, especialmente la primera, pero no sucede lo mismo con la segunda ya que la diferencia entre el día y la noche o las estaciones la afectan solamente en un cambio de espesor, densidad de ionización y altura con respecto de tierra. Durante las horas de sol, la capa F se subdivide en otras dos capas, denominadas F1 y F2. La inferior, F1, se mueve entre 140 y 250 km, durante el día y se eleva durante la noche. También influyen las estaciones: según en la que nos encontremos se recibe más o menos directamente la radiación solar. Aunque varía su altura, siempre queda por encima de la capa E. Al final del día se recombinan de nuevo las dos subcapas F1 y F2 para formar de nuevo la capa. Esta capa es la que utiliza la onda corta en sus desplazamientos a larga distancia.

20 Capas de la ionosfera

21 Aplicación de google-earth para conocer en tiempo real las capas de la ionosfera

22 Más sobre la ionosfera La ionosfera es una sección de la atmósfera alta en la cual la presión de aire es tan baja que los electrones y los iones que se forman, pueden existir durante periodos de tiempo largos ya que no se aproximan lo suficiente para atraerse mutuamente con lo cual se recombinarían y volverían a formar un átomo neutro. Una onda que entra en una región en la cual existan muchos electrones libres será afectada de la misma manera que si entrase en una región con diferente constante dieléctrica, esto es, variará su dirección de propagación. El mecanismo es complicado, pero en un sentido general es el resultado de la interacción de fuerzas eléctricas donde el electrón libre es puesto en movimiento por el paso de la onda. En la ionosfera el movimiento de las ondas tienden a ser rebotadas hacia la tierra. La luz ultravioleta del sol es la causa primaria de la ionización en la parte alta de la atmósfera. La cantidad de ionización no varía uniformemente con la altura sobre la tierra, como pudiera esperarse a primera vista. En vez de esto, se ha encontrado que hay capas de ionización relativamente densas a alturas bien definidas; incluso dentro de la misma capa, la ionización no es uniforme: es alta en el centro de la capa y se estrecha gradualmente hacia arriba y hacia abajo. La altura a la que se forma la capa y su densidad de ionización varía con la posición geográfica del lugar, la hora del día, la estación del año, y el ciclo de manchas solares. Esto es así porque la cantidad de radiación ultravioleta recibida del sol en un punto dado depende de esos factores. Características de las capas Las capas ionizadas o regiones están designadas por letras. La más baja, a una altura entre 48 y 88 Km, es llamada la región D. Debido a que esta zona es relativamente densa, parte de los átomos convertidos en iones por la luz solar se recombinan rápidamente, por lo que la cantidad de iones depende directamente de la luz solar: la ionización es máxima por las tardes y desaparece con la puesta del sol. La región D es relativamente ineficaz en reflejar las ondas a la tierra, por lo que no juega un papel importante para comunicaciones a largas distancias, excepto para absorber energía. La siguiente capa tiene una altura media de unos 105 Km y es llamada capa E. Esta es una región de alta densidad atmosférica y la ionización varía con la altura del sol: decrece rápidamente con la puesta del sol, cuando los iones y los electrones se recombinan por la ausencia de luz solar, y alcanza su mínimo a la medianoche, se incrementa rápidamente al salir el sol y alcanza su máximo por la tarde. Como en el caso de la región D, la capa E absorbe energía de las ondas de baja frecuencia durante el período de máxima ionización.

23 La segunda en importancia para comunicaciones es la capa F2
La segunda en importancia para comunicaciones es la capa F2. Esta es la capa más ionizada, y se encuentra a una altura del orden de 240 a 400 km, varía con la hora del día, la estación del año y el ciclo de manchas solares. A estas alturas la atmósfera es muy tenue, y por lo tanto los iones y los electrones se recombinan a baja velocidad. Debido a esto, la ionización no depende de la altura del sol: alcanza su máximo un poco después de la tarde, continúa a un nivel más bien alto, pero decreciendo gradualmente durante la noche, alcanzando su mínimo justamente antes de la salida del sol, incrementándose rápidamente para alcanzar el nivel del día en una hora o dos. Durante el día la capa F2 algunas veces se divide en dos, la más baja y ancha, ocurre a una altura de 193 km más o menos y se llama capa F1. La capa F1 es, en general, de poca importancia en comunicaciones, excepto para proporcionar absorción de energía para las ondas que viajan a través de ella. Esta capa y sus efectos desaparecen durante la noche. Después del ocaso, también la altura de la capa F2 decrece, la ionización máxima ocurre a unos 280 km.

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26 Fenómenos infrecuentes en la atmósfera

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28 Situación de inversión térmica

29 Cinturones de Van Allen
Son dos fajas, formadas por partículas cargadas e interpoladas en el campo magnético terrestre, que rodean a nuestro planeta. Fueron descubiertos en 1958 por el físico James van Allen, que era responsable de un experimento confiado al primer satélite artificial americano "Explorer 1". En lo que respecta al origen de las partículas de los cinturones de van Allen, está en los flujos de electrones y de protones que nos llegan desde el Sol bajo la forma de viento solar. Las partículas son arrastradas en recorridos helicoidales sobre las líneas del campo geomagnético por la fuerza de Lorentz (fuerza ejercida por un campo eléctrico y un campo magnético sobre una carga eléctrica en movimiento). Dado que el campo magnético aumenta cerca de los polos de la Tierra, las partículas se mueven de un lado a otro en recorridos helicoidales entre los polos norte y sur de la Tierra. Los cinturones son evitados por las misiones espaciales tripuladas, porque su radiación puede dañar el organismo humano. Esta región se extiende desde algunos cientos de kilómetros sobre la Tierra hasta unos a km. La mayor parte de los protones de alta energía se encuentran en el cinturón interior a una altitud de km; los electrones están más concentrados en un cinturón exterior que se extiende a mucha distancia de la Tierra en el espacio.

30 Magnetosfera Es la región más externa de la atmósfera terrestre, también conocida con el nombre de exosfera. Se extiende por encima de la ionosfera, a partir de los 500 km. En esta región las partículas ionizadas están gobernadas por el campo magnético terrestre y forman una característica envoltura modelada por las líneas de fuerza del campo magnético y por la interacción con el Viento solar. Por el lado del Sol el encuentro entre las partículas del viento solar y la envoltura más exterior de la magnetosfera forma una onda de choque; por el lado opuesto las mismas partículas del viento solar arrastran la magnetosfera, haciéndola adquirir la forma de una cola cometaria. La magnetosfera forma un verdadero escudo protector contra las partículas cargadas del viento solar, impidiéndoles llegar al suelo.

31 Auroras polares Espectacular fenómeno de la alta atmósfera provocado por el impacto de partículas atómicas cargadas, provenientes del Sol contra las capas de la ionosfera a aproximadamente 100 km de altura. Estas partículas estimulan los átomos y las moléculas de la ionosfera, provocando el fenómeno de la Luminiscencia. Como las partículas tienden a moverse a lo largo de las líneas del campo magnético terrestre, hacia los polos magnéticos, las auroras son apreciadas al máximo en las regiones polares, de donde surge el nombre de auroras boreales (las que se manifiestan en el Polo Norte) y auroras australes (las del Polo Sur).

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33 “Ventanas” electromagnéticas de la atmósfera

34 El ciclo de las manchas solares

35 Fulguraciones solares

36 Propagación de ondas

37 Mecanismos de propagación de las ondas radioeléctricas, i
1. Propagación directa: la onda emitida por la antena emisora alcanza la antena receptora en línea recta y sin desviación alguna. 2. Propagación por reflexión: a una antena receptora le llega una señal radioeléctrica reflejada por un obstáculo, por ejemplo, un edificio de gran altura. Este tipo de propagación no es muy deseable, ya que a la antena receptora pueden llegarle, además de la señal directa, varias señales reflejadas procedentes de uno o varios puntos, con lo cual llegan al receptor dos o más señales iguales y desfasadas en el tiempo, puesto que las trayectorias de las reflejadas son más largas, produciendo las conocidas y molestas "imágenes fantasma" o dobles imágenes. Para evitar esto, deben utilizarse antenas receptoras de gran directividad, correctamente orientadas con relación al emisor. 3. Propagación por difracción: un obstáculo que se opone a la propagación libre de las ondas puede actuar como una fuente secundaria que emite ondas derivadas en todas las direcciones. Gracias a este fenómeno las ondas rodean al obstáculo y consiguen salvarlo. Gracias al fenómeno de la difracción, la señal radioeléctricas procedente de la antena emisora sigue la ladera de las montañas y colinas, y consigue alcanzar a la antena receptora.

38 Clasificación de las ondas en cuanto a su propagación

39 Onda de tierra: a) onda de superficie
Como la superficie terrestre es en realidad un conductor,  la onda induce un voltaje en la tierra y este, a su vez, produce corrientes parásitas. La energía necesaria para producir estas corrientes es extraída de la onda de superficie, la cual se debilita a medida que se aleja de la antena emisora. La magnitud del debilitamiento o atenuación de la onda depende del tipo de terreno sobre el cual pasa la onda, sobre el agua la atenuación es mínima, pero muy marcada en terrenos boscosos, montañosos o densamente poblados. La frecuencia también influye en el grado de atenuación. Al aumentar la frecuencia, el grado de atenuación crece rápidamente.

40 b) onda directa La onda directa es la que se propaga directamente a través del espacio, de la antena emisora a la receptora.

41 c) onda reflejada La onda reflejada también e propaga en el espacio entre la dos antenas, pero en lugar de seguir una trayectoria directa, es reflejada desde la tierra hacia la antena receptora.

42 d) propagación por difracción
La difracción consiste en el curvado y dispersión de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. [La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio]. La difracción se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

43 e) onda espacial: 1. onda troposférica
La onda troposférica es aquella que se propaga en la zona de la atmósfera que tiene este mismo nombre: troposfera. Esta región, situada entre 300 y metros de altura, es el lugar en donde se forman las nubes y en el que las ondas pueden sufrir algún tipo de modificación debido a la influencia de las capas del aire. Las condiciones de propagación de estas ondas presentan una gran dependencia de la temperatura y humedad del aire contenido en la troposfera. Como estos valores no son constantes en ninguna zona, la propagación será irregular en esta capa atmosférica.

44 2. onda ionosférica Aprovecha las características eléctricas de la ionosfera para propagarse, usándola como una especie de “espejo”. En realidad, más que una reflexión es una refracción progresiva limitada por el ángulo crítico (lo que implica que cierta cantidad de energía se escapa al espacio). Es predominante en las frecuencias medias y altas , MF y HF. Evidentemente, una propagación de este tipo se ve fuertemente influenciada por la geometría relativa entre emisor, ionosfera y receptor. Para complicar la situación, la posición y características de la ionosfera son altamente variables, pues dependen del Sol. Por eso, la situación es diferente durante el día y durante la noche, y cambia según la estación del año y el ciclo solar. Debido a esta compleja situación aparecen zonas donde no hay recepción porque ninguna onda ha rebotado con la geometría adecuada para proporcionar cobertura. Asimismo, es posible que hayan múltiples rebotes sucesivos (proporcionando un alcance muy largo pero inestable). Otro problema que presentan estas ondas es el efecto fadding: a cierta distancia del emisor, el receptor puede recibir la misma onda pero que ha seguido caminos, ocasionando interferencia destructiva y resultando en una señal que aparece y desaparece rápidamente.

45 Diferentes capas de la ionosfera
En la ionosfera, los gases atmosféricos son tan tenues que es posible encontrar electrones libres e iones positivos. La ionosfera posee por lo tanto propiedades de un gas tenue y de un plasma. La masa total de la ionosfera es inferior a un 0,1 % de la masa de la atmósfera. Las cargas se separan por la acción de las radiaciones de alta energía provenientes del Sol. En las capas tenues de la ionosfera los tiempos de recombinación de los iones son superiores al periodo día noche por lo que la ionosfera retiene gran parte de sus propiedades incluso en las regiones no iluminadas del planeta. Dependiendo del grado de ionización de cada nivel de altura pueden encontrarse picos de ionización en capas denominadas "D," "E," "F1," y "F2". Dado que el grado de ionización es producido directamente por la acción solar una actividad anómala del Sol puede alterar las propiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar las ondas de radio terrestre alterando las comunicaciones en la Tierra. La estructura de la ionosfera viene marcada por el gradiente de la densidad electrónica. Así tenemos las siguientes capas: ● 60 km: capa D. Sólo aparece durante el día y es sumamente absorbente para frecuencias por debajo de unos 10 MHz, protegiendo la superficie terrestre de gran parte de la radiación espacial. ● km: capa E o capa de Kennelly-Heaviside (o capa de Heaviside). ● km: capas F o capas de Appleton. Las capas F se elevan por la noche por lo que cambian sus propiedades de reflexión. ● km: capa F1. Esta capa sufre una fluctuación diaria mayor que la F2, por lo que llega a mezclarse con ésta. ● km: capa F2. Es la capa más alta de la ionosfera.

46 Espectro radioeléctrico y propagación
MARGEN DE FRECUENCIAS BANDAS DE FRECUENCIAS TIPO PROPAGACIÓN KHz VLF MIRIAMÉTRICAS Onda Larga KHz LF KILOMÉTRICAS TERRESTRE KHz MF HECTOMÉTRICAS Onda Media ESPACIAL MHz HF DECAMÉTRICAS Onda Corta MHz VHF MÉTRICAS MHz UHF DECIMÉTRICAS DIRECTA GHz SHF CENTIMÉTRICAS GHz EHF MILIMÉTRICAS

47 Mecanismos de propagación de las ondas radioeléctricas, ii
Cuando se emiten las ondas electromagnéticas, interaccionan con las moléculas del aire, transfiriendo los campos creados a través del espacio que le separa del receptor. A medida que la onda se propaga, su energía va decreciendo, debido al efecto de la absorción de la señal del medio por el cual transcurre. El modo en que se produce la propagación no es uniforme; depende fundamentalmente de la frecuencia. Esto se debe a que la naturaleza y densidad del aire que rodea la superficie terrestre no son constantes. Mientras que las capas bajas suelen ser transparentes a las ondas, a partir de unos 50 km de altura y hasta unos 400 km, encontramos una capa atmosférica con importantes efectos en la propagación: la ionosfera. Esta zona, cuya densidad crece con la altura, tiene la particularidad de ionizarse ante las radiaciones solares, por lo que, dependiendo de la frecuencia de la onda y el momento del día, puede comportarse como un espejo, reflejando las ondas, o permitir que éstas la atraviesen con un mayor o menor grado de refracción. • propagación por onda de superficie Cuando la señal es de frecuencia baja, se puede utilizar la característica de la superficie terrestre de difractar las ondas a medida que se propagan, por lo que la señal será capaz de seguir la curvatura de la Tierra. En este caso hay que tener en cuenta la conductividad del suelo en el que transcurre la señal: si la transmisión se realiza sobre la superficie del mar, con una conductividad muy alta, se podrán cubrir miles de km; mientras que en ambientes urbanos, donde existen numerosos obstáculos verticales de diferentes alturas, las ondas sufrirán una rápida atenuación. • propagación por reflexión ionosférica A medida que la frecuencia aumenta, la cobertura de la onda de superficie va disminuyendo. Para las bandas MF y HF la ionosfera se comporta como un espejo, reflejándose en capas más altas cuanto mayor es la frecuencia. Por lo tanto, si se dirige el frente de ondas hacia arriba, podemos calcular la zona en que la señal reflejada llegará a la Tierra a partir del ángulo de emisión. Debemos tener en cuenta que durante la noche la ionosfera disminuye notablemente su espesor. •propagación por onda directa Por encima de los 30 MHz la longitud de onda de las señales es tan pequeña que puede atravesar incluso las capas superiores de la ionosfera. Esto supone que para transmitir señales de VHF y superiores deberemos utilizar un enlace directo sin obstáculos, garantizando el contacto directo entre el tx y el rx. Si queremos emitir alguna señal de forma que atraviese la ionosfera (como en el caso de los enlaces por satélite) habrá que elegir frecuencias muy elevadas, puesto que éstas presentan menor atenuación en la ionosfera y menor refracción (desviación de la dirección inicial) al atravesarla.

48 Resumen de los tipos de propagación radioeléctrica

49 Influencias de la Tierra

50 1. Efecto de la superficie de la Tierra
La tierra perturba la propagación de las ondas electromagnéticas, de forma que al establecer cualquier tipo de radiocomunicación en el entorno terrestre aparecerán una serie de fenómenos que modificarán las condiciones ideales de propagación en el vacío. Estos fenómenos son básicamente tres: onda de superficie, difracción y formación de la onda de espacio. Reflexión en tierra plana La presencia de la tierra produce reflexiones al incidir sobre ella una onda electromagnética . Una hipótesis simplificadora es considerar que la reflexión se produce sobre una superficie plana y lisa. En este caso la reflexión puede tratarse como un problema de reflexión especular. La tierra es un medio dieléctrico con pérdidas cuyas constantes dieléctricas varían en función del tipo de suelo, el grado de humedad del mismo y la frecuencia. Difracción La difracción es el fenómeno que ocurre cuando una onda electromagnética incide sobre un obstáculo. La tierra y sus irregularidades pueden impedir la visibilidad entre antena transmisora y receptora en ciertas ocasiones. La zona oculta a la antena transmisora se denomina la zona de difracción. En esta zona los campos no son nulos debido a la difracción causada por el obstáculo y, por tanto, es posible la recepción, si bien con atenuaciones superiores a las del espacio libre.

51 Reflexión y difracción

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53 Difracción

54 Aunque no haya alcance directo, no todo está perdido
Para cubrir una “zona de sombra”, se puede recurrir al mecanismo de la difracción, fenómeno que explica cómo ciertos obstáculos pueden convertirse en “emisores secundarios”.

55 2. Efecto de la troposfera
Atenuación La absorción molecular de los gases contenidos en la atmósfera y la atenuación producida por los hidrometeoros son las principales causas de la Atenuación atmosférica. La atenuación por absorción molecular se debe principalmente a las moléculas de oxígeno y vapor de agua. Para frecuencias inferiores a 10Ghz es prácticamente despreciable, mientras que a frecuencias superiores presenta un comportamiento creciente  con la frecuencia y la aparición de rayas de atenuación asociadas a las frecuencias de resonancias de las moléculas. Refracción El índice de refracción de la atmósfera varía en función de la concentración de gases. Es por este motivo, para una atmósfera normal, que el índice de refracción disminuye con la altura. El índice de refracción del aire es muy próximo a la unidad. Para facilitar los cálculos se define el coíndice de refracción o refractividad N como N=( n - 1)*106  unidades N Difusión troposférica La difusión troposférica es importante en las bandas de VHF y UHF en las que el tamaño de las heterogeneidades es comparable a la longitud de onda, y la atenuación atmosférica es despreciable. Permite alcances de centenares de kilómetros y, sin embargo, está sujeta a desvanecimientos debido a variaciones locales rápidas de las condiciones atmosféricas. Este último inconveniente ha de superarse aumentando la potencia de transmisión.

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57 Propagación por difusión troposférica
La propagación troposférica se produce en la zona del espacio comprendida entre los 300 y metros de altura. En esta capa de la atmósfera se producen heterogeneidades, generalmente en forma de nubes, que facilitan la difracción de las ondas que inciden sobre ellas. Este efecto es importante en VHF y UHF, donde la longitud de onda es del mismo orden que estos obstáculos.

58 3. Efectos de la ionosfera
Comunicaciones ionosféricas La existencia de la ionosfera permite, tal como comprobó Marconi, las comunicaciones a grandes distancias. El efecto de la ionosfera es distinto para las diferentes bandas de frecuencias. A frecuencias bajas y muy bajas (bandas de LF y VLF) la ionosfera supone un cambio brusco en términos del índice de refracción atmosférico. Esta variación abrupta produce una reflexión de la onda incidente en la parte baja de la ionosfera.  Casos particulares de la propagación En la propagación de las ondas electromagnéticas a través de la ionosfera puede suceder que éstas no sigan una sola reflexión o refracción sino que sean varias las veces que las ondas rebotan en la ionosfera para alcanzar distancias más alejadas del punto de emisión. Veamos a continuación los dos casos más importantes que pueden presentarse. Reflexiones múltiples Si la energía con que la antena radia una onda electromagnética es suficiente para compensar las pérdidas por absorción de la Tierra y de la propia ionosfera, las ondas pueden alcanzar teóricamente cualquier punto de la superficie por sucesivas reflexiones. La onda procedente del punto A de la figura rebota al llegar a la ionosfera y regresa a la superficie de la Tierra en el punto C, incidiendo con un ángulo suficiente para rebotar y desviarse de nuevo hacia la ionosfera, en la que se refleja, para llegar al punto D y después de un nuevo rebote en éste y en la ionosfera llega finalmente al punto E. Este proceso pudiera parecer que se repitiese indefinidamente pero no es así, en la práctica, la ionosfera tiene un gran poder de absorción de la energía contenida en la onda, y teniendo en cuenta que la superficie de la Tierra no es como la de un espejo, en cada reflexión disminuye la amplitud de la señal, con lo que ésta se anula prácticamente después de unas pocas reflexiones. Refracciones múltiples Si la onda electromagnética incide en la ionosfera con un ángulo mayor que el de reflexión ya no se refleja sino que penetra en la misma y puede refractarse, para retroceder a tierra, o atravesar la capa ionizada y seguir su camino hacia capas superiores. En el primer caso, si se refracta y regresa a la superficie de la Tierra, puede rebotar en la misma y llegar de nuevo a la ionosfera para sufrir una nueva refracción. Para que esto suceda, la frecuencia de la onda electromagnética debe ser la adecuada en función del ángulo de propagación.

59 Efecto de la ionosfera: refracción o reflexión

60 La ionosfera puede refractar o reflejar algunas ondas
En la figura  hemos representado de forma simbólica la trayectoria seguida por una onda electromagnética. Al salir de la antena emisora hacia el espacio atraviesa la troposfera siguiendo una trayectoria rectilínea y al llegar a la zona de baja ionización de la ionosfera, sufre una refracción, que será más o menos acusada según sea la frecuencia y el ángulo con el que incide, para, a continuación, seguir una trayectoria curva que propicia la reflexión de la onda cuando ésta llega a la zona de máxima densidad de la capa, obligándola a seguir una trayectoria descendente que puede retornar a tierra. Una onda puede reflejarse en la ionosfera siguiendo aparentemente una trayectoria rectilíneo hasta que llega a un punto imaginario, O, allí sufre la reflexión de tal modo que el ángulo incidente ai, que es el ángulo que forma la onda procedente de la antena con la vertical desde el punto O, es igual al ángulo reflejado, ar. Ello significa que las trayectorias AO y AB son iguales.

61 Propagación por reflexión ionosférica
La propagación ionosférica se produce en la ionosfera, que es una capa atmosférica situada entre unos 35 y 400 km de altura. La concentración de gases en la atmósfera provoca la diferencia del índice de refracción (n) en las diferentes capas que lo forman, lo que permite la refracción o curvatura de la trayectoria de la onda. Bajo ciertas condiciones la onda puede regresar a la Tierra.

62 Capas de la ionosfera La ionosfera puede dividirse en tres capas diferentes (D, E y F) que favorecen la curvatura de la trayectoria a diferentes longitudes de onda

63 Alturas de salto

64 Reflexiones múltiples en la ionosfera
Por convención, la radio en la banda entre 3 Mhz y 30 Mhz es llamada radio de alta frecuencia (HF) u ondas cortas. La HF tiene propiedades de propagación que la hacen menos fiable que otras frecuencias; sin embargo, HF permite comunicaciones a grandes distancias con pequeñas cantidades de potencia radiada. Las ondas de radio de HF transmitidas desde antenas en la tierra siguen dos trayectorias: la onda terrestre (groundwave) sigue la superficie de la tierra y la onda aérea (skywave) rebota entre la superficie de la tierra y varias capas de la ionosfera terrestre. La terrestre es útil para comunicaciones de hasta cerca de 600 km, y trabaja particularmente bien sobre el agua. La onda aérea propaga señales a distancias de hasta 6,000 km con una fiabilidad en la trayectoria de 90 %.

65 Refracciones múltiples
El alcance obtenido con una refracción no es el mismo si ésta tiene lugar en las primeras capas ionizadas o en la última. Una refracción en la capa F2 alcanzará mayores distancias que si ésta tiene lugar en la capa F1 o en la E, teniendo en cuenta que las capas superiores de la ionosfera intervienen solamente para las ondas cortas, es decir, para aquellas cuya frecuencia es elevada. Así, en la figura puede verse cómo una onda que regresa a la Tierra después de refractarse en la capa F2 sufre diez refracciones: dos al atravesar la capa E, dos al atravesar la capa F1, dos al refractarse en F2 (una al entrar y otra al salir de la capa), otras dos al atravesar de nuevo F1 y, finalmente, las dos restantes al pasar por E. Como en cada refracción se pierde parte de la energía de la onda, puede suponerse que la amplitud con que llega la onda al punto B se verá muy reducida respecto a la que poseía inicialmente esta radiación en el punto A.

66 Ángulo crítico en la propagación ionosférica
La trayectoria de propagación de las ondas ionosféricas son afectadas por dos factores: el ángulo y la frecuencia Si la onda radiada entra en la capa ionizada con un ángulo mayor que el llamado ángulo crítico, entonces la onda no es reflejada, pero si el ángulo es menor, la onda será reflejada y regresará a la Tierra.

67 La altura de la capa de la ionosfera en que se refleja la onda afecta grandemente a la distancia de salto. Esta distancia también varía con la frecuencia de la onda transmitida. Ya que la altura y la densidad de la capas de la ionosfera dependen también la radiación solar, hay una significativa diferencia entre la distancia de salto en transmisiones nocturnas y diurnas.

68 Por onda ionosférica se pueden obtener enormes alcances

69 Índice de refracción del mes de febrero de 1978

70

71 Inconvenientes para la propagación de las ondas radioeléctricas
Desvanecimiento (fading) El fenómeno más conocido dentro de las perturbaciones es el desvanecimiento y es el que ocasiona variaciones en la intensidad de la señal captada en la antena aunque se mantenga constante la intensidad de la señal en la emisora. En el punto de recepción de la señal puede tener lugar un desvanecimiento debido a que le lleguen ondas electromagnéticas que han seguido caminos diferentes y pueden encontrarse en oposición de fase. El desvanecimiento de la señal puede tener lugar por muchas causas entre las que destacamos las siguientes: – Recepción de señales con trayectorias diferentes. Sobre un mismo punto pueden confluir señales que hayan seguido caminos diferentes. Una antena radia ondas en todas direcciones o las dirige preferentemente hacia una dirección determinada, pero según el ángulo de propagación podrán, llegar a un mismo punto tres tipos de ondas, una primera onda después de una reflexión sobre la ionosfera, una segunda tras varias reflexiones o refracciones sucesivas y una tercera que rebota en la capas superiores de la ionosfera. Si todas las ondas proceden del mismo origen y se propagan a la misma velocidad, sucederá que el tiempo empleado por cada una de ellas será diferente, cuanto mayor sea el espacio a recorrer así aumenta el tiempo necesario para cubrir esta distancia. En estas condiciones, las señales que se reciban en cualquier lugar tendrán una amplitud diferente en función del camino que han debido recorrer, estando más amortiguadas aquéllas que han recorrido una mayor distancia. Ahora bien, en recepción tendrá lugar una composición de las ondas que se reciben, éstas se sumarán si están en fase o se restarán si hay oposición de fase entre ellas. Entre estos dos casos extremos pueden darse todo tipo de desfases, lo que condiciona la magnitud de la onda recibida. El resultado de lo antedicho supone que la señal se desvanezca o que refuerce su intensidad. – Cambios en la ionosfera. Ya hemos dicho que las diferentes capas de la ionosfera no son estables ni se mantienen siempre a la misma altura, la ionización es cambiante en cada momento y en cada lugar, por ello, aunque se tengan bien trazadas las cartas de propagación pueden aparecer esporádicamente los efectos del desvanecimiento. El desvanecimiento puede ser total si se anula la suma de todas las señales recibidas en un punto, hecho que sucede, por ejemplo, cuando las señales que sufren dos o más reflexiones o refracciones están en oposición de fase y tienen la misma magnitud que la señal que llega al receptor con una sola reflexión.

72 Este fenómeno presenta menos problemas cuando a la antena receptora llega una onda directa, en este caso, aunque lleguen otras ondas reflejadas en oposición de fase, solamente producirían una ligera disminución en la señal, un pequeño desvanecimiento, con lo que la recepción apenas se vería afectada. La señal puede aumentar su energía cuando las diferentes ondas que llegan al receptor están en fase, entonces la suma de todas ellas refuerza el valor que llega al receptor, lo que se traduce en un aumento de la potencia recibida. De todos modos, tampoco se mantienen indefinidamente estas condiciones, dando lugar a cambios más o menos importantes, a fluctuaciones que condicionen la cantidad de energía recibida y, en definitiva, a un desvanecimiento de la señal. Mientras duran las tormentas ionosféricas es incierto el alcance de una transmisión por radio y especialmente de noche es fácilmente comprobable un desvanecimiento fluctuante que dura algunos minutos, durante los cuales desaparece la recepción y reaparece después. Una solución al desvanecimiento Con el fin de evitar este problema, cuando interese mantener la recepción constantemente, se recurre a disponer varias antenas equidistantes separadas una cierta distancia y conectadas al mismo receptor, así siempre estará alguna de ellas en condiciones de recibir una señal adecuada aunque exista un cierto desvanecimiento en las otras. El receptor se preparará de modo que a la entrada llegue solamente la señal más potente de todas. Esta técnica se llama diversidad espacial. Puede emplearse también diversidad en frecuencia, empleando dos o más frecuencias distintas para la misma transmisión, y en recepción se elige la mejor de ellas.

73 Diversidad espacial poco probable un doble desvanecimiento
fiabilidad en recepción una sola frecuencia redundancia en recepción es aconsejable una separación mínima

74 Diversidad de frecuencia
cuando una frecuencia se desvanece, la otra no redundancia en transmisión y en recepción: aumenta la fiabilidad inconveniente: usa otra frecuencia

75 Diversidad espacial-frecuencia (montaje mixto)
cuando la separación de frecuencia no sea suficiente

76 Resumen

77 1. Propagación por alcance directo

78 2.1. propagación transhorizonte: dispersión y difracción

79 2.2. propagación trashorizonte: troposférica, ionosférica y conductos

80 Resumen de todos los tipos de propagación radioeléctrica

81 Propagación diurna de la Onda Media: onda de superficie
Una onda que viaja en contacto con la superficie terrestre es llamada onda de superficie. Es del tipo de onda que provee recepción a cientos de kilómetros o más en la banda de radiodifusión estandar durante el día. La atenuación de este tipo de onda es más bien alta, la intensidad decrece rápidamente con la distancia. Por sus características, sólo se emplea para la propagación de frecuencias inferiores a 3.5 Mhz. La onda de superficie debe estar polarizada verticalmente, por lo que las antenas transmisoras y receptoras deben ser verticales.

82 Propagación nocturna de la Onda Media: onda ionosférica

83 Propagación de las altas frecuencias: onda directa
Cuando las antenas transmisora y receptora están en línea de vista, un rayo viaja directamente y consecuentemente es atenuada a igual que una onda en el espacio libre. La onda directa es un factor despreciable en las comunicaciones en frecuencias bajas, pero conforme la frecuencia aumenta se hace más importante. Esto es un factor importante en VHF y UHF.

84 Propagación transhorizonte
1. Formación de conductos En algunas partes del mundo, particularmente en el trópico y sobre grandes extensiones de agua, las inversiones térmicas están presentes continuamente a alturas del orden de unos cuantos cientos de metros o incluso menos. El límite de la inversión usualmente está lo suficientemente definido por lo que las ondas que viajan horizontalmente están "atrapadas" por las capas refractoras de aire y continuamente rebotan hacia la tierra. La capa de aire y la tierra forman la parte alta y baja del “conducto" en el cual las ondas son guiadas en la misma forma como lo haría un guíaondas metálico. Si la capa inferior refracta la onda hacia arriba mientras que la capa superior la refracta hacia abajo, las ondas quedan atrapadas entre dos capas y pueden viajar grandes distancias. Las ondas por lo tanto siguen la curvatura de la tierra durante recorridos largos, a veces cientos de Kms. Debido a que la altura de un conducto atmosférico es relativamente pequeña, solamente ondas de ciertas frecuencias son atrapadas: si la capa refractora se forma a unos cuantos metros sobre la superficie terrestre, transmite bien las frecuencias UHF o superiores, pero bajo ciertas condiciones la altura y las características dieléctricas de la capa pueden ser tales que se puedan propagar bien las ondas en la región media de VHF. Una condición de la trasmisión por conducto es que las antenas, tanto la receptora como la trasmisora, deben estar dentro del conducto para que la comunicación sea establecida. La comunicación por conducto puede ser importante en VHF y UHF. 2. Dispersión troposférica Las condiciones climatológicas en la troposfera a veces son responsables de la curvatura de las ondas hacia abajo. Esta refracción troposférica hace posible la comunicación sobre distancias mayores que las que pudieran ser cubiertas por una onda espacial ordinaria. La curvatura de la onda se incrementa con la frecuencia, por lo que la comunicación troposférica mejora conforme aumenta la frecuencia. Este método proporciona posibilidades interesantes de comunicación en frecuencias superiores a los 50 Mhz. La refracción en la troposfera tiene lugar cuando las masas de aire se encuentran estratificadas en distintas regiones teniendo constantes dieléctricas diferentes. Sí el límite entre las dos masas de aire está perfectamente definido, la reflexión, al igual que la refracción, tienen lugar por las ondas que topan en el límite de la intersección de los ángulos.

85 La causa más común de refracción troposférica es la inversión térmica
La causa más común de refracción troposférica es la inversión térmica. Algunos de los tipos de inversión térmica son: ­ inversiones dinámicas, originadas cuando masas de aire caliente se desplazan sobre masas de aire frío (se da con frecuencia en el verano sobre el mar) ­ el descenso de inversión es causado por el movimiento de aire calentado por compresión ­ inversión nocturna, ocasionada por el rápido enfriamiento de la superficie después de la puesta del sol (sucede en muchos días despejados del invierno) ­ la inversión por las capas de nubes, debido al calentamiento del aire sobre las nubes por la reflexión de los rayos solares sobre la superficie de las mismas ­ transiciones abruptas en el contenido de vapor de agua de la atmósfera pueden producir también refracción y reflexión para las ondas de VHF Debido a que las condiciones atmosféricas que producen refracción troposférica rara vez son estables durante un período largo de tiempo, la intensidad de la señal recibida usualmente varía o se "desvanece" sobre un amplio rango. Las variaciones de horario o de estación también influyen. Las mejores condiciones ocurren con frecuencia en el atardecer y justamente antes de la salida del sol, y las condiciones son menos propicias al mediodía, cuando la atmósfera es estable. En general, la reflexión troposférica se produce con más frecuencia al inicio del verano y al inicio del otoño y son más pronunciadas a lo largo de las costas. La onda troposférica mantiene esencialmente la misma polarización a lo largo del trayecto, por lo que las antenas trasmisora y receptora deben tener el mismo tipo de polarización.

86 Aumento del alcance visual (i): dispersión troposférica
La propagación troposférica se produce en la zona de la atmósfera comprendida entre los 300 y m de altura sobre el nivel del mar. En esta capa de la atmósfera se producen heterogeneidades que facilitan la difracción de las ondas que inciden sobre ellas. Este efecto es importante en la banda de UHF y VHF, donde la longitud de onda es del mismo orden que los obstáculos que producen esta dispersión.

87 Aumento del alcance visual (ii): conductos por inversión térmica

88 Radiopropagación a frecuencias milimétricas
En la región de microondas y de ondas milimétricas, donde la frecuencia varía desde 1 GHz hasta 300 GHz, la ionosfera puede considerarse transparente a la propagación de las ondas electromagnéticas. La propagación de ondas en este rango de frecuencias se produce generalmente con visión directa entre las antenas. Los principales factores que afectan a la propagación de señales de radio en este rango de frecuencias se resumen a continuación. • Lluvia Las ondas de radio que se propagan a través de una región de lluvia se atenúan como consecuencia de la absorción de potencia que se produce en un medio dieléctrico con pérdidas como es el agua. Adicionalmente, también se producen pérdidas debido a la dispersión de parte de la energía del haz que provocan las gotas de lluvia, aunque son menores. Para diseñar un radioenlace, lo existe una fórmula sencilla para relacionar la atenuación con parámetros tales como la tasa de lluvia, la frecuencia o la temperatura: Atenuación específica (dB/km) = k·Ralfa donde R es la tasa de lluvia en mm/h, y k y alfa son constantes que dependen de la frecuencia y de la temperatura de la lluvia. La dependencia con la temperatura se debe a la variación de la constante dieléctrica del agua con la temperatura. Los valores exactos de las constantes k y alfa han sido obtenidos por Olsen, Rodgers y Hodge, quienes han establecido fórmulas empíricas para una temperatura de 0 ºC a partir de datos experimentales. Como es lógico, se observa que la atenuación crece con R y es mayor para frecuencias superiores. Dado que las longitudes de los tramos de visión directa suelen ser de 10 a 20 km, atenuaciones por lluvia del orden de 1 dB/km o superiores conducen a disminuciones apreciables en el nivel de señal. Para compensarlo es necesario aumentar la ganancia de las antenas o la potencia transmitida, lo cual resulta bastante costoso en el caso de incrementos de dB. Finalmente, conviene indicar que las pérdidas por lluvia son sensibles a la polarización de la señal transmitida, siendo algo mayores en el caso de polarización horizontal. Esto se debe a la forma adoptada por las gotas de lluvia al caer, e implica que en el caso de libertad en el diseño del sistema suela escogerse la polarización vertical.

89 • Niebla La atenuación por niebla está gobernada por las mismas ecuaciones que en el caso de la lluvia. La principal diferencia es que la niebla puede modelarse como un conjunto de gotas de agua muy pequeñas en suspensión con radios variables entre 0,01 y 0,05 mm. Para frecuencias por debajo de 300 GHz la atenuación producida por la niebla es linealmente proporcional al contenido total de agua por unidad de volumen para cada frecuencia. Una concentración de 0,032 g/m^3 corresponde a un nivel de niebla que permite visibilidad a unos 700 m. Por otro lado, una concentración de 0,32 g/m^3 permite visibilidad a algo más de 100 m. El nivel máximo de contenido de agua se sitúa en torno a 1 g/m^3, con densidades considerablemente menores para la mayor parte de las nieblas. Para una frecuencia de 100 GHz, la atenuación en el caso de niebla densa es de tan sólo 1 dB/km. Por lo tanto, en el diseño de radioenlaces con suficiente margen de señal para evitar la atenuación por lluvia, la niebla no constituirá un factor de limitación. • Hielo y nieve Cuando el agua se solidifica formando cristales de hielo o nieve se produce un cambio significativo en el valor de la constante dieléctrica compleja. En el caso del hielo, la parte real de la constante dieléctrica es prácticamente constante e igual a 3,17 para el rango de temperaturas de 0 ºC a -30 ºC en la banda de frecuencias microondas/milimétricas. La parte imaginaria, por otro lado, es muy pequeña y casi independiente de la frecuencia en dicha banda. Precisamente este reducido valor de la parte imaginaria de la constante dieléctrica indica que los cristales de hielo introducen poca atenuación. No obstante, la nieve y el granizo consisten en una combinación de cristales de hielo y agua en muchos casos, por lo que la atenuación es muy dependiente de las condiciones meteorológicas. Además, las formas de los cristales de hielo y de nieve son tan variadas que el cálculo de la absorción producida por una única partícula es una tarea muy complicada. La atenuación de las microondas al atravesar nieve "seca" es al menos un orden de magnitud inferior que para la lluvia considerando la misma tasa de precipitación. No obstante, la atenuación para la nieve "húmeda" es comparable a la de la lluvia e incluso superior en la banda de frecuencias milimétricas. Medidas experimentales han mostrado valores de atenuación en torno a 2 dB/km para 35 GHz y una tasa de precipitación de 5 mm/h. Para nieve "seca" la atenuación es dos ordenes de magnitud inferior. Debido a la gran cantidad de variables involucradas, en particular el contenido de agua relativo, resulta difícil especificar la atenuación en función de la tasa de precipitación de una forma simple.

90 • Gases atmosféricos Los vapores de agua y de oxígeno no condensados poseen líneas de absorción en la banda de frecuencias de microondas y de ondas milimétricas. Por ello existen frecuencias donde se produce una gran atenuación separadas por ventanas de transmisión donde la atenuación es mucho menor. En el caso del vapor de agua, se producen fuertes líneas de absorción para longitudes de onda de 1,35 cm, 1,67 mm e inferiores. En el caso del oxígeno, las longitudes de onda de los picos de absorción son 0,5 y 0,25 cm. La atenuación debida al efecto conjunto de los vapores de agua y oxígeno es aditiva. Por ejemplo, para 0,5 cm la atenuación debida únicamente al oxígeno supera los 10 dB/km. En aquellas bandas donde los valores de atenuación exceden los 10 dB/km el alcance de las comunicaciones se encuentra enormemente limitado. Pero escogiendo adecuadamente las frecuencias de trabajo es posible obtener niveles de atenuación mucho menores: por ejemplo, a 30 GHz la atenuación es inferior a 0,1 dB/km. Para frecuencias por encima de 300 GHz, en cambio, la atenuación mínima es todavía elevada (6 dB/km o más) e impone una gran restricción en el caso de enlaces terrestres con visión directa. Sin embargo, determinadas aplicaciones especializadas tales como comunicaciones secretas de corto alcance (entornos "indoor" a 60 GHz) o enlaces entre satélites (no afecta la atenuación atmosférica) se aprovechan del uso de la banda de frecuencias milimétricas. Estas longitudes de onda cortas posibilitan el uso de antenas de alta ganancia muy compactas que compensan parte de las pérdidas introducidas. • Vegetación Un factor importante de degradación en sistemas que operan a frecuencias milimétricas, como por ejemplo el servicio LMDS, lo constituye la vegetación (árboles, arbustos, etc.) existente en las inmediaciones del radioenlace. Estos sistemas se caracterizan por emplear enlaces cortos (2-6 km) con visión directa entre las antenas, pero en ciertas ocasiones el radioenlace puede verse accidentalmente obstruido por árboles o incluso techos de edificios en entornos urbanos. En esta situación, el campo electromagnético presente en la antena receptora puede modelarse como la suma de la onda proveniente directamente del transmisor, y multitud de pequeñas ondas dispersadas por los edificios adyacentes y por las hojas de los árboles cercanos. Dado que las fases de estas ondas son aleatorias, las señales resultantes pueden estimarse mediante análisis estadístico. El resultado final de sumar todas estas pequeñas contribuciones es un proceso Gaussiano cuya amplitud (potencia instantánea) sigue una distribución de Rayleigh. Si a continuación se añade la contribución del rayo directo, entonces la estadística de la amplitud de la señal se modela por medio de una distribución de Nakagami-Rice.

91 Antenas y guías de ondas empleadas en radioenlaces de microondas
Las bandas de frecuencias milimétricas han generado gran interés en los sistemas de comunicaciones debido al gran ancho de banda que ofrecen, si bien las tecnologías utilizadas para el diseño y la producción de componentes a estas frecuencias son bastante costosas. Las frecuencias milimétricas se han utilizado tradicionalmente en enlaces punto a punto de alta capacidad. Frente a soluciones basadas en fibra óptica, la gran ventaja de estos sistemas es su rapidez de instalación, ya que se elimina la necesidad de obra civil. Cada uno de estos enlaces puede transportar entre 2 y 16 canales E-1/T-1 sobre distancias de unos 3 a 15 km, dependiendo principalmente de la frecuencia y del tamaño de la antena utilizada.

92 Perturbaciones sobre la señal transmitida Fuentes de ruido externo
Durante la transmisión de la señal ocurren ciertos efectos no deseados. Uno de ellos es la atenuación, la cual reduce la intensidad de la señal; sin embargo, son más serios la distorsión, la interferencia y el ruido, los cuales se manifiestan como alteraciones de la forma de la señal. En términos generales, cualquier perturbación no intencional de la señal se puede clasificar como "ruido", y algunas veces es difícil distinguir las diferentes causas que originan una señal contaminada. Se pueden separar estos tres efectos de la manera siguiente: Distorsión: es la alteración de la señal debida a la respuesta imperfecta del sistema a ella misma. A diferencia del ruido y la interferencia, la distorsión desaparece cuando la señal deja de aplicarse. Interferencia: Es la contaminación por señales extrañas, generalmente artificiales y de forma similar a las de la señal. El problema es particularmente común en emisiones de radio, donde pueden ser captadas dos o más señales simultáneamente por el receptor. La solución al problema de la interferencia es obvia; eliminar en una u otra forma la señal interferente o su fuente. Ruido: Por ruido se debe de entender las señales aleatorias e impredecibles de tipo eléctrico originadas en forma natural dentro o fuera del sistema. Cuando estas señales se agregan a la señal portadora de la información , ésta puede quedar en gran parte oculta o eliminada totalmente. El ruido no puede ser eliminado nunca completamente, ni aún en teoría. Fuentes de ruido externo El ruido externo es debido a la emisión radioeléctrica de otras fuentes distintas a las que se desea recibir. Los fenómenos de emisión radioeléctrica son de distinta naturaleza y pueden agruparse de la siguiente manera: – Fuentes extraterrestres. Ruido galáctico debido a la radiación en la banda de radiofrecuencia de las estrellas que forman la galaxia. Radiación de origen solar y el ruido cósmico de fondo. – Emisión radioeléctrica de la tierra y de la atmósfera. – Ruido de origen atmosférico debido a las descargas eléctricas (rayos, tormentas, etc) generalmente llamados parásitos atmosféricos. – Ruido de origen humano e industrial debido a motores eléctricos, líneas de alta tensión, etc.

93 Apéndice

94 Zonas de Fresnel Se llama zona de Fresnel a aquella que tiene que quedar libre de obstáculos para que la transmisión se lleve a cabo en condiciones óptimas. Geométricamente es un paraboloide de revolución en cuyos están situadas las antenas transmisora y receptora. Cuanto mayor es la frecuencia, el volumen de la zona de Fresnel es menor.

95 Representación volumétrica de las zonas de Fresnel

96 Atenuación debida a los gases atmosféricos

97 “Ventanas” electromagnéticas de la atmósfera