Física de la Radio Esta clase abarca las propiedades esenciales de las ondas electromagnéticas y de su propagación. Se propone como la primera clase con.

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1 Física de la Radio Esta clase abarca las propiedades esenciales de las ondas electromagnéticas y de su propagación. Se propone como la primera clase con una duración de minutos.

2 Metas Introducir los conceptos fundamentales de las ondas electromagnéticas (frecuencia, amplitud, velocidad de propagación, polarización y fase) mostrar el lugar que ocupa WiFi dentro de la amplia gama de frecuencias utilizadas en telecomunicaciones analizar el comportamiento de la propagación de las ondas de radio en el medio (absorción, reflexión, difracción, refracción e interferencia) introducir el concepto de zona de Fresnel

3 ¿Qué es una onda? Estamos familiarizados con diferentes tipos de oscilaciones y vibraciones, el péndulo, un árbol meciéndose con el viento, las cuerdas de una guitarra, constituyen todos ejemplos de oscilaciones. Lo que todos estos fenómenos tienen en común es que algo, un objeto o un medio, se mueve de una manera periódica, con un cierto número de ciclos por unidad de tiempo. Este tipo de onda se llama onda mecánica, porque está definida por el movimiento de un objeto o del medio en el que se propaga Cuando estas oscilaciones se desplazan, (es decir cuando no están constreñidas a un mismo sitio), hablamos de ondas desplazándose en el espacio. Por ejemplo, un cantante crea una oscilación periódica en sus cuerdas vocales. Estas oscilaciones comprimen y descomprimen periódicamente el aire, y este cambio periódico de la presión del aire sale de la boca del cantante y se desplaza a la velocidad del sonido. Una piedra que se hunde en un lago causa una perturbación que luego se propaga por la superficie del lago como una onda. Las ondas en el agua son fáciles de visualizar. Tire una piedra en un lago y podrá ver las ondas que se mueven en el agua. En el caso de las ondas electromagnéticas, la parte que es más difícil de entender es ¿Qué es lo que está oscilando? Text

4 Ondas Electromagnéticas
Longitud de onda, frecuencia y amplitud No requieren de la existencia de un medio físico para su desplazamiento Ejemplos: la luz, los rayos x, y las ondas de radio La longitud de onda (generalmente representada por la letra griega landa λ) es la distancia entre un punto de una onda a la parte equivalente de la próxima onda, por ejemplo desde el pico de una onda al pico de la siguiente. Comoquiera que las ondas se desplazan tanto en el tiempo como en el espacio, el eje horizontal de la figura puede representar distancia en metros o tiempo en segundos. La frecuencia de una onda es el número de ondas completas o ciclos que describe en un segundo. Las ondas también tienen una propiedad llamada amplitud. Esta es la distancia desde el centro de la onda al extremo de uno de sus picos y puede ser visualizada como la “altura” de una ola. A diferencia de las olas en el agua, las ondas electromagnéticas no requieren un medio de soporte físico para propagarse en el espacio. Lo único que oscila es el campo electromagnético.

5 Revisión de los símbolos del sistema internacional de medidas
símbolos y potencias de diez Nano- 10-9 1/ n Micro- 10-6 1/ Milli- 10-3 1/1000 m Centi- 10-2 1/100 c Kilo- 103 1 000 k Mega- 106 M Giga- 109 G En física, matemáticas e ingeniería se suelen expresar los números como potencias de 10. Además, las unidades de medida fundamentales son modificadas mediante símbolos especiales definidos en acuerdos internacionales para expresar múltiplos o submúltiplos, por ejemplo gigahertz (GHz), centímetros (cm), microsegundos (µs), kilómetros (km), etc. Estos símbolos NO son abreviaturas y hay una sola manera de escribirlos correctamente, respetando la norma de escribir los submúltiplos con minúsculas y los múltiplos con mayúsculas. La excepción a esta regla es el símbolo de 1000, que se escribe con k minúscula porque la K mayúscula se reserva para el kelvin, la unidad de temperatura absoluta.

6 Longitud de onda y frecuencia
c = f * λ c = velocidad (metros/ segundo) f = frecuencia (ciclos por segundo, o Hz) λ = longitud de onda (metros) Toda onda tiene una cierta velocidad, frecuencia, y longitud de onda. Estas cantidades están relacionadas por la simple ecuación: velocidad = frecuencia * longitud de onda La longitud de onda, representada por landa, λ) es la distancia medida desde un punto de una onda hasta la parte equivalente de la siguiente, por ejemplo entre dos picos sucesivos. La frecuencia es el número de ondas enteras que pasa por un punto fijo en un segundo. La velocidad se mide en metros/segundo (m/s), la frecuencia en ciclos/segundo (Hz) y la longitud de onda en m y sus submúltiplos. Si una onda viaja a 1 m/s y oscila 5 veces por segundo, cada onda tendrá una longitud de 20 cm: 1 metro/segundo = 5 ciclos/segundo * λ λ = 1 / 5 metros λ = 0.2 metros = 20 cm

7 Longitud de onda y frecuencia
Puesto que la velocidad de propagación de la luz (y de todas las ondas electromagnéticas) es de aproximadamente 3 x 108 m/s, podemos calcular la longitud de onda a cualquier frecuencia. Por ejemplo, la frecuencia de las ondas de las redes inalámbricas b/g es: WiFi está basado en el estándar y utiliza varios rangos de frecuencias. El más común es el que se extiende desde 2400 MHz hasta 2484 MHz, aunque el valor exacto varía en diferentes países. ¿Cuál es la longitud de onda a 5.3GHz ()802.11a? λ = 3 * 108 / 5.3 * 109 = 5.66 cm f = 2.4 GHz = 2,400,000,000 ciclos / segundo longitud de onda (λ) = c / f = 3 * 108 m/s / 2.4 * 109 s-1 = 1.25 * 10-1 m = 12.5 cm Por lo tanto, la longitud de onda de b/g es de alrededor de 12.5 cm.

8 Espectro Electromagnético
La gráfica representa la totalidad del espectro electromagnético. Abarca desde desde las ondas de radio de baja frecuencia a la izquierda hasta la frecuencia muy alto de los rayos X y rayos gamma en la derecha. En la mitad, hay una pequeña región que representa la luz visible. Entre la gran gama de frecuencias del espectro electromagnético, el rango que nosotros podemos percibir con nuestros ojos es muy pequeño. por debajo del espectro visible tenemos los rayos infrarrojos y por encima los ultravioleta. Pero el área en la cual estamos interesados es la estrecha gama de frecuencias utilizadas por el equipo WiFi. Es una pequeña porción en el extremo inferior de las microondas. Rango de las frecuencias WiFi

9 La gráfica representa algunas d la aplicaciones del espectro electromagnético.
Las comunicaciones con los submarinos usan frecuencias e.m. muy bajas porque las frecuencias más altas son absorbidas por el agua. La mayoría de los otros usos están concentrados a frecuencias más altas porque permiten una mayor capacidad de transmisión (más canales y mayor cantidad de datos por canal). Por ejemplo: Las ondas cortas (radiodifusión internacional AM, comunicaciones marítimas, radioaficionados en HF, etc): de 1 a 30 MHz radio FM: de 88 a 108 MHz Radiodifusión de TV: canales VHF en muchas bandas desde 40 hasta 250 MHz; canales UHF en muchas bandas desde 470 a 885 MHz (dependiendo del país) bandas de radioficionados de VHF y UHF entre y MHz, junto con muchos otros servicios y usuarios (servicios, seguridad,policía, etc...) teléfonos móviles: 850, 900, 1800, 1900 y 2100 MHz para redes celulares GSM y CDMA ; GPS: 1227 y 1575 MHz WiFi: MHz y MHz (dependiendo del país). ver para más detalles. radares: las bandas comunes para los radares son: banda L (1–2 GHz), banda S (2–4 GHz), banda C (4–8 GHz), banda X (8–12 GHz) pero también se usan otras, TV satelital: banda C (4–8 GHz) y banda Ku (12–18 GHz) enlaces de microondas: por ejemplo, en EEUU la banda  GHz se usa para radioenlaces de microondas de alta velocidad para transmisión de datos con licencia comercial mientras que la banda de 60 GHz se puede usar para transmisión de datos a alta velocidad (2.5 Gbit/s) pero de corto alcance sin necesidad de licencia. Las bandas de 71-76, y 92–95 GHz son usadas también para radioenlaces punto a punto-

10 Frecuencias y longitudes de onda WiFi
estándar Frecuencia Longitud de onda b/g/n 2.4 GHz 12.5 cm a/n 5.x GHz 5 a 6 cm Esta foto muestra dos antenas Yagi-Uda construidas con láminas para circuitos impresos, un tipo de antenas muy popular. La antena de la izquierda fue diseñada para trabajar a 2.4 GHz mientras que la de la derecha funciona a 5 GHz. Las dos antenas tienen características y ganancias similares a sus respectivas frecuencias Podrá notar que las dimensiones de la antena de 5GHz son la mitad de las correspondientes a la antena de 2.4 GHz, esto es debido a la relación entre la longitud de onda de 12.5 cm y la de 6 cm, es aproximadamente 2. De hecho la antena de 5 GHz es una réplica a escala de la de 2.4 GHz y tiene la misma ganancia. 2.4 GHz 5 GHz

11 Comportamiento de las ondas de radio
Hay unas reglas simples que son de gran ayuda en la planificación inicial de una red inalámbrica: Mientras más larga la longitud de onda, mayor alcance Mientras más larga la longitud de onda, atravesará mejor los obstáculos y los rodeará Mientras más corta la longitud de onda, podrá transportar mayor cantidad de datos Suponiendo los mismos niveles de potencia, las ondas con longitudes de onda más largas tienden a viajar más lejos que las de longitud de onda más corta. Los transmisores de frecuencias más bajas alcanzan mayores distancias que los transmisores de alta frecuencia con la misma potencia. Una onda en el agua de 5m de longitud no será detenida por un pedazo de madera de 5mm que sobresalga del agua. Si en cambio consideramos un madero de 50 m (por ej. un barco), veríamos que fácilmente detiene la onda. La distancia que una onda puede recorrer depende de la relación entre la longitud de la onda y el tamaño del obstáculo en su trayectoria de propagación. Es difícil visualizar ondas moviéndose “a través” de objetos sólidos, pero este es el caso con las ondas electromagnéticas. Las longitudes de onda más largas, es decir, las frecuencias más bajas, tienden a penetrar objetos mejor que las longitudes de onda más cortas. Por ejemplo, las ondas de radio FM ( MHz) pueden atravesar edificios y otros obstáculos fácilmente mientras que ondas más cortas (como las de los teléfonos celulares GSM que operan a 900MHz) tienen más dificultades para penetrar en edificios. Este efecto es debido en parte a la diferencia entre los niveles de potencia usados en FM y en GSM pero también debido a las longitudes de onda más corta de las señales GSM. Mientras más rápido oscila una onda, mayor cantidad de información puede transportar. Cada ciclo puede por ejemplo utilizarse para transportar un bit, un '0' o un '1', un 'si' o un 'no'. Todas estas simples reglas son fáciles de entender mediante ejemplos.

12 Propagación de las ondas de radio
Las ondas de radio no se mueven estrictamente en línea recta. En su trayectoria desde el punto “A” hasta el punto “B” , las ondas estarán sujetas a: Absorción Reflexión Difracción Refracción examinaremos cada uno de estos efectos en las próximas láminas

13 Absorción Cuando una onda electromagnética atraviesa algún material, generalmente se verá debilitada o atenuada. Los materiales que absorben energía incluyen:. Metal. Los electrones se mueven libremente en un metal, y por lo tanto se moverán al compás de la onda que lo atraviesa absorbiendo su energía. Agua. Las moléculas de agua se agitan en presencia de ondas de radio y de esta manera absorben parte de la energía Los árboles y la madera absorben energía en proporción a la cantidad de agua que contienen Los humanos somos principalmente agua: absorbemos muy bien las ondas de radio! Los plásticos y materiales similares generalmente no absorben una gran cantidad de energía, pero esto varía dependiendo de la frecuencia y del tipo de material. Antes de construir algún componente con plástico (por ejemplo protector contra la intemperie de un radio y su antena), es una buena idea verificar que el material no absorbe energía de radio a 2.4 GHz. Un método simple de medir la absorción del plástico a 2.4 GHz consiste en poner una muestra en un horno de microondas durante un par de minutos. Si el plástico se calienta, es porque ha absorbido energía y no debe ser usado como protector de antenas.

14 Reflexión Las reglas para reflexión son muy simples: el ángulo con el que una onda incide en una superficie es el mismo ángulo con el cual es reflejada. El metal y el agua son excelentes reflectores para las ondas de radio. Aunque las leyes de la reflexión son muy simples, las cosas se complican cuando uno imagina el interior de una oficina con muchos pequeños objetos metálicos de formas variadas y complicadas.. Lo mismo ocurre en ambientes urbanos: mire a su alrededor en una ciudad y trate de identificar todos los objetos metálicos. Esto explica el porqué de la multitrayectoria (es decir, el que las señales alcancen sus objetivos recorriendo caminos distintos y por ende con retardos distintos), que juega un papel tan importante en redes inalámbricas. La superficie del agua, con olas y rizos que cambian constantemente, constituye un objeto reflectante bastante complicado y cuyo efecto es difícil de calcular o predecir adecuadamente. Sin embargo nos aprovechamos de la reflexión en la construcción de antenas: colocamos grandes parábolas detrás de nuestros radios transmisores/receptores para recolectar las ondas de radio y concentrarlas en un pequeño punto. Grandes paneles reflectores pueden utilizarse como reflectores pasivos de las ondas de radio para cubrir áreas que no pueden ser servidas usando trayectorias rectas. Esto se usa a veces para aumentar el área de cobertura de TV en regiones montañosas y valles.

15 Difracción Debido al efecto de difracción las ondas “dan vuelta” en las esquinas o cambian de dirección en la abertura de una barrera. Las longitudes de onda de la luz visible son demasiado pequeñas para que los humanos podamos observar este efecto directamente. La microondas, con longitudes de varios centímetros, mostrarán los efectos de la difracción cuando las ondas choquen con paredes, picos de montañas y otros obstáculos. Pareciera como si la obstrucción hiciera que la onda cambiara su dirección y diera la vuelta en las esquinas. Note que la difracción desperdiga notablemente la potencia de la señal: la potencia de la onda difractada en una determinada dirección es es significativamente menor que la del frente de onda que la causó. Pero en algunas aplicaciones muy específicas se puede aprovechar el efecto de la difracción para rodear obstáculos.

16 Refracción La refracción es el cambio de dirección de una onda cuando se encuentra con un material de características diferentes. Cuando una onda se mueve de un medio a otro, cambia su velocidad y por ende su dirección al entrar en el nuevo medio. Este efecto es fácil de observar cuando un rayo de luz atraviesa dos materiales con diferentes índices de refracción (como aire y agua). La refracción se describe matemáticamente por la ley de Snell ( que establece la relación del ángulo de refracción con el ángulo de incidencia en función de los índices de refracción de los dos materiales. Básicamente el cociente de los senos de los dos ángulos es igual al cociente de los dos índices. Recuerde que el índice de refracción es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en el medio dado.

17 Otras propiedades importantes de las ondas
Estas propiedades son también importantes cuando usamos las ondas electromagnéticas para comunicaciones. Fase Polarización Zona de Fresnel

18 Fase la fase de una onda es la fracción de un ciclo en que la onda está desplazada de un punto de referencia. Es una medida relativa que puede expresarse con diferentes unidades (radianes, ciclos, grados, porcentaje). Dos ondas que tienen la misma frecuencia y diferente fase tienen una diferencia de fase, y se dicen que las ondas están desfasadas. de Wikipedia Una diferencia de fase es análoga a dos atletas que corren alrededor de una pista con la misma velocidad y dirección pero comenzando en diferentes posiciones de la pista. Ellos pasan por cada punto en diferentes instantes de tiempo. Pero la diferencia de tiempo (diferencia de fase) entre ellos es constante, la misma en cada paso puesto que ellos se mueven a la misma velocidad y en la misma dirección. Si ellos tuvieran diferentes velocidades (diferentes frecuencias), la diferencia de fases no estaría definida y solamente se observarían diferentes posiciones de arranque. En hay un applet java con una demostración. La interferencia (constructiva y destructiva) se explicará en la próxima lámina usando el concepto de diferencia de fases entre dos ondas que interactúan

19 Interferencia Cuando dos ondas de la misma frecuencia, amplitud y fase se encuentran, el resultado es interferencia constructiva: la amplitud se dobla. Cuando dos ondas de la misma frecuencia, amplitud y fase opuesta se encuentran , el resultado es interferencia destructiva: la onda se anula. Al trabajar con ondas, uno más uno no es necesariamente igual a dos. Puede también producir un resultar do de cero. Esto es fácil de entender si Ud. dibuja dos ondas senoidales y suma sus amplitudes. Cuando los picos coinciden, tendremos un resultado máximo (1 + 1 = 2). A esto se le llama interferencia constructiva. Cuando uno de los picos se encuentra con el valle de la otra onda, tendremos un anulación completa ((1 + (- )1 = 0), es decir interferencia destructiva. La interferencia también ocurre cuando dos o más ondas de diferentes frecuencias se encuentran, pero el resultado es más difícil de visualizar en este caso.

20 Polarización Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. Los componentes eléctricos y magnéticos oscilan perpendicularmente entre sí y con la dirección de propagación. Otra importante propiedad de las ondas electromagnéticas es la polarización. La polarización describe la dirección del vector del campo eléctrico. Si imaginamos una antena dipolo alineada verticalmente (un pedazo de alambre recto), los electrones solamente podrán moverse hacia arriba y hacia abajo, no hacia los lados (porque no tienen espacio para moverse) y por lo tanto el campo eléctrico solamente puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, siempre verticalmente. La energía que abandona el alambre y se desplaza como una onda tiene una polarización estrictamente lineal (y en este caso vertical). Si colocamos ahora la antena horizontalmente, la onda resultante tendría polarización horizontal. La mayoría de las antenas WIFi están polarizadas linearmente, pero a veces también se usa polarización circular (para propósitos especiales). La polarización de la antena transmisora y receptora DEBEN COINCIDIR para comunicación óptima.

21 Línea de Vista y Zonas de Fresnel
Una línea de vista libre NO ES LO MISMO que una Zona de Fresnel libre! r d1 d2 r max La fórmula nos da el radio de la primera zona de Fresnel en metros, dada la longitud de onda y las distancias en metros. r = sqrt(d1*d2*λ)/d)

22 Conclusiones Las ondas de radio tienen una longitud de onda, frecuencia y amplitud características que afecta la manera como se propagan en el espacio. WiFi usa una minúscula fracción del espectro electromagnético Las frecuencias más bajas llegan más lejos, pero a expensas del caudal Las ondas de radio ocupan un volumen en el espacio, la zona de Fresnel que no debe ser obstruida para recepción óptima.

23 Gracias por su atención
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