PROPAGACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE Contenido 1.- Principio de Huygens. 2.- Modos de propagación. 3.- Propagación por onda de superficie 4.-- Propagación por onda ionosférica. 4. 5.- Propagación por onda espacial.
Última modificación modificación:: 9 de febrero de 2011
Tema 3 de: ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS Edison Coimbra G.
1.- Principio de Huygens Un principio importante cuando se trata de entender la propagación de ondas de radio en el espacio libre, es el principio de Huygens. Cuando una onda se propaga, aparecen ciertos puntos que empiezan simultáneamente a tomar parte en el movimiento. Un frente de onda es la superficie que contiene todos esos puntos. El principio de Huygens establece que todo punto de un frente de ondas actúa como un foco secundario de ondas esféricas. La superposición de las ondas esféricas producidas por los focos secundarios conforman un nuevo frente de onda. El nuevo frente de onda es la superficie que contiene a nuevos focos secundarios, y así sucesivamente. un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza. Sin embargo, las ondas de radio están sometidas a una serie de efectos: absorción, reflexión, difracción, refracción e interferencia .
Absorción Las ondas de radio transfieren energía al medio cuando viajan. Ciertos materiales absorben la radiación y la transforman en calor o energía eléctrica. Se utiliza el coeficiente de absorción (en dB/m) para describir el impacto del medio en la radiación, que se traduce en una atenuación de la energía de la onda. De fuerte absorción son los metales y, en el rango de microondas, el agua en todas sus formas (lluvia, neblina, y la contenida en el cuerpo humano). De absorción intermedia son las rocas , ladrillos y concreto , al igual que la madera y los árboles , dependiendo de su concentración de agua. Los seres humanos y muchos animales son vistos como recipientes de agua, en consecuencia como absorbentes prominentes.
Reflexión La reflexión de ondas ocurre en metales, en agua y en tierra. El principio básico es que la onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta la superficie. La reflexión invierte la polaridad de la onda incidente, equivalente a un desplazamiento de 180º o al cambio de dirección del campo E del frente de onda.
Reflexión difusa Las superficies reflectoras no siempre son uniformes. Las ondas, a menudo, se reflejan desde la tierra, produciendo una reflexión difusa. Los ángulos de incidencia y reflexión para cada parte de la superficie son iguales, pero como cada parte tiene una orientación distinta, la onda reflejada se dispersa.
Reflectores de antenas En el diseño de antenas son útiles las superficies reflectoras, como el reflector plano y el parabólico . La onda radiada o recibida se apunta al reflector, el cual la enfoca en un haz angosto y la refleja hacia su destino. La antena debe ubicarse en un punto llamado foco del reflector.
Refracción Es la desviación que sufre un frente de onda cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad; cambiando de velocidad y en consecuencia, de dirección. C1 es un medio con una velocidad de propagación mayor que en C2. El ángulo que forman ambos frentes de onda depende de la densidad de ambos medios (ley de Snell )
Difracción Ocurre cuando la onda de radio encuentra un obstáculo en su trayectoria. Las fuentes puntuales del frente de onda, en las orillas del obstáculo, desarrollan ondas esféricas adicionales (Principio de Huygens) que rellenan la zona de sombra. Esto implica que la onda puede “dar la vuelta ” en una esquina. La difracción es
mayor con una
más larga.
Por esta razón una estación AM que opera a 1000 kHz ( = 300 m) se oye fácilmente aún cuando hayan considerables obstáculos en su trayecto.
Mientras que con redes WLAN ( = 12 m) se requiere línea de vista entre transmisor y receptor.
Ejemplo de difracción La difracción se produce cuando la onda "choca" contra un obstáculo o penetra por un agujero. La mayor difracción se produce cuando el tamaño del agujero o del obstáculo son parecidos a la longitud de onda de la onda incidente. Esta propiedad de las ondas es válida para todas; desde las electromagnéticas (como la luz, o las ondas de radio o los rayos X) hasta las ondas de presión (sonoras) o las ondas en el agua o las producidas por los terremotos.
Interferencia Dos ondas con una misma frecuencia pueden amplificarse o anularse entre sí, dependiendo de la relación de fase (posición relativa de las ondas) entre ellas.
Para que esto ocurra en su forma más pura ( máxima amplificación o anulación completa ), las ondas deben tener exactamente la misma y energía, y una relación de fase específica y constante. En tecnología inalámbrica , la palabra interferencia se usa típicamente en un sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia.
2.- Modos de propagación Las propiedades de la Tierra y de las distintas capas de la atmósfera afectan el comportamiento de las ondas de radio, en mayor o menor grado dependiendo de la frecuencia de la onda. Las fórmulas para medir los efectos son complejas por naturaleza. Sin embargo, algunas reglas básicas resultan útiles para entender y planear la propagación de señales de radio: A frecuencias más bajas, el alcance es mejor. A frecuencias más bajas, la señal es más penetrante y rodea más obstáculos. A frecuencias más altas, se transmite una mayor cantidad de datos. Según el orden de frecuencia, de baja a alta, las 3 trayectorias básicas de propagación que una señal puede tomar a través del espacio libre, son:
1
Por onda de superficie o terrestre, que sigue la superficie de la Tierra. Ondas de hasta 2 MHz.
2
Por onda ionosférica, que se refracta en las capas ionizadas de la atmósfera. Ondas entre 300 kHz y 30 MHz.
3
Por onda espacial, llamada también propagación con línea de vista , porque requiere que la radiación sea en línea recta, directa, del transmisor al receptor. Ondas entre 30 MHz y 30 GHz.
3.- Propagación por onda de superficie Hasta 2 MHz La onda de superficie o terrestre es una onda polarizada de manera vertical que sigue la superficie de la Tierra y, por tanto, sigue su curvatura para propagarse más allá del horizonte.
Aplicación.- La banda de radiodifusión AM estándar (530 a 1.700 kHz) se basa principalmente en la propagación de onda de superficie que es de largo alcance y gran estabilidad, aunque le afecta mucho el tipo de terreno.
4.- Propagación por onda ionosférica Entre 300 kHz y 30 MHz La onda ionosférica se refracta en las capas ionizadas de la atmosfera; allí las moléculas de aire se ionizan por la radiación solar. Estas capas están entre 60 y 400 km de altura. El radio de la Tierra es de 6400 km.
Propagación en el día: En el día las capas están fuertemente ionizadas. Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son absorbidas por las capas D y E . Las ondas de frecuencias entre 10 MHz < f < 30 MHz, son refractadas a Tierra por las capas F 1 y F 2, por lo que, a estas frecuencias, es posible la comunicación.
Propagación en la noche: En la noche, desaparecen las capas D y E y la capa F está débilmente ionizada. Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son refractadas a Tierra por las capas F , por lo que, a estas frecuencias, es posible la comunicación. Las ondas de frecuencias entre 10 MHz < f < 30 MHz atraviesan todas las capas y no retornan a Tierra.
Saltos de frecuencias en propagación ionosférica
Saltos.- Para señales fuertes es posible hasta 20 saltos. La máxima distancia de un salto es 3.200 Km. Es posible rodear la Tierra.
Aplicación.- La propagación ionosférica se utiliza, ha sta cierto límite, en telefonía. Tiene uso amplio en comunicaciones de barcos y aviones, comunicación militar y radioaficionados. Además, por supuesto, existe la radiodifusión de onda corta. Tiene gran alcance pero con poca estabilidad.
5.- Propagación por onda espacial Entre 30 MHz y 30 GHz La onda espacial utiliza radiación directa de la antena transmisora a la receptora a través de la tropósfera. Se la conoce también como propagación por línea de vista y troposférica .
En la propagación troposférica, podrían haber reflexiones desde la Tierra, pero es más probable que cause problemas a que incremente la intensidad de la señal.
Aplicación.- Radioenlaces, sistemas de microondas terrestre y satelital, telefonía móvil, difusión de televisión terrestre y satelital. Los radioenlaces de microondas terrestres, se explotan entre 2 a 50 GHz. Se llaman así porque ambos terminales, transmisor y receptor, están en Tierra.
Onda espacial para comunicación por satélite La onda espacial es también la base para la comunicación por satélite.
Aplicación.- Una aplicación importante son los radioenlaces de microondas satelitales que se explotan entre 2 a 50 GHz. Se llaman así porque uno de los terminales, transmisor o receptor, está en un satélite.
