EDITORIAL La tecnología de radio
sotros generalmente pensamos de aquí el nombre de ionósfera.
considera que la tierra está
como el aire. Las nubes, el
El término de propaga-
rodeada por dos capas de
viento, las variaciones de tem-
ción hace referencia a conjun-
atmósfera: la tropósfera y la
peratura y el clima en general
to de fenómenos físicos
ionósfera. La troposfera es la
ocurren en la troposfera, al
que conducen a las ondas
porción de la atmósfera que se igual que los viajes en avión. La de radio del transmisor al extiende hasta aproximada-
ionósfera es la capa de la
receptor. La propagación no es
mente 45 km desde la superfi-
atmósfera por encima de la
debida a un único fenómeno
cie de la tierra (en terminología tropósfera pero por debajo del
físico. Varios modos de propa-
de radio, la tropósfera incluye
espacio. Esta más allá de lo
gación son posibles, la propa-
una capa de máxima altitud
que nosotros denominamos
gación ionosférica, la propaga-
denominada estratósfera) y
atmósfera y contiene partículas ción troposférica y la propaga-
contiene aquello en lo que no-
libres cargadas eléctricamente
Contenido Propagación por onda de superficie
ción por onda de suelo.
Noviembre, 2013
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Tips para reconocer una “Propagación por Onda de Superficie”
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Artículo: Amenaza para la tierra
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Créditos
¿Sabías que?. .. “Propagación por onda espacial”
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Normas Internacionales en la propagación
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Ondas Troposféricas
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Barraez, K.
¿Qué es la Ionósfera?
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Jiménez, Y.
Onda Guiada Tierra-Ionósfera
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Rojas, M.
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Propagación por Onda de Superficie Esta onda se propaga en la discontinuidad tierra – aire debido a las corrientes inducidas en la Tierra. Este modo sólo propaga la polarización vertical, porque la polarización horizontal se atenúa muy rápidamente debido al carácter conductor de la superficie de la tierra en estas frecuencias. El alcance que se obtiene varía con la frecuencia, la potencia transmitida y el tipo de suelo (tierra seca, húmeda, mar, etc.). En LF se pueden conseguir alcances de hasta unos 2000 km, en MF de hasta unos 300 km, mientras que ya en frecuencias más altas como HF, apenas se llega a los 50 km. Las aplicaciones más importantes son los sistemas de comunicaciones navales y los sistemas de radiodifusión (LF y onda media en AM). Las antenas que se utilizan habitualmente son monopolos verticales con alturas entre 50 y 200 m que radian polariza-
Un poco de historia… Los primeros modelos de onda de superficie fueron propuestos por A. Sommerfeld en 1909, aunque fueron Shuleikin y Van der Pol los que aplicaron estos trabajos a la ingeniería de comunicaciones. Posteriormente Burrows, Norton y Wait contribuyeron decisivamente para configurar los modelos de Onda de Tierra.
“Se asume que tanto la antena transmisora como la antena receptora se encuentran muy próximas a la superficie terrestre de modo que, la onda de espacio compuesta por el rayo directo y el rayo reflejado en el suelo, se anula a nivel del suelo, ya que el coeficiente de reflexión en el suelo es prácticamente igual a –1 y los caminos de ambos rayos son prácticamente iguales”. 4
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La propagación de estas señales depende fundamentalmente de la frecuencia y del tipo de suelo. La caracterización correcta del suelo es fundamental para una correcta predicción de la propagación mediante onda de superficie. El suelo se caracteriza como un dieléctrico con pérdidas definido por los parámetros de permitividad relativa y conductividad
Caracterización del suelo
Para el cálculo del alcance mediante este mecanismo de propagación se emplea un modelo aproximado de tierra plana, válido para distancias cortas, y un modelo de tierra curva para distancias largas.
PROPAGACION TIERRA PLANA
PROPAGACION TIERRA CURVA
Este modelo presenta solo 2 variables de altura: ht (altura del TX) y hr (altura del RX)
Este modelo presenta 3 variables de altura: c(x): Altura del terreno sobre el nivel del mar f(x): Altura de la curvatura de la tierra z(x): Altura del terreno sobre la base de las antenas
La Reflexión de la Onda causa lo que se llama Reflexión Ionosférica
La Reflexión de la Onda causa lo que se llama Divergencia
Trabaja en la banda VHF y superiores (f 30 MHz / f < 150MHz)
Trabaja en las Bandas Low Frecuency (LF) y Medium Frecuency (MF)
Las Distancias son cortas para que se pueda despreciar la curvatura de la tierra y sea a terreno liso.
Las Distancias son largas, solo basta conocer la difracción por la curvatura de la tierra. Modelo Válido para Comunicaciones Marítimas de carácter Naval
Modelo Válido para Comunicaciones Urbanas El Alcance es menor porque trabaja a frecuencias relativamente altas
El Alcance es mayor porque trabaja a frecuencias relativamente bajas
Se aplica para curvas menores a 5 mts
Se aplica para curvas superiores a 5mts 7
Tips para reconocer una “Propagación por Onda de Superficie” Mientras la antena transmisora s e a e l é c t r i c a me n te c o r t a (monopolo corto) la amplitud de los campos no depende de la altura real de la antena.
A grandes distancias de la antena transmisora, donde la curvatura de la Tierra se hace importante, el campo decrece de forma exponencial.
Monopolo
El alcance, para una sensibilidad dada, es menor cuanto mayor es la frecuencia. Por encima de MF el alcance sobre tierra es muy reducido.
En regiones próximas a la antena el campo decae alrededor de 1/d.
En regiones intermedias el campo decrece alrededor de 1/d2
El alcance depende del tipo de terreno, siendo mayor en zonas húmedas que en secas. 8
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Amenaza para la Tierra... Las fulguraciones solares se clasifican en 5 tipos: A, B, C, M y X según el flujo creciente de rayos X medido en las inmediaciones de la Tierra. Cada tipo tiene un flujo 10 veces mayor que el anterior. Dentro de cada tipo, se subdividen de acuerdo con una escala lineal de 1 a 9, por ejemplo: X1, X2, X3,..., siendo las X9 las fulguraciones más intensas de la escala, 9 veces más intensas que las de tipo X1. Fulguraciones de energía superior a X7 ha habido muy pocas en los últimas 30 años. Los rayos X procedentes de las fulguraciones, que tardan unos 8 minutos en alcanzar nuestro planeta, contribuyen a ionizar las capas superiores de la atmósfera terrestre y suelen quedar absorbidos en la ionosfera. Pero si esta radiación es excesivamente intensa, puede calentar y distorsionar la ionosfera muy significativamente, lo que llega a generar problemas serios en la propagación de las ondas de radio de nuestros sistemas de comunicaciones, sobre todo en las ondas cortas utilizadas en aviación de largo al-
cance, comunicaciones de emergencia y sistemas de radioaficionado. Junto con la radiación X, las erupciones solares pueden ir asociadas con eyecciones de masa coronal que arrastran grandes cantidades de partículas muy energéticas que suponen un peligro grave para las naves espaciales que se encuentren en su trayectoria. Estas partículas cargadas, que viajan a velocidades de entre 300 y 1000 kilómetros por segundo, pueden tardar 2 ó 3 días en llegar a la Tierra. Cuando alcanzan nuestro planeta, penetran en nuestra atmósfera siguiendo las líneas magnéticas de la magnetosfera, esto es, por regiones cercanas a los polos. Al interactuar con los átomos y las moléculas de la atmósfera, en la región entre unos 95 y 750 kilómetros de altura donde la densidad es suficiente, las partículas del viento solar comunican energía que llevan a altos niveles energéticos a las partículas atmosféricas. La rápida desexcitación de estas últimas produce entonces la bella radiación luminosa que denominamos auroras. ¿Qué son?...
Eyección de masa coronal del 31 de agosto de 2012. |
NASA/
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Las fulguraciones solares son fenómenos de la atmósfera solar, en los cuales se producen erupciones de gases ionizados a muy alta temperatura, simultáneamente con una gran emisión hacia el espacio de energía electromagnética
Sabías que...??? La propagación por onda espacial se usa:
Para las frecuencias de VHF y superiores, para las que la ionosfera se hace transparente, se asume una propagación en espacio libre modificada por el suelo (reflexión y difracción) y por la troposfera (refracción, atenuación y dispersión). Se emplea con antenas elevadas y directivas. El alcance es muy variable: decenas de Km a los 40.000 Km en comunicaciones por satélite y millones de Km en comunicaciones de espacio profundo. Este modelo se aplica a Radiodifusión de FM y TV, Telefonía móvil, enlaces fijos, radar, comunicaciones vía satélite, etc. Se aplica en radiodifusión y comunicaciones punto a punto. La onda espacial utiliza radiación directa de la antena transmisora a la receptora a través de la tropósfera. Se le conoce también como propagación por línea de vista y troposférica. En esta propagación podrían haber reflexiones desde la tierra, pero es más probable que cause problemas a que incremente la intensidad de la señal.
La onda espacial es también la base para la comunicación por satélite. Una aplicación importante son los radioenlaces de microondas satelitales que se explotan entre 2 a 50 GHz.
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Dispersión troposférica A veces la troposfera puede producir refracción de las ondas de radio. Este fenómeno ocurre cuando sucede una inversión (las capas más altas están más frías y por lo tanto son más densas que las capas bajas, el cambio de temperatura puede ser fácilmente de 10 ° C o más en 100 metros). La brusca transición entre el frío y el aire caliente, se refractan las ondas de radio en bandas de VHF y UHF. En algunas ocasiones puede haber múltiples inversiones. Una vez que una señal de radio se ha visto atrapada entre dos inversiones, estas pueden viajar entre ambas como en una especie de túnel. Es particularmente apreciable por la mañana, y en VHF. Para medir este fenómeno en radiocomunicación, se corrige el radio de la Tierra, multiplicándolo por un K, que para este caso K=4/3.
Fig. A
Propagación por onda espacial (space wave) o propagación por línea visual (LOS) Si las antenas se encuentran elevadas sobre el terreno la señal puede propagarse sin necesidad de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera, también se la designa como "propagación troposférica" (no confundir con la propagación por "reflexión troposférica"). La troposfera es la porción de la atmósfera que ocupa aproximadamente los 16 km más cercanos a la superficie.
La onda espacial está compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y llega a la antena receptora con cierto retraso. La diferencia de distancia recorrida por el rayo directo y el reflejado determina la intensidad de la señal en el receptor debido Un ejemplo sobre la refracción al fenómeno conocido en física elemental como "interferencia de ondas". troposférica Se tiene un enlace de microondas teLa onda espacial es el modo fundarrestre cuyo rayo es refractado como se muestra en la siguiente figura A. Esta refrac- mental de propagación en las frecuencias ción del rayo ocurre cuando una capa de ai- superiores a los 30 MHz. También es resre frío se encuentra entre dos capas de aire ponsable de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el caliente, puede ocurrir que la onda de refracte, esto es, que modifique su trayectoria. espectro de HF. Nota: No debe confundirse este modo con una traducción del término inglés "sky wave" que interpretarse como "onda celeste o del cielo" y que hace referencia a la propagación por "onda ionosférica".
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Normas Internacionales que regulan este modelo de propagación RECOMENDACIÓN UIT-R P.834-4 Efectos de la refracción troposférica sobre la propagación de las ondas radioeléctricas. La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando: a) Que para la planificación de los enlaces terrenales y Tierra-espacio es necesario disponer de procedimientos de cálculo para evaluar los efectos de la refractividad sobre las señales radioeléctricas. b) Que se han establecido procedimientos para calcular algunos efectos de la propagación sobre las señales radioeléctricas de los enlaces terrenales y Tierra-espacio. Recomienda: “Que se utilice la información de esta recomendación para el cálculo de los efectos de la refractividad a gran escala”. RECOMENDACIÓN UIT-R P.452-10 Procedimiento de predicción para evaluar la interferencia en microondas entre estaciones situadas en la superficie de la tierra a frecuencias superiores a unos 0,7 GHz. La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando: a) Que debido a la congestión del espectro radioeléctrico, deben compartirse las bandas de frecuencias entre distintos servicios terrenales, entre sistemas del mismo servicio y entre sistemas de servicios terrenales y del servicio Tierra-espacio; b) Que para que los sistemas compartan de forma satisfactoria las mismas bandas de frecuencias, es preciso establecer procedimientos de predicción de propagación de la interferencia que sean precisos y fiables así como aceptables para todas las partes implicadas; c) Que es necesario efectuar predicciones sobre propagación de la interferencia para cumplir los objetivos de comportamiento en el «mes más desfavorable» y los objetivos de disponibilidad. d)
Que se necesitan métodos de predicción para aplicarlos a todos los tipos de trayecto y en todas las zonas del mundo.
Recomienda: “Que, en frecuencias superiores a unos 0,7 GHz, se utilice el procedimiento que aparece en esta recomendación para evaluar las pérdidas de propagación disponibles en los cálculos de interferencia en microondas entre estaciones situadas en la superficie de la Tierra”. 16
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Esta norma establece además los Mecanismos de propagación de la interferencia. La propagación de la interferencia en microondas puede presentarse mediante diversos mecanismos y el predominio de cualquiera de ellos depende de factores tales como el clima, el porcentaje de tiempo en cuestión, la distancia y la topografía del trayecto. En cualquier momento puede darse un único mecanismo o más de uno. A continuación se presentan uno de los principales mecanismos de propagación de la interferencia. Dispersión troposférica: Este mecanismo define el nivel de interferencia de fondo para trayectos más largos (por ejemplo, 100-150 km) en los que el campo de difracción se hace muy débil. No obstante, con excepción de algunos pocos casos especiales en los que intervienen estaciones terrenales sensibles o fuentes de interferencia de muy alta potencia (por ejemplo, sistemas de radar), la interferencia a través del mecanismo de dispersión troposférica tendrá un nivel demasiado reducido como para ser considerada significativa.
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Ondas troposféricas 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. Basta observar cualquier mapa meteorológico para darse cuenta de que la temperatura va disminuyendo con arreglo a la altura, cuanto más lejos se esta de la superficie más Fig. B frío está el aire, y, por otro lado, las fotografías desde los satélites muestran una diferente localización de las nubes en cada momento del día y en cada punto del globo. Una atmósfera ideal sería aquella que partiera de valores máximos de densidad y de conducción en las zonas bajas hasta llegar a una densidad prácticamente nula y sin humedad en las zonas altas. Sin embargo, en la práctica, estas condiciones no se dan nunca lo normal es que en el aire de la troposfera se den zonas de turbulencias (masas cambiantes de nubosidad) y estratos más o menos paralelos de diferente temperatura y concentración de humedad, lo que permite alcanzar en casos especiales distancias importantes. En la figura B se representa lo que sucede con la propagación de las ondas en las proximidades de zonas montañosas. La influencia que tienen las diferentes elevaciones del terreno sobre las masas de aire que las rodean hace que no existan grandes capas uniformes de aire que tengan idéntica temperatura y humedad, lo que conlleva una dispersión de las ondas que llegan a ellas. A este tipo de propagación se le conoce como propagación por dispersión. La dispersión se aprovecha muy poco en las zonas montañosas pero resulta de gran utilidad sobre grandes llanuras o áreas marítimas, en donde los estratos son más estables, y sobre todo a frecuencias de cientos o miles de megahercios. 20
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¿Qué es la Ionósfera? La Ionosfera se sitúa entre la Mesosfera y Exosfera entre 60 y 400 km de altura. Como el propio nombre indica está compuesta de iones y de plasma ionosférico y es de forma esférica al ser una de las capas de la atmósfera. Es importante para la propagación porque permite reflejar o refractar ondas radioeléctricas por debajo de una frecuencia crítica llamada comúnmente MUF, frecuencia máxima utilizable. Entre las propiedades de la ionosfera, encontramos que esta capa contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra gracias a las partículas de iones (cargadas de electricidad) presentes en esta capa.
Capas de la Ionosfera CAPA D
CAPA E 23
CAPA F
CAPA D
CAPA E
CAPA F
Es la más cercana a la
La capa E es una
Durante el día, la propaga-
Tierra. Se encuentra a
capa que refleja las
ción de tipo "Esporádica-E"
unos 60 km de altura.
ondas de radio. A
se da en la región E de la
La ionización provocada
veces se forma por
ionosfera, y a ciertas horas
por el viento solar au-
ionización del aire
del ciclo solar la región F1
menta la densidad de
por causas que no
se junta con la F2. Por la
electrones en la capa D.
dependen de la ra-
noche las regiones D, E y
Por esa razón, las ondas
diación solar; algu-
F1 se quedan sin electro-
radioeléctricas son fuer-
nos investigadores
nes libres, siendo enton-
temente absorbidas. La
piensan que podría
ces la región F2 la única
capa D es sumamente
ser por fricción en-
disponible para las comu-
absorbente para las fre-
tre distintas capas
nicaciones; de todas for-
cuencias por debajo de
de la atmósfera.
mas no es raro que tam-
unos 10 MHz, por lo
bién pueda darse por la
tanto, las frecuencias
noche
afectadas son menos
"esporádica-E". Todas las
atenuadas cuando son
regiones excepto la D re-
atravesadas más cerca
flejan ondas de HF. La Re-
de la vertical.
gión D pese a no reflejar-
la
propagación
las también es importante ya que ésta se encarga de absorberlas o atenuarlas.
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Onda Guiada Tierra-Ionósfera
En VLF (3Khz-30Khz) el suelo y la Ionósfera se comportan como buenos conductores. Como la distancia “h” que los separa (60-100Km) es comparable con la longitud de onda en esta banda (100Km-10Km), la propagación se modela como una Guía Esférica con perdidas. Las Antenas, verticales, son eléctricamente pequeñas, aunque de dimensiones físicas muy grandes. Las Aplicaciones son Telegrafía Naval y Submarina, Ayudas a la navegación, etc. y poseen cobertura Global.
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