Propagación de ondas de radio

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Antena celular móvil y antena dipolo 2018 v2

La propagación de ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radio frecuencia o simplemente radio-propagación, aunque en el espacio libre implica el vacío; las ondas de radio transmitida por la fuente se propagan por la atmoósfera terrestre, posteriormente se recibe en la antena receptora, la radiación y la captura de esta son funciones de las antenas y de la distancia entre ellas.[1]

La propagación de ondas de radio o radiopropagación es el comportamiento de las ondas de radio (electromagnéticas) cuando se trasladan por el espacio. Se transmiten, reciben o propagan desde un punto sobre la Tierra a otro, a la atmósfera o al espacio.[2]

Las ondas de radio en diferentes frecuencias se propagan de diferentes maneras. En frecuencias extremadamente bajas (ELF) y frecuencias muy bajas (VLF), la longitud de onda es mucho mayor que la separación entre la superficie de la Tierra y la capa D de la ionosfera, por lo que las ondas electromagnéticas pueden propagarse en esta región como una guía de ondas. De hecho, para frecuencias inferiores a 20 kHz, la onda se propaga como un modo de guía de onda única con un campo magnético horizontal y un campo eléctrico vertical. La interacción de las ondas de radio con las regiones ionizadas de la atmósfera hace que la propagación de radio sea más compleja de predecir y analizar que en el espacio libre. La propagación ionosférica de radio tiene una fuerte conexión con los fenómenos espaciales.

Con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, la principal diferencia es que la atmósfera de la Tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentran en el vacío. Las ondas electromagnéticas se propagan a través de cualquier material dieléctrico incluyendo el aire, pero no se propagan bien a través de conductores con pérdidas como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material disipando con rapidez a la energía de las ondas. [1]

La electricidad atmosférica abunda en el medio ambiente, y algunos indicios de ello se encuentran a menos de un metro de la superficie de la Tierra, pero al aumentar la altura se hace más evidente. La idea principal es que el aire sobre la superficie de la tierra está por lo general, durante el buen tiempo, electrificado positivamente, o al menos es positivo con respecto a la superficie terrestre (la superficie de la Tierra es relativamente negativa). Además, la presencia de la acciones eléctricas en la atmósfera, debido a la acumulación de enormes cargas estáticas de corriente generada probablemente por la fricción del aire sobre sí mismo, puede dar cuenta de los diversos fenómenos del rayo y las tormentas. Otras causas que producen electricidad en la atmósfera son, la evaporación desde la superficie de la Tierra, los cambios químicos que tienen lugar sobre la superficie de la Tierra, y la expansión, la condensación, la variación de la temperatura de la atmósfera y de la humedad contenida en él.[3]

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.[4]

Modelo de propagación terrestre


Dado que la propagación de radio no es totalmente predecible, los servicios tales como transmisores de localización, comunicaciones en vuelo con aeronaves que cruzan el océano y algunas transmisiones de televisión de radiodifusión se han trasladado a los satélites de comunicaciones. Un enlace satelital, aunque costoso, puede ofrecer una cobertura de línea de visión más previsible y estable en un área determinada.

Condiciones de propagación[editar]

El término condiciones de propagación se refiere a las condiciones ambientales y atmosféricas que afectan a la recepción de las señales de radio. En particular, las ondas de radio de onda corta dependen y son afectadas en forma muy importante por las condiciones de la ionosfera, y los efectos sobre esta de fenómenos tales como los vientos solares.

Siendo una forma de radiación electromagnética , de igual modo que las ondas de luz, las ondas de radio se ven afectadas por los fenómenos de la | , la refracción , la difracción , la absorción, la polarización y la dispersión (ver Ecuaciones de Fresnel y Ley de Snell).

Esta propagación de ondas se ve afectada por la frecuencia (como la inversa de la longitud de onda) y por el medio a través del cual se propaga, como los cambios diarios de vapor de agua en la troposfera (humedad relativa) y la ionización en la atmósfera superior (ionosfera). Comprender los efectos de diferentes condiciones de propagación de radio tiene muchas aplicaciones prácticas, desde la elección de las frecuencias para emisoras internacionales de onda corta, para el diseño confiable de sistemas de telefonía móvil, sistemas de radioayudas para la navegación, sistemas de radar, como así también para controlar equipos a distancia (sin piloto) o la exploración espacial.

También se ve afectada por varios otros factores determinados por su trayectoria de un punto a otro. Esta ruta puede ser una línea de visión directa o sobre el horizonte con la ayuda de la refracción en la ionosfera, que es una región comprendida entre aproximadamente 60 y 600 km. Los factores que influyen en la propagación ionosférica de una señal de radio pueden ser: la esporádica-E, la capa F, las erupciones solares, las tormentas geomagnéticas, la inclinación de la ionosfera y eventos solares de protones (plasma solar).

Ondas terrestres[editar]

Las ondas terrestres deben estar polarizadas verticalmente, pues el campo eléctrico en una onda polarizada horizontalmente sería paralelo a la superficie de la tierra y estas ondas se cortó-circuitarían con la conductividad de la tierra misma. Con ondas terrestres, el campo Eléctrico induce voltajes en la superficie de la Tierra, que produce corrientes inducidas. La superficie de la tierra también tiene resistencia y pérdidas dieléctricas, por lo que las ondas terrestres se atenúan a medida que se propagan. Las pérdidas de ondas terrestres se acentúan con la frecuencia, por lo que generalmente se usan para transmisiones de frecuencias menores a 2Mhz (Ej. radio AM). La densidad del aire hace que el frente de onda se incline gradualmente. Con suficiente potencia, se puede propagar más allá del horizonte.

Se usan para comunicaciones entre barcos y la tierra firme, así como en general para comunicaciones móviles marítimas. Se pueden usar con frecuencias de 15Khz a 2Mhz. Con suficiente potencia, pueden usarse para comunicar dos puntos cualesquiera en el mundo. Son relativamente inmunes a los cambios atmosféricos. Requieren potencias relativamente altas Como se limitan a frecuencias ultra bajas, bajas y medianas, se necesitan antenas muy grandes para su transmisión y recepción. Las pérdidas de las ondas terrestres son muy variables, dependiendo de la superficie y su composición, lo que hace la confiabilidad y repetibilidad de la transmisión dependiente del terreno.

Ondas troposféricas o espaciales[editar]

Las ondas troposféricas o espaciales se irradian hacia el cielo, donde la ionosfera (parte superior de la atmósfera) refleja o refracta las ondas de cielo hacia la tierra nuevamente. Por ello, a este tipo de propagación se le conoce también como propagación ionosférica, y se localiza de 50 a 400km arriba de la superficie terrestre. La ionosfera absorbe gran cantidad de radiación solar, lo que ioniza las moléculas de aire, creando electrones libres. La ionosfera tiene 3 capas D, E y F, que varían según su altura y la densidad de ionización, de menor a mayor, y con el horario del día. Cuando una onda RF pasa a través de la ionosfera, su campo E ejerce una fuerza sobre estos electrones libres haciéndolos vibrar. Esto produce una reducción en la corriente, que es equivalente a reducir la constante dieléctrica del aire, lo cual causa que la velocidad de propagación aumente, y cause la desviación de las ondas EM hacia las regiones de baja densidad electrónica.

Ondas directivas[editar]

Las ondas directas incluyen tanto las ondas directamente transmitidas, como las indirectamente reflejadas. La intensidad del campo eléctrico depende de la distancia entre las dos antenas, por el efecto de atenuación y absorción, y de la interferencia que pueda haber entre las ondas directas y las ondas reflejadas. Para que este tipo de propagación sea efectivo se necesita que entre las antenas exista una línea de visión, es decir puedan verse una a la otra.[5]

Ionosfera[editar]

El 26 de julio de 1963 se lanzó el primer satélite geosincrónico operacional Syncom 2. Las radiobalizas de la placa de este satélite (y sus sucesores) habilitaron, por primera vez, la variación de la medida del contenido total de electrones (TEC) a lo largo de un haz de radio de la órbita geoestacionaria a un receptor terrestre. (La rotación del plano de polarización mide directamente el TEC a lo largo del camino).[6]

Relación de la atmósfera y la ionosfera.

Es la parte ionizada de la atmósfera superior de la tierra, de aproximadamente 60 km (37 millas) a 1.000 km (620 millas) de altitud, una región que Incluye la termosfera y partes de la mesosfera y la exosfera. La ionosfera es ionizada por la radiación solar. Juega un papel importante en la electricidad atmosférica y forma el borde interior de la magnetosfera.[7]

Las capas ionosfericas[editar]

Por la noche, la capa F es la única capa de ionización significativa presente, mientras que la ionización en las capas E y D es extremadamente baja. Durante el día, las capas D y E se ionizan mucho más, al igual que la capa F, que desarrolla una región de ionización más débil conocida como la capa F 1. La capa F 2 persiste día y noche y es la principal región responsable de la refracción y reflexión de las ondas de radio[8]

Capa D[editar]

La capa D es la capa más interna, de 60 km (37 mi) a 90 km (56 mi) sobre la superficie de la Tierra. La ionización aquí se debe a la serie de Lyman: radiación de hidrógeno alfa a una longitud de onda de 121,6 nanómetros (nm) de óxido nítrico ionizante (NO). Además, la alta actividad solar puede generar rayos X duros (longitud de onda <1 nm) que ionizan el N 2 y el O 2. Las tasas de recombinación son altas en la capa D, por lo que hay muchas más moléculas de aire neutro que iones.

Las ondas de radio de frecuencia media (MF) y baja frecuencia (HF) se atenúan significativamente dentro de la capa D, ya que las ondas de radio que pasan hacen que los electrones se muevan, que luego chocan con las moléculas neutrales, dejando su energía. Las frecuencias más bajas experimentan una mayor absorción porque mueven los electrones más lejos, lo que lleva a una mayor probabilidad de colisiones. Esta es la razón principal para la absorción de ondas de radio de HF, particularmente a 10 MHz e inferiores, con una absorción progresivamente menor a frecuencias más altas. Este efecto alcanza su punto máximo alrededor del mediodía y se reduce durante la noche debido a una disminución en el espesor de la capa D; solo queda una pequeña parte debido a los rayos cósmicos. Un ejemplo común de la capa D en acción es la desaparición de la banda de transmisión de AM distante Estaciones durante el día.

Durante los eventos de protones solares, la ionización puede alcanzar niveles inusualmente altos en la región D en latitudes altas y polares. Tales eventos muy raros se conocen como eventos de Absorción de la tapa polar (o PCA), porque la mayor ionización aumenta significativamente la absorción de las señales de radio que pasan a través de la región[9]​. De hecho, los niveles de absorción pueden aumentar en muchas decenas de dB durante eventos intensos, lo que es suficiente para absorber la mayoría (si no todas) las transmisiones de señales de radio de HF transpolar. Tales eventos suelen durar menos de 24 a 48 horas.

Capa E[editar]

La capa E es la capa media, 90 km (56 mi) a 150 km (93 mi) sobre la superficie de la Tierra. La ionización se debe a los rayos X blandos (1–10 nm) y la radiación solar ultravioleta lejana (UV) de la ionización del oxígeno molecular (O 2). Normalmente, en incidencia oblicua, esta capa solo puede reflejar ondas de radio que tienen frecuencias inferiores a unos 10 MHz y puede contribuir un poco a la absorción en las frecuencias superiores. Sin embargo, durante eventos E esporádicos intensos, las Es La capa puede reflejar frecuencias de hasta 50 MHz y superiores. La estructura vertical de la capa E está determinada principalmente por los efectos competitivos de la ionización y la recombinación. Por la noche, la capa E se debilita porque la fuente primaria de ionización ya no está presente. Después de la puesta del sol, un aumento en la altura del máximo de la capa E aumenta el rango al que las ondas de radio pueden viajar por reflexión desde la capa.

Esta región también se conoce como la capa Kennelly-Heaviside o simplemente la capa Heaviside. Su existencia fue predicha en 1902 de forma independiente y casi simultánea por el ingeniero eléctrico estadounidense Arthur Edwin Kennelly (1861–1939) y el físico británico Oliver Heaviside (1850–1925). Sin embargo, no fue hasta 1924 que su existencia fue detectada por Edward V. Appleton y Miles Barnett.


Capa E s[editar]

La capa E s (capa E esporádica) se caracteriza por nubes pequeñas y delgadas de ionización intensa, que pueden soportar la reflexión de ondas de radio, raramente hasta 225 MHz. Los eventos esporádicos de E pueden durar desde unos pocos minutos hasta varias horas. La propagación esporádica de E hace radioaficionados que operan en VHFmuy emocionado, ya que las rutas de propagación que generalmente son inalcanzables pueden abrirse. Hay múltiples causas de esporádica-E que aún están siendo investigadas por los investigadores. Esta propagación ocurre con mayor frecuencia durante los meses de verano cuando se pueden alcanzar niveles altos de señal. Las distancias de salto son generalmente alrededor de 1,640 km (1,020 mi). Las distancias para la propagación de un salto pueden ser desde 900 km (560 mi) hasta 2,500 km (1,600 mi). Es posible una recepción de doble salto de más de 3,500 km (2,200 mi).

Capa F[editar]

La capa o región F, también conocida como la capa Appleton-Barnett, se extiende desde aproximadamente 150 km (93 mi) hasta más de 500 km (310 mi) sobre la superficie de la Tierra. Es la capa con la mayor densidad de electrones, lo que implica que las señales que penetran en esta capa escaparán al espacio. La producción de electrones está dominada por la radiación ultravioleta extrema (UV, 10–100 nm) ionizante del oxígeno atómico. La capa F consiste en una capa (F 2) por la noche, pero durante el día, a menudo se forma un pico secundario (etiquetado como F 1)

en el perfil de densidad electrónica. Debido a que la capa F 2 permanece de día y de noche, es responsable de la mayoría de las propagaciones de ondas de radio y de largas distancias. Comunicaciones de radio de alta frecuencia (HF u onda corta).

Sobre la capa F, el número de iones de oxígeno disminuye y los iones más ligeros, como el hidrógeno y el helio, se vuelven dominantes. Esta región sobre el pico de la capa F y debajo de la plasmasfera se llama ionosfera superior. De 1972 a 1975, la NASA lanzó los satélites EROS y EROS B para estudiar la región F.

Estacionalidad de la ionosfera[editar]

La altitud a la cual se encuentra la ionosfera varía estacionalmente, pero también según la hora del día. Al estar esta a mayor altitud las emisiones de onda corta pueden llegar a mayor distancia. Por el contrario, cuando la ionosfera se encuentra a menor altura, el rebote de las señales de onda corta llega a menor distancia.

Aplicaciones[editar]

Comunicación por radio[editar]

Debido a la capacidad de los gases atmosféricos ionizados para refractar las ondas de radio de alta frecuencia (HF u onda corta), la ionosfera puede reflejar las ondas de radio dirigidas hacia el cielo de regreso a la Tierra. Las ondas de radio dirigidas en ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte. Esta técnica, llamada propagación "skip" o " skywave ", se ha utilizado desde la década de 1920 para comunicarse a distancias internacionales o intercontinentales. Las ondas de radio que regresan pueden reflejarse de nuevo desde la superficie de la Tierra hacia el cielo, lo que permite alcanzar mayores rangos con múltiples saltos. Este método de comunicación es variable y no confiable, con recepción en un camino determinado dependiendo de la hora del día o de la noche, las estaciones, el clima y los 11 años. Ciclo de manchas solares. Durante la primera mitad del siglo XX se usó ampliamente para servicios de telefonía y telégrafo transoceánicos, y para comunicaciones comerciales y diplomáticas. Debido a su relativa falta de fiabilidad, la industria de las telecomunicaciones ha abandonado la comunicación por radio de onda corta, aunque sigue siendo importante para las comunicaciones de alta latitud en las que no es posible la comunicación por radio basada en satélite. Algunas estaciones de radiodifusión y servicios automatizados todavía utilizan frecuencias de radio de onda corta, al igual que los aficionados a los radioaficionados para contactos recreativos privados

Mecanismo de refraccion[editar]

Cuando una onda de radio alcanza la ionosfera, el campo eléctrico en la onda obliga a los electrones de la ionosfera a oscilar a la misma frecuencia que la onda de radio. Parte de la energía de radiofrecuencia se entrega a esta oscilación resonante. Los electrones oscilantes se perderán luego por recombinación o volverán a irradiar la energía de onda original. La refracción total puede ocurrir cuando la frecuencia de colisión de la ionosfera es menor que la frecuencia de radio, y si la densidad de electrones en la ionosfera es lo suficientemente grande. Una comprensión cualitativa de cómo se propaga una onda electromagnética a través de la ionosfera puede obtenerse al recordar la óptica geométrica. Dado que la ionosfera es un plasma, se puede demostrar que el índice de refracción es menor que la unidad. Por lo tanto, el "rayo" electromagnético se desvía de lo normal en lugar de lo normal como se indicaría cuando el índice de refracción es mayor que la unidad. También se puede mostrar que el índice de refracción de un plasma, y por lo tanto de la ionosfera, depende de la frecuencia, ver Dispersión (óptica). La frecuencia crítica es la frecuencia límite en o por debajo de la cual una onda de radio es reflejada por una capa ionosferica en incidencia vertical. Si la frecuencia transmitida es más alta que la frecuencia de plasma de la ionosfera, entonces los electrones no pueden responder lo suficientemente rápido y no pueden re-irradiar la señal. Se calcula como se muestra a continuación:

Donde N = densidad de electrones por m 3 y fcritical está en Hz. La frecuencia máxima utilizable (MUF) se define como el límite de frecuencia superior que se puede utilizar para la transmisión entre dos puntos en un momento específico.

Dónde = ángulo de ataque, el ángulo de la onda en relación con el horizonte, y el pecado es la función sinusoidal. La frecuencia de corte es la frecuencia por debajo de la cual una onda de radio no puede penetrar una capa de la ionosfera en el ángulo de incidencia requerido para la transmisión entre dos puntos específicos por refracción desde la capa.

Índices de la ionosfera[editar]

En modelos empíricos de la ionosfera como Nequick, los siguientes índices se utilizan como indicadores indirectos del estado de la ionosfera.[10]

Intensidad solar[editar]

F10.7 y R12 son dos índices utilizados comúnmente en el modelado ionosférico. Ambos son valiosos por sus largos registros históricos que cubren múltiples ciclos solares. F10.7 es una medida de la intensidad de las emisiones de radio solar a una frecuencia de 2800 MHz realizada con un radiotelescopio terrestre. R12 es un promedio diario de 12 meses de las manchas solares. Se ha demostrado que ambos índices están correlacionados entre sí. Sin embargo, ambos índices son solo indicadores indirectos de la radiación solar ultravioleta y de rayos X, que son los principales responsables de causar la ionización en la atmósfera superior de la Tierra. Ahora tenemos datos de la nave espacial GOES que mide el flujo de rayos X de fondo desde el Sol, un parámetro más relacionado con los niveles de ionización en la ionosfera.

Perturbaciones[editar]

  • Los indicadores A y K son una medida del comportamiento de la componente horizontal del campo geomagnético. El índice K utiliza una escala de 0 a 9 para medir el cambio en la componente horizontal del campo geomagnético. Se determina un nuevo índice K en el Observatorio Geomagnético de Boulder.
  • Los niveles de actividad geomagnética de la Tierra se miden por la fluctuación del campo magnético de la Tierra en unidades SI llamadas teslas (o en gauss no SI, especialmente en la literatura más antigua). El campo magnético de la Tierra se mide alrededor del planeta por muchos observatorios. Los datos recuperados se procesan y se convierten en índices de medición. Las mediciones diarias para todo el planeta están disponibles a través de una estimación del índice A p, llamado el índice A planetario (PAI).

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b Elizabeth A. (11 de septiembre de 2017). Essex-Cohen documentos de física inosférica, etc. 
  2. HP Westman et al., (ed.), datos de referencia para los ingenieros de radio, quinta edición , 1968, Howard W. Sams & Co., sin ISBN, de la Biblioteca del Congreso de la tarjeta N º 43-14665 página 26-1. 
  3. J. Rodríguez, slideshare. «https://es.slideshare.net/jonattanrodrigues/trabajo-final-electricidad-atmosférica». Consultado el 1 de junio de 2019. 
  4. Ángel Cardana (2004). «Antenas» (en easpañol). 
  5. P. Turmero (20/10/2017). «monografías.com». 
  6. Elizabelh A., harveycohen.net (11/09/2017). «Essex-Cohen documentos de física ionosférica». 
  7. K. Rawer, Kluwer Dordrecht 1993. «Propagación de las olas en la inosfera». 
  8. Rose, El efecto de absorción del casquete polar. Revisiones de la ciencia del espacio (junio de 1962). «Ziuddin, Syed». 
  9. Mentido; Finn (1967), Radiocomunicaciones de alta frecuencia con énfasis en problemas polares. «grupo asesor para la investigación y Desarrollo Aeroespacial. pp. 1-6.». 
  10. Mentido; Finn (1967), Radiocomunicaciones de alta frecuencia con énfasis en problemas polares. «grupo asesor para la investigación y Desarrollo Aeroespacial. pp. 1-6.». 

Enlaces externos[editar]