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PROPAGACIN EN
EL ESPACIO LIBRE
Contenido
Edison Coimbra G.
Tema 3 de:
ltima modificacin:
9 de febrero de 2011
3.- Propagacin por onda de superficie
4.- Propagacin por onda ionosfrica.
5.- Propagacin por onda espacial.
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ANTENAS Y PROPAGACIN
DE ONDAS
1.- Principio de Huygens.
2.- Modos de propagacin.
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1.- Principio de Huygens
Un principio importante cuando se trata de entender la
propagacin de ondas de radio en el
espacio libre, es el principio de Huygens.
Cuando una onda se propaga, aparecen ciertos puntos que
empiezan simultneamente a tomar parte en el movimiento.
Un frente de onda es la superficie que contiene todos esos
puntos.
un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza.
Sin embargo, las ondas de radio estn sometidas a una serie de
efectos: absorcin,
reflexin, difraccin, refraccin e interferencia.
El principio de Huygens establece que todo punto de un
frente de ondas acta como un foco secundario de ondas
esfricas.
La superposicin de las ondas esfricas 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 as sucesivamente.
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Absorcin
Las ondas de radio transfieren energa al medio cuando viajan.
Ciertos materiales absorben
la radiacin y la transforman en calor o energa elctrica.
Se utiliza el coeficiente de absorcin (en dB/m) para describir
el impacto del medio en la
radiacin, que se traduce en una atenuacin de la energa de la
onda.
De fuerte absorcin 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 absorcin intermedia son las rocas, ladrillos y concreto, al
igual que la madera y los
rboles, dependiendo de su concentracin de agua.
Los seres humanos y muchos animales son vistos como recipientes
de agua, en
consecuencia como absorbentes prominentes.
Reflexin
La reflexin de ondas ocurre en
metales, en agua y en tierra. El
principio bsico es que la onda se
refleja con el mismo ngulo con el
que impacta la superficie.
La reflexin invierte la polaridad de la
onda incidente, equivalente a un
desplazamiento de 180 o al cambio
de direccin del campo E del frente de
onda.
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Reflexin difusa
En el diseo de antenas son tiles las
superficies reflectoras, como el reflector
plano y el parablico.
Las superficies reflectoras no
siempre son uniformes. Las
ondas, a menudo, se reflejan
desde la tierra, produciendo una
reflexin difusa.
Reflectores de antenas
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.
Los ngulos de incidencia y
reflexin para cada parte de la
superficie son iguales, pero como
cada parte tiene una orientacin
distinta, la onda reflejada se
dispersa.
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Refraccin
Es la desviacin que sufre un frente de onda cuando
pasa de un medio a otro de diferente densidad;
cambiando de velocidad y en consecuencia, de direccin.
C1
es un medio con una velocidad de propagacin mayor
que en C2. El ngulo que forman ambos frentes de onda
depende de la densidad de ambos medios (ley de Snell)
Difraccin
Ocurre cuando la onda de radio
encuentra un obstculo en su
trayectoria. Las fuentes puntuales del
frente de onda, en las orillas del
obstculo, desarrollan ondas esfricas
adicionales (Principio de Huygens) que
rellenan la zona de sombra.
Esto implica que la onda puede dar la vuelta en una esquina. La
difraccin es
mayor con una ms larga.
Por esta razn una estacin AM que
opera a 1000 kHz ( = 300 m) se oye fcilmente an cuando hayan
considerables obstculos en su trayecto.
Mientras que con redes WLAN ( = 12 m) se requiere lnea de vista
entre transmisor y
receptor.
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La difraccin se produce cuando la onda "choca" contra un
obstculo o penetra por un
agujero. La mayor difraccin se produce cuando el tamao del
agujero o del obstculo son
parecidos a la longitud de onda de la onda incidente.
Ejemplo de difraccin
Esta propiedad de
las ondas es vlida
para todas; desde las
electromagnticas
(como la luz, o las
ondas de radio o los
rayos X) hasta las
ondas de presin
(sonoras) o las
ondas en el agua o
las producidas por
los terremotos.
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Interferencia
Dos ondas con una misma frecuencia pueden amplificarse o
anularse entre s,
dependiendo de la relacin de fase (posicin relativa de las
ondas) entre ellas.
Para que esto ocurra en su forma ms pura (mxima amplificacin o
anulacin
completa), las ondas deben tener exactamente la misma y energa,
y una relacin de fase especfica y constante.
En tecnologa inalmbrica, la palabra interferencia se usa
tpicamente en un sentido
ms amplio, como perturbacin debido a otras emisiones de radio
frecuencia.
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2.- Modos de propagacin
Las propiedades de la Tierra y de las distintas capas de la
atmsfera afectan el
comportamiento de las ondas de radio, en mayor o menor grado
dependiendo de la
frecuencia de la onda.
Las frmulas para medir los efectos son complejas por naturaleza.
Sin embargo, algunas
reglas bsicas resultan tiles para entender y planear la
propagacin de seales de radio:
A frecuencias ms bajas, el alcance es mejor.
A frecuencias ms bajas, la seal es ms penetrante y rodea ms
obstculos.
A frecuencias ms altas, se transmite una mayor cantidad de
datos.
Segn el orden de frecuencia, de baja a alta, las 3 trayectorias
bsicas de propagacin
que una seal puede tomar a travs del espacio libre, son:
Por onda de superficie o terrestre, que sigue la superficie de
la Tierra. Ondas
de hasta 2 MHz.
Por onda ionosfrica, que se refracta en las capas ionizadas de
la atmsfera.
Ondas entre 300 kHz y 30 MHz.
Por onda espacial, llamada tambin propagacin con lnea de vista,
porque
requiere que la radiacin sea en lnea recta, directa, del
transmisor al
receptor. Ondas entre 30 MHz y 30 GHz.
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3.- Propagacin 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 ms all del horizonte.
Aplicacin.- La banda de radiodifusin AM estndar (530 a 1.700
kHz) se basa
principalmente en la propagacin de onda de superficie que es de
largo alcance y
gran estabilidad, aunque le afecta mucho el tipo de terreno.
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La onda ionosfrica se refracta en las capas ionizadas de
la atmosfera; all las molculas de aire se ionizan por la
radiacin solar. Estas capas estn entre 60 y 400 km de
altura. El radio de la Tierra es de 6400 km.
4.- Propagacin por onda ionosfrica
Entre 300 kHz y 30 MHz
Propagacin en el da:
En el da las capas estn 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 F1
y F2, por lo que,
a estas frecuencias, es posible la
comunicacin.
Propagacin en la noche:
En la noche, desaparecen las capas D y E y la capa F est
dbilmente 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 comunicacin.
Las ondas de frecuencias entre 10 MHz < f < 30 MHz
atraviesan todas las capas y no
retornan a Tierra.
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Saltos.- Para seales fuertes es posible hasta 20 saltos. La
mxima distancia de
un salto es 3.200 Km. Es posible rodear la Tierra.
Aplicacin.- La propagacin ionosfrica se utiliza, hasta cierto
lmite, en
telefona. Tiene uso amplio en comunicaciones de barcos y
aviones, comunicacin
militar y radioaficionados. Adems, por supuesto, existe la
radiodifusin de onda
corta. Tiene gran alcance pero con poca estabilidad.
Saltos de frecuencias en propagacin ionosfrica
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5.- Propagacin por onda espacial
Entre 30 MHz y 30 GHz
La onda espacial utiliza radiacin directa de la
antena transmisora a la receptora a travs de la
tropsfera. Se la conoce tambin como
propagacin por lnea de vista y troposfrica.
En la propagacin troposfrica, podran haber reflexiones desde la
Tierra, pero es ms
probable que cause problemas a que incremente la intensidad de
la seal.
Los radioenlaces de microondas terrestres, se explotan entre 2 a
50 GHz. Se llaman as
porque ambos terminales, transmisor y receptor, estn en
Tierra.
Aplicacin.- Radioenlaces, sistemas de microondas terrestre y
satelital, telefona mvil,
difusin de televisin terrestre y satelital.
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La onda espacial es tambin la base para
la comunicacin por satlite.
Onda espacial para comunicacin por satlite
Aplicacin.- Una aplicacin importante son los radioenlaces de
microondas satelitales
que se explotan entre 2 a 50 GHz. Se llaman as porque uno de los
terminales, transmisor
o receptor, est en un satlite.
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