Upload
ledat
View
221
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN Para la consecución de esta investigación fue menester recurrir a la
verificación de ciertos trabajos de investigación y referencia de edictos de
resistas especializadas en la temática.
Asoka (2002) establece como criterio de su investigación un modelo de
predicción en su trabajo investigativo titulado Modelo de predicción que
combina la atenuación por lluvia y otros daños en la propagación a
través de enlaces de tierra satélite, el uso creciente de bandas de
frecuencia Ka, Ku encausando el desarrollo de estudios acerca de los
fenómenos que ocasionan atenuación en los enlaces.
Es necesario establecer el impacto total de cada efecto de atenuación
sobre una ruta de comunicación, y muestra un procedimiento para
predecir el efecto combinado de atenuación de lluvias y algunos otros
daños de propagación en un enlace satélite -tierra, esta es una investigación
en la que se describen sus procedimientos y de diseño no experimental.
Ramos (2005), establece por medio de su investigación: Cálculo de la
atenuación por lluvia en un radio-enlace, estable un procedimiento para
calcular la atenuación causada por la lluvia en un radio-enlace. El efecto que
tienen los hidrometeoros como la lluvia, la nieve, granizo y otros hacen que
las señales que viajan a nivel de la troposfera sufran atenuación durante su
propagación debido a la dispersión y absorción causados por los fenómenos
antes mencionados. Este estudio aplica una estrategia de tipo descriptivo,
diseño no experimental.
El estudio anterior sirvió para establecer a través de los resultados
obtenidos el comportamiento de una señal de radio-enlace a nivel de la
troposfera entre satélites. Esto se logró estableciendo cálculos de los niveles
de atenuación para la frecuencia, la longitud recorrida por la señal y la tasa
de precipitación específicos.
Los investigadores anteriores, toman como base referencial para sus
trabajos fuentes documentales proporcionadas por la Unión Internacional de
Telecomunicación (UIT).
Según Muñoz, Pacheco, Cubillán, Durante, Duran y Fermín (2005) en
su trabajo de investigación: Modelo troposférico de los parámetros de radio
atenuación para, países tropicales. El caso de Venezuela. Esta investigación
establece de la influencia de la troposfera, en el comportamiento en los
radio-enlaces para zonas tropicales (caso específico de Venezuela), en el
mismo se hace una caracterización del medio de propagación de las ondas
electromagnéticas en términos del gradiente de refractivídad y el índice
troposférico.
Este esta investigación la estrategia aplicada es de tipo explicativa, y
de acuerdo con un dise ño experimental. Los resultados obtenidos por
medio de este estudio señalan el espectro de la atenuación de los radio-
enlaces y su media anual (30 años) en la franja de los 0.4 a 4 Ghz para las
principales ciudades de Venezuela.
Asimismo es propuesto un modelo para la refracción troposférica en
términos de altura y frecuencia, este provee una manera de evaluar las
atenuaciones que sufren las ondas electromagnéticas asumiendo ciertas
condiciones termodinámicas de la atmósfera, además se propone la
realización de un mapa de atenuación para los radio-enlaces en los países
ubicados en el trópico, lo que puede ayudar a predecir posibles
interrupciones de la comunicaciones y cualquier otro efecto no deseado.
2. BASES TEÓRICAS 2.1 ATENUACIÓN Atenuación por dispersión de onda: Debido a que la atenuación se debe
al esparcimiento esférico de la onda, a veces se llama atenuación espacial
de la onda. La atenuación de la onda se expresa generalmente en términos
del logaritmo común de la relación de densidad de potencia.
La reducción en potencia debida a la ley cuadrática inversa presume la
propagación del espacio libre (un vacío o casi un vacío) y se llama
atenuación de la onda. La reducción en la densidad de potencia debida a la
propagación del espacio no libre se llama absorción. La ley inversa cuadrática
para la radiación matemáticamente describe la reducción en la densidad de
potencia con la distancia de la fuente. Conforme se aleja un frente de onda
de la fuente, el campo electromagnético continuo, que es radiado desde
esa fuente, se dispersa. Es decir, las ondas se alejan más unas de otras y,
consecuentemente, el número de ondas por unidad de área disminuye.
Nada de la potencia radiada se pierde o se disipa, porque el frente de la
onda se aleja de la fuente; la onda simplemente se disipará sobre un área
más grande, disminuyendo la densidad de potencia. La reducción en la
densidad de potencia con la distancia es equivalente a la pérdida de
potencia y comúnmente se llama atenuación de la onda. Debido a que la
atenuación se debe al esparcimiento esférico de la onda; matemáticamente
la atenuación de la onda se define como:
Y8 = 10 log (1)
Ps= potencia de salida
Pe= potencia de entrada Atenuación y dispersión por lluvia: El estudio de los fenómenos de
absorción y dispersión producidos por la lluvia se basa en el cálculo de las
secciones cruzadas de absorción y dispersión de una gota de lluvia. Este
cálculo es sencillo en el caso de una gota esférica de agua de radio no
superior a la décima parte de la longitud de onda del campo eléctrico
transmitido, y se puede aplicar la teoría de dispersión de Rayleigh de
baja frecuencia.
Dado que los radios de las gotas de lluvia oscilan desde una fracción
de milímetro hasta unos cuantos milímetros, la teoría de dispersión de
Ps Pe
Rayleigh es generalmente válida para longitudes de onda del orden de 3
cm. o de algo menos. Ahora bien, la suposición de gotas esféricas no es
válida, dado que las gotas de lluvia se achatan como consecuencia de las
presiones y fuerzas aerodinámicas que sufren durante la caída.
En cualquier caso, para longitudes de onda elevadas puede
considerarse un radio esférico equivalente. A frecuencias milimétricas si
que resulta importante la forma de la gota, y la determinación de las
secciones cruzadas es mucho más compleja y laboriosa. No obstante,
con las modernas técnicas y programas informáticos la limitación no es en
el aspecto computacional, sino más bien a la hora de determinar la forma
de las gotas de agua, que dependen de su tamaño y de la velocidad de
caída.
La lluvia puede ser una causa importante de atenuación a frecuencias
superiores a 1 Ghz. La atenuación total producida por la lluvia se puede
obtener multiplicando la atenuación específica por la longitud de la celda
de lluvia. La atenuación por lluvia puede obtenerse haciendo uso de la
siguiente expresión; (UIT-R 838)
yr = KRa Donde: (2)
yr , Atenuación específica debida a la lluvia (db/Km).
R, Intensidad de la lluvia (mm/h).
K, a; son constantes en función de la frecuencia y de la lluvia,
Las temperaturas y las ondas electromagnéticas difieren entre la
polarización vertical y la horizontal.
Algunos valores de k y a para distintas frecuencias y polarizaciones
lineales (horizontal y vertical) se muestran en la tabla I. En la red. UIT-R 838
se proporcionan un mayor número de valores. Para obtener valores a
frecuencias intermedias se recomienda aplicar interpolación, utilizando una
escala logarítmica para la frecuencia y para k, y una escala lineal para a. De
la tabla se deduce que la atenuación es ligeramente superior para
polarización horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la
forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la caída.
Tabla I. Coeficientes de regresión para estimar el valor de la atenuación específica por lluvia.
Frec.(GHz) kH kV αH αV
1 0,0000387 0,0000352 0,9122 0,8801
25 0,1237 0,1125 1,0604 1,0308
60 0,7039 0,6347 0,8266 0,8263
80 0,9552 0,8888 0,7719 0,7723
100 1,1142 1,0603 0,7434 0,7434
200 1,4126 1,3764 0,6930 0,6948
300 1,3737 1,3665 0,6862 0,6869
400 1,3163 1,3059 0,6840 0,6849
Fuente UIT- R 838.
En la figura 1 se representan curvas de atenuación específica por lluvia en
función de la frecuencia y para distintos valores de precipitación. Como
puede observarse, la atenuación específica crece rápidamente para
frecuencias por encima de 10 GHz. Para una tasa de precipitación de R = 50
mm/h se obtienen valores de atenuación específica mayores de 10 dB/km
para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema
serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a frecuencias
milimétricas, como por ejemplo los sistemas LMDS a 28 GHz o los sistemas
VDS a 40 GHz.
. Figura 1. Atenuación específica para distintas intensidades de lluvia Fuente: Dr. Francisco Ramos Pascual
Conviene indicar por último que en todos los cálculos anteriores se
considera propagación en trayectos horizontales y polarizaciones lineales. Si
se tiene una inclinación de la polarización con respecto a la horizontal o un
determinado ángulo de elevación en el trayecto, entonces los valores de k y a
de la tabla deben modificarse por medio de unas fórmulas de corrección
incluidas en la misma recomendación.
Cálculo de la atenuación por lluvia: La Rec. UIT-R P.530-7 establece el
procedimiento para calcular la atenuación producida por la lluvia a largo
plazo. Esta atenuación A(dB) se calcula como A = aLef. Donde a (dB/km)
es la atenuación específica para la frecuencia, polarización y tasa de
precipitación (superada el 0,01% del tiempo) de interés, y Lef es la longitud
efectiva del trayecto. Esta longitud efectiva de lluvia se calcula a partir de la
longitud del trayecto real por medio de unas fórmulas indicadas en dicha
Recomendación. En la figura 2 se representa dicha longitud efectiva en
función de la longitud real para las dos zonas de interés H y K.
Figura 2 . Atenuación específica por lluvia para distintas longitudes. Fuente: Dr. Francisco Ramos Pascual.
Luego la fórmula anterior proporcionará la atenuación por lluvia superada
el 0,01%, es decir, para un diseño de disponibilidad del sistema del 99,99%.
Si se desea calcular la atenuación excedida durante otro porcentaje de
tiempo comprendido en la gama de 0,001% a 1%, entonces puede utilizarse
la siguiente ley exponencial:
A(p%) = 0,12 A(0,01%) p^(-0,546 - 0,043 log10p), finalmente, conviene
indicar que el procedimiento de predicción indicado anteriormente se
considera válido en todo el mundo, al menos para frecuencias de hasta 40
GHz y longitudes de trayecto de hasta 60 km.
Atenuación por gases atmosféricos: En los trayectos tierra - espado se
observa que existe una disminución de la concentración de gases en
función de la altura y por ende disminuye también la atenuación. El
contenido de vapor de agua en la atmósfera decrece rápidamente en
función de la altura mientras que el contenido de oxigeno lo hace en forma
más gradual, los vapores de agua y de oxígeno no condensador poseen
líneas de absorción en la banda de frecuencia de microondas y de ondas
multimétricas.
Atenuación por hielo y nieve : Cuando el agua se solidifica formando
cristales de hielo o nieve de produce un cambio significativo en el valor
de la constante dieléctrica compleja. En el caso del hielo, la parte real
do la constante dieléctrica es prácticamente constante e igual a 3,17
para el rango de temperaturas de 0 °C a -30 °C en la banda de frecuencias
microondas miméticas.
La parte imaginaria, por otro lado, es muy pequeña y casi independiente
de la frecuencia en dicha banda. Precisamente este reducido valor de la
parte imaginaria de la constante dieléctrica indica que los cristales de Meta
introducen poca atenuación.
No obstante, la nieve y el granizo consisten en una combinación de
cristales de hielo y agua en muchos casos, por lo que la atenuación es
muy dependiente de las condiciones metereológicas.
Atenuación por el nivel de inclinación: Para trayectos inclinados debe
considerarse el incremento de atenuación debido a la mayor longitud del
trayecto recorrido dentro de la atmósfera. La atenuación en estas
condiciones puede calcularse a través de la siguiente expresión:
A(f )= .. . (3)
f à Angulo de elevación.
A(90º)à Atenuación para el trayecto .
2.2 ANTENAS Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir
ondas electromagnéticas, una guía de onda es un tubo metálico conductor
por medio del cual se propaga energía electromagnética de alta frecuencia,
por lo general ent re una antena y un transmisor, un receptor, o ambos. Una
antena se utiliza como la interfase entre un transmisor y el espacio libre o el
espacio libre y el receptor. Una guía de onda, así como una línea de
transmisión, se utiliza solo para interconectar eficientemente una antena
A(90º)
SEN(f )
con el transceptor. Una antena acopla energía de la salida de un transmisor
a la atmósfera de la tierra o de la atmósfera de la tierra a un receptor.
Según el Institu te of Eléctrical and Electronic Engineers (IEEE), una
antena se define como: “aquella parte de un sistema transmisor o receptor-
diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas ”
(IEEE Std. 145 - 1983).
La principal función de las antenas es radiar o propagar las ondas con el
nivel de potencia que soporta, u una frecuencia de trabajo entre otros
parámetros, en donde esta radiación va dirigida o direccionada a un punto o
puntos de recepción.
Toda onda se caracteriza por contener una frecuencia (f) y una longitud
(?), en donde ambas magnitudes se relacionan con la velocidad de
propagación en el medio donde es común que la onda se disperse a través
del vacío en el aire a una velocidad constante (c=3.108 m/s), entonces, c=f?.
El espectro de frecuencias o conjunto de todas las frecuencias, se dividen
por décadas en bandas asignadas por organismos de normalización
internacionales como el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
(IEEE) y la Unión Internacional de Telecomunicación, quienes determinan los
segmentos del espectro o frecuencia espectral, que se ilustran o reflejan en
los valores expresado según las tablas 2, 3 y 4 que se denotan a
continuación:
En la tabla 2. Se muestra el comportamiento de los valores de
frecuencias más bajas.
Tabla 2. Denominación de las bandas de frecuencias por décadas BANDA FRECUENCIA (F) LONGITUD DE
ONDA (?) DENOMINACIÓN
ELF
VLF LF
< 3kHz
3 – 30 Khz. 30 – 300 k.o.
> 100 Km. 100 – 10 Km. 10 – 1 Km.
Extrema baja frecuencia. Muy baja frecuencia. Baja frecuencia.
MF HF
VHF
0.3 – 3 MHz 3 - 30 MHz
30 – 300 MHz
1.000 – 100 m 100 – 10 m
10 – 1 m
Frecuencia media Frecuencia alta Muy alta frecuencia
UHF SHF EHF
0.3 – 3 GHz 3 -30 GHZ
30 – 3000 GHz
100 – 10 cm. 10 – 1 cm. 10 – 1 Mm.
Ultra alta frecuencia Súper alta frecuencia Extrema alta frecuencia
Fuente: Cardama (1998). En las frecuencias de microondas existen subdivisiones desde la
aparición de los primeros radares que aún se usan en la actualidad, como se
ilustra a continuación en la tabla 3.
Tabla 3. Denominación habitual en las bandas de frecuencias en microondas.
BANDA FRECUENCIA LONGITUD DE ONDA
L S C X
1 – 2 GHz 2 – 4 GHz 4 – 8 GHz
8 – 12,4 GHz
30 – 15 cm. 15 – 7,5 cm.
7,5 – 3,75 cm. 3,75 – 2,42 cm.
Ku K
Ka Mm.
12,4 – 18 GHz 18 – 26,5 GHz 26,5 – 40 GHz 40 – 300 GHz
2,42 – 1,66 cm. 1,66 – 1,11 cm. 11,1 – 7,5 Mm.
7,5 – 1 Mm.
Fuente: Cardama(1998).
A frecuencias superiores nos encontramos con ondas electromagnéticas
correspondientes al infrarrojo, visible, rayos x y ultravioleta, obsérvese la
tabla 4.
Tabla 4: Denominación de las bandas frecuencias superiores. BANDA FRECUENCIA LONGITUD DE
ONDA DENOMINACIÓN
- IR V
UV
300 – 800 GHz 800 GHz – 400 THz
400 – 750 THz 750 – 10.000 THz
1 – 0,4 mm 0,4 mm-0,8 micro 0,8 – 0,4 micras 400-12 nanómts
120–0,6 amstrong
Submilimétrica Infrarrojo Visible
Ultravioleta Rayos X
Fuente: Cardama(1998). Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo en cuanto a que
en realidad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el sentido
real de la palabra (sin embargo, como se verá más adelante en este
capítulo, una antena puede tener ganancia), y recíproco en cuanto a que las
características de transmisión y recepción de una antena son idénticas,
excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de la antena se
limitan a la modificación del patrón de transmisión.
Las ecuaciones de Maxwell relacionan los campos eléctricos y
magnéticos con las cargas y corrientes que los crean. La solución general
de las ecuaciones, en el caso variable en el tiempo, es en forma de ondas,
que pueden estar ligadas a una estructura, una línea de transmisión o guía
de ondas, que obran libres en el espacio, como ocurre por las producidas
por las antenas.
Las ecuaciones de Maxwell describen la generación de campos
electro magnéticos por cargas estacionarias o en movimiento se supone que
las distribuciones de carga son continuas, aunque si son discretas
también pueden utilizarse haciendo uso de la función Delta de Dirac.
Primera ecuación de Maxwell, relaciona la rotación del campo eléctrico
con la velocidad del campo de inducción magnética; expresada así:
xE = - (4) E: campo eléctrico expresado en (V/m)
B: Campo de inducción magnética expresado en tesla (T)
La segunda ecuación de Maxwell, mide la intensidad de corriente total
dada por un circuito actúa como una fuente de rotación del campo
magnético:
xH= Jc + . (5) H: campo magnético.
Jc: densidad de corriente de conducción. D: campo de inducción eléctrica .
: Densidad de corriente de desplazamiento .
Tercera ecuación de Maxwell, define la densidad de carga de una fuente
o suministro de campo para la inducción de una carga eléctrica:
.D = p (7)
p: densidad de carga
La cuarta ecuación de Maxwell,
. B = 0 (8) Operación básica de la antena: La operación básica de la antena se
comprende mejor al observar los patrones de ondas estacionarias de voltaje
dB
dt
dD dt
dt
dD
en una línea de transmisión. La línea de transmisión termina en un circuito
abierto, que representa una discontinuidad abrupta en la onda de voltaje
incidente en la forma de una inversión de fase. La inversión de la fase
resulta cuando parte del voltaje incidente se irradia, en lugar de ser reflejado
de nuevo a la fuente.
La energía radiada se propaga lejos de la antena en forma de ondas
electromagnéticas transversales. La eficiencia de radiación de una línea de
transmisión abierta es en extremo baja. La eficiencia de radiación es la
relación entre la energía radiada y la energía reflejada. Para radiar más
energía, sólo hay que separar los conductores, una antena con estas
especificaciones se llama dipolo.
Propagación de Ondas: En los sistemas de comunicación de radio, las
ondas se pueden propagar de varias formas, dependiendo del tipo de
sistema y el ambiente. Además, como se explicó anteriormente, las ondas
electromagnéticas viajan en línea recta, excepto cuando la Tierra y su
atmósfera alteran su trayectoria.
Hay tres formas de propagación de las ondas electro magnéticas: ondas
de tierra, ondas espaciales (que incluyen tanto ondas directas como ondas
reflejadas a tierra), y propagación de onda del cielo.
La troposfera constituye un medio de propagación no homogéneo en el
que la presencia de gases introduce atenuación, especialmente
importante en las frecuencias de resonancia de las moléculas de oxigeno y
de vapor de agua, que son los gases con mayor frecuencia en la
atmósfera Adicionalmente las incidencias meteorológicas como fa lluvia, la
niebla y la nieve, pueden introducir atenuaciones adicionales en función de
frecuencia y la intensidad de la precipitación. La absorción molecular de
los gases contenidos en la atmósfera y la atenuación producida por los
hidrometeoros son las principales causas de fa atenuación atmosférica.
En la región de microondas y ondas milimétricas, donde la frecuencia
varía desde 1 GHz hasta 300 GHz, la ionosfera puede considerarse
transparente a la propagación de las ondas electromagnéticas. Esto se
debe a que el efecto del campo magnético terrestre sobre los electrones
es despreciare para frecuencias por encima de 10 MHz, y la frecuencia
del plasma que está directamente relacionada con el fenómeno de
refracción/reflexión ionosférica también es mucho menor. Luego la
propagación de ondas en este rango de frecuencia se produce
generalmente con visión directa entre las antenas.
En este caso existían fenómenos de interferencia producidos por los
rayos que se reflejan en el suelo. Los sistemas da telecomunicaciones se
diseñan para que en el receptor se obtenga una relación señal - ruido
mínima que garantice su funcionamiento. La radio comunicación utiliza
ondas electromagnéticas radiadas como soporte de la transmisión de
información entre el transmisor y el receptor. En condiciones de
propagación en el espacio libre la relación entre la potencia recibida y la
transmitida por dos antenas separadas una distancia r es;
= . Dr AefR = ; Dr DR = AefR Aefr. (9) Donde:
DT = Directibilidad transmitida
DR = Directibilidad receptora.
AefR = Área efectiva receptora.
Aefr = Área efectiva transmitida.
r = Distancia existente entre las antenas emisor y receptora.
? = Longitud de onda
En los sistemas de radio; sin embargo, algunos son despreciables en
ciertos rangos de frecuencias o sobre un tipo de terreno en particular. En
frecuencias por abajo de 1.5 MHz, las ondas de tierra proporcionan la
mejor cobertura. Esto se debe a que las pérdidas de tierra se incrementan
rápidamente con la frecuencia. Las ondas del cielo se utilizan para
aplicaciones de alta frecuencia, y las ondas espaciales se utilizan para
frecuencias muy altas y superiores.
Propagación de onda de tierra. La onda de tierra es una onda
electromagnética que viaja por la superficie de la tierra. Por lo tanto, las ondas
de tierra a veces se llaman ondas superficiales. Las ondas de tierra deben
estar polarizadas verticalmente. Esto es debido al campo eléctrico, en una
onda polarizada horizontalmente estaría paralela a la superficie de la tierra, y
dichas ondas harían corte circuito por la conductividad de la tierra. Con las
ondas de tierra, el campo eléctrico variante induce voltajes en la superficie
PR
Pr
1
4pr2
?
4pr ? r
2 1
de la tierra, que causan que fluyan corrientes son muy similares a las de una
línea de transmisión.
La superficie de la tierra también tiene resistencia y pérdidas dieléctricas.
Por lo tanto, las ondas de tierra se atenúan conforme se propagan.
Las ondas de tierra se propagan mejor sobre una superficie que sea un
buen conductor, como agua salada, y áreas desérticas muy áridas. Las
pérdidas de ondas de tierra se incrementan rápidamente con la frecuencia.
Entonces, la propagación de ondas de tierra se limita generalmente a
frecuencias por abajo de los 2 MHz. Por lo tanto, la onda de tierra se
propaga alrededor de la tierra, permaneciendo cerca de su superficie, y si se
transmite suficiente potencia, el frente de onda podría propagarse más allá
del horizonte o hasta alrededor de la circunferencia completa de la tierra. Sin
embargo, se debe tener cuidado al seleccionar la frecuencia y el terreno
sobre el cual se propagará la onda de tierra para asegurarse que el frente de
onda no se incline excesivamente y, simplemente, se voltee, permanezca plana
sobre la tierra, y cese de propagarse.
La propagación de ondas de tierra se utiliza comúnmente para
comunicación de barco a barco y de barco a tierra, para la radio navegación,
y para las comunicaciones marítimas móviles. Las ondas de tierra se utilizan
a frecuencias tan bajas como de 15 kHz.
Las desventajas de la propagación de ondas de tierra son las siguientes:
Las ondas de tierra requieren de una potencia relativamente alta para
transmisión.
Las ondas de tierra están limitadas a frecuencias, muy bajas, bajas y
medias (VLF, LF y MF) que requieren de antenas grandes, las pérdidas por
tierra varían considerablemente con el material de la superficie. La propagación
de ondas espaciales incluye energía radiada que viaja unas cuantas millas,
en la parte inferior de la atmósfera de la tierra.
Las ondas espaciales incluyen ondas directas y reflejadas de tierra. Las
ondas directas viajan esencialmente en línea recta, entre las antenas
transmisora y receptora. La propagación de ondas espaciales con ondas
directas se llama comúnmente transmisión de línea de vista (LOS). Por lo
tanto, la propagación de ondas espaciales se limita por la curvatura de la
tierra. Las ondas reflejadas a tierra son ondas reflejadas por la superficie de
la tierra conforme se propagan, entre las antenas transmisora y receptora.
En la propagación de ondas del cielo, las ondas electromagnéticas que
se dirigen por encima del nivel del horizonte se llaman ondas del cielo.
Típicamente, las ondas del cielo se irradian en una dirección que produce
un ángulo relativamente grande, con referencia a la tierra. Las ondas del
cielo se envían hacia el cielo, son reflejadas o refractadas nuevamente a la
tierra por la ionosfera. La ionosfera es la región de espacio localizada
aproximadamente de 50 a 400 Km. (30 a 250 millas) arriba de la superficie
de la tierra. La ionosfera, es la porción más alta de la atmósfera de la tierra.
Por lo tanto, absorbe grandes cantidades de la energía radiante del sol, que
ioniza las moléculas del aire, creando electrones libres. Cuando una onda
de radio pasa a través de la ionosfera, el campo eléctrico de la onda ejerce
una fuerza en los electrones libres, haciéndolos que vibren.
Los electrones vibrantes reducen la corriente, que es equivalente a
reducir la constante dieléctrica. Reducir la constante dieléctrica incrementa
la velocidad de propagación y hace que las ondas electromagnéticas se
doblen alejándose de las regiones de alta densidad de electrones, hacia
regiones de baja densidad de electrones (o sea, incrementando la
refracción).
Conforme la onda se mueve más lejos de la tierra, se incrementa la
ionización. Sin embargo, hay menos moléculas de aire para ionizar. Por lo
tanto, en la atmósfera, más alta, hay un porcentaje más elevado de molécu-
las ionizadas que en la atmósfera más baja. Entre más alta sea la densidad
de iones, mayor la refracción. Además, debido a que la composición de la
ionosfera no es uniforme y a las variaciones en su temperatura y densidad,
está estratificada . Esencialmente, la ionosfera está compuesta de tres
capas, (las capas D, E y F), estas fluctúan en un patrón cíclico todo el año y
de acuerdo con el ciclo de manchas solares del año.
La ionosfera es más densa en las horas de máxima luz solar (durante las
horas luz y en el verano). La capa D es la capa inferior de la ionosfera y se
localiza entre 30 y 60 millas (50 a 100 kilómetros) arriba de la superficie de
la tierra. Debido a que es la capa más lejana del sol, hay muy poca
ionización en esta capa. Por lo tanto, la capa D tiene muy poco efecto en la
dirección de propagación de las ondas de radio.
Sin embargo, los iones de la capa D pueden absorber cantidades
apreciables de energía electromagnética. La cantidad de ionización en la
capa D depende de la altitud del sol sobre el horizonte . Por consiguiente ,
desaparece de noche. La capa D refleja ondas VLF y LF y absorbe MF.
2.3 RELACIÓN SEÑAL/RUIDO Al diseñar los sistemas de comunicación uno de los criterios que mas
se utiliza es la relación señal/ruido (S/N), ya que se debe asegurar un
nivel mínimo de señal en el receptor (Barboza, p.49, 1991). Ya que el nivel
mínimo de la señal recibida depende del ruido del receptor, la potencia del
ruido incidente en la antena, la pérdida de transmisión y la potencia del
transmisor.
La relación entre la potencia de la señal en los terminales de salida de
la antena receptora (Pdr) y la potencia de ruido N viene dada por:
(10)
Donde K es la constante de Boftzman, B es el ancho de banda y Ts, es la
equivalencia de la suma de la temperatura de ruido de la antena y la
temperatura de ruido del receptor que sirve para determinar el nivel de
potencia aplicada en la transmisión entre las antenas del receptor y el emisor
de la señal.
S Pdr = N K.B.Ts
2.4 EFECTO DE LA TIERRA
Siempre se ha tenido conocimiento de que la tierra perturba la
propagación de ondas electromagnéticas, entonces al establecer cualquier
tipo de radio-enlace en el entorno terrestre, aparecerán una serie de
fenómenos que interfieren de manera prominente las condiciones iniciales
estipuladas de la propagación en el vacío.
Entonces las características eléctricas de la tierra y su orografía influyen
en la propagación de las ondas electromagnéticas. Al incidir una onda
electromagnética sobre la tierra se produce una reflexión, según Cardama,
(p.40, 2004).
Cuando el transmisor y el receptor están situados en la superficie
terrestre y con visibilidad directa, la propagación se efectúa mediante la
onda directa entre las antenas y la onda reflejada en el suelo. La
combinación de ambas se denomina onda espacial, según Universidad de
Alcalá, (Cap.2, p.1, 2004).
Los argumentos que enuncia algunos autores con respecto al
comportamiento de las señales de onda plantean, que la formación esta
onda puede ser constructiva o destructiva en función de tas fases de la
onda directa y la reflejada, lo que puede resultar en variaciones apreciables
de la potencia recibida respecto al valor esperado en espacio libre.
Para el caso, donde la presencia de obstáculos y la propia esfericidad
de la tierra limitan la visibilidad entre antena transmisora y receptora, Al
incidir una onda electromagnética sobre un obstáculo se produce un
fenómeno de difracción por el cual el obstáculo irradia parte de la energía
interceptada, por lo tanto se considera que la difracción es el proceso que
hace que las ondas de radio se dispersen alrededor de las superficies
curvas y las agudas dentro de un plano, acondicionándose a la superficie de
la tierra.
3. MARCO TEORICO CONCEPTUAL 3.1 MARCO GEOGRÁFICO El Departamento del Cesar en la república de Colombia; localizado en la
región costera del mar Caribe. Limita al norte con el departamento de La
Guajira, al este con la República Bolivariana de Venezuela y el departamento
de Norte de Santander, al sur con los departamentos de Norte de Santander
y Santander, y al oeste con los departamentos de Bolívar y Magdalena. Fue
creado por la Ley 25 de 1967.
Es el único departamento colombiano costero sin playa, aunque
actualmente se hacen esfuerzos por darle salida al mar por el corregimiento
de Mingueo (departamento de La Guajira). Está separado del mar Caribe por
la sierra Nevada de Santa Marta. Tiene una extensión de 22.905 kms² y un
clima variado que oscila desde las partes altas de la sierra Nevada hasta las
zonas bajas de los ríos y ciénagas.
El territorio del departamento tiene una variada geografía en la zona
montañosa, en las estribaciones de la cordillera Oriental de los Andes, donde
se encuentran la sierra Nevada de Santa Marta, con los picos Bolívar y Colón
(5.700 m), declarada en 1977 Parque nacional natural de Los Motilones,
conocida también como sierra de Perijá o serranía de Valledupar, con los
cerros de Jurisdicción (3.850 m), Negro (3.200 m) y la sierra de Ocaña y
Schail (2.350 m).
4. RED BÁSICA METEOROLÓGICA NACIONAL DE COLOMBIA
La red básica nacional está conformada por Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM y apoyada en algunos
organismos estatales como son las corporaciones ambiéntales regionales,
aeronáutica civil entro otros, cuya función principal es suministrar datos e
información ambiental, además de realizar estudios, investigaciones,
inventarios y actividades de seguimiento y manejo de la información que
sirvan para fundamentar la toma de decisiones en materia de política
ambiental y para suministrar las bases para el ordenamiento ambiental del
territorio, al manejo, el uso y el aprovechamiento de los recursos naturales
biofísicos del país .
El IDEAM, como ente central se encarga de coordinar el Sistema de
Información Ambiental (SIA), que comprende los sistemas de observación, la
información, las bases de datos y los modelos sobre el medio ambiente y los
recursos naturales. Para ello, ha desarrollado módulos de información y
promovido mecanismos de articulación con las autoridades ambientales
regionales para formalizar los protocolos, metodologías, estándares para el
acopio de datos, su procesamiento, transmisión, análisis y la difusión de la
información ambiental.
5. CONDICIÓN METEREOLÓGICA PARA EL DEPARTAMENTO DEL CESAR COLOMBIA Dado que por la ubicación que tiene el departamento del Cesar en
Colombia sobre las cordillera oriental en límites con la república de
Venezuela, la sierra nevada de Santa Marta, sus grandes extensiones de
tierra plana y su cercanía al mar; hacen que las condiciones meteorológicas
sean muy variadas, por tanto, las variaciones manifiestas a nivel
pluviométrico demuestran su conducta y tendencia a presentar altos índices
de lluvia en los meses de abril, mayo y junio y lluvias esporádicas o en menor
grado en los meses de octubre y noviembre. Manifestando en el resto del
año altos grados de temperatura y sequía.
En las zonas cercanas a los límites con la república de Venezuela y la
sierra nevada de Santa Marta (zonas norte de alta montaña), estas por
encontrarse sobre la cordillera se manifiesta en gran parte del año altos
índices de lluvia y niebla permanente.
Por el contrario en las zona baja (sur del departamento), existe un nivel de
precipitación menos incidente por los niveles mínimos de lluvia que se
presentan por que la zona está en una planicie.
6. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS Teoría de dispersión de Rayleigh: Esta teoría es usada para establecer la
radiación dispersa que se obtiene cuando una onda electromagnética
alcanza una partícula y el tamaño de esta es menor que la longitud de
onda de la luz incidente.
Hidrometeoros: Comúnmente denominado precipitación, son los
meteoros formados por partículas líquidas o sólidas, según la temperatura
ambiente, que caen desde las nubes y que llegan hasta el suelo con más o
menos velocidad de acuerdo al nivel de precipitación.
Atenuación: Es la reducción en la densidad de potencia con la distancia
es equivalente a la pérdida de potencia.
Absorción: La absorción ocurre cuando una especie molecular posee
un perfil de absorción que se superpone al elemento de interés.
IDEAM: El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales en Colombia.
7. DEFINICIÓN DE LAS VARIABLES
• Atenuación troposférica Definición conceptual La atenuación troposférica, es una perturbación causada por variaciones
que se hacen manifiesto en la primera capa de la atmósfera, dicho fenómeno
se manifiesta de forma natural y espontánea, produciendo un efecto adverso
sobre las señales emitidas que viajan en su medio. Como lo sustenta
Cardama (2004), la atenuación se produce por absorción molecular de los
gases contenidos en la atmósfera producidos por los hidrometeoros en
donde estos gases son los causantes en un alto rango de la atenuación que
se hace manifiesta en una señal, cuando esta llega a la troposfera.
Definición operacional La variable operacionalmente fue referenciada por medición de
mediciones suministradas por IDEAM, toando como parámetros
dimensionales los precipitación, temperatura y grado de humedad
ambiental.
Los datos recolectados que operan la variable son procesados y
simulados a través de software aplicado y diseñado para manipular la
información específica.
• Radio-Enlace
Definición conceptual En telecomunicación un radio-enlace es la utilización de
dispositivos o medios físicos (antenas) para transmitir señales
radiadas a grandes distancias, utilizando como medio común de
propagación de la señal el espacio aéreo.
Definición operacional. La variable fue medida simulando la potencia de la transmisión, la
frecuencia en que se transmitió y la ubicación geográfica.
Tabla 5. Operacionalidad de las variables Objetivos específicos Variables Dimensiones Indicadores
Recolectar os datos técnicos almacenados en los medidores en las distintas locaciones del departamento
lluvia
Tabular y calcular los factores de atenuación de las muestras usando simulación.
Atenuación
troposférica
Información
metereológica
temperatura
frecuencia
periodo
potencia
Determinar el nivel de atenuación sobre las señales de radio -enlace causadas por las lluvias y grado de inclinación del suelo
Radio –
enlace
atenuación
ubicación
Fuente: El autor