Mecanismos de propagación de las ondas de radio

La propagación de ondas se refiere a la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre. Aunque el espacio libre realmente implica en el vacío, con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre y se puede considerar siempre así. 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 atenúan con la distancia, pero esta desventaja es posible minimizarla incrementando la potencia de transmisión cuando se genera la onda, además de utilizar receptores con alta sensibilidad.

Las ondas electromagnéticas están sometidas a una serie de mecanismos: Reflexión, Refracción, Difracción, Interferencia, Atenuación, Absorción, etc. A continuación se describen brevemente estos mecanismos, los cuales son de gran importancia para las comunicaciones inalámbricas.

Reflexión

La reflexión refiere al choque de la onda electromagnética con la frontera entre dos medios y parte o toda la potencia de la onda no se propaga en el medio sino que es reflejada en dirección opuesta al segundo medio como se muestra en la figura 2.8 en donde el frente de onda incidente choca con el medio 2 con un ángulo de incidencia θi. Este frente de onda es reflejado en su totalidad con un cambio de dirección llamado ángulo reflejado θr.

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Figura 2.8.- Reflexión de la onda

Las reflexiones se producen en objetos grandes, tanto móviles como estacionarios, cuyo tamaño debe ser de varias longitudes de onda a la frecuencia de trabajo.

La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo. Si por el contrario es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurre es que este se polariza (separación física de las cargas positivas y negativas) como en un dipolo.

Refracción

La refracción se refiere al cambio de dirección de un rayo al pasar en dirección oblicua de un medio a otro con distinta velocidad de propagación. La velocidad a la que se propaga una onda electromagnética es inversamente proporcional a la densidad del medio en el que lo hace. Por lo tanto, hay refracción siempre que una onda de radio pasa de un medio a otro con distinta densidad como se muestra en la figura 2.9.

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Figura 2.9.- Refracción de la onda

Difracción

La difracción ocurre debido a que una onda puede rodear un obstáculo en su propagación alejándose del comportamiento de los rayos rectilíneos, permitiendo que parte de la señal llegue al otro lado del objeto recorriendo un camino más extenso, llegando con un cierto retardo que puede producir una interferencia que se suma o se resta de acuerdo con la fase relativa. Los efectos de la difracción son regularmente pequeños y estos pueden ser producidos por grandes edificios, montañas, árboles, etc., figura 2.10.

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Interferencia

La interferencia es producida siempre que se combinan dos o más ondas electromagnéticas de tal manera que se degrada el funcionamiento del sistema. La interferencia está sujeta al principio de superposición lineal de las ondas electromagnéticas, y se presenta siempre que dos o más ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simultánea.

En la propagación por el espacio libre, puede existir una diferencia de fases solo porque difieran las polarizaciones electromagnéticas de las ondas. Según los ángulos de fase de los dos vectores de onda, puede suceder una suma o resta. Esto implica simplemente que el resultado puede ser mayor o menor que cualquiera de los dos vectores, donde las ondas electromagnéticas pueden ser anuladas o reforzadas.

Pérdidas de la señal en el espacio libre

La atmósfera terrestre no se le considera vacío debido a que contiene partículas que pueden absorber la energía electromagnética y a este tipo de reducción de potencia se le llama pérdidas por absorción la cual no se presenta cuando las ondas viajan afuera de la atmósfera terrestre. Además cuando las señales viajan en el espacio libre, sufren pérdidas que están en función de la distancia recorrida por la señal, por la frecuencia de operación del radar, así como de la ganancia de las antenas.

Las pérdidas por espacio libre (también llamadas pérdidas por trayectoria) es una relación entre la cantidad de potencia de transmisión que es emitida entre la cantidad de potencia recibida después de viajar cierta distancia. La relación expresada en decibeles está definida por la siguiente ecuación,

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Atenuación

La atenuación es descrita matemáticamente por la ley del cuadrado inverso que describe cómo es que se reduce la densidad de potencia con la distancia a la fuente. El campo electromagnético continuo se dispersa a medida que el frente de onda se aleja de la fuente, lo que hace que las ondas electromagnéticas se alejen cada vez más entre sí. En consecuencia, la cantidad de ondas por unidad de área es menor, es decir, nos referimos al término densidad de potencia la cual nos representa la intensidad de potencia por unidad de área.

Cabe destacar que no se pierde ni se disipa nada de la potencia irradiada por la fuente a medida que el frente de onda se aleja, sino que el frente se extiende cada vez más sobre un área mayor lo que hace una pérdida de potencia que se suele llamar atenuación de la onda. La atenuación de la onda se debe a la dispersión esférica de la onda.

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Absorción

La causa de la absorción de las ondas electromagnéticas al viajar por el aire es que el aire no es el vacío, sino que está formado por átomos y moléculas de distintas substancias gaseosas, líquidas y sólidas. Estos materiales pueden absorber a las ondas electromagnéticas causando pérdidas por absorción. Cuando la onda electromagnética se propaga a través de la atmosfera terrestre, se transfiere energía de la onda a los átomos y moléculas atmosféricos. La absorción de onda por la atmósfera es análoga a una pérdida de potencia. Una vez absorbida, la energía se pierde para siempre, lo que provoca una atenuación de las intensidades de campo eléctrico y magnético al igual que una reducción correspondiente en la densidad de potencia.

El radar emite señales electromagnéticas a la atmósfera, las cuales al propagarse por el espacio libre se van atenuando. Es decir, debido a los gases y el vapor de agua en la atmósfera, la energía de la señal también sufre pérdidas. En caso de contar con lluvias intensas y neblina densa, las ondas electromagnéticas tienden a ser absorbidas en mayor proporción que cuando se encuentran en una atmósfera normal. En la figura 2.11 se tiene la absorción en decibeles por kilómetro de una onda electromagnética en frecuencias de los 10 a 200 GHz cuando se propaga en oxígeno y vapor de agua.

En longitudes de onda de centímetros y milímetros, el vapor de agua no condensado y el oxígeno tienen varias líneas de absorción. Por consiguiente, hay frecuencias donde ocurre una alta atenuación y las cuales son separadas por bandas de frecuencia donde la atenuación es mucho menor. La figura 2.11 muestra la atenuación por oxígeno y vapor de agua (no condensado) a 20°C en el nivel del mar.

Para frecuencias mayores a los 200 GHz la atenuación por oxígeno es relativamente insignificante comparada con la de vapor de agua. Como se puede observar en la figura en λ0 = 5 mm, la atenuación por oxígeno excede los 10 dB/Km. La atenuación por oxígeno y vapor de agua es aditiva. En esas bandas donde la atenuación excede los 10 dB/Km, restringen la operación del radar.

Por lo tanto, si se desea diseñar un sistema de radar es necesario tomar muy en cuenta la frecuencia en la que va a operar. Como ejemplo pondríamos los radares que operan en la banda S en el cual existen los mínimos de absorción por los gases.

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Figura 2.11.- Absorción específica del oxígeno y el vapor de agua

En la figura 2.12 podemos ver los efectos de la lluvia en función de la frecuencia de operación f, la intensidad de lluvia R y la distancia d. Además la atenuación producida por nubes se considera implícita en la atenuación por lluvia. Se muestra además algunas curvas representativas de atenuación en decibeles por kilometro en frecuencias de 10, 30, 100 GHz en función de la tasa de lluvia. Como se ve en la figura en la frecuencia de 10 GHz o menos, la atenuación debido a la lluvia es relativamente pequeña, con lluvia moderada de (5 mm/hr) es solamente 0.074 dB/Km.

Debido a que en la mayoría de los casos, las trayectorias con línea de vista son de 20 y 50 km de largo, los intervalos de atenuación de 1 dB/Km o más por kilómetro, pueden llegar a grandes decrementos en la potencia de la señal. Esta atenuación debe ser compensada mediante la ganancia de la antena o la potencia de transmisión.

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Figura 2.12.- Gráfica de atenuación por lluvia a 10, 30 y 100 GHz en función de la intensidad de lluvia

Las gotas de lluvia muy pequeñas, pueden también causar atenuación en la señal. Estas gotas muy pequeñas se presenta cuando existe neblina, podría decirse que está atenuación es mayor si se tiene en cuenta que parte de la trayectoria afectada puede tener decenas o cientos de kilómetros. Sin embargo, las transmisiones en frecuencias inferiores a 2 GHz resultan más afectadas por nubes o nieblas que por precipitación de baja intensidad.

El efecto de la absorción ocurre cuando las ondas de radio atraviesan alguna masa de electrones o pequeñas gotas de agua en áreas suficientemente grandes. En comunicaciones por ondas de radio es importante mencionar que la absorción de la señal generada por lluvia depende de la comparación del tamaño de la longitud de onda de la señal y el diámetro de la gota de lluvia. Si el diámetro d de la gota de lluvia es menor a la longitud de onda la atenuación será pequeña, pero está se incrementará si el diámetro de la gota supera a la longitud de onda de la señal. En la figura 2.13 podemos ver la gráfica de la atenuación específica para varios diámetros de las gotas de lluvia. El contenido de agua añadida se produce normalmente en forma de lluvia, la nieve (húmeda o seca), las nubes, granizo, aguanieve o la niebla.

La atenuación de una onda debido a la lluvia es una función compleja de la tasa de precipitación, la frecuencia, la temperatura, la distribución del tamaño de las gotas de lluvia, y la polarización de las ondas. Un primer modelo para la atenuación de la lluvia fue dado por Burrows y Atwood (1949). De interés particular

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es el modelo dado en 1986 por CCIR (Consejo Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones).

Figura 2.13.- Gráfica de atenuación específica de intensidad de lluvia a diferentes intensidades en función de la frecuencia.

El modelo CCIR, así como la mayoría de los modelos de atenuación de lluvia, se basan en la expresión empírica:

Atenuación (en dB/km) = arb (15) Donde a y b son coeficientes que están en función de la frecuencia y r es la tasa de lluvia en mm/h. Tanto a y b son ligeramente sensibles a la polarización de la onda.

Las atenuaciones mostradas en la tabla 2.2 pueden aplicarse a una región que tiene una tasa de lluvia constante. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la tasa de lluvia puede variar a lo largo de la extensión espacial de una tormenta. Incluso, para generalizar la tasa de lluvia (constante) sobre un área grande de la

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superficie, decimos que la tasa disminuye exponencialmente con el cuadrado de la altura. Frecuencia (GHz) aH aV bH bV 1 0.0000387 0.0000352 0.912 0.880 2 0.000154 0.000138 0.963 0.923 3 0.000650 0.000591 1.121 1.075 6 0.00175 0.00155 1.308 1.265 7 0.00301 0.00265 1.332 1.312 8 0.00454 0.00395 1.327 1.310 10 0.0101 0.00887 1.276 1.264 12 0.0188 0.0168 1.217 1.200 15 0.0367 0.0347 1.154 1.128 20 0.0751 0.0691 1.099 1.065 25 0.124 0.113 1.061 1.030 30 0.187 0.167 1.021 1.000 35 0.263 0.233 0.979 0.963 40 0.350 0.310 0.939 0.929 45 0.442 0.393 0.903 0.897 50 0.536 0.479 0.873 0.868

Tabla 2.2.- Coeficientes de atenuación específicos (CCIR 1986). Atenuación debido a las nubes y neblina.

Cuando las partículas de agua son pequeñas (diámetros inferiores a aproximadamente 0,005 cm), que es generalmente el caso para las nubes y la niebla, la atenuación está dada por:

Atenuación (dB/km) = 0.438 m/λλλλ2cm (16)

=4.867 (10-4) m f2GHz

Donde m es la cantidad de agua de la nube o niebla en gramos por metro cubico, fGHz es la frecuencia en gigahertz.

Ruido

En los receptores de radar se entiende por “Detección de la señal”, la capacidad del receptor para distinguir entre las señales del eco y los diferentes tipos de ruidos. Esto constituye la “Sensibilidad” del receptor.

El ruido indeseable asociado con los receptores de Radar, puede ser dividido en dos categorías generales:

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• Ruido producido a la entrada del receptor. • Ruido producido dentro del receptor.

La potencia de ruido puede ser reducida a valores mínimos pero no puede eliminarse totalmente. De tal forma que siempre existirá algún valor de ruido que deberá competir con la señal y la magnitud de este ruido.

Entonces definimos ruido como aquellas señales superpuestas que tienden a enmascarar u obscurecer a la señal de información, limitando las capacidades o habilidades del receptor para hacer una correcta decisión de la información y consecuentemente limita la razón de la información transmitida.