UNIDAD Nº2: MEDIOS DE ENLACE
Material de Estudio Nº 3: ENLACES RADIOELÉCTRICOS
Indice
Introducción...2
1. Características de las ondas electromagnéticas...3
1.1 Longitud de onda y espectro de las ondas EM ...3
1.2. Campo eléctrico ...4
1.3. Campo magnético...4
1.4. Transformación de la energía magnética en eléctrica...4
1.5. Generación de ondas electromagnéticas...5
1.6. Parámetros fundamentales de una OEM ...6
1.7. Cómo irradia el dipolo ...6
1.8. Onda esférica...6
1.9. Ondas planas ...7
1.10. Propagación de una onda plana...7
1.11. Frecuencias usadas en las comunicaciones radioeléctricas ...7
2. Propagación de las OEM ...8
2.1. Atenuación en el espacio libre...8
2.2. Atenuación de la propagación en la troposfera. ...9
2.3. Efecto de la curvatura terrestre...9
2.4. Reflexión...10
2.5. Reflexión de la ionosfera...11
2.6. Refracción ...12
2.7. Difracción...12
2.8. Interferencia ...13
2.9. Pérdida de potencia por absorción ...14
2.10. Dispersión de la onda ...15
3. Propiedades de la irradiación electromagnética ...15
3.1. Diagrama de irradiación ...15
3.2.Antenas direccionales...15
3.3. Parámetros característicos de las antenas ...16
3.4. Propagación de las ondas electromagnéticas en la tierra...16
4. Propagación según las bandas...17
4.1. Bandas ELF y ULF (Frecuencias musicales y de la voz) ...17
4.2. Bandas VLF y LF (frecuencias muy bajas y bajas) ...17
4.3. Bandas MF y HF (ondas medias y cortas)...17
4.4. Banda VHF y UHF (ondas ultracortas) ...17
4.5. Microondas (parte alta de UHF, SHF y EHF)...18
4.6. Repetidores ...18
5. Conductores de ondas ...19
5.1. Guías de ondas ...19
5.2. Onda H10 = onda «uno-cero»...19
5.3. Frecuencias límites en una guía de ondas...20
5.4. Otros tipos de guías de ondas...21
Diagrama de irradiación en el plano y en el espacio y antenas varias ...22
Hoja de datos (dataste) típica de una antena...23
Enlaces directos
Enlaces vía repetidor Introducción
Los enlaces radioeléctricos se basan en la utilización de las ondas electromagnéticas como medio de vinculación entre las estaciones.
El diagrama simplificado de un enlace se muestra a continuación. En este caso se apreciará que el vínculo es utilizado por varias señales, las que se multiplexan previamente a entrar a los terminales de radio.
La propagación de las OEM puede tener lugar de formas varias, a saber:
Onda directa Onda refractada Onda reflejada
Onda celeste (sólo en HF)
Repetidor pasivo
Repetidor espalda - espalda Repetidor activo terrestre Repetidor activo satelital
1. Características de las ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas (OEM) son el medio físico por excelencia para las comunicaciones inalámbricas (wireless). Si bien en principio se utilizaban para distancias medianas a grandes actualmente se utilizan para distancias cortas (control remoto, ultima milla de redes telefónicas), es indispensable en las redes de comunicaciones móviles y logra alcance intercontinental y espacial con repetidores y sondas satelitales.
Las OEM encuentran aplicación en toda la extensión de la gama de frecuencias de radio, dependiendo de la distancia a cubrir y de la calidad de la información transmitida. Las ondas se difunden, esta difusión es evidente si medimos la intensidad con un cierto intervalo de tiempo. Una serie similar de observaciones para una onda sinusoidal con amplitud constante aparece representada en la fig. 1, en la cual la onda se difunde
del punto A al punto B.
Puntos análogos, por ejemplo cresta o valle de la onda, definen la fase, y la velocidad con que se difunde la onda es la velocidad de fase, Vf. Para un observador imaginario que viajase con la onda a la velocidad de fase, la forma de la onda
permanecería constante.
1.1 Longitud de onda y espectro de las ondas EM
La longitud de onda (λ) es la distancia que existe entre dos "picos" consecutivos de la onda sinusoidal de energía que viaja por el espacio a la velocidad de la luz (300.000.000 de metros por segundo) o, en otras palabras, la distancia que recorre un frente de onda de una frecuencia sinusoidal dada (fig. 2a) que se desplaza a la velocidad de la luz en el tiempo de un ciclo.
La relación entre la frecuencia, en hercios, y la longitud de onda es que su producto es igual a la velocidad de la luz. En la fig. 2b, la longitud de onda viene dada en metros, aunque la micra es una
unidad de medida más conveniente: 1 micra = 10-6 metros, es decir, una millonésima de metro.
Fig 1
También de la fig. 2b se deduce que el espectro de las frecuencias visibles para el ojo humano va de 4 x 1014 Hz a 7x1014 Hz. Las frecuencias inferiores a esta banda corresponden a las ondas de radio utilizadas en las comunicaciones electrónicas ordinarias. En los sistemas más modernos se utiliza todo el intervalo de frecuencias que va desde pocos hercios hasta la gama de las ondas luminosas visibles.
1.2. Campo eléctrico
Un campo eléctrico estático, generado por dos esferas metálicas cargadas eléctricamente y colocadas una enfrente de la otra, es un campo de fuerzas que se puede representar gráficamente mediante las líneas de fuerza (E), que simbolizan, en cada punto, la dirección de propagación.
Las líneas de fuerza eléctrica tienen su origen (por convención) en el electrodo cargado positivamente y terminan en el cargado negativamente, siempre perpendicularmente a la superficie de los electrodos. Son por lo tanto líneas imaginarias y no visibles, a menos que atraviesen pequeñas partículas en cuyo caso éstas se orientan por la acción del campo eléctrico y las ponen en evidencia.
Cada punto de un campo eléctrico contiene energía eléctrica almacenada en una cantidad tanto mayor cuanto mayor sea la fuerza del campo en ese punto. La intensidad del campo eléctrico se simboliza gráficamente por la densidad de las líneas de fuerza.
1.3. Campo magnético
Un campo magnético estático está generado por un conductor recorrido por una corriente continua o por un imán permanente. En este caso, se trata de un campo de fuerzas representado por líneas de fuerza (H) cerradas sobre sí mismas.
Las líneas de fuerza circundan la corriente que fluye, llevan el sentido de las agujas del reloj respecto a la dirección de ésta, están situadas en un plano que es perpendicular a la dirección de la corriente y se propagan en las inmediatas proximidades del conductor de corriente y paralelamente a su superficie. Se trata de líneas imaginarias y por lo tanto invisibles, a menos que se utilicen, por ejemplo, limaduras de hierro para delatarlas.
En cada punto del campo magnético hay energía magnética almacenada, tanto más cuanto mayor es la fuerza del campo en ese punto.
1.4. Transformación de la energía magnética en eléctrica
En todos los otros casos, ni la energía contenida en el campo eléctrico ni la contenida en el magnético son contenidas, sino que tienden a dispersarse en el espacio circundante.
Cuando un campo eléctrico o magnético desaparece, su energía no puede destruirse (principio de conservación de la energía). Especialmente en el vacío, que carece de materia, no puede tener lugar una transformación de energía en calor; lo único posible es una transformación de energía eléctrica en
Estos continuos procesos de transformación de energía eléctrica en magnética y viceversa son el principio básico por el cual tiene lugar la propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio.
1.5. Generación de ondas electromagnéticas
El problema que se plantea de forma inmediata es: ¿cómo generar ondas electromagnéticas que puedan ser utilizadas técnicamente? Podemos responder a esta pregunta volviendo a nuestro ejemplo del agua.
La formación de una onda se puede ver muy bien en el agua: si cae una gota sobre una superficie lisa de agua, provoca la formación de un anillo que se hace cada vez más grande y se aleja en todas direcciones.
Este proceso tiene lugar solamente una vez y no da lugar a ondas continuas. Si desde ese centro de perturbación en el espejo de agua se quiere que continúe el proceso ondulatorio, hay que hacer que caigan gotas incesantemente. a intervalos de tiempo iguales. La amplitud de la onda disminuye poco a poco a medida que se aleja del centro, porque la energía de la perturbación se distribuye por el perímetro de un círculo que es cada vez mayor.
Las ondas electromagnéticas se pueden generar de una forma similar en el campo de la alta frecuencia. Un dispositivo apropiado se encuentra constituido por dos electrodos que un transmisor carga y descarga con una corriente alterna sinusoidal de alta frecuencia. Los dos electrodos
Fig 4
Fig 5
constituyen una antena que irradia la onda. Se puede hablar, por tanto de una antena dipolo (o emisor de dipolo) o simplemente de un dipolo (fig. 6).
Los electrodos cambian su carga en cada hemiciclo de la tensión aplicada, lo que provoca una circulación de cargas permanente (corriente) en ambos. Esto determina la existencia simultánea de campos eléctricos y campos magnéticos variables alrededor de la antena.
Para aclarar cómo se irradia la onda, examinemos en primer lugar sólo los campos eléctricos. Mientras se cargan los electrodos, los campos eléctricos en el espacio no se forman instantáneamente, ya que la energía correspondiente se puede transportar con la velocidad de la luz como máximo. Al mismo tiempo que la energía se está concentrando en el lugar donde se encuentran los electrodos, ya ha empezado el proceso de descarga de los mismos por el cambio de hemiciclo de la tensión del transmisor. La energía que se encuentra entonces en las proximidades de la antena se recupera, mientras que la energía que se aleja se pierde, en el tiempo que transcurre entre el inicio de la primera carga y el inicio de la siguiente.
De forma análoga una parte de la energía magnética del campo magnético que va disminuyendo, no se puede recuperar. Esta parte de energía magnética y la anteriormente descripta de energía eléctrica, se componen en una onda electromagnética que sale de la antena y se difunde por el espacio.
1.6. Parámetros fundamentales de una OEM
Estos son los siguientes
• Intensidad (potencia): se mide en [V/m], o en escala logarítmica en [dBuV/m]. Es la tensión inducida por unidad de longitud del conductor que se usa como antena receptora.
• Frecuencia: corresponde a la frecuencia del transmisor
• Longitud de onda: es función de la frecuencia y de la velocidad de propagación.
• Polarización: se define por la posición de las líneas de campo eléctrico. Puede ser Vertical, Horizontal, circular (hay líneas de igual intensidad Vert. y Horiz., o elíptica (hay líneas Vert. y Horiz. de distinta intensidad). Para que no haya atenuación las antenas transmisora y receptora deben trabajar con la misma polarización.
1.7. Cómo irradia el dipolo
Para intentar representar el proceso de difusión de las ondas en el espacio, consideremos un plano vertical en el centro del cual se encuentre la antena. Si se pudiera filmar la difusión de las ondas, se tendría el siguiente cuadro.
Las líneas de campo eléctrico se difunden partiendo del dipolo y extendiéndose cada vez más. Si cortamos ahora el espacio con un plano horizontal que pase por la antena, podemos ver en este plano el movimiento de las líneas del campo magnético. Las líneas del campo magnético forman, alrededor del dipolo, círculos concéntricos de diámetro creciente.
En la fig. 6b y 6c se puede ver que en el plano horizontal el dipolo irradia por igual en todas las direcciones, lo que no sucede en el plano vertical. Es decir que el dipolo es un emisor circular.
1.8. Onda esférica
La onda que emite un dipolo recibe el nombre de esférica, aunque no sea simétricamente esférica. Si se excluyen las proximidades de la antena, el comportamiento de la onda esférica es similar al de la onda plana y por lo tanto, un observador en el espacio alejado de la antena prácticamente no podría distinguirlas. Pero en las inmediaciones de la antena, los fenómenos de la formación de los campos que la antena crea y destruye alternativamente son complicados.
También en la onda esférica las magnitudes de los campos eléctricos y magnéticos están en fase y las líneas de campo (eléctricas y magnéticas) son perpendiculares entre sí.
La onda, y por lo tanto su energía, se irradia perpendicularmente al plano de oscilación de los campos de fuerza eléctricos y magnéticos. La concentración de la energía decrece al aumentar la distancia al transmisor, porque la energía se distribuye en un espacio mayor.
En la onda esférica también se cumple que la velocidad de fase y la velocidad de la energía son iguales a la velocidad de la luz: Vp = VE = Co.
1.9. Ondas planas
El comportamiento de las ondas electromagnéticas se puede comparar con el de una onda en el agua. Aunque cada una de las partículas de agua se mueva de una forma decididamente complicada, esto no resulta evidente a simple vista. De hecho se observa solamente el comportamiento de la onda como si fuera un conjunto de partículas.
Una forma sencilla de onda electromagnética es la onda plana, llamada así porque todos los puntos homólogos de la onda (fases) forman planos que se sitúan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda y cuya distancia es la longitud de onda (λ).
La onda plana tiene una gran importancia, ya que la mayoría de las ondas electromagnéticas en el espacio y a lo largo de la superficie terrestre son, aproximadamente, planas.
1.10. Propagación de una onda plana
Para la propagación de una onda plana son válidas las siguientes reglas:
• las líneas del campo eléctrico y las del campo magnético son siempre perpendiculares entre sí (fig. 4) • las fuerzas de los dos campos están siempre en fase. Esto quiere decir que cuando en un punto y en un
instante determinado la fuerza del campo eléctrico es máxima (o nula), también es máxima (o nula) la fuerza del campo magnético.
• La onda y por lo tanto también la energía de la onda, se propagan en la dirección que es perpendicular tanto al campo eléctrico como al magnético.
Como la velocidad de fase Vp (velocidad del frente de onda en el espacio) es igual a la velocidad de la luz (Vp = Co), y la velocidad de la energía VE en el espacio (velocidad de la onda de energía y por lo tanto
velocidad de transmisión de la señal) también es igual a la velocidad de la luz, (VE = Co),tendremos que en una onda plana la velocidad de fase y la velocidad de propagación de la energía son iguales.
1.11. Frecuencias usadas en las comunicaciones radioeléctricas
Las frecuencias y las correspondientes longitudes de onda usadas en las comunicaciones radioeléctricas se subdividen convencionalmente en varias bandas, delimitadas como se puede apreciar en la tabla 1. Se indican las posibilidades de propagación por onda directa (OD), de tierra (OT), celeste (OC) y espacial (OE). La expresión microondas se refiere a ondas en las que la frecuencia está por encima de 1 GHz. Recordemos que la frecuencia está relacionada con la longitud de onda por la expresión:
Enlace libre de obstáculos: sólo hay atenuación de espacio libre
Fig 8
f = Co ÷÷÷÷ λλλλ donde Co = velocidad de la luz.
e
Nombre Sigla Banda
ITU Frecuencias Longitud de onda OD OT OC OE
< 3 Hz > 100.000 km s s n n
Frecuencia extremadamente baja
(Extremely low frequency) ELF 1 3-30 Hz 100.000–10.000 km s s n n
Super baja frecuencia
(Super low frequency) SLF 2 30-300 Hz 10.000–1.000 km s s n n
Ultra baja frecuencia
(Ultra low frequency) ULF 3 300–3.000 Hz 1.000–100 km s s n n
Muy baja frecuencia
(Very low frequency) VLF 4 3–30 kHz 100–10 km s s n n
Baja frecuencia
(Low frequency) LF 5 30–300 kHz 10–1 km s s n n
Media frecuencia
(Medium frequency) MF 6 300–3.000 kHz 1 km – 100 m s
s
n n
s n
Alta frecuencia
(High frequency) HF 7 3–30 MHz 100–10 m s n s n
Muy alta frecuencia
(Very high frequency) VHF 8 30–300 MHz 10–1 m s n n s
Ultra alta frecuencia
(Ultra high frequency) UHF 9 300–3.000 MHz 1 m – 100 mm s n n s
Super alta frecuencia
(Super high frequency) SHF 10 3-30 GHz 100–10 mm s n n s
Frecuencia extremadamente alta
(Extremely high frequency) EHF 11 30-300 GHz 10–1 mm s n n s
> 300 GHz < 1 mm s n n s Tabla 1
2. Propagación de las OEM
En el campo de la alta frecuencia las ondas electromagnéticas se comportan cualitativamente de forma similar que las ondas luminosas. Es así que muchos de los fenómenos que estudiaremos en la propagación de las OEM resultarán fáciles de interpretar
comparándolos con fenómenos ópticos.
2.1. Atenuación en el espacio libre
Cuando una OEM es generada y se dispersa en ausencia de obstáculos y de campos eléctricos o magnéticos que pudieran influirla, se dice que se propaga en el espacio libre.
Si la antena emisora es isotrópica la potencia será emitida en todas direcciones conformando una figura esférica, cuya densidad de potencia (potencia por unidad de área de la superficie) es:
Dp = Ptx / 4. ππππ.d2
Fig 9
El área efectiva de una antena receptora se define como la superficie del frente de onda plano con densidad de potencia Pd que dispone de una potencia equivalente a la entregada por la antena. Para la antena isotrópica el área eficaz es:
Ae = λλλλ2/4.ππ ππ
Por ejemplo, para una frecuencia de 3 GHz (longitud de onda de 10 cm) el área efectiva es de 7,96 cm2. Se entiende entonces el hecho de la baja potencia captada. Relacionando ambos elementos se dispone de la potencia de recepción Pr en función de la Pt para antenas isotrópicas:
Prx = Ptx. . {λ/4.π.λ/4.π.λ/4.π.λ/4.π.d}2
La potencia recibida es inferior a la transmitida debido a la imposibilidad de captar toda la potencia generada. Se puede expresar como una atenuación (por la propagación en el espacio libre de obstáculos) entre antenas isotrópicas. De acuerdo con el ITU-R (antes CCIR) Recomendación 525 y Rec. 341 el valor de la atenuación por espacio libre se expresa como:
Ao = 10. log Ptx/Prx = 32,5 dB + 20. log f + 20. log d
con la frecuencia f expresada en MHz, la distancia d en Km y la atenuación Ao en dB.
2.2. Atenuación de la propagación en la troposfera.
La propagación en la parte baja de la atmósfera real (troposfera) y en las cercanías de la superficie terrestre está afectada por los siguientes fenómenos principales:
• curvatura de la tierra: provoca el alejamiento creciente del haz de la superficie de la tierra; • reflexión: cambio de dirección por rebote en superficies de los obstáculos que enfrenta la onda; • refracción: cambio de la dirección de la OEM, por variación de la densidad atmosférica;
• difracción: atenuación por obstaculización parcial de zonas de Fresnel. Enlace por frentes secundarios • interferencia: cancelaciónde ondas por sumatoria en contrafase. Desvanecimiento (fading);
• absorción: pérdida de potencia en arboledas, por gases o hidrometeoros (lluvia, niebla, etc); • dispersión: la energía se dispersa en múltiples direccionesdebido, p. Ej., a las gotas de lluvia
2.3. Efecto de la curvatura terrestre
Incluso con una irradiación que no tenga pérdidas por absorción del terreno, sólo se pueden cubrir distancias limitadas sobre la Tierra. De hecho, además de disminuir la intensidad de la energía debido al aumento de la distancia, se plantea el problema de la curvatura de la Tierra (fig. 9). Las ondas electromagnéticas se propagan generalmente en sentido rectilíneo; por lo tanto la onda emitida por un transmisor S directamente sobre la superficie de la Tierra, puede llegar como máximo al punto B.
el punto C, que, a nivel del suelo, está en «sombra». Con esta técnica, incluso en las altas frecuencias en las que las pérdidas son particularmente elevadas, se pueden alcanzar distancias de transmisión comprendidas entre 50 y 100 km.
Esta limitación por la curvatura terrestre se compensa en parte a causa de la refracción de las OEM.
2.4. Reflexión
Si una onda electromagnética se encuentra con una superficie que conduce bien la electricidad, por ejemplo, una superficie metálica, la onda se refleja con un ángulo α igual al ángulo de incidencia α' de la onda. La energía de la onda permanece invariable.
Si la superficie no es plenamente conductora parte de la onda se refleja y parte de la que penetra se disipa en la substancia.
Utilidades de la reflexión
Una utilización positiva de la reflexión es el repetidor pasivo con espejo, el cual refleja la onda entre antenas para salvar obstáculos y cambiar la dirección del campo electromagnético. El tratamiento de este tipo de repetidor desde el punto de vista de los niveles de potencia involucrados tiene en cuenta dos atenuaciones de
espacio libre (A1 y A2) y la ganancia del espejo Go. En cambio, desde el punto de vista del análisis de calidad es un solo enlace.
En las figuras siguientes se observa: −
−−
− un enlace que utiliza un espejo repetidor de gran superficie para sortear un obstáculo. −
−−
− espejos que en la cima de un mástil redireccionan los haces que suben verticalmente desde antenas enfocadas sobre ellos. Con esto se evita la atenuación en el coaxial/guía de ondas que habría que poner para ubicar las antenas arriba, y se disminuyen los esfuerzos en la cima del mástil (menor peso y más aerodinámica).
Fig 10
Fig 12
2.5. Reflexión de la ionosfera
Las limitaciones que impone la transmisión en línea recta o "a la vista", se pueden superar aprovechando una propiedad de la atmósfera que rodea a la Tierra. La radiación solar y los rayos cósmicos producen procesos de ionización en los estratos superiores de la atmósfera, llamados ionosfera (a una altura comprendida entre 50y 250~350 km), que al hacerse eléctricamente activos reflejan parcialmente las ondas electromagnéticas, ya que parte de la energía es absorbida por la propia ionosfera (fig. 12).
Las capas que forman la ionosfera son, en orden ascendente,
• capa D: de baja ionización es incapaz de reflejar frecuencias mayores a 1MHz, a las que les produce absorción de potencia. Está entre los 55 y 90 Km de altura.
• capa E: De ionización media, es capaz de producir reflexiones para frecuencias bajas con ángulos de incidencia leves. Está entre los 90 y 130 Km de altura.
• capa F1: De ionización alta, es capaz de producir reflexiones para frecuencias mayores con ángulos de incidencia medianos. Comienza a unos 180 Km de altura.
• capa F2: Es la más expuesta al sol y los rayos cósmicos. Es capaz de producir reflexiones para frecuencias mayores con ángulos de incidencia altos. Comienza a unos 250 Km de altura, y es la única que persiste durante la noche.
Basándonos en el hecho de que con ángulos de incidencia muy pequeños se obtienen reflexiones sobre la superficie de la Tierra, se pueden alcanzar enormes distancias mediante una o más reflexiones entre la Tierra y la ionosfera. Pensemos en los radioaficionados, que con pequeños transmisores de onda corta consiguen ponerse en comunicación con todo el mundo.
Pero lamentablemente la ionosfera se puede utilizar sólo para un campo de frecuencias limitado. De hecho, las ondas de frecuencias más bajas están sometidas a atenuaciones periódicas ( fadings = desvanecimientos)
y su absorción en la ionosfera aumenta considerablemente. Para frecuencias muy altas la ionosfera pierde su capacidad de reflexión.
Como consecuencia de lo antedicho, el límite inferior para la utilización de la reflexión ionosférica es del orden de los 2 MHz, siendo límite superior del orden de los 30 MHz. Pero estos limites no son fijos, ya que dependen en todo momento del grado de ionización de las capas.
Existen dos factores que influyen en el recorrido y la distancia que pueden cubrir las ondas electromagnéticas: el clima atmosférico a través del cual se propaga la onda, y la frecuencia de la onda
portante radiada.
Ciertamente las desventajas de este tipo de propagación residen en el hecho de que dependen del estado de la ionosfera. Como estas características son extremadamente variables, según el año del ciclo solar, según la estación del año y en particular durante las horas del día, la reflexión eficaz de las ondas (con una intensidad y una relación señal/ruido suficientes) no puede garantizarse.
Durante el día la ionosfera, en particular la capa D, atenúa las frecuencias inferiores al orden de los 2MHz. En las horas de la noche, en la que sólo persiste la capa F2, interviene totalmente el fenómeno de la reflexión ionosférica y se puede recibir una señal constante emitida a una distancia de varios miles de kilómetros.
Por otro lado, la reflexión simultánea en diferentes capas ionosféricas puede dar lugar a desvanecimientos (fadings) por interferencia de ondas. Dado que las capas están en movimiento vertical (ascenso o descenso según la temperatura) se producen las típicas "idas y venidas" de la señal. También la reflexión en diferentes puntos de la ionosfera o rebotes en la tierra pueden producir fading.
2.5.1 Frecuencia crítica
Es la máxima frecuencia que para una incidencia perpendicular (reflexión a 90º) puede ser reflejada por la ionosfera. En el gráfico siguiente se muestran altura y frec. críticas típicas de cada capa.
2.5.2 Ángulo crítico
Es el máximo ángulo que para una frecuencia dada (mayor a la crítica) puede ser reflejado por la ionosfera. Para frecuencias menores a la crítica no hay ángulo crítico.
2.5.3 Zona de silencio
Es la zona desprovista del arribo de OEM de un transmisor en particular. La zona de silencio comienza donde termina el alcance útil de las ondas terrestres y termina donde arriba el primer de onda reflejado por la ionosfera. Para frecuencias menores a la crítica no hay zona de silencio.
2.6. Refracción
La parte de onda que penetra en un medio físico diferente del medio en que venía propagándose cambiará su velocidad, sufriendo el frente de onda un quiebre en su dirección de propagación. El quiebre será tanto mayor cuanto más se diferencien los índices de refracción de los medios involucrados. Es algo comparable con la penetración de un rayo de luz en el agua.
En la atmósfera, a causa de las diferentes presiones y temperaturas del aire comprendido entre las antenas, el índice de refracción será variable, produciéndose la refracción de las OEM.
Radio ficticio de la tierra
Producto de la refracción en una atmósfera normal la onda radioeléctrica se curva hacia abajo, como si acompañara la curvatura terrestre, por lo cual el alcance de las ondas se ve aumentado. Se define el factor de radio ficticio de la Tierra K que permite suponer a la onda en una propagación rectilínea y a la Tierra con un radio aparente Ra distinto al radio real Ro = 6370 Km:
Ra = K.Ro
El valor de K= 4/3 corresponde a una región de clima tropical templado (nuestro caso). En regiones árticas el valor estándar corresponde a 1,2 mientras que en el trópico se incrementa a 1,6. Para K = 4/3 corresponde a un radio aparente de la Tierra de 8500 Km, que implica menor curvatura que el radio real.
2.7. Difracción
secundario. Es por ello que a la antena receptora no sólo llega el frente de onda directo desde la transmisora (principal) sino además otros frentes secundarios desde múltiples direcciones. Los últimos son todos aquellos que llegan con fase aditiva, emitidos en forma secundaria por frentes principales transmitidos en dirección distinta a la antena receptora (ondas difractadas). La zona del espacio entre antenas que contiene energía aprovechable tiene forma de elipsoide de revolución, y se lama como “zona de Fresnel”.
Cuando entra las antenas se interpone un obstáculo para el frente de onda principal que a priori evitaría la comunicación, es posible que las ondas que llegan por difracción provean una cantidad suficiente de potencia útil sobre el receptor. El despejamiento D es la separación entre el obstáculo de mayor influencia y el borde de la zona de Fresnel. Su valor determinará la atenuación producida por la obstrucción. En la Fig. siguiente se observa un enlace, su perfil topográfico y su zona de Fresnel correspondiente.
Obsérvese que se ha tenido en cuenta la curvatura de la tierra para la determinación real de las alturas de los obstáculos. En este caso prácticamente toda la energía de onda disponible será aprovechada en la antena receptora, ya que sólo se registra una obstrucción a 12,7 km que deja libre el 70% del radio de la elipsoide en ese punto. Habrá una atenuación despreciable si al menos queda libre el 60% de ese radio.
2.8. Interferencia
Sobre un enlace que posee zonas planas la antena receptora puede recibir un rayo reflejado en el terreno. El mismo puede sumarse con distinta fase sobre el rayo directo y producir atenuación o ganancia. Las variables de este modelo son (entre otras): la altura de antenas y el factor K. Otro posible rayo reflejado en la atmósfera genera la teoría de caminos múltiples (desvanecimiento selectivo) cuyo estudio es más complejo y no se abordará aquí.
Se define el Coeficiente de reflexión de un terreno que se encuentra entre 0 (sin reflexión; obstáculo en arista) y -1 (el menos simboliza el desfasaje de 180° por reflexión). Si la superficie del terreno presenta suficientes irregularidades la reflexión es dispersada. Cuanto mayor es la frecuencia del enlace las irregularidades más pequeñas producen dispersión y reducción del coeficiente.
La interferencia destructiva se produce cuando el rayo directo y reflejado llegan con potencias similares y en contrafase. Un rayo reflejado cambia su fase 180º con respecto al incidente. Si además sucede que la diferencia de longitud del recorrido entre los rayos directo y reflejado∆L es:
∆ ∆ ∆
Fig 13
el desfasaje acumulado total se mantendrá de 180º. Reubicando la antena puede lograrse que ∆L sea un número impar de semilongitudes de onda, con lo cual los desfasajes por reflexión y por recorrido se cancelan llegando las ondas en fase.
En tanto el valor de radio ficticio K disminuye, el horizonte se levanta (protuberancia de la Tierra) y el lugar de reflexión cambia. También cambia la longitud del camino reflejado y por ello la diferencia de fase entre el rayo directo y reflejado. Esto produce que la potencia de recepción es variable con el factor K.
Cuando se cambia la altura de una antena se produce un efecto similar al anterior. El nivel de potencia de recepción pasa por sucesivos picos y valles en la medida que se eleva la antena. El diagrama de nivel esta más apretado sobre la antena más cercana al punto de reflexión y se expande sobre la otra. Se puede obtener una altura de antena donde exista un máximo de nivel, pero solo para un determinado valor de K.
La atenuación debida a la interferencia puede evitarse por medio de algunas técnicas como:
Diversidad de frecuencia: se utilizan frecuencias diferentes de modo que cuando una resulta atenuada la otra no. En el receptor debe disponerse un conmutador que recupere la señal desde la frecuencia óptima.
Diversidad de espacio: se utilizan antenas a diferentes alturas, de modo que cuando el haz hacia la primera resulta atenuado el haz hacia la segunda no. Debe utilizarse un combinador de recepción.
2.9. Pérdida de potencia por absorción
Todas las ondas al atravesar o chocar contra materiales de cualquier especie, sólidos, líquidos o gaseosos, experimentan pérdidas más o menos grandes debido a una transformación parcial en calor. Esto es así porque la OEM induce corrientes en el material invadido las que disipan la potencia i2.R, siendo R la resistencia del material. La energía que se puede obtener de este calor es energía que se ha sustraído a las ondas electromagnéticas, que por ende quedan amortiguadas o absorbidas. Este proceso recibe el nombre de
absorción.
Si el recorrido de la onda en el material absorbente es lo suficientemente largo, la onda es totalmente absorbida (para la onda, el obstáculo es insalvable. Si habláramos de la luz, diríamos que el material es opaco) y detrás del obstáculo se forma una zona de "sombra" (zona no cubierta por la OEM).
También se puede utilizar el fenómeno para transformar la energía de las ondas en energía térmica, es decir, en calor, para calentar los materiales: los cebadores de los hornos de microondas o de rayos infrarrojos.
La absorción de la potencia es tanto mayor cuanto mayor es la frecuencia, en especial en lo que hace a arboledas y terrenos húmedos. Las transmisiones en frecuencias de microondas son especialmente sensibles a las condiciones atmosféricas, particularmente a la lluvia; cualquier gota puede formar una pequeña antena que absorbe energía y provoca la disipación de la misma en vez de permitir que llegue a su destino.
2.10. Dispersión de la onda
Para frecuencias de microondas la lluvia, además de la absorción de potencia, provoca la dispersión de la radiación desde que cada gota de aquélla reirradia la señal en múltiples direcciones, la mayoría de ellas ajena a la de interés.
3. Propiedades de la irradiación electromagnética
La irradiación electromagnética se produce cuando corrientes eléctricas de intensidad apropiada recorren un material conductor cuyas dimensiones son del orden de la longitud de onda de la irradiación que se produce (antena).
En la práctica, existen dispositivos como receptores de radio o aparatos industriales que pueden producir radiaciones no deseadas. Estas radiaciones pueden provocar interferencias con la irradiación utilizada para transportar la información.
Cuando es un transmisor el que genera la irradiación, la configuración geométrica espacial de ésta depende en primer lugar de la estructura física de la antena. Los posibles esquemas de irradiación tienen similitud con los de fuentes de luz visible que nos son familiares a todos.
3.1. Diagrama de irradiación
La distribución de la energía irradiada más básica y obvia es de tipo uniforme o isotrópico, en el cual la cantidad de energía radiada es igual en todas las direcciones en torno al transmisor. Cuanto más potente es éste, más lejos llegan las radiaciones en el espacio.
Este tipo de difusión uniforme de las radiaciones, es deseable cuando el receptor se puede encontrar en un punto cualquiera del espacio, incluso cuando la irradiación se envía a otros receptores que no quieren comunicar con el transmisor.
Cuando se desea evitar interferencias con otros sistemas de comunicación, evitar el gasto de energía en zonas inútiles, o aumentar el rendimiento de la potencia irradiada, es necesario adoptar una irradiación direccional.
3.2.Antenas direccionales
El alcance de un transmisor, especialmente a las frecuencias más altas, se puede mejorar si se coloca la antena bastante por encima del suelo, sobre altas torres o montañas. Si además se concentra la irradiación, la
Fig 15
onda se puede mantener sin pérdidas por absorción del terreno en trechos larguísimos; se habla, entonces, de
onda irradiada sin pérdidas de tierra (fig. 14).
Para concentrar la onda se utiliza mínimamente un elemento que actúe como reflector (espejo), como por ejemplo un plato curvo parabólico, que se sitúa detrás del emisor. De esta manera se obtienen las antenas direccionales, en vez de las antenas de radiación circular que hemos visto hasta ahora. Ejemplo de antenas direccionales son la Yagi, el reflector esquinero, las parabólicas, etc.
Además de que mejoran el alcance, las antenas direccionales tienen dos ventajas respecto a las de irradiación circular:
• producen un notable ahorro en la potencia del transmisor, ya que ésta no se dispersa en el espacio inmediato;
• permiten la elección de una dirección privilegiada, por lo que es menor el efecto de las perturbaciones debidas a otros transmisores. Así se evita ser interferido o interferir a otros.
3.3. Parámetros característicos de las antenas
1. Banda de frecuencias utilizable: banda pasante de trabajo
2. Ancho de banda: se da respecto a una frecuencia central. Puede ser estrecho o angosto
3. Ganancia: normalmente se mide con relación a la antena isotrópica (G[dBi] = 10.log Pant/Pisot). También puede medirse con respecto al dipolo de media onda.
4. Diagrama polar: es la distribución espacial de las ondas irradiadas/captadas por la antena
5. Resistencia de irradiación: es la resistencia equivalente, que debe adaptarse a la línea de transmisión, a la resistencia del transmisor o bien a la del receptor.
6. Potencia máxima: potencia máxima de transmisión que puede aplicarse
7. Relación Frente/Espalda: se calcula como 10.log (Pf/Pe), donde f= frente y e=espalda 8. Polarización: posición predominante del campo eléctrico generado/captado
9. Máxima velocidad de viento tolerable
10. Superficie expuesta al viento: permite calcular el momento de fuerza que la antena traslada a la estructura soporte
11. Peso: permite calcular el esfuerzo que la antena traslada a la estructura soporte
3.4. Propagación de las ondas electromagnéticas en la tierra
La propagación de las ondas en las proximidades de la tierra tiene un interés técnico particular. La superficie de la tierra, desde un punto de vista electromagnético, es una mezcla de materiales conductores y materiales no conductores (aislantes), con las consiguientes pérdidas (fig. 15).
Las líneas de campo en el espacio son bastante parecidas a las conocidas líneas de campo de onda en el espacio libre, aunque sobre la tierra se aplanan.
La onda de tierra, a causa de la absorción del terreno, sufre pérdidas relativamente grandes, que crecen con el aumento de la frecuencia. En la práctica, la distancia que alcanza un transmisor con una frecuencia de 1 MHz es de algunos cientos de kilómetros, mientras que con 100 MHz de frecuencia desciende a pocos kilómetros. Hasta frecuencias del orden de 10Mhz el terreno normal es capaz de reflejar ondas con ángulos de incidencia bajos, de modo que el alcance de una señal puede verse considerablemente extendido para las ondas celestes (ionosféricas).
4. Propagación según las bandas
De acuerdo a lo visto hasta ahora, las formas de propagación posibles y sus particularidades dependen fundamentalmente de la frecuencia de trabajo, lo que se ilustra a continuación.
4.1. Bandas ELF y ULF (Frecuencias musicales y de la voz)
Las frecuencias de las OEM de las bandas extremadamente bajas (Extremely Low Frequencies = ELF)
coinciden con la mayor parte de las frecuencias sonoras, producidas por los instrumentos musicales y por la voz humana. Estas últimas (ULF = Ultra Low Frequencies) coinciden con las frecuencias del espectro de la voz. Pero por supuesto son de naturaleza física diferentes, y las longitudes de OEM correspondientes son del orden de la decena de kilómetro o más (frecuencias del orden de los 10 kHz). Las enormes dimensiones de las antenas prácticamente impiden la utilización de esta banda.
4.2. Bandas VLF y LF (frecuencias muy bajas y bajas)
Las bandas de frecuencia muy baja (Very Low Frequencies = VLF) y baja (Low Frequencies = LF) se utilizaron en un principio para la radiotelegrafía. Dado que las longitudes de onda correspondientes son del orden del kilómetro o más (frecuencias del orden de los 100 kHz) resultan necesarias antenas de dimensiones muy grandes para poder generar energía radiante en estas bandas. Como consecuencia estas frecuencias se utilizan únicamente para aplicaciones especiales.
4.3. Bandas MF y HF (ondas medias y cortas)
Las bandas de frecuencia media y alta (que en relación con la longitud de onda se conocen como Onda
Media = OM y Onda Corta = OC) se utilizan en la radiodifusión comercial. También para las transmisiones a distancia en OC en los aparatos de radioaficionados. Las radiaciones electromagnéticas en este campo de frecuencia presentan la importante propiedad (de la que ya se ha hablado) de que son reflejadas por la ionosfera y alcanzan notables distancias, en particular para las frecuencias altas (OC).
Durante el día la ionosfera, en particular la capa D, atenúa las frecuencias de la banda OM (utilizada para la radiodifusión de amplitud modulada o AM), por lo que la distancia que puede cubrir la irradiación de modo eficaz, es solamente de unos 100 km. En las horas de la noche se puede recibir una señal constante emitida a una distancia de varios miles de kilómetros.
También la reflexión de las señales de OC depende en gran medida de las variaciones en las condiciones de la ionosfera. Son bien conocidos los desvanecimientos de la onda (fading), que se manifiestan como "idas y venidas" de la señal debidos fundamentalmente a la interferencia variable de las ondas, producida con el movimiento de las capas ionosféricas. Con una potencia razonable y eligiendo bien las frecuencias, se puede establecer comunicación a escala mundial con OC a casi todas las horas del día.
4.4. Banda VHF y UHF (ondas ultracortas)
Los edificios y elevaciones del terreno que haya entre los transmisores y los receptores influyen en la transmisión, especialmente en la banda de la UHF (Ultra High Frequencies) y las frecuencias superiores. Las bandas UHF y VHF se utilizan para comunicaciones móviles, televisivas y radiofónicas.
Por encima de los 300MHz comienzan a cobrar importancia los fenómenos propios de la refracción, en especial para distancias de enlace grandes, lo que debe ser tenido en cuenta en los cálculos de enlace. La absorción de potencia y la dispersión causadas por la lluvia no son importantes en estas bandas.
4.5. Microondas (parte alta de UHF, SHF y EHF)
Las frecuencias superiores a mil millones de hercios (1 gigahercio = 1x109Hz = 1.000 MHz) reciben el nombre de microondas, y son cada vez más utilizadas, para comunicaciones móviles así como para las comunicaciones de banda ancha. Una de las características de las microondas es que los haces pueden ser dirigidos en ángulos de energía muy estrechos, lo que aumenta el rendimiento en cuanto se refiere al aprovechamiento de la energía del transmisor y a la reducción de las interferencias entre diferentes sistemas de comunicación.
Para las frecuencias de microondas comprendidas entre 3 y 30 GHz, la longitud de onda está entre 10 y 1 cm (por encima de 30 GHz se mide en milímetros). Esto representa una discreta ventaja para la transmisión, ya que las antenas pueden ser de pequeñas dimensiones. Sin embargo, la longitud de onda pequeña puede tener una desventaja, ya que la refracción, la absorción de potencia y la dispersión causadas por la lluvia son importantes en estas bandas, y deben ser cuidadosamente ponderadas en los cálculos de enlace.
4.6. Repetidores
Para enlaces punto a punto la distancia entre emisor y receptor puede alcanzar algunas decenas de kilómetros y depende de las condiciones de la línea de horizonte. Si hay obstrucciones o la distancia entre sistemas de comunicación de microondas es superior a la indicada, es necesario instalar estaciones
repetidoras a lo largo del recorrido, como se puede ver en la fig. 16; al aumentar la frecuencia hay que disminuir la distancia entre los repetidores.
El repetidor está formado por un receptor y un transmisor. Recibe la señal del repetidor anterior (o del emisor), eleva la potencia y la retransmite automáticamente al repetidor siguiente o al destino final de la información. Sin embargo, los repetidores no se limitan al campo de las longitudes de onda del orden del milímetro o del centímetro.
También hay transmisiones con mayores longitudes de onda, que pueden requerir que se instalen estaciones repetidoras. Estos repetidores son más grandes que los usados en los sistemas que funcionan con microondas, y requieren antenas y potencias mayores. Normalmente se usan en los sistemas de radiocomunicaciones «exclusivos» que funcionan en banda VHF y UHF.
Fig 18 Fig 17
5. Conductores de ondas
Como de la energía que genera un transmisor debe llegar al receptor la mayor cantidad posible, cuando el camino que hay que recorrer es complicado se recurre a los conductores de ondas, que. salvo pocas excepciones, están separados del espacio exterior y aíslan la onda para que no pueda ser alcanzada por perturbaciones de otras ondas y, a su vez, no interfiera con otras. Los conductores de ondas que se utilizan son: los cables coaxiales, las guías de onda y las fibras ópticas.
El conductor de cable coaxial es un conductor metálico situado en el interior de un envase tubular cilíndrico. Si bien se trata en realidad de un conductor eléctrico, resulta interesante el estudio de las ondas que se desarrollan en el mismo, lo que se aborda en el apunte correspondiente a Líneas de Transmisión.
5.1. Guías de ondas
Las guías de ondas (conductores huecos) son sistemas de un solo conductor que no son apropiados para la transmisión de corriente continua o de corrientes alternas de baja frecuencia, ya que les falta el indispensable segundo conductor.
En un conductor hueco no podemos imaginar una onda como la superposición de dos ondas planas de la misma frecuencia; cada una se puede considerar como la onda reflejada de la otra. Si pudiéramos observar desde arriba un conductor hueco de sección rectangular, tendríamos la imagen de la fig. 17, en la que está representada la intensidad de campo H. La intensidad de campo E es perpendicular al papel.
Se puede ver que la intensidad de campo H, representada con flechitas. se reparte entre las dos ondas. Si efectuamos gráficamente la suma en cada punto del conductor hueco, se obtiene la onda resultante del conductor hueco (que está representado por línea discontinua).
5.2. Onda H10 = onda «uno-cero»
Sistemas de Comunicaciones EPET Nº 14 - 6º Año
Fig 19
En un conductor hueco como el considerado la onda tiene una diferencia esencial con todos los tipos de propagación de onda que se han visto hasta ahora: las líneas de campo H avanzan por sectores y ya no lo hacen perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, que avanza según el eje del conductor. Las líneas de campo magnético de estas ondas, llamadas ONDAS H, se mueven en la dirección del eje de propagación de la onda y no perpendicularmente a él. El tipo de onda representado en el conductor hueco rectangular de la fig. 20 recibe el nombre de Onda H10(onda uno-cero).
Las propiedadesde esta onda difieren en algunas cosas del modo de propagación de las ondas tratadas hasta aquí:
− −−
− la longitud de onda en el conductor hueco es mayor de lo que sería en el espacio libre λλλλ > λλλλ0; −
−−
− a causa de la mayor longitud de onda también la velocidad de fase, es decir la velocidad del frente de
ondas, es mayor que la velocidad de la luz (en el tiempo de un período, la fase de la onda recorre siempre una longitud de onda) Vp>C0
− −−
− por el contrario, la velocidad de la energía, es decir, la velocidad de la energía de la onda. junto con la de transmisión de las informaciones, es menor que la velocidad de la luz VE<Co; esto se debe al camino
recorrido por cada una de las dos ondas planas que forman después la onda H10.
En la fig. 19 se puede ver que la longitud de onda del conductor hueco es mayor que la del espacio libre (λ
> λ0): λ es la proyección de λ0 en las paredes del conductor hueco. A causa del camino en zigzag que cada
una de las dos ondas recorre en el conductor hueco, la velocidad de la energía es menor que la velocidad de la luz y va decreciendo según disminuye la frecuencia hasta que cesa la transmisión de la onda.
La causa de esto reside en el ángulo formado por las dos ondas planas (es la base de la formación de la onda H10) con el eje del conductor hueco: el ángulo y por tanto el número de recorridos en zigzag aumenta al
disminuir la frecuencia.
5.3. Frecuencias límites en una guía de ondas
El campo de frecuencias utilizable con un conductor hueco está limitado, tanto inferior como superiormente. Con frecuencias por debajo del límite mínimo fmín no existe propagación de las ondas en el conductor hueco (sistema de un conductor). Para las frecuencias más elevadas existe un valor límite fmáxen el cual, junto con la onda fundamental, se superponen otros tipos de ondas muy complicadas y de altísima frecuencia. Se pueden calcular fmín y fmáx para el conductor hueco según las dimensiones geométricas de la sección del conductor. Por ej. para el conductor rectangular se tiene:
fmín = C0 ÷÷÷÷ 2a ; fmáx = C0 ÷÷÷÷ a
donde a = ancho del conductor hueco. Como se ve, las frecuencias son independientes del alto b del conductor.
En la práctica. las guías de ondas de sección rectangular se utilizan únicamente en el campo de las frecuencias comprendidas entre fmín y fmáx. En estas condiciones sólo se propaga la onda H10, onda
fundamental del conductor hueco rectangular.
5.4. Otros tipos de guías de ondas
Existen otras varias formas de conductores de ondas huecos, de los cuales el más importante es el de sección circular. Existe otro conductor de ondas: es el conductor de tiras, que consiste en dos conductores metálicos separados por un aislante, por ejemplo de cerámica (fig. 20).
Como en la transmisión se debe perder la menor cantidad posible de energía. uno de los parámetros más importante a tener en cuenta al elegir los conductores es la atenuación de energía. Las ondas sufren notables perdidas durante su propagación debido a las corrientes que se forman en las paredes del conductor (y, en el caso del cable coaxial, también en el conductor interno).
Comparando distintos tipos de conductores de ondas con la misma superficie de sección, podemos sacar las siguientes conclusiones:
• a bajas frecuencias, el cable coaxial tiene el mejor valor de atenuación, es decir, pérdidas mínimas; • por encima de cierta
frecuencia, que depende de la superficie de la sección, las guías de ondas presentan pérdidas menores que los cables coaxiales.
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Bibliografía: −
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− Volumen Comunicaciones, de Enciclopedia de Electrónica −
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− Radio Relay Systems - Thomson CSF −
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− Digital Radio Transmision Seminar - Harris Farinon −
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− Programa Nacional de Radiopropagación - Partes I y II
